CN106876441A - 具有固定界面电荷场限环的功率器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有固定界面电荷场限环的功率器件，包括场氧层和有源层，场氧层位于有源层之上。场氧层内设有至少1个固定界面电荷区，该固定界面电荷区位于场氧层的下部，并与场氧层的下表面即场氧层和有源层的交界面相接触。本发明能够克服现有功率器件的FLR区中的杂质扩散而导致的击穿电压下降和器件失效的问题，并有效提高了器件的击穿电压和改善了有源层表面的电场分布，使得电场分布更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及半导体功率器件技术领域，具体涉及一种具有固定界面电荷场限环的功率器件。
背景技术
功率集成电路(Power Integrated Circuit，PIC)集信号处理、传感保护、功率传输技术于一体，自上世纪八十年代产生以来发展迅速，在武器装备、电力电子、航空航天、平板显示驱动和其它高新技术产业有着极为广泛的应用。PIC是集成电路中的一个重要分支，与分立器件相比，PIC不仅在性能、功耗和稳定性方面有很大优势，而且对于降低成本、减少体积和重量有着非常大的意义。因此，国内外专家和学者对PIC投入了极大的关注和深入的研究。
功率半导体器件主要包括功率二极管、晶闸管、功率MOSFET、功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)和宽禁带功率半导体器件等。其中除晶闸管在特大功率领域应用，功率MOS和IGBT是两种主要的功率器件。由于宽禁带材料宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优势，随着碳化硅单晶生长技术和氮化镓异质结外延生长技术的不断成熟，新一代宽禁带功率半导体器件也获得了国内外半导体公司和研究机构的广泛关注和深入研究。
功率半导体器件设计的关键是优化高耐压、通态压降、快速开关等关键特性参数之间的折衷。提高功率密度和降低损耗一直以来都是功率半导体器件的发展方向，而前者与功率器件的耐压提高密切相关。场限环(FLR)技术是提高功率器件耐压的关键。然而，现有场限环技术需要通过离子注入在有源层上部形成FLR区。由于FLR区位于有源层上部，因此当器件进行退火等高温工艺时，FLR中的杂质会向周围扩散，使得FLR的尺寸参数偏离优化值，从而导致器件的实际耐压值与设计值发生较大的偏离。当器件有源层厚度设计得很薄时，杂质的热扩散会使得FLR区几乎完全阻断有源层，进而导致器件的失效，这样就限制了功率器件尺寸的缩小和集成度的提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有功率器件的FLR区中的杂质扩散而导致的击穿电压下降和器件失效的问题，提供一种具有固定界面电荷场限环的功率器件。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种具有固定界面电荷场限环的功率器件，包括场氧层和有源层，场氧层位于有源层之上；场氧层内设有至少1个固定界面电荷区，该固定界面电荷区位于场氧层的下部，并与场氧层的下表面即场氧层和有源层的交界面相接触。固定界面电荷区为浓度大于等于1×1013cm-2的高浓度固定界面电荷区。
上述方案中，当固定界面电荷区的个数为2个以上时，这些固定界面电荷区在场氧层的下表面处呈水平间断设置。
上述方案中，每2个固定界面电荷区之间的间距呈线性递增变化。
上述方案中，所有固定界面电荷区的浓度和/或高度均相等。
上述方案中，固定界面电荷区通过离子注入方式注入到场氧层中，且注入的离子为铯离子、碘离子、钠离子、硼离子和/或硅离子。
