[发明专利]一种具有保护层和异质结二极管的碳化硅槽型场氧功率MOS器件

说明书

本发明公开了一种具有保护层和异质结二极管的碳化硅槽型场氧功率MOS器件，一方面在常规的槽型场氧器件基础上，采用槽型栅电极和槽型源电极共用P型保护层，能有效降低元胞宽度，从而有效降低器件在开态时候的导通电阻；另一方面采用异质结肖特基二极管结构，即多晶硅与碳化硅直接接触，在降低器件制造成本的同时，消除由于肖特基金属退火温度差引起的肖特基势垒不可控的可靠性问题，从而达到降低具有二极管结构的碳化硅槽型场氧器件的工艺制造难度，缓解MOS器件击穿电压与导通电阻之间的问题的目的。

技术领域

本发明属于半导体功率器件领域，具体涉及一种具有保护层和异质结二极管的碳化硅槽型场氧功率MOS器件。

背景技术

碳化硅功率器件因为其高耐压，低导通电阻，快速关断等电气特性，已广泛应用于电源系统中。虽然其优异的电气特性已经在许多电力系统应用中得到了验证，但是高芯片成本和可靠性问题仍然限制它们取代Si IGBT的地位。而栅极氧化层的可靠性问题是人们长期关注的焦点问题之一，并由此提出众多缓解该矛盾的方案，其中在槽型场氧结构下方放置P型保护层被认为是能够有效缓解该矛盾的结构之一。

典型的碳化硅槽型场氧功率MOS器件结构如图1所示，1为N型衬底层，2为N型漂移区，3为N型载流子扩散区，4为P型沟道层，5为N型源区，6为栅氧层，7为栅极多晶硅， 9为P保护层，10为源极金属，11为漏极金属。该结构较传统槽型器件可大大减小栅极氧化层的电场强度，并且减少栅极电容，增加了器件开关速度。碳化硅槽型场氧功率MOS器件结构内部具有P型沟道区，漂移区和衬底形成一个寄生体二极管。在逆变电路运用时，可充分利用次寄生体二极管导电，从而省略外接快恢复二极管，达到系统小型化的目的。然而，作为碳化硅基器件，与硅基器件相比，碳化硅二极管的内建电势较高，而且在大电流导电的情况下，体二极管会劣化，导致整个器件可靠性降低。因此，在逆变电路中，常常反并联一个碳化硅肖特基二极管。然后，这一切又增加了芯片的使用面积，以及系统集成产生的寄生电感。在碳化硅高速开关的情况下，很小的寄生电感也会给器件带来不必要的震荡。

在此基础上，一种具有内置肖特基二极管的碳化硅槽型场氧结构被提出，见图2，1为N 型衬底层，2为N型漂移区，3为N型载流子扩散区，4为P型沟道层，5为N型源区，6为栅氧层，7为栅极多晶硅，9为P保护层，10为源极金属，11为漏极金属，12为肖特基金属结。相较图1，具有内置肖特基二极管的碳化硅槽型场氧结构最大的改进在于采用了集成槽型肖特基二极管结构，因此能够最大限度的减小晶体管尺寸，为系统的小型化也打下基础，相关内容可见参考文献：Kobayashi,Yusuke,et al.Body PiN diode inactivation with low on-resistance achieved by a 1.2kV-class 4H-SiC SWITCH-MOS.2017IEEEInternational of Electron Devices Meeting(IEDM).IEEE,2017。

因此为了进一步降低具有二极管结构的碳化硅槽型场氧器件的工艺制造难度，缓解器件击穿电压与导通电阻之间的问题，具有二极管结构的碳化硅槽型场氧器件的进一步研究成为了世界范围内的研究热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有保护层和异质结二极管的碳化硅槽型场氧功率MOS器件。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种具有保护层和异质结二极管的碳化硅槽型场氧功率MOS器件，所述MOS器件从下往上依次包括漏极金属11、N型衬底层1、N型漂移区2、N型载流子扩散区3、P型沟道层4、源极金属10，设置P保护层9、N型源区5、槽型栅电极以及槽型源电极，所述P 保护层9设置于槽型栅电极和槽型源电极下方，所述槽型栅电极和所述槽型源电极共用所述 P保护层9，所述槽型源极采用异质结二极管结构。

优选的，所述槽型栅电极包括栅氧层6与栅极多晶硅7。