一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)，特別涉及一種功率器件結(jié)終端結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括位于N型漂移區(qū)2中的P型場限環(huán)3，及位于N型漂移區(qū)2上方的氧化層中的數(shù)個多晶硅島。通過非均勻存儲于多晶硅島內(nèi)的電荷調(diào)制半導(dǎo)體表面的電場分布，使表面電場分布更均勻，提高器件的可靠性。
【專利說明】
一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)，特別是涉及一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]功率半導(dǎo)體器件近年來在供電領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，例如IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、FRD(快恢復(fù)二極管)應(yīng)用在汽車驅(qū)動、感應(yīng)加熱等領(lǐng)域，高壓MOSEFT應(yīng)用在LLC(邏輯鏈路控制)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。功率器件的設(shè)計(jì)要考慮的一個重要問題是結(jié)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)終端就是為了減小局部電場、提高表面擊穿電壓及可靠性、使器件實(shí)際擊穿電壓更接近平行平面結(jié)理想值而專門設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)。
[0003]傳統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)中，場板結(jié)構(gòu)是一類重要的結(jié)終端技術(shù)，采用了在冶金結(jié)邊緣覆蓋場板使耗盡線在器件表面擴(kuò)展，以提高擊穿電壓。在沒有場板結(jié)構(gòu)時，電場在冶金結(jié)處集中，擊穿易于在這里發(fā)生，引入場板結(jié)使電場集中效應(yīng)被削弱。場板結(jié)構(gòu)可以為浮空或者聯(lián)結(jié)場限環(huán)。在實(shí)際的終端結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，場板與場限環(huán)相結(jié)合是應(yīng)用最為廣泛的一類結(jié)終端技術(shù)，如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)使得主結(jié)的冶金結(jié)位置處的電場峰值降低，有效提高了終端區(qū)的耐壓。這種終端結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是電場在場板末端下方的硅片表面疊加，因而這里具有較高的峰值電場。這些高電場峰值的位置容易發(fā)生表面電場擊穿，影響器件的性能或可靠性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的，就是針對現(xiàn)有的場板加場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)存在的問題，提出一種新型功率器件終端結(jié)構(gòu)，提高器件的耐壓和可靠性。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案:一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，包括N型重?fù)诫s單晶硅襯底1、位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底I下表面的漏極電極7、位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底I上的N型漂移區(qū)2 ；所述N型漂移區(qū)2上層兩側(cè)分別具有P型場限環(huán)3和N+截止環(huán)9;所述終端結(jié)構(gòu)表面是氧化層8，所述氧化層8內(nèi)具有多個長度及厚度相等的多晶硅島;所述多晶硅島位于P型場限環(huán)3和N+截止環(huán)9之間并靠近P型場限環(huán)3—側(cè)，與P型場限環(huán)3相鄰的多晶硅島邊界不與P型場限環(huán)3重疊;所述多晶硅島內(nèi)存儲有負(fù)電荷，且存儲的負(fù)電荷密度滿足條件:沿P型場限環(huán)3到N+截止環(huán)9的方向，從與P型場限環(huán)3相鄰的多晶硅島開始，多晶硅島內(nèi)的負(fù)電荷密度依次遞減。
[0006]進(jìn)一步的，所述多晶硅島的數(shù)目可以為三個。
[0007]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體材料為碳化硅、砷化鎵或鍺硅。
[0008]—種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，包括P型重?fù)诫s單晶硅襯底1、位于P型重?fù)诫s單晶硅襯底I下表面的漏極電極7、位于P型重?fù)诫s單晶硅襯底I上的P型漂移區(qū)2;所述P型漂移區(qū)2上層兩側(cè)分別具有N型場限環(huán)3和P+截止環(huán)9;所述終端結(jié)構(gòu)表面是氧化層8，所述氧化層8內(nèi)具有多個長度及厚度相等的多晶硅島；所述多晶硅島位于N型場限環(huán)3和P+截止環(huán)9之間并靠近N型場限環(huán)3—側(cè)，與N型場限環(huán)3相鄰的多晶硅島邊界不與N型場限環(huán)3重疊;所述多晶硅島內(nèi)存儲有正電荷，且存儲的正電荷密度滿足條件:沿N型場限環(huán)3到P+截止環(huán)9的方向，從與N型場限環(huán)3相鄰的多晶硅島開始，多晶硅島內(nèi)的正電荷密度依次遞減。
