一种碳化硅功率器件及开关元件

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种碳化硅功率器件及开关元件。

背景技术

碳化硅(SiC)是新型宽禁带半导体材料，具有出色的物理、化学和电性能，碳化硅(SiC)具有宽禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，在大功率和高温应用环境中非常具有吸引力和应用前景。

传统的碳化硅MOSFET，在其元胞结构中除MOS结构外仍寄生了一个体内PN二极管。为了抑制碳化硅MOSFET中PN二极管的开启，较为有效的办法是采用肖特基二极管（SBD）与MOSFET反并联使用，作为其续流二极管；但是由于PN二极管两端压降的影响，肖特基二极管的电流能力受到限制，进而影响碳化硅MOSFET的整体性能。

发明内容

本发明提供了一种碳化硅功率器件及开关元件，能够有效降低PN二极管两端的压降，提高肖特基二极管的电流能力。

根据本发明的一方面，提供了一种碳化硅功率器件，所述碳化硅功率器件至少包括一个元胞，其特征在于，

所述元胞包括衬底，所述衬底包括相对设置的第一表面和第二表面；

外延层，所述外延层位于所述衬底的所述第一表面，所述外延层包括漂移区、位于所述元胞两侧且在所述漂移区表面内的体区、位于所述体区表面内的源区以及围绕所述体区设置的结型场效应晶体管区；

所述碳化硅功率器件还包括肖特基区域，所述肖特基区域位于相邻所述元胞之间，所述肖特基区域包括位于所述外延层远离所述衬底一侧的肖特基金属层，所述肖特基金属层与所述漂移区形成肖特基接触；

所述外延层还包括绝缘层，所述绝缘层包括第一绝缘分部，所述第一绝缘分部至少部分覆盖所述体区靠近所述衬底一侧的底面。

可选的，所述体区包括远离所述结型场效应晶体管区的第一侧壁，所述绝缘层包括第二绝缘分部，所述第二绝缘分部至少部分覆盖所述第一侧壁。

可选的，所述第一绝缘分部包括多个第一绝缘子分部，相邻所述第一绝缘子分部间隔设置；

和/或，所述第二绝缘分部包括多个第二绝缘子分部，相邻所述第二绝缘子分部间隔设置。

可选的，所述第一绝缘分部和所述第二绝缘分部为一体式结构。

可选的，沿所述碳化硅功率器件的厚度方向，所述肖特基金属层与所述第二绝缘分部存在至少部分交叠。

可选的，所述肖特基金属层与所述第二绝缘分部存在至少部分接触。

可选的，所述绝缘层的组成材料包括二氧化硅、氮化硅和氧化铝中的至少一种。

可选的，所述碳化硅功率器件还包括漏极，所述漏极覆盖所述衬底的所述第二表面。

可选的，所述碳化硅功率器件还包括栅介质层和栅极，所述栅介质层位于所述外延层远离所述衬底一侧的表面，所述栅极位于所述栅介质层远离所述衬底一侧的表面；

所述栅介质层覆盖所述体区的部分、所述源区的部分和所述结型场效应晶体管区。

根据本发明的另一方面，提供了一种开关器件，包括上述实施例中任一项所述的碳化硅功率器件。

本发明实施例的技术方案，通过在碳化硅功率器件的外延层中设置绝缘层，绝缘层包括第一绝缘分部，第一绝缘分部至少部分覆盖体区靠近衬底一侧的底面。同时碳化硅功率器件中设置有肖特基区域，肖特基区域中位于外延层远离衬底一侧的肖特基金属层，肖特基金属层与漂移区形成肖特基接触，进而形成肖特基二极管，为保证肖特基二极管的电流能力利用绝缘层阻隔碳化硅功率器件中寄生PN二极管的导通路径，使得在正常工作状态下，能够有效降低PN二极管两端的压降，同时可以部分阻隔PN二极管的导通路径，提高肖特基二极管的电流能力，保证碳化硅功率器件的整体性能。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种碳化硅功率器件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的一种碳化硅功率器件的结构示意图，图2为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图，如图1和图2所示，碳化硅功率器件100至少包括一个元胞101，元胞101包括衬底102，衬底102包括相对设置的第一表面1021和第二表面1022；外延层103，外延层103位于衬底102的第一表面1021，外延层103包括漂移区104、位于元胞101两侧且在漂移区104表面内的体区105、位于体区105表面内的源区106以及围绕体区105设置的结型场效应晶体管区107；碳化硅功率器件100还包括肖特基区域108，肖特基区域108位于相邻元胞101之间，肖特基区域108包括位于外延层103远离衬底102一侧的肖特基金属层109，肖特基金属层109与漂移区104形成肖特基接触；外延层103还包括绝缘层110，绝缘层110包括第一绝缘分部111，第一绝缘分部111至少部分覆盖体区105靠近衬底102一侧的底面1051。

