CN108389892B - 一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体功率器件领域，涉及横向耐压区，具体提供一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，应用于半导体功率器件的结边缘终端或者横向半导体功率器件包括L DMOS(Lateral Double‑Diffused MOSFET)、LIGBT(Lateral Insulated Gate Bipolar Transis tor)。本发明通过调整P型漂移区和/或N型漂移区的纵向剂量分布，主动为深槽电容提供恰当的沿纵向非均匀分布的感应电荷，从而使得完全耗尽时的P型漂移区以及N型漂移区为深槽电容提供相应电荷之后，剩余电荷的分布是电荷平衡的；基于此，本发明能够在不影响其它参数的同时，提高深槽型横向耐压区的击穿电压，进而提高器件的击穿电压。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件领域，涉及横向耐压区，特别是具有深槽结构的横向耐压区；可应用于半导体功率器件的结边缘终端，或者横向半导体功率器件包括LDMOS(Lateral Double-Diffused MOSFET)、LIGBT(Lateral Insulated Gate BipolarTransistor)的耐压区。
背景技术
具有横向耐压区的半导体功率器件，如LDMOS(Lateral Double-DiffusedMOSFET，LDMOS)等，由于易集成、易驱动、高耐压、低功耗等特点，在功率集成芯片上得到了广泛应用；但这些器件为了维持较高的耐压，通常需要占用很大的芯片表面积，从而增加芯片制造成本。
具有深槽结构的横向耐压区，是在器件表面利用填充绝缘介质的深槽代替传统半导体材料例如硅进行耐压；因为绝缘介质的临界击穿场强一般远远高于硅的临界击穿场强，所以与硅材料承受相同的电压时，绝缘介质的长度更小，器件的表面积大为缩减。进一步地，如果在槽栅一侧或双侧，引入与衬底导电类型相反的纵向柱区，就可形成类似超结结构的漂移区，有助于在维持器件高耐压的同时降低其比导通电阻。一种典型结构如图8所示，包括衬底(01)、N型衬底区(02)、N型漂移区(03)、P型漂移区(04)、介质材料(05)、阴极N+(06)、阳极P+(07)、阳极(08)及阴极(09)，N型衬底区(02)位于衬底(01)上方；N型漂移区(03)、P型漂移区(04)、介质材料(05)设置于N型衬底区(02)上方并被N型衬底区(02)半包围，其中N型漂移区(03)位于P型漂移区(04)左侧，P型漂移区(04)位于介质材料(05)左侧；位于N型漂移区(03)和P型漂移区(04)上方的是阳极P+(07)；在阳极P+(07)上方的是阳极(08)；在介质材料(05)右侧并位于N型衬底区(02)上方的是阴极N+(06)；位于阴极N+(06)上方的是阴极(09)；图8结构中，N型衬底区(02)为重掺杂，N型漂移区(03)与P型漂移区(04)相互补偿形成超结结构的漂移区，该结构可实际应用于各种器件，如n型或p型的LDMOS，LIGBT等。
但是深槽宽度一般较窄，其横向的电容值较大，在器件耐压时会在槽两侧的半导体区中感应并积累高密度的电荷薄层，由于器件耐压时槽两侧的电势差自上而下沿纵向呈线性递减，该电荷薄层沿纵向亦呈现非均匀分布，如此将导致所述超结结构的漂移区出现电荷非平衡，极大削弱器件的耐压；针对该问题，本发明提出一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，克服了深槽电容的影响，可显著提高深槽型横向耐压区的击穿电压。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，用以在不影响其它参数的同时，提高深槽型横向耐压区的击穿电压，进而提高器件的击穿电压。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，包括衬底(01)、N型衬底区(02)、N型漂移区(03)、P型漂移区(04)、介质材料(05)、阴极N+(06)、阳极P+(07)、阳极(08)及阴极(09)，所述N型衬底区(02)位于衬底(01)上方；所述N型漂移区(03)、P型漂移区(04)、介质材料(05)在N型衬底区(02)上方并被N型衬底区(02)半包围，其中，P型漂移区(04)位于介质材料(05)左侧，N型漂移区(03)位于P型漂移区(04)左侧；所述阳极P+(07)位于N型漂移区(03)和P型漂移区(04)上方，阳极P+(07)上方设置阳极(08)；所述阴极N+(06)在介质材料(05)右侧并位于N型衬底区(02)上方，阴极N+(06)上方设置阴极(09)；其特征在于，所述N型漂移区(03)与P型漂移区(04)构成超结漂移区，随深度的增加，所述超结漂移区的净掺杂剂量自上而下呈线性或阶梯状递减。
