專利名稱：功率半導(dǎo)體器件的終端及功率半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件保護技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種功率半導(dǎo)體器件的終端及功率半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
目前，在功率半導(dǎo)體器件上都會形成一鈍化層，以達更好的保護目的。該鈍化層的相對介電常數(shù)一般均一且其值較大，因而這種鈍化層的絕緣效果好，但是在鈍化層的邊界存在極化電荷，引起邊界處的電場尖峰，因此高溫高反偏電壓下首先被擊穿。所以，現(xiàn)有的鈍化層成為限制功率半導(dǎo)體器件的可靠性的重要因素。圖1是現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)示意圖。請參照圖1，該功率半導(dǎo)體器件包括重摻雜N型襯底1 (N+襯底1)、位于N+ 襯底1上面的N型緩沖層2、位于N型緩沖層2上面的輕摻雜N型外延層3 (N-型外延層3， 也就相當于功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)域)和在N-型外延層3中形成的功能區(qū)域和保護區(qū)域。所謂主體半導(dǎo)體區(qū)是功率半導(dǎo)體器件中即形成有功能結(jié)構(gòu)有形成有保護結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體層。該功能區(qū)域為主結(jié)區(qū)域，圖中P+型半導(dǎo)體層與N-型外延層形成的PN結(jié)稱為主結(jié)。該保護區(qū)域具有溝道環(huán)4和截止環(huán)5等區(qū)域。在功率半導(dǎo)體器件還具有位于該保護區(qū)域上方的鈍化層6，以提供進一步保護?，F(xiàn)有技術(shù)中，鈍化層6 —般的是采用3PSG鈍化層工藝形成的，這種鈍化層6將造成邊界相對相對介電常數(shù)的很大突變引起較大的極化電荷密度，形成明顯的電場尖峰而制約其設(shè)計應(yīng)用。如果鈍化層6是采用一些低相對介電常數(shù)的材料形成的，則使器件內(nèi)電場達到一個安全值所需要該鈍化層6的厚度會很厚的，所以，雖然采用低相對介電常數(shù)的材料有效地減小了邊界極化電荷，但其降電場的能力減弱，需要有比一般工藝十倍以上的鈍化層厚度，這增加了功率半導(dǎo)體器件的終端的厚度并浪費了材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中的功率半導(dǎo)體器件的終端中的鈍化層在減少表面極化電荷和提高壓降能力方面的相矛盾的技術(shù)問題，提供一種功率半導(dǎo)體器件的終端。本發(fā)明提供的功率半導(dǎo)體器件的終端是這樣實現(xiàn)的，一種功率半導(dǎo)體器件的終端，包括電場限制區(qū)、電場集中區(qū)和第一鈍化層，所述電場限制區(qū)位于功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)域中，所述電場集中區(qū)位于功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)域上方，所述第一鈍化層位于所述電場集中區(qū)的上方；厚度方向上，所述第一鈍化層的相對介電常數(shù)呈第一三角函數(shù)變化。本發(fā)明還提供了一種功率半導(dǎo)體器件。該功率半導(dǎo)體器件是這樣實現(xiàn)的，一種功率半導(dǎo)體器件，其中，包括上述功率半導(dǎo)體器件的終端。本發(fā)明的相對介電常數(shù)按三角函數(shù)變化的功率半導(dǎo)體器件的終端的鈍化層可以將極化電荷由集中在電場線方向上的邊界附近向鈍化層內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而有效地減少邊界附近的極化電荷、降低邊界處的電場尖峰，從而較現(xiàn)有技術(shù)該功率半導(dǎo)體器件的終端在相同厚度下可以提高耐壓。


圖1是現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2示出的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)的簡化示意圖；圖4A是第一鈍化層的相對介電常數(shù)變化曲線圖；圖4B是電場限制區(qū)的相對介電常數(shù)變化曲線圖；圖5A是第一鈍化層中電場曲線圖；圖5B是電場限制區(qū)中電場曲線圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實施例的功率半導(dǎo)體器件的鈍化層，厚度方向上，所述鈍化層的相對介電
