[发明专利]一种碳化硅MOSFETs功率器件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体功率器件及其制作方法，具体涉及一种碳化硅(SiC)金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)功率器件及其制作方法。

背景技术

功率器件现已广泛的用于承载大电流承受高电压，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是微处理器和半导体存储器等大规模或超大规模集成电路最重要的电力电子器件，它具有导通电阻低、负载电流大等优点，非常适合用作开关器件。在功率MOSFET中，将控制信号提供给栅电极，插入该栅电极的绝缘体，将其与半导体表面分开，通过传输多数载流子进行电流导电。功率MOSFET能够提供非常安全的工作区，并能与单位单元结构并行。

目前制作MOSFET材料大多使用Si，随着电子技术的进步，高温、高频、强辐射等恶劣条件对半导体器件和电路提出了更高的要求，Si由于其材料特性已经无法满足要求，而SiC材料将是大功率、高温和高频工作的半导体器件的最好选择。

常规垂直双注入碳化硅MOSFET器件的反型层沟道载流子有效迁移率低，难以制造大电流、低导通电阻、高耐压的垂直MOSFET器件。其结构如图1所示。通常通过铝和/或硼注入实现p阱，通过氮或磷注入实现n+源区，通过铝注入实现基区p+区，然后去除所有的注入掩膜，再于1600℃以上的高温下激活注入的掺杂杂质。栅介质层是通过在各种气氛下对实现p阱、n+源和p+区以后的碳化硅进行热氧化或低压化学气相淀积来实现，或者通过先进行热氧化再进行淀积实现的。栅介质层是单一的或复合叠层。

上述结构存在的问题是沟道表面难以形成有效的反型层，且反型层表面有效电子迁移率低，由此导致器件的阈值电压非常高、导通电阻非常大。这是由于为防止p阱基区在反向时的穿通，p阱区载流子浓度至少大于1×10¹⁷cm^-3，碳化硅的低本征载流子浓度使得具有这样低浓度的p阱区沟道表面仍然难以形成有效的反型层，器件阈值电压过大；另外高能量的离子注入也使得栅介质和碳化硅之间的界面态密度过大，以至大大降低沟道表面自由电子的有效迁移率，器件导通电阻过大；此外，p阱铝注入掺杂形成的p型SiC铝分凝及注入掺杂剂的高温激活都会对沟道表面反型层电子有效迁移率起负面作用。

所谓的“ACCUFET”结构由于沟道表面为积累层而不是反型层，可以避免垂直双注入结构的沟道难以形成有效的反型层的问题。如图2所示，这种结构是利用pn结的内建电势使得表面n型层在栅极零偏压下完全耗尽实现常闭器件。然而，形成这种具有表面n型层的p阱，仍需要通过高能量、大剂量的离子注入及在1600℃以上的高温退火激活注入的p型掺杂杂质来实现，以保证器件阻断时p阱不会发生穿通和足够小的基区横向电阻，防止形成闩锁，所以无法避免沟道表面积累层电子有效迁移率导致的负面影响，另外难以通过单一掺杂杂质同时实现表面n型层和高载流子浓度p阱埋层的结构。因此需要提供一种避免离子注入和高温退火而实现“ACCUFET”结构的方法，从而消除其对沟道表面积累层沟道表面迁移率的负面影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化硅(SiC)金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)功率器件及其制作方法，减少经过离子注入和高温退火处理后的SiC和栅介质之间的界面态密度，减少器件的性能退化，提高沟道载流子的有效迁移率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳化硅MOSFETs功率器件，该器件包括：

1)双注入碳化硅MOSFET：n型的碳化硅衬底，所述衬底上的n型碳化硅漂移层，所述漂移层包含具有间隔的含n型碳化硅源区的p型碳化硅区，所述漂移层上的n型碳化硅外延层，所述外延层被所述n型碳化硅区间隔，所述外延层上的氧化层，所述氧化层上的n型多晶层；

2)n型沟道：自p型碳化硅区上的n型碳化硅外延区延伸至n型漂移层上的n型碳化硅外延区；

3)栅接触：位于栅介质层上，氮或磷注入的n型碳化硅之间；

4)基区接触：位于p型碳化硅区和n型碳化硅区内。

所述的碳化硅MOSFETs功率器件的第一优选方案，所述碳化硅为4H-SiC或6H-SiC。

所述的碳化硅MOSFETs功率器件的第二优选方案，所述n型碳化硅衬底的载流子浓度为10¹⁸-10²¹cm^-3。