一种碳化硅MOSFET器件的制作方法

本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种碳化硅mosfet器件。

背景技术：

据统计，世界上90％以上的用电量由功率器件控制。功率器件及其模块为实现多种电能形式的转换提供了高效的途径，在国防建设、交通运输、工业生产、医疗卫生等领域得到了广泛应用。自从1994年首次报导sic功率mosfet以来，在sic功率mosfet的发展过程中已取得很大的进步。功率半导体器件的历史，也就是功率半导体器件推陈出新的历史。每一代功率器件的推出，都使得能源更为高效地转换和使用。随着电力电子变换系统对于效率和体积提出更高的要求，碳化硅将会是越来越合适的半导体器件。尤其针对光伏逆变器和ups应用，sic器件是实现其高功率密度的一种非常有效的手段。sic材料具有禁带宽度很大、临界击穿场强很高、热导率很大、饱和电子漂移速度很高和介电常数很低等特点，与传统sisbd器件相比，碳化硅sbd反向漏电流小，适合在较高温度及电压条件下工作，sic器件更适合应用在高功率密度、高开关频率的场合。sic器件与si器件相比，可以大幅度降低开关损耗，提高系统效率；无反向恢复、散热性能好。用sic做衬底可轻易做到1000～2000vmosfet，开关特性(结电容值，开关损耗，开关波形等)则与100多伏的simosfet相似，导通电阻更可降低至毫欧量级。碳化硅材料诸多吸引人的特性，如10倍于硅材料的临界击穿电场强度、高的热导率、大的禁带宽度以及高电子饱和漂移速度等，使sic材料成为了国际上功率半导体器件的研究热点，并在高功率应用场合，如高速铁路、混合动力汽车、智能高压直流输电等，碳化硅器件均被赋予了很高的期望。同时碳化硅功率器件对功率损耗的降低效果显著，使得碳化硅功率器件被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。

sic二极管由于其卓越的反向恢复特性，开关速度极快且不受芯片结温的影响，特别是第二、三代sic肖特基二极管的qr，接近于零(典型值为30nc)，漏电流和开关损耗极低，正向电流为3～20a，正向导通压降为1.7～2v，反向耐压可达600v。sic肖特基二极管虽然已经应用了很多年，但是还需要进一步改善价格来获得更广阔的市场。sicmosfet有着卓越的开关损耗和超小的导通损耗，带来系统整个体积和其他成本的下降。不同的芯片配置，可以有效的减小器件的损耗，例如sicmosfet+sic二极管的组合输出电流能力比igbt+sic二极管要大，sicmosfet+sic二极管的组合可以工作在高频，减小系统的成本和体积。sic功率模块可以增强变流器的性能，全sic芯片可以用更小的体积实现更高耐压、更低损耗，给牵引变流系统和电力传输系统的研发设计带来更多便利。一方面3.3kv全sic功率器件已经在牵引变流器中得到应用，有着显著的节能、减小变流器体积和重量等作用；另一方面6.5kvsiigbt器件已经用于高铁和电力传输系统，因此迫切需要研发替代6.5kvsic功率器件的碳化硅mosfet器件，已达到显著节能、减小变流器体积和重量等有益效果。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是发明一种替代6.5kvsiigbt器件的碳化硅mosfet器件的问题。

根据第一方面，一种实施例中提供一种碳化硅mosfet器件，包括漏极(30)、衬底(31)、外延区(32)、p型阱区(36)、n+源区(37)、栅极(35)、栅氧介质(34)、源极(33)和n源区(38)；从下往上依次层叠设置有漏极(30)、衬底(31)和外延区(32)；源极(33)通过栅氧介质(34)、p型阱区(36)和n源区(38)与外延区(32)隔离；栅氧介质(34)与p型阱区(36)接触，p型阱区(36)和n源区(38)接触；p型阱区(36)内设置有n+源区(37)，且与栅氧介质(34)和源极(33)接触；栅氧介质(34)内设置有栅极(35)。

依据上述实施例的碳化硅mosfet器件，由于优化了碳化硅mosfet器件的内部结构，使得碳化硅mosfet器件的电气特性得到提高，以替代6.5kvsiigbt器件。

附图说明

图1为现有技术中碳化硅mosfet器件与sbd器件的电路连接示意图；

图2为一实施例中碳化硅mosfet器件的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

肖特基接触：是一种简单的金属与半导体的交界面，与pn结相似，具有整流特性。

欧姆结：即欧姆接触，一种简单的金属与半导体的交界面，是指接触不产生明显的附加阻抗和不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。

mis结：金属-绝缘体-半导体的接触结构(metal-insulator-semiconductorjunction)，金属与半导体间通过绝缘体进行接触。

mosfet：金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor),简称金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管。

sbd：肖特基二极管(schottkybarrierdiode)。

sic：碳化硅，一种宽禁带半导体化合物，是第三代半导体的代表，非常适合大功率的制作，sic器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势，弥补了传统半导体材料器件在实际应用中的缺陷，正逐渐成为功率半导体的主流。

