[实用新型]一种大功率槽栅门级T‑MOSFET结构

说明书

技术领域

本实用新型属于大功率半导体技术领域，具体涉及一种针对宽禁带材料大功率槽栅门级T-MOSFET结构。

背景技术

新型宽禁带半导体材料如碳化硅和氮化镓等可大幅提高半导体器件性能，但同时在器件设计和工艺上也带来诸多挑战。宽禁带材料MOSFET(如碳化硅MOSFET)是一种高性能大功率可控开关功率半导体器件，具有关断状态下漏电流小、开通状态下导通损耗低、开关速度快、工作频率高、最高运行温度高等优点。采用宽禁带材料MOSFET可使变频器开关频率提升，整体损耗降低，并可降低对电容等储能元件的需求，达到降低变频器成本并提高性能的优势。

目前宽禁带材料大功率MOSFET主要有两种门级结构：平面门级的平面栅D-MOS结构，对应D-MOSFET器件，以及垂直门级的槽栅T-MOS结构，对应T-MOSFET器件。在现有技术条件下，T-MOS结构相对于D-MOS结构在MOSFET中可获得更低的导通阻抗，并可实现更高的沟道密度。使用T-MOS结构的MOSFET可实现更高的可用电流密度。

高性能宽禁带材料MOSFET内部在阻断高电压状态下会产生高强度电场，其中电场最强处在器件内部反向偏置的P-N结界面区域。T-MOSFET有N型沟道的N-MOS结构和P型沟道的P-MOS结构。对于N型沟道的N-MOS结构这一界面为反向偏置的N-漂移区/P-阱结，对于P型沟道的P-MOS结构这一界面为反向偏置的N-阱/P-漂移区结。

在T-MOSFET的N-MOS结构中，T-MOS的转角区域一般位于N-漂移区/P-阱界面附近，会受到这一区域高强度电场的影响。传统T-MOS设计为单一转角结构，这一转角结构受制造过程中刻蚀工艺的限制一般会形成较大的转角曲率，而T-MOS结构在大曲率转角下会进一步提高其转角区域的电场强度，对器件可靠性带来负面影响。同时，T-MOS转角区域受刻蚀工艺限制在实际生产中不可避免会产生局部缺陷。这些局部缺陷在高电场强度下会产生局部击穿，也会对器件的可靠性会带来负面影响。

这一问题的传统解决方案为加厚T-MOS结构中氧化层的厚度，但这一方案 会使T-MOS结构在导通状态下吸引电子形成导电沟道的能力降低，使得T-MOS结构的导通阻抗增大并降低沟道的饱和电流密度，降低T-MOSFET的可用电流密度，在浪涌或过电流条件下发热量更高、可靠性降低。若需要达到同样的导通阻抗，T-MOSFET芯片面积需要增加，则同样电压电流等级的芯片成本将提高。同时，由于宽禁带材料缺乏自然氧化特性，宽禁带材料器件的氧化层形成需要使用沉积方式，这种方式本身的生产速率较低，而更厚的氧化层会进一步降低器件的生产效率。

一种理论上的解决方案为加深T-MOS的深度，使得T-MOS转角区域远离反偏P-N结附近的高电场区域。但这一方案并不具有实用性。其原因为T-MOS的深度受到刻蚀和氧化层生长工艺的限制，过深的深度无法保证沟槽壁的平整度。同时由于宽禁带材料不具备自然氧化能力，绝缘氧化层的成形成需要通过沉积的方式实现，而氧化层的沉积分布均匀性和品质随着沟槽的深度下降而降低，过深的T-MOS深度无法保证合格的氧化层形成。基于以上两点，加深T-MOS深度并不具有实用性。

第二种理论上的解决方案为降低P-阱的深度，使得T-MOS转角区域远离反偏P-N结附近的高电场区域。这一方案同样不具备实用性。其原因为P-阱l深度受到N+源区域限制，降低P-阱深度会使得在阻断高电压状态下N+源区域的电子更容易扩散至耗尽区，提高穿通击穿的可能性，对器件的可靠性有致命的负面影响。

发明内容

本实用新型为了解决在不影响T-MOSFET导通性能的前提下降低同样阻断电压下P-阱或N-阱转角区域的最大电场强度的问题，提供一种大功率槽栅门级T-MOSFET结构。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下所述：

一种大功率槽栅门级T-MOSFET结构，所述T-MOSFET中槽栅门级的转角区域为子阶梯构成的阶梯状结构。

优选地，所述阶梯状结构至少包括2个子阶梯。

优选地，所述每个子阶梯的转角曲率相同或不同。

优选地，所述子阶梯中位于槽栅门级最深处的子阶梯弧度曲率最小。

优选地，所述子阶梯的外轮廓形状相同或不同。

优选地，所述子阶梯的外轮廓为弧形、曲线形、折线形或这三类形状的任意组合。