一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，包括衬底(01)、N型衬底区(02)、第一N型漂移区(03)、第一P型漂移区(04)、介质材料(05)、阴极N+(06)、阳极P+(07)、阳极(08)、阴极(09)、第二N型漂移区(10)及第二P型漂移区(11)，所述N型衬底区(02)位于衬底(01)上方；所述第一N型漂移区(03)、第一P型漂移区(04)、介质材料(05)、第二N型漂移区(10)在N型衬底区(02)上方，其中，第一P型漂移区(04)位于介质材料(05)左侧，第一N型漂移区(03)位于P型漂移区(04)左侧，第二N型漂移区(10)位于介质材料(05)右侧；所述阳极P+(07)位于第一N型漂移区(03)和第一P型漂移区(04)上方，阳极P+(07)上方设置阳极(08)；所述阴极N+(06)位于第二N型漂移区(10)上方，阴极N+(06)上方设置阴极(09)，所述第二P型漂移区(11)设置于阴极N+(06)与衬底(01)之间、且位于第二N型漂移区(10)右侧；其特征在于，所述第一N型漂移区(03)与第一P型漂移区(04)构成第一超结漂移区，所述第二N型漂移区(10)与第二P型漂移区(11)构成第二超结漂移区，随深度的增加，所述第一超结漂移区与第二超结漂移区的净掺杂剂量均自上而下呈线性或阶梯状递减。
进一步的，所述介质材料(05)为临界电场强度高于硅临界电场强度的绝缘介质材料，包括但不限于SiO2、Si3N4、BenzoCycloButene(BCB)或者PolyTetraFluoroEthylene(PTFE)。所述衬底(01)采用硅半导体衬底或者SOI材料。
需要特别说明的是，上述两个方案中，其中一个为单侧结构，一个为双侧结构，两者思路一致，具备单一性。
在本发明中，所述深度是指离开阳极P+(07)或阴极N+(06)的纵向距离；任一深度下所述超结漂移区的净掺杂剂量是该深度下超结漂移区中相邻于介质材料的漂移区的掺杂剂量减去该深度下超结漂移区中远离于介质材料的漂移区的掺杂剂量所得的差值，净掺杂剂量为正值；单侧结构中、超结漂移区的净掺杂剂量指该深度下P型漂移区(04)的掺杂剂量减去该深度下N型漂移区(03)的掺杂剂量所得的差值，双侧结构中、第一超结漂移区的净掺杂剂量指该深度下第一P型漂移区(04)的掺杂剂量减去该深度下第一N型漂移区(03)的掺杂剂量所得的差值、第二超结漂移区的净掺杂剂量指该深度下第二N型漂移区(10)的掺杂剂量减去该深度下第二P型漂移区(11)的掺杂剂量所得的差值；任一深度下所述N型、P型漂移区的掺杂剂量是该深度下该漂移区的掺杂浓度乘以该漂移区的宽度。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，通过调整P型漂移区(04、11)和/或N型漂移区(03、10)的纵向剂量分布，主动为深槽电容提供恰当的沿纵向非均匀分布的感应电荷，从而使得完全耗尽时的P型漂移区以及N型漂移区为深槽电容提供相应电荷之后，剩余电荷的分布是电荷平衡的，因此提高击穿电压。
附图说明
图1为本发明实施例1中具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区的结构示意图，其中，P型漂移区(04)是纵向变掺杂浓度。
图2为本发明实施例2中具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区的结构示意图，其中，N型漂移区(03)是纵向变掺杂浓度。
图3为本发明实施例3中具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区的结构示意图，其中，P型漂移区(04)是纵向变宽度。
图4为本发明实施例4中具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区的结构示意图，其中，P型漂移区(04)既是纵向变掺杂浓度又是纵向变宽度。
图5为本发明实施例5中具有双侧结构的、依靠纵向变掺杂浓度来实现纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区的结构示意图。
图6为本发明实施例6中具有双侧结构的、依靠纵向变宽度来实现纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区的结构示意图。
