一种埋沟式V槽碳化硅VDMOSFET结构的制作方法

一种埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构
技术领域
1.本发明涉及大功率器件的mosfet结构技术领域，具体涉及一种埋沟式u槽碳化硅vdmosfet结构。


背景技术：

2.mosfet器件在大功率分立器件领域应用广泛，当前碳化硅功率器件行业内多数应用的mosfet结构为vdmosfet和umosfet两种。由于刻蚀难度大，难以保证u槽两侧平行，容易形成subtrench等原因，很多功率器件厂商不得不放弃对umosfet产品的开发，将研发精力投入到vdmosfet研发优化上。
3.碳化硅功率mosfet的研发主要分两个方向：1.器件性能的优化(迁移率、可靠性、损耗及电学特性等)；2.器件尺寸的缩减。(参见图1和2)
4.器件尺寸的缩减主要体现在单个元胞尺寸的缩减，主要与工艺材料的特性、质量等因素有关，也与光刻机的能力及器件结构设计有关。(器件单个元胞尺寸标注如图3所示)
5.单个元胞尺寸的缩减，主要与各膜层材料特性有关。器件设计端主要考虑的问题在于如何减少l9。减少l9的主要途径在于l1与l5尺寸的减小。目前国际市场上的碳化硅vdmosfet器件l1尺寸基本都维持在2um左右，这主要因为当前器件采用了jfet区(l1)注入技术，增加了jfet区载流子浓度，从而缩减了l1，但由于过高的jfet区浓度会使器件击穿电压降低，所以l1的尺寸基本趋于稳定。同理，由于器件p-well区受l2、l3、l4的限制，而l2、l3、l4又受l6、l7、l8的限制，l6、l7、l8受材料特性及光刻尺寸的限制，导致器件的元胞尺寸很难进一步减小。u槽mosfet结构的发明，大大缩减了单个元胞尺寸，但其对刻蚀要求过于严苛，且经常出现各种缺陷，让各大厂家望而却步。(如图4所示)
6.umosfet对于u槽的要求过于严苛，理想的umosfet结构要求u槽两边相互平行且垂直于顶面，底角不能出现sub-trench且圆滑。(如图5所示)
7.然而实际刻蚀形成的u槽与理想的u槽相差很大。(如图6所示)
8.u槽的刻蚀难度直接导致了许多国际大厂不得不采用单边umos结构，这样就使得umos所具有的高电流密度的优越性能被腰斩，其相对于vdmosfet的优势直接减半。在vdmosfet的沟道迁移率不断提升之后，umosfet的优势变得十分微弱。(单边umosfet结构如图7所示)
9.因此，vdmosfet依然是碳化硅功率mosfet研发的主流。在材料特性被设计者应用到极限程度后，如何进一步缩小器件尺寸，成为行业内开发者需要面临的新的难题。


