專利名稱：一種功率半導(dǎo)體器件的3d-resurf結(jié)終端結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及功率半導(dǎo)體器件結(jié)終端結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
以功率器件和功率集成電路為核心和基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能和促進(jìn)機(jī)電一體化的關(guān)鍵技術(shù)，它是弱電控制與強(qiáng)電運(yùn)行之間，信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間的橋梁。在電力電子學(xué)領(lǐng)域，功率半導(dǎo)體器件作為關(guān)鍵部件，其特性對(duì)系統(tǒng)性能的實(shí)現(xiàn)和改善起著至關(guān)重要的作用。功率半導(dǎo)體器件最顯著的特點(diǎn)之一是其高的電壓阻斷能力。然而， 對(duì)于高壓功率半導(dǎo)體器件，器件邊沿曲率效應(yīng)引起的邊沿?fù)舸┮恢笔抢_器件可靠工作的主要問(wèn)題之一。為了解決這一問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)專門的器件邊沿結(jié)終端結(jié)構(gòu)以提高器件邊沿的耐壓。場(chǎng)限環(huán)和場(chǎng)板組合結(jié)構(gòu)是目前功率器件中普遍采用的一種結(jié)終端技術(shù)，其工藝簡(jiǎn)單，擊穿電壓隨著環(huán)的個(gè)數(shù)的增加而增大。然而對(duì)于場(chǎng)限環(huán)和場(chǎng)板組合結(jié)構(gòu)，擊穿電壓隨環(huán)個(gè)數(shù)的增加并非線性增加，環(huán)的個(gè)數(shù)越多，占用芯片面積越大，器件正向?qū)〒p耗越大。并且對(duì)于高壓器件，由于P+環(huán)之間的η-漂移區(qū)濃度很低，由于界面電荷的影響容易引起表面反型，使器件在較低電壓下?lián)舸＝Y(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)是通過(guò)在重?fù)诫s的主結(jié)區(qū)附近通過(guò)擴(kuò)散或離子注入獲得分段均勻的輕摻雜P型區(qū)。使用結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)作為邊沿結(jié)終端時(shí)，由于結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域是輕摻雜，與場(chǎng)限環(huán)技術(shù)一樣，對(duì)于界面電荷也是非常敏感的。這兩種結(jié)終端技術(shù)對(duì)表面鈍化及界面電荷防止技術(shù)都有很高的要求，否則會(huì)引起擊穿電壓的下降，難以得到好的重復(fù)性，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。為了進(jìn)一步克服由曲率效應(yīng)引起的器件邊沿?fù)舸┈F(xiàn)象，更好的提高器件耐壓特性，降低鈍化層界面電荷對(duì)結(jié)終端擊穿電壓的影響。本發(fā)明提出了一種功率半導(dǎo)體器件的 3D RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)。所提出的結(jié)構(gòu)通過(guò)結(jié)終端表面一系列橫向和縱向交替的ρ區(qū)，η區(qū)和槽形結(jié)構(gòu)的形成，在器件終端表面引入三維降低表面電場(chǎng)(3D RESURF)結(jié)構(gòu)。通過(guò)表面 3D RESURF結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使器件反向耐壓時(shí)結(jié)終端表面在器件反向擊穿之前全耗盡，使器件的擊穿由表面轉(zhuǎn)入體內(nèi)，從而提高器件結(jié)終端的反向耐壓。該結(jié)構(gòu)由于橫向和縱向交替pn 結(jié)的3DRESURF電場(chǎng)調(diào)制作用，降低了器件表面的尖峰電場(chǎng)，使器件表面電場(chǎng)更加均勻，顯著提高了器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓，縮小了終端的面積，降低了器件的正向?qū)〒p耗。