CN106129108A - 一种具有三维结构的半导体晶圆 - Google Patents

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Abstract

一种具有三维结构的半导体晶圆，涉及一种半导体晶圆，由半导体晶圆、连接层、导通层和保护层构成，导通层上设有保护层，在半导体晶圆上设有连接层和导通层，连接层和导通层设置在半导体晶圆的任意面上；本发明实用性强，使用起来比较简单，控制方案严密、协调、效果好、设计巧妙，易于实施，在节能的同时也极大的方便了客户的需求，同时也极大的提高半导体性能。

Description

一种具有三维结构的半导体晶圆
【技术领域】
本发明涉及一种半导体晶圆，尤其是涉及一种具有三维结构的半导体晶圆。
【背景技术】
公知的，用于半导体芯片制造的晶圆材料主要是单晶外延片和单晶抛光片，外延片是在单晶抛光片也就是衬底层上生长一层外延层，衬底层主要起支撑作用，外延层用于制造半导体芯片，高电压半导体芯片需要更厚的外延层厚度，随着外延层厚度的增加，不仅成本大幅度提高，其缺陷密度也随之增加，不能满足新型高压大功率半导体芯片制造的需要，并且衬底层对半导体芯片性能也有限制作用。
以硅为代表的半导体材料具有硬而脆的特性，单晶外延片和单晶抛光片都必须有一定的厚度以增加其强度，在半导体芯片制造过程中都须要经过减薄过程，以移除多余的厚度，这样就造成该过程不仅成本高而且工艺难度大。
随着节能降耗要求越来越高，对半导体器件的电压和功耗要求也越来越高，半导体器件的工作电压要求逐步提升到6500V甚至更高，而基于外延片制造的半导体器件电压一般不超过1700V，外延片的局限性表现明显，受限于传统半导体晶圆材料的固有特性，半导体器件功耗的瓶颈不能得到有效的大幅度的降低；另外，功率半导体制造逐渐走进高集成度的亚微米CMOS时代，但是，基于目前主流半导体晶圆材料，亚微米CMOS制作工艺与新型高压大功率器件所必需的三维“深PN结”结构从根本上无法兼容，成为高性能功率半导体持续发展的关键瓶颈。
【发明内容】
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种具有三维结构的半导体晶圆，本发明通过在半导体晶圆上设有连接层和导通层，以达到提高半导体性能的目的。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有三维结构的半导体晶圆，包括半导体晶圆、连接层、导通层和保护层，导通层上设有保护层，在半导体晶圆上设有连接层和导通层，连接层和导通层设置在半导体晶圆的任意面上。
所述半导体晶圆为圆柱型结构。
所述连接层至少为一层，连接层设置在半导体晶圆的底面或侧面上。
所述连接层由若干根连接体构成，每根连接体的一端插入到半导体晶圆内，每根连接体的另一端与半导体晶圆的底面相平齐。
所述连接体为棱柱型、圆柱型、圆型或椭圆型结构，连接体在半导体晶圆内呈阵列结构进行排列。
所述导通层设置在半导体晶圆的任一底面上。
所述保护层设置在导通层的外侧面上。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，包括半导体晶圆、连接层、导通层和保护层，通过在半导体晶圆上设有连接层和导通层，以达到提高半导体性能的目的，不仅可以替代单晶外延片等二维结构半导体晶圆材料，还可以为新型半导体器件提供全新的设计基础；
1、在半导体晶圆上形成了承担高电压的三维“深结”结构即连接层，解决了功率半导体芯片亚微米CMOS工艺和“深PN结”结构的工艺矛盾，可以简化功率半导体芯片的制造流程并降低其制造难度；
2、有效提高半导体芯片的电流密度，基于本发明的半导体芯片比传统半导体芯片功耗可降低30%以上；
3、降低半导体晶圆高阻区的缺陷密度，大幅降低半导体芯片的漏电流，基于本发明的半导体芯片比传统半导体芯片漏电流可降低1-2个数量级；4、提高功率半导体的二次击穿耐量，基于本发明的半导体芯片比传统半导体芯片提高二次击穿耐量50%以上，从根本上提高器件的抗烧毁能力；
5、由于连接层的作用，可大幅度降低半导体晶圆“超薄”要求，解决了基于传统半导体晶圆背面金属化时的超薄片加工技术难题；
6、三维结构可以大幅度减少半导体晶圆热应力，半导体晶圆更平坦且具有韧性，在半导体芯片制造过程中不易碎裂。
7、三维半导体晶圆各项参数可控性好，电阻率在0.5-2000Ω.cm范围内可选，电阻率偏差可控制在±5%以内，面内电阻率不均匀性可控制在6%以内；总厚度在150-2000μm范围内可选；半导体晶圆高阻区厚度在10-1000μm范围内可定制，半导体晶圆高阻区厚度偏差可控制在±2.5μm以内。
8、基于本发明制造的半导体器件，可以实现6500V、7200V、8500V及更高的工作电压，即可以用于制造工作电压从几个伏特到上万伏特的各类半导体器件。
本发明实用性强，使用起来比较简单，控制方案严密、协调、效果好、设计巧妙，易于实施，在极大的提高半导体性能的同时也极大的方便了客户的使用。
【附图说明】
图1为本发明的立体结构拆分示意图；
图2为本发明的N-/N+/N+型三维半导体晶圆立体结构拆分示意图；
图3为本发明的N-/P+/P+型三维半导体晶圆立体结构拆分示意图；
图4为本发明的N-/N+/P+型三维半导体晶圆立体结构拆分示意图；
图5为本发明的N-/P+/N+型三维半导体晶圆立体结构拆分示意图；
图6为本发明的P-/P+/P+型三维半导体晶圆立体结构拆分示意图；
图7为本发明的P-/N+/N+型三维半导体晶圆立体结构拆分示意图；
图8为本发明的N-/正面P+/N+型三维半导体晶圆立体结构拆分示意图；
图9为本发明的N-/正面P+/底面N+/N+型三维半导体晶圆立体结构拆分示意图；
图中：1、半导体晶圆；2、连接体；3、导通层；4、保护层。
【具体实施方式】
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
