CN203026509U

CN203026509U - 一种半导体功率器件

Info

Publication number: CN203026509U
Application number: CN 201220652041
Authority: CN
Inventors: 褚为利; 朱阳军; 田晓丽; 卢烁今; 陆江
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS; Jiangsu IoT Research and Development Center; Jiangsu CAS IGBT Technology Co Ltd
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS; Jiangsu IoT Research and Development Center; Jiangsu CAS IGBT Technology Co Ltd
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2022-11-30

Abstract

本实用新型公开了一种半导体功率器件，包括有源区、终端区及位于二者之间的主结，所述终端区包括终端结构，所述有源区包括基区，所述基区、主结、终端结构的掺杂类型相同，所述主结与所述有源区的基区同时形成，所述主结的结深与所述基区的结深相同，所述主结的掺杂浓度与所述基区的掺杂浓度相同，且所述主结的结深小于所述终端结构的结深，所述主结的掺杂浓度小于所述终端结构的掺杂浓度。主结的结深小于终端结构的结深，使主结与终端结构之间的区域能够承受的压降增加，主结的掺杂浓度降低，能够提高一定长度耗尽区承受的压降，这两个方面均能够提高器件的耐压能力，进而减小半导体功率器件的终端面积，降低了器件的生产成本。

Description

一种半导体功率器件

技术领域

本实用新型涉及半导体器件领域，更具体地说，涉及一种半导体功率器件。

背景技术

现代高压功率半导体器件，如VDMOS（垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等，作为第三代电力电子产品，由于其工作频率高、开关速度快、控制效率高而在电力电子领域得到越来越广泛的应用。高压功率半导体器件的阻断能力是衡量发展水平的一个非常重要的标志，依据应用不同，其击穿电压的范围可以从25V到6000V。

器件阻断高压的能力主要取决于器件结构中特定PN结的反偏击穿电压。在功率半导体器件中，受PN结弯曲或PN结终止处表面非理想因素的影响，反偏击穿电压受限于发生在表面附近或结弯曲处局部区域相对于体内平行平面结提前出现的击穿现象。终端保护结构的作用就是改善器件边缘的电场分布，减弱表面电场集中，从而提高器件的耐压能力和稳定性。

现有技术中，器件在承受一定电压时，为了提高器件的耐压能力往往会增大终端保护结构的面积，但是这种具有较大终端保护结构面积的半导体器件不仅会增加生产成本，而且也不能满足器件小型化的需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种半导体功率器件，以解决现有技术中半导体器件终端保护结构面积较大引起的生产成本高的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种半导体功率器件，包括：

有源区、终端区及位于二者之间的主结，所述终端区包括终端结构，所述有源区包括基区，所述基区、主结、终端结构的掺杂类型相同，所述主结与所述有源区的基区同时形成，所述主结的结深与所述基区的结深相同，且所述主结的结深小于所述终端结构的结深。

优选地，所述主结的结深为3μm～10μm，包括端点值。

优选地，所述终端结构包括场限环。

优选地，所述终端结构包括场限环和位于所述场限环上方的场板。

优选地，所述场限环的结深为5μm～15μm，包括端点值。

优选地，所述终端结构包括结终端延伸结构，所述结终端延伸结构的结深为5μm～15μm，所述结终端延伸结构的宽度为100μm～1500μm，包括端点值。

优选地，所述终端结构还包括位于终端区边缘区域的场截止环。

优选地，所述半导体功率器件还包括位于主结上方的场板。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

由上述方案可以看出，本实用新型所提供的半导体功率器件，由于主结与有源区的基区同时形成，两者具有相同的结深和相同的掺杂浓度，且该结深和掺杂浓度均小于终端结构的结深和掺杂浓度，这样一方面，主结的结深小于终端结构的结深，使得主结和终端结构之间的区域的深度方向电场强度不为0，而大于传统结构的电场强度0，使得该位置电势差大于传统结构的电势差，从而增加了该区域承担的电压，提高了器件的耐压能力，在承受一定电压时，可以节省器件的终端面积，进一步能够节省器件的生产成本。

另一方面，主结的掺杂浓度减小，提高了一定长度耗尽区承受的压降，从而使同等面积的主结能够承受更大的压降，从另一角度讲，提高了器件耐压的能力，达到了节省终端面积的目的。

另外，本实用新型摒弃传统的主结与终端结构在同一工艺步骤中形成，而使主结和有源区的基区同时形成，在工艺上没有增加实现该方案的复杂度，就能够达到节省终端面积，降低器件制作成本的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的终端结构为场限环结构的半导体功率器件剖面图；

