一種溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管及其制造方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)的一種溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，包括：正面、背面金屬電極，N型單晶襯底，N型外延層，第一P型摻雜區(qū)，在N型外延層和第一P型摻雜區(qū)的中央部分設(shè)有垂直溝槽，在溝槽中的柵極側(cè)壁與第一P型摻雜區(qū)之間為第一介質(zhì)層，柵極底部與外延層之間為第二介質(zhì)層，在第一P型摻雜區(qū)上靠近溝槽兩側(cè)設(shè)有第一N型摻雜區(qū)，遠(yuǎn)離溝槽兩側(cè)還設(shè)有第二P型摻雜區(qū)，外延層內(nèi)部還設(shè)有與第二介質(zhì)層下方相接觸的第三P型摻雜區(qū)和第二N型摻雜區(qū)，使第三P型摻雜區(qū)和第二N型摻雜區(qū)相互交錯間隔，在長度方向和厚度方向形成多個PN結(jié)單元。本發(fā)明專利技術(shù)可降低溝槽柵SiC?MOSFET的柵極和漏極之間的寄生電容，降低溝槽底部電場強(qiáng)度和抑制寄生BJT的開啟。

A trench gate metal oxide field effect transistor and method of manufacturing the same

A trench gate metal oxide field effect transistor of the invention comprises: front and back electrode type N single crystal substrate, N epitaxial layer, a first P type doping area, the central part in the first layer and the P doped N epitaxial region is provided with a vertical groove, a first dielectric layer between the gate and side wall the first P type doping area in the trench in the epitaxial layer between the gate and the second dielectric layer groove on both sides of the first P type doping area near a first N type doping area, away from the groove are arranged at both sides of the second P type doping area, the epitaxial layer is also arranged inside the third P type doping area and second N type doping contact the second dielectric layer below the third P type doping area and second N type doping area are alternately, a plurality of PN junction cell is formed in the length direction and the thickness direction. The invention can reduce the gate trench gate SiC MOSFET and parasitic capacitance between the drain opening, lower trench bottom electric field strength and the suppression of parasitic BJT.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管及其制造方法
本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體
，尤其涉及一種溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管及其制造方法。
技術(shù)介紹