[0009]進(jìn)一步的，所述多晶硅島的數(shù)目可以為三個。
[0010]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體材料為碳化娃、砷化鎵或鍺娃。
[0011]本發(fā)明的有益效果為:通過非均勻存儲在多個多晶硅島內(nèi)的電荷調(diào)制半導(dǎo)體表面的電場分布，減少電荷在水平方向上的電場峰值疊加效應(yīng)，使得硅片表面電場分布更加平坦，提尚器件的可靠性。
【附圖說明】
[0012]圖1是實(shí)施例1所提供的一種具有表面負(fù)電荷的功率器件終端結(jié)構(gòu)剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是傳統(tǒng)場限環(huán)加場板終端結(jié)構(gòu)剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3是單個傳統(tǒng)場限加場板環(huán)終端結(jié)構(gòu)在外加反向偏壓時的耗盡線及表面電場分布示意圖；
[0015]圖4是實(shí)施例1所提供的一種功率器件終端結(jié)構(gòu)在外加反向偏壓時的耗盡線分布及表面電場分布不意圖；
[0016]圖5-圖9是本發(fā)明所提供的實(shí)施例1的工藝流程中的關(guān)鍵步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0018]實(shí)施例1
[0019]—種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，包括N型重?fù)诫s單晶硅襯底1、位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底I下表面的漏極電極7、位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底I上的N型漂移區(qū)2;所述N型漂移區(qū)2上層兩側(cè)分別具有P型場限環(huán)3和N+截止環(huán)9;所述終端結(jié)構(gòu)表面是氧化層8，所述氧化層8內(nèi)具有多個長度及厚度相等的多晶硅島；所述多晶硅島位于P型場限環(huán)3和N+截止環(huán)9之間并靠近P型場限環(huán)3—側(cè)，與P型場限環(huán)3相鄰的多晶硅島邊界不與P型場限環(huán)3重疊;所述多晶硅島內(nèi)存儲有負(fù)電荷，且存儲的負(fù)電荷密度滿足條件:沿P型場限環(huán)3到N+截止環(huán)9的方向，從與P型場限環(huán)3相鄰的多晶硅島開始，多晶硅島內(nèi)的負(fù)電荷密度依次遞減。
[0020]本例的工作原理為:
[0021]傳統(tǒng)場限環(huán)加場板的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，當(dāng)器件處于反向阻斷狀態(tài)時，漏極處于低電位，源極處于高電位，元胞區(qū)的P+N結(jié)反偏，耗盡線向終端區(qū)擴(kuò)展。如圖3所示，P型場限環(huán)13與N型漂移區(qū)12之間形成耗盡區(qū)，因此，P型場限環(huán)13與N型漂移區(qū)12之間存在電場，電場方向由N型漂移區(qū)12耗盡區(qū)中的帶正電的施主電荷指向P型場限環(huán)13耗盡區(qū)中帶負(fù)電的受主電荷。PN冶金結(jié)面的電場強(qiáng)度最高，易在此處發(fā)生擊穿。存在場板14時，由于場板14電位和P型場限環(huán)13電位相同，因此有部分電力線將從電位較高的N型半導(dǎo)體12發(fā)出，指向電位較低的場板14，場板14下方的半導(dǎo)體表面耗盡，將耗盡區(qū)域延伸到場板14邊緣，減緩了冶金結(jié)處的電場集中。這相當(dāng)于在半導(dǎo)體表面引入了負(fù)電荷，在水平方向上，這些虛擬負(fù)電荷在其左邊產(chǎn)生指向右的場，在其右邊產(chǎn)生指向左的場。所以在場板14下方的大部分區(qū)域，虛擬負(fù)電荷產(chǎn)生的場與P型場限環(huán)13和N型漂移區(qū)12形成的PN結(jié)耗盡區(qū)原有電場是相互削弱的，但場板14邊緣處的電場卻是相互加強(qiáng)的，因而擊穿易在這里發(fā)生。單個的場限環(huán)加場板結(jié)構(gòu)的表面的電場分布如圖3所示，電場峰值出現(xiàn)在位于硅片表面附近的冶金結(jié)處及場板14邊緣處。
[0022]本發(fā)明提出的一種功率器件終端結(jié)構(gòu)，可以有效的減少硅片表面附近的電場尖峰，提高了終端結(jié)構(gòu)的可靠性。如圖1所示，在氧化層8內(nèi)，從靠近場限環(huán)3處往右，依次存在多晶娃島4，多晶娃島5及多晶娃島6，且在多晶娃島內(nèi)存儲有負(fù)電荷。由于多晶娃島被絕緣層包圍，負(fù)電荷將固定在多晶硅島內(nèi)。因此，高電位的N型半導(dǎo)體2將發(fā)出指向這些負(fù)電荷的電力線。同樣相當(dāng)于在半導(dǎo)體表面引入了負(fù)電荷，在水平方向上，這些虛擬負(fù)電荷在其左邊產(chǎn)生指向右的場，在其右邊產(chǎn)生指向左的場。在多晶硅島下方的大部分區(qū)域，虛擬負(fù)電荷產(chǎn)生的場與P型場限環(huán)3和N型漂移區(qū)2形成的PN結(jié)耗盡區(qū)原有電場是相互削弱的。由于多晶硅島4、多晶硅島5、多晶硅島6內(nèi)的負(fù)電荷密度依次降低。在靠近冶金結(jié)位置處的電荷密度高，減緩了冶金結(jié)位置的電場集中，使得冶金結(jié)位置的電場峰值相較場板結(jié)構(gòu)降低;在遠(yuǎn)離冶金結(jié)位置處電荷密度低，減緩了電場疊加效應(yīng)，本發(fā)明提出的終端結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)傳統(tǒng)的場板結(jié)構(gòu)邊緣處電場峰值過高的現(xiàn)象，表面處水平方向上的電場分布趨于平坦。如圖4所示，為本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)在反向阻斷時的表面電場分布。
