一種超結半導體器件終端結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于縱向超結半導體器件技術領域，具體的說涉及一種超結半導體器件終端結構。本發(fā)明的終端結構，第一種導電類型半導體漂移條寬度可調節(jié)，達到從元胞區(qū)到邊界的一個漸變，使終端電荷能夠更好的平衡，從而提高器件耐壓；其次本發(fā)明的第二種導電類型表面摻雜區(qū)一直將第二種導電類型的半導體柱覆蓋，并向邊界有一段延伸，以保證完全覆蓋兩種類型半導體漂移區(qū)的交界位置，降低表面尖峰電場，第二種導電類型表面摻雜區(qū)內第一種導電類型表面摻雜區(qū)向下提供正電荷中心，進一步降低器件表面電場，從而降低超結終端表面發(fā)生擊穿的幾率，提高器件的整體耐壓。
【專利說明】
一種超結半導體器件終端結構
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于功率半導體器件技術領域，具體的說涉及一種超結半導體器件終端結構。
【背景技術】
[0002]超結的提出打破了傳統(tǒng)耐壓與比導之間2.5次方的硅極限關系，在高耐壓同時器件具有更低的比導通電阻。由超結理論，加大漂移區(qū)PN條摻雜濃度可有效降低器件的比導通電阻，減小PN條寬度能使PN條之間的耗盡更加完全，從而提高耐壓。因此絕大多數(shù)超結器件的元胞設計都具有摻雜濃度高，條寬小的特點。而傳統(tǒng)超結器件終端都延用與元胞內相同間距相等的PN條作為其終端承受耐壓，這種PN條摻雜濃度高，間距小，往往容差很低，加上終端邊緣的輔助耗盡很容易由于終端電荷非平衡而發(fā)生擊穿。而且PN條的濃度大，PN結上的電場斜率較大，電場峰值谷值相差較大，使得擊穿時電壓很低，很難達到器件元胞設計時所受的耐壓值。由于體內優(yōu)化及最短路徑，擊穿多發(fā)生在終端表面。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所要解決的，就是針對上述問題，提出提出一種超結功率器件終端結構，以調節(jié)器件邊緣的電荷平衡，改善器件邊緣的表面電場分布，從而提高器件耐壓。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0005]—種超結半導體器件終端結構，包括第一種導電類型半導體襯底I和位于第一種導電類型半導體襯底I上表面的第一種導電類型半導體漂移區(qū)11;所述第一種導電類型半導體漂移區(qū)11中具有多個第二種導電類型半導體漂移區(qū)21，第一種導電類型半導體漂移區(qū)11和第二種導電類型半導體漂移區(qū)21交替排列設置，形成多個垂直于第一種導電類型半導體襯底I表面的PN結;所述第一種導電類型半導體漂移區(qū)11上層一端具有第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23，第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23下表面與一個第二種導電類型半導體漂移區(qū)21的上表面連接;第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的部分上表面具有金屬電極41，第一種導電類型半導體漂移區(qū)11的上表面和第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的部分上表面具有絕緣層31，金屬電極41和絕緣層31連接;其特征在于，相鄰的第二種導電類型半導體漂移區(qū)21之間的間距，從靠近第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23—側到遠離第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23—側逐漸增加;在第二種導電類型半導體漂移區(qū)21頂部與絕緣層31之間具有第二種導電類型表面摻雜區(qū)22;在第二種導電類型表面摻雜區(qū)22頂部與絕緣層31之間具有第一種導電類型表面摻雜區(qū)12。
[0006]進一步的，所述第一種導電類型表面摻雜區(qū)12的一端與第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23接觸，另一端向遠離第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的一側延伸直至超過最后一個第二種導電類型半導體漂移區(qū)21，且第二種導電類型表面摻雜區(qū)22在靠近第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的一側的端面與第一種導電類型表面摻雜區(qū)12的端面沿器件垂直方向齊平，另一端向遠離第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的一側延伸直至超過第一種導電類型表面摻雜區(qū)12的另一個端面。
