一種功率器件結終端結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及功率半導體【技術領域】，特別涉及一種能夠提高抗總劑量輻照能力的結終端結構。本發(fā)明主要在場限環(huán)上方兩側設置不同厚度的場氧化層，并且環(huán)上方兩側均存在多晶硅場板，由于多晶硅場板下方的場氧化層厚度存在差異，因而兩側多晶硅場板在縱向上存在高度差，該交錯形成的多晶硅場板結構與其下方場氧化層結構形成了具有電容作用的結構，重新分布削弱了由于總劑量輻照在右側場板下方的電場形成的疊加作用，故而使得結終端在總劑量輻照后的耐壓能力有一定提高。本發(fā)明在不增加結終端面積的前提下，提高了器件抗總劑量輻照能力，使得由于輻照引起的耐壓下降減少，滿足在大功率以及復雜環(huán)境應用下的需求。本發(fā)明尤其適用于功率半導體器件。
【專利說明】
一種功率器件結終端結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于功率半導體【技術領域】，特別涉及一種能夠提高抗總劑量輻照能力的結終端結構。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)代高壓功率半導體器件如IGBT，VDMOS等產品，由于其開關速度快，工作頻率高，因而在相關領域的應用越來越廣泛。自結終端技術發(fā)展以來，多種結構，諸如場限環(huán)、場板、深槽、結終端擴展技術都得到較大發(fā)展，在優(yōu)化器件表面擊穿特性方面已經取得了較大的進展。對于一般器件的結終端結構，其一般由場限環(huán)和場板的組合形成。該方法結構簡單，實施方便，能夠較好的提高功率半導體器件的耐壓能力。而在功率半導體器件的諸多應用中，其中不少涉及到如空天應用等輻照環(huán)境，在輻照環(huán)境中工作的功率器件將受到輻照帶來的總劑量效應等影響。總劑量輻射將會使得整個器件包括結終端結構的氧化層部分產生較多的正電荷積累以及在S1-S12界面處產生界面態(tài)，從而導致結終端的耐壓特性受到嚴重影響。在通常的場限環(huán)與場板組合結構的優(yōu)化中，主要是優(yōu)化環(huán)寬與環(huán)間距，而該方法在高壓大功率器件的抗輻照方面效果并不十分理想，輻照對于結終端耐壓的影響依然十分嚴重。
[0003]一種傳統(tǒng)的場限環(huán)-場板結終端結構，如圖1所示:其具有典型的場限環(huán)與場板混合結構，以主結位于左側為例，其多晶硅場板位于場限環(huán)上方右側處，這種常規(guī)的結終端結構相對簡單，當外加電壓時，主結處的電場較高，而場限環(huán)與場板的存在使得該電場尖峰得以削弱，并向右延展，提高結終端的耐壓能力。盡管該傳統(tǒng)結構的結終端能較高效的完成所需求的耐壓能力，然而，當處于輻照環(huán)境中時，總劑量輻照將會使得整個器件包括結終端結構的氧化層部分產生較多的正電荷積累以及在S1-S12界面處產生界面態(tài)，由于該結構大量的氧化層結構，及大面積的S1-S12界面，從而導致在輻照下引入的電荷積累形成的電場與常態(tài)下的電場尖峰相疊加，故而其耐壓特性表現(xiàn)并不好。針對這些問題研宄者們提出了諸如超長場板、結終端擴展等方式來提升其抗輻照特性。然而，這些方式所提升的總劑量輻照后的耐壓能力非常有限，并且犧牲了較多的器件面積，并使得整體結構以及適用條件更加復雜化，導致實際效果并不理想。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的，就是針對實際的應用中，目前的功率器件承受總劑量輻照后，結終端耐壓下降較明顯的問題，提出一種能夠改進其總劑量輻照后耐壓特性的功率器件結終端結構。
[0005]本發(fā)明的技術方案:如圖2所示，一種功率器件結終端結構，包括襯底I和多個間隔設置在襯底I上層的場限環(huán)2 ;所述場限環(huán)2上表面靠近主結的一側連接第一場氧化層7，其上表面另一側連接第二場氧化層3 ;所述第二場氧化層3的厚度大于第一場氧化層7的厚度；所述第一場氧化層7上表面具有第一多晶硅場板8 ;所述第二場氧化層3上表面具有第二多晶娃場板4 ;所述第一多晶娃場板8和第二多晶娃場板4上表面具有介質層5 ;所述介質層5上表面具有金屬場板6 ;所述金屬場板6與第一多晶娃場板8和第二多晶娃場板4連接形成等勢結構，還通過場限環(huán)2上的接觸孔與襯底I連接。