[0023]本實(shí)施例可以用以下方法制備得到，工藝步驟為:
[0024](I)在摻雜濃度較高的N+襯底上外延生長摻雜濃度較低的N-漂移區(qū)，然后在硅片表面生長一層薄的預(yù)氧化層，如圖5所示。
[0025](2)在終端區(qū)進(jìn)行光刻，并進(jìn)行硼離子注入，形成P型場限環(huán)3，如圖6所示。
[0026](3)在硅片表面生長一層氧化層，并在氧化層上淀積一定厚度的多晶硅。
[0027](4)利用反應(yīng)離子刻蝕在將多晶硅掩膜版的形狀轉(zhuǎn)移到硅片表面，形成第一多晶硅4，第二多晶硅5及第三多晶硅6，并采用數(shù)張掩膜版，利用多次離子注入在第一多晶硅4，第二多晶硅5及第三多晶硅6內(nèi)注入密度非均勻的負(fù)電荷，如圖7?9所示，為多次離子注入的過程示意圖。
[0028](5)在第一多晶硅4，第二多晶硅5及第三多晶硅6的表面生長一層氧化層，并在器件表面形成鈍化層。
[0029](6)淀積金屬，并反刻金屬，形成源電極。對硅片背面減薄，金屬化形成漏極金屬。
[0030]實(shí)施例2
[0031 ]本例的結(jié)構(gòu)在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將實(shí)施例1中的所有N型材料替換為P型材料，所有的P型材料替換為N型材料，多晶硅島中的負(fù)電荷替換為正電荷。
[0032]實(shí)施例3
[0033]本例的結(jié)構(gòu)在實(shí)施例1及實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，將實(shí)施例1及實(shí)施例2中的多晶硅島的數(shù)目設(shè)為多個，且隨著多晶硅島到P型場限環(huán)3的距離的增加，其存儲的負(fù)電荷密度依次降低。
[0034]以上實(shí)施例中，還可用碳化硅、砷化鎵或鍺硅等半導(dǎo)體材料替代體硅。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，包括N型重?fù)诫s單晶硅襯底(I)、位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底(I)下表面的漏極電極(7)、位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底(I)上的N型漂移區(qū)(2);所述N型漂移區(qū)(2)上層兩側(cè)分別具有P型場限環(huán)(3)和N+截止環(huán)(9);所述終端結(jié)構(gòu)表面是氧化層(8)，所述氧化層(8)內(nèi)具有多個長度及厚度相等的多晶硅島;所述多晶硅島位于P型場限環(huán)(3)和N+截止環(huán)(9)之間并靠近P型場限環(huán)(3)—側(cè)，與P型場限環(huán)(3)相鄰的多晶硅島邊界不與P型場限環(huán)(3)重疊;所述多晶硅島內(nèi)存儲有負(fù)電荷，且存儲的負(fù)電荷密度滿足條件:沿P型場限環(huán)(3)到N+截止環(huán)(9)的方向，從與P型場限環(huán)(3)相鄰的多晶硅島開始，多晶硅島內(nèi)的負(fù)電荷密度依次遞減。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多晶硅島的數(shù)目可以為三個。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為碳化硅、砷化鎵或鍺硅。4.一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，包括P型重?fù)诫s單晶硅襯底(I)、位于P型重?fù)诫s單晶硅襯底(I)下表面的漏極電極(7)、位于P型重?fù)诫s單晶硅襯底(I)上的P型漂移區(qū)(2);所述P型漂移區(qū)(2)上層兩側(cè)分別具有N型場限環(huán)(3)和P+截止環(huán)(9);所述終端結(jié)構(gòu)表面是氧化層(8)，所述氧化層(8)內(nèi)具有多個長度及厚度相等的多晶硅島;所述多晶硅島位于N型場限環(huán)(3)和P+截止環(huán)(9)之間并靠近N型場限環(huán)(3)—側(cè)，與N型場限環(huán)(3)相鄰的多晶硅島邊界不與N型場限環(huán)(3)重疊;所述多晶硅島內(nèi)存儲有正電荷，且存儲的正電荷密度滿足條件:沿N型場限環(huán)(3)到P+截止環(huán)(9)的方向，從與N型場限環(huán)(3)相鄰的多晶硅島開始，多晶硅島內(nèi)的正電荷密度依次遞減。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多晶硅島的數(shù)目可以為三個。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為碳化硅、砷化鎵或鍺硅。
【文檔編號】H01L29/40GK106098758SQ201610676734
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月17日 公開號201610676734.0, CN 106098758 A, CN 106098758A, CN 201610676734, CN-A-106098758, CN106098758 A, CN106098758A, CN201610676734, CN201610676734.0
【發(fā)明人】任敏, 李爽, 李家駒, 羅蕾, 李澤宏, 張金平, 高巍, 張波
【申請人】電子科技大學(xué)