其中，碳化硅功率器件100至少包括一个元胞101，示例性的，图1中示例性的以碳化硅功率器件100包括两个元胞101为例进行展示，碳化硅功率器件100包括衬底102和外延层103，衬底102包括相对设置的第一表面1021和第二表面1022，外延层103位于衬底102的第一表面1021，外延层103包括漂移区104、位于元胞101两侧且在漂移区104表面内的体区105、位于体区105表面内的源区106以及围绕体区105设置的结型场效应晶体管区107；示例性的衬底102可以为第一导电类型半导体的碳化硅衬底102，漂移区104可以为第一导电类型半导体的漂移区104，体区105可以为第二导电类型半导体的体区105，源区106为第一导电类型半导体的源区106，此时第一导电类型半导体为N形半导体，第二导电类型半导体为P形半导体。围绕体区105设置的结型场效应晶体管区107为外延层103中的一部分，或者是对外延层103进行离子注入形成。由与现有技术中的碳化硅功率器件100中通常存在反向寄生PN二极管，寄生PN二极管开启容易造成碳化硅功率器件100的双极退化，影响器件的可靠性，通常在碳化硅功率器件100中反向并联肖特基二极管，以防止寄生PN二极管导通，因此在碳化硅功率器件100还包括肖特基区域108，肖特基区域108位于相邻元胞101之间，肖特基区域108包括位于外延层103远离衬底102一侧的肖特基金属层109，肖特基金属层109与漂移区104形成肖特基接触，进而形成肖特基二极管，肖特基二极管与寄生PN二极管并联，肖特基二极管的电流能力取决于主要取决于肖特基接触总面积以及与其并联的寄生PN二极管两端压降，当肖特基二极管电流在与寄生PN二极管并联的路径上产生的压降大于寄生PN二极管开启电压后，寄生PN结二极管就会导通，而寄生PN二极管两端压降主要受结型场效应晶体管区107、漂移区104和体区105的电阻影响。然而要提高肖特基二极管电流能力，需要尽量增大肖特基面积、提高结型场效应晶体管区107宽度或掺杂浓度、提高漂移区104和体区105的掺杂浓度。但是，增大肖特基面积需要牺牲碳化硅功率器件100的面积，增大碳化硅功率器件100的导通电阻；而提高结型场效应晶体管区107的掺杂浓度或宽度、提高漂移区104和体区105的掺杂浓度受电场强度、击穿电压的限制，无法过低的降低寄生PN二极管两端压降。为有效降低寄生PN二极管两端压降，在外延层103中设置绝缘层110，绝缘层110能够起到一定的阻隔作用，能够有效阻隔寄生PN二极管的导通路径，绝缘层可以设置成单层也可以设置成多层，具体根据实际设计需求进行选择，同时绝缘层的组成材料可以为可应用于碳化硅功率器件中的任一种材料或者多种材料，具体可以根据实际设计需求进行选择，本发明实施例不做具体限定。示例性的，如图1所示，绝缘层110包括第一绝缘分部111，第一绝缘分部111完全覆盖体区105靠近衬底102一侧的底面1051，阻隔底面1051上的寄生PN二极管的导通路径，或者如图2所示，绝缘层110包括多个间隔设置的第一绝缘分部111，第一绝缘分部111部分覆盖体区105靠近衬底102一侧的底面1051，使得底面1051上仅存在部分寄生PN二极管，使得在碳化硅功率器件100发生大电流或者浪涌电流时，寄存PN二极管导通能够起到抵抗浪涌电流的能力。同时绝缘层110的存在能够有效降低寄生PN二极管两端压降，阻隔肖特基二极管和寄生PN二极管的导通路径，进而提高肖特基二极管的电流能力，保证碳化硅功率器件100的性能，同时能够节约碳化硅功率器件100的面积和制备成本。

可选的，图3为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图，图4为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图，如图3和图4所示，体区105包括远离结型场效应晶体管区107的第一侧壁1052，绝缘层110包括第二绝缘分部112，第二绝缘分部112至少部分覆盖第一侧壁1052。

其中，示例性的，在体区105远离结型场效应晶体管区107的第一侧壁1052上覆盖第二绝缘分部112，如图3所示，第二绝缘分部112可以完全覆盖第一侧壁1052，或者如图4所示，绝缘层110包括多个间隔设置的第二绝缘分部112，第二绝缘分部112部分覆盖第一侧壁1052，同时能够有效降低在底部和第一侧壁1052上产生的寄生PN二极管的导通路径，进一步保证碳化硅功率器件100的性能。

可选的，图5为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图，如图5所示，第一绝缘分部111包括多个第一绝缘子分部1111，相邻第一绝缘子分部1111间隔设置；和/或，第二绝缘分部112包括多个第二绝缘子分部1121，相邻第二绝缘子分部1121间隔设置。

