一種具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓功率器件也朝著大容量、高頻化、高效節(jié)能、低成本的方向發(fā)展。提高器件的擊穿電壓則成為人們的研究方向之一。理想的器件擊穿電壓是指Pn結(jié)或金屬-半導(dǎo)體結(jié)為平行平面結(jié)的情況，但是，由于實(shí)際器件的以及生產(chǎn)工藝流程中某些因素的影響，雜質(zhì)在進(jìn)行縱向擴(kuò)散的同時(shí)也發(fā)生側(cè)向擴(kuò)散，所以結(jié)的終端輪廓是彎曲的。對(duì)于高壓功率器件，當(dāng)給結(jié)加反偏電壓，接近擊穿時(shí)在結(jié)的附近的場(chǎng)強(qiáng)是很高的，在結(jié)終端彎曲處的電場(chǎng)強(qiáng)度要比其他區(qū)域高出很多，也就越容易發(fā)生擊穿。為了解決這一問題，在主結(jié)周圍加上耐壓環(huán)，當(dāng)給結(jié)施加反偏電壓是，主結(jié)的耗盡區(qū)沿表面向外側(cè)擴(kuò)展，當(dāng)耗盡區(qū)擴(kuò)展到耐壓環(huán)結(jié)時(shí)，主結(jié)彎曲處電場(chǎng)強(qiáng)度還沒有達(dá)到臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，即主結(jié)還不會(huì)擊穿。隨著反向偏壓的增大，主結(jié)與耐壓環(huán)結(jié)發(fā)生穿通，耗盡區(qū)連成一片，這樣，耗盡區(qū)曲率半徑增大，主結(jié)彎曲處的電場(chǎng)積聚作用被削弱，擊穿電壓因此得到提高。
[0003]如圖4所示，傳統(tǒng)的功率器件包括工作區(qū)05和終端區(qū)06，該工作區(qū)05和終端區(qū)06的重?fù)诫sN+襯底01上設(shè)有輕摻雜N-外延層02，該輕摻雜N-外延層02上設(shè)平面耐壓環(huán)03，該輕摻雜N-外延層02在設(shè)于平面耐壓環(huán)03上表面設(shè)有Si02絕緣層04，可知傳統(tǒng)的耐壓環(huán)技術(shù)，均為平面耐壓環(huán)，即在Si襯底中注入雜質(zhì)離子形成耐壓環(huán)結(jié)，分散主結(jié)的電場(chǎng)分布，削弱主結(jié)彎曲處的電場(chǎng)積聚現(xiàn)象，從而提高擊穿電壓；在主結(jié)周圍加上耐壓環(huán)，勢(shì)必要增加芯片的面積，而隨著功率器件對(duì)擊穿電壓要求越來越高，耐壓環(huán)條數(shù)也會(huì)相應(yīng)增多，這就導(dǎo)致終端耐壓環(huán)所占面積增大，整個(gè)芯片的面積也隨之增大，提高了成本。
[0004]鑒于此，在專利CN201180050935中提到一種用于高壓應(yīng)用的具有改善終端結(jié)構(gòu)的溝槽DMOS器件，包括半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底具有有源區(qū)和終端區(qū)。該襯底具有第一導(dǎo)電類型。終端溝槽位于終端區(qū)中，并且從育源區(qū)的邊界向半導(dǎo)體襯底的邊緣的特定距離內(nèi)延伸。摻雜區(qū)具有第二導(dǎo)電類型，布置在終端溝槽下方的襯底中。在與邊界相鄰的側(cè)壁上形成MOS柵極。該摻雜區(qū)從與邊界隔開的MOS柵極的一部分下方向終端溝槽的遠(yuǎn)處的側(cè)壁延伸。終端結(jié)構(gòu)氧化物層形成在終端溝槽上，并且覆蓋MOS柵極的一部分，并且向襯底的邊緣延伸。在半導(dǎo)體襯底的背側(cè)表面上形成第一導(dǎo)電層。在有源區(qū)頂部MOS柵極的暴露部分形成第二導(dǎo)電層，并且第二導(dǎo)電層延伸以覆蓋終端結(jié)構(gòu)氧化物層的至少一部分。該發(fā)明終端區(qū)雖然也采用溝槽型并在溝槽下方摻雜P型雜質(zhì)，但是其在溝槽側(cè)壁沉積柵極，溝槽內(nèi)沉積電介質(zhì)層、金屬層，這種器件制作工藝比較復(fù)雜，成本較高，器件的耐壓性能無法得到可靠保證。
[0005]在專利CN201310086262中提到一種中高壓溝槽型功率器件的終端結(jié)構(gòu)及其制作方法，其終端結(jié)構(gòu)的終端區(qū)域至少有一個(gè)溝槽，溝槽的兩側(cè)均有表面結(jié)，靠近有源區(qū)的一側(cè)為η型注入結(jié)，遠(yuǎn)離有源區(qū)的一側(cè)為P型注入結(jié)，溝槽內(nèi)有填充物。該發(fā)明終端區(qū)雖然也采用溝槽型，但是溝槽內(nèi)填充的是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者多晶硅，這些材料在耐壓相同的情況下，相比其他材料則需要終端面積要更大，不僅制作工藝相對(duì)復(fù)雜，而且耐壓性能一般。
[0006]在另一專利CN201210009184中提到一種超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)，其包括有源區(qū)和終端區(qū)，終端區(qū)在襯底層上設(shè)置第一導(dǎo)電類型材料的外延層，在外延層上形成復(fù)合緩沖層，復(fù)合緩沖層中含有交替排列的第一種導(dǎo)電類型材料構(gòu)成的第一半導(dǎo)體區(qū)和第二種導(dǎo)電類型材料構(gòu)成的第二半導(dǎo)體區(qū)；第二導(dǎo)電類型的阱區(qū)位于第二半導(dǎo)體區(qū)的表面，處于兩個(gè)第一半導(dǎo)體區(qū)之間或最后一個(gè)第一半導(dǎo)體區(qū)與截止環(huán)之間。該發(fā)明雖然采用超結(jié)結(jié)構(gòu)提高耐壓，但其終端區(qū)是平面型，因此耐壓性能較差，終端所占面積更大，成本也較高。