同時(shí)，表面相對(duì)于漂移區(qū)高的摻雜濃度減小了界面電荷對(duì)終端擊穿電壓的不利影響，提高了終端抗鈍化層界面電荷的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種功率半導(dǎo)體器件的3D RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，通過(guò)在器件終端表面引入一種新型的三維降低表面電場(chǎng)(3D RESURF)結(jié)構(gòu)，使器件反向耐壓時(shí)結(jié)終端表面在器件反向擊穿之前全耗盡，通過(guò)三維電場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)降低了器件表面的尖峰電場(chǎng)，使器件的擊穿由表面轉(zhuǎn)入體內(nèi)，從而在相同的結(jié)終端長(zhǎng)度下提高器件結(jié)終端的反向耐壓，縮小終端的面積，降低器件的正向?qū)〒p耗。同時(shí)，表面相對(duì)于漂移區(qū)高的摻雜濃度減小了界面電荷對(duì)終端擊穿電壓的不利影響，提高了終端抗鈍化層界面電荷的能力。本發(fā)明所提出的結(jié)終端結(jié)構(gòu)與主流的器件制造工藝兼容，不增加器件的制造工藝難度。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下一種功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括重?fù)诫s層15、位于重?fù)诫s層15背面的金屬化陽(yáng)極14、位于重?fù)诫s層15正面的N_層16、N_層16頂部與功率半導(dǎo)體器件有源區(qū)相連的P型重?fù)诫s區(qū)1層16頂部遠(yuǎn)離功率半導(dǎo)體器件有源區(qū)的 N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)17、P型重?fù)诫s區(qū)12表面的金屬化陰極13，以及覆蓋除金屬化陰極 14之外的層16表面的鈍化層18 ；其特征在于，所述P型重?fù)诫s區(qū)12與N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)17之間的N—層16頂部具有一層P型摻雜層19 ；所述P型重?fù)诫s區(qū)12與N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)17之間的N—層16內(nèi)部具有若干P型摻雜環(huán)21。上述方案所提出的結(jié)終端結(jié)構(gòu)在P型重?fù)诫s區(qū)12與N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)17 之間的層16頂部形成了一層P型摻雜層19，并在層16中形成若干P型摻雜環(huán)21。 通過(guò)P型摻雜層19和P型摻雜環(huán)21的引入，在器件終端表面引入三維降低表面電場(chǎng)(3D RESURF)結(jié)構(gòu)。通過(guò)表面3D RESURF結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使器件反向耐壓時(shí)結(jié)終端表面在器件反向擊穿之前全耗盡，使器件的擊穿由表面轉(zhuǎn)入體內(nèi)，從而提高器件結(jié)終端的反向耐壓。該結(jié)構(gòu)由于一系列橫向和縱向pn結(jié)的3D RESURF電場(chǎng)調(diào)制作用，降低了器件表面的尖峰電場(chǎng)，使器件表面電場(chǎng)更加均勻，顯著提高了器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓，縮小了終端的面積，降低了器件的正向?qū)〒p耗。同時(shí)，P型摻雜層19相對(duì)于層16高的摻雜濃度減小了界面電荷對(duì)終端擊穿電壓的不利影響，提高了終端抗鈍化層界面電荷的能力。上述技術(shù)方案中1、所述重?fù)诫s層15可以是N型重?fù)诫s層，P型重?fù)诫s層或N、P橫向交替的重?fù)诫s層。N型重?fù)诫s層，P型重?fù)诫s層或N、P橫向交替的重?fù)诫s層分別對(duì)應(yīng)不同的器件結(jié)構(gòu)，如 N型重?fù)诫s層對(duì)應(yīng)PN結(jié)二極管等，P型重?fù)诫s層或N、P橫向交替的重?fù)诫s層對(duì)應(yīng)結(jié)緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)等。2、所述P型摻雜層19中還可以具有均勻分布的N型摻雜區(qū)20，所有N型摻雜區(qū) 20在P型摻雜層19中構(gòu)成N型摻雜陣列。通過(guò)N型摻雜陣列的引入，在器件終端表面形成交替的Pn結(jié)，在平行于器件表面的方向進(jìn)一步形成電場(chǎng)調(diào)制作用，從而進(jìn)一步降低器件表面的尖峰電場(chǎng)，使器件表面電場(chǎng)更加均勻，進(jìn)一步提高器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓。