一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET器件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET器件及其制备方法 (SiC MOSFET device of single-chip integrated freewheeling diode and preparation method thereof ) 是由 王俊 梁世维 俞恒裕 余康华 王雨薇 刘航志 于 2021-02-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET器件及其制备方法。本发明通过在基本的SiC MOSFET结构上进行适当改良,在不增加工艺复杂度的基础上单片集成续流二极管,使得器件在第三象限工作的开启电压降低,反向特性得到改善,有效避免其体二极管长期工作而导致器件双极性退化问题,提高SiC MOSFET器件的可靠性。本发明极大改善了电容特性和门极电荷,有利于提高SiC MOSFET的动态工作性能。同时本发明利用JBS二极管的原理,通过两个P-base形成耗尽区,对二极管界面起到电场屏蔽保护作用,防止器件击穿电压下降。(The invention provides a SiC MOSFET device of a single-chip integrated freewheeling diode and a preparation method thereof. According to the invention, through proper improvement on a basic SiC MOSFET structure, the freewheeling diode is monolithically integrated on the basis of not increasing the process complexity, so that the starting voltage of the device working in the third quadrant is reduced, the reverse characteristic is improved, the problem of bipolar degradation of the device caused by long-term working of the body diode is effectively avoided, and the reliability of the SiC MOSFET device is improved. The invention greatly improves the capacitance characteristic and the gate charge, and is beneficial to improving the dynamic working performance of the SiC MOSFET. Meanwhile, the invention utilizes the principle of a JBS diode, and forms a depletion region through two P-bases, thereby playing a role in shielding and protecting the diode interface and preventing the breakdown voltage of the device from decreasing.)
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体为一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET器件及其制备方法。
背景技术
电力电子器件作为电力电子电路的基础，对其发展起着关键性的作用。随着传统硅基器件逐渐达到其性能的极限，新一代半导体如SiC、GaN等器件快速发展，相比传统硅材料而言，碳化硅材料具有以下显著的优势：1.高热导率(Si的3.3倍)；2.高临界击穿电场(Si的10倍)；3.高电子饱和漂移速度(Si的2.5倍)；4.抗辐照和化学稳定性好。其中，SiCMOSFET因其导通电阻低，热稳定性好，开关速度快，阻断电压高，是目前发展最迅速的功率半导体器件之一。随着产品要求的逐渐提升，SiC MOSFET的性能要求也越来越高。
