CN102969356B

CN102969356B - 一种超结功率器件终端结构

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Publication number: CN102969356B
Application number: CN201210443873.0A
Authority: CN
Inventors: 任敏; 李果; 宋询奕; 张鹏; 王娜; 邓光敏; 夏小军; 张蒙; 李泽宏; 张金平; 张波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: CN102969356A

Abstract

一种超结功率器件的终端结构，属于半导体功率器件技术领域。包括器件元胞和器件终端；器件元胞漂移区由交替相间的P柱区和N柱区构成超结结构；器件终端包括过渡终端区和耐压终端区；所述过渡终端区处于器件元胞和耐压终端区之间；过渡终端区具有与元胞相同的超结结构，耐压终端区的超结结构中P柱区和N柱区的掺杂浓度小于器件元胞的超结结构中P柱区和N柱区的掺杂浓度。本发明实际是元胞和终端采用不同的漂移区掺杂浓度。元胞区采用高掺杂漂移区获得低比导通电阻，终端区适当采用较低的掺杂浓度获得高耐压。采用该结构能够在和常规超结终端结构面积相同的情况下获得更高的耐压，或者在相同耐压的情况下具有比常规超结结构更小的面积。

Description

一种超结功率器件终端结构

技术领域

一种超结功率器件终端结构，属于半导体功率器件技术领域。

背景技术

超结MOSFET是近年来出现的一种重要的功率器件，它的基本原理是电荷平衡原理，通过在普通功率MOSFET的漂移区中引入超结结构，大大改善了普通MOSFET的导通电阻与击穿电压之间的折中关系，因而在功率***中获得了广泛的应用。基本的超结结构为交替相间的p柱和n柱，并且p、n柱严格满足电荷平衡条件。在反向偏压下，由于横向电场和纵向电场的相互作用，p柱区和n柱区将完全耗尽，耗尽区内纵向电场分布趋于均匀，因而理论上击穿电压仅仅依赖于耐压层的厚度，与掺杂浓度无关，因为耐压层掺杂浓度可以提高将近一个数量级，从而有效地降低了器件的导通电阻。

功率器件设计要考虑的一个重要问题是结终端结构的设计，好的结终端能有效提高器件耐压、降低漏电和提高器件可靠性。传统结构的终端技术中，为了使主结弯曲处的电场集中效应被削弱，通常采用了场限环、场板等技术提高击穿电压。由于超结器件特殊的元胞结构，漂移区的浓度较高，漂移区的厚度较小，普通的高压功率器件的终端结构不再适合超结器件。目前应用最广泛的超结结构如附图2所示，将超结器件的终端结构分成两部分：过渡区域II和终端区域III，两部分通常采用与元胞部分I相同的超结结构，主要依据的设计原理仍然是超结的耐压原理。

由于比导通电阻是MOSFET的重要参数，因此超结MOSFET的元胞部分通常采用掺杂浓度较高的漂移区以获得低比导通电阻。而终端部分在器件工作时并不提供电流通路，只在反向耐压时起作用，因此我们关注的是其耐压和面积，希望在尽量小的面积下实现高耐压。因此，附图2所示的常规超结终端结构，采用和元胞相同的高掺杂浓度的漂移区，实际上对于减小终端面积，提高终端耐压是不利的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高超结功率器件耐压的新型超结功率器件的终端结构。该终端结构能够在和常规超结终端结构面积相同的情况下获得更高的耐压，或者在相同耐压的情况下具有比常规超结结构更小的面积。

本发明的核心思想是超结功率器件的元胞和终端采用不同的掺杂浓度。元胞区采用高掺杂漂移区获得低比导通电阻，适当降低终端区的掺杂浓度，获得高耐压。如图1所示，本发明提出的终端分为：过渡区Ⅱ、终端区Ⅲ。过渡区Ⅱ的两种导电类型的区域采用同元胞区Ⅰ相同的宽度和掺杂浓度，满足电荷平衡条件；终端区Ⅲ采用较低的漂移区掺杂浓度，使终端最后一个环的耗尽区能充分扩展，提高终端耐压。

