【專利解密】捷捷微電發(fā)明新型MOSFET方案以提高終端耐壓能力

【嘉勤點(diǎn)評(píng)】捷捷微電發(fā)明的新型溝槽柵MOSFET結(jié)構(gòu)方案，在不需要增加終端的寬度的前提下提高了終端耐壓能力，因此能夠增大元胞區(qū)的有效面積，進(jìn)而可減小器件的導(dǎo)通電阻，降低器件的導(dǎo)通損耗。

在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，現(xiàn)有的溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）通常采用溝槽結(jié)構(gòu)作為終端設(shè)備的保護(hù)區(qū)。

如上圖所示，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的終端保護(hù)區(qū)在第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)2上設(shè)有柵溝槽20，該裝置利用多個(gè)柵溝槽20的分壓作用，來(lái)改善芯片外圍的局部電場(chǎng)集中效應(yīng)，從而提升芯片的擊穿電壓及可靠性。

雖然溝槽結(jié)構(gòu)能夠有效提高終端耐壓，但對(duì)于中壓120V～150V的溝槽MOSFET器件來(lái)說(shuō)，想進(jìn)一步提高耐壓，需增加溝槽的數(shù)量，但這樣卻不利于降低導(dǎo)通電阻。若不增加溝槽數(shù)量，當(dāng)擊穿電壓達(dá)到120V以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)的明顯的終端耐壓較弱的現(xiàn)象，導(dǎo)致雪崩能力差，可靠性下降等問(wèn)題。

為解決這些問(wèn)題，捷捷微電在2020年12月29日申請(qǐng)了一項(xiàng)名為“一種溝槽MOSFET器件的終端結(jié)構(gòu)及制造方法”的發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?02011598537.4），申請(qǐng)人為江蘇捷捷微電子股份有限公司。

根據(jù)該專利目前公開(kāi)的相關(guān)資料，讓我們一起來(lái)看看這項(xiàng)技術(shù)方案吧。

如上圖，為該專利中發(fā)明的溝槽柵MOSFET的終端保護(hù)區(qū)剖面結(jié)構(gòu)示意圖，該半導(dǎo)體基板包括N型襯底1和位于其上的N型飄移區(qū)2。這種結(jié)構(gòu)的特征在于，N型飄移區(qū)內(nèi)設(shè)置有元胞區(qū)鄰接的過(guò)渡區(qū)溝槽3和截止溝槽4，這兩個(gè)溝槽通過(guò)緩變結(jié)P型阱區(qū)5相連接，阱區(qū)呈梯度設(shè)置且深度逐漸減小，而在阱區(qū)的表面，覆蓋有絕緣介質(zhì)6和有源極金屬7。

此外，在過(guò)渡區(qū)溝槽內(nèi)設(shè)有柵氧化層8和柵極導(dǎo)電多晶硅9，截止溝槽內(nèi)設(shè)有截止氧化層10、截止多晶硅11和截止環(huán)金屬12，截止環(huán)金屬穿過(guò)絕緣介質(zhì)與N型漂移區(qū)接觸。在N型漂移區(qū)內(nèi)，安置有P型體區(qū)13，其也與源極金屬相接觸。

對(duì)于這種溝槽MOSFET器件的制作，該專利中也公布了一種制作方法，具體如下：

首先，該方案基于包含有N型漂移區(qū)的半導(dǎo)體基板上實(shí)現(xiàn)，該基板結(jié)構(gòu)如上圖所示，上表面為第一主面001，下表面為半導(dǎo)體基板的第二主面002。對(duì)于第一主面，需要在其上淀積氧化層，通過(guò)對(duì)氧化層的刻蝕來(lái)形成圖形化的掩蔽窗口。

其次，對(duì)N型漂移區(qū)進(jìn)行刻蝕，得到過(guò)渡區(qū)溝槽和截止溝槽，并去除圖形化的掩蔽窗口，在過(guò)渡區(qū)溝槽和截止溝槽內(nèi)熱生長(zhǎng)氧化層，在氧化層上繼續(xù)淀積多晶硅。當(dāng)?shù)玫蕉嗑Ч韬螅^續(xù)對(duì)氧化層進(jìn)行刻蝕，去除掉第一主面上的氧化層和多晶硅，得到位于過(guò)渡區(qū)溝槽內(nèi)的柵氧化層和柵極導(dǎo)電多晶硅，同時(shí)得到位于截止溝槽內(nèi)的截止氧化層和截止多晶硅。

之后，再次形成圖形化掩蔽窗口，在其遮擋下對(duì)第一主面注入P型離子，如上圖所示，將P型離子激活并擴(kuò)散連成一片，在N型漂移區(qū)內(nèi)形成位于終端保護(hù)區(qū)的緩變結(jié)P型阱區(qū)5和位于元胞區(qū)的P型體區(qū)13，然后去除圖形化掩蔽窗口。

最后，對(duì)第一主面注入N型離子并退火，得到位于P型體區(qū)的N型源區(qū)14，并在絕緣介質(zhì)和金屬接觸孔內(nèi)淀積金屬，通過(guò)刻蝕操作得到源極金屬和截止環(huán)金屬。

通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，將寬度逐漸減小的圖形化掩蔽窗口二作為注入遮擋，進(jìn)行注入并推阱，使得所有注入?yún)^(qū)域相互連成一片，形成一個(gè)深度呈一定梯度變化的緩變結(jié)P型阱區(qū)。當(dāng)器件反向偏置時(shí)，由于緩變結(jié)P型阱區(qū)的深度呈一定梯度變化，使得終端區(qū)的緩變結(jié)P型阱區(qū)幾乎完全被耗盡，從而大大提升了器件終端的耐壓能力，進(jìn)而增強(qiáng)了器件的雪崩能力。

以上就是捷捷微電發(fā)明的新型溝槽柵MOSFET結(jié)構(gòu)方案，該方案在不需要增加終端的寬度的前提下提高了終端耐壓能力，因此能夠增大元胞區(qū)的有效面積，進(jìn)而可減小器件的導(dǎo)通電阻，降低器件的導(dǎo)通損耗。

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