[0007]綜上所述，有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)作進(jìn)一步完善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決以上【背景技術(shù)】中所提到的問題，本實(shí)用新型提供了一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、合理，使用穩(wěn)定、可靠，在有效提高器件的擊穿電壓的同時(shí)，能有效減小終端區(qū)的面積，降低了成本，提高了耐壓性能的具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件。
[0009]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0010]上述的具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，包括工作區(qū)(I)和終端區(qū)(2);所述工作區(qū)(I)和終端區(qū)(2)的襯底(3)上表面設(shè)有外延層(4);所述終端區(qū)(2)自所述外延層(4)的上表面向下開設(shè)有耐壓環(huán)溝槽(21);所述耐壓環(huán)溝槽(21)的深度小于所述外延層(4)的厚度，其內(nèi)部填充有輕摻雜的P型GaN材料且填充后的所述P型GaN材料的上表面與所述外延層(4)的上表面平齊；同時(shí)，所述耐壓環(huán)溝槽(21)內(nèi)填充的所述P型GaN材料上表面還覆蓋有一層邊緣鈍化層(5)。
[0011]所述具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，其中:所述邊緣鈍化層(5)采用的是SiN介電層。
[0012]所述具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，其中:所述耐壓環(huán)溝槽(21)是通過光刻刻蝕工藝開設(shè)于所述終端區(qū)(2)的外延層(4)。
[0013]所述具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，其中:所述高壓功率器件包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET和快恢復(fù)二極管FRD ;所述絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作區(qū)包括柵極區(qū)G和發(fā)射區(qū)E。
[0014]所述具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，其中:所述高壓功率器件的中部區(qū)域?yàn)楣ぷ鲄^(qū)(I)，位于所述工作區(qū)(I)周圍的區(qū)域?yàn)樗鼋K端區(qū)(2)。
[0015]有益效果:
[0016]本實(shí)用新型具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、合理，使用穩(wěn)定、可靠，在有效提高器件的擊穿電壓的同時(shí)，能有效減小終端區(qū)的面積，進(jìn)而使整個(gè)芯片面積減小，降低了成本。
[0017]本實(shí)用新型的工作區(qū)與傳統(tǒng)的高壓功率半導(dǎo)體器件的工作區(qū)相同，區(qū)別之處在于，本實(shí)用新型的終端區(qū)耐壓環(huán)采用溝槽型，溝槽內(nèi)填充P型GaN材料，GaN溝槽耐壓環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)平面耐壓環(huán)，減小耐壓環(huán)所占的寬度，減小了芯片面積，降低了成本，GaN材料的耐壓性能是傳統(tǒng)Si材料的十倍，故在減小終端耐壓環(huán)所占面積的同時(shí)，又提高了功率器件的耐壓性能。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件的剖視圖；
[0019]圖2為本實(shí)用新型具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件的俯視圖；
[0020]圖3為絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作區(qū)結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0021]圖4為傳統(tǒng)的功率器件結(jié)構(gòu)剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]如圖1、2所示，本實(shí)用新型具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，可以是IGBT、MOSFET, FRD等器件，包括工作區(qū)I和終端區(qū)2。
[0023]該工作區(qū)I位于功率器件的中部區(qū)域，工作區(qū)I周圍的區(qū)域?yàn)榻K端區(qū)2 ;其中，以功率器件IGBT為例，圖3為IGBT的工作區(qū)1，包括柵極區(qū)G和發(fā)射區(qū)E。
[0024]該工作區(qū)I和終端區(qū)2的襯底3為重?fù)诫sN+硅襯底結(jié)構(gòu)，該工作區(qū)I和終端區(qū)2的外延層4為輕摻雜N-外延層結(jié)構(gòu)且設(shè)于重?fù)诫sN+襯底3的上表面；該外延層4的厚度為 50_150um。
[0025]該終端區(qū)2自外延層4的上表面向下開設(shè)有耐壓環(huán)溝槽21 ;其中，該耐壓環(huán)溝槽21是通過光刻刻蝕工藝在終端區(qū)2開設(shè)形成，其深度小于外延層4的厚度。
