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Структура и способ производства UMOSFET
5/22/2023 1:47:42 PM
Technischer Bereich
Die Erfindung betrifft das Halbleitertechnische Feld, insbesondere eine Hochspannungs-UMOSFET-Struktur.
Hintergrundtechnik
Breites Band-Gap-Halbleiter-Siliziumkarbid (SiC) ist aufgrund seiner großen Bandspaltbreite, der hohen Wärmeleitfähigkeit, des hohen kritischen Durchbruchs elektrischen Feldes, der hohen Elektronensättigungsgeschwindigkeit und der starken Antistrahlungsfähigkeit zu einem Schlüsselmaterial in der Studie von Hochleistungsgeräten geworden. Gleichzeitig wird die Schwierigkeit der Produktion und Herstellung stark reduziert, da das Siliziumkarbid-Material eine starke Kompatibilität mit dem Silizium-integrierten Schaltungsprozess aufweist. Gegenwärtig wurde die Forschung und Produktion von Siliziumkarbid-Stromgeräten im Ausland durchgeführt, und die Anwendungsvorteile von Siliziumkarbid-Stromgeräten in Schiffen, Satelliten, Waffen, Kommunikationen, Automobilen, militärischen und zivilen Anwendungen sind mit einigen traditionellen Materialstromgeräten unvergleichlich.
4H-SiC kann ein Kandidat-Halbleitermaterial für Anwendungen in speziellen Umgebungen wie Hochfrequenz, Hochtemperatur, Strahlenbeständigkeit und Hochspannung und hohe Leistung werden, was seine einzigartigen Vorteile hat, hauptsächlich in den folgenden Punkten:
(1) Große Bandspaltbreite: Große Bandspaltbreite ist der Hauptgrund, warum SiC-Halbleitermaterialien das bevorzugte Material in Umgebungen mit hoher Temperaturbeständigkeit und Strahlenbeständigkeit werden können. Der große Bandspalt macht die intrinsische Trägerkonzentration des Materials sehr niedrig und reduziert auch die intrinsische Anregung der Träger im Inneren des Halbleiters. Theoretisch können SiC-Halbleitermaterialien normal bei 1000° C arbeiten. Selbst in der speziellen Umgebung wie hoher Temperatur und hoher Strahlung hat das Gerät nicht zu viele intrinsische Träger, die den Einfluss intrinsischer Träger auf die Geräteeigenschaften reduzieren können, so dass das Gerät stabiler arbeiten kann.
(2) Hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit: In der Hochfrequenzanwendungsumgebung ist die charakteristische Frequenz des Geräts umgekehrt proportional zur Elektronendurchgangszeit, und die Elektronensättigungsgeschwindigkeit steht direkt in Beziehung zu den Frequenzeigenschaften der Hochfrequenzanlage. Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, dass die Elektronensättigungsgeschwindigkeit von SiC 2,0×107cm/s beträgt, was doppelt so hoch ist wie bei Si-Materialien. Eine solche hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit macht SiC-basierte Geräte weit verbreitet in elektronischen Hochgeschwindigkeitsgeräten und Hochfrequenzgeräteumgebungen verwendet.
(3) Elektrisches Feld mit hohem kritischem Durchschlag: Das elektrische Feld mit kritischem Durchschlag ist ein sehr wichtiger Parameter, der den Spannungswiderstand von Leistungshalbleiterbauelementen beeinflusst. Das kritische elektrische Feld der SiC-Halbleitermaterialien ist relativ groß, etwa 3MV/cm, das 8-10-mal so groß ist wie GaAs und Si-Materialien. Unter den gleichen Spannungsbedingungen, verglichen mit dem charakteristischen On-Widerstand der Si-basierten Vorrichtung, ist die Kennlinie On-Widerstand der sic-basierten Vorrichtung nur 1\200,1\100 der Kennlinie On-Widerstand der Si-basierten Vorrichtung, und der Ein-Verlust der Vorrichtung wird erheblich reduziert. In ähnlicher Weise beträgt die Durchschlagsspannung von SIC-basierten Geräten bei gleicher Kennlinie das 10- bis 20-fache der von Si-basierten Geräten.
