一种碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管

本发明涉及功率半导体电力电子器件，具体是一种碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管。

背景技术：

1、碳化硅（sic）具有优异的材料性能，作为取代si的下一代功率半导体材料备受关注，随着功率集成电路的发展，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）的应用发展越来越成熟。相比于双极性器件，mosfet具备可以逆向导通的无与伦比的优势。但是，由于碳化硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管的高功率密度性，在期间发生短路状态下很容易造成局部电流密度过大，温度上升速率加快，进而其短路耐受时间。

2、现有的碳化硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管技术在这样的背景下应运而生。包括在漂移区形成类似pn超结结构，利用pn耗尽区减小n-drift区的电子电流路径宽度，降低饱和电流，从而提高了短路耐受时间。还有在源极侧实现逆行p阱掺杂，降低jfet区域的电流密度也可以提高电路耐受时间。

3、然而，现有的针对碳化硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管的抗短路技术会同时增大其正向导通电阻ron，器件的短路耐受时间与正向导通电阻之间存在明显的权衡关系。

4、因此，如何优化器件的短路耐受时间与正向导通电阻之间的权衡关系，是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管，包括漏极金属层、重掺杂第一导电类型衬底层、第一导电类型缓冲层、轻掺杂第一导电类型漂移区、第一导电类型传导区域、重掺杂第二导电类型接触区、重掺杂第二导电类型接触区、第二导电类型接触区、重掺杂第一导电类型接触区域、重掺杂第一导电类型接触区域、第二导电类型接触区、源极金属层、重掺杂第一导电类型栅极多晶硅层、非均匀栅宽氧化层以及非均匀栅宽调制区。

2、所述重掺杂第一导电类型衬底层位于漏极金属层之上。

3、所述第一导电类型缓冲层位于重掺杂第一导电类型衬底层之上。

4、所述轻掺杂第一导电类型漂移区位于第一导电类型缓冲层之上。

5、所述第一导电类型传导区域位于轻掺杂第一导电类型漂移区之上。

6、所述第二导电类型接触区和第二导电类型接触区分别位于轻掺杂第一导电类型漂移区之上，并分别设置于第一导电类型传导区域的两侧。

7、所述重掺杂第二导电类型接触区位于第二导电类型接触区之上。

8、所述重掺杂第一导电类型接触区域位于第二导电类型接触区之上，并位于重掺杂第二导电类型接触区靠近第一导电类型传导区域的一侧。

9、所述重掺杂第一导电类型接触区域位于第二导电类型接触区之上，并位于重掺杂第二导电类型接触区靠近第一导电类型传导区域的一侧。

10、所述重掺杂第二导电类型接触区位于第二导电类型接触区之上。

11、所述源极金属层位于重掺杂第二导电类型接触区、重掺杂第一导电类型接触区域、重掺杂第一导电类型接触区域以及重掺杂第二导电类型接触区之上，并与上述区域形成电连接。

12、所述非均匀栅宽氧化层位于第一导电类型传导区域、第二导电类型接触区和第二导电类型接触区之上。

13、所述重掺杂第一导电类型栅极多晶硅层位于非均匀栅宽氧化层之中，并被非均匀栅宽氧化层所包裹。

14、所述非均匀栅宽调制区位于非均匀栅宽氧化层靠近第一导电类型传导区域两侧边缘的位置，并分别对应于沟道末端或沟道—第一导电类型传导区域的过渡区域。

15、所述非均匀栅宽调制区使栅极多晶硅层对沟道末端区域的栅控能力沿呈非均匀分布，从而在短路状态下降低沟道末端向第一导电类型传导区域注入的电子电流。

16、进一步，所述源极金属层分别与重掺杂第二导电类型接触区、重掺杂第一导电类型接触区域、重掺杂第一导电类型接触区域和重掺杂第二导电类型接触区形成电连接。

17、进一步，所述源极金属层一部分位于重掺杂第二导电类型接触区之上，一部分位于重掺杂第一导电类型接触区域之上，一部分位于重掺杂第一导电类型接触区域之上，一部分位于重掺杂第二导电类型接触区之上，一部分位于非均匀栅宽氧化层之上。