高壓功率器件的耐壓與器件耐壓層厚度成正比關(guān)系。而耐壓層厚度與材料的臨界電場成反比關(guān)系。由于碳化硅材料臨界電場約是硅的10倍，因此使用碳化硅材料制備功率器件時，可以應(yīng)用較薄的耐壓層實現(xiàn)相同的耐壓要求，同時還有利于降低器件導(dǎo)通電阻。除此之外，碳化硅(SiC)還具有優(yōu)良的物理和電學(xué)特性，具有寬禁帶大、擊穿場強(qiáng)高、高電子飽和漂移速率以及極強(qiáng)的抗輻照能力和機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點。因此，SiC成為研制大功率、高溫、高頻功率器件的優(yōu)選材料，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。SiC金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)損耗低的特點，更適用于高頻工作狀態(tài)。但是在溝槽柵SICMOSFET中,最大電場強(qiáng)度轉(zhuǎn)移到溝槽柵底部拐角，易造成熱載流子注入柵極氧化層或被氧化層界面處陷阱俘獲，造成器件閾值電壓漂移等問題，影響器件的長期可靠運(yùn)用。同時，溝槽柵中由于柵極與漏極之間的寄生電容，造成器件關(guān)斷時延遲時間過大，開啟時柵極電壓易振蕩的情況。另一方面，MOSFET器件在開關(guān)過程中，由于大電流高電壓同時存在，器件內(nèi)大電場處碰撞電離產(chǎn)生的空穴載流子經(jīng)由MOS區(qū)的P阱流出時，在P阱上產(chǎn)生電壓降，當(dāng)電壓降增大到一定PN結(jié)開啟電壓時，由源區(qū)N+層、P阱、N型耐壓層組成的寄生BJT開啟，造成器件二次擊穿，發(fā)生失效。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提出一種溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管及其制造方法，降低溝槽柵SiCMOSFET的柵極和漏極之間的寄生電容，降低溝槽底部電場強(qiáng)度和抑制寄生BJT的開啟。一方面，本專利技術(shù)提供了一種溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，包括：正面金屬電極，背面金屬電極，在所述背面金屬電極上的N型單晶襯底，在所述N型單晶襯底上形成的N型外延層，在所述N型外延層上形成的第一P型摻雜區(qū)，在所述N型外延層和所述第一P型摻雜區(qū)的中央部分設(shè)有垂直的溝槽，在所述溝槽中設(shè)有柵極，所述柵極的深度比所述第一P型摻雜區(qū)的結(jié)深更深，所述柵極側(cè)壁與所述第一P型摻雜區(qū)之間為第一介質(zhì)層，所述柵極底部與所述外延層之間為第二介質(zhì)層，所述第二介質(zhì)層厚度大于所述第一介質(zhì)層厚度，在所述第一P型摻雜區(qū)上靠近所述溝槽兩側(cè)設(shè)有第一N型摻雜區(qū)，遠(yuǎn)離所述溝槽兩側(cè)還設(shè)有第二P型摻雜區(qū)，所述第一N型摻雜區(qū)和所述第二P型摻雜區(qū)分別與所述正面金屬電極相連接，所述外延層內(nèi)部還設(shè)有與所述第二介質(zhì)層下方相接觸的第三P型摻雜區(qū)和第二N型摻雜區(qū)，使所述第三P型摻雜區(qū)和所述第二N型摻雜區(qū)相互交錯間隔，在長度方向和厚度方向形成多個PN結(jié)單元。進(jìn)一步的，所述第三P型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量大于所述第二N型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量。進(jìn)一步的，所述N型單晶襯底和所述N型外延層為硅材料或碳化硅材料。進(jìn)一步的，所述柵極在厚度方向上為多個H形狀的重復(fù)單元，使得所述柵極在長度方向上部分呈現(xiàn)為對稱分離的左右兩個柵極。進(jìn)一步的，所述第二P型摻雜區(qū)位于所述第一N型摻雜區(qū)下部，且所述正面金屬電極的接觸孔直接接觸到所述第二P型摻雜區(qū)表面，所述第二P型摻雜區(qū)與所述正面金屬電極接觸面的深度等于或大于所述第一N型摻雜區(qū)的深度；并且使所述第二P型摻雜區(qū)與所述第一介質(zhì)層的距離小于所述第一N型摻雜區(qū)寬度；所述第二P型摻雜區(qū)的摻雜濃度大于所述第一P型摻雜區(qū)的濃度。進(jìn)一步的，所述第三P型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量Qp和所述第二N型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量Qn應(yīng)滿足以下關(guān)系：其中，VB為需求的器件耐壓值，K為設(shè)計器件時考慮到終端效率設(shè)置的耐壓設(shè)計系數(shù)，K的取值范圍為1.3～1.5；Wp為所述第三P型摻雜區(qū)的寬度。進(jìn)一步的，所述第二介質(zhì)層厚度至少為所述第一介質(zhì)層厚度的2倍以上。