图7为本发明实施例7中具有双侧结构的、依靠同时纵向变掺杂浓度和纵向变宽度来实现纵向变掺杂剂量的结构示意图。
图8为传统的深槽型横向耐压区结构示意图，其中，N型漂移区(03)以及P型漂移区(04)是均匀掺杂。
图9、图10为本发明实施例1与传统结构仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，其结构如图1所示；包括衬底(01)、N型衬底区(02)、N型漂移区(03)、P型漂移区(04)、介质材料(05)、阴极N+(06)、阳极P+(07)、阳极(08)及阴极(09)，所述N型衬底区(02)位于衬底(01)上方；所述N型漂移区(03)、P型漂移区(04)、介质材料(05)在N型衬底区(02)上方并被N型衬底区(02)半包围，其中，P型漂移区(04)位于介质材料(05)左侧，N型漂移区(03)位于P型漂移区(04)左侧；所述阳极P+(07)位于N型漂移区(03)和P型漂移区(04)上方，阳极P+(07)上方设置阳极(08)；所述阴极N+(06)在介质材料(05)右侧并位于N型衬底区(02)上方，阴极N+(06)上方设置阴极(09)；其中，N型漂移区(03)与P型漂移区(04)构成超结漂移区，随深度的增加，所述超结漂移区的净掺杂剂量自上而下呈线性或阶梯状递减。
本实施例中，N型漂移区(03)为掺杂浓度为N的均匀掺杂、且宽度Wn保持不变，P型漂移区(04)采用多段实现变掺杂、且宽度Wp保持不变，将P型漂移区(04)分为n段，且满足掺杂浓度P1>P2>P…>Pn-1>Pn；如图1所示，在深度H处，N型漂移区(03)的掺杂剂量为QN＝Wn·N，P型漂移区(04)的掺杂剂量为QP＝WP·P1，则该超结漂移区的净掺杂剂量为Q＝QP-QN；随深度H的增加，净掺杂剂量呈阶梯状递减，至N型衬底区(02)处为零。
借助MEDICI仿真软件，对如图8所示的传统具有纵向均匀掺杂剂量的深槽耐压区，与本实施例具有纵向变掺杂剂量的深槽耐压区，进行了仿真比较；在仿真过程中，图8中P型漂移区(04)为均匀掺杂、掺杂浓度为5×1016cm-3，图1中其掺杂浓度为纵向变掺杂；其它仿真参数为：P型漂移区(04)的深度均为20μm、宽度均为0.5μm；N型漂移区(03)的深度均为20μm、宽度均为1μm，掺杂浓度均为2×1016cm-3；介质材料(05)深度均为20μm、宽度均为2.2μm，材料均为SiO2；N型衬底区(02)与衬底(01)均采用掺杂浓度极高的N型材料。仿真结果如图9所示，在电流为1nA/μm时，传统结构的击穿电压为194V，而本发明将击穿电压提高到了363V，击穿电压显著提高；如图10所示是本发明提出的深槽耐压区与传统深槽耐压区临界击穿时沿漂移区方向电场的纵向分量的分布对比图，显然本发明的结构在纵向上的电场分布更加平坦均匀，如同电荷平衡时的超结器件的电场分布，因此在有限的长度内能够承受更大的电压。
综上所述，本发明提出的纵向变掺杂剂量的深槽横向耐压区能获得击穿电压的显著提升。
实施例2
本实施例提供一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，其结构如图2所示；其基本结构与实施例1相同，唯一区别在于，其中，P型漂移区(04)为均匀掺杂，而N型掺杂区(03)分为n段、且满足掺杂浓度N1<N2<N…<Nn-1<Nn。
实施例3
本实施例提供一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，其结构如图3所示；其基本结构与实施例1相同，唯一区别在于，其中，P型漂移区(04)为纵向均匀掺杂，但是其宽度自上而下纵向减小，使得其掺杂剂量自上而下呈线性递减。
实施例4
本实施例提供一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，其结构如图4所示；其基本结构与实施例1相同，唯一区别在于，其中，P型漂移区(04)不仅为纵向变掺杂，而且其宽度纵向变化，使得其掺杂剂量自上而下呈线性或阶梯状递减。
实施例5
本实施例提供一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，其结构如图5所示；包括衬底(01)、N型衬底区(02)、第一N型漂移区(03)、第一P型漂移区(04)、介质材料(05)、阴极N+(06)、阳极P+(07)、阳极(08)、阴极(09)、第二N型漂移区(10)及第二P型漂移区(11)，所述N型衬底区(02)位于衬底(01)上方；所述第一N型漂移区(03)、第一P型漂移区(04)、介质材料(05)、第二N型漂移区(10)在N型衬底区(02)上方，其中，第一P型漂移区(04)位于介质材料(05)左侧，第一N型漂移区(03)位于P型漂移区(04)左侧，第二N型漂移区(10)位于介质材料(05)右侧；所述阳极P+(07)位于第一N型漂移区(03)和第一P型漂移区(04)上方，阳极P+(07)上方设置阳极(08)；所述阴极N+(06)位于第二N型漂移区(10)上方，阴极N+(06)上方设置阴极(09)，所述第二P型漂移区(11)位于阴极N+(06)与衬底(01)之间；所述第一N型漂移区(03)与第一P型漂移区(04)构成第一超结漂移区，所述第二N型漂移区(10)与第二P型漂移区(11)构成第二超结漂移区，随深度的增加，所述第一超结漂移区与第二超结漂移区的净掺杂剂量均自上而下呈线性或阶梯状递减。