[0006]本發(fā)明的有益效果為，在不增加結終端面積的前提下，提高了器件抗總劑量輻照能力，使得由于輻照引起的耐壓下降減少，滿足在大功率以及復雜環(huán)境應用下的需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是傳統(tǒng)器件的結終端示意圖；
[0008]圖2是本發(fā)明器件的結構示意圖；
[0009]圖3是總劑量福照后電荷積累效應圖；
[0010]圖4是兩側場板電場分布原理圖；
[0011]圖5是本發(fā)明器件各部分數據標定示意圖；
[0012]圖6是本發(fā)明與傳統(tǒng)結終端結構200krad(Si)總劑量輻照后的耐壓曲線對照圖；
[0013]圖7是本發(fā)明所闡述結終端結構與傳統(tǒng)結終端結構在不同總劑量輻照劑量下的耐壓特性對比圖；
[0014]圖8是左側場氧化層厚度差異對于結終端抗總劑量輻照耐壓的影響；
[0015]圖9是左右兩側場板長度不同對于輻照后結終端耐壓的影響；
[0016]圖10是左側場板長度變化時總劑量輻照后結終端耐壓與傳統(tǒng)結終端器件的對比示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述
[0018]如圖2所示，本發(fā)明的功率器件結終端結構，包括襯底I和多個間隔設置在襯底I上層的場限環(huán)2 ;所述場限環(huán)2上表面靠近主結的一側連接第一場氧化層7，其上表面另一側連接第二場氧化層3 ;所述第二場氧化層3的厚度大于第一場氧化層7的厚度；所述第一場氧化層7上表面具有第一多晶硅場板8 ;所述第二場氧化層3上表面具有第二多晶硅場板4 ;所述第一多晶娃場板8和第二多晶娃場板4上表面具有介質層5 ;所述介質層5上表面具有金屬場板6 ;所述金屬場板6與第一多晶硅場板8和第二多晶硅場板4連接形成等勢結構，還通過場限環(huán)2上的接觸孔與襯底I連接。
[0019]本發(fā)明相比于如圖1所示的傳統(tǒng)結終端，特點在于場限環(huán)2上方兩側具有不同厚度的場氧化層，并且環(huán)上方兩側均存在多晶硅場板，由于多晶硅場板下方的場氧化層厚度存在差異，因而兩側多晶娃場板在縱向上存在尚度差。此外，需要說明的是，尚度不同的兩側多晶硅場板在橫向上可以相互交疊，也可以具有一定間距，從而盡可能的削弱總劑量輻照所誘生的電荷對于結終端耐壓能力的影響。并且對于更為簡化的工藝而言，可以采用兩側厚度相同的場氧化層，對于此類情況，由于兩側多晶硅場板在縱向上高度一致，因此其需要在橫向上保持一定間距，以避免電力線在場板交接處的集中嚴重影響到結終端的耐壓特性。以上所衍生出的各種類型的場板結構以及其兩側多晶硅場板所對應的橫向及縱向間距均可根據不同實際需求進行調整。
[0020]本發(fā)明的工作原理為:
[0021]在通常情況下，在環(huán)末端多晶硅場板位置，電場強度具有峰值，然而，當結終端受到總劑量輻射時，輻照所產生的電荷積累效應會在場氧化層中形成正電荷積累，如圖3所示，并且在S1-S12界面引入界面電荷。此時這些由于總劑量輻照引起的正電荷所形成的電場與常態(tài)下結終端中的尖峰電場相疊加，即形成更高的峰值電場，從而使得結終端結構的耐壓降低。在本發(fā)明中，由于左右側場氧化層厚度不同，并且場限環(huán)上方兩側均存在多晶硅層，該交錯形成的多晶硅場板結構與其下方場氧化層結構形成了具有電容作用的結構。如圖4所示，由于左側場板的引入，使得表面以及場氧化層中電場重新分布，此時由于場板的等位作用，右側場板下方的電場方向是由S1-S12界面指向場板，然而左側場板下方的電場方向由場板指向S1-S12界面，故而右側場板下由于輻照產生的電荷積累使得場板下方的電場峰值提高，而左側場板的存在則在一定程度上抵消了這種不利影響，因此該處電場的重新分布削弱了由于總劑量輻照在右側場板下方的電場形成的疊加作用，故而使得結終端在總劑量輻照后的耐壓能力有一定提高。此外，兩側場板之間的橫向及縱向間距對于結終端在通常情況下以及總劑量輻照后的耐壓特性均有較大影響，更短的間距會導致兩側場板間的交接位置處電場過于集中，嚴重影響到其耐壓特性，更長的橫向間距也會導致場板長度相應減小從而使得場板的作用遭到削弱。故而其具體數值需根據實際情況具體選擇。
[0022]如圖5所示，分別標明了場限環(huán)2，第一場氧化層7、第二場氧化層3，第一多晶硅場板8、第二多晶硅場板6，介質層(BPSG) 5、金屬場板6在硅片I上的大致位置，其中第一場氧化層7厚度為h，第二場氧化層3厚度為H，其兩側厚度差為L = H-h。左側poly場板長度為d，右側poly場板長度為D。
