[发明专利]一种具有内嵌异质结二极管自保护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内嵌异质结二极管自保护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，降低JFET区域的电阻从而减小器件的导通损耗，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。另一方面，在槽型结构底部采用P型保护层来有效降低栅极氧化层的电场强度，增加器件的可靠性，缓解MOS器件击穿电压与导通电阻之间的问题。

技术领域

本发明属于半导体功率器件领域，具体涉及一种具有内嵌异质结二极管自保护的碳化硅槽型场氧功率MOS器件。

背景技术

由于具有高密度的元胞，超低导通电阻和出色开关特性，碳化硅(SiC)沟槽MOSFET已广泛应用于电源系统中，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。然而，碳化硅沟槽MOSFET的一个关键问题是增加沟槽底部的栅极氧化物可靠性，但不增加结型场效应晶体管(JFET)区域的电阻。改良的碳化硅沟槽MOSFET具有P型保护层结构和载流子扩散层(CSL)，其原理是分别在沟槽氧化层和沟道下使用高掺杂p+层和n层，也是目前权衡栅极氧化物可靠性和JFET区域的电阻的解决方案之一。

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，8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。通常，当碳化硅槽型场氧功率MOS器件在电源系统中工作时，碳化硅肖特基势垒二极管(SiC SBD)应与其并联，以防止由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动作引起体二极管劣化，导致整个器件可靠性降低。并联一个碳化硅肖特基二极管导致额外的芯片成本，电力系统损耗和不期望的杂散电感。这些因素为碳化硅槽型场氧功率MOS器件的设计带来了新的挑战。

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.2017 IEEEInternational 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，具有类似肖特基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内嵌异质结二极管自保护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、一种具有内嵌异质结二极管自保护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，所述MOS器件还设置有P保护层9、N型源区5、源极多晶硅8、以及槽型栅电极，所述槽型栅电极采用分裂栅极结构，所述P保护层9设置于槽型栅电极下方和侧方，所述槽型栅电极和所述源极多晶硅8共用所述P保护层9，所述P保护层9半包围槽型栅电极以及漏极多晶硅8。