進(jìn)一步的，所述每個分離的柵極寬度W2和所述溝槽寬度W，應(yīng)滿足以下關(guān)系：W≥2*W2+0.5μm進(jìn)一步的，所述正面金屬電極為鎳、鋁多層金屬層；所述背面金屬電極為鎳、鈦、鎳、銀或鈦、鎳、銀的多層金屬層。另一方面，本專利技術(shù)還提供了一種制造溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管的方法，所述晶體管包含7層光刻層，按照制作順序分別為對位標(biāo)記光刻層、N+注入光刻層、P型注入光刻層、溝槽刻蝕光刻層、P型浮空注入層、N型浮空注入層、P+注入光刻層、柵極光刻層、接觸孔刻蝕光刻層、正面金屬光刻層，所述方法包括：在外延層上使用對位標(biāo)記光刻層刻蝕對位標(biāo)記，用于后續(xù)光刻對位使用；化學(xué)氣相淀積2微米二氧化硅，使用N+注入光刻層進(jìn)行N+注入層注入窗口刻蝕，然后進(jìn)行N+注入層的多次離子注入摻雜；通過刻蝕二氧化硅，并再次淀積0.3微米二氧化硅，使用P型注入光刻層，形成注入窗口，并進(jìn)行P型摻雜區(qū)的多次離子注入，形成第一P型摻雜區(qū)；化學(xué)氣相淀積0.5微米的二氧化硅，使用溝槽刻蝕光刻層，刻蝕二氧化硅，形成溝槽刻蝕窗口，使用RIE刻蝕技術(shù)，在碳化硅外延層中刻蝕出深度為2.2微米，寬度為1.7微米的溝槽；使用P型浮空注入層，對溝槽底部進(jìn)行鋁離子多次注入；使用N型浮空注入層，對溝槽底部進(jìn)行磷離子多次注入；使用P+注入光刻層進(jìn)行P+注入層的多次離子注入。在1550℃～1700℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行注入離子的高溫退火激活。形成深度0.3微米，平均濃度1e18～4e20cm-3的第一N型摻雜區(qū)；深度1.5微米，平均濃度9e17～5e18cm-3的第一P型摻雜區(qū)；深度1.5微米，平均濃度8e15～1e16cm-3的第三P型摻雜區(qū)；深度1.5微米，平均濃度7.5e15～9.5e15cm-3的第二N型摻雜區(qū)；通過多次氧化層淀積與刻蝕，形成溝槽底部厚度為200nm的第二介質(zhì)層，溝槽側(cè)壁厚度為55nm的第一介質(zhì)層。淀積厚度0.55微米，摻雜濃度1e20～3e20cm-3的N型摻雜多晶硅柵極，使柵極光刻層刻蝕形成柵極圖形層；使用接觸孔刻蝕光刻層形成刻蝕窗口，通過RIE刻蝕碳化硅外延層，形成深度為0.3正面金屬電極接觸孔，并對二氧化硅層進(jìn)行0.2～0.3微米的各向同性刻蝕；正面淀積Ti/Al金屬層，并進(jìn)行快速熱處理，形成歐姆接觸。使用柵極光刻層刻蝕金屬層，形成正面金屬層圖形；背面淀積40～80nmTi\400～650nmNi\900～1500nmAg金屬層。本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)提出的結(jié)構(gòu)中柵極為溝槽型結(jié)構(gòu)，溝槽底部具有厚介質(zhì)層，在溝槽底部長度方向即XY截面和厚度方向即YZ截面上設(shè)置的第三P型摻雜區(qū)和第二N型摻雜區(qū)相互間隔，第三P型摻雜區(qū)和第二N型摻雜區(qū)形成的PN結(jié)之間由于耗盡層電荷共享，將進(jìn)一步增強(qiáng)第三P型摻雜區(qū)和第二N型摻雜區(qū)的耗盡，有利于使溝槽柵底部的體碳化硅快速耗盡，達(dá)到柵極和背面金屬電極之間寄生電容快速下降的作用。本專利技術(shù)的一些優(yōu)選方式還具有如下的有益效果：第三P型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量大于第二N型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量，使得相同電壓下，第三P型摻雜區(qū)的耗盡層寬度小于第二摻雜區(qū)，使得電場峰值轉(zhuǎn)移到第三P型摻雜區(qū)與N型外延層形成的PN結(jié)底部，電場峰值遠(yuǎn)離柵介質(zhì)層，有利于降低柵極電場，降低熱載流子注入，增強(qiáng)柵介質(zhì)層的可靠性。使用分離的柵極，可以減小柵極與背面金屬電極之間介質(zhì)層電容的面積，有利于降低兩者之間的反向傳輸電容。但與傳統(tǒng)非分離的柵電極相比，分離后的柵電極寬度變小，使得柵電極的等效電阻增大，不利于器件的快速且均勻地開關(guān)。