一种可多次外延的超结功率MOSFET结构及使用方法与流程

一种可多次外延的超结功率mosfet结构及使用方法
技术领域
1.本发明涉及半导体场效应晶体管技术领域，具体涉及一种可多次外延的超结功率mosfet结构及使用方法。


背景技术：

2.金属
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氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(metal
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oxide
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semiconductor field
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effect transistor,mosfet)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管，从名字表面的角度来看mosfet的命名，事实上会让人得到错误的印象。因为mosfet里代表“metal”的第一个字母m在当下大部分同类的元件里是不存在的。早期mosfet的栅极(gate electrode)使用金属作为其材料，但随著半导体技术的进步，随后mosfet栅极使用多晶硅取代了金属。在处理器中，多晶硅栅已经不是主流技术，从英特尔采用45纳米线宽的p1266处理器开始，栅极开始重新使用金属，mosfet在概念上属于“绝缘栅极场效晶体管”(insulated
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gate field effect transistor,igfet)，而igfet的栅极绝缘层有可能是其他物质而非mosfet使用的氧化层。有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效晶体管元件时比较喜欢用igfet，但是这些igfet多半指的是mosfet。
3.根据中国专利提供的“超结mosfet结构”(专利号：cn201720346165.3)，该专利中记载了“s1：提供一n型重掺杂衬底，在n型重掺杂衬底上形成n型轻掺杂外延层，对n型轻掺杂外延层进行刻蚀，形成一对元胞区沟槽及至少一个终端区沟槽，在元胞区沟槽内形成元胞区p柱，在终端区沟槽内形成终端区p柱；s2：在n型轻掺杂外延层上生长出一层氧化绝缘基础层，利用一块掩膜板，并在位于元胞区内的硬掩板层中形成若干暴露出n型轻掺杂外延层的开口，利用掩膜板做遮挡，刻蚀掉元胞区的氧化绝缘基础层，留下终端区的氧化绝缘基础层；s3：在并对应一对元胞区p柱之间的n型轻掺杂外延层表面形成栅氧化层，在栅氧化层的表面形成多晶硅栅极s4：在位于元胞区的n型轻掺杂外延层的上部进行b注入和扩散，形成p型体区s5：在位于元胞区的n型轻掺杂外延层202上部形成n型体区接触区；s6：对终端区的氧化绝缘基础层进行生长增厚处理形成终端区氧化绝缘层；”然后该方案在使用过程中仍然存在以下缺陷：
4.1、上述的超结mosfet采用p型体区采用自对准注入，对称性比传统的带光刻版注入对称性要高，提高了p元胞区p柱的厚度，但二次外延成单层外延层，无法使得外延层结构具有理想的电阻率匹配，所以不能实现两个叠加的外延层或者多个外延层的界面特性，从而整体上仅小幅度改良器件的击穿电压和性能；
5.2、由于超结mosfet器件结构小、精细且质量轻，在未安装入电路时，其运输环境很容易影响其内部结构，尤其是伸出的电极柱，容易弯曲、产生刮痕等，影响内部电阻、导电率等参数，在后续接入电路后，超结mosfet的三个电极柱需要与其他器件连接，仅靠电极柱的连接，在后续长期的工作中，设备电路等的震动影响下，容易使得连接处松散、接触不良甚至脱离、掉落；
6.3、现有的超结mosfet虽然放热少，但在长期的工作中，尤其处于高温环境，内部难
免会堆积热量，如果增设贴合导热的散热结构，在少量散热时，遮挡贴附结构会影响结构自身的散热，会导致热量堆积，在大量放热时，如果是分离式的散热机构，导热效率低，无法实现快速冷却散热；
