[发明专利]单胞中集成肖特基二极管的沟槽MOS器件及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大功率MOS器件及其制造方法，特别涉及在单胞中集成肖特基二极管的沟槽MOS器件及制造方法。

背景技术

沟槽MOSFET器件广泛应用于功率类电路中，作为开关器件连接电源与负载。长期以来，如何降低功率损耗一直是最受关注的议题，尤其在倡导节能减排，低碳的今天。

图1为应用MOS管作为开关器件的直流-直流转换控制电路原理图。从图中可以看出，沟槽MOSFET器件M1(下管)和M2(上管)就是作为该电路的核心开关器件，通过控制芯片来实现直流-直流转换，其中，M1和M2中本身存在寄生二极管D1、D2(由包围源极的P型阱区/漏极构成)，而为有效降低高频开关损耗在M1的源极S与漏极D之间设计了肖特基二极管SBD(如图所示)。该电路工作过程中，M1和M2在某一状态下会同时处于关断状态，为了保证负载得到连续不断的电流供应，M1中的寄生二极管D1开启，但由于肖特基二极管SBD与寄生二极管D1(PN结)相比，具有更低的开启电压(肖特基二极管0.3V左右，PN结二极管0.7V左右)，在M1的源极S与漏极D之间并联一肖特基二极管SBD(如图2所示)，可以有效减小由于高开启电压降造成的损耗。另外，肖特基二极管有更短的反向恢复时间，更可有效降低高频开关过程中的开关损耗。

以往，为了在沟槽MOSFET器件的源极S与漏极D之间并联一肖特基二极管SBD经历了以下三个阶段：

第一阶段是将独立封装的肖特基二极管与独立封装的沟槽MOSFET并联安装在电路板上。缺点是成本高，占用电路板面积以及由于较长走线引入寄生电感的影响。

第二阶段是将独立的肖特基芯片与独立的沟槽MOSFET芯片并联封装在同一半导体器件封装内。缺点依然是成本高，以及封装后芯片面积大。

第三阶段是将沟槽MOSFET与肖特基二极管设计设计制作在同一芯片中，比如美国专利US7446374、US6433396、US6987305以及US6351018等。这些专利在处理沟槽MOSFET与肖特基二极管的方式上都是采用分区设计加区分制作的方案，即在每个专利中都可以对应找到沟槽MOSFET区和肖特基二极管区，而在半导体制作上为了实现沟槽MOSFET和肖特基二极管的不同功能总要通过额外的光罩来加以区分。因此存在的缺点总是：1、肖特基二极管结构占用了大量硅表面面积，导致芯片面积大，成本高；2、需要额外增加一个光罩，进行光刻，工艺复杂，成本高。为此，如何克服上述不足是本发明研究的课题。

发明内容

本发明提供一种在单胞中集成肖特基二极管的沟槽MOS器件及制造方法，目的在于合理有效的利用半导体空间，简化结构、降低成本、提高性能，克服上述现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明沟槽MOS器件采用的技术方案是：一种单胞中集成肖特基二极管的沟槽N型MOS器件，在俯视平面上，该器件的中央为并联的单胞阵列区域，单胞阵列区域的顶面沉积有上金属层，单胞阵列区域的底部自下而上依次为下金属层、N+单晶硅衬底以及N-外延层，N-外延层中，纵向和横向均平行开设有若干条沟槽，纵向平行开设的若干条沟槽和横向平行开设的若干条沟槽处于同一水平面内且相互交叉，每条沟槽的内表面均生长有栅氧化层，且沟槽中沉积有N型高掺杂的栅极导电多晶硅，该栅极导电多晶硅通过沟槽从单胞阵列区域外围的上金属层引出作为MOS管的栅极金属电极。

在俯视平面上，两个相邻纵向平行开设的沟槽和两个相邻横向平行开设的沟槽均围成一区域，该区域中央垂直向下设有接触孔，接触孔从上金属层的下表面一直延伸至N-外延层内。

在通过接触孔的横向截面上，纵向开设的沟槽上方设有介质层，该介质层与接触孔侧壁之间设有介质侧墙，在介质侧墙下方且位于沟槽与接触孔之间，向下依次设有N+源极区域和P型阱，P型阱靠接触孔一侧设有P+接触区；接触孔内表面依次沉积有金属钛粘结层和氮化钛阻挡层，金属钛粘结层和氮化钛阻挡层在接触孔侧壁与N+源极区域形成N+源极欧姆接触，在接触孔侧壁与P+接触区域形成P型阱的欧姆接触，在接触孔底部与N-外延层形成肖特基接触(肖特基势垒)；接触孔中填充有金属与单胞阵列区域的上金属层连接，单胞阵列区域的上金属层形成MOS管源极金属电极，同时也是肖特基二极管的阳极金属电极，所述下金属层形成MOS管漏极金属电极，同时也是肖特基二极管的阴极金属电极。

为达到上述目的，本发明沟槽MOS器件制造方法采用的技术方案是：一种单胞中集成肖特基二极管的沟槽MOS器件制造方法，包括下列工艺步骤：