本发明技术方案如下：

一种超结功率器件的终端结构，如图1所示，包括器件元胞Ⅰ和器件终端；所述器件元胞I的漂移区由交替相间的P柱区半导体和N柱区半导体构成超结结构。所述器件终端包括两个部分：过渡终端区Ⅱ和耐压终端区Ⅲ；所述过渡终端区Ⅱ处于器件元胞Ⅰ和耐压终端区Ⅲ之间，过渡终端区Ⅱ的宽度尺寸小于耐压终端区Ⅲ的宽度尺寸；过渡终端区Ⅱ由交替相间的P柱区半导体和N柱区半导体构成超结结构，且过渡终端区Ⅱ的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度与器件元胞Ⅰ的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度相同；耐压终端区Ⅲ同样由交替相间的P柱区半导体和N柱区半导体构成超结结构，但耐压终端区Ⅲ的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度小于器件元胞Ⅰ的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度。

下面以N型超结MOSFET器件终端为例，说明本发明的工作原理：

当源极接地，漏接高压，栅极电压大于阈值电压时，超结MOSFET导通。此时，只有元胞区工作，终端区域不工作。器件的比导通电阻很大程度上决定于元胞区的漂移区掺杂浓度和厚度。

当栅极和源极接地，漏极接高电位时，器件处于阻断状态，元胞区域由漂移区的超结结构承受高压。终端区域与元胞区域的差异在于：终端部分既要考虑垂直方向的耐压，也要考虑水平方向的耐压，垂直方向的耐压原理与元胞类似，而水平方向上的耐压机理类似于平面结的场限环结构。图3为超结终端耗尽区的示意图，其中1为N型漂移区，2为P型柱，3为P型体区，4为源电极，5为氧化层。在水平方向，从耗尽区边缘6到源电极4处，电位从漏端电压Vd降到0V。图4所示为超结终端水平方向的电场分布示意图，横坐标为终端水平方向的长度，纵坐标为电场强度。电场峰值出现在P/N结处，电场的斜率由P柱和N柱（N型漂移区）的掺杂浓度决定。实线1为常规超结终端的电场分布图，当水平方向的峰值电场Emax过高时会造成终端表面的击穿，迅速降低终端耐压。要降低峰值电场强度，通常采用的方法是增加P柱的数目，以降低每个P/N结承受的电压，但这样会增加终端的面积。并且P柱的数目增加到一定的程度，终端结构的耐压将达到饱和，无法再提升。虚线2是本发明提出的新型终端结构的电场分布图，通过降低终端部分N型漂移区的掺杂浓度，改变电场的斜率。可以看到，在同样的终端面积（即相同的P柱数目）下，虚线2与x轴围成的面积（即耐压）更大。

为了验证该发明的有益效果，以N型超结MOSFET终端为例，利用器件仿真软件medici进行了模拟。图5.1是所示为本发明提供的超结功率器件终端在击穿时的耗尽区分布、雪崩电流分布。该结构中，器件元胞Ⅰ含半个元胞，过渡终端区Ⅱ含一个P型柱，耐压终端区Ⅲ含三个P型柱。元胞Ⅰ和过渡终端区Ⅱ的N柱区（由N型外延层构成）的掺杂浓度为4×10¹⁵cm^-3，耐压终端区Ⅲ的N柱区（由N型外延层构成）的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3，元胞I、过渡终端区Ⅱ和耐压终端区Ⅲ的P型柱的掺杂浓度为4×10¹⁵cm^-3。P型柱宽度为2微米，间距为2微米，深度为8微米。图5.2是图5.1中超结功率器件终端结构反偏时的I-V特性曲线，击穿电压为157伏。图5.3是常规N型超结功率器件终端结构在击穿时的耗尽区分布、雪崩电流分布。该结构中，器件元胞含半个元胞，终端区共含四个P型柱。器件元胞和器件终端的N型外延层的掺杂浓度均为4×10¹⁵cm^-3，P型柱的掺杂浓度均为4×10¹⁵cm^-3。P型柱宽度为2微米，间距为2微米，深度为8微米。图5.4是图5.3中常规N型超结功率器件终端结构反偏时的I-V特性曲线，击穿电压为138伏。通过四个图的比较可以看出，本发明提出的一种超结功率器件终端结构的耗尽区扩展明显比常规终端结构更宽，因而可以承受更高的耐压。