[0023]對于該發(fā)明在抗總劑量輻照方面所起到的具體影響，進行了仿真分析。圖6示出了本發(fā)明所述結構與傳統(tǒng)結終端結構在200krad(Si)的總劑量輻照后的耐壓曲線對比圖，可以看出，本發(fā)明所述結終端結構在總劑量輻照后達到了 1450V左右的耐壓能力，相比于傳統(tǒng)的單純右側場板結構的935V左右的耐壓有大幅提高。圖7所示為本發(fā)明所闡述結終端結構與傳統(tǒng)結終端結構分別在不同劑量的總劑量輻照下的耐壓情況，可見，當外加總劑量輻照影響后，兩者的耐壓都有不同程度的下降，而其中傳統(tǒng)結終端結構在受到總劑量輻照后耐壓下降更為迅速，即本發(fā)明闡述的結終端在總劑量輻照的影響后耐壓特性退化更小。圖8所示為兩側氧化層厚度H-h的變化對于總劑量輻照后耐壓的影響，當左側場氧化層厚度h從1700nm減薄到500nm時，耐壓在整體上有近似線性的上升趨勢，最終達到1400V左右?？梢姡斪髠葓霭搴穸?，即h值較小時，結終端稍微具有更優(yōu)秀的抗輻照特性。圖9所示為兩側多晶硅場板對于結終端耐壓特性的影響，如圖所示，分別展示了右側多晶硅場板長度為10um、12um以及14um時結終端耐壓能力隨著左側多晶硅場板長度的變化情況，其中輻照劑量為200krad(Si)。由圖8可以看出，右側場板長度更長時，會使得結終端總劑量輻照后耐壓略有增加，最高達到了 1580V左右，而對于左側poly場板而言，可見當其長度增加時，耐壓會有較小的升高，然后有較大的回落，其主要原因在于由于左側場板的引入，使得表面以及場氧化層中電場重新分布，此時由于場板的等位作用，故而右側場板下由于輻照產生的電荷積累使得場板下方的電場峰值提高，而左側場板的存在則在一定程度上抵消了這種不利影響，因此該處電場的重新分布削弱了由于總劑量輻照在右側場板下方的電場形成的疊加作用，故而使得結終端在總劑量輻照后的耐壓能力有一定提高。不過在該情況中，當左側場板過于長時，會使得左右兩側場板橫向間距減小，導致電場過于集中，從而使得耐壓嚴重退化，故而兩側場板間距的優(yōu)值選擇為:F = 4um?5um。另外，圖10將圖1所展示的一種傳統(tǒng)結終端結構的抗輻照耐壓特性與本發(fā)明中的雙側場板類型結終端結構的抗輻照耐壓特性進行了對比，其中虛線為同等參數情況下的傳統(tǒng)單側場板結終端的抗輻照耐壓值，輻照劑量均為200krad(Si)。可見，當右側場板長度不變而左側場板長度增加時其值先有較小增加，然后快速減小，在其峰值處，具有約1560V左右的耐壓，而此時常規(guī)類型的僅有右側場板的結終端僅有950V左右，因此該結構使得在200krad (Si)總劑量輻照后的結終端相比傳統(tǒng)結構的耐壓能力有較大的提升，故而本發(fā)明所述雙側場板結終端有相對更好的抗總劑量輻照能力。
[0024]綜上，本發(fā)明的有益效果主要包括:在現(xiàn)有技術方法上，有效提高其抗總劑量輻照的耐壓能力。通過在場限環(huán)上方兩側采用厚度不同的場氧化層，并引入雙側多晶硅場板，使其間距保持優(yōu)值，一方面使得總劑量輻照后的電場情況重新分布，弱化電場集中效應對于結終端耐壓造成的影響，另一方面對于總劑量所可能引入的電荷積累起到一定的屏蔽作用。通過改變該場板的長度以及橫向及縱向間距可以調整其耐壓，根據實際使用情況使得結終端在總劑量輻照后有相對較高耐壓。
【權利要求】
1.一種功率器件結終端結構，包括襯底⑴和多個間隔設置在襯底⑴上層的場限環(huán)(2)；所述場限環(huán)(2)上表面靠近主結的一側連接有第一場氧化層(7),其上表面另一側連接有第二場氧化層(3)；所述第二場氧化層(3)的厚度大于第一場氧化層(7)的厚度；所述第一場氧化層(7)上表面具有第一多晶硅場板(8)；所述第二場氧化層(3)上表面具有第二多晶硅場板(4)；所述第一多晶硅場板(8)和第二多晶硅場板(4)上表面具有介質層(5)；所述介質層(5)上表面具有金屬場板(6)；所述金屬場板(6)與第一多晶硅場板(8)和第二多晶硅場板(4)連接形成等勢結構，還通過場限環(huán)(2)上的接觸孔與襯底(1)連接。
【文檔編號】H01L29/06GK104505401SQ201410787496
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權日:2014年12月18日
【發(fā)明者】陳萬軍, 古云飛, 劉超, 程武, 李震洋, 張波 申請人:電子科技大學