本發(fā)明涉及一種鰭形結(jié)構(gòu)的金屬-氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（mosfet）及其制造方法，屬于半導(dǎo)體器件。

背景技術(shù)：

1、碳化硅（sic）以其卓越的物理和化學(xué)穩(wěn)定性而著稱，展現(xiàn)出超越常規(guī)材料的性能。sic的禁帶寬度大約是硅的三倍，其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高出硅一個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著在高壓應(yīng)用中它能提供更高的可靠性和效率。此外，sic在2000℃的高溫下仍能保持良好的導(dǎo)電性，這使它成為高溫環(huán)境下理想的半導(dǎo)體材料。

2、在眾多sic晶型中，最常見(jiàn)的包括3c-sic、4h-sic、6h-sic以及15r-sic等。4h-sic因其高電子遷移率、低導(dǎo)通電阻和高電流密度，成為電力電子器件的理想選擇。事實(shí)上，4h-sic不僅是目前性能最優(yōu)秀、商品化程度最高、技術(shù)最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，也是高壓、高溫、抗輻照環(huán)境下功率半導(dǎo)體器件制造的首選材料。

3、碳化硅（sic）mosfet作為開(kāi)關(guān)器件目前是電動(dòng)汽車(chē)（ev）的核心，位于逆變器和轉(zhuǎn)換器內(nèi)部，為電動(dòng)汽車(chē)的性能和長(zhǎng)期可靠性做出了重要貢獻(xiàn)，推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。由于sic?mosfet具有取代現(xiàn)有的硅超級(jí)結(jié)晶體管和集成柵雙極晶體管技術(shù)的潛力，因此受到了特別的關(guān)注。2010年以來(lái)碳化硅功率mosfet市場(chǎng)顯著擴(kuò)大，現(xiàn)在每年超過(guò)2億美元。尤其是隨著sic在汽車(chē)、光伏、鐵路等多個(gè)市場(chǎng)取代硅技術(shù)，許多新的參與者已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，有望實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的復(fù)合年增長(zhǎng)率。市場(chǎng)上目前主要的高功率碳化硅mosfet以垂直橫向擴(kuò)散mosfet為主，各大器件廠商擁有較為成熟的平面mosfet技術(shù)。

4、圖15所示為傳統(tǒng)的平面mosfet結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底116、n型半導(dǎo)體外延層117、p型半導(dǎo)體區(qū)118、高摻雜濃度p型半導(dǎo)體區(qū)119、高摻雜濃度n型半導(dǎo)體區(qū)120、柵極氧化層108、多晶硅柵電極121、氧化物介質(zhì)層122、第二金屬化層112、第一金屬化層111。柵極氧化層108氧化工藝形成，通過(guò)控制多晶硅柵電極121，在p型半導(dǎo)體區(qū)118區(qū)內(nèi)靠近柵極氧化層108形成反型層導(dǎo)電溝道，溝道連接高摻雜濃度n型半導(dǎo)體區(qū)120和n型半導(dǎo)體外延層117。碳化硅材料可以通過(guò)熱氧化工藝在表面生長(zhǎng)氧化層，因此sic?mosfet可基本沿用硅基功率mosfet的制備工藝。然而由于p型半導(dǎo)體區(qū)118/柵極氧化層108界面處（即sic/sio2界面處）存在大量的陷阱電荷和界面電荷，使得sic?mosfet的溝道遷移率較低，進(jìn)而使器件的導(dǎo)通電阻增加。

5、另外，碳化硅mosfet在應(yīng)用中還存在體二極管的雙極退化效應(yīng)。在體二極管正向?qū)〞r(shí)，碳化硅晶體上早先存在的微觀缺陷基面位錯(cuò)（bpd）觸發(fā)，電子與空穴的復(fù)合所釋放出的能量導(dǎo)致堆垛層錯(cuò)在bpd處蔓延。該堆垛層錯(cuò)將蔓延至芯片的表面，然后停止蔓延。內(nèi)部擁有擴(kuò)大的疊層缺陷的區(qū)域表現(xiàn)出更大的電阻，因而流經(jīng)它的電流減小。這種雙極退化效應(yīng)導(dǎo)致晶體管的性能退化。為避免這種情況的發(fā)生，通常采用嵌入肖特基二極管的方式。但是現(xiàn)有的嵌入肖特基二極管的方式都會(huì)不可避地增加器件的尺寸，從而導(dǎo)致器件成本的上升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種鰭形結(jié)構(gòu)的金屬-氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法，能夠大幅度減少器件的導(dǎo)通電阻，且在不增加器件尺寸的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了嵌入肖特基二極管，避免了雙極退化效應(yīng)。