附图说明

图1是本发明提供的超结功率器件终端结构示意图。

其中Ⅰ是超结功率器件元胞，Ⅱ是过渡区终端，Ⅲ是耐压区终端区。

图2是常规超结功率器件终端结构示意图，其中器件终端没有区分为过渡终端区和耐压终端区。

图3是本发明提供的超结功率器件终端耗尽区的示意图，其中1为N型漂移区，2为P型柱，3为P型体区，4为源电极，5为氧化层，6为耗尽区边缘。在水平方向，从耗尽区边缘（6）到源电极（4）处，电位从漏端电压（Vd）降到0V。

图4所示为本发明提供的超结功率器件终端水平方向的表面一维电场分布示意图，横坐标为终端水平方向的长度，纵坐标为电场强度。实线1为常规超结终端的电场分布图，虚线2是本发明提出的新型终端结构的电场分布图。

图5.1-图5.4所示为所示为本发明提供的超结功率器件终端用器件仿真软件medici模拟的结果。

图5.1是所示为本发明提供的超结功率器件终端在击穿时的耗尽区分布、雪崩电流分布。该结构中，器件元胞Ⅰ含半个元胞，过渡终端区Ⅱ含一个P型柱，耐压终端区Ⅲ含三个P型柱。元胞Ⅰ和过渡终端区Ⅱ的N柱区（由N型外延层构成）的掺杂浓度为4×10¹⁵cm^-3，耐压终端区Ⅲ的N柱区（由N型外延层构成）的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3，元胞Ⅰ、过渡终端区Ⅱ和耐压终端区Ⅲ的P型柱的掺杂浓度为4×10¹⁵cm^-3。P型柱宽度为2微米，间距为2微米，深度为8微米。

图5.2是图5.1中超结功率器件终端结构反偏时的I-V特性曲线，击穿电压为157伏。

图5.3是常规N型超结功率器件终端结构在击穿时的耗尽区分布、雪崩电流分布。该结构中，器件元胞含半个元胞，终端区共含四个P型柱。器件元胞和器件终端的N型外延层的掺杂浓度均为4×10¹⁵cm^-3，P型柱的掺杂浓度均为4×10¹⁵cm^-3。P型柱宽度为2微米，间距为2微米，深度为8微米。

图5.4是图5.3中常规N型超结功率器件终端结构反偏时的I-V特性曲线，击穿电压为138伏。

图6是本发明提供的一种超结终端结构，其中Ⅰ是器件元胞，Ⅱ是过渡终端区，Ⅲ是耐压终端区。其中耐压终端区Ⅲ中的P型柱区半导体之间的间距是非均匀的。

图7是本发明提供的一种超结终端结构，其中Ⅰ是器件元胞区，Ⅱ是过渡终端区，Ⅲ是耐压终端区，在耐压终端区Ⅲ中的P柱区半导体上方增加了多晶场板。。

具体实施方式

一种超结功率器件的终端结构，如图1所示，包括器件元胞Ⅰ和器件终端；所述器件元胞Ⅰ的漂移区由交替相间的P柱区半导体和N柱区半导体构成超结结构。所述器件终端包括两个部分：过渡终端区Ⅱ和耐压终端区Ⅲ；所述过渡终端区Ⅱ处于器件元胞Ⅰ和耐压终端区Ⅲ之间，过渡终端区Ⅱ的宽度尺寸小于耐压终端区Ⅲ的宽度尺寸；过渡终端区Ⅱ由交替相间的P柱区半导体和N柱区半导体构成超结结构，且过渡终端区Ⅱ的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度与器件元胞Ⅰ的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度相同；耐压终端区Ⅲ同样由交替相间的P柱区半导体和N柱区半导体构成超结结构，但耐压终端区Ⅲ的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度小于器件元胞Ⅰ的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度。