传统SiC MOSFET,如图1所示，内存在一个由第二P-base区5、N-漂移区3、N+衬底2构成的PIN二极管。当SiC MOSFET工作在第一象限即正向导通时，如图2所示，第二P-base区5反型形成N沟道，形成从源极到漏极的电子流，即漏极到源极的电流。当SiC MOSFET关断时由PIN二极管导通续流，如图3所示，PIN二极管在导通时会产生较大的导通压降从而增大损耗，此外，长时间的电应力等条件会使二极管发生双极性退化从而降低器件的可靠性，故应避免PIN二极管的导通。为了解决上述问题，可以通过在SiC MOSFET体外反并联一个二极管，如图4所示，形成与PIN二极管并联的结构。图5所示为SiC MOSFET工作在第一象限即正向导通时，如图6所示，当SiC MOSFET关断时由反并联的体外二极管续流，体外二极管的电流以一个或多个沟道从阳极11流向阴极14，虽然体外二极管提供了一个低阻通道，但仍有一小部分电流从SiC MOSFET的集成二极管流过。体外反并联一个二极管这一方法不仅会增大芯片面积，使系统成本增加，还会因为SiC MOSFET与二极管的芯片级连接，引入额外的杂散参数，影响系统的可靠性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET器件及其制备方法。本发明采用的技术方案如下：
一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET器件，包括元胞结构，所述元胞结构包括漏极金属、N+衬底、N-漂移区和N型外延层；所述N型外延层区设置在二极管接触区与所述N-漂移区之间，所述二极管接触区与金属源极相连；所述二极管接触区使得其与所述N型外延层形成特定势垒高度；
所述元胞结构的N型外延层区上表面对称设置有两个第一P-base区，每个第一P-base区内还设置有第一P+区且两个第一P-base区内的第一P+区对称设置，第一P+区表面设置金属源极；
所述元胞结构多晶硅栅极区域下方对称设置有两个第二P-base区，每个第二P-base区内设置有第二P+区和第二N+区且两个第二P-base区内的第二P+区相互对称，以及两个第二P-base区内的第二N+区相互对称；所述第二P+区和第二N+区均与金属源极相连；
所述N-漂移区和金属源极之间设置栅极结构，所述栅极结构包括多晶硅栅极和栅氧，并且所述栅氧分别位于所述多晶硅栅极与N外延层、第二P-base区、第二N+区、金属源极第一P+区、第一P-base区之间；
所述漏极金属、N+衬底、N-漂移区、N外延层、金属源极、二极管接触区使得在SiCMOSFET器件内形成续流二极管。
优选的，所述二极管接触区可以为肖特基接触金属或异质结接触材料。
优选的，所述第一P+区采用第一N+区替换。
一种制备单片集成续流二极管的SiC MOSFET器件的方法，包括：
S1:淀积掩膜层并通过光刻确定台面结构位置；
S2:刻蚀形成一个台面结构，再淀积掩膜层并通过光刻转移器件图形至晶圆上；
S3:通过高能离子注入形成高掺杂的N外延层、P-base区、N+区和P+区，以及，利用高温退火激活注入离子；
S4:通过热氧化形成栅氧，将台面区域的栅氧刻蚀，形成二极管结构；
S5:淀积多晶硅，形成栅极结构，再淀积二极管接触所需物质形成二极管结构；
S6:通过热氧化形成栅氧，使氧化层包住栅极多晶硅，并在除栅极多晶硅外侧氧化层以外的其他区域露出SiC表面；
S7:淀积接触金属，采用高温退火在SiC表面电极位置形成欧姆接触；
优选的，采用高温退火在SiC表面电极位置形成欧姆接触时使得续流二极管的阳极与MOSFET的源极共用同一金属；
优选的，在采用高温退火在SiC表面电极位置形成欧姆接触之前进行如下操作：将源极和漏极的接触图形化，剥离光刻胶去除多余金属。
优选的，在步骤S3中，采用外延方式形成N外延层。
优选的，若二极管接触区和栅极结构为同种物质，则同时形成栅极结构和二极管接触区。
相对于现有技术，本发明的有益成果在于：本发明通过在SiC MOSFET中集成续流二极管，使得开启电压降低，反向特性得到改善，避免其体二极管触发导通而引起的双极性退化问题，提高SiC MOSFET器件的可靠性。同时此结构在电容特性和门极电荷上也得到了极大的改善，有利于提高SiC MOSFET的动态工作性能。同时此结构利用JBS二极管的原理，通过两个P-base形成耗尽区，对二极管界面起到电场屏蔽保护作用，防止器件击穿电压下降。
附图说明
图1为传统平面栅MOSFET的结构示意图；
图2为传统平面栅MOSFET正向导通时的结构示意图；
图3为传统平面栅MOSFET关断续流时的结构示意图；
图4为体外反并联一个二极管的传统平面栅MOSFET的结构示意图；
图5为体外反并联一个二极管的传统平面栅MOSFET在正向导通时的结构示意图；
图6为体外反并联一个二极管的传统平面栅MOSFET在关断续流时的结构示意图；
图7为本发明所提出的一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET结构立体示意图；
图8为本发明所提出的一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET结构剖面示意图；
图9为本发明所提出的一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET正向导通时的结构剖面示意图；
图10为本发明所提出的一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET关断续流时的结构剖面示意图；
图11为本发明的反向恢复特性图；
图12为本发明的实验效果I-V曲线对比图；
