一种碳化硅MOSFET功率器件终端结构

本发明属于碳化硅mosfet功率器件，具体涉及一种碳化硅mosfet功率器件终端结构。

背景技术：

1、碳化硅是新一代宽禁带半导体材料，碳化硅mosfet功率器件没有少子存储效应，器件开关速度快，开关损耗小，在电力电子领域被广泛应用。

2、传统的碳化硅mosfet功率器件包括n型碳化硅衬底，n型碳化硅衬底的底面形成有漏极金属，n型碳化硅衬底表面生长有n型碳化硅外延层，在n型碳化硅外延层表面形成有p型阱区，在p型阱区内侧形成有n+区和第一p+区，n+区和第一p+区相邻，上述结构构成了有源区的pn结，属于碳化硅mosfet功率器件的元胞区域，由于有源区的pn结边缘往往存在曲率，电场集中在曲率较高的区域，导致碳化硅mosfet功率器件的击穿电压低于预期值。

3、为了缓解结边缘的电场集中效应，避免提前击穿，在设计碳化硅mosfet功率器件时，就要设计终端保护结构，通常称此类技术为结终端技术。传统碳化硅mosfet功率器件主要的终端结构有场板、结终端扩展和场限环，而在碳化硅mosfet功率器件中往往会将这三种结构相结合使用。具体的，传统的碳化硅mosfet功率器件终端结构包括：在n型碳化硅外延层表面形成有结终端扩展，结终端扩展上还形成有第二p+区，结终端扩展位于p型阱区的外侧，在n型碳化硅外延层表面形成有若干个场限环，场限环位于结终端扩展的外侧，结终端扩展所处区域为终端结构的结终端扩展区域，场限环所处区域为终端结构的场限环区域。在元胞区域和结终端扩展区域交界的n型碳化硅外延层表面形成有栅极氧化层，栅极氧化层的一侧与p型阱区接触，另一侧与结终端扩展接触，在栅极氧化层上沉积有多晶硅栅极。在多晶硅栅极表面、含有结终端扩展的n型碳化硅外延层表面和含有场限环的n型碳化硅外延层表面生长有二氧化硅氧化层，在二氧化硅氧化层上沉积有源极金属，源极金属的一部分位于元胞区域，另一部分位于结终端扩展区域，源极金属位于元胞区域的一侧与n+区和第一p+区接触，源极金属位于结终端扩展区域的一侧与第二p+区接触。源极金属位于结终端扩展区域的部分充当场板的作用。

4、在上述终端结构中，n型碳化硅外延层和其上方的二氧化硅氧化层之间的界面固定电荷密度增大时，会导致场限环区域的耗尽区明显缩短，使得器件的击穿电压大幅降低。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种碳化硅mosfet功率器件终端结构，与传统碳化硅mosfet功率器件终端结构相比，场限环区域中的n型碳化硅外延层为斜面结构，斜面结构与水平面的倾角为2°～6°，斜面结构上通过离子注入形成若干个场限环。

2、本发明具体通过以下方案实现。

3、一种碳化硅mosfet功率器件终端结构，终端结构包括结终端扩展区域和场限环区域，结终端扩展区域位于碳化硅mosfet功率器件的元胞区域外侧，场限环区域位于结终端扩展区域外侧，场限环区域中含有n型碳化硅外延层的一部分，位于场限环区域中的n型碳化硅外延层表面为斜面结构，斜面结构与水平面的倾角为2°～6°，在斜面结构表面通过离子注入形成若干个场限环。

4、与传统的碳化硅mosfet功率器件终端结构相比，本发明将场限环区域中的n型碳化硅外延层设置为斜面结构，可以使得元胞区域耗尽区、结终端扩展区域耗尽区和场限环区域的耗尽区更好地拓展到后端的场限环，延长了场限环区域的耗尽区，使得元胞区域、结终端扩展区域和场限环区域的电场分布更加均匀，元胞区域、结终端扩展区域和场限环区域的耗尽区曲率降低，缓解了电场集中的现象。