[0026]該耐壓環(huán)溝槽21內(nèi)填充有輕摻雜的P型GaN材料，其中，該耐壓環(huán)溝槽21的溝槽深度位5-15um，其內(nèi)部填充的GaN材料上表面與外延層4的上表面平齊，與此同時(shí)，該耐壓環(huán)溝槽21內(nèi)填充的GaN材料上表面還覆蓋有一層邊緣鈍化層5，該邊緣鈍化層5采用的是SiN介電層，其代替了傳統(tǒng)S12*緣層，SiN介電層相比S1 2絕緣層而言具有更穩(wěn)定的表面化學(xué)性能，起到更好的保護(hù)作用。
[0027]其中，本實(shí)用新型的耐壓環(huán)溝槽21不同于圖4中的傳統(tǒng)高壓功率器件的平面耐壓環(huán)03，本實(shí)用新型在耐壓環(huán)溝槽21內(nèi)填充輕摻雜的P型GaN材料，由于GaN材料的耐壓能力比傳統(tǒng)的Si材料高十倍，因此，本實(shí)用新型的耐壓環(huán)溝槽21結(jié)要比傳統(tǒng)的平面耐壓環(huán)03結(jié)深；同時(shí)，相比傳統(tǒng)的平面耐壓環(huán)03，本實(shí)用新型的耐壓環(huán)溝槽21的數(shù)量明顯減少且耐壓環(huán)所占的面積也明顯減小，進(jìn)而使整個(gè)高壓功率器件的面積減小，降低了成本。
[0028]再則，從圖4與圖1、圖2的對(duì)比即可看出，圖1的終端區(qū)22所占面積明顯小于圖4傳統(tǒng)功率器件終端區(qū)06，圖2的耐壓環(huán)溝槽21數(shù)量明顯少于圖4。又由于GaN材料的高耐壓性，使器件的反向阻斷電壓大大提高。
[0029]本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、合理，使用穩(wěn)定、可靠，在有效提高器件的擊穿電壓的同時(shí)，能有效減小終端區(qū)的面積，降低了成本，適于大范圍的推廣與應(yīng)用。
[0030]以上所述，僅是本實(shí)用新型較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本實(shí)用新型作任何其他形式的限制，而依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)所作的任何修改或者等同變化，仍屬于本實(shí)用新型所要求保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，包括工作區(qū)(I)和終端區(qū)(2);所述工作區(qū)(I)和終端區(qū)(2)的襯底(3)上表面設(shè)有外延層(4);其特征在于:所述終端區(qū)(2)自所述外延層(4)的上表面向下開設(shè)有耐壓環(huán)溝槽(21);所述耐壓環(huán)溝槽(21)的深度小于所述外延層(4)的厚度，其內(nèi)部填充有輕摻雜的P型GaN材料且填充后的所述P型GaN材料的上表面與所述外延層⑷的上表面平齊；同時(shí)，所述耐壓環(huán)溝槽(21)內(nèi)填充的所述P型GaN材料上表面還覆蓋有一層邊緣鈍化層(5)。2.如權(quán)利要求1所述的具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，其特征在于:所述邊緣鈍化層(5)采用的是SiN介電層。3.如權(quán)利要求1所述的具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，其特征在于:所述耐壓環(huán)溝槽(21)是通過光刻刻蝕工藝開設(shè)于所述終端區(qū)(2)的外延層(4)。4.如權(quán)利要求1所述的具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，其特征在于:所述高壓功率器件包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET和快恢復(fù)二極管FRD。5.如權(quán)利要求1至4任一所述的具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，其特征在于:所述高壓功率器件的中部區(qū)域?yàn)楣ぷ鲄^(qū)(I)，位于所述工作區(qū)(I)周圍的區(qū)域?yàn)樗鼋K端區(qū)⑵。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種具有特殊耐壓環(huán)的高壓功率器件，其包括工作區(qū)(1)和終端區(qū)(2)；所述工作區(qū)(1)和終端區(qū)(2)的襯底(3)上表面設(shè)有外延層(4)；所述終端區(qū)(2)自所述外延層(4)的上表面向下開設(shè)有耐壓環(huán)溝槽(21)；所述耐壓環(huán)溝槽(21)的深度小于所述外延層(4)的厚度，其內(nèi)部填充有輕摻雜的P型GaN材料且填充后的所述P型GaN材料的上表面與所述外延層(4)的上表面平齊；同時(shí)，所述耐壓環(huán)溝槽(21)內(nèi)填充的所述P型GaN材料上表面還覆蓋有一層邊緣鈍化層(5)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、合理，使用穩(wěn)定、可靠，在有效提高器件的擊穿電壓的同時(shí)，能有效減小終端區(qū)的面積，降低了成本。
【IPC分類】H01L29/06, H01L29/739
【公開號(hào)】CN205177848
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520890629
【發(fā)明人】周炳, 石英學(xué), 郝建勇, 張志娟
【申請(qǐng)人】張家港意發(fā)功率半導(dǎo)體有限公司
【公開日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年11月10日