2、本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種鰭形結(jié)構(gòu)的金屬-氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管，自下而上依次包括n型第一半導(dǎo)體層、n型第二半導(dǎo)體層和n型第三半導(dǎo)體層，所述n型第三半導(dǎo)體層上表面通過(guò)離子注入形成p型第四半導(dǎo)體區(qū)，在p型第四半導(dǎo)體區(qū)上表面通過(guò)離子注入n型第五半導(dǎo)體區(qū)，在n型第三半導(dǎo)體層上表面形成p型第六半導(dǎo)體區(qū)，p型第六半導(dǎo)體區(qū)的深度大于n型第五半導(dǎo)體區(qū)，連通p型第四半導(dǎo)體區(qū)且不超出p型第四半導(dǎo)體區(qū)；

4、在n型第三半導(dǎo)體層上刻蝕有柵極溝槽，柵極溝槽穿透p型第四半導(dǎo)體區(qū)到達(dá)n型第三半導(dǎo)體層，柵極溝槽內(nèi)部和n型第三半導(dǎo)體層的上表面設(shè)置有柵極氧化層，在柵極氧化層上部形成多晶硅柵極，多晶硅柵極通過(guò)柵極氧化層與p型第四半導(dǎo)體區(qū)、n型第五半導(dǎo)體區(qū)、n型第三半導(dǎo)體層隔絕；去除多晶硅柵極至n型第三半導(dǎo)體層上表面，在位于n型第三半導(dǎo)體層的上表面沉積氧化物形成金屬層介質(zhì)，金屬層介質(zhì)中心形成開(kāi)口一，兩端形成開(kāi)口二，開(kāi)口一為肖特基接觸，開(kāi)口二為歐姆接觸，開(kāi)口一和開(kāi)口二互不連通；

5、在n型第一半導(dǎo)體層底部設(shè)置第一金屬化層，在第一金屬化層相對(duì)側(cè)設(shè)置第二金屬化層，第一金屬化層與n型第一半導(dǎo)體層接觸。

6、作為一種各向異性的晶體，碳化硅在不同晶面上有不同的性質(zhì)。平面mosfet在（0001）晶面上形成導(dǎo)電溝道。根據(jù)碳化硅晶體的特有性質(zhì)，與（0001）晶面相比，（11-20）晶面上形成的導(dǎo)電溝道具有更低的界面缺陷密度，導(dǎo)致溝道電阻更低，溝道遷移率更高，并且開(kāi)關(guān)速度更快，損耗更小。

7、在碳化硅功率器件的生產(chǎn)中，通常沿<0001>方向生長(zhǎng)外延層，因此在圖15所示的傳統(tǒng)的平面mosfet結(jié)構(gòu)中，溝道形成在p型半導(dǎo)體區(qū)和柵極氧化層的界面處，即圖16所示的（0001）晶面上。在本發(fā)明中，由于柵極氧化層形成的方向與傳統(tǒng)的平面mosfet結(jié)構(gòu)中的方向垂直，溝道形成在p型第四半導(dǎo)體區(qū)104和柵極氧化層108的界面上，在圖16中即為（11-20）晶面。

8、在傳統(tǒng)的mosfet器件中嵌入一個(gè)肖特基二極管，正向?qū)ǖ那闆r下，肖特基二極管不起作用，本發(fā)明在n型第三半導(dǎo)體層上設(shè)置有肖特基接觸，體二極管反向的情況下，由于嵌入的肖特基接觸具有更低的開(kāi)啟電壓，肖特基二極管先于體二極管的pn結(jié)開(kāi)啟，因此避免了體二極管的開(kāi)啟，也避免了雙極退化效應(yīng)的發(fā)生。

9、本發(fā)明增加了n型第三半導(dǎo)體層作為電流擴(kuò)展層，n型第三半導(dǎo)體層有相較于n型第二半導(dǎo)體層更高的摻雜濃度，在正向?qū)ǖ倪^(guò)程中可以允許更高的電流通過(guò)，同時(shí)減小jfet區(qū)的寬度從而保持擊穿電壓。

10、優(yōu)選的，所述n型第一半導(dǎo)體層為n型半導(dǎo)體襯底，由添加有高濃度雜質(zhì)的碳化硅制成；

11、n型半導(dǎo)體襯底的厚度為300μm到350μm的范圍內(nèi)，n型第一半導(dǎo)體層中雜質(zhì)濃度為1×1019cm-3。

12、優(yōu)選的，所述n型第二半導(dǎo)體層形成在n型第一半導(dǎo)體層上，由添加有較低濃度雜質(zhì)的碳化硅制成，n型第二半導(dǎo)體層的厚度和雜質(zhì)濃度取決于半導(dǎo)體器件的工作電壓設(shè)計(jì)，通常對(duì)于1200v工作電壓，n型第二半導(dǎo)體層為10μm，雜質(zhì)濃度為1×1016cm-3。

13、優(yōu)選的，所述n型第三半導(dǎo)體層在n型第二半導(dǎo)體層上，作為電流擴(kuò)展層，由添加有較低濃度雜質(zhì)的碳化硅制成，n型第三半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度略高于n型第二半導(dǎo)體層，n型第三半導(dǎo)體層的厚度為1-3μm，雜質(zhì)濃度為1×1016cm-3至1×1017cm-3。