图2为现有技术中终端结构为场限环结构的半导体功率器件剖面图；

图3为本实用新型提供的终端结构为场限环与场板结合的半导体功率器件剖面图；

图4为本实用新型提供的终端结构为结终端延伸结构的半导体功率器件剖面图；

图5为本实用新型提供的终端结构为P+/P-场限环结构的半导体功率器件剖面图；

图6为本实用新型提供的主结上方带有场板的终端结构为场限环结构的半导体功率器件剖面图；

图7为本实用新型提供的仿真验证结果图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中的主结与终端结构之间的区域承担的电压有限，这种器件结构的终端面积较大，生产成本高，发明人发现出现上述现象是因为主结与终端结构在同一个工艺步骤中扩散形成，主结与终端结构具有相同的结深和掺杂浓度，主结和终端结构之间区域的深度方向电场强度为0，电势差为0，导致主结与终端结构之间的区域承担的压降较小，为提高器件耐压能力，需要增加芯片的终端结构的面积，造成器件制作成本较高的现象。

基于此，本实用新型提供一种半导体功率器件，用于节省终端面积，降低生产成本，所述半导体功率器件包括：有源区、终端区及位于二者之间的主结，所述终端区包括终端结构，所述有源区包括基区，所述基区、主结、终端结构的掺杂类型相同，所述主结与所述基区同时形成，所述主结的结深与所述基区的结深相同，所述主结的掺杂浓度与所述基区的掺杂浓度相同，且所述主结的结深小于所述终端结构的结深，所述主结的掺杂浓度小于所述终端结构的掺杂浓度。

由上述的技术方案可知，本实用新型摒弃了传统的将主结与终端结构在同一工艺步骤中形成，而使主结和有源区的基区同时形成，从而主结与基区具有相同的结深和相同的掺杂浓度，且该结深和掺杂浓度均小于终端结构的结深和掺杂浓度，主结和终端结构之间区域的深度方向电场强度不为0，从而该区域承担的电压得到增加，提高了器件的耐压能力，节省了器件的终端面积；另一方面，主结的掺杂浓度减小，一定长度耗尽区承受的压降也提高了，从而提高了器件的耐压能力，达到了节省终端面积的目的。

以上是本申请的核心思想，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

下面通过几个实施例具体描述。

实施例一

本实施例中提供了一种半导体功率器件，有源区、终端区及位于二者之间的主结，所述终端区包括终端结构，所述有源区包括基区，所述基区、主结、终端结构的掺杂类型相同，本实施例中优选为P型重掺杂，本实施例中所述的终端结构为场限环结构，具体如图1所示，主结105与有源区的基区103同时形成，即主结105的结深与基区103的结深相同，主结105的掺杂浓度与基区103的掺杂浓度相同，且主结105的结深小于场限环102的结深，主结105的掺杂浓度小于场限环102的掺杂浓度。

本实施例中，主结的结深优选为3μm～10μm，注入剂量优选为1e12cm^-2～5e14cm^-2，而场限环的结深优选为5μm～15μm，注入剂量优选为1e14cm^-2～5e16cm^-2，其中场限环的个数在本实施例中优选为2～30个，场限环之间的间距可以相等，也可以递减或以其它规律变化。

图1中所示的半导体功率器件还包括覆盖主结和终端区的介质层106、漂移区107、集电极104和场截止环101。漂移区107的掺杂类型与主结和场限环的掺杂类型相反，即漂移区107为N型掺杂，场截止环101与漂移区107掺杂类型相同，但其掺杂浓度远高于漂移区的掺杂浓度，即场截止环101为N型重掺杂区。所述场截止环101位于终端区的边缘区域，场截止环的作用为：在耐压很高导致场限环的耗尽区到达终端区边缘时，保证电压在场截止环处截止，防止半导体功率器件终端保护结构的耐压失效，对半导体功率器件起保护作用。

所述介质层106可以是单层结构也可以是叠层结构，当介质层106为单层结构时，其材料为氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅，当介质层106为叠层结构时，所述介质层106可以是氮化硅层、氧化硅层、氮氧化硅层中的至少两层组成的叠层。本实施例中介质层106优选为氧化硅层。