结合附图1所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，包括半导体晶圆1、连接层、导通层3和保护层4，导通层3上设有保护层4，在半导体晶圆1上设有连接层和导通层3，连接层2和导通层3设置在半导体晶圆1的任意面上；所述半导体晶圆1为圆柱型结构；所述连接层至少为一层，连接层设置在半导体晶圆1的底面或侧面上；所述连接层由若干根连接体2构成，每根连接体2的一端插入到半导体晶圆1内，每根连接体2的另一端与半导体晶圆1的底面相平齐；所述连接体2为棱柱型、圆柱型、圆型或椭圆型结构，连接体2在半导体晶圆1内呈阵列结构进行排列；所述导通层3设置在半导体晶圆1的任一底面上；所述保护层4设置在导通层3的外侧面上。
本发明所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，根据不同功率半导体的种类，本发明专利中具有三维结构的半导体晶圆1、连接层、导通层3部分的导电类型可分别选定为N型或P型，其中半导体晶圆1的任一底面可以根据芯片的要求进行制造；
结合附图2，实施例1， N-/N+/N+型三维半导体晶圆
半导体晶圆1是导电型号为N型的高阻区，即N-区；连接层是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，阵列状分布的连接体2一端植入半导体晶圆1内部，另一端在半导体晶圆1的底面通过导通层3互相连接；导通层3是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，在半导体晶圆1背面的导通层3上设置有保护层4，此类三维半导体晶圆1主要适用于MOSFET与FRD的制造，通过独特的三维结构连接体的设计和实现，可以增加MOSFET芯片的电流密度，其功率损耗可以降低30%以上，进而可以有效缩小芯片的版图面积，降低芯片综合成本；还可以增大FRD芯片软度因子。
结合附图3，实施例2，N-/P+/P+型三维半导体晶圆
半导体晶圆1是导电型号为N型的高阻区，即N-区，连接层是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，阵列状分布的连接体2一端植入半导体晶圆1内部，另一端在半导体晶圆1的底面通过导通层3互相连接；导通层3是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，在半导体晶圆1背面的导通层3上设置有保护层4，此类三维半导体晶圆主要适用于IGBT的制造，采用三维半导体晶圆制造IGBT芯片时，减少了传统IGBT芯片制造工艺中背面金属化前的繁琐的晶圆减薄与P+注入等工艺流程，IGBT芯片的制造流程与VDMOS芯片完全一致，这样IGBT芯片的制造得以简化、优化且容易实现，即拥有VDMOS芯片生产能力的产线就可以生产IGBT芯片，这既可以减少IGBT专用生产线的资金投入，也能提高芯片的成品率，更加有利于IGBT的发展与应用普及。
结合附图4，实施例3，N-/N+/P+型三维半导体晶圆
半导体晶圆1是导电型号为N型的高阻区，即N-区，连接层是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，阵列状分布的连接体2一端植入半导体晶圆1内部，另一端在半导体晶圆1的底面通过导通层3互相连接，导通层3是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，在半导体晶圆1背面的导通层3上设置有保护层4；此类三维半导体晶圆主要适用于阳极并联IGBT的制造。采用该型三维半导体晶圆制造的阳极并联IGBT，具有卓越的高速开关性能，开关频率可达50KHZ；具有更低的功率损耗和更高的效率。
结合附图5，实施例4，N-/P+/N+型三维半导体晶圆
半导体晶圆1是导电型号为N型的高阻区，即N-区，连接层是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，阵列状分布的连接体2一端植入半导体晶圆1内部，另一端在半导体晶圆1的底面通过导通层3互相连接；导通层3是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，在半导体晶圆1的背面的导通层3上设置有保护层4；此类三维半导体晶圆主要适用于N沟道增强型MOSFET和新型FRD芯片的制造。采用该型三维半导体晶圆制造的N沟道增强型MOSFET芯片功率损耗可以降低30%以上，二次击穿耐量可以50%以上。
结合附图6，实施例5，P-/P+/P+型三维半导体晶圆
半导体晶圆1是导电型号为P型的高阻区，即P-区，连接层是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，阵列状分布的连接体2一端植入半导体晶圆1内部，另一端在半导体晶圆1的底面通过导通层3互相连接，导通层3是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，在半导体晶圆1背面的导通层3上设置有保护层4；此类三维半导体晶圆主要适用于P沟道增强型MOSFET和GTR的制造。
结合附图7，实施例6，P-/N+/N+型三维半导体晶圆
半导体晶圆1是导电型号为P型的高阻区，即P-区，连接层是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，阵列状分布的连接体2一端植入半导体晶圆1内部，另一端在半导体晶圆1的底面通过导通层3互相连接，导通层3是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，在半导体晶圆1背面的导通层3上设置有保护层4；此类三维半导体晶圆主要适用于Cool MOS的制造，CoolMOS相对于传统Power MOS导通电阻降低3-5倍，但是制作极其复杂,需要做十余次离子注入和外延，技术难度大，成本特别高，采用该型三维半导体晶圆制造Cool MOS芯片时，直接形成承担高电压的阵列分布的三维结构，可以简化Cool MOS芯片制造的复杂流程，降低其制造难度，实现Cool MOS制造的技术突破。