本实施例在槽两边都制作超结漂移区，其中，第二N型漂移区(10)与第二P型漂移区(11)互补形成位于槽右侧的第二超结漂移区，第二N型漂移区(10)与第二P型漂移区(11)也可以采取分为多段的方式实现渐变掺杂，进而克服深槽电容的影响，与N型漂移区(03)或者P型漂移区(04)的渐变方式相同。
实施例6
本实施例提供一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，其结构如图6所示；其基本结构与实施例5相同，唯一区别在于，其中，第一P型漂移区(04)和第二N型漂移区(10)为纵向变宽度，使得其掺杂剂量均从上至下呈线性减小。
实施例7
本实施例提供一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，其结构如图7所示；其基本结构与实施例5相同，唯一区别在于，其中，第一P型漂移区(04)和第二N型漂移区(10)为同时纵向变掺杂与纵向变宽度，使得其掺杂剂量均从上至下呈线性或阶梯状减小。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (2)
1.一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，包括衬底(01)、N型衬底区(02)、N型漂移区(03)、P型漂移区(04)、介质材料(05)、阴极N+(06)、阳极P+(07)、阳极(08)及阴极(09)，所述N型衬底区(02)位于衬底(01)上方；所述N型漂移区(03)、P型漂移区(04)、介质材料(05)在N型衬底区(02)上方并被N型衬底区(02)半包围，其中，P型漂移区(04)位于介质材料(05)左侧，N型漂移区(03)位于P型漂移区(04)左侧；所述阳极P+(07)位于N型漂移区(03)和P型漂移区(04)上方，阳极P+(07)上方设置阳极(08)；所述阴极N+(06)在介质材料(05)右侧并位于N型衬底区(02)上方，阴极N+(06)上方设置阴极(09)；其特征在于，所述N型漂移区(03)与P型漂移区(04)构成超结漂移区，随深度的增加，所述超结漂移区的净掺杂剂量自上而下呈线性或阶梯状递减；任一深度下所述超结漂移区的净掺杂剂量是该深度下超结漂移区中相邻于介质材料的漂移区的掺杂剂量减去该深度下超结漂移区中远离于介质材料的漂移区的掺杂剂量所得的差值，净掺杂剂量为正值。
2.一种具有纵向变掺杂剂量的深槽型横向耐压区，包括衬底(01)、N型衬底区(02)、第一N型漂移区(03)、第一P型漂移区(04)、介质材料(05)、阴极N+(06)、阳极P+(07)、阳极(08)、阴极(09)、第二N型漂移区(10)及第二P型漂移区(11)，所述N型衬底区(02)位于衬底(01)上方；所述第一N型漂移区(03)、第一P型漂移区(04)、介质材料(05)、第二N型漂移区(10)在N型衬底区(02)上方，其中，第一P型漂移区(04)位于介质材料(05)左侧，第一N型漂移区(03)位于第一P型漂移区(04)左侧，第二N型漂移区(10)位于介质材料(05)右侧；所述阳极P+(07)位于第一N型漂移区(03)和第一P型漂移区(04)上方，阳极P+(07)上方设置阳极(08)；所述阴极N+(06)位于第二N型漂移区(10)上方，阴极N+(06)上方设置阴极(09)，所述第二P型漂移区(11)设置于阴极N+(06)与衬底(01)之间、且位于第二N型漂移区(10)右侧；其特征在于，所述第一N型漂移区(03)与第一P型漂移区(04)构成第一超结漂移区，所述第二N型漂移区(10)与第二P型漂移区(11)构成第二超结漂移区，随深度的增加，所述第一超结漂移区与第二超结漂移区的净掺杂剂量均自上而下呈线性或阶梯状递减；任一深度下所述超结漂移区的净掺杂剂量是该深度下超结漂移区中相邻于介质材料的漂移区的掺杂剂量减去该深度下超结漂移区中远离于介质材料的漂移区的掺杂剂量所得的差值，净掺杂剂量为正值。
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