一种低反向恢复电荷SJ-VDMOS器件的制作方法

本发明涉及一种功率半导体器件，特别是涉及一种低反向恢复电荷sj-vdmos器件。

背景技术：

垂直扩散场效应晶体管(vdmos)具有开关速度快、输入阻抗高、频率特性好等优点被越来越多的应用于三相桥式电路、逆变器、智能功率模块和电子镇流器等领域当中。其中超结-垂直扩散场效应晶体管(sj-vdmos)因为漂移区采用p柱和n柱交替设置的结构，从而突破了传统的“硅极限”，使得器件同时具备极高的反向击穿电压和极低的正向导通电阻。

采用sj-vdmos的体二极管作为续流二极管通常存在反向恢复电荷qrr过大以及反向恢复电流峰值irrm过高的问题，过高的irrm在高速开关过程中会引起振荡，产生电磁干扰。这一缺点限制了超结功率mosfet在硬开关电路中的应用。通常降低反向恢复电荷qrr可以有效减小反向恢复电流峰值irrm。所以降低sj-vdmos体二极管的反向恢复电荷是当前工程领域急需解决的难题。

一些降低sj-vdmos体二极管反向恢复电荷的技术方案相继被提出，比如采用寿命控制技术，通过采用电子辐照或者重金属掺杂等手段，减小存储载流子的寿命，从而减小反向恢复电荷qrr。但是这种方案成本较高，并且也会带来漏电增大、击穿电压降低等不利影响。另外一种方案是使用sic代替sj-vdmos的体二极管作为续流二极管。sic二极管具有单极性导电的特点，所以可实现反向恢复电荷qrr≈0。但是这种方法成本较高，实际工程中没有较多实用价值。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出一种低反向恢复电荷sj-vdmos器件，该结构在保持低漏电、高击穿电压和低生产成本的同时，显著减小sj-vdmos体二极管反向恢复电荷qrr及反向恢复电流峰值irrm，从而减小了器件在反向恢复期间的功耗以及电磁干扰(emi)，进一步提高了器件的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种低反向恢复电荷sj-vdmos器件，包括：作为漏区的n+型衬底，n+型衬底下表面设有第一金属漏电极并作为本发明sj-vdmos器件漏极，在n+型衬底上设有n型外延层，在n型外延层上设有p型外延层，在所述p型外延层内设有纵向沟槽栅且所述纵向沟槽栅位于相邻p柱之间的n型外延层上方，在所述纵向沟槽栅的表面设有第一金属栅电极并作为本发明sj-vdmos器件的栅极，在相邻纵向沟槽栅之间的p型外延层上设有第一p+区域及第一n+区域，在第一p+区域和第一n+区域表面设有第一金属源电极，其特征在于，在所述p型外延层内设有sio2隔离层，由所述sio2隔离层在p型外延层内隔离并形成低压pmos区，在所述低压pmos区内设置低压pmos管，所述低压pmos管包括n型区域，在n型区域一侧设有p+区域，在n型区域另一侧设有第二p+区域及第二n+区域，在第二p+区域及第二n+区域上方设有第二金属源电极并作为本发明sj-vdmos器件源极，在p+区域上方设有第二金属漏电极，在n型区域表面设有栅氧化层及横向多晶硅栅，所述横向多晶硅栅与第二金属漏电极及各第一金属源电极连接，在p型外延层表面设有层间隔离介质。

所述的一种低反向恢复电荷sj-vdmos器件，其特征在于，sio2隔离层的厚度为

所述的一种低反向恢复电荷sj-vdmos器件，其特征在于，sio2隔离层底部与n型外延层表面之间距离t应大于1μm。

所述的一种低反向恢复电荷sj-vdmos器件，其特征在于，横向多晶硅栅在n型区域表面感应出空穴反型层的阈值电压的绝对值|vthp|高于纵向沟槽栅在p型外延层表面感应出电子反型层的阈值电压vthn。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明结构可以显著降低反向恢复电荷qrr以及反向恢复电流峰值irrm。半桥拓扑电路如图4所示，其中m1和m2分别是桥臂的上、下两个开关管。当采用传统sj-vdmos作为桥臂的开关管m1和m2时，开关管在经历反向恢复过程中产生的反向恢复电荷qrr以及反向恢复电流峰值irrm较大。当采用本发明所提出的sj-vdmos器件作为桥臂的上、下两个开关管m1和m2时，在上管m1管续流阶段，续流电流在流过低压pmos区12中的低压pmos管之后，一部分以电子电流的形式流向纵向沟槽栅5在p型外延层4表面形成的电子沟道，其余部分流向由p型外延层4以及p柱6与n型外延层3构成的体二极管。此时上管m1的电流续流路径如图7所示，续流期间流经体二极管的电流明显减小。所以续流期间，p型外延层4以及p柱6向n型外延层3中注入的少数载流子总量明显减少，进而反向恢复电荷qrr明显减少，并且使得反向恢复电流峰值irrm减小。