[0007]進一步的，所述第二種導電類型表面摻雜區(qū)22的結深等于第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的結深。
[0008]進一步的，所述第一種導電類型表面摻雜區(qū)12位于第二種導電類型表面摻雜區(qū)22內與絕緣層31相鄰，呈斷續(xù)分布在表面。
[0009]本發(fā)明的有益效果為，能夠有效抑制終端電荷非平衡現(xiàn)象，避免器件由于終端電荷非平衡而發(fā)生擊穿。同時能夠改善器件終端表面電場，提高器件終端擊穿電壓。本發(fā)明簡單可行工藝難度較低，能很好地解決終端耐壓問題，同時減小終端的尺寸，縮小芯片面積。
【附圖說明】
[0010]圖1是傳統(tǒng)終端結構；
[0011]圖2是本發(fā)明給出的一種表面摻雜超結終端結構示意圖；
[0012]圖3是本發(fā)明給出的另一種表面摻雜超結終端結構示意圖；
[0013]圖4和圖5是超結延伸整個漂移區(qū)的本發(fā)明結構；
[0014]圖6是本發(fā)明給出的與元胞內阱接觸區(qū)同步摻雜表面結構示意圖；
[0015]圖7是本發(fā)明對超結平面柵器件的應用；
[0016]圖8是本發(fā)明對超結槽柵器件的應用；
[0017]圖9是加場板后的本發(fā)明結構；
[0018]圖10是加場限環(huán)后的本發(fā)明結構；
[0019]圖11是Medici仿真?zhèn)鹘y(tǒng)結構與本發(fā)明的表面電場比較；圖(a)是傳統(tǒng)的，圖(b)是本發(fā)明的；
[0020]圖12是Medici仿真?zhèn)鹘y(tǒng)結構與本發(fā)明的等勢線比較；圖(a)是傳統(tǒng)的，圖(b)是本發(fā)明的。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結合附圖，詳細描述本發(fā)明的技術方案:
[0022]如圖1所示，為傳統(tǒng)的超結縱向器件終端結構剖面圖，包括第一種導電類型半導體襯底1、第一種導電類型半導體漂移區(qū)11、第二種導電類型半導體漂移區(qū)21、第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23、絕緣層31、金屬電極41;其第一種導電類型半導體漂移區(qū)11和第二種導電類型半導體漂移區(qū)21在第一種導電類型半導體襯底I上，并且相互交替呈周期性排列，共同構成器件漂移區(qū)，絕緣層31位于漂移區(qū)上方，第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23位于絕緣層31和漂移區(qū)之間與元胞內第二種導電類型阱相連，金屬層41位于第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23上方。
[0023]如圖2所示，為本發(fā)明提供的一種超結終端器件結構剖面圖，包括第一種導電類型半導體襯底I和位于第一種導電類型半導體襯底I上表面的第一種導電類型半導體漂移區(qū)11;所述第一種導電類型半導體漂移區(qū)11中具有多個第二種導電類型半導體漂移區(qū)21，第一種導電類型半導體漂移區(qū)11和第二種導電類型半導體漂移區(qū)21交替排列設置，形成多個垂直于第一種導電類型半導體襯底I表面的PN結;所述第一種導電類型半導體漂移區(qū)11上層一端具有第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23，第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23下表面與一個第二種導電類型半導體漂移區(qū)21的上表面連接;第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的部分上表面具有金屬電極41，第一種導電類型半導體漂移區(qū)11的上表面和第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的部分上表面具有絕緣層31，金屬電極41和絕緣層31連接;其特征在于，相鄰的第二種導電類型半導體漂移區(qū)21之間的間距，從靠近第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23—側到遠離第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23—側逐漸增加;在第二種導電類型半導體漂移區(qū)21頂部與絕緣層31之間具有第二種導電類型表面摻雜區(qū)22，第二種導電類型表面摻雜區(qū)22與絕緣層31連接;第二種導電類型表面摻雜區(qū)22頂部與絕緣層31之間具有第一種導電類型表面摻雜區(qū)12。