[发明专利]功率金属氧化物半导体场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及功率金属氧化物半导体场效应 晶体管。

背景技术

功率MOSFET(功率金属氧化物半导体场效应晶体管)是航天电源中的 核心电子器件。功率MOSFET在应用到航天环境中时会有以下三种辐射效应， 分别是总剂量效应，单粒子烧毁效应和单粒子栅击穿效应，这些效应会严重影 响功率MOSFET器件在航天环境中的应用。为了抑制这些辐照效应，需要加 入与商用器件不同的设计和工艺来实现抗辐射的功率MOSFET。这些工艺和 设计需要同时考虑抑制三种辐射效应，并且尽可能不(或尽量少)的牺牲器件 的常规电性能。

单粒子烧毁是功率MOSFET应用于单粒子辐射环境中的一种特有现象。 如果某种功率MOSFET，其击穿电压为300V，即在关断状态下，漏极可承受 300V的电压。但是如果环境中有单粒子辐射，其关断状态下可承受的电压会 下降到只有约50V。传统的抗单粒子辐射设计是在外延层引入一层缓冲层的方 法来提高器件抗单粒子烧毁能力，但是这种方式的缺点是会显著增加器件的导 通电阻。

因而，目前关于抗辐射功率MOSFET的相关研究仍有待深入。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本 发明的一个目的在于提出一种抗辐照能力较高的功率MOSFET。

针对现有技术中功率MOSFET抗辐射效应(总剂量效应，单粒子烧毁效 应和单粒子栅击穿效应)能力不理想的问题，发明人进行了大量的探索和实验， 意外地发现，提高功率MOSFET沟道区的掺杂能够明显提高器件的抗单粒子 烧毁能力，且能够保持器件的电性能，几乎不会增加器件的导通电阻，进一步 地，发明人发现同时采用高介电常数材料作为器件的栅介质，可以有效降低栅 介质中的电场强度，保持器件的阈值电压不变。

有鉴于此，本发明提供了一种功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率 MOSFET)。根据本发明的实施例，该功率MOSFET包括：衬底、外延区、阱 区、源区、沟道区、栅介质、栅、隔离介质及源极金属，其中，沟道区的掺杂 量不低于2e18/cm³。发明人惊喜地发现，提高沟道区的掺杂量，可以有效提高 器件(即功率MOSFET)的抗单粒子烧毁能力，且器件的导通电阻几乎不会 增加，根据本发明实施例的功率MOSFET在提高器件抗辐射能力的同时，最 大限度的保持了器件的电性能。

根据本发明的实施例，栅介质可以由高介电常数材料形成。由此，采用高 介电常数材料作为器件的栅介质来降低其中的电场强度，保持器件的阈值电压 不变，从而提高器件的抗单粒子栅击穿能力。

根据本发明的实施例，高介电常数材料的介电常数不低于7.5。由此，栅 介质中的电场强度显著降低，器件抗单粒子栅击穿能力显著提高。

根据本发明的实施例，高介电常数材料为选自氧化铝、HfO₂中的至少一 种。由此，不仅能够有效实现降低栅介质中电场强度，提高器件抗单粒子栅击 穿能力，且材料来源广泛，成本较低，易于实现。

本发明至少具有以下有益效果：

根据本发明实施例的功率MOSFET，由于提高了器件沟道区的掺杂浓度， 显著提高了器件的抗单粒子烧毁能力；同时由于采用了高k材料(高介电常数 材料)作为器件的栅介质，保持了器件的阈值电压，且可以降低氧化层中的电 场强度，使得在提高器件的抗辐射能力的同时，能够不增加器件的导通电阻， 最大限度的保持器件的电性能。

附图说明

图1为根据本发明实施例的功率MOSFET的结构示意图；

图2为普通功率MOSFET的半元胞结构示意图；

图3为功率MOSFET的掺杂浓度图；

图4为普通功率MOSFET在漏极电压为40V和漏极电压为50V时漏极电 流随时间变化的仿真曲线；

图5为功率MOSFET的电场强度分布图；

图6为根据本发明实施例的功率MOSFET的栅介质材料厚度、栅介质中 的电场强度随栅介质材料介电常数的变化结果图。

具体实施方式