一种碳化硅沟槽型JFET功率器件及制造方法

本发明属于功率半导体器件结构设计及制造，具体而言是一种碳化硅沟槽型jfet功率器件及制造方法。

背景技术：

1、碳化硅材料作为宽禁带半导体材料，相对于硅材料具有禁带宽度高、临界击穿电场高、热导率高等优点，制成的功率器件具有更高的工作频率、更小的损耗和更宽的温度范围，更适合用于制作高压大功率器件。但是由于碳化硅mosfet的栅氧化层可靠性及沟道迁移率受限，在高温高压的工作领域没有充分发挥碳化硅材料的优势。而碳化硅jfet器件通过pn结施加反向电压调整沟道导电性，从而实现对器件开关的控制，在固态断路器、开关电路等领域有着广泛应用。但由于jfet器件在沟道夹断时无第三象限续流路径，只有当源漏电压较大时才会开启沟道实现第三象限续流路径，因此jfet器件应用于部分对第三象限续流能力要求较高的开关电路时大多采用并联二极管的方式改善续流能力，但这种方式提高了器件制造成本。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有的技术问题，提出了一种碳化硅沟槽型jfet功率器件及制造方法，提高了第三象限续流时的电流能力，同时降低了器件反向耐压时的漏电流。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种碳化硅沟槽型jfet功率器件，包含阵列分布的元胞区，所述元胞区剖面结构自下而上包括依次堆叠的底部金属、第一导电类型衬底、第一导电类型外延层；定义从元胞区剖面结构的一侧至另一侧为目标方向；元胞区剖面结构中，第一导电类型外延层上表面沿目标方向依次分别向下刻蚀四个沟槽，沟槽内自下而上依次堆叠栅极金属和沟槽填充层，沟槽周围布设第二导电类型栅极区，相邻两第二导电类型栅极区之间第一导电类型外延层区域构成第一导电类型沟道区；第一导电类型外延层上表面向下内嵌两个第一导电类型源区，各第一导电类型源区顶部分别布设连接第一源极金属；第一导电类型外延层上表面布设第二源极金属，第二源极金属两端分别设置绝缘区并对接；覆盖第一导电类型外延层、第二源极金属、绝缘区、以及两第一源极金属布设顶层金属。

4、作为本发明的一种优选技术方案：各所述沟槽填充层顶部与第一导电类型外延层上表面平齐，目标方向上第一个沟槽的外侧边、第四个沟槽外侧边分别延伸至元胞区剖面结构的两侧边缘；目标方向上第一个沟槽、第四个沟槽的下表面与内侧边布设第二导电类型栅极区，目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽的下表面与两侧边布设第二导电类型栅极区。

5、作为本发明的一种优选技术方案：所述第一导电类型外延层上表面向下内嵌两个第一导电类型源区包括，第一导电类型外延层上表面对应目标方向上第一个沟槽、第二个沟槽之间的区域向下内嵌第一导电类型源区，且第一导电类型源区的两端分别对接目标方向上第一个沟槽、第二个沟槽之间两侧边所设第二导电类型栅极区的顶端；第一导电类型外延层上表面对应目标方向上第三个沟槽、第四个沟槽之间的区域向下内嵌第一导电类型源区，且第一导电类型源区的两端分别对接目标方向上第三个沟槽、第四个沟槽之间两侧边所设第二导电类型栅极区的顶端；两个第一导电类型源区顶部分别与第一导电类型外延层上表面平齐。

6、作为本发明的一种优选技术方案：所述第一导电类型外延层上表面布设第二源极金属包括，第一导电类型外延层上表面对应目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽之间的区域布设第二源极金属，两所述绝缘区分别对接目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽之间两侧边所设第二导电类型栅极区的顶端，且绝缘区的纵向投影大于其所连第二导电类型栅极区顶端的纵向投影。

