一種高壓功率器件終端結(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)，特別涉及一種高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，具有位于硅片體內(nèi)的槽和P型保護(hù)環(huán)，體內(nèi)槽與保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)合使得電場峰值從硅片表面轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，終端區(qū)域的擊穿點(diǎn)由硅片表面轉(zhuǎn)移到槽內(nèi)的介質(zhì)層的兩側(cè)。由于介質(zhì)層的臨界擊穿電場(約1e7V/cm)遠(yuǎn)高于硅的臨界擊穿電場(約1e5V/cm)，同時，與P型保護(hù)環(huán)交錯排列的P型浮空島使得P型保護(hù)環(huán)兩側(cè)的電場峰值降低而不減小終端區(qū)的反向阻斷電壓，避免了硅片體內(nèi)PN結(jié)的提前擊穿。
【專利說明】
一種高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)，特別是涉及一種高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓功率半導(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。為了提高高壓功率器件的性能，國內(nèi)外研究者們相繼提出了各種結(jié)構(gòu)，例如超結(jié)結(jié)構(gòu)，溝槽MOS結(jié)合P型保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)等。這些結(jié)構(gòu)用來提高N-漂移區(qū)的摻雜濃度，以減小MOSFET的正向?qū)娮琛?br>[0003]高壓功率器件的設(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)，好的終端設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能有效提高器件的耐壓、降低漏電和提高器件可靠性。傳統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)中，為了使電場集中效應(yīng)被削弱，通常采用了場限環(huán)、場板等技術(shù)使耗盡線在器件表面擴(kuò)展，以提高擊穿電壓。但與此同時，這種終端結(jié)構(gòu)也使得終端表面電場峰值非常高。這些高峰值電場使終端擊穿發(fā)生在器件表面，當(dāng)大量雪崩擊穿電流流經(jīng)器件表面時，對硅一二氧化硅表面產(chǎn)生影響，因而不利于高壓功率器件的穩(wěn)定性和長期可靠性。在高溫反偏的條件下，電荷積累在終端區(qū)域，改變峰值電場形狀，使反向泄露電流增大，降低功率器件的反向阻斷電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的，就是為了解決高壓領(lǐng)域中半導(dǎo)體功率器件反向阻斷狀態(tài)下，終端區(qū)域表面電場峰值較高的問題，提出一種具有低表面電場的高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)，避免擊穿點(diǎn)出現(xiàn)在半導(dǎo)體表面。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案:一種高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)，包括器件過渡終端區(qū)和器件終端；所述器件過渡終端區(qū)和器件終端從下至上依次層疊設(shè)置的陰極電極9、重?fù)诫s單晶硅襯底
1、N-摻雜區(qū)2和N型區(qū)3;器件過渡終端區(qū)的N型區(qū)3和部分器件終端的N型區(qū)3上層具有P型重?fù)诫s區(qū)4;器件過渡終端區(qū)中具有第一溝槽11，所述第一溝槽11沿器件過渡終端區(qū)上表面垂直向下依次貫穿P型重?fù)诫s區(qū)4和N型區(qū)3并延伸至N-摻雜區(qū)2中；所述第一溝槽11中填充有介質(zhì)8，在介質(zhì)8中具有多晶硅7，所述器件過渡終端區(qū)的P型重?fù)诫s區(qū)4上表面具有多晶硅層10，所述多晶硅7與多晶硅層10連接;器件終端中具有多個第二溝槽8，所述第二溝槽8沿器件終端上表面垂直向下依次貫穿P型重?fù)诫s區(qū