一种沟槽型碳化硅MOSFET器件及其制造方法与应用与流程

一种沟槽型碳化硅mosfet器件及其制造方法与应用
技术领域
1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种沟槽型碳化硅mosfet器件及其制造方法与应用。


背景技术：

2.金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,mosfet)，简称金氧半场效晶体管，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(field-effect transistor)。现有的碳化硅mosfet器件是新能源汽车逆变器的理想器件，其具有低导通电阻，低产热，低热阻等特点，逐渐被汽车厂商所接受。
3.常见的碳化硅mosfet有平面型与沟槽型两种结构，平面型碳化硅mosfet结构简单，制备较为容易，但碳化硅平面型mosfet器件在应用和推广中存在几点问题。其一，由于平面型碳化硅mosfet的沟道位于碳化硅外延材料的si面，较高的原子密度使沟道表面的迁移率较低，使得沟道载流子迁移率较低；为了避免器件误导通，往往需要更高的阱区掺杂浓度，相对于沟槽型器件，提高平面型器件的阱区掺杂，沟道载流子迁移率下降程度更高，进一步提高了最终器件的电阻。其二，平面型碳化硅mosfet结构中，jfet区的存在使其具有较高的jfet电阻，限制了器件的性能。其三，平面型碳化硅mosfet器件在相同的短路电流密度下，产热更为集中，更容易出现短路失效。
4.相比于平面型mosfet器件，常规的沟槽型碳化硅mosfet器件也存在沟槽栅氧保护容易击穿带来的可靠性问题，沟槽器件栅漏电容cgd较大也使得沟槽型碳化硅mosfet器件的特性受到限制。这些问题限制了沟槽型碳化硅mosfet的应用。