结合附图8，实施例7，N-/正面P+/N+型三维半导体晶圆
半导体晶圆1是导电型号为N型的高阻区，即N-区，连接层是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，阵列状分布的连接体2一端植入半导体晶圆1内部，另一端在与半导体晶圆1正面相平齐，导通层3是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，在半导体晶圆1背面的导通层3上设置有保护层4；此类三维半导体晶圆主要适用于Cool MOS的制造，定制化的三维半导体晶圆制造Cool MOS芯片可以降低其制造难度，大幅度降低芯片成本，在应用端形成更好的性价比优势。
结合附图9，实施例8，N-/正面P+/底面N+/N+型三维半导体晶圆
半导体晶圆1是导电型号为N型的高阻区，即N-区，正面的连接层是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，阵列状分布的连接体2一端植入半导体晶圆1内部，另一端在与半导体晶圆1正面相平齐，半导体晶圆1背面的连接层是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，阵列状分布的连接体2一端植入半导体晶圆1内部，另一端在半导体晶圆1的底面通过导通层3互相连接，导通层3是导电型号为N型的高浓度区：记为N+，在半导体晶圆1背面的导通层3上设置有保护层4，此类三维半导体晶圆主要适用于COOL MOS、功率集成电路的制造，该型三维半导体晶圆可以降低芯片制造难度，进一步降低功率损耗10%以上，可以增强芯片机械性能、降低制程破损率10%以上，还可以为晶圆两面上的芯片电路的设计与制造提供基础。
本发明未详述部分为现有技术，尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，具体实现该技术方案方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有三维结构的半导体晶圆，包括半导体晶圆、连接层、导通层和保护层，导通层上设有保护层，其特征是：在半导体晶圆上设有连接层和导通层，连接层和导通层设置在半导体晶圆的任意面上。
2.根据权利要求1所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，其特征是：所述半导体晶圆为圆柱型结构。
3.根据权利要求1所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，其特征是：所述连接层至少为一层，连接层设置在半导体晶圆的底面或侧面上。
4.根据权利要求1或3所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，其特征是：所述连接层由若干根连接体构成，每根连接体的一端插入到半导体晶圆内，每根连接体的另一端与半导体晶圆的底面相平齐，所述连接体为棱柱型、圆柱型、圆型或椭圆型结构，连接体在半导体晶圆内呈阵列结构进行排列。
5.根据权利要求1所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，其特征是：所述导通层设置在半导体晶圆的任一底面上，保护层设置在导通层的外侧面上。
6.根据权利要求1所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，其特征是：所述半导体晶圆是导电型号为N型的高阻区，即N-区；连接层是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，阵列状分布的连接体一端植入半导体晶圆内部，另一端在半导体晶圆的底面通过导通层互相连接；导通层是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，在半导体晶圆背面，导通层上设置有保护层。
7.根据权利要求1所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，其特征是：所述半导体晶圆是导电型号为N型的高阻区，即N-区，连接层是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，阵列状分布的连接体一端植入半导体晶圆内部，另一端在半导体晶圆的底面通过导通层互相连接；导通层是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，在半导体晶圆背面，导通层上设置有保护层。
8.根据权利要求1所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，其特征是：所述半导体晶圆是导电型号为N型的高阻区，即N-区，连接层是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，阵列状分布的连接体一端植入半导体晶圆内部，另一端在半导体晶圆的底面通过导通层互相连接；导通层是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，在半导体晶圆的背面的导通层上设置有保护层。
9.根据权利要求1所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，其特征是：所述半导体晶圆是导电型号为N型的高阻区，即N-区，连接层是导电型号为P型的高浓度区，即P+区，阵列状分布的连接体一端植入半导体晶圆内部，另一端在与半导体晶圆正面相平齐，导通层是导电型号为N型的高浓度区，即N+区，在半导体晶圆背面的导通层上设置有保护层。
10.根据权利要求1~9中任一项所述的一种具有三维结构的半导体晶圆，其特征是：保护层与导通层相连接，保护层为SiO2层。
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