下面以N型超结MOSFET器件终端为例，说明本发明的工作原理：

为了验证该发明的有益效果，以N型超结MOSFET终端为例，利用器件仿真软件medici进行了模拟。图5.1是所示为本发明提供的超结功率器件终端在击穿时的耗尽区分布、雪崩电流分布。该结构中，器件元胞Ⅰ含半个元胞，过渡终端区Ⅱ含一个P型柱，耐压终端区Ⅲ含三个P型柱。元胞Ⅰ和过渡终端区Ⅱ的N柱区（由N型外延层构成）的掺杂浓度为4×10¹⁵cm^-3，耐压终端区Ⅲ的N柱区（由N型外延层构成）的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3，元胞Ⅰ、过渡终端区Ⅱ和耐压终端区Ⅲ的P型柱的掺杂浓度为4×10¹⁵cm^-3。P型柱宽度为2微米，间距为2微米，深度为8微米。图5.2是图5.1中超结功率器件终端结构反偏时的I-V特性曲线，击穿电压为157伏。图5.3是常规N型超结功率器件终端结构在击穿时的耗尽区分布、雪崩电流分布。该结构中，器件元胞含半个元胞，终端区共含四个P型柱。器件元胞和器件终端的N型外延层的掺杂浓度均为4×10¹⁵cm^-3，P型柱的掺杂浓度均为4×10¹⁵cm^-3。P型柱宽度为2微米，间距为2微米，深度为8微米。图5.4是图5.3中常规N型超结功率器件终端结构反偏时的I-V特性曲线，击穿电压为138伏。通过四个图的比较可以看出，本发明提出的一种超结功率器件终端结构的耗尽区扩展明显比常规终端结构更宽，因而可以承受更高的耐压。

在具体实施过程中，可以根据具体情况，在基本结构不变的情况下，进行一定的变通设计。如耐压终端区Ⅲ的P柱区半导体或N柱区半导体的宽度与器件元胞中P柱区半导体或N柱区半导体的宽度相同或不相同，耐压终端区Ⅲ的P柱区半导体或N柱区半导体的间距与器件元胞中P柱区半导体或N柱区半导体的间距相同或不相同。图6所示即为耐压终端区Ⅲ的P柱区半导体或N柱区半导体的间距与器件元胞中P柱区半导体或N柱区半导体的间距不相同的情况。另外，耐压终端区Ⅲ的P柱区上方也可增加金属或多晶场板结构。

本领域技术人员应当知道，本发明提供的超结功率器件的终端结构可以适用于不同种类功率器件，即只要改变器件元胞结构，如采用超结MOSFET器件元胞、超结IGBT器件元胞或超结二极管器件元胞结构，本发明即可成为不同超结功率器件的终端。

Claims

1.一种超结功率器件的终端结构，包括器件元胞（Ⅰ）和器件终端；所述器件元胞（Ⅰ）的漂移区由交替相间的P柱区半导体和N柱区半导体构成超结结构；其特征在于，所述器件终端包括两个部分：过渡终端区（Ⅱ）和耐压终端区（Ⅲ）；所述过渡终端区（Ⅱ）处于器件元胞（Ⅰ）和耐压终端区（Ⅲ）之间，过渡终端区（Ⅱ）的宽度尺寸小于耐压终端区（Ⅲ）的宽度尺寸；过渡终端区（Ⅱ）由交替相间的P柱区半导体和N柱区半导体构成超结结构，且过渡终端区（Ⅱ）的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度与器件元胞（Ⅰ）的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度相同；耐压终端区（Ⅲ）同样由交替相间的P柱区半导体和N柱区半导体构成超结结构，但耐压终端区（Ⅲ）的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度小于器件元胞（Ⅰ）的超结结构中P柱区半导体和N柱区半导体的掺杂浓度。

2.根据权利要求1所述的超结功率器件的终端结构，其特征在于，所述器件元胞结构为超结MOSFET器件元胞、超结IGBT器件元胞或超结二极管器件元胞。

3.根据权利要求1或2所述的超结功率器件的终端结构，其特征在于，所述耐压终端区（Ⅲ）的P柱区半导体或N柱区半导体的宽度与器件元胞中P柱区半导体或N柱区半导体的宽度相同或不相同。

4.根据权利要求1或2所述的超结功率器件的终端结构，其特征在于，所述耐压终端区（Ⅲ）的P柱区半导体或N柱区半导体的间距与器件元胞中P柱区半导体或N柱区半导体的间距相同或不相同。

5.根据权利要求1或2所述的超结功率器件的终端结构，其特征在于，所述耐压终端区（Ⅲ）的P柱区半导体上方还具有金属或多晶场板。