7.4、超结mosfet在异常工作时，如果出现被击穿、烧毁等特殊且较为严重的事故时，由于外壳与外界非严格封闭结构，这样产生的烟气或者火势，会蔓延传递到电路其他部位，影响电路整体的安全性。


技术实现要素：

8.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，如：特性、击穿电压性能不能整体性提高、散热遮挡或者不良、外壳无密封和电极柱容易弯曲、后续接入电路后易松弛脱落，而提出的一种可多次外延的超结功率mosfet结构及使用方法。
9.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
10.一种可多次外延的超结功率mosfet结构及使用方法，包括n型衬底和外壳，所述n型衬底置于外壳的内部，所述n型衬底的顶端固定连接有第一外延层，所述第一外延层的顶端固定连接有第二外延层，所述第一外延层的顶端开凿有两个沟槽，所述第二外延层的中部开凿有两个通槽，两个所述沟槽分别与两个通槽的内部均填充有p柱，所述第二外延层的顶端开凿有两个体区槽，两个体区槽的内部均固定嵌接有p型体区，两个所述p型体区的顶端均固定嵌接有两个n型体区，其中两个所述n型体区的顶端固定连接有s源极，其中另外两个所述n型体区的顶端固定连接有d漏极，所述第二外延层顶端的中部固定连接有栅氧化层，所述栅氧化层的顶端固定设有多晶硅栅极，所述多晶硅栅极的顶端固定设有g栅极；
11.所述外壳顶端的中部和底端的中部均设有降温机构，所述外壳的一端固定贯穿有三个电极柱，三个所述电极柱的外部设有密封机构，三个所述电极柱的一端部均设有保护牵引机构。
12.进一步地，所述s源极、d漏极和g栅极分别与三个电极柱电性连接，所述第二外延层的顶端固定设有绝缘层，四个所述n型体区分别与两个p型体区之间均固定嵌设有保护层，所述绝缘层为二氧化硅(sio)绝缘层。
13.进一步地，所述降温机构包括矩形盒、多个弹性盒和多个导热板，所述矩形盒与外壳顶端的中部或底端的中部固定嵌接，多个所述弹性盒均固定嵌接于矩形盒的顶端，多个所述导热板分别固定设于多个弹性盒的底端内壁，多个所述导热板的底端均固定穿插有多个散热柱，多个所述散热柱的中部均固定贯穿多个弹性盒的底端。
14.进一步地，所述矩形盒的内部填充有散热油，多个所述散热柱的底部均置于散热油中，所述矩形盒的内部设有多个膨胀球，多个所述膨胀球的顶端均固定穿插连接有导热针，所述矩形盒的顶端固定设有多个导热支块，多个所述导热针的顶部均固定贯穿矩形盒的顶端分别与多个导热支块的底端固定穿插连接。
15.进一步地，所述密封机构包括条形板、多个导热杆、三个密封蜡块，所述条形板与外壳的一端固定嵌接，所述条形板的中部对称开凿有三个矩形槽，三个所述电极柱的另一端部均分别贯穿三个矩形槽的内部，三个所述矩形槽的内部均固定设有一对u形网板。
16.进一步地，三个所述矩形槽的顶端内壁分别与三个密封蜡块固定嵌接，多个所述导热杆的一端均依次固定贯穿条形板正面的顶部和三个密封蜡块的一侧壁，多个所述导热
杆的另一端均固定连接有l形导热片。
17.进一步地，所述保护牵引机构包括三个j形保护套、三对弹性拉杆和三个连接块，三个所述j形保护套分别活动套设于三个电极柱的一端部，三个所述连接块的底端分别与三个j形保护套顶端的一侧固定连接，三个所述连接块顶端的中心处均固定嵌设有焊接点。
18.进一步地，三对所述弹性拉杆分别置于三个j形保护套的两侧，三个所述j形保护套的两侧壁均固定连接有侧柱，六个所述侧柱的一端部分别与六个弹性拉杆的一端固定连接，六个所述弹性拉杆的另一端均与外壳的一端固定连接。
19.进一步地，所述n型衬底上形成第一外延层，在所述第一外延层的顶端进行刻蚀形成两个沟槽，并在沟槽内形成p柱，所述第一外延层上同步骤形成第二外延层，所述通槽中再次形成p柱，所述第二外延层的顶端刻蚀体区槽，在两个所述体区槽形成p型体区，在两个所述p型体区的顶端刻蚀成槽后形成保护层，所述保护层内部进行as注入和扩散，所述第二外延层表面的中部形成栅氧化层，所述栅氧化层的表面形成多晶硅栅极，所述多晶硅栅极的顶端设置金属板，所述金属板的表面形成g栅极，其中两个所述n型体区的表面形成s源极，另外两个所述n型体区的表面形成d漏极，所述n型衬底的底面通过接线与d漏极电性连接。