5、在本发明优选的实施例中，斜面结构形成之前，结终端扩展区域和场限环区域中的n型碳化硅外延层厚度均为10μm，掺杂浓度均为1×1016cm−3。

6、在本发明优选的实施例中，斜面结构由干法刻蚀工艺或者v型切割工艺制得。斜面结构中，远离结终端扩展区域的一端的刻蚀深度为3.5μm～10μm。需要说明的是，该处的刻蚀深度对应不同的倾角，倾角越大，斜面结构中远离结终端扩展区域的一端的刻蚀深度越大。例如当倾角为2°时，斜面结构中远离结终端扩展区域的一端的刻蚀深度为3.5μm，当倾角为4°时，斜面结构中远离结终端扩展区域的一端的刻蚀深度为7μm，当倾角为6°时，斜面结构中远离结终端扩展区域的一端的刻蚀深度为10μm。

7、在本发明优选的实施例中，场限环的个数为15～25，每个场限环的环宽为2μm～3μm，相邻的两个场限环的环间距为0.5μm～2.5μm。优选的，场限环的个数为20，每个场限环的环宽为2.5μm，相邻的两个场限环的环间距为1μm。

8、在本发明优选的实施例中，结终端扩展区域中含有n型碳化硅外延层的一部分，在结终端扩展区域中的n型碳化硅外延层的表面形成有结终端扩展，结终端扩展和若干个场限环由2～3次离子注入同时形成，每次离子注入时，对结终端扩展和若干个场限环同时进行离子注入，注入元素为铝，每次注入能量为100kev～800kev，每次注入剂量为2×1013cm−2。

9、在本发明优选的实施例中，结终端扩展的长度为10μm～30μm，优选20μm。

10、在本发明优选的实施例中，结终端扩展表面形成有第二p+区，第二p+区与位于元胞区域中的第一p+区由3～4次离子注入同时形成，每次离子注入时，对第二p+区和第一p+区同时进行离子注入，注入元素为铝，每次注入能量为100kev～200kev，每次注入剂量为1×1014cm−2～3×1014cm−2。

11、在本发明优选的实施例中，在元胞区域和结终端扩展区域交界的n型碳化硅外延层表面形成有栅极氧化层，栅极氧化层的一侧与元胞区域中的p型阱区接触，另一侧与结终端扩展接触，在栅极氧化层上沉积有多晶硅栅极。

12、在本发明优选的实施例中，在多晶硅栅极表面、含有结终端扩展的n型碳化硅外延层表面和含有场限环的n型碳化硅外延层表面生长有二氧化硅氧化层，在二氧化硅氧化层上沉积有源极金属，源极金属的一部分与元胞区域中的n+区和第一p+区接触，另一部分位于结终端扩展区域并与第二p+区接触。源极金属位于结终端扩展区域的部分充当场板的作用。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、本发明提供了一种碳化硅mosfet功率器件终端结构，该终端结构中，场限环区域中的n型碳化硅外延层为斜面结构，斜面结构与水平面的倾角为2°～6°，斜面结构上形成有若干个场限环。斜面结构可以使得元胞区域耗尽区、结终端扩展区域耗尽区和场限环区域的耗尽区更好地拓展到后端的场限环，延长了场限环区域的耗尽区，使得元胞区域、结终端扩展区域和场限环区域的电场分布更加均匀，元胞区域、结终端扩展区域和场限环区域的耗尽区曲率降低，缓解了电场集中的现象，提高了碳化硅mosfet功率器件的击穿电压，减小了界面固定电荷密度增大导致击穿电压降低的幅度，使得器件的可靠性进一步提高。