18、进一步，所述非均匀栅宽氧化层包裹重掺杂第一导电类型栅极多晶硅层，使重掺杂第一导电类型栅极多晶硅层与源极金属层、重掺杂第一导电类型接触区域、重掺杂第一导电类型接触区域、第二导电类型接触区、第二导电类型接触区以及第一导电类型传导区域之间保持绝缘。

19、进一步，所述非均匀栅宽氧化层一部分位于重掺杂第一导电类型接触区域之上，一部分位于第二导电类型接触区之上，一部分位于第一导电类型传导区域之上，一部分位于第二导电类型接触区之上，一部分位于重掺杂第一导电类型接触区域之上。

20、进一步，所述重掺杂第一导电类型栅极多晶硅层位于非均匀栅宽氧化层之中，并被非均匀栅宽氧化层所包裹。

21、进一步，所述重掺杂第一导电类型栅极多晶硅层沿具有非均匀栅宽结构，使靠近重掺杂第一导电类型接触区和重掺杂第一导电类型接触区一侧的重掺杂第一导电类型栅极多晶硅层形成第一栅控作用区域，靠近第一导电类型传导区一侧的重掺杂第一导电类型栅极多晶硅层形成第二栅控作用区域；其中，第一栅控作用区域与第二栅控作用区域由于相邻区域结构及沟道耦合条件不同，呈现差异化的栅控作用。

22、进一步，所述非均匀栅宽调制区使重掺杂第一导电类型栅极多晶硅层在沟道末端或沟道—第一导电类型传导区域过渡区域处的有效栅宽减小，从而降低该区域在短路状态下的沟道反型电子浓度，使沟道末端区域更易形成弱栅控状态或准夹断状态，进而降低短路状态下由沟道注入第一导电类型传导区域的电子电流。

23、进一步，所述非均匀栅宽调制区在正常导通状态下不改变重掺杂第一导电类型接触区和重掺杂第一导电类型接触区附近的源极侧沟道开启能力。

24、进一步，在短路状态下，所述非均匀栅宽调制区削弱靠近第一导电类型传导区域一侧沟道末端的栅控能力，限制沟道电子向第一导电类型传导区域的注入，从而降低短路饱和电流，提高器件短路耐受时间。

25、针对现有碳化硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管短路耐受能力不足的问题，本发明提出一种具有非均匀栅宽结构的抗短路碳化硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管。该器件通过在靠近第一导电类型传导区域的沟道末端或沟道—传导区域过渡处设置非均匀栅宽调制区，使栅极对沟道末端区域的控制能力降低。

26、当器件正常导通时，靠近重掺杂第一导电类型接触区域和重掺杂第一导电类型接触区域一侧的源极侧沟道仍保持较强栅控能力，电子可以正常由源区进入沟道并流向第一导电类型传导区域（5），因此器件的正向导通电阻不显著增加。

27、当器件发生短路时，器件处于高漏源电压和高栅源电压状态。由于非均匀栅宽调制区的存在，靠近第一导电类型传导区域一侧的沟道末端栅控能力减弱，该区域的反型电子浓度降低，电子由沟道向第一导电类型传导区域的注入受到限制，使沟道末端或沟道—传导区域过渡区更容易形成弱栅控状态或准夹断状态，从而降低短路状态下的饱和电流。

28、相比于现有碳化硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管，本发明通过引入非均匀栅宽调制区，在不显著牺牲正向导通损耗的前提下，降低了短路状态下的饱和电流和器件内部热积累，提高了器件的短路耐受时间，综合提升了碳化硅功率mosfet在极端短路工况下的可靠性。