3、所述功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)還包括凹槽，所述凹槽位于P型摻雜層19中并延伸入P型摻雜環(huán)21內(nèi)部，且凹槽內(nèi)填充有介質(zhì)材料。由于介質(zhì)相對(duì)于半導(dǎo)體材料高的臨界擊穿電場(chǎng)，通過(guò)介質(zhì)凹槽的引入，可進(jìn)一步提高器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓。凹槽內(nèi)所填充的介質(zhì)材料可以是氧化硅、氮化硅、多晶硅或半絕緣多晶硅等。4、所述P型摻雜環(huán)21的結(jié)深由內(nèi)向外依次降低。在器件擊穿時(shí)，在P型重?fù)诫s區(qū)12與N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)17之間的N—層16中的耗盡層深度是由內(nèi)向外依次逐漸減小的，因此，P型摻雜環(huán)21的結(jié)深由內(nèi)向外依次降低有利于P型摻雜環(huán)在器件擊穿之前全耗盡，從而提高器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓。本發(fā)明提供的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其表面一系列橫向和縱向交替的ρ區(qū)，η區(qū)和槽形結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)、位置、形狀、尺寸以及濃度等可根據(jù)反向耐壓的設(shè)計(jì)要求而相應(yīng)變化。
本發(fā)明所提出的功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓，縮小終端的面積，降低器件的正向?qū)〒p耗。同時(shí)，表面相對(duì)于漂移區(qū)高的摻雜濃度有助于減小界面電荷對(duì)終端擊穿電壓的不利影響，并提高終端抗鈍化層界面電荷的能力；同時(shí)，本發(fā)明提出的功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)與主流的器件制造工藝兼容，不增加器件的制造工藝難度，適用于從小功率到大功率的半導(dǎo)體功率器件和功率集成電路領(lǐng)域。


圖1是現(xiàn)有的場(chǎng)限環(huán)和場(chǎng)板組合結(jié)構(gòu)結(jié)終端示意圖。其中，11是器件有源區(qū)，12 是P+區(qū)，13是金屬化陰極，14是金屬化陽(yáng)極，15是N+區(qū)，16是N—層，17是N+電場(chǎng)截止環(huán)， 18是鈍化層，19是P+場(chǎng)限環(huán)，20是金屬場(chǎng)板。圖2是現(xiàn)有的結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)結(jié)終端示意圖。12是P+區(qū)，13是金屬化陰極，14是金屬化陽(yáng)極，15是N+區(qū)，16是N—層，17是N+電場(chǎng)截止環(huán)，18是鈍化層，19是P+場(chǎng)限環(huán)，19 是P—結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)一，20是P—結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)二。圖3-圖9是本發(fā)明提供的功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)示意圖。其中，12是P+區(qū)，13是金屬化陰極，14是金屬化陽(yáng)極，15是N+區(qū)，16是N—層，17是N+電場(chǎng)截止環(huán)，18是鈍化層，19是表面P區(qū)，20是表面N區(qū)，21是P型摻雜環(huán)，22是凹槽。
具體實(shí)施例方式一種功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，如圖3所示，包括重?fù)诫s層15、位于重?fù)诫s層15背面的金屬化陽(yáng)極14、位于重?fù)诫s層15正面的Ν_層16、Ν_層16頂部與功率半導(dǎo)體器件有源區(qū)相連的P型重?fù)诫s區(qū)1層16頂部遠(yuǎn)離功率半導(dǎo)體器件有源區(qū)的 N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)17、P型重?fù)诫s區(qū)12表面的金屬化陰極13，以及覆蓋除金屬化陰極 14之外的層16表面的鈍化層18 ；其特征在于，所述P型重?fù)诫s區(qū)12與N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)17之間的N—層16頂部具有一層P型摻雜層19 ；所述P型重?fù)诫s區(qū)12與N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)17之間的N—層16內(nèi)部具有若干P型摻雜環(huán)21。