其中，示例性的，如图4所示，第一绝缘分部111包括多个第一绝缘子分部1111，相邻第一绝缘子分部1111间隔设置在底面1051，第二绝缘分部112包括多个第二绝缘子分部1121，相邻第二绝缘子分部1121间隔设置在第一侧壁1052；如图3所示，第一绝缘分部111包括多个第一绝缘子分部1111，相邻第一绝缘子分部1111间隔设置在底面1051，第二绝缘分部112包括一个第二绝缘子分部1121，第二绝缘子分部1121整层设置在第一侧壁1052；如图5所示，第一绝缘分部111包括一个第一绝缘子分部1111，第一绝缘子分部1111整层设置在底面1051，第二绝缘分部112包括多个第二绝缘子分部1121，第二绝缘子分部1121间隔设置在第一侧壁1052；上述方式均能有效隔离肖特基二极管的电流路径和PN结二极管的电流路径，降低寄生PN二极管两端压降以及阻隔PN的导通路径，从而提高肖特基二极管的电流能力。

可选的，图6为本发明实施例提供的另一种碳化硅功率器件的结构示意图，如图6所示，第一绝缘分部111和第二绝缘分部112为一体式结构。体区105的底部和第一侧壁1052完全覆盖绝缘层110，使得第一绝缘分部111和第二绝缘分部112连接设置，能够进一步降低寄生PN二极管两端压降以及完全阻隔寄生PN二极管的导通路径，保证碳化硅功率器件100的性能，同时降低绝缘层110的制备难度。

可选的，继续参考图3、图4和图5，沿碳化硅功率器件100的厚度方向，肖特基金属层109与第二绝缘分部112存在至少部分交叠。

其中，肖特基金属层109的组成材料可以包括钛、镍、钼、金和铂等金属材料，具体材料的选择可以根据实际设计需求进行选择，本发明实施例不做具体限定。肖特基金属层109与外延层103中的漂移区104存在肖特基接触形成肖特基二极管，肖特基金属层109分别延伸至相邻元胞101中的体区105中，保证肖特基金属层109与漂移区104的接触面积，进而保证肖特基二极管的导通效果，提高器件的关断速度。当体区105远离结型场效应晶体管区107的第一侧壁1052覆盖有第二绝缘层110分部时，由于至少部分肖特基金属层109延伸至相邻元胞101的体区105中，沿碳化硅功率器件100的厚度方向，肖特基金属层109与第二绝缘分部112存在至少部分交叠，此时肖特基金属层109可以与第二绝缘分部112接触或者不接触，具体可以根据第二绝缘分部112的实际覆盖范围进行选择。

可选的，继续参考图3和图6，肖特基金属层109与第二绝缘分部112存在至少部分接触。

其中，当第二绝缘层110分部完全覆盖体区105远离结型场效应晶体管区107的第一侧壁1052，部分肖特基金属层109与漂移区104存在肖特基接触，部分肖特基金属层109延伸至体区105，此时位于第一侧壁1052的第二绝缘分部112与肖特基金属层109存在接触，可以隔离肖特基二极管与寄生PN二极管之间的并联路径，同时阻隔寄生PN二极管在第一侧壁1052上的导通路径，保证肖特基二极管的电流能力，进而保证碳化硅功率器件100的性能。

可选的，继续参考图1，示例性的，绝缘层110的组成材料可以包括二氧化硅、氮化硅或氧化铝。绝缘层110的组成材料也可以为应用于碳化硅功率器件中的其他绝缘材料，绝缘层110的具体组成材料可以根据实际设计需求进行选择，本发明实施例不做具体限定。绝缘层110起到一定的阻隔作用，能够有效阻隔寄生PN二极管的导通路径，避免在正常工作过程中，寄生PN二极管的导通影响碳化硅功率器件100的正常使用效果。可选的，继续参考图1，碳化硅功率器件100还包括漏极113，漏极113覆盖衬底102的第二表面1022。其中，漏极113可以为铜、铝、镍、钛等金属，具体类型可以根据实际需求进行选择。

可选的，继续参考图1，碳化硅功率器件100还包括栅介质层114和栅极115，栅介质层114位于外延层103远离衬底102一侧的表面，栅极115位于栅介质层114远离衬底102一侧的表面；栅介质层114覆盖体区105的部分、源区106的部分和结型场效应晶体管区107。

其中，栅极115位于栅介质层114远离衬底102一侧，栅极115的宽度可以小于或者等于栅介质层的宽度，栅极115可以为N型或者P型掺杂的多晶硅，也可以为镍、钨等金属，也可以为氮化钛等化合物。示例性的图中以栅极115的宽度与栅介质层114的宽度相同为例进行展示，具体可以根据实际设计需求进行选择。

本发明实施例还提供了一种开关器件，该开关器件包括上述技术方案任意所述的碳化硅功率器件，因此具有上述碳化硅功率器件的有益效果，在此不再赘述。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。