技术特征：

1.一种碳化硅mosfet功率器件终端结构，所述终端结构包括结终端扩展区域（c2）和场限环区域（c3），所述结终端扩展区域（c2）位于碳化硅mosfet功率器件的元胞区域（c1）外侧，所述场限环区域（c3）位于所述结终端扩展区域（c2）外侧，所述场限环区域（c3）中含有n型碳化硅外延层（3）的一部分，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的碳化硅mosfet功率器件终端结构，其特征在于，所述斜面结构由干法刻蚀工艺或者v型切割工艺制得，所述斜面结构中，远离结终端扩展区域（c2）的一端的刻蚀深度为3.5μm～10μm。

3.根据权利要求1所述的碳化硅mosfet功率器件终端结构，其特征在于，所述场限环（11）的个数为15～25，每个场限环（11）的环宽为2μm～3μm，相邻的两个场限环（11）的环间距为0.5μm～2.5μm。

4.根据权利要求1所述的碳化硅mosfet功率器件终端结构，其特征在于，所述结终端扩展区域（c2）中含有n型碳化硅外延层（3）的一部分，在结终端扩展区域（c2）中的n型碳化硅外延层（3）的表面形成有结终端扩展（10），所述结终端扩展（10）和若干个场限环（11）由2～3次离子注入同时形成，每次离子注入时，对结终端扩展（10）和若干个场限环（11）同时进行离子注入，注入元素为铝，每次注入能量为100kev～800kev，每次注入剂量均为2×1013cm−2。

5.根据权利要求4所述的碳化硅mosfet功率器件终端结构，其特征在于，所述结终端扩展（10）的长度为10μm～30μm。

6.根据权利要求4所述的碳化硅mosfet功率器件终端结构，其特征在于，所述结终端扩展（10）表面形成有第二p+区（12），所述第二p+区（12）与位于元胞区域（c1）中的第一p+区（8）由3～4次离子注入同时形成，每次离子注入时，对第二p+区（12）和第一p+区（8）同时进行离子注入，注入元素为铝，每次注入能量为100kev～200kev，每次注入剂量为1×1014cm−2～3×1014cm−2。

7.根据权利要求6所述的碳化硅mosfet功率器件终端结构，其特征在于，在元胞区域（c1）和结终端扩展区域（c2）交界的n型碳化硅外延层（3）表面形成有栅极氧化层，栅极氧化层的一侧与元胞区域（c1）中的p型阱区（9）接触，栅极氧化层的另一侧与结终端扩展（10）接触，在栅极氧化层上沉积有多晶硅栅极（6）。

8.根据权利要求7所述的碳化硅mosfet功率器件终端结构，其特征在于，在多晶硅栅极（6）表面、含有结终端扩展（10）的n型碳化硅外延层（3）表面和含有场限环（11）的n型碳化硅外延层（3）表面生长有二氧化硅氧化层（4），在二氧化硅氧化层（4）上沉积有源极金属（5），源极金属（5）的一部分与元胞区域（c1）中的n+区（7）和第一p+区（8）接触，另一部分位于结终端扩展区域（c2）并与第二p+区（12）接触。

9.根据权利要求1所述的碳化硅mosfet功率器件终端结构，其特征在于，斜面结构形成之前，结终端扩展区域（c2）和场限环区域（c3）中的n型碳化硅外延层（3）厚度均为10μm，掺杂浓度均为1×1016cm−3。

技术总结本发明属于碳化硅MOSFET功率器件技术领域，具体涉及一种碳化硅MOSFET功率器件终端结构，位于场限环区域中的N型碳化硅外延层表面为斜面结构，斜面结构与水平面的倾角为2°～6°，在斜面结构表面通过离子注入形成若干个场限环。本发明终端结构可以使得元胞区域耗尽区、结终端扩展区域耗尽区和场限环区域的耗尽区更好地拓展到后端的场限环，延长了场限环区域的耗尽区，使得元胞区域、结终端扩展区域和场限环区域的电场分布更加均匀，缓解了电场集中的现象，提高了碳化硅MOSFET功率器件的击穿电压，并且减小了界面固定电荷密度增大导致击穿电压降低的幅度，使得器件的可靠性进一步提高。技术研发人员：崔潆心,陆子成,韩吉胜,徐现刚受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14