上述技術(shù)方案中1、所述重?fù)诫s層15可以是N型重?fù)诫s層，P型重?fù)诫s層或Ν、Ρ橫向交替的重?fù)诫s層。N型重?fù)诫s層，P型重?fù)诫s層或N、P橫向交替的重?fù)诫s層分別對(duì)應(yīng)不同的器件結(jié)構(gòu)，如 N型重?fù)诫s層對(duì)應(yīng)PN結(jié)二極管等，P型重?fù)诫s層或N、P橫向交替的重?fù)诫s層對(duì)應(yīng)結(jié)緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)等。2、所述P型摻雜層19中還可以具有均勻分布的N型摻雜區(qū)20，所有N型摻雜區(qū) 20在P型摻雜層19中構(gòu)成N型摻雜陣列。通過(guò)N型摻雜陣列的引入，在器件終端表面形成交替的Pn結(jié)，在平行于器件表面的方向進(jìn)一步形成電場(chǎng)調(diào)制作用，從而進(jìn)一步降低器件表面的尖峰電場(chǎng)，使器件表面電場(chǎng)更加均勻，進(jìn)一步提高器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓。3、所述功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)還包括凹槽，所述凹槽位于P型摻雜層19中并延伸入P型摻雜環(huán)21內(nèi)部，且凹槽內(nèi)填充有介質(zhì)材料。由于介質(zhì)相對(duì)于半導(dǎo)體材料高的臨界擊穿電場(chǎng)，通過(guò)介質(zhì)凹槽的引入，可進(jìn)一步提高器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓。凹槽內(nèi)所填充的介質(zhì)材料可以是氧化硅、氮化硅、多晶硅或半絕緣多晶硅等。
4、所述P型摻雜環(huán)21的結(jié)深由內(nèi)向外依次降低。在器件擊穿時(shí)，在P型重?fù)诫s區(qū)12與N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)17之間的N_層16中的耗盡層深度是由內(nèi)向外依次逐漸減小的，因此，P型摻雜環(huán)21的結(jié)深由內(nèi)向外依次降低有利于P型摻雜環(huán)在器件擊穿之前全耗盡，從而提高器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓。本發(fā)明提供的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其表面一系列橫向和縱向交替的ρ區(qū)，η區(qū)和槽形結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)、位置、形狀、尺寸以及濃度等可根據(jù)反向耐壓的設(shè)計(jì)要求而相應(yīng)變化。這里以圖6為例，通過(guò)結(jié)終端表面一系列橫向和縱向交替的ρ區(qū)，η區(qū)和槽形結(jié)構(gòu)的形成，在器件終端表面引入三維降低表面電場(chǎng)(3D RESURF)結(jié)構(gòu)。通過(guò)表面3D RESURF 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使器件反向耐壓時(shí)結(jié)終端表面在器件反向擊穿之前全耗盡，使器件的擊穿由表面轉(zhuǎn)入體內(nèi)，從而提高器件結(jié)終端的反向耐壓。該結(jié)構(gòu)由于橫向和縱向交替Pn結(jié)的3D RESURF電場(chǎng)調(diào)制作用，降低了器件表面的尖峰電場(chǎng)，使器件表面電場(chǎng)更加均勻，顯著提高了器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓，縮小了終端的面積，降低了器件的正向?qū)〒p耗。同時(shí)，表面相對(duì)于漂移區(qū)高的摻雜濃度減小了界面電荷對(duì)終端擊穿電壓的不利影響，提高了終端抗鈍化層界面電荷的能力。所提出的結(jié)構(gòu)與主流的器件制造工藝兼容，不增加器件的制造工藝難度。本發(fā)明的其他實(shí)施例子，可以根據(jù)耐壓設(shè)計(jì)的要求，改變橫向和縱向交替的P區(qū)，η區(qū)和槽形結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)、位置、形狀、尺寸以及濃度等，并且可以根據(jù)耐壓設(shè)計(jì)的需求，改變深槽的填充模式深槽可以不填或填充不同的材料，如氧化硅，氮化硅，多晶，SIP0S，金屬等，或前述幾種材料的組合。