20.进一步地，三个所述j形保护套套设在三个电极柱的一端部保护，三个所述j形保护套可拆卸拉伸，三个所述连接块可与其他器件粘接或借助三个焊接点实现焊接固定，这样三个所述i形保护套的弹力可产生向内的收紧力保护，当所述外壳内部的期间结构放热时，多个所述导热支块将热量传递给导热针，多个所述导热针再次传递给多个膨胀球，从而多个膨胀球增加散热油的液压，多个所述导热板被液压顶起上升充分贴合导热，所述外壳的内部产生大量热量时，多个所述l形导热片将热量吸收，并借助多个导热杆传递给密封蜡块，所述密封蜡块熔化流动填入到每对u形网板之间，实现对所述外壳的密封，截断热量和火源的继续蔓延，实现隔绝保护。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.(1)本发明通过设置n型衬底，其表面借助外延工艺形成第一外延层，在第一外延层的顶端进行刻蚀，形成两个沟槽，在两个沟槽内形成p柱，刻蚀成槽后形成保护层，随后在保护层内部进行as注入和扩散，第二外延层表面的中部形成栅氧化层，在栅氧化层的表面形成多晶硅栅极，这样双层外延甚至可多层外延的设计，可大大提高mosfet的击穿电压和性能，双层或多层之间有理想的电阻率匹配，能提高叠加的多个外延层的界面特性；
23.(2)本发明通过设置保护牵引结构，包含多个j形保护套、多个弹性拉杆、多个连接块和焊接点，可在未安装储放运输环节，借助j形保护套将电极柱包裹保护，并将其拉扯保持平直放置状态，缓冲其受到的弯曲力，避免电极柱弯曲破损的情况，同时在后续接入电路后，可将多个j形保护套的一端部与电极柱分离，随后拉伸，借助多个连接块，将j形保护套的一端与其他电器件粘接或者借助焊接点进行焊接固定，从而本器件与之连接的其他器件之间存在j形保护套的收紧力，从而可使得多个电极柱与其他器件连接时更加稳定，以免在设备长时的震动中脱离或者脱落，加强之间的连接强度；
24.(3)本发明通过设置的降温机构，其包含了填充了散热油的矩形盒，其顶端嵌设了多个弹性盒，多个弹性盒的底端内壁固定设有导热板，可在无放热情况下，散热机构与器件结构分离、从而无接触保证正常的工作，提高通风和减少阻挡，当有热量释放时，借助膨大
的膨胀球将散热油液压提高，借助液压将多个导热板推出，从而与器件表面充分贴合接触，散热油比热容大，可充分吸收器件释放的热量，起到较好的冷却降温效果，待冷却后，膨胀球恢复原状后液压降低，从而多个导热板下降，又再次远离器件结构；
25.(4)本发明通过设置的密封机构，包含多对u形网板，以及处于多对u形网板上的多个密封蜡块，可在器件被击穿烧毁时，借助产生的大量热量，被多个l形导热片收集，然后借助多个导热杆传递，直至传递给嵌设在条形板内部的密封蜡块，密封蜡块在接受了热量后熔化，熔化流动下来，从而填充在对应的每对u形网板之间，并将u形网板的孔隙填实，这样使得外壳完全密闭，阻断空气同时内部一旦起火无法继续蔓延到电路的其他部位，实现隔绝保护，在一旦发生损坏、击穿等不良意外时，即刻做出密封保护，反应快、保护效果好、占用体积小。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明的mosfet结构剖视图；
28.图2为本发明的外壳部分的剖视图；
29.图3为本发明的mosfet外观结构示意图；
30.图4为本发明的矩形盒部分的剖视图；
31.图5为本发明的密封蜡块部分的结构示意图。
32.图中各标号所代表的部件列表如下：1、n型衬底；2、第一外延层；3、第二外延层；4、沟槽；5、通槽；6、p柱；7、体区槽；8、p型体区；9、n型体区；10、保护层；11、绝缘层；12、金属板；13、s源极；14、g栅极；15、d漏极；16、接线；17、栅氧化层；18、多晶硅栅极；19、外壳；20、矩形盒；21、导热支块；22、弹性盒；23、导热板；24、条形板；25、u形网板；26、电极柱；27、导热杆；28、l形导热片；29、j形保护套；30、侧柱；31、弹性拉杆；32、连接块；33、焊接点；34、导热针；35、膨胀球；36、散热柱；37、散热油；38、密封蜡块。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.参照图1
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5，一种可多次外延的超结功率mosfet结构，包括n型衬底1和外壳19，n型衬底1置于外壳19的内部，n型衬底1的顶端固定连接有第一外延层2，第一外延层2的顶端固