14、優(yōu)選的，p型第四半導(dǎo)體區(qū)位于n型第三半導(dǎo)體層之內(nèi)，是在n型第三半導(dǎo)體層的基礎(chǔ)上離子注入形成。兩個(gè)p型第四半導(dǎo)體區(qū)之間形成jfet區(qū)，jfet區(qū)的間距不能過(guò)小，防止器件不能正常打開(kāi)，jfet區(qū)的寬度大于1.5μm；

15、p型第四半導(dǎo)體區(qū)的厚度限定了垂直溝道長(zhǎng)度，p型第四半導(dǎo)體區(qū)的厚度為0.1-2μm，摻雜濃度通常為5×1017cm-3。

16、優(yōu)選的，所述n型第五半導(dǎo)體區(qū)同樣通過(guò)離子注入形成，深度為0.3-0.5μm；n型第五半導(dǎo)體區(qū)的雜質(zhì)濃度為1×1020cm-3且不低于1×1018cm-3。

17、優(yōu)選的，所述p型第六半導(dǎo)體區(qū)的深度大于n型第五半導(dǎo)體區(qū)p型第六半導(dǎo)體區(qū)，p型第六半導(dǎo)體區(qū)的雜質(zhì)濃度為1×1020cm-3且不低于1×1018cm-3。

18、優(yōu)選的，所述柵極溝槽穿透p型第四半導(dǎo)體區(qū)到達(dá)n型第三半導(dǎo)體層，肖特基接觸形成于n型第三半導(dǎo)體層和部分p型第四半導(dǎo)體區(qū)上；歐姆接觸形成于n型第五半導(dǎo)體區(qū)與p型第六半導(dǎo)體區(qū)上。

19、一種基于上述的鰭形結(jié)構(gòu)的金屬-氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法，包括如下步驟：

20、（1）由碳化硅制備n型第一半導(dǎo)體層，形成n型半導(dǎo)體襯底；

21、（2）通過(guò)外延生長(zhǎng)在n型第一半導(dǎo)體層的表面上形成n型第二半導(dǎo)體層，再通過(guò)外延生長(zhǎng)在n型第二半導(dǎo)體層的表面形成n型第三半導(dǎo)體層；

22、（3）將鋁或硼離子的雜質(zhì)離子注入到n型第三半導(dǎo)體層表面，形成p型第四半導(dǎo)體區(qū)；

23、（4）將高濃度的氮或磷離子的雜質(zhì)離子注入到p型第四半導(dǎo)體區(qū)的上表面，形成n型第五半導(dǎo)體區(qū)，n型第五半導(dǎo)體區(qū)的注入深度相較于p型第四半導(dǎo)體區(qū)更淺；接著將高濃度的鋁或硼離子的雜質(zhì)離子注入到n型第三半導(dǎo)體層的上表面形成p型第六半導(dǎo)體區(qū)，p型第六半導(dǎo)體區(qū)的注入深度大于n型第五半導(dǎo)體區(qū)；

24、（5）在n型第三半導(dǎo)體層上通過(guò)干法等離子體刻蝕形成柵極溝槽，之后通過(guò)熱氧化工藝形成柵極氧化層，并在柵極氧化層上沉積多晶硅形成多晶硅柵極；

25、（6）通過(guò)等離子體刻蝕去除多余多晶硅至n型第三半導(dǎo)體層上表面，沉積氧化物形成金屬層介質(zhì)；

26、（7）在金屬層介質(zhì)上，通過(guò)干法刻蝕形成歐姆接觸區(qū)，沉積一層金屬形成歐姆接觸后再通過(guò)干法刻蝕形成肖特基接觸；

27、（8）最后，沉積第一金屬化層和第二金屬化層。

28、優(yōu)選的，步驟（5）中，柵極氧化層的厚度為40nm至100nm。

29、本發(fā)明未詳盡之處，均可參見(jiàn)現(xiàn)有技術(shù)。

30、本發(fā)明的有益效果為：

31、1、本發(fā)明在傳統(tǒng)平面mosfet器件結(jié)構(gòu)之上進(jìn)行改進(jìn)，刻蝕柵極溝槽，柵極溝槽穿透n型第一半導(dǎo)體層、n型第二半導(dǎo)體層至n型第三半導(dǎo)體層，形成鰭形柵極氧化層；通過(guò)在多晶硅柵極形成的柵電極上施加電壓，形成導(dǎo)電溝道在垂直方向的（11-20）晶面上。本發(fā)明通過(guò)選取合適溝道晶面以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更大的溝道遷移率，明顯降低導(dǎo)通電阻。具有更高的溝道密度，同時(shí)溝道所在sic晶面界面缺陷少，具有較高的溝道遷移率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更低的比導(dǎo)通電阻。

32、2、本發(fā)明額外增加了一個(gè)開(kāi)口二來(lái)實(shí)現(xiàn)肖特基二極管的功能，在jfet區(qū)域之上形成肖特基接觸，可以有效減少雙極退化效應(yīng)，且在無(wú)需增加器件尺寸的前提下合理利用空間，極大減少了器件成本。