上述功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有結(jié)終端結(jié)構(gòu)相比，具有更優(yōu)的耐壓特性。可顯著提高器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓，縮小終端的面積，降低器件的正向?qū)〒p耗。同時(shí)，表面相對(duì)于漂移區(qū)高的摻雜濃度減小了界面電荷對(duì)終端擊穿電壓的不利影響，提高了終端抗鈍化層界面電荷的能力，適用于從小功率到大功率的半導(dǎo)體功率器件和功率集成電路領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，包括重?fù)诫s層(15)、位于重?fù)诫s層 (15)背面的金屬化陽(yáng)極(14)、位于重?fù)诫s層(15)正面的N層(16)、N層(16)頂部與功率半導(dǎo)體器件有源區(qū)相連的P型重?fù)诫s區(qū)(1 、N層(16)頂部遠(yuǎn)離功率半導(dǎo)體器件有源區(qū)的N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)(17)、P型重?fù)诫s區(qū)(1 表面的金屬化陰極(13)，以及覆蓋除金屬化陰極(14)之外的N層(16)表面的鈍化層(18)；其特征在于，所述P型重?fù)诫s區(qū)(12) 與N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)(17)之間的N層(16)頂部具有一層P型摻雜層(19)；所述P型重?fù)诫s區(qū)(1 與N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)(17)之間的N層(16)內(nèi)部具有若干P型摻雜環(huán) 01)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述重?fù)诫s層(1 為N型重?fù)诫s層，P型重?fù)诫s層或N、P橫向交替的重?fù)诫s層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述P型摻雜層(19)中還具有均勻分布的N型摻雜區(qū)(20)，所有N型摻雜區(qū)OO)在卩型摻雜層(19)中構(gòu)成N型摻雜陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)還包括凹槽，所述凹槽位于P型摻雜層(19)中并延伸入P型摻雜環(huán)內(nèi)部，且凹槽內(nèi)填充有介質(zhì)材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)還包括凹槽，所述凹槽位于P型摻雜層(19)中并延伸入P型摻雜環(huán)內(nèi)部，且凹槽內(nèi)填充有介質(zhì)材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5述的功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凹槽內(nèi)填充的介質(zhì)材料為氧化硅、氮化硅、多晶硅或半絕緣多晶硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、3或4所述的功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型摻雜環(huán)的結(jié)深由內(nèi)向外依次降低。
全文摘要
一種功率半導(dǎo)體器件的3D-RESURF結(jié)終端結(jié)構(gòu)，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在功率半導(dǎo)體器件的結(jié)終端耐壓區(qū)即與器件有源區(qū)相連的P型重?fù)诫s區(qū)(12)和結(jié)終端遠(yuǎn)端的N型重?fù)诫s電場(chǎng)截止環(huán)(17)之間的N層(16)的頂部引入一層P型摻雜層(19)，內(nèi)部引入若干P型摻雜環(huán)(21)；在P型摻雜層(19)中還可引入均勻分布的N型摻雜區(qū)(20)，在結(jié)終端結(jié)構(gòu)中還可引入位于P型摻雜層(19)中并延伸入P型摻雜環(huán)(21)內(nèi)部的介質(zhì)凹槽。本發(fā)明能夠提高器件結(jié)終端單位長(zhǎng)度的耐壓，縮小終端的面積，降低器件的正向?qū)〒p耗；表面相對(duì)于漂移區(qū)較高的摻雜濃度有助于減小界面電荷對(duì)終端擊穿電壓的不利影響，并提高終端抗鈍化層界面電荷的能力。
文檔編號(hào)H01L29/06GK102214678SQ20111012803
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者張波, 張金平, 李巍, 李澤宏 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)