本发明的工作原理：当器件反向耐压时，栅电极附近的主结的耗尽区沿有源层向右扩展，当与高浓度的固定界面电荷区下方的耗尽区相连时，耗尽区的边界变得更加平坦，减弱了平行平面结的曲率效应，从而降低了主结附近的电场峰值，提高了器件的击穿电压。与此同时，多个高浓度的固定界面电荷区会引入多个新的电场尖峰，改善了有源层表面的电场分布，使得电场分布更加均匀。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、固定界面电荷区在场氧层中的高温扩散远低于场限环在有源层中的高温扩散，这有利于获得更高、更稳定的击穿电压；
2、固定界面电荷区位于场氧层中，不占据有源层中的区域，从而在器件导通时，不会占用电流的导通路径，这有利于提高器件的输出电流和功率密度；
3、当器件厚度变得很薄时，不会出现场限环阻断有源层导致器件失效，从而能够进一步缩小器件尺寸和提高集成度；
4、固定界面电荷区浓度范围等于或大于1×1013cm-2，等于或大于该值时，掺杂浓度对击穿电压几乎没有影响，工艺容差较好；
5、在需要多次离子注入的多层结构中，固定界面电荷区可以在场氧层中代替表面高掺杂区域，从而有利于实现复杂的器件结构。
附图说明
图1为常规P型SOI LDMOS功率器件的结构示意图；
图2为本发明提出的一种具有固定界面电荷场限环的功率器件即P型SOI LDMOS器件的结构示意图；
图3为本发明提出的一种具有固定界面电荷场限环的功率器件即P型SOI LDMOS器件与常规P型SOI LDMOS功率器件的击穿电压比较图；
图4为本发明提出的一种具有固定界面电荷场限环的功率器件即P型SOI LDMOS器件与常规P型SOI LDMOS功率器件反向击穿时的表面电场比较图。
图5为常规功率二极管的结构示意图；
图6为本发明提出的另一种具有固定界面电荷场限环的功率器件即功率二极管的结构示意图；
图7为本发明提出的另一种具有固定界面电荷场限环的功率器件即功率二极管与常规功率二极管的击穿电压比较图；
图8为本发明提出的另一种具有固定界面电荷场限环的功率器件即功率二极管与常规功率二极管反向击穿时的表面电场比较图；
图9为本发明提出的另一种具有固定界面电荷场限环的功率器件即功率二极管与常规功率二极管反向击穿时的表面电势比较图。
图中标号：1、衬底；2、埋层；3、P-漂移区；4、场氧层；5、源电极；6、栅电极；7、漏电极；8、N阱；9、N+接触区；10、P+源区；11、P+漏区；12、固定界面电荷区；13、N-漂移区；14、阳极P+区；15、阴极N+区；16、阳极；17、阴极。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种具有固定界面电荷场限环的功率器件即P型SOI LDMOS器件，如图2所示，包括衬底1、埋层2、P-漂移区3、场氧层4、源电极5、栅电极6、漏电极7、N阱8、N+接触区9、P+源区10、P+漏区11和至少1个固定界面电荷区12。
衬底1、埋层2、P-漂移区3和场氧层4自下而上依次叠置。其中P-漂移区3即为有源层。源电极5、栅电极6和漏电极7设置在场氧层4的两侧，其中源电极5和栅电极6位于场氧层4的左侧，漏电极7位于场氧层4的右侧。N阱8、N+接触区9、P+源区10、P+漏区11位于P-漂移区3的上部，并与P-漂移区3的上表面接触。
固定界面电荷区12位于场氧层4的下部，并与场氧层4的下表面接触。固定界面电荷区12为浓度大于等于1×1013cm-2的高浓度固定界面电荷区12。固定界面电荷区12通过离子注入方式注入到场氧层4中，且注入的离子为铯离子、碘离子、钠离子、硼离子和/或硅离子。
当固定界面电荷区12的个数为2个以上时，所有固定界面电荷区12的浓度和高度均相等，且这些固定界面电荷区12在场氧层4的下表面处呈水平间断设置。每2个固定界面电荷区12之间的间距相等或不等。在本实施例中，每2个固定界面电荷区12之间的间距自左至右线性递增，即最靠近场氧层4的左侧即源电极5和栅电极6的2个固定界面电荷区12之间的间距最小，而最靠近场氧层4的右侧即漏电极7的2个固定界面电荷区12之间的间距最大。