常數(shù)呈第一三角函數(shù)變化。功率半導(dǎo)體器件的鈍化層的相對介電常數(shù)按三角函數(shù)的改變，可以在相同面積的情況下較均勻相對介電常數(shù)的鈍化層耐壓要高，同時其厚度要小于均勻相對介電常數(shù)的鈍化層的厚度。因為功率半導(dǎo)體器件的鈍化層中相對介電常數(shù)遞增區(qū)間有使極化電荷密度增加的趨勢，相對介電常數(shù)遞減區(qū)間則有使極化電荷密度遞減的趨勢，若所需降的電場強度相同，則降電場所需極化的極化電荷密度與鈍化層厚度的積分基本一定。而相對介電常數(shù)按三角函數(shù)變化的鈍化層可以將極化電荷由集中在電場線方向上的邊界附近向鈍化層內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而有效地減少邊界附近的極化電荷、降低邊界處的電場尖峰(相當于維持該電場與極化電荷分布區(qū)的積分不變，增加了尖峰寬度而大大消減了電場尖峰)，從而提高了耐壓。進一步優(yōu)選，所述第一三角函數(shù)為A+Bsin (ω y+C)，A、B、ω、C為常數(shù)，y軸以厚度方向建立，其中，所述B的取值范圍為1 12。B的值決定了該鈍化層的最大相對介電常數(shù)值和最小相對介電常數(shù)值，一般希望該鈍化層的相對介電常數(shù)低，這樣在電場下總體產(chǎn)生的極化電荷就較少，因此，B的取值范圍在1-10之間是比較合適的。A值的大小取決于該鈍化層應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)的相對介電常數(shù)大小，A、B的值對該鈍化層的相對介電常數(shù)的值起到了決定性作用，A的優(yōu)選取值范圍為2-11且大于等于B+1。一般A 值的大小等于該鈍化層應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件主體半導(dǎo)體區(qū)的相對介電常數(shù)大小，本領(lǐng)域技術(shù)人員是可以很容易獲取的。ω、C的值用于調(diào)節(jié)該鈍化層的相對介電常數(shù)值使該鈍化層上下表面的相對介電常數(shù)值與各自相接觸的接觸處的相對介電常數(shù)值相同。不至于使應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)生相對介電常數(shù)突變、降低該功率半導(dǎo)體器件的耐壓。進一步優(yōu)選，所述鈍化層的材料是絕緣材料或者弱導(dǎo)電材料。該絕緣材料一般選低相對介電常數(shù)、至少在300到400Κ保持性能穩(wěn)定的絕緣材料，本發(fā)明實施例優(yōu)選聚酰亞胺。該弱導(dǎo)電材料一般選低相對介電常數(shù)、在300到400Κ保持性能穩(wěn)定的弱導(dǎo)電材料，優(yōu)選多晶硅和多晶碳化硅中的一種為本發(fā)明實施例的弱導(dǎo)電材料，這樣有利工藝上的實施和成本的降低。本發(fā)明實施例的功率半導(dǎo)體器件的鈍化層可以應(yīng)用于功率半導(dǎo)體器件中任何需要鈍化層的地方，為了不使器件中相對介電常數(shù)突變，在應(yīng)用時需要根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)A、 B、ω、C的值使鈍化層的相對介電常數(shù)在鈍化層與功率半導(dǎo)體器件接觸處相同。例如，某功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)的相對介電常數(shù)大小為8時，與鈍化層兩表面相接觸的層或者物質(zhì)的相對介電常數(shù)值分別為8. 2、9，選擇B為2時，就可以通過這些參數(shù)確定該鈍化層的三角函數(shù)的具體參數(shù)ω、C的值，進而確定該鈍化層的相對介電常數(shù)的大小。本發(fā)明提供的一種功率半導(dǎo)體器件的終端，包括電場限制區(qū)、電場集中區(qū)和第一鈍化層，所述電場限制區(qū)位于功率半導(dǎo)體器件的主半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)，所述電場集中區(qū)位于功率半導(dǎo)體器件的主半導(dǎo)體區(qū)域上方，所述第一鈍化層位于所述電場集中區(qū)的上方；厚度方向上，所述第一鈍化層的相對介電常數(shù)呈第一三角函數(shù)變化。功率半導(dǎo)體器件的所述第一鈍化層的相對介電常數(shù)按三角函數(shù)的改變，可以在相同面積的情況下較均勻的高的相對介電常數(shù)的鈍化層耐壓要高，同時其厚度要小于均勻的低的相對介電常數(shù)的鈍化層的厚度。 因為相對介電常數(shù)按三角函數(shù)變化的所述第一鈍化層可以將極化電荷由集中在電場線方向上的邊界附近向鈍化層內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而有效地減少邊界附近的極化電荷、降低邊界處的電場尖峰(相當于維持該電場與極化電荷分布區(qū)的積分不變，增加了尖峰寬度而大大消減了電場尖峰)，從而提高了耐壓。現(xiàn)列舉一實施例，以對本發(fā)明的功率半導(dǎo)體器件的終端進行詳細。圖2是本發(fā)明實施例的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖2，功率半導(dǎo)體器件包括N+型襯底、位于N+型襯底上的N型緩沖層、位于N 型緩沖層上的N-型半導(dǎo)體區(qū)(相當于功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體層)、位于N-型半導(dǎo)體區(qū)中的P型摻雜的主結(jié)和終端結(jié)構(gòu)。