(2)本发明结构具备良好的耐压性能。本发明通过sio2隔离层11将低压pmos区12与器件其他区域隔离开来，可以完全消除低压pmos区12的漏电对器件漂移区耐压产生的不良影响。此外本发明结构中sio2隔离层11底部与n型外延层3表面之间的距离t大于1μm，这样可以保证低压pmos区12下方的n型外延层3与p柱6及p型外延层4充分耗尽，从而保证了器件漂移区的电荷平衡。如图9所示，本发明所提出的sj-vdmos器件与传统sj-vdmos器件具备相同的耐压能力。

(3)本发明结构中低压pmos区设置的低压pmos管在续流阶段具有自开启的能力，无需额外的栅极驱动电路。低压pmos管的横向多晶硅栅20与第二金属漏电极18短接，n型区域13与第二金属源电极17短接。在半桥驱动电路上管续流状态，m2管关闭，m1管的源极电位迅速抬升并产生高于vbus的过冲电压，即第二金属源电极17的电位迅速抬升并产生高于vbus的过冲电压，第二金属源电极17的过冲电压使得n型区域13的电位高于横向多晶硅栅20，当横向多晶硅栅20与n型区域13之间的电压差达到低压pmos管阈值电压时，低压pmos管形成空穴沟道，低压pmos管自行导通。

附图说明

图1所示为传统sj-vdmos器件结构示意图。

图2所示为本发明所提出的sj-vdmos器件结构示意图。

图3(a)所示为本发明所提出的sj-vdmos器件的等效电路示意图。

图3(b)所示为本发明所提出的sj-vdmos器件正向导通阶段等效电路图。

图4所示为半桥拓扑电路示意图

图5所示为采用本发明所提出的sj-vdmos器件作为开关管的半桥拓扑结构的等效电路。

图6所示为半桥电路中开关管m1及m2的栅极驱动信号。

图7所示为上管m1管续流期间的等效电路图及续流电流路径示意图。

图8所示为本发明所提出的结构与传统结构反向恢复特性曲线对比图。

图9所示为本发明所提出的结构与传统结构耐压特性对比图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

一种低反向恢复电荷sj-vdmos器件，包括：作为漏区的n+型衬底1，n+型衬底1下表面设有第一金属漏电极2并作为本发明sj-vdmos器件漏极，在n+型衬底1上设有n型外延层3，在n型外延层3上设有p型外延层4，在所述p型外延层4内设有纵向沟槽栅5且所述纵向沟槽栅5位于相邻p柱6之间的n型外延层3上方，在所述纵向沟槽栅5的表面设有第一金属栅电极7并作为本发明sj-vdmos器件的栅极，在相邻纵向沟槽栅5之间的p型外延层4上设有第一p+区域8及第一n+区域9，在第一p+区域8和第一n+区域9表面设有第一金属源电极10，其特征在于，在所述p型外延层4内设有sio2隔离层11，由所述sio2隔离层11在p型外延层内隔离并形成低压pmos区12，在所述低压pmos区12内设置低压pmos管，所述低压pmos管包括n型区域13，在n型区域13一侧设有p+区域14，在n型区域13另一侧设有第二p+区域15及第二n+区域16，在第二p+区域15及第二n+区域16上方设有第二金属源电极17并作为本发明sj-vdmos器件源极，在p+区域14上方设有第二金属漏电极18，在n型区域13表面设有栅氧化层19及横向多晶硅栅20，所述横向多晶硅栅20与第二金属漏电极18及各第一金属源电极10连接，在p型外延层4表面设有层间隔离介质21。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明的工作原理：