技术实现要素：

10.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，以解决umosfet对于u槽的要求过于严苛，即实现理想的umosfet结构u槽两边相互平行且垂直于顶面并且底角不能出现sub-trench且圆滑，以及umosft的优势由于u槽的限制及vdmosfet迁移率的提升已经大大减弱，无法在材料特性被应用到极限后单个元胞尺寸无法减小的问
题。
11.为解决以上技术问题，本发明提供一种埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，包括至少两个相邻并联的vdmosfet元胞，vdmosfet元胞内具有一v槽，所述vdmosfet元胞包括碳化硅外延(d极)、离子刻蚀在所述碳化硅外延(d极)表面的pwell区以及离子刻蚀在所述pwell区表面的n-source区，所述v槽开口向上并贯穿所述n-source区，所述v槽上方连通形成有埋沟，所述埋沟贯穿入部分所述n-source区，所述v槽内淀积有s极金属，使得s极金属依然能够与n-source区及pwell区同时形成欧姆接触。
12.作为一些实施例中优选地方案，所述v槽顶部最大开口宽度大于等于所述埋沟底部宽度。
13.作为一些实施例中优选地方案，所述v槽位于所述n-source区和pwell区的中部。
14.作为一些实施例中优选地方案，所述v槽边缘与所述n-source区和所述pwell区的碳化硅基底之间形成有圆润的合金层。
15.作为一些实施例中优选地方案，所述vdmosfet元胞还具有jfet区，所述jfet区位于相邻两个所述pwell区之间，还具有多晶硅(g极)以及上、下、左、右四面包覆在所述多晶硅(g极)外侧的氧化层，所述多晶硅(g极)至少部分位于所述pwell区上方；还具有淀积在所述氧化层上侧的s极金属。
16.作为一些实施例中优选地方案，两个所述多晶硅(g极)之间的氧化层合并为一体并且深入至所述埋沟内，使得埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构通过埋沟表面氧化层进行栅源隔离。
17.作为一些实施例中优选地方案，该结构还包括连接碳化硅外延(d极)的电源极d、并联连接所述多晶硅(g极)的电源极g以及连接所述s极金属的电源极s，该结构的侧面还包裹有防击穿层。
18.与现有技术相比，本发明具有的优点：
19.1、本发明的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构与原有vdmosfet结构相比，元胞尺寸大幅度减少。
20.2、本发明的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构在各材料性能达到极限后，仍能凭借自身结构优势降低器件尺寸。
21.3、本发明的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构在光刻尺寸进一步提升后，可继续缩小尺寸，只需加深v槽深度，不受隔离层性能限制。
附图说明
22.图1为现有的vdmosfet结构的离子分布结构原理图。
23.图2为现有的vdmosfet结构理想示意图。
24.图3为现有vdmosfet器件单个元胞结构示意图。
25.图4为理想u槽mosfet结构原理图。
26.图5为理想的umosfet的u槽结构图。
27.图6为现实的umosfet的u槽结构图。
28.图7为单边umosfet结构图。
29.图8为本发明的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构图。
30.图9为本发明的vdmosfet元胞结构图。
31.图10为本发明的vdmosfet元胞的一种v槽边缘合金前的结构图。
32.图11图10中v槽合金后的结构图。
具体实施方式
33.为了便于理解本发明技术方案，以下结合附图与具体实施例进行详细说明。
34.参见图8，一种埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，一般由n个元胞组成，元胞之间等距相邻排布并且并联连接，在本实施例中，参见图9，定义元胞为vdmosfet元胞，同样，相邻两个vdmosfet元胞是并联的，vdmosfet元胞包括碳化硅外延(d极)、离子刻蚀在碳化硅外延(d极)表面的pwell区以及离子刻蚀在pwell区表面的n-source区，vdmosfet元胞还具有jfet区，jfet区位于相邻两个pwell区之间，还具有多晶硅(g极)以及上、下、左、右四面包覆在多晶硅(g极)外侧的氧化层，多晶硅(g极)至少部分位于pwell区上方；还具有淀积在氧化层上侧的s极金属，该结构还包括连接碳化硅外延(d极)的电源极d、并联连接多晶硅(g极)的电源极g以及连接s极金属的电源极s，该结构的侧面还包裹有防击穿层，已形成完整的电路使vdmosfet器件进行工作。特别的，在本实施例中，参见图9，vdmosfet元胞内具有一v槽，具体的，v槽开口向上并贯穿n-source区，v槽上方连通形成有埋沟，埋沟贯穿入部分n-source区，v槽内淀积有s极金属，使得s极金属依然能够与n-source区及pwell区同时形成欧姆接触；为了保证v槽能够尽可能的深入从而减小mos器件尺寸，需要将v槽顶部最大开口宽度设置成大于等于埋沟底部宽度，这样方便两个多晶硅(g极)之间的氧化层合并为一体并且深入至埋沟内，使得埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构通过埋沟表面氧化层进行栅源隔离，从而金属区可不必占用横向尺寸空间，实现减少mos器件尺寸。需要注意的是，本实施例的方案包括但不限于此，任何有类似的mos结构涉及均落入本发明的保护范围内。
