[发明专利]一种碳化硅MOSFET器件及其制造方法

说明书

本发明提供一种碳化硅MOSFET器件及其制造方法，本发明通过在传统碳化硅UMOSFET结构的基础上，通过改进器件结构设计并最终集成了具有整流特性的肖特基接触或异质结接触。该改进在优化传统碳化硅UMOSFET结构基本特性的同时，实现了多子整流器件的集成，极大地优化了器件第三象限工作性能，另外，本发明还针对器件动态性能进行了优化，具有更短的开关时间；除此之外，本发明还具有工艺简单、易于实现的特点。

技术领域

本发明属于功率半导体技术，具体的说，是涉及一种金属氧化物半导体场效应(MOSFET)器件结构及其制造方法。

背景技术

人类纪元已进入21世纪，虽然出现了多种形式的新型能源，如风能、核能、太阳能以及地热能等，但世界能源生产和消费仍以化石能源为主，且化石能源依然将在很长的一段时期内占领着人类众多能源需求最重要的一席。化石能源的大量、长期使用必将导致一系列的问题，这些问题与当下全球变暖等全球环境问题的恶化息息相关。而化石能源中有相当大的比例转化为电能。电能作为人类可直接利用能源的主要形式之一，对其使用效率提升是应对世界能源问题的重要解决途径。电力系统是人类利用电能和提高电能使用效率的必要途径，电力系统对电能输运、管理以及使用效率的高低，体现着电力系统的现代化程度，进而体现着人类对于能源资源利用效率的高低。能源资源的高效率使用，对于人类可持续发展具有重大意义。具体来说，电力系统主要是对电能的产生过程进行调节、测量、控制、保护、调度和通信等，这个过程中，功率半导体器件起到了核心的作用。也就是所，功率半导体器件性能的高低，决定着大小电力系统性能。从某种程度上来说，功率半导体器件及其模块性能的优劣，关乎着人类可持续发展。

功率器件当下由硅基功率器件主导，主要以晶闸管、功率PIN器件、功率双极结型器件、肖特基势垒二极管、功率MOSFET以及绝缘栅场效应晶体管为主，在全功率范围内均得到了广泛的应用，以其悠久历史、十分成熟的设计技术和工艺技术占领了功率半导体器件的主导市场。然而，因研究人员对其机理研究较为透彻，性能均已接近硅材料的理论极限，已经很难通过对硅基功率器件的设计和优化达到性能上的大幅度提升。

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的宽禁带半导体材料，亦称下一代半导体材料，以其优异的材料特性引起了科研人员的兴趣。碳化硅材料是第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生长技术和器件制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一。其相比于硅材料具有较大的禁带宽度，较高的热导率，较高的电子饱和漂移速度以及10倍于硅材料的临界击穿电场，使其在高温、高频、大功率、抗辐射应用场合下成为十分理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗，故碳化硅功率器件享有“带动“新能源革命”的“绿色能源”器件”美名。

碳化硅MOSFET器件是以宽禁带半导体材料碳化硅制造的下一代半导体器件。该器件因其绝佳的材料优势在高压应用中受到了广泛的关注，甚至被认为有望在全功率等级上取代传统硅基IGBT。尽管如此,因MOS沟道的不理想导致MOS沟道迁移率过低，极大地限制了碳化硅MOSFET通态电流密度。因此，具有更高沟道密度、从而具有更大通态电流密度的碳化硅UMOSFET受到的广泛关注和研究。尽管碳化硅UMOSFET具有更低通态电阻以及更紧凑的元胞布局，由于底部栅氧化层电场过高的问题，给碳化硅UMOSFET长久使用带来可靠性问题。传统的碳化硅UMOSFET如图1所示。