【专利解密】捷捷微电发明新型MOSFET方案以提高终端耐压能力

【嘉勤点评】捷捷微电发明的新型沟槽栅MOSFET结构方案，在不需要增加终端的宽度的前提下提高了终端耐压能力，因此能够增大元胞区的有效面积，进而可减小器件的导通电阻，降低器件的导通损耗。

在功率半导体器件领域，现有的沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）通常采用沟槽结构作为终端设备的保护区。

如上图所示，传统结构的终端保护区在第一导电类型漂移区2上设有栅沟槽20，该装置利用多个栅沟槽20的分压作用，来改善芯片外围的局部电场集中效应，从而提升芯片的击穿电压及可靠性。

虽然沟槽结构能够有效提高终端耐压，但对于中压120V～150V的沟槽MOSFET器件来说，想进一步提高耐压，需增加沟槽的数量，但这样却不利于降低导通电阻。若不增加沟槽数量，当击穿电压达到120V以上时，会出现的明显的终端耐压较弱的现象，导致雪崩能力差，可靠性下降等问题。

为解决这些问题，捷捷微电在2020年12月29日申请了一项名为“一种沟槽MOSFET器件的终端结构及制造方法”的发明专利（申请号：202011598537.4），申请人为江苏捷捷微电子股份有限公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中发明的沟槽栅MOSFET的终端保护区剖面结构示意图，该半导体基板包括N型衬底1和位于其上的N型飘移区2。这种结构的特征在于，N型飘移区内设置有元胞区邻接的过渡区沟槽3和截止沟槽4，这两个沟槽通过缓变结P型阱区5相连接，阱区呈梯度设置且深度逐渐减小，而在阱区的表面，覆盖有绝缘介质6和有源极金属7。

此外，在过渡区沟槽内设有栅氧化层8和栅极导电多晶硅9，截止沟槽内设有截止氧化层10、截止多晶硅11和截止环金属12，截止环金属穿过绝缘介质与N型漂移区接触。在N型漂移区内，安置有P型体区13，其也与源极金属相接触。

对于这种沟槽MOSFET器件的制作，该专利中也公布了一种制作方法，具体如下：

首先，该方案基于包含有N型漂移区的半导体基板上实现，该基板结构如上图所示，上表面为第一主面001，下表面为半导体基板的第二主面002。对于第一主面，需要在其上淀积氧化层，通过对氧化层的刻蚀来形成图形化的掩蔽窗口。

其次，对N型漂移区进行刻蚀，得到过渡区沟槽和截止沟槽，并去除图形化的掩蔽窗口，在过渡区沟槽和截止沟槽内热生长氧化层，在氧化层上继续淀积多晶硅。当得到多晶硅后，继续对氧化层进行刻蚀，去除掉第一主面上的氧化层和多晶硅，得到位于过渡区沟槽内的栅氧化层和栅极导电多晶硅，同时得到位于截止沟槽内的截止氧化层和截止多晶硅。

之后，再次形成图形化掩蔽窗口，在其遮挡下对第一主面注入P型离子，如上图所示，将P型离子激活并扩散连成一片，在N型漂移区内形成位于终端保护区的缓变结P型阱区5和位于元胞区的P型体区13，然后去除图形化掩蔽窗口。

最后，对第一主面注入N型离子并退火，得到位于P型体区的N型源区14，并在绝缘介质和金属接触孔内淀积金属，通过刻蚀操作得到源极金属和截止环金属。

通过这样的设计，将宽度逐渐减小的图形化掩蔽窗口二作为注入遮挡，进行注入并推阱，使得所有注入区域相互连成一片，形成一个深度呈一定梯度变化的缓变结P型阱区。当器件反向偏置时，由于缓变结P型阱区的深度呈一定梯度变化，使得终端区的缓变结P型阱区几乎完全被耗尽，从而大大提升了器件终端的耐压能力，进而增强了器件的雪崩能力。

以上就是捷捷微电发明的新型沟槽栅MOSFET结构方案，该方案在不需要增加终端的宽度的前提下提高了终端耐压能力，因此能够增大元胞区的有效面积，进而可减小器件的导通电阻，降低器件的导通损耗。

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