定连接有第二外延层3，第一外延层2的顶端开凿有两个沟槽4，第二外延层3的中部开凿有两个通槽5，两个沟槽4分别与两个通槽5的内部均填充有p柱6，第二外延层3的顶端开凿有两个体区槽7，这样双层外延甚至可多层外延的设计，可大大提高mosfet的击穿电压和性能，双层或多层之间有理想的电阻率匹配，能提高叠加的多个外延层的界面特性，两个体区槽7的内部均固定嵌接有p型体区8，两个p型体区8的顶端均固定嵌接有两个n型体区9，其中两个n型体区9的顶端固定连接有s源极13，其中另外两个n型体区9的顶端固定连接有d漏极15，第二外延层3顶端的中部固定连接有栅氧化层17，栅氧化层17的顶端固定设有多晶硅栅极18，多晶硅栅极18的顶端固定设有g栅极14；
36.外壳19顶端的中部和底端的中部均设有降温机构，外壳19的一端固定贯穿有三个电极柱26，三个电极柱26的外部设有密封机构，三个电极柱26的一端部均设有保护牵引机构，s源极13、d漏极15和g栅极14分别与三个电极柱26电性连接，第二外延层3的顶端固定设有绝缘层11，四个n型体区9分别与两个p型体区8之间均固定嵌设有保护层10，绝缘层11为二氧化硅(sio2)绝缘层；
37.降温机构包括矩形盒20、多个弹性盒22和多个导热板23，矩形盒20与外壳19顶端的中部或底端的中部固定嵌接，多个弹性盒22均固定嵌接于矩形盒20的顶端，多个导热板23分别固定设于多个弹性盒22的底端内壁，多个导热板23的底端均固定穿插有多个散热柱36，多个散热柱36的中部均固定贯穿多个弹性盒22的底端，矩形盒20的内部填充有散热油37，多个散热柱36的底部均置于散热油37中，矩形盒20的内部设有多个膨胀球35，这里的膨胀球35为热膨胀材料制成，遇热膨大遇冷复位，从而在受热后体积变大，置于散热油37中的多个膨胀球35体积变大后就会使得液体压力变大，多个膨胀球35的顶端均固定穿插连接有导热针34，这里的导热针34、导热支块21和导热杆子27均为良好的导热材质制成，可有效感受温度变化，并将热量传递，矩形盒20的顶端固定设有多个导热支块21，多个导热针34的顶部均固定贯穿矩形盒20的顶端分别与多个导热支块21的底端固定穿插连接；
38.密封机构包括条形板24、多个导热杆27、三个密封蜡块38，条形板24与外壳19的一端固定嵌接，条形板24的中部对称开凿有三个矩形槽，三个电极柱26的另一端部均分别贯穿三个矩形槽的内部，三个矩形槽的内部均固定设有一对u形网板25，在正常使用时，u形网板25的孔隙可允许气流穿过，保持外壳19的相对通风，u形网板25可为耐火棉等材质制成，在允许气流穿过的同时，可过滤空气杂质和灰尘，并将水分吸收，阻止外壳19内部潮湿和水分的进入，三个矩形槽的顶端内壁分别与三个密封蜡块38固定嵌接，多个导热杆27的一端均依次固定贯穿条形板24正面的顶部和三个密封蜡块38的一侧壁，多个导热杆27的另一端均固定连接有l形导热片28；
39.保护牵引机构包括三个j形保护套29、三对弹性拉杆31和三个连接块32，三个j形保护套29分别活动套设于三个电极柱26的一端部，三个连接块32的底端分别与三个j形保护套29顶端的一侧固定连接，三个连接块32顶端的中心处均固定嵌设有焊接点33，三对弹性拉杆31分别置于三个j形保护套29的两侧，三个j形保护套29的两侧壁均固定连接有侧柱30，六个侧柱30的一端部分别与六个弹性拉杆31的一端固定连接，六个弹性拉杆31的另一端均与外壳19的一端固定连接；
40.n型衬底1上形成第一外延层2，在第一外延层2的顶端进行刻蚀形成两个沟槽4，并在沟槽4内形成p柱6，第一外延层2上同步骤形成第二外延层3，通槽5中再次形成p柱6，第二
外延层3的顶端刻蚀体区槽7，在两个体区槽7形成p型体区8，在两个p型体区8的顶端刻蚀成槽后形成保护层10，保护层10内部进行as注入和扩散，第二外延层3表面的中部形成栅氧化层17，栅氧化层17的表面形成多晶硅栅极18，多晶硅栅极18的顶端设置金属板12，金属板12的表面形成g栅极14，其中两个n型体区9的表面形成s源极13，另外两个n型体区9的表面形成d漏极15，n型衬底1的底面通过接线16与d漏极15电性连接；三个j形保护套29套设在三个电极柱26的一端部保护，三个j形保护套29可拆卸拉伸，三个连接块32可与其他器件粘接或借助三个焊接点33实现焊接固定，这样三个j形保护套29的弹力可产生向内的收紧力保护，当外壳19内部的期间结构放热时，多个导热支块21将热量传递给导热针34，多个导热针34再次传递给多个膨胀球35，从而多个膨胀球35增加散热油37的液压，多个导热板23被液压顶起上升充分贴合导热，外壳19的内部产生大量热量时，多个l形导热片28将热量吸收，并借助多个导热杆27传递给密封蜡块38，密封蜡块38熔化流动填入到每对u形网板25之间，实现对外壳19的密封，截断热量和火源的继续蔓延，实现隔绝保护。