在本实施例中，场氧层4为二氧化硅介质。P-漂移区3的浓度设置为6E14/cm3。N阱8的浓度设置为1E17/cm3。P+漏区11、P+源区10和N+接触区9的浓度均设置为1E18/cm3。固定界面电荷区12的面电荷密度为1E13/cm2，高度为0.05μm。
当漏电极7外加一个高电压Vd，而栅电极6、源电极5和衬底1接地，即器件处于反向阻断状态时，N阱8/P-漂移区3PN结的耗尽区向右侧扩展，当与第一个固定界面电荷区12下方的耗尽区相连时，耗尽区沿P-漂移区3获得延展，减弱了N阱8/P-漂移区3PN结的曲率效应，从而降低了栅电极6附近的电场峰值；耗尽区继续延展，当与第二个固定界面电荷区12下方的耗尽区相连时，将N阱8/P-漂移区3PN结与第一个固定界面电荷区12的整体视为受保护的主结，则上述原理依然适用，依此类推，一直到最后一个固定界面电荷区12。与此同时，每个固定界面电荷区12都会引入新的电场尖峰，从而调制了P-漂移区3表面的电场分布，使得电场分布更加均匀，因此器件的耐压能力获得提高。此外，固定界面电荷区12在场氧层4中扩散系数小，并且浓度很高，可近似为等势体，这使得耐压几乎不受面电荷密度大小的影响，从而获得较好的工艺容差。
将图2所示的本发明提出的一种具有固定界面电荷场限环的耐压结构的P型SOILDMOS器件与图1所示的常规P型SOI LDMOS功率器件的击穿电压进行比较，如图3所示。通过比较可以看出，与常规结构的击穿电压360V相比，本发明提出的结构达到了494V，提升了37.2％，器件的耐压能力获得明显提高。
将图2所示的本发明提出的一种具有固定界面电荷场限环的耐压结构的P型SOILDMOS器件与图1所示的常规P型SOI LDMOS功率器件反向击穿时的表面电场进行比较，如图4所示。通过比较可以看出，常规结构的表面电场有两个主峰，其中在栅电极6附近只有一个主峰，并且电场分布非常不均匀；本发明提出的结构不仅降低了栅电极6附近主峰的电场峰值，还在中间引入了若干新的电场尖峰，使得电场分布更加均匀，并且增大了表面电场曲线下所围的面积，从而获得了更高的击穿电压。
实施例2：
另一种具有固定界面电荷场限环的功率器件即功率二极管，如图6所示，包括衬底1、N-漂移区13、场氧层4、阳极P+区14、阴极N+区15、阳极16、阴极17、以及至少1个固定界面电荷区12。
衬底1，N-漂移区13和场氧层4自下而上依次叠置。其中N-漂移区13即为有源层。阳极P+区14和阴极N+区15位于N-漂移区13的上部，并与N-漂移区13的上表面接触。阳极16和阴极17设置在场氧层4的两侧，其中阳极16位于场氧层4的左侧，阴极17位于场氧层4的右侧。
固定界面电荷区12位于场氧层4的下部，并与场氧层4的下表面接触。固定界面电荷区12为浓度大于等于1×1013cm-2的高浓度固定界面电荷区12。固定界面电荷区12通过离子注入方式注入到场氧层4中，且注入的离子为铯离子、碘离子、钠离子、硼离子和/或硅离子。
当固定界面电荷区12的个数为2个以上时，所有固定界面电荷区12的浓度和高度均相等，且这些固定界面电荷区12在场氧层4的下表面处呈水平间断设置。每2个固定界面电荷区12之间的间距相等或不等。在本实施例中，每2个固定界面电荷区12之间的间距自左至右线性递增，即最靠近场氧层4 的左侧阳极16的2个固定界面电荷区12之间的间距最小，而最靠近场氧层4的右侧即阴极17的2个固定界面电荷区12之间的间距最大。
在本实施例中，场氧层4为二氧化硅介质。固定界面电荷区12的面电荷密度为1E13/cm2，高度为0.05μm。
当器件反向耐压时，阳极16附近的主结的耗尽区沿N-漂移区13向右扩展，当与固定界面电荷区12下方的耗尽区相连时，耗尽区的边界变得更加平坦，减弱了平行平面结的曲率效应，从而降低了主结附近的电场峰值，提高了器件的击穿电压。与此同时，多个固定界面电荷区12会引入多个新的电场尖峰，改善了N-漂移区13表面的电场分布，使得电场分布更加均匀。