miller电容：跨接在放大器(放大工作的器件或者电路)的输出端与输入端之间的电容。

在本发明实施例中，公开一种6.5kv碳化硅mosfet器件，由于优化了碳化硅mosfet器件的内部结构，使得碳化硅mosfet器件的电气特性得到提高。

实施例一：

如图1所示，为现有技术中碳化硅mosfet器件与sbd器件的电路连接示意图，其碳化硅mosfet器件包括漏极10、衬底11、外延区12、p型阱区16、n+源区17、栅极15、栅氧介质14和源极13。sbd器件包括漏极20、衬底21、外延区22和源极23。碳化硅mosfet器件的源极13与sbd器件的源极23电连接，碳化硅mosfet器件的漏极20与sbd器件的漏极20电连接。施加在碳化硅mosfet器件内部的pn结的电压vpn必须低于pn结内建电势，防止寄生二极管导通。依据以下公式：

jda＝(vpn-vk)/(rdrift-rsub)

jda为碳化硅mosfet器件内部的电流，vpn为碳化硅mosfet器件内部的pn结的电压，vk为sbd器件的漏极与源极之间的电压，rdrift为sbd器件的外延区电阻，rsub为sbd器件的衬底电阻，另图1中vsda为外加在碳化硅mosfet器件的电压。rdrift外延区电阻，主要是外延区中的电阻，一般做功率mosfet都采用外延片。所谓外延片即在原始的低阻衬底(substrate)硅片上向外延伸一层高阻层。高阻层用来耐受电压，低阻衬底作为支撑又不增加很多电阻。对mosfet来说，载流子(电子或空穴)在这些区域是在外界电压下作漂移(drift)运动，故而相关的电阻称为rdrift。若要求mosfet的耐压高，就必须提高高阻层(对n沟道mosfet来说，称n－层)的电阻率，但当外延层的电阻率提高时，rdrift也随之提高。

由于sic器件的外延层特性，一旦pn二极管中有少子电流流向二极管的阴极，双极性退化效应发生的可能性就会增加。

如图2所示，为一实施例中碳化硅mosfet器件的结构示意图，其碳化硅mosfet器件包括漏极30、衬底31、外延区32、p型阱区36、n+源区37、栅极35、栅氧介质34、源极33和n源区38。从下往上依次层叠设置有漏极30、衬底31和外延区32。源极33通过栅氧介质34、p型阱区36和n源区38与外延区32隔离。栅氧介质34与p型阱区36接触。p型阱区36和n源区38接触。p型阱区36内设置有n+源区37，且与栅氧介质34和源极33接触。栅氧介质34内设置有栅极35。

进一步，栅氧介质34设置在栅极35内下表面。p型阱区36设置在外延区32内上表面。栅氧介质34与n+源区37和p型阱区36接触。栅极35到外延区32的上表面、n+源区37的上表面和p型阱区36的上表面的距离相等。其中，衬底(31)为碳化硅n+参杂。外延区(32)为碳化硅n-参杂。p型阱区(36)为碳化硅p参杂。n+源区(37)为碳化硅n+参杂。源极(33)与n源区(38)是肖特基接触。

如图2所示，本申请公开的碳化硅mosfet器件接入电路后，依据公式：

jdb＝(vpn-vk)/rsub

jdb为碳化硅mosfet器件内部的电流，vpn为碳化硅mosfet器件内部的pn结的电压，vk为sbd器件的漏极与源极之间的电压，rsub为碳化硅mosfet器件的衬底电阻，另图1中vsdb为外加在碳化硅mosfet器件的电压。在续流状态下，sicsbd的正向饱和压降在全电流范围内比sicmosfet的寄生体二极管要低，即：

vsdb〉vpn

可以实现更高的sbd电流，将sicsbd嵌入在sicmosfet芯片内，总面积是单个sicmosfet芯片面积的1.05倍。集成在sicmosfet芯片上面的sicsbd采用垂直元胞结构，在续流时承载全部反向电流，同时使sicmosfet芯片的寄生体二极管不流过电流，从而消除双极性退化效应。

通过测试本申请公开的sicmosfet功率器件，该器件在同步整流还是非同步整流状态下，都呈线性特征。无论在mosfet导通状态，还是在二极管导通状态，全sicmosfet功率模块都表现出单极性器件的特性。在经过高温处理后，反向恢复电荷相对常温增加很少。与静态特性一样，该sicmosfet功率器件在动态特性上表现出单极性器件的特性。通过对比传统全sicmosfet功率模块和本申请公开的sicmosfet功率模块的开通波形，发现在室温下，两者波形很接近，但是在175℃下，传统全sicmosfet功率模块反向恢复电流更大，vds下降速度更慢，而本申请公开的sicmosfet功率器件因为反向恢复电流小，所以其vds下降速度更快。同时这些特性表明两者的开通损耗和反向恢复损耗在室温下非常接近，但是在高温下，本申请公开的sicmosfet功率模块的开通损耗和反向恢复损耗相对更小，主要原因是反向恢复时，本申请公开的sicmosfet功率模块的寄生体二极管不导通。

综上所述，本申请公开的6.5kv全sicmosfet功率器件采用sicsbd和sicmosfet一体化芯片设计，减小了模块体积，通过静态测试和动态测试，确认了本申请公开的6.5kv全sicmosfet功率模块无论在sicmosfet导通还是sicsbd导通时都表现出单极性器件的特性，且其sicsbd在高温下反向恢复电流小，没有双极性退化效应。在电压应力条件下，器件的阈值电压稳定性较强，阈值电压漂移在0.1v以内。本申请公开的sicmosfet功率模块在高温、高频等应用工况下更有优势。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。