35.特别的，参见图9，v槽位于n-source区和pwell区的中部，该中部位置是理想情况下的，可以适当偏离一定距离，但是不可以偏出n-source区之外，该设计的原因，需要v槽贯穿的n-source区和pwell区同时与金属接触形成欧姆接触。
36.参见图10和11，值得注意的是，v槽边缘与n-source区和pwell区的碳化硅基底之间形成有圆润的合金层，这是由于本实施例的结构的v槽主要用来形成欧姆接触，而欧姆接触形成过程中，会导致金属与碳化硅之间形成合金，合金层向个方向均匀扩散，会使各种角变得圆滑，本实施例的结构利用埋沟表面氧化层进行栅源隔离，能够有效防止栅源击穿，同时将原有的两个横向隔离氧化层合并成一个，大幅度缩减元胞尺寸，增加器件电流密度。
37.功能总结：
38.本发明的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构采用埋沟v槽方法，将v槽掩埋在隔离氧化层下，利用v槽将n-source区贯穿，使得金属源极依然能够与n-source区及pwell区同时形成欧姆接触。埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构要求w3》w4。
39.埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构与传统结构单个元胞尺寸(参见图3)对比(假定l4＝l4＝1um，l3＝l3＝1um，l2＝l2＝0.5um，l1＝2um，l1＝1um)：
40.vdmosfet：l9＝l1+2*l2+2*l3+l4＝2+1+2+1＝6um；
41.埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构：w9＝w1+2*w2+w3＝2+1+1.5＝4.5um(w3按1.5um计)；
42.由此可见，在假定沟道迁移率相同且jfet区电阻相同的情况下，埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构较传统两种结构具有明显优势。
43.埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构还利用埋沟表面氧化层进行栅源隔离，能够有效防止栅源击穿，同时将原有的两个横向隔离氧化层合并成一个，大幅度缩减元胞尺寸，增加器件电流密度。
44.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，包括至少两个相邻并联的vdmosfet元胞，其特征在于，所述vdmosfet元胞内具有一v槽，所述vdmosfet元胞包括碳化硅外延(d极)、离子刻蚀在所述碳化硅外延(d极)表面的pwell区以及离子刻蚀在所述pwell区表面的n-source区，所述v槽开口向上并贯穿所述n-source区，所述v槽上方连通形成有埋沟，所述埋沟贯穿入部分所述n-source区，所述v槽内淀积有s极金属，使得s极金属依然能够与n-source区及pwell区同时形成欧姆接触。2.根据权利要求1所述的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，其特征在于，所述v槽顶部最大开口宽度大于等于所述埋沟底部宽度。3.根据权利要求1所述的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，其特征在于，所述v槽位于所述n-source区和pwell区的中部。4.根据权利要求1所述的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，其特征在于，所述v槽边缘与所述n-source区和所述pwell区的碳化硅基底之间形成有圆润的合金层。5.根据权利要求1所述的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，其特征在于，所述vdmosfet元胞还具有jfet区，所述jfet区位于相邻两个所述pwell区之间，还具有多晶硅(g极)以及上、下、左、右四面包覆在所述多晶硅(g极)外侧的氧化层，所述多晶硅(g极)至少部分位于所述pwell区上方；还具有淀积在所述氧化层上侧的s极金属。6.根据权利要求5所述的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，其特征在于，两个所述多晶硅(g极)之间的氧化层合并为一体并且深入至所述埋沟内，使得埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构通过埋沟表面氧化层进行栅源隔离。7.根据权利要求1-6任一项所述的埋沟式v槽碳化硅vdmosfet结构，其特征在于，该结构还包括连接碳化硅外延(d极)的电源极d、并联连接所述多晶硅(g极)的电源极g以及连接所述s极金属的电源极s，该结构的侧面还包裹有防击穿层。

技术总结
本发明公开一种埋沟式V槽碳化硅VDMOSFET结构，至少两个相邻并联的VDMOSFET元胞，其特征在于，所述VDMOSFET元胞内具有一V槽，所述VDMOSFET元胞包括碳化硅外延(D极)、离子刻蚀在所述碳化硅外延(D极)表面的Pwell区以及离子刻蚀在所述Pwell区表面的N-SOURCE区，所述V槽开口向上并贯穿所述N-SOURCE区，所述V槽上方连通形成有埋沟，所述埋沟贯穿入部分所述N-SOURCE区，所述V槽顶部最大开口宽度大于等于所述埋沟底部宽度，所述V槽内淀积有S极金属，使得S极金属依然能够与N-SOURCE区及Pwell区同时形成欧姆接触，从而实现VDMOSFET元胞尺寸减小，进而达到在各材料性能达到极限后，仍能凭借自身结构优势降低器件尺寸。凭借自身结构优势降低器件尺寸。凭借自身结构优势降低器件尺寸。


技术研发人员：许一力
受保护的技术使用者：杭州谱析光晶半导体科技有限公司
技术研发日：2023.08.22
技术公布日：2023/10/8