該終端結(jié)構(gòu)包括一位于N-型半導(dǎo)體區(qū)中與主結(jié)接觸的電場限制區(qū)100和距電場限制區(qū)100—定距離的N+截止環(huán)、位于N-型半導(dǎo)體區(qū)上表面的電場集中區(qū)200和位于電場集中區(qū)200上方的第一鈍化層300。該電場限制區(qū)100與主結(jié)也可以相距一定距離。所述電場集中區(qū)200包括位于N-型半導(dǎo)體區(qū)上面的第二絕緣層210、位于第二絕緣層210上的過渡層220、位于過渡層220上的柵氧層230、位于柵氧層 230上第一絕緣層M0、位于第一絕緣層240上并在終端結(jié)構(gòu)邊緣處的金屬層、位于柵氧層 230和第一絕緣層240之間的多晶硅層，該金屬層位于電場限制區(qū)100遠離主結(jié)的一側(cè)，該多晶硅層位于第一一絕緣層240和柵氧層230之間并水平方向上與金屬層相距一定距離， 以保證電場集中區(qū)200中的電位合適。該功率半導(dǎo)體器件是功率快速回復(fù)二極管(FRD)、M0S管(金屬氧化物絕緣柵場效應(yīng)管)、CMOS管(互補金屬氧化物絕緣柵場效應(yīng)管)、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)等功率半導(dǎo)體器件。為了方便分析，現(xiàn)將圖2簡化得到圖3，并建立兩個坐標軸。對于第一鈍化層300， 以第一鈍化層300與電場集中區(qū)200接觸處任一點為原點，向上的方向為正向建立yl軸。 對于電場限制區(qū)100，以電場限制區(qū)100與電場集中區(qū)200接觸處任一點為原點，向下的方向為正向建立y2軸。圖4A是第一鈍化層的相對介電常數(shù)變化曲線圖；圖4B是電場限制區(qū)的相對介電常數(shù)變化曲線圖。本發(fā)明實施例的第一鈍化層300和電場限制區(qū)100的相對介電常數(shù)都按三角函數(shù)曲線變化。該第一鈍化層300的上表面的相對介電常數(shù)是該層中最小的，并盡可能的接近1。該第一鈍化層300此處采用上面描述的鈍化層，即其相對介電常數(shù)按第一三角函數(shù)變化，該第一三角函數(shù)為A+BSin(coyl+C)，Α、Β、ω、C為常數(shù)；Α、Β、ω、C的取值按上面描述確定。該電場限制區(qū)100的相對介電常數(shù)按第二三角函數(shù)變化，D+Esin( θ y2+F)，D、E、 θ、F常數(shù)。D值的大小取決于該功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)的相對介電常數(shù)大小，一般D值的大小等于該功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體層的相對介電常數(shù)大小，這個值本領(lǐng)域技術(shù)人員是可以很容易獲取的。θ、F用于調(diào)節(jié)該電場限制區(qū)100的相對介電常數(shù)值使其和與該電場限制區(qū)100相接觸的各層的相對介電常數(shù)相同，不至于使該功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)生相對介電常數(shù)突變，降低該功率半導(dǎo)體器件的耐壓。以B、E取值范圍均為1 10為宜， 此處B為3、Ε為4，A、D為9，按照這種設(shè)計，耐壓1200V時，第一鈍化層的厚度為5 20微米，而傳統(tǒng)的卻需要50微米左右，大大降低了功率半導(dǎo)體器件的厚度。若B為5、E為6，A、 D為9，按照這種設(shè)計，耐壓1200V時，第一鈍化層的厚度為5 10微米。圖5A是第一鈍化層中電場曲線圖、圖5B是電場限制區(qū)中電場曲線區(qū)。從圖5A、圖 5B中可以看到第一鈍化層的表面和電場限制區(qū)的底部都具有較小的電場，電壓降主要集中在第一鈍化層內(nèi)部和電場限制區(qū)內(nèi)，從而實現(xiàn)了本發(fā)明實施例的功率半導(dǎo)體器件的終端的耐壓能力。同時由于變化的相對介電常數(shù)較單一較低的相對介電常數(shù)的鈍化材料能更快降低電場而又不引起額外的極化電荷所引起的電場尖峰，因此需要的厚度也就降低了。為了使功率半導(dǎo)體器件的相對介電常數(shù)不產(chǎn)生突變，優(yōu)選所述第一鈍化層上表面的相對介電常數(shù)是第一鈍化層內(nèi)最小的、下表面的相對介電常數(shù)與接觸的電場集中區(qū)的相對介電常數(shù)一致，所述溝道環(huán)最上面與接觸的電場集中區(qū)的相對介電常數(shù)一致、最下面與主半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)的相對介電常數(shù)一致。進一步優(yōu)選，所述第一鈍化層的材料是絕緣材料或者弱導(dǎo)電材料。