所述第一種導電類型表面摻雜區(qū)12的一端與第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23接觸，另一端向遠離第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的一側延伸直至超過最后一個第二種導電類型半導體漂移區(qū)21，且第二種導電類型表面摻雜區(qū)22在靠近第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的一側的端面與第一種導電類型表面摻雜區(qū)12的端面沿器件垂直方向齊平，另一端向遠離第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的一側延伸直至超過第一種導電類型表面摻雜區(qū)12的另一個端面。
[0024]上述方案中，第二種導電類型半導體漂移區(qū)21之間的間距從靠近元胞區(qū)到終端邊界按一定規(guī)律變化，以更好的達到終端區(qū)域電荷平衡，從而提高器件的終端耐壓。傳統(tǒng)超結器件終端P條和N條的寬度固定，但在終端區(qū)域時往往邊界大面積的N型漂移區(qū)會對超結區(qū)域輔助耗盡，使終端區(qū)域難以達到理想狀態(tài)的電荷平衡。本發(fā)明給出的終端第一種導電類型半導體漂移條寬度可調節(jié)，達到從元胞區(qū)到邊界的一個漸變，使終端電荷能夠更好的平衡，從而提高器件耐壓。其次本發(fā)明的第二種導電類型表面摻雜區(qū)22—直將第二種導電類型的半導體柱21覆蓋，并向邊界有一段延伸，以保證完全覆蓋兩種類型半導體漂移區(qū)的交界位置，使表面電場比較均勻，從而降低超結終端表面發(fā)生擊穿的幾率，同時降低兩種類型半導體漂移區(qū)的交界位置在半導體表面的高電場，其內第一種導電類型表面摻雜區(qū)12與第二種導電類型表面摻雜區(qū)22相互產生耗盡，從而提供正電荷，產生一個向下的電場，與器件原有向上的電場相抵消，從而進一步降低器件的表面電場，使高電場區(qū)域集中在器件內部，提高器件耐壓。
[0025]圖3給出了本發(fā)明的一種改進結構，其第一種導電類型表面摻雜區(qū)12為斷續(xù)結構，位于第二種導電類型表面摻雜區(qū)22頂部與絕緣層31之間。此結構能夠加強第一種導電類型表面摻雜區(qū)12和第二種導電類型表面摻雜區(qū)22之間的相互耗盡，同時由于表面不連續(xù)可以減小表面漏電流。但由于第一種導電類型表面摻雜區(qū)12為分段結構會在表面引入附加的PN結橫向電場，引起表面電場波動，其波動與原表面電場相疊加形成斷續(xù)結構表面電場。
[0026]圖4和圖5為本發(fā)明提供的一種PN條延伸到襯底超結終端器件結構剖面圖。圖2和圖3中第一種導電類型半導體漂移區(qū)11在第一種導電類型半導體襯底I上直接外延形成，而第二種導電類型半導體漂移區(qū)21并未與第一種導電類型半導體襯底I接觸，其間有第一種導電類型半導體漂移區(qū)11隔開，由于第二種導電類型半導體漂移區(qū)21與第一種導電類型半導體襯底I之間的第一種導電類型半導體漂移區(qū)11的存在，其相當于超結器件底部存在第一種導電類型半導體緩沖層，其緩沖層電場對擊穿電壓的降低起到了一定的緩沖作用，可以增大第二種導電類型半導體漂移區(qū)21的摻雜容差，讓工藝更容易實現(xiàn)。此外相同漂移區(qū)厚度條件下半超結的刻蝕深度相對較淺，多次外延注入的次數(shù)更少，也使得工藝更加容易。而圖4和圖5第二種導電類型半導體漂移區(qū)21直接連接在襯底上，其可通過PN條同時注入摻雜形成，也可通過深槽刻蝕形成，其PN條長度相當，電荷平衡更好控制，可以根據實際應用需求適當選擇。
[0027]圖6為本發(fā)明提供的一種與體內第二種導電類型阱同步摻雜終端表面終端結構剖面圖，其中所述第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23和第二種導電類型表面摻雜區(qū)22由同步工藝形成，其共同連成一體。該方案在工藝制作上減少了版次和離子注入次數(shù)，工藝更加簡單，成本降低，可行度高。但其第二種導電類型表面摻雜區(qū)22的濃度隨第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23濃度的改變而改變，不可調節(jié)，此外其結深與第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23相同，相對有所增加。因為結深較深，若摻雜濃度較高，則表面無法完全耗盡，會存在較大的表面泄露電流，對器件產生不利影響，若摻雜濃度低，則第二種導電類型表面摻雜區(qū)22的邊緣與第一種導電類型半導體漂移區(qū)11之間會存在較大的電場，易在第二種導電類型表面摻雜區(qū)22的邊緣發(fā)生擊穿。該方案雖然在工藝上更加簡單，但其在耐壓和器件性能上會產生不利影響。