)4和N型區(qū)3并延伸至N-摻雜區(qū)2中；所述第二溝槽8中填充有介質(zhì)8，在介質(zhì)8中具有多晶硅7;所述第二溝槽8的底部具有P型保護(hù)環(huán)6，所述P型保護(hù)環(huán)6將第二溝槽8位于N-摻雜區(qū)2中的部分包圍；器件終端的N-摻雜區(qū)2中還具有多個浮空P型島結(jié)構(gòu)5，所述浮空P型島結(jié)構(gòu)5位于相鄰的兩個P型保護(hù)環(huán)6之間的下方，浮空P型島結(jié)構(gòu)5與P型保護(hù)環(huán)6呈交錯設(shè)置;器件終端與器件過渡終端區(qū)相連部分的第二溝槽8及其下方的P型保護(hù)環(huán)6，一半位于器件終端中，一半位于器件過渡終端區(qū)中，該第二溝槽8中的多晶硅7與多晶硅層10接觸;完全位于器件終端中的第二溝槽8，其中的多晶硅7部分與位于P型重?fù)诫s區(qū)4上表面的分段的部分多晶硅接觸;器件終端的N型區(qū)3上層遠(yuǎn)離器件過渡終端區(qū)一端具有N型重?fù)诫s區(qū)12;所述N型區(qū)3的摻雜濃度大于N-摻雜區(qū)2的摻雜濃度三個數(shù)量級;所述P型重?fù)诫s區(qū)4的摻雜濃度大于N型區(qū)3的摻雜濃度一到兩個數(shù)量級。
[0006]進(jìn)一步的，所述浮空P型島結(jié)構(gòu)5可為多層結(jié)構(gòu)。
[0007]所述槽內(nèi)填充介質(zhì)層8采用二氧化娃、氮化物、高K介質(zhì)，其厚度為600nm-900nmo
[0008]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，具有位于硅片體內(nèi)的槽11和P型保護(hù)環(huán)6，體內(nèi)槽與保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)合使得電場峰值從硅片表面轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，終端區(qū)域的擊穿點(diǎn)由硅片表面轉(zhuǎn)移到槽內(nèi)的介質(zhì)層8的兩側(cè)。由于介質(zhì)層8的臨界擊穿電場(約le7V/cm)遠(yuǎn)高于娃的臨界擊穿電場(約le5V/cm)，同時，與P型保護(hù)環(huán)6交錯排列的P型浮空島5使得P型保護(hù)環(huán)6兩側(cè)的電場峰值降低而不減小終端區(qū)的反向阻斷電壓，避免了硅片體內(nèi)PN結(jié)的提前擊穿。
【附圖說明】
[0009]圖1是實(shí)施例1所提供的一種具有低表面電場的高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2是傳統(tǒng)場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)在外加反偏電壓時的表面橫向電場分布示意圖；
[0011]圖3是實(shí)施例1所提供的一種具有低表面電場的高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)在外加反偏電壓時表面橫向電場分布不意圖；
[0012]圖4是實(shí)施例1所提供的一種具有低表面電場的高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)在外加反向電壓時耗盡線示意圖以及漂移區(qū)內(nèi)表面電場分布示意圖；
[0013]圖5是在實(shí)施例1結(jié)構(gòu)中不包含浮空P型島結(jié)構(gòu)在外加反偏電壓時漂移區(qū)內(nèi)的縱向電場分布不意圖；
[0014]圖6是實(shí)施例2所提供的一種具有低表面電場的高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖7-圖9是實(shí)施例1所提供的一種具有低表面電場的高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)的制作過程中的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0017]實(shí)施例1