图13为本发明实验效果C-V曲线对比图；
图14为本发明实验效果Vgs-Qg曲线对比图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
本实施例的半导体器件以碳化硅MOSFET为例进行描述，但是该技术也同样适用于其他宽禁带半导体器件，例如氮化镓器件。
如图7-10所示，本实施例提供的单片集成续流二极管的SiC MOSFET器件，自下而上依次设置的漏极金属1、N+衬底2、N-漂移区3、N外延层4；所述N-漂移区3的表面设置有续流二极管结构；所述N外延层4的表面上方二极管接触界面处的两侧各设置一个第一P-base区13；所述元胞结构栅极区8下方各设置一个第二P-base区5；所述元胞结构栅极区8下方的第二P-base区5的表面设置有金属源极10；所述单片集成续流二极管的阳极与金属源极10连接；所述半个元胞结构内二极管接触区11下侧第一P-base区13与第二P-base区5之间设置有栅极结构；所述栅极结构位于金属源极10和N外延层4之间；所述元胞结构两侧的第二P-base区5中具有第二N+区7；所述元胞结构栅极区8下方的第二P-base区5中有第二N+区7的外侧还具有第二P+区6；所述第二P+区6和第二N+区7的引出端均与金属源极10相连。
所述集成续流二极管结构包含二极管接触区11和N外延层4；所述N外延层4上设置有二极管接触区11；所述二极管接触区11底部与N-漂移区3之间有N外延层4和两个第一P-base区13，其中N外延层4被夹在两个第二P-base区5中间；所述二极管接触区11和N外延层4形成具有特定势垒高度的接触界面；所述二极管接触区11的引出端与金属源极10相连；所述的第一P-base区13上具有第一P+区12，第一P+区12的引出端也与金属源极10相连，形成类似JBS结构。所述的集成续流二极管由金属源极10、二极管接触区11、第一P+区12、第一P-base区13、N外延层4、N-漂移区3、N+衬底2和漏极金属1构成。
所述栅极结构包括多晶硅栅极8和栅氧9，所述多晶硅栅极8与金属源极10、第二P-base区5、第二N+区7、N外延层4之间设置有栅氧9。
其中，所述二极管接触区可以为可为肖特基接触金属(Ni、Ti、Au、Pt等金属或多种金属合金)或异质结接触材料(多晶硅、单晶硅、锗等半导体)，可采用不同类型和特性的填充物质来调节续流二极管的势垒高度，从而形成最优的开启电压。
作为优选实施例，将第一P+区12采用第一N+区12替换，即图7-10中附图标记12所示区域设置为N+区。当替换为为N+区后，可以提高沟道密度，在原有的平面型沟道的基础上又增加了一个沟槽型沟道。所述沟槽型沟道由第一P-base区13反型所构成，形成平面沟道和沟槽型沟道，进一步降低导通电阻。
图9所示，沟道开通，续流二极管的电流路径关闭，同传统结构的正向工作。器件工作在第三象限即反向续流时，如图10所示，沟道关闭，由于续流二极管的开启电压远低于体二极管的开启电压，此时由续流二极管承担反向续流任务，电流从续流二极管流入漂移区。而当器件处于正向阻断时，由于在续流二极管两侧引入了两个P-base区，两个P-base区形成耗尽区将异质结下方的JFET区域夹断，起到电场屏蔽保护作用，提高器件耐压能力。同时在第一P-base区13上设置有P+区12，极大的增大了PN二极管的有效面积，提高器件在浪涌电流下的能力。在具体SiC MOSFET栅极结构和续流二极管结构的相对位置关系和数量比例可以根据实际需要在版图中进行不同设计。
如图11-14的实验结果图所示，由于单片集成续流二极管承担反向续流任务，集成续流二极管的SiC MOSFET反向恢复特性明显优于传统SiC MOSFET；且集成续流二极管的SiC MOSFET的反向开启电压明显低于传统SiC MOSFET。由于结构上的优势，采用将多晶硅门极分裂开，减小漏-栅跨越的长度，从而减小了反向转移电容。门极电荷特性对比图显示门极电荷也大大降低。因此整体优化了器件的FOM值，在提高反向续流特性的同时也优化了正向MOSFET的基本特性。
一种单片集成续流二极管的SiC MOSFET器件的制备方法，包括：
晶圆准备：对晶圆进行检查、清洗、干燥；
先淀积掩膜层并通过光刻确定台面结构位置，然后进行刻蚀形成一个台面结构，再淀积掩膜层并通过光刻转移器件图形至晶圆上，然后通过高能离子注入形成高掺杂的JFET区、P-base区、N+区和P+区，利用高温退火激活注入离子；
通过热氧化形成栅氧，之后通过刻蚀形成栅极结构，将栅极结构刻蚀成两部分，并在两个栅极之间的区域露出SiC表面；
淀积多晶硅，同时形成MOS结构和异质结结构；
再通过热氧化形成栅氧，使氧化层包住栅极多晶硅，并在除栅极多晶硅外侧氧化层以外的其他区域露出SiC表面；
淀积接触金属，并使源极、漏极的接触图形化，剥离光刻胶去除多余金属后，通过高温退火在SiC表面各电极位置形成欧姆接触；其中，异质结二极管的阳极与MOSFET的源极共用同一金属；
电极金属加厚和图形化，并采用PI胶进行表面保护。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。