[0028]圖7和圖8給出了本發(fā)明對平面柵及槽柵VDMOS的應用實例，表明本發(fā)明可用于多種超結器件結構。此外，其第二種導電類型半導體漂移區(qū)21的寬度可與元胞內的相等，也可比元胞內第二種導電類型半導體漂移區(qū)寬度窄或有所改變，可根據具體應用需求而定。PN條的最小寬度依賴于制造的工藝水平和外延層的刻蝕深度，終端區(qū)域條寬越窄，相同摻雜濃度下其電場峰值也就越低，相同條數(shù)下其終端面積更小，其調節(jié)的靈活性也越高。終端第二種導電類型半導體漂移區(qū)21的濃度也可以比元胞內第二種導電類型半導體漂移區(qū)21的濃度低，從而減小終端區(qū)域的擊穿。
[0029]圖9還包括了場板45，所述場板45在靠近金屬電極41的絕緣層31的上方，對金屬電極41、第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23的電場集中起緩解作用，可有效降低第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23周圍的電場集中引起的擊穿，將電場延伸到較寬的表面區(qū)域，而場板邊緣位于第二種導電類型半導體漂移區(qū)21上方可降低場板邊緣引起的電場集中，可利用第一種導電類型和第二種導電類型漂移區(qū)的耗盡引入電荷，從而對場板的邊緣電場峰值起到一定的降低。總的來說，場板的引入降低了由于電場線集中所引起的峰值電場，將電場分散到了較大的區(qū)域，緩解了電場集中引起的器件擊穿，而其邊緣位于第二種導電類型半導體漂移區(qū)21上方可進一步降低引入場板后場板邊緣電場較集中而引起的擊穿。
[0030]圖10還包括第一種導電類型截止環(huán)19、金屬電極49，所述第一種導電類型截止環(huán)19位于漂移區(qū)邊緣上方，第二種導電類型表面摻雜區(qū)22外層，所述金屬電極49位于第一種導電類型截止環(huán)19上方。在終端邊緣加截止環(huán)，由于終端截止環(huán)與第一種導電類型半導體漂移區(qū)11為同種導電類型摻雜，且電位相同，能使由源端引起的電場線終止于第一種導電類型截止環(huán)19和第一種導電類型半導體漂移區(qū)11邊界，耗盡便不會向器件邊緣外擴展，同樣終止于第一種導電類型截止環(huán)19和第一種導電類型半導體漂移區(qū)11邊界。在器件終端邊緣加上截止環(huán)，能夠保護同襯底上其他器件能夠正常工作，減小芯片面積，提高電路整體性會K。
[0031]圖11為傳統(tǒng)結構和本發(fā)明的器件終端表面電場比較，圖(a)為傳統(tǒng)結構的Medici仿真表面電場圖，圖(b)為本發(fā)明的Medici仿真表面電場圖。從圖中可以看出，傳統(tǒng)結構漂移區(qū)表面沒有進行表面摻雜，表面電場峰值很高，超過2*105V/cm，PN條表面電場在兩邊浮動電位P條附近達到最大，中間浮動P條處略低。而本發(fā)明P條與第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱23相連，接在源端電位上，可增加PN結間電荷，提高耐壓。如圖(b)所示本發(fā)明表面每個PN條為周期的電場峰值和谷值差距較小，雖然整個曲線呈一定的幅度，峰值沒有傳統(tǒng)結構高，但平均電場密度更大，相同峰值下耐壓提高。第二種導電類型表面摻雜區(qū)22比第二種導電類型半導體漂移區(qū)21在邊界有一段延伸，使其終端區(qū)域的面積稍有增大，但第二種導電類型表面摻雜區(qū)22緩解了表面電場尖峰，降低了周期性電場峰值和谷值之間的差距，提高表面電場平均值，耐壓提高。表面第一種導電類型表面摻雜區(qū)12的存在，會與第二種導電類型表面摻雜區(qū)22相互耗盡，從而提供一個向下的電場，使得器件表面電場進一步降低。
[0032]圖12為Medici仿真?zhèn)鹘y(tǒng)結構與本發(fā)明擊穿時的等勢線比較。圖(a)為傳統(tǒng)結構的等勢線圖，圖(b)為本發(fā)明的終端等勢線圖。從圖中可以看出本發(fā)明終端結構的等勢線更加均勻，電勢容量相對較高。在傳統(tǒng)結構中邊緣PN結電場較大，而本發(fā)明邊緣電場較小，這是由于終端電荷非平衡所致，由于P條和N條在終端的摻雜和間距都與元胞內相等，而中斷邊緣非超結區(qū)域全為第一種導電類型雜質，其會對超結區(qū)域輔助耗盡，從而向左提供了大量的正電荷中心，使得邊緣電場變大，而容易發(fā)生擊穿。而本發(fā)明終端采用變間距摻雜結構，使得終端PN條可調節(jié)，從而減小邊緣電荷非平衡的產生，進而提高終端區(qū)域的耐壓，從而提高器件的整體耐壓。