[0018]如圖1所示，本例包括器件過渡終端區(qū)和器件終端;所述器件過渡終端區(qū)和器件終端從下至上依次層疊設(shè)置的陰極電極9、重?fù)诫s單晶硅襯底1、N_摻雜區(qū)2和N型區(qū)3;器件過渡終端區(qū)的N型區(qū)3和部分器件終端的N型區(qū)3上層具有P型重?fù)诫s區(qū)4;器件過渡終端區(qū)中具有第一溝槽11，所述第一溝槽11沿器件過渡終端區(qū)上表面垂直向下依次貫穿P型重?fù)诫s區(qū)4和N型區(qū)3并延伸至N-摻雜區(qū)2中；所述第一溝槽11中填充有介質(zhì)8，在介質(zhì)8中具有多晶硅7，所述器件過渡終端區(qū)的P型重?fù)诫s區(qū)4上表面具有多晶硅層10，所述多晶硅7與多晶硅層10連接;器件終端中具有多個第二溝槽8，所述第二溝槽8沿器件終端上表面垂直向下依次貫穿P型重?fù)诫s區(qū)4和N型區(qū)3并延伸至N-摻雜區(qū)2中；所述第二溝槽8中填充有介質(zhì)8，在介質(zhì)8中具有多晶硅7;所述第二溝槽8的底部具有P型保護(hù)環(huán)6，所述P型保護(hù)環(huán)6將第二溝槽8位于N-摻雜區(qū)2中的部分包圍;器件終端的N-摻雜區(qū)2中還具有多個浮空P型島結(jié)構(gòu)5，所述浮空P型島結(jié)構(gòu)5位于相鄰的兩個P型保護(hù)環(huán)6之間的下方，浮空P型島結(jié)構(gòu)5與P型保護(hù)環(huán)6呈交錯設(shè)置;器件終端與器件過渡終端區(qū)相連部分的第二溝槽8及其下方的P型保護(hù)環(huán)6，一半位于器件終端中，一半位于器件過渡終端區(qū)中，該第二溝槽8中的多晶硅7與多晶硅層10接觸;完全位于器件終端中的第二溝槽8，其中的多晶硅7部分與位于P型重?fù)诫s區(qū)4上表面的分段的部分多晶硅接觸;器件終端的N型區(qū)3上層遠(yuǎn)離器件過渡終端區(qū)一端具有N型重?fù)诫s區(qū)12;所述N型區(qū)3的摻雜濃度大于N-摻雜區(qū)2的摻雜濃度三個數(shù)量級;所述P型重?fù)诫s區(qū)4的摻雜濃度大于N型區(qū)3的摻雜濃度一到兩個數(shù)量級。
[0019]本例的工作原理為:
[0020]器件工作于阻斷狀態(tài)時，元胞區(qū)和終端區(qū)的耐壓原理是不同的，元胞區(qū)只需要考慮垂直方向的耐壓，而終端區(qū)既要考慮垂直方向的耐壓，又要考慮水平方向的耐壓。
[0021 ]垂直方向上，由于槽11內(nèi)的多晶硅8與表面的多晶硅10相連，因此，槽11內(nèi)的多晶硅8與硅片表面的電勢一致。進(jìn)一步地，由于硅片表面的P型重?fù)诫s區(qū)4，使得電場從硅片表面轉(zhuǎn)移到了槽11內(nèi)介質(zhì)層8的側(cè)壁。如圖2所示，是實(shí)施例1的表面橫向電場分布圖，與圖3中所不傳統(tǒng)的場限環(huán)表面橫向電場分布圖相比，實(shí)施例1的娃片表面電場峰值大大降低，大部分電勢的下降由介質(zhì)層8承擔(dān)。由于介質(zhì)層8的臨界擊穿電場(約Ie7V/cm)遠(yuǎn)高于娃的臨界擊穿電場(約le5V/cm)，這使得終端區(qū)的臨界擊穿電場得以提高。同時，P型保護(hù)環(huán)6在槽11拐角的周圍，保護(hù)了槽11的拐角處，避免拐角處的電場集中效應(yīng)。進(jìn)一步地，浮空P島5交錯排列在P型保護(hù)環(huán)6的下方，N型漂移區(qū)內(nèi)的耗盡線分布及縱向電場分布如圖4所示，相較于沒有浮空P島5的終端結(jié)構(gòu)，如圖5所示，E點(diǎn)的電場峰值提高，電場分布圖形由CBID變成了CBGHID，斜率不變，電場線圍成的面積增大，從而提高了終端區(qū)域的擊穿電壓。因此，在相同的終端耐壓條件下，A點(diǎn)的電場峰值可以降低，避免了體內(nèi)PN結(jié)和槽拐角處的提前擊穿。為了實(shí)現(xiàn)更好的耐壓，浮空P島5在反向耐壓下設(shè)計(jì)為完全耗盡狀態(tài)。
[0022]水平方向上，從耗盡區(qū)邊緣到元胞區(qū)的源電極(圖中沒有示出)，電勢由Vds下降到0V。由于重?fù)诫sP型區(qū)的位于硅片表面，表面電場較為平坦，峰值出現(xiàn)在槽與重?fù)诫sP型區(qū)的交界處，如圖6所示。
[0023]實(shí)施例2
[0024]如圖4所示，本例的結(jié)構(gòu)為在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，將浮島結(jié)構(gòu)作為多層，可進(jìn)一步降低終端結(jié)構(gòu)的P型保護(hù)環(huán)兩側(cè)的電場峰值。
[0025]以實(shí)施例1為例，本發(fā)明的一種具有低表面電場的高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)可以用以下方法制備得到，工藝步驟為:
[0026]1、單晶硅準(zhǔn)備。采用N型重?fù)诫s單晶硅襯底2，晶向?yàn)椤?00>。
