【专利解密】捷捷微电发明新型MOSFET方案以提高终端耐压能力
【嘉勤点评】捷捷微电发明的新型沟槽栅MOSFET结构方案,在不需要增加终端的宽度的前提下提高了终端耐压能力,因此能够增大元胞区的有效面积,进而可减小器件的导通电阻,降低器件的导通损耗。
在功率半导体器件领域,现有的沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)通常采用沟槽结构作为终端设备的保护区。
如上图所示,传统结构的终端保护区在第一导电类型漂移区2上设有栅沟槽20,该装置利用多个栅沟槽20的分压作用,来改善芯片外围的局部电场集中效应,从而提升芯片的击穿电压及可靠性。
虽然沟槽结构能够有效提高终端耐压,但对于中压120V~150V的沟槽MOSFET器件来说,想进一步提高耐压,需增加沟槽的数量,但这样却不利于降低导通电阻。若不增加沟槽数量,当击穿电压达到120V以上时,会出现的明显的终端耐压较弱的现象,导致雪崩能力差,可靠性下降等问题。
为解决这些问题,捷捷微电在2020年12月29日申请了一项名为“一种沟槽MOSFET器件的终端结构及制造方法”的发明专利(申请号:202011598537.4),申请人为江苏捷捷微电子股份有限公司。
根据该专利目前公开的相关资料,让我们一起来看看这项技术方案吧。
如上图,为该专利中发明的沟槽栅MOSFET的终端保护区剖面结构示意图,该半导体基板包括N型衬底1和位于其上的N型飘移区2。这种结构的特征在于,N型飘移区内设置有元胞区邻接的过渡区沟槽3和截止沟槽4,这两个沟槽通过缓变结P型阱区5相连接,阱区呈梯度设置且深度逐渐减小,而在阱区的表面,覆盖有绝缘介质6和有源极金属7。
此外,在过渡区沟槽内设有栅氧化层8和栅极导电多晶硅9,截止沟槽内设有截止氧化层10、截止多晶硅11和截止环金属12,截止环金属穿过绝缘介质与N型漂移区接触。在N型漂移区内,安置有P型体区13,其也与源极金属相接触。
对于这种沟槽MOSFET器件的制作,该专利中也公布了一种制作方法,具体如下:
首先,该方案基于包含有N型漂移区的半导体基板上实现,该基板结构如上图所示,上表面为第一主面001,下表面为半导体基板的第二主面002。对于第一主面,需要在其上淀积氧化层,通过对氧化层的刻蚀来形成图形化的掩蔽窗口。
其次,对N型漂移区进行刻蚀,得到过渡区沟槽和截止沟槽,并去除图形化的掩蔽窗口,在过渡区沟槽和截止沟槽内热生长氧化层,在氧化层上继续淀积多晶硅。当得到多晶硅后,继续对氧化层进行刻蚀,去除掉第一主面上的氧化层和多晶硅,得到位于过渡区沟槽内的栅氧化层和栅极导电多晶硅,同时得到位于截止沟槽内的截止氧化层和截止多晶硅。
之后,再次形成图形化掩蔽窗口,在其遮挡下对第一主面注入P型离子,如上图所示,将P型离子激活并扩散连成一片,在N型漂移区内形成位于终端保护区的缓变结P型阱区5和位于元胞区的P型体区13,然后去除图形化掩蔽窗口。
最后,对第一主面注入N型离子并退火,得到位于P型体区的N型源区14,并在绝缘介质和金属接触孔内淀积金属,通过刻蚀操作得到源极金属和截止环金属。
通过这样的设计,将宽度逐渐减小的图形化掩蔽窗口二作为注入遮挡,进行注入并推阱,使得所有注入区域相互连成一片,形成一个深度呈一定梯度变化的缓变结P型阱区。当器件反向偏置时,由于缓变结P型阱区的深度呈一定梯度变化,使得终端区的缓变结P型阱区几乎完全被耗尽,从而大大提升了器件终端的耐压能力,进而增强了器件的雪崩能力。
以上就是捷捷微电发明的新型沟槽栅MOSFET结构方案,该方案在不需要增加终端的宽度的前提下提高了终端耐压能力,因此能够增大元胞区的有效面积,进而可减小器件的导通电阻,降低器件的导通损耗。
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