41.本发明中，使用者使用该装置时，生产时，先提供一n型衬底1，在n型衬底1上借助外延工艺形成第一外延层2，在第一外延层2的顶端进行刻蚀，形成两个沟槽4，在两个沟槽4内形成p柱6，随后再第一外延层2上同步骤进行二次外延，从而形成第二外延层3，注意在二次外延时，借助掩板在p柱6区域内遮挡形成开口，即两个通槽5，随后在通槽5中再次形成p柱6，在第二外延层3的顶端刻蚀体区槽7，在两个体区槽7进行b注入和扩散，形成p型体区8，在两个p型体区8的顶端刻蚀，成槽后形成保护层10，随后在保护层10内部进行as注入和扩散，第二外延层3表面的中部形成栅氧化层17，在栅氧化层17的表面形成多晶硅栅极18，在多晶硅栅极18的顶端设置金属板12，金属板12的表面形成g栅极14，其中两个n型体区9的表面形成s源极13，另外两个n型体区9的表面形成d漏极15，n型衬底1的底面通过接线16与d漏极15电性连接；在未安装使用时，多个电极柱26会暴露在外，运输携带时，电极柱26脆弱容易折弯损坏，此时可借助j形保护套29套设在电极柱26的一端部，实现对电极柱26的保护，同时j形保护套29的两侧均设有侧柱30，在配合固定在外壳19一端的多个弹性拉杆31，可将j形保护套29斜向拉紧，从而保护电极柱26的同时，也可保持其形状和放置位置，以缓冲抵消其他折弯力，使其保持平直的放置状态，当后续接入电路中后，可将三个j形保护套29拆卸下来，拉伸j形保护套29，这里j形保护套29为绝缘硅胶材质制成，柔软有弹性，因而用力拉伸可变形，使得置于j形保护套29上的连接块32，由竖向放置变为横向摆放，从而可与电路中其他结构粘接或者借助中心处的焊接点33焊接，这样借助三个j形保护套29可实现外壳19与其他连接单位除电极柱26外的二次连接，借助拉伸产生的弹力，可使得电极柱26与其他连接单位之间存在向内的收紧力，从而电极柱26在外接后不会轻易脱离、脱落，因而可在保护过电极柱26后形成牵引防脱离保护；在使用时通电后，n型衬底1、第一外延层2、第二外延层3等结构在外壳19的内部发热热量持续堆积，此时热量会通过直接接触的多个导热支块21传递给多个导热针34，多个导热针34再将热量传递给置于其底部的膨胀球35，这里的膨胀球35为热膨胀材料制成，遇热膨大遇冷复位，从而在受热后体积变大，置于散热油37中的多个膨胀球35体积变大后就会使得液体压力变大，这样为弹性材料制成的多个弹性盒22就会被液压推动，多个弹性盒22会被顶起，从而紧贴内部结构，进行直接的热量传递，提高散热，实现冷却降温，收集导出的热量会进入到散热油37中，由于散热油37比热容大，所能吸收降温的热量可远远供结构散失出的，因而可有效持续散热，当热量降低后，多个膨胀
球35体积恢复正常，因而液压降低，此时在重力和弹力作用下，弹性盒22和导热板23下降，与内部结构分离、不接触，不影响其正常的散热需求；在工作异常入被击穿等情况时，外壳19内部结构大量放热，甚至发生烧毁，此时大量的热量会经由多个l形导热片28传导，先传递给多个导热杆27，随后多个导热杆27再将热量传递到条形板24内部的密封蜡块38中，热量使得密封蜡块38熔化，从而流动下来，将每对u形网板25中的孔隙填充，在密封蜡块38未熔化前，每对u形网板25可保持外壳19内部与外部的通风散热，同时u形网板25可阻断过滤空气中的杂质和灰尘，保持外部的异物不会进入到外壳19内部，当发生击穿大量发热时，熔化的密封蜡块38将每对u形网板25填实，使得矩形槽与电极柱26之间不存在缝隙，使得外壳19内部完全密封，这样可阻断内部的火势，创造无氧环境，从而以免火势传递蔓延到其他电路位置，这里u形网板25的孔隙较小，流下的密封蜡块38具有一定的粘滞性，会填充在孔隙中，并不会再从孔隙流出，从而可将u形网板25所有孔隙填实并遮住，形成密封遮蔽条件，实现隔绝保护。
42.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。