(4) Hohe Wärmeleitfähigkeit: Hohe Wärmeleitfähigkeit macht SiC-basierte Leistungsgeräte weit verbreitet in Hochtemperatur- und Hochleistungsumgebungen zu einem weiteren sehr wichtigen Faktor. Hohe Wärmeleitfähigkeit bedeutet, dass es eine hohe Wärmeableitungseffizienz hat, die zur schnellen Ableitung der durch das Leistungsgerät im Betriebszustand erzeugten Wärme förderlich ist, so dass das Gerät wegen hoher Temperatur nicht versagt.
Das chinesische Patent CN111799333A offenbart eine UMOSFET-Struktur mit einer elektrischen Feldmodulationsregion, einschließlich eines N+-Substrats, einer N-Drift-Region, einer Stromausbreitungsschicht und einer P-Körperregion, die sukzessive von unten nach oben angeordnet sind. Die P-Körperregion ist mit einer N+-Quellregion und einer P+-Quellregion versehen. Es enthält auch eine Nut, die durch den N+-Quellbereich, den P-Körperbereich und die aktuelle Expansionsschicht verläuft, und der Boden der Nut befindet sich im N-Drift-Bereich; Eine P+-Abschirmschicht ist unter dem Graben angeordnet, die Innenwand des Grabens ist mit einem Gitteroxidfilm versehen, und der Gitteroxidfilm ist mit einem Gitter versehen; Eine elektrische Feldmodulationsregion ist unterhalb der P-Körperregion angeordnet, und die elektrische Feldmodulationsregion verläuft durch die Stromausbreitungsschicht, und der Boden der elektrischen Feldmodulationsregion befindet sich in der N-Drift-Region; Es gibt eine Lücke zwischen dem Feld Modulationsbereich und der Nut; Die elektrische Feldmodulationsregion umfasst eine N-Typ-Region, die mit einer P-Typ-Region eingebettet ist. Der Nachteil des Patents ist, dass es das Problem des übermäßigen Netzsauerstoffelektrikfeldes nicht löst und die langfristige Zuverlässigkeit des Geräts nicht in maximalem Umfang gewährleistet.
Inhalt der Erfindung
Der Hauptzweck der Erfindung besteht darin, eine UMOSFET-Struktur unter Verwendung von Hochvolt-4H-SiC-Halbleitermaterial bereitzustellen, um das Problem des Geräteausfalls und des übermäßigen Einschaltwiderstands zu lösen, der durch in der vorliegenden Technologie vorhandenes Sauerstofffeld mit hohem Gate verursacht wird, und gleichzeitig kann es auch die Durchschlagsspannung der Vorrichtung verbessern, die Stabilität der Vorrichtung verbessern, und erreichen den Zweck der Optimierung der Leistung des Geräts. Damit es besser in Hochleistungshalbleiterbauelementen eingesetzt werden kann.
Zur Realisierung des obigen Zwecks sieht die Erfindung das folgende Schema vor: Die Erfindung stellt eine UMOSFET-Struktur unter Verwendung eines Hochvolt-4H-SiC-Halbleitermaterials bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Drain umfasst, der sukzessive von unten nach unten angeordnet ist, ein N+-Substrat, einen ersten n-Drift-Bereich, eine p/n wechselnde Pufferschicht, einen zweiten n-Drift-Bereich und einen Graben. Die Innenwand des Grabens ist mit einem Gitteroxidfilm versehen, der Gitteroxidfilm ist mit einem Gitter versehen, beide Seiten des Gitters sind mit N+-Quellregion, P-Körperregion, P+-Quellregion, der N+-Quellregion versehen, P+-Quellregion ist mit einer Quelle auf der Oberfläche des N+-Quellbereichs, P+-Quellregion, die Nut durch den N+-Quellbereich, P-Körperregion versehen, Der Boden der Nut befindet sich im zweiten n-Drift-Bereich; Eine abgestufte Gate-pn-Verbindung, die aus P-Typ-Polysilicium und N-Typ-Polysilicium besteht, die mit einer Gate-Oxidfolie beschichtet ist, ist unterhalb des Tores angeordnet; Die p/n wechselnde Pufferschicht ist mit P-Typ Polysilicium und N-Typ Polysilicium nacheinander angeordnet; Die N-Typ Dotierungsschicht ist zwischen der Nut und der p/n wechselnden Pufferschicht angeordnet, und die p+ Gate Sauerstoffschutzzone ist innerhalb der N-Typ Dotierungsschicht angeordnet, und die P+ Gate Sauerstoffschutzzone kontaktiert den Gate Oxid Film an der Unterseite der Nut.