N型漂移区107的背面通过离子注入或扩散形成P型集电极104。

终端结构为场限环的半导体功率器件的耗尽方式为：集电极104相对于有源区上引出的电极（图中未显示）加正压并且电压不断加大，这时耗尽区会首先在主结105形成，当主结上的反偏电压上升，会使器件的边缘电场增强，边缘电场达到临界电场时，主结便出现击穿现象。本实施例中可通过合理选择主结105与第一场限环102之间的距离，使得主结105在发生雪崩击穿前，主结105的耗尽区与第一场限环102的耗尽区穿通，从而使第一场限环为主结分压，外加电压继续上升则第一场限环102的耗尽区与第二场限环的耗尽区穿通，从而外加的电压由第一、第二场限环和主结共同来承担，以此类推。

外加的电压由场限环来承担，主结电场增加就会得到控制，从而阻止了由于电场过高而出现的主结击穿。同时由于场限环的存在可有效抑制主结边缘曲率效应引起的电场集中，从而提高器件的耐压能力，对有源区起到保护作用。

现有技术中，作为过渡结构的主结与场限环在同一个工艺步骤中形成，因此二者具有相同的结深和掺杂浓度，且该结深大于有源区的基区的结深，该掺杂浓度大于基区的掺杂浓度，具体如图2所示，图2为现有的终端结构为场限环的半导体功率器件剖面图，其中，201为场截止环，202为浮空场限环（此处以2个场限环为例进行描述），203为有源区的基区，205为主结。主结205与浮空场限环202同步形成，因此主结与场限环具有相同的结深和掺杂浓度，且该结深与掺杂浓度均大于有源区的基区203的结深和掺杂浓度。

本实施例中摒弃了传统的将主结与终端结构在同一工艺步骤中形成，而是将主结与有源区的基区同时形成，因此两者具有相同的结深和相同的掺杂浓度，且该结深和掺杂浓度均小于终端结构的结深和掺杂浓度。

这样一方面，主结的结深小于终端结构的结深，使得主结和场限环之间的区域（即图1中的108）的深度方向的电场强度（即图1中的Ey）不为0，而现有技术中，由于主结与场限环的结深相同，主结与场限环之间的Ey为0，因此本实用新型中的Ey大于现有技术中的Ey，使得主结和场限环之间的区域108的电势差大于传统结构的电势差，从而增加了该区域承担的电压，提高了器件的耐压能力，在承受一定电压时，可以节省器件的终端面积，进一步能够节省器件的生产成本。

另一方面，主结的掺杂浓度减小，提高了一定长度耗尽区承受的压降，其原理为，已知一定长度的耗尽区所承受的压降

E_m为耗尽区的最大电场，一般情况下，E_m随半导体掺杂浓度的变化不大,ε_s为介电常数，q为电荷电量也为常数，这样一定长度的耗尽区所承受的压降V与掺杂浓度N_A成反比例关系，当掺杂浓度减小后，一定长度的耗尽区所承受的压降增加，从而使同等面积的主结能够承受更大的压降，从另一角度讲，提高了器件耐压的能力，达到了节省终端面积、减少生产成本的目的。

再一方面，主结作为有源区与终端区之间的过渡区域，对保证器件耐压和器件整体的可靠性起着至关重要的作用，主结的结深和掺杂浓度与基区相同，也即与有源区有更大的相似性，从而具有更好的过渡作用。

另外，本实用新型摒弃传统的主结与终端结构在同一工艺步骤中形成，而使主结和有源区的基区同时形成，无需增加实现方案的工艺复杂度，就能够达到节省终端面积、降低生产成本的目的，因此相对于现有技术中其他降低芯片面积的方案，本实用新型更加容易实现。

实施例二

本实施例与上一实施例不同的是，半导体功率器件的终端结构为场限环与场板结合的结构。如图3所示，在每个场限环302的上面覆盖阶梯状的场板结构309，其材料可以为金属也可以为多晶硅。

本实施例提供的半导体功率器件的耗尽方式与图1所示的终端结构为场限环的耗尽方式类似：集电极相对于有源区引出的电极（图中未显示）加正压并且电压不断加大，这时耗尽区会首先在主结305形成，本实施例中通过合理选择主结305与第一场限环302之间的距离，使得主结305发生雪崩击穿前，主结305的耗尽区与第一场限环302的耗尽区穿通，从而使第一场限环为主结分压，以此类推，合理选择第一场限环与第二场限环之间的距离，在第一个场限环302发生雪崩击穿之前，使第一个场限环的耗尽区与第二个场限环的耗尽区穿通，第二个场限环同样为主结分压，从而使电压分配在更长的一段距离内，阻止了由于电压过高而出现的主结击穿现象，同时由于场限环的存在可有效抑制主结边缘曲率效应引起的电场集中，从而提高器件的耐压能力，对有源区起到保护作用。