該絕緣材料一般選低相對介電常數(shù)、至少在300到400K保持性能穩(wěn)定的絕緣材料，本發(fā)明實施例優(yōu)選聚酰亞胺。該弱導(dǎo)電材料一般選低相對介電常數(shù)、在300到400K保持性能穩(wěn)定的弱導(dǎo)電材料， 優(yōu)選多晶硅和多晶碳化硅中的一種為本發(fā)明實施例的弱導(dǎo)電材料，這樣有利工藝上的實施和成本的降低。本實施例的第一鈍化層的材料優(yōu)選為聚酰亞胺。進一步優(yōu)選，所述電場限制區(qū)的材料為弱導(dǎo)電材料，一般為多晶硅和多晶碳化硅中的一種。本實施例的電場限制區(qū)的材料優(yōu)選為多晶碳化硅。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體器件的終端，其特征在于，包括電場限制區(qū)、電場集中區(qū)和第一鈍化層，所述電場限制區(qū)位于功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)域中，所述電場集中區(qū)位于功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)域上方，所述第一鈍化層位于所述電場集中區(qū)的上方；厚度方向上，所述第一鈍化層的相對介電常數(shù)呈第一三角函數(shù)變化。
2.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的終端，其特征在于，所述第一鈍化層的材料是絕緣材料或者弱導(dǎo)電材料。
3.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體器件的終端，其特征在于，所述絕緣材料是聚酰亞胺。
4.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體器件的終端，其特征在于，所述弱導(dǎo)電材料是多晶碳化硅或者多晶硅。
5.如權(quán)利要求1所述功率半導(dǎo)體器件的終端，其特征在于，所述第一三角函數(shù)為 A+Bsin( y+C)，ω、C為常數(shù)，y軸以厚度方向建立，A為主體半導(dǎo)體區(qū)域的相對介電常數(shù)， 其中，所述B的取值范圍為1 12。
6.如權(quán)利要求5所述功率半導(dǎo)體器件的終端，其特征在于，所述第一鈍化層的厚度為 5 20微米。
7.如權(quán)利要求1所述功率半導(dǎo)體器件的終端，其特征在于，所述電場限制區(qū)的材料為弱導(dǎo)電材料，厚度方向上，其相對介電常數(shù)呈第二三角函數(shù)變化。
8.如權(quán)利要求7所述的功率半導(dǎo)體器件的終端，其特征在于，所述第一鈍化層上表面的相對介電常數(shù)與接觸部分的相對介電常數(shù)一致、其下表面的相對介電常數(shù)與接觸的部分電場集中區(qū)的相對介電常數(shù)一致；所述電場限制區(qū)最上面的相對介電常數(shù)與接觸的部分電場集中區(qū)的相對介電常數(shù)一致、其最下面的相對介電常數(shù)與主體半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)的相對介電常數(shù)一致。
9.如權(quán)利要求7所述的功率半導(dǎo)體器件的終端，其特征在于，所述第二三角函數(shù)為 D+Esin ( θ y+F)，θ、F常數(shù)，y軸以厚度方向建立，D為主體半導(dǎo)體區(qū)域的相對介電常數(shù)，其中，E的取值范圍為1 12。
10.一種功率半導(dǎo)體器件，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至9任一項所述功率半導(dǎo)體器件的終端。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種功率半導(dǎo)體器件的終端及功率半導(dǎo)體器件。該功率半導(dǎo)體器件的終端，包括電場限制區(qū)、電場集中區(qū)和第一鈍化層，所述電場限制區(qū)位于功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)域中，所述電場集中區(qū)位于功率半導(dǎo)體器件的主體半導(dǎo)體區(qū)域上方，所述第一鈍化層位于所述電場集中區(qū)的上方；厚度方向上，所述第一鈍化層的相對介電常數(shù)呈第一三角函數(shù)變化。本發(fā)明的相對介電常數(shù)按三角函數(shù)變化的功率半導(dǎo)體器件的終端的鈍化層可以將極化電荷由集中在電場線方向上的邊界附近向鈍化層內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而有效地減少邊界附近的極化電荷、降低邊界處的電場尖峰，從而較現(xiàn)有技術(shù)該功率半導(dǎo)體器件的終端在相同厚度下可以提高耐壓。
文檔編號H01L29/06GK102208435SQ20101014097
公開日2011年10月5日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者吳家鍵, 周振強, 楊颯颯, 江堂華, 蔡橋斌 申請人:比亞迪股份有限公司