7、作为本发明的一种优选技术方案：所述元胞区按功能分为第一元胞区和第二元胞区，第一元胞区包括所述第一导电类型源区和所述第一源极金属；第二元胞区包括所述第二源极金属和所述绝缘区；第二元胞区的两侧各邻接至少一个第一元胞区；且第二元胞区与第一元胞区共用所述底部金属、所述第一导电类型衬底、所述第一导电类型外延层、所述第二导电类型栅极区、所述栅极金属、所述沟槽填充层及所述顶层金属。

8、作为本发明的一种优选技术方案：所述第一导电类型外延层上表面对应目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽之间的区域向下内嵌第二导电类型重掺杂半导体补偿区，其顶部与第一导电类型外延层的上表面平齐，底部不超过第一导电类型外延层的下表面；第二导电类型重掺杂半导体补偿区的纵向投影小于其所连第二源极金属的纵向投影。

9、作为本发明的一种优选技术方案：所述第二导电类型重掺杂半导体补偿区沿垂直于元胞区剖面结构方向间隔排布，形成多个分立区域。

10、作为本发明的一种优选技术方案：所述第一源极金属与所述第一导电类型源区之间形成欧姆接触；所述第二源极金属与所述第一导电类型沟道区之间形成肖特基接触；欧姆接触的势垒低于肖特基接触的势垒。

11、作为本发明的一种优选技术方案：目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽之间两侧边所设第二导电类型栅极区的顶端分别设有第一导电类型源区，其上表面分别对接绝缘区。

12、与上述技术方案相对应，本发明还提供一种碳化硅沟槽型jfet功率器件的制造方法，包括如下步骤：

13、s110、选取第一导电类型衬底，并在第一导电类型衬底的上表面外延生长第一导电类型外延层；在第一导电类型外延层形成第一导电类型沟道区，第一导电类型沟道区的离子掺杂浓度不低于第一导电类型外延层的离子掺杂浓度；

14、s120、在第一导电类型外延层上表面分别形成第一导电类型源区和第二导电类型重掺杂半导体补偿区；

15、s130、通过刻蚀工艺在第一导电类型外延层上表面形成沟槽；

16、s140、在沟槽侧壁和底部进行形成第二导电类型栅极区；

17、s150、在第二导电类型栅极区的上表面形成栅极金属，在第一导电类型源区的上表面形成第一源极金属，在第一导电类型衬底的下表面形成底部金属；

18、s160、在栅极金属上表面沉积绝缘材料，填充沟槽形成沟槽填充层；

19、s170、在第一导电类型外延层的上表面形成第二源极金属及绝缘区，随后形成覆盖功率器件表面的顶层金属。

20、与现有器件结构及其制造方法相比，本发明具有如下优点：

21、1. 本发明提出的碳化硅沟槽型jfet功率器件，第二元胞区在器件关断时可通过金属与半导体形成的高势垒金属-半导体接触提供单向第三象限续流通路，有效减小了器件续流损耗。

22、2. 本发明提出的碳化硅沟槽型jfet功率器件，在器件处于反向耐压状态时，第二导电类型栅极区和第二导电类型重掺杂半导体补偿区对第二元胞区的金属-半导体接触部分辅助耗尽，抑制了较高的反向漏电流。

23、3. 本发明提出的碳化硅沟槽型jfet功率器件，在器件处于正向导通状态时，第一元胞区的沟道处pn结耗尽层收缩，形成高迁移率且较宽的沟道，具有极佳的正向导通特性。

1.一种碳化硅沟槽型jfet功率器件，包含阵列分布的元胞区，其特征在于，所述元胞区剖面结构自下而上包括依次堆叠的底部金属（1）、第一导电类型衬底（2）、第一导电类型外延层（3）；