技术实现要素：

5.为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种沟槽型碳化硅mosfet器件及其制造方法与应用。
6.一种沟槽型碳化硅mosfet器件，所述沟槽型碳化硅mosfet器件从下到上依次包括n型碳化硅衬底、n型掺杂外延层、n型电流传输层；所述n型电流传输层顶部两侧分别设有p型基区，在所述p型基区内侧设有相邻的双沟槽，所述相邻的双沟槽中间从上而下依次设有n型源区和p型沟道区；所述相邻的双沟槽内部均从上而下依次填充栅极和分裂栅，且所述栅极和所述分裂栅之间通过介质层隔开。
7.进一步地，所述相邻的双沟槽上方均覆盖有层间介质层，所述层间介质层顶部设有源电极，所述n型碳化硅衬底背面设有漏电极。
8.进一步地，所述n型电流传输层掺杂浓度为2e16cm-3至2e17cm-3，且所述n型电流传输层的掺杂浓度高于所述n型掺杂外延层的掺杂浓度。
9.进一步地，所述p型基区的深度大于所述沟槽的深度，且所述p型基区的纵向尺寸能完全包裹所述沟槽侧壁，并延伸至沟槽底部。
10.进一步地，所述n型源区与所述p型沟道区的深度之和小于所述栅极的厚度；所述n
型源区和所述p型沟道区的间距均为50nm至0.5μm。进一步地，所述n型源区和所述p型沟道区的间距均为50nm至200nm。
11.进一步地，所述分裂栅的电极与所述源电极连接。
12.本发明的另一方面提出了前述沟槽型碳化硅mosfet器件的制造方法，包括：s1、在n型碳化硅衬底上依次外延生长n型掺杂外延层、n型电流传输层；s2、在所述n型电流传输层顶部离子注入形成n型源区，p型沟道区和p型基区；s3、在所述n型电流传输层顶部刻蚀形成相邻的双沟槽，氧化所述相邻的双沟槽侧壁形成氧化层后，在所述相邻的双沟槽内部填充分裂栅；s4、清洗所述双沟槽和所述分裂栅(8)后，对晶片进行氧化形成介质层；s5、沉积栅极。
13.进一步地，步骤s3中，氧化所述相邻的双沟槽侧壁形成氧化层的方式为高温热氧化或者化学气相积沉积，优选为高温热氧化。
14.进一步地，还包括：s6、沉积层间介质层；s7、制备欧姆接触的源电极和背面漏电极。
15.本发明另外还提出了前述沟槽型碳化硅mosfet器件在新能源汽车主逆变器中的应用。
16.本发明技术方案的有益效果在于：本发明的沟槽型碳化硅mosfet器件具有栅氧保护效果强，栅电容小，抗dv/dt特性强等特点，适合应用于新能源汽车主逆变器中。本发明利用分裂栅的结构，降低了沟槽栅氧底边在阻断状态下的最大场强，提高了器件的可靠性。
17.本发明利用窄间距的沟槽结构，引入了finfet(鳍式场效应晶体管)效应，提高沟道载流子迁移率，降低沟道电阻，提高了器件的性能。
附图说明
18.图1为本发明一实施例的沟槽型碳化硅mosfet器件结构图；
19.图2为本发明一实施例的沟槽型碳化硅mosfet器件制造方法流程图；
20.图3至图7为本发明一实施例的一个沟槽型碳化硅mosfet器件制造方法的不同步骤得到的器件结构的示意图。
具体实施方式
21.为了更清楚地说明本发明的技术方案和实施过程，下面结合附图和具体实施例进行介绍。应当理解的是，附图仅用于辅助理解本发明实施例，并非用于限制本发明。
22.图1为本发明一实施例的沟槽型碳化硅mosfet器件结构图。参考图1，该实施例的沟槽型碳化硅mosfet器件从下到上依次包括n型碳化硅衬底1、n型掺杂外延层2、n型电流传输层3，所述n型电流传输层3顶部两侧分别设有p型基区7，在所述p型基区7内侧设有相邻的双沟槽，所述相邻的双沟槽中间从上而下依次设有n型源区5和p型沟道区6；所述相邻的双沟槽内部均从上而下依次填充栅极4和分裂栅8，且所述栅极4和所述分裂栅8之间通过介质层10隔开。栅极4例如是多晶硅栅极，介质层10例如是二氧化硅介质。多晶硅栅极4、分裂栅8均通过二氧化硅介质层10来与电流传输层3、p型基区7隔开。其中，p型基区7作为体二极管的电流通路，同时起到抑制寄生晶体管和保护沟槽栅氧的作用。所述相邻的双沟槽上方均覆盖有层间介质层9，所述层间介质层9顶部设有源电极11，所述n型碳化硅衬底1背面设有
漏电极12。分裂栅8的电极与源电极11在元胞外连接，通过分裂栅8的接地，在沟槽栅的下方提供接地区域，降低栅极电容，从而提高器件的动态性能。
23.在一些实施例中，所述n型电流传输层3的掺杂浓度为2e16cm-3至2e17cm-3，且所述n型电流传输层3的掺杂浓度高于所述n型掺杂外延层2的掺杂浓度。
24.在一些实施例中，所述p型基区7的深度大于所述沟槽的深度，且所述p型基区7的纵向尺寸能完全包裹所述沟槽侧壁，并延伸至沟槽底部。所述n型源区5与所述p型沟道区6的深度之和小于多晶硅栅极4的厚度，从而使多晶硅栅极4能够控制器件沟道的开关。所述n型源区5和所述p型沟道区6的间距均为50nm至0.5μm，优选为50nm至200nm。在工艺允许范围内，应尽可能缩小n型源区5和p型沟道区6的间距，从而减少器件元胞尺寸，增大导通电流，并提高电流传输层3的掺杂浓度，从而减小电流传输层内的电阻。通过缩小n型源区5的宽度和p型沟道区6的宽度，能够引入finfet效应从而降低沟道电阻。
25.图2为本发明一实施例的沟槽型碳化硅mosfet器件制造方法流程图。请联合参考图1和图2，该制造方法包括如下步骤1至步骤5：
26.步骤1、外延结构生长：在n型碳化硅衬底1上依次外延生长n型掺杂外延层2、n型电流传输层3，形成图3所示结构。
27.步骤2、在n型电流传输层3顶部依次离子注入形成n型源区5、p型沟道区6和p型基区7，形成图4所示结构。进行n型源区5注入时可选择氮元素或者磷元素作为注入离子，在进行p型沟道区6和p型基区7注入时，可选择铝元素或者硼元素。
28.步骤3、参考图5，在n型电流传输层3顶部刻蚀形成相邻的双沟槽，氧化所述相邻的双沟槽侧壁形成氧化层后，在所述相邻的双沟槽内部填充分裂栅8，形成图6所示结构。沟槽刻蚀可使用sf6(六氟化硫)和氧气的混合气体进行干法刻蚀工艺，分裂栅8使用lpcvd(低压力化学气相沉积)沉积多晶硅；沟槽侧壁氧化层可选择氧化或者lpcvd沉积。其中，氧化所述相邻的双沟槽侧壁形成氧化层的方式为高温热氧化或者化学气相积沉积，优选为高温热氧化。
29.步骤4、使用含氟溶液清洗所述结构，去除沟槽侧壁未被分裂栅8所保护的侧壁氧化物，之后对晶片进行氧化，形成二氧化硅介质层10，之后依次沉积多晶硅栅极4、层间介质层9，形成图7所示结构；其中多晶硅栅极4和层间介质层9均使用lpcvd沉积。
30.步骤5、在所述结构正面溅射源电极11，背面溅射漏电极12，退火后形成欧姆接触，即可形成如图1所示的沟槽型碳化硅mosfet器件结构。正面源电极11和背面漏电极12可以是ni、ti/al或者tasi2，在975℃下经过2分钟快速热退火，形成欧姆接触。
31.本发明实施例的沟槽型碳化硅mosfet器件具有栅氧保护效果强，栅电容小，抗dv/dt特性强等特点，适合应用于新能源汽车主逆变器中。
32.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。