因此，對柵電極采用間隔式的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，包括：正面金屬電極，背面金屬電極，在所述背面金屬電極上的N型單晶襯底，在所述N型單晶襯底上形成的N型外延層，在所述N型外延層上形成的第一P型摻雜區(qū)，在所述N型外延層和所述第一P型摻雜區(qū)的中央部分設(shè)有垂直的溝槽，在所述溝槽中設(shè)有柵極，所述柵極的深度比所述第一P型摻雜區(qū)的結(jié)深更深，所述柵極側(cè)壁與所述第一P型摻雜區(qū)之間為第一介質(zhì)層，所述柵極底部與所述外延層之間為第二介質(zhì)層，所述第二介質(zhì)層厚度大于所述第一介質(zhì)層厚度，在所述第一P型摻雜區(qū)上靠近所述溝槽兩側(cè)設(shè)有第一N型摻雜區(qū)，遠(yuǎn)離所述溝槽兩側(cè)還設(shè)有第二P型摻雜區(qū)，所述第一N型摻雜區(qū)和所述第二P型摻雜區(qū)分別與所述正面金屬電極相連接，所述外延層內(nèi)部還設(shè)有與所述第二介質(zhì)層下方相接觸的第三P型摻雜區(qū)和第二N型摻雜區(qū)，使所述第三P型摻雜區(qū)和所述第二N型摻雜區(qū)相互交錯間隔，在長度方向和厚度方向形成多個PN結(jié)單元。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，包括：正面金屬電極，背面金屬電極，在所述背面金屬電極上的N型單晶襯底，在所述N型單晶襯底上形成的N型外延層，在所述N型外延層上形成的第一P型摻雜區(qū)，在所述N型外延層和所述第一P型摻雜區(qū)的中央部分設(shè)有垂直的溝槽，在所述溝槽中設(shè)有柵極，所述柵極的深度比所述第一P型摻雜區(qū)的結(jié)深更深，所述柵極側(cè)壁與所述第一P型摻雜區(qū)之間為第一介質(zhì)層，所述柵極底部與所述外延層之間為第二介質(zhì)層，所述第二介質(zhì)層厚度大于所述第一介質(zhì)層厚度，在所述第一P型摻雜區(qū)上靠近所述溝槽兩側(cè)設(shè)有第一N型摻雜區(qū)，遠(yuǎn)離所述溝槽兩側(cè)還設(shè)有第二P型摻雜區(qū)，所述第一N型摻雜區(qū)和所述第二P型摻雜區(qū)分別與所述正面金屬電極相連接，所述外延層內(nèi)部還設(shè)有與所述第二介質(zhì)層下方相接觸的第三P型摻雜區(qū)和第二N型摻雜區(qū)，使所述第三P型摻雜區(qū)和所述第二N型摻雜區(qū)相互交錯間隔，在長度方向和厚度方向形成多個PN結(jié)單元。2.如權(quán)利要求1所述的溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述第三P型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量大于所述第二N型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量。3.如權(quán)利要求1所述的溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述N型單晶襯底和所述N型外延層為硅材料或碳化硅材料。4.如權(quán)利要求1所述的溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述柵極在厚度方向上為多個H形狀的重復(fù)單元，使得所述柵極在長度方向上部分呈現(xiàn)為對稱分離的左右兩個柵極。5.如權(quán)利要求1所述的溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述第二P型摻雜區(qū)位于所述第一N型摻雜區(qū)下部，且所述正面金屬電極的接觸孔直接接觸到所述第二P型摻雜區(qū)表面，所述第二P型摻雜區(qū)與所述正面金屬電極接觸面的深度等于或大于所述第一N型摻雜區(qū)的深度；并且使所述第二P型摻雜區(qū)與所述第一介質(zhì)層的距離小于所述第一N型摻雜區(qū)寬度；所述第二P型摻雜區(qū)的摻雜濃度大于所述第一P型摻雜區(qū)的濃度。6.如權(quán)利要求2所述的溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述第三P型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量Qp和所述第二N型摻雜區(qū)的雜質(zhì)劑量Qn應(yīng)滿足以下關(guān)系：其中，VB為需求的器件耐壓值，K為設(shè)計器件時考慮到終端效率設(shè)置的耐壓設(shè)計系數(shù)，K的取值范圍為1.3～1.5；Wp為所述第三P型摻雜區(qū)的寬度。7.如權(quán)利要求1所述的溝槽柵金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，其特征在于，所述第二介質(zhì)層厚度至少為所述第一介質(zhì)層厚度...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張振中，孫軍，和巍巍，汪之涵，顏劍，
申請(專利權(quán))人：深圳基本半導(dǎo)體有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：廣東,44