Vorzugsweise überschreitet die Eindringtiefe des p+ Gate Sauerstoffschutzes nicht die untere Tiefe der N-Typ Dotierungsverkapselung.
Vorzugsweise ist die Gitternuttiefe größer als 2μm.
Vorzugsweise beträgt die Dotierungskonzentration in der p/n Pufferschicht 3×10
Vorzugsweise ist die p/n Pufferschichtdicke größer als 0,8μm.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen der p/n Pufferschicht und dem Tankboden 1,0-1,5μm.
Ein Verfahren zur Herstellung eines UMOSFET unter Verwendung eines Hochvolt-4H-SiC-Halbleitermaterials umfasst die folgenden Schritte:
Schritt 1: Zuerst wird eine Schicht der N-Typ 4H-SiC unteren Driftschicht auf dem N-Typ 4H-SiC Substrat gewachsen, und dann wird eine Schicht der N-Typ 4H-SiC Pufferschicht auf der N-Typ 4H-SiC unteren Driftschicht gewachsen.
Schritt 2: Eine lithographische Maskenplatte wird in die untere Driftschicht von N-Typ 4H-SiC gelegt, und die Maskenplatte wird geätzt und perforiert, um einen P-Typ 4H-SiC-Puffer durch Ionenimplantation zu bilden und eine p/N-Typ abwechselnde Pufferschicht zu bilden;
Schritt 3: Die Maskenplatte, die auf der N-Typ 4H-SiC unteren Driftschicht gebildet wird, wird entfernt, die N-Typ 4H-SiC obere Driftschicht wird epitaxisch auf der p/N-Typ abwechselnden Pufferschicht gewachsen, und eine Schicht N-Typ SiC wird auf dem 4H-SiC Substrat angebaut. Die Konzentration des gewachsenen N-Typs SiC ist höher als die Konzentration der Gerätedriftregion. Die Maskenbehandlung wird auf beiden Seiten des N-Typ SiC durchgeführt, und die N-Typ Dopingregion wird durch Ionenimplantation gebildet. angrenzend an eine alternative Pufferschicht vom Typ p/n;
Schritt 4: Entfernen Sie die Maskenplatte, fahren Sie fort, N-Typ SiC zu epitaxieren, die Konzentration ist mit dem Driftbereich konsistent, und dann weiter P-Typ SiC zu wachsen, die Konzentration ist die P-Typ Basisregion;
Schritt 5: Führen Sie Ionenimplantation durch, um den p+-Bereich am Rand der P-Typ-Basisregion zu bilden, und führen Sie dann Ionenimplantation an der Struktur durch, die in Schritt 4 gebildet wird, um den n+-Bereich zu bilden, der die Quellregion und den Kanal verbindet;
Schritt 6: Graben Sie für die Ätzbehandlung zuerst einen schmalen Schlitz in der mittleren Linie des Geräts mit einer tieferen Tiefe, und graben Sie dann einen breiten Schlitz in der mittleren Linie mit einer flacheren Tiefe, um die erste und zweite Treppe zu bilden;
Schritt 7: Ionenimplantation wird an der geformten Nut durchgeführt, um eine p+-Gate-Sauerstoffschutzzone zu bilden, die eine Tiefe bildet, die den Boden der N-Typ-Region nicht überschreitet, um den unteren Diffusionsbereich der nw-Region zu bilden;
Schritt 8: Eine Schicht N-Typ Polysilicium wird im Gitter abgeschieden, und dann wird eine Schicht P-Typ Polysilicium abgeschieden, und Gate Sauerstoff wird auf der Oberfläche des Gitters gezüchtet, um pn-Verbindung im Gitter zu bilden;
Schritt 9: Füllen Sie Polysilicium und machen Sie Tor; Gleichzeitig wird Metall verwendet, um die Quell- und Drainelektrode herzustellen und schließlich ein UMOSFET unter Verwendung eines Hochvolt-4H-SiC-Halbleitermaterials zu bilden.
2023-05-22