2.根据权利要求1所述的碳化硅沟槽型jfet功率器件，其特征在于，各所述沟槽填充层（6）顶部与第一导电类型外延层（3）上表面平齐，目标方向上第一个沟槽的外侧边、第四个沟槽的外侧边分别延伸至元胞区剖面结构的两侧边缘，目标方向上第一个沟槽、第四个沟槽的下表面与内侧边布设第二导电类型栅极区（4），目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽的下表面与两侧边布设第二导电类型栅极区（4）。

3.根据权利要求2所述的碳化硅沟槽型jfet功率器件，其特征在于，所述第一导电类型外延层（3）上表面向下内嵌两个第一导电类型源区（9）包括，第一导电类型外延层（3）上表面对应目标方向上第一个沟槽、第二个沟槽之间的区域向下内嵌第一导电类型源区（9），且第一导电类型源区（9）的两端分别对接目标方向上第一个沟槽、第二个沟槽之间两侧边所设第二导电类型栅极区（4）的顶端；第一导电类型外延层（3）上表面对应目标方向上第三个沟槽、第四个沟槽之间的区域向下内嵌第一导电类型源区（9），且第一导电类型源区（9）的两端分别对接目标方向上第三个沟槽、第四个沟槽之间两侧边所设第二导电类型栅极区（4）的顶端；两个第一导电类型源区（9）顶部分别与第一导电类型外延层（3）上表面平齐。

4.根据权利要求2所述的碳化硅沟槽型jfet功率器件，其特征在于，所述第一导电类型外延层（3）上表面布设第二源极金属（11）包括，第一导电类型外延层（3）上表面对应目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽之间的区域布设第二源极金属（11），两所述绝缘区（12）分别对接目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽之间两侧边所设第二导电类型栅极区（4）的顶端，且绝缘区（12）的纵向投影大于其所连第二导电类型栅极区（4）顶端的纵向投影。

5.根据权利要求1所述的碳化硅沟槽型jfet功率器件，其特征在于，所述元胞区按功能分为第一元胞区（14）和第二元胞区（15），第一元胞区（14）包括所述第一导电类型源区（9）和所述第一源极金属（10）；第二元胞区（15）包括所述第二源极金属（11）和所述绝缘区（12）；第二元胞区（15）的两侧各邻接至少一个第一元胞区（14）；且第二元胞区（15）与第一元胞区（14）共用所述底部金属（1）、所述第一导电类型衬底（2）、所述第一导电类型外延层（3）、所述第二导电类型栅极区（4）、所述栅极金属（5）、所述沟槽填充层（6）及所述顶层金属（13）。

6.根据权利要求4所述的碳化硅沟槽型jfet功率器件，其特征在于，所述第一导电类型外延层（3）上表面对应目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽之间的区域向下内嵌第二导电类型重掺杂半导体补偿区（8），其顶部与第一导电类型外延层（3）的上表面平齐，底部不超过第一导电类型外延层（3）的下表面；第二导电类型重掺杂半导体补偿区（8）的纵向投影小于其所连第二源极金属（11）的纵向投影。

7.根据权利要求6所述的碳化硅沟槽型jfet功率器件，其特征在于，所述第二导电类型重掺杂半导体补偿区（8）沿垂直于元胞区剖面结构方向间隔排布，形成多个分立区域。

8.根据权利要求1所述的碳化硅沟槽型jfet功率器件，其特征在于，所述第一源极金属（10）与所述第一导电类型源区（9）之间形成欧姆接触；所述第二源极金属（11）与所述第一导电类型沟道区（7）之间形成肖特基接触；欧姆接触的势垒低于肖特基接触的势垒。

9.根据权利要求4所述的碳化硅沟槽型jfet功率器件，其特征在于，目标方向上第二个沟槽、第三个沟槽之间两侧边所设第二导电类型栅极区（4）的顶端分别设有第一导电类型源区（9），其上表面分别对接绝缘区（12）。

10.一种碳化硅沟槽型jfet功率器件的制造方法，用于制备权利要求1至9中任意一项所述的碳化硅沟槽型jfet功率器件，其特征在于，包括以下步骤：