本实施例与上一实施例相同的是，主结305与有源区的基区303同时形成，两者具有相同的结深和相同的掺杂浓度，且该结深和掺杂浓度均小于场限环302的结深和掺杂浓度。从而能够提高器件的耐压能力，在承受一定电压时，可以节省器件的终端面积，降低器件的生产成本。

但本实施例与上一实施例不同的是，本实施例中在场限环的上方增加了场板结构，场板309对其下方电场的屏蔽作用能有效降低各个场限环处的峰值电场，使场限环不容易被击穿，从而进一步提高了半导体器件的耐压能力。

实施例三

本实施例提供了另一种半导体功率器件的终端结构，与上面两个实施例不同的是，半导体功率器件的终端结构为结终端延伸结构。如图4所示为终端结构为结终端延伸结构的半导体功率器件剖面图，主结405和基区403具有相同的结深和掺杂浓度，且主结的结深小于结终端延伸结构402的结深，也即结终端延伸结构的最大结深，主结的掺杂浓度小于结终端延伸结构的掺杂浓度。

本实施例中，结终端延伸结构402的结深优选为5μm～15μm，注入剂量优选为1e13cm^-2～5e15cm^-2，结终端延伸结构402的宽度优选为100μm～1500μm，以上范围均包括端点值。所述结终端延伸结构402的宽度为结终端延伸结构从主结指向场截止环方向的尺寸，如图4中L所表示。

本实施例提供的半导体功率器件的耗尽方式与图1所示的终端结构为场限环的耗尽方式类似，即集电极相对于有源区引出的电极（图中未显示）加正压并且电压不断加大，这时耗尽区会首先在主结405形成，由于结终端延伸结构的存在，使得主结405发生雪崩击穿前，主结405的耗尽区与结终端延伸结构402的耗尽区穿通，从而使结终端延伸结构为主结分压，起到保护主结的作用。

可见，本实用新型并不限定半导体功率器件的终端结构的具体形式，能实现本实用新型方案的半导体功率器件的终端结构均落入本实用新型的保护范围之内。

本实施例中，主结与有源区的基区同时形成，主结与基区的结深及掺杂浓度相同，且小于结终端延伸结构的结深和掺杂浓度，一方面，主结的结深小于结终端延伸结构的结深，使得两者之间的区域承担电压增加；另一方面主结的掺杂浓度减小，提高了一定长度耗尽区承受的压降，两方面均提高了器件的耐压能力，从而使器件承受一定电压时，器件面积能够减小，降低了器件的生产成本。

实施例四

本实用新型并不限定半导体功率器件的终端结构的具体形式，本实用新型还包括终端结构为P+/P-型场限环终端结构、P+/N场限环终端结构和P+/P-/N型场限环终端结构等的半导体功率器件。为方便理解，本实施例以P+/P-型场限环终端结构为例进行详细描述，具体参见图5。

与实施例一、实施例二不同的是，本实施例中的场限环为P+/P-型场限环502，所述P+/P-型场限环终端结构包括P-阱区5021和P+阱区5022，所述P-阱区5021为P型轻掺杂，所述P+阱区5022为P型重掺杂，场限环502通过P-阱区5021降低芯片面积，同时为了防止P-阱区5021发生穿通造成器件耐压的失效，后续的工艺中在P-阱区内通过高剂量注入形成一个浅的防穿通的P+阱区5022，从而降低芯片的面积。

本实施例中，有源区的基区503与主结505在同一个工艺步骤中形成，具有相同的结深和掺杂浓度，且主结505的结深小于P+/P-型场限环502的P型轻掺杂区的结深，主结505的掺杂浓度小于P型重掺杂区的掺杂浓度。而本实施例中，主结的结深小于P+/P-型场限环的结深，主结的掺杂浓度也降低，从而在上述P+/P-型场限环终端结构基础上进一步提高器件的耐压能力，进一步降低了芯片的终端面积，降低了器件的生产成本。

本实施例优选以P+/P-型场限环终端结构为例进行简单描述，其他P+/N型场限环终端结构和P+/P-/N型场限环终端结构等的半导体功率器件，与本实施例中P+/P-型场限环终端结构的半导体功率器件相似，所述P+/N型场限环终端结构为N型掺杂区包围P型重掺杂区，所述P+/P-/N型场限环终端结构为N型掺杂区包围P型轻掺杂区，P型轻掺杂区包围P型重掺杂区。