[0027]2、外延生長。采用氣相外延VPE等方法生長一定厚度和摻雜濃度的N型外延層。
[0028]3、浮空P型島5注入。如圖7所示，刻出浮空P型島5的圖形然后高能硼離子注入，通過調(diào)整注入能量和劑量改變摻雜濃度和結(jié)深。
[0029]4、外延生長。采用氣相外延VPE等方法生長一定厚度和摻雜濃度更高的N型區(qū)3。
[0030]5、槽11刻蝕。如圖8所示，采用離子刻蝕等方法在N型外延層上刻蝕出一定深度和寬度的槽。
[0031]6、P型保護(hù)環(huán)6注入。如圖9所示。
[0032]7、槽11內(nèi)介質(zhì)層淀積。
[0033]8、多晶硅7回填。
[0034]9、化學(xué)機(jī)械拋光。
[0035]10、P型重?fù)诫s區(qū)4注入。光刻出P型重?fù)诫s區(qū)4的圖形然后高能硼離子注入，注入角度可根據(jù)要求改變，通過調(diào)整注入能量和劑量改變摻雜濃度和結(jié)深。
[0036]11、N型重?fù)诫s區(qū)12。光刻出N型重?fù)诫s區(qū)12的圖形然后高能砷離子注入。
[0037]12、終端區(qū)場板制備。在娃片表面淀積一層多晶娃，光刻、刻蝕形成多晶娃場板1。
[0038]13、背面減薄、金屬化，形成陰極I。
[0039]制作器件時，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)】
1.一種高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)，包括器件過渡終端區(qū)和器件終端;所述器件過渡終端區(qū)和器件終端從下至上依次層疊設(shè)置的陰極電極(9)、重?fù)诫s單晶硅襯底(1)、N-摻雜區(qū)(2)和N型區(qū)(3);器件過渡終端區(qū)的N型區(qū)(3)和部分器件終端的N型區(qū)(3)上層具有P型重?fù)诫s區(qū)(4);器件過渡終端區(qū)中具有第一溝槽(11)，所述第一溝槽(11)沿器件過渡終端區(qū)上表面垂直向下依次貫穿P型重?fù)诫s區(qū)(4)和N型區(qū)(3)并延伸至N-摻雜區(qū)(2)中；所述第一溝槽(11)中填充有介質(zhì)(8)，在介質(zhì)(8)中具有多晶硅(7)，所述器件過渡終端區(qū)的P型重?fù)诫s區(qū)(4)上表面具有多晶硅層(10)，所述多晶硅(7)與多晶硅層(10)連接;器件終端中具有多個第二溝槽(8)，所述第二溝槽(8)沿器件終端上表面垂直向下依次貫穿P型重?fù)诫s區(qū)(4)和N型區(qū)(3)并延伸至N-摻雜區(qū)(2)中；所述第二溝槽(8)中填充有介質(zhì)(8)，在介質(zhì)(8)中具有多晶硅(7);所述第二溝槽(8)的底部具有P型保護(hù)環(huán)(6)，所述P型保護(hù)環(huán)(6)將第二溝槽(8)位于N-摻雜區(qū)(2)中的部分包圍；器件終端的N-摻雜區(qū)(2)中還具有多個浮空P型島結(jié)構(gòu)(5)，所述浮空P型島結(jié)構(gòu)(5)位于相鄰的兩個P型保護(hù)環(huán)(6)之間的下方，浮空P型島結(jié)構(gòu)(5)與P型保護(hù)環(huán)(6)呈交錯設(shè)置;器件終端與器件過渡終端區(qū)相連部分的第二溝槽(8)及其下方的P型保護(hù)環(huán)(6)，一半位于器件終端中，一半位于器件過渡終端區(qū)中，該第二溝槽(8)中的多晶硅(7)與多晶硅層(10)接觸;完全位于器件終端中的第二溝槽(8)，其中的多晶硅(7)部分與位于P型重?fù)诫s區(qū)(4)上表面的分段的部分多晶硅接觸;器件終端的N型區(qū)(3)上層遠(yuǎn)離器件過渡終端區(qū)一端具有N型重?fù)诫s區(qū)(12);所述N型區(qū)(3)的摻雜濃度大于N-摻雜區(qū)(2)的摻雜濃度三個數(shù)量級;所述P型重?fù)诫s區(qū)(4)的摻雜濃度大于N型區(qū)(3)的摻雜濃度一到兩個數(shù)量級。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓功率器件終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述浮空P型島結(jié)構(gòu)(5)可為多層結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01L29/06GK106024863SQ201610480723
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】李澤宏, 李爽, 陳文梅, 陳哲, 曹曉峰, 李家駒, 羅蕾, 任敏
【申請人】電子科技大學(xué)