[发明专利]基于半超结的碳化硅MOSFET及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子领域，尤其涉及一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管，可用于大功率电气设备、太阳能发电模块以及混合燃料电动车。

技术背景

SiC是最近十几年来迅速发展起来的宽禁带半导体材料，与其它半导体材料，比如Si，GaN及GaAs相比，SiC材料具有宽禁带、高热导率、高载流子饱和迁移率、高功率密度等优点。SiC可以热氧化生成二氧化硅，使得SiC金属氧化物半导体场效应管MOSFET和电路的实现成为可能。自20世纪90年代以来，SiC MOSFET已在开关稳压电源、汽车电子以及功率放大器等方面取得了广泛的应用。

然而，作为一种功率器件，传统的碳化硅MOSFET，如附图1所示，在性能上仍然存在很大的问题。最关键的一个就是由于起承受耐压作用的外延层漂移区其击穿电压和导通电阻之间存在的制约关系，提高击穿电压和降低导通电阻往往不能同时实现，这就导致器件在大电压下工作时会有很大的能量损耗。

1989年电子科技大学陈星弼院士在研究Si基功率MOSFET时，提出了一种超结结构的耐压层，用超结结构来替代传统的漂移层时，能突破Si材料导通电阻与反向耐压的极限关系，即R_on=0.83×10^-8×V_B^2.5（Ω·cm²）。超结结构提出后，很快在理论和器件制造上进行了深入的研究，结果表明超结结构确实能突破硅极限，在一定的反向耐压下能极大地降低导通电阻。近年来，由于Si材料的固有局限性，在功率MOSFET领域，人们开始了用新材料SiC来制造MOSFET，随着SiC MOSFET制作工艺的不断改善，SiC MOSFET的导通电阻也在不断下降，向着SiC材料的极限值逼近，这样，寻求新的结构和方法来继续降低SiC MOSFET的导通电阻就十分必要，将在Si基功率MOSFET上获得成功的超结结构应用于SiC MOSFET就是一种自然的思路。L.C.Yu，K.Sheng2006年发表在《Solid-State Electronics》中的《Breaking the theoretical limit of SiC unipolar power device–A simulation study》一文中对超结结构的SiC MOSFET进行了理论仿真，结果表明利用当时的工艺水平，其FOM值可比SiC的极限值提高300%。超结SiC MOSFET的关键在于制造具有高深宽比的超结结构，目前的工艺水平只能制造出深宽比为4:1的超结结构，由于在实际的电路芯片中面积有限，超结结构的横向宽度不可能过大，纵向厚度也就受到限制，进而决定其耐压能力不会太高，这就造成在实际的电路应用中，现有工艺条件下单纯利用超结结构制造出来的器件其耐压达不到实际电路应用中所需要的耐压值，而单纯采用传统结构的SiC MOSFET虽然能满足耐压需求，但其导通电阻较大，造成器件正向导通时功耗较大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，基于现有的工艺水平，提出一种基于超结结构和传统漂移区相结合的半超结结构的碳化硅MOSFET及其制作方法，在满足耐压需求的前提下进一步减小导通电阻，降低器件正向导通时功耗。

为实现上述目的，本发明的器件包括：源极1、栅极2、SiO₂氧化物介质3、N⁺源区4、P⁺欧姆接触区5、P阱6、JFET区域7、N^-外延层11、N⁺衬底12和漏极13，其特征在于：

N-外延层11上方设有电流扩展层10，电流扩展层10上方的两侧且在P阱6的正下方设有P⁺柱区8，两个P⁺柱区（8）横向宽度相等；

JFET区域（13）的下方设有N⁺柱区9，该N⁺柱区9位于两个P⁺柱区8之间，其宽度为两个P⁺柱区8的宽度之和；

所述P⁺柱区8和N⁺柱区9的掺杂浓度相等，均为掺杂浓度为1×10¹⁶~3×10¹⁷cm^-3的高掺杂区域；

所述电流扩展层10为掺杂浓度为1×10¹⁷~5×10¹⁷cm^-3的N型高掺杂区域，以拓宽电流纵向流动时的通路。