将图6所示的本发明提出的一种具有固定界面电荷场限环的耐压结构的功率二极管与图5所示的常规功率二极管的击穿电压进行比较，如图7所示。通过比较可以看出，与常规结构的击穿电压391V相比，本发明提出的结构达到了552V，提升了41％，器件的耐压能力获得明显提高。
将图6所示本发明提出的一种具有固定界面电荷场限环的耐压结构的功率二极管与图5所示常规功率二极管反向击穿时的表面电场进行比较，如图8所示。通过比较可以看出，常规结构的表面电场只有阳极附近的一个主峰，并且电场分布非常不均匀；本发明提出的结构不仅降低了阳极附近主峰的电场峰值，还在中间引入了若干新的电场尖峰，使得电场分布更加均匀，并且增大了表面电场曲线下所围的面积，从而获得了更高的击穿电压。
将图6所示本发明提出的一种具有固定界面电荷场限环的耐压结构的功率二极管与图5所示常规功率二极管反向击穿时的表面电势进行比较，如图9所示。通过比较可以看出，常规结构的表面电势分布极不均匀，漂移区相当一部分长度的耐压能力并未得到充分利用；本发明提出的结构使得表面电势分布近似阶梯变化，改善了表面电势分布，从而提高了器件的耐压。
本发明不仅可以改善表面电场分布，从而有效提高耐压；而且用位于场氧层4中的高浓度固定界面电荷区7代替位于有源层中的场限环，具有受高温工艺影响较小、击穿电压相对稳定的优点；此外，本发明的高浓度固定界面电荷区7可近似为等势体，在较宽的范围内几乎不受面电荷密度大小的影响，从而能够获得较好的工艺容差。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.具有固定界面电荷场限环的功率器件，包括场氧层(4)和有源层，场氧层(4)位于有源层之上；其特征在于：场氧层(4)内设有至少1个固定界面电荷区(12)，该固定界面电荷区(12)位于场氧层(4)的下部，并与场氧层(4)的下表面即场氧层(4)和有源层的交界面相接触；固定界面电荷区(12)为浓度大于等于1×1013cm-2的高浓度固定界面电荷区(12)。
2.根据权利要求1所述的具有固定界面电荷场限环的功率器件，其特征在于：当固定界面电荷区(12)的个数为2个以上时，这些固定界面电荷区(12)在场氧层(4)的下表面处呈水平间断设置。
3.根据权利要求2所述的具有固定界面电荷场限环的功率器件，其特征在于：每2个固定界面电荷区(12)之间的间距呈线性递增变化。
4.根据权利要求2或3所述的具有固定界面电荷场限环的功率器件，其特征在于：所有固定界面电荷区(12)的浓度和/或高度均相等。
5.根据权利要求1所述的具有固定界面电荷场限环的功率器件，其特征在于：固定界面电荷区(12)通过离子注入方式注入到场氧层(4)中，且注入的离子为铯离子、碘离子、钠离子、硼离子和/或硅离子。
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|---|---|---|---|---|
| US20100025763A1 (en) * | 2008-07-30 | 2010-02-04 | Maxpower Semiconductor Inc. | Semiconductor on Insulator Devices Containing Permanent Charge |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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|---|---|---|---|---|
| CN108550628A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-09-18 | 桂林电子科技大学 | 一种具有表面电荷区结构的功率器件 |
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