其他P+/N型场限环终端结构和P+/P-/N型场限环终端结构等的半导体功率器件，也是通过改变场限环内部掺杂分布或外部掺杂分布来实现降低芯片面积的目的，在此基础上，将主结与有源区的基区在同一个工艺步骤中形成，而使主结与有源区的基区具有相同的结深和掺杂浓度，且该结深小于场限环的结深，该掺杂浓度小于与场限环同时形成时的掺杂浓度，因此可以进一步提高器件的耐压能力，节省器件的终端面积，从而进一步降低半导体功率器件的生产成本。

实施例五

本实施例提供的半导体功率器件还包括位于主结上方的场板，所述半导体功率器件包括但不限于上述各实施例中的半导体功率器件。本实施例中优选的是终端结构为场限环结构的半导体功率器件，具体可参见图6，场板610位于所述主结的上方。

半导体功率器件在结构上还包括位于主结与终端区上方的二氧化硅介质层，阻挡空气中的杂质进入到半导体衬底内，污染半导体衬底，但在二氧化硅层中，一般存在着一定数量的正电荷，这种表面电荷将吸引或者排斥半导体衬底内的载流子，从而在表面形成一定的空间电荷区，在器件的终端区，氧化层中的正电荷会在表面感应出负电荷，从而使得表面层中的势垒宽度变窄，增加表面电场，使主结的击穿电压下降。

而本实施例中，在主结的上方增加场板结构，一方面，场板610可有效屏蔽氧化层中各类电荷对主结605的较大影响，从而提高主结的击穿电压，保护主结，使主结不容易被击穿，提高了器件的耐压能力，也即在承受一定电压时，节省了器件的终端面积，降低了器件的生产成本。

另一方面，主结605上方增加的场板610能够避免出现因各场限环之间的距离选择不当造成的电场集中的现象，即降低主结位置的峰值电场，同样提高了对主结的保护，从而提高了器件的耐压能力。

为能更清楚的显示本实用新型的优点，提供本实用新型的仿真验证结果，如图7所示，在仿真过程中，选择的是终端结构为场限环的半导体功率器件，包括一个主结，四级场限环及有源区基区等其他结构。设D为主结的结深，d 为场限环的结深。保证仿真的三种终端结构的场限环的结深d不变，改变主结的结深D，分为D>d，D=d，D<d三种情况进行仿真模拟。

图7中给出的是三种情况下器件终端区所能承受的最大耐压比较图，其中图7的横轴表示沿有源区到场限环方向的距离，纵轴表示的是半导体功率器件的耐压值，图7中已标示出的为主结与第一场限环之间的距离a、第一场限环与第二场限环之间的距离b、第二场限环与第三场限环之间的距离c。三条曲线的意义分别为：曲线A表示在主结的结深D小于场限环的结深d，即D<d的情况下，器件的主结和场限环承受最大耐压曲线；曲线B表示在主结的结深D等于场限环的结深d，即D=d的情况下，器件的主结和场限环承受最大耐压曲线；曲线C表示当主结的结深D大于场限环的结深d，即D>d的情况下，器件的主结和场限环承受最大耐压曲线。

从图中可以看出，明显地曲线A的耐压值是三者之中最大的，也就是说当主结的结深D小于场限环的结深d，也即D<d时，器件的耐压能力是最大的，也即验证了本实用新型的方案。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种半导体功率器件，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述主结的结深为3μm～10μm，包括端点值。

3.根据权利要求2所述的半导体功率器件，其特征在于，所述终端结构包括场限环。

4.根据权利要求2所述的半导体功率器件，其特征在于，所述终端结构包括场限环和位于所述场限环上方的场板。

5.根据权利要求3或4所述的半导体功率器件，其特征在于，所述场限环的结深为5μm～15μm，包括端点值。

6.根据权利要求2所述的半导体功率器件，其特征在于，所述终端结构包括结终端延伸结构，所述结终端延伸结构的结深为5μm～15μm，所述结终端延伸结构的宽度为100μm～1500μm，包括端点值。

7.根据权利要求3、4或6所述的半导体功率器件，其特征在于，所述终端结构还包括位于终端区边缘区域的场截止环。

8.根据权利要求3、4或6所述的半导体功率器件，其特征在于，所述半导体功率器件还包括位于主结上方的场板。