[0033]本發(fā)明的工作原理為:
[0034]本發(fā)明給出一種以調整終端第二種導電類型漂移區(qū)之間的間距來達到終端電荷近似平衡的方案，提高器件終端區(qū)的擊穿電場，該方案只需更改第二種導電類型雜質注入時的光刻板，工藝實現(xiàn)簡單，效果顯著。本發(fā)明還在漂移區(qū)PN結表面增加了第二種導電類型表面摻雜區(qū)(22)和第一種導電類型表面摻雜區(qū)(12)，減弱了半導體區(qū)表面的電場峰值，提高器件的終端耐壓。綜上所述，本發(fā)明通過調整第二種導電類型漂移區(qū)之間的間距和引入表面兩種雜質類型摻雜區(qū)，提高了超結縱向器件的終端耐壓，提供了一種提高超結縱向器件終端擊穿電壓的技術方案。
【主權項】
1.一種超結半導體器件終端結構，包括第一種導電類型半導體襯底(I)和位于第一種導電類型半導體襯底(I)上表面的第一種導電類型半導體漂移區(qū)(11);所述第一種導電類型半導體漂移區(qū)(11)中具有多個第二種導電類型半導體漂移區(qū)(21)，第一種導電類型半導體漂移區(qū)(11)和第二種導電類型半導體漂移區(qū)(21)交替排列設置，形成多個垂直于第一種導電類型半導體襯底(I)表面的PN結;所述第一種導電類型半導體漂移區(qū)(11)上層一端具有第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)，第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)下表面與一個第二種導電類型半導體漂移區(qū)(21)的上表面連接;第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)的部分上表面具有金屬電極(41)，第一種導電類型半導體漂移區(qū)(11)的上表面和第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)的部分上表面具有絕緣層(31)，金屬電極(41)和絕緣層(31)連接;其特征在于，相鄰的第二種導電類型半導體漂移區(qū)(21)之間的間距，從靠近第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)—側到遠離第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23) —側逐漸增加;在第二種導電類型半導體漂移區(qū)(21)頂部與絕緣層(31)之間具有第二種導電類型表面摻雜區(qū)(22);在第二種導電類型表面摻雜區(qū)(22)頂部與絕緣層(31)之間具有第一種導電類型表面摻雜區(qū)(⑵。2.根據權利要求1所述的一種超結半導體器件終端結構，其特征在于，所述第一種導電類型表面摻雜區(qū)(12)的一端與第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)接觸，另一端向遠離第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)的一側延伸直至超過最后一個第二種導電類型半導體漂移區(qū)(21)，且第二種導電類型表面摻雜區(qū)(22)在靠近第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)的一側的端面與第一種導電類型表面摻雜區(qū)(12)的端面沿器件垂直方向齊平，另一端向遠離第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)的一側延伸直至超過第一種導電類型表面摻雜區(qū)(12)的另一個端面。3.根據權利要求1和權利要求2所述的一種超結半導體器件終端結構，其特征在于，所述第一種導電類型表面摻雜區(qū)(12)位于第二種導電類型表面摻雜區(qū)(22)內與絕緣層(31)相鄰，呈斷續(xù)分布在表面。4.根據權利要求2所述的一種超結半導體器件終端結構，其特征在于，所述第二種導電類型表面摻雜區(qū)(22)的結深等于第二種導電類型元胞區(qū)延伸阱(23)的結深。5.根據權利要求2和權利要求3所述的一種半導體器件終端結構，其特征在于，所述第二種導電類型半導體漂移區(qū)(21)與第一種導電類型半導體襯底(I)相鄰。
【文檔編號】H01L29/06GK106024859SQ201610353060
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】喬明, 章文通, 黃琬琰, 余洋, 張波
【申請人】電子科技大學