当本发明所提出的sj-vdmos器件处于正向导通工作状态，第一金属栅电极7接正压，第一金属漏电极2接正压，第二金属源电极17接地。纵向沟槽栅5在p型外延层4表面形成电子沟道，第一金属漏电极2与第一金属源电极10通过电子沟道接通，此时第一金属源电极10的电位会随着第一金属漏电极2电位的抬升而抬升。低压pmos管的第二金属源电极17接地，低压pmos管的横向多晶硅栅20与第二金属漏电极18以及各第一金属源电极10短接，所以横向多晶硅栅20的电位高于第二金属源电极17的电位，此时低压pmos的沟道关闭，低压pmos管处于关闭状态。低压pmos区中的p+区域14、n型区域13以及第二n+区域16构成低压pmos管的体二极管。因低压pmos管的第二金属源电极17接地，当低压pmos管的第二金属漏电极18的电位跟随第一金属源电极10的电位抬升至0.7v以上时，低压pmos管的体二极管导通，进而本发明器件进入正向导通工作状态。本发明的n+型衬底1、n型外延层3、p柱6、p型外延层4、纵向沟槽栅5以及第一p+区域8和第一n+区域9可构成传统sj-vdmos管，并且本发明器件在p型外延层4内通过sio2隔离层11隔离出一个低压pmos区12，该低压pmos区12内设有一个低压pmos管。所以本发明所提出的sj-vdmos器件可等效视为传统sj-vdmos管与低压pmos管的串联形式，对应的等效电路示意图如图3(a)所示，其中图3(a)中传统sj-vdmos管的栅极g对应图2中的第一金属栅电极7；图3(a)中传统sj-vdmos管的漏极d对应图2中第一金属漏电极2；图3(a)中传统sj-vdmos管的源极s对应图2中的第一金属源电极10；图3(a)中低压pmos管的漏极dp对应图2中的第二金属漏电极18；图3(a)中低压pmos管的栅极gp对应图2中的横向多晶硅栅20；图3(a)中低压pmos管的源极sp及衬底电极bp对应图2中的第二金属源电极17。因此本发明所提出的sj-vdmos器件处于正向导通阶段正向导通的电流路径如图3b所示。

半桥拓扑电路如图4所示，其中m1和m2分别是桥臂的上、下两个开关管。当采用本发明所提出的sj-vdmos作为桥臂的上、下两个开关管m1和m2时，若将本发明所提出的sj-vdmos器件视为传统sj-vdmos管与低压pmos管的串接形式，此时半桥拓扑结构的等效电路如图5所示。假设m1和m2管在t0～t5阶段的栅极驱动信号如图6所示。t1时刻，m2管处于正向导通工作状态，电感电流经过m2管。t2时刻m2管关闭，m1管的第二金属源电极17的电位迅速抬升并在电感作用下产生高于vbus的过冲电压。该过冲电压使得第二金属源电极17的电位高于横向多晶硅栅20及第二金属漏电极18的电位，即在低压pmos管第二金属源电极17与横向多晶硅栅20之间产生一个负的电势差δvgs1。第一金属栅电极7与第二金属源电极17短接，并且第一金属源电极10与第二金属漏电极18短接，第一金属栅电极7与第一金属源电极10之间存在一个正的电势差δvgs2，并且δvgs2＝-δvgs1。当横向多晶硅栅20与第二金属源电极17之间电位差δvgs1达到低压pmos管的阈值电压，即满足条件|δvgs1|＞|vthp|时，低压pmos管导通。又因为横向多晶硅栅20在n型区域13表面感应出空穴反型层的阈值电压的绝对值|vthp|高于纵向沟槽栅5在p型外延层4表面感应出电子反型层的阈值电压vthn，，故此时纵向沟槽栅5在p型外延层4中形成电子沟道，第一金属漏电极2与第一金属源电极10通过电子沟道接通，即此时传统sj-vdmos管导通。所以续流电流在经过低压pmos管之后，一部分以电子电流的形式流向纵向沟槽栅5在p型外延层4表面形成的电子沟道，进而流向第一金属漏电极2，其余的续流电流流向由p型外延层4以及p柱6和n型外延层3构成的体二极管。此时上管m1的电流续流路径如图7所示，续流期间流经体二极管的电流明显减小。所以在上管m1管续流期间，p型外延层4以及p柱6向n型外延层3中的少数载流子总量明显减少，进而反向恢复电荷qrr明显减少，反向恢复电流峰值irrm减小。如图8所示，本发明所提结构相比于传统sj-vdmos结构，其反向恢复电流峰值irrm与反向恢复电荷qrr均得到明显改善。