CN108231870B - 具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件 - Google Patents

具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能够产生界面电荷，增强了表面横向电场，提高了表面横向耐压的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件。该具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件包括由上至下依次设置的漂移区、埋层一、衬底；所述漂移区的上方设置有埋层二，所述埋层二上方设置有表面结构；所述埋层二上设置有延伸到漂移区内的介质槽二，所述介质槽二沿横向均匀分布。采用该具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件击穿电压能够达到427V,传统槽栅结构击穿电压为258V，提升了65.5％。采用具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件等势线分布均匀，电荷屏蔽效应使得表面高压对漂移区的作用降低，大幅提高漂移区浓度，降低电阻，提高击穿电压。

Description

具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件
技术领域
本发明涉及半导体功率器件技术领域，尤其是一种具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件。
背景技术
众所周知的：功率集成电路(Power Integrated Circuit),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,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此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。现有功率器件由于高压互连，导致的击穿电压下降和器件失效等问题。
为了实现功率半导体器件的高耐压，现有技术中如中国专利，CN03135892.6，名称：一种SOI功率器件中的槽形绝缘耐压层，该申请提供了一种SOI功率器件中的槽形绝缘耐压层,其特征是在SOI功率器件中绝缘层两侧或一侧制作梯形、或矩形绝缘槽,绝缘层两侧的槽是对位排列或错位排列。在本发明的基础上制作功率器件,可以在半导体层和绝缘层的界面上引入界面电荷,根据电位移的全连续性,大幅度提高绝缘层内电场,使绝缘层电场比常规SOI结构提高5～7倍(对于Si/SiO2体系,可从60V/μm提高到300～400V/μm以上),从而制作耐压极高的SOI功率器件。此结构主要提高常规结构的纵向耐压，不适用于高压互连结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种能够产生界面电荷，增强了表面介质槽内电场，提高了耐压的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于电荷屏蔽效应的一种应用于高压互连的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件，包括由上至下依次设置的漂移区、埋层一、衬底；
所述漂移区上设置有N+漏区、漏电极、栅电极、源电极、N+接触区、p阱以及P+源区；
所述漂移区的上方设置有埋层二，所述埋层二上方设置有表面结构；所述埋层二上设置有延伸到漂移区内的介质槽二，所述介质槽二沿横向均匀分布。
进一步的，所述埋层一上设置有延伸到漂移区内的纵向的介质槽一，所述介质槽一沿横向均匀分布；
进一步的，所述相邻两个所述介质槽之间的间距以及相邻两个所述介质槽二之间的间距均相同。
进一步的，所述相邻两个所述介质槽之间的漂移区的浓度以及相邻两个所述介质槽二之间的偏移区的浓度均相同。
进一步的，靠近p阱的第一个介质槽二延伸到p阱下方的漂移区。
进一步的，所述表面结构采用多晶硅氧化层结构或者具有相似结构的多晶硅化物、金属或类似氧化层的隔绝的结构。
进一步的，所述漂移区一侧的外表面上设置有纵栅；所述纵栅为多晶硅和纵氧化层形成的纵向的槽栅；所述槽栅延伸到埋层一；所述槽栅与p阱形成了纵向导电沟道；所述漂移区内设置有与纵栅相连接的横向的P型的埋层。
本发明的有益效果是：本发明所述的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件，相对于现有的功率器件具有以下优点：首先由于一种应用于高压互连的介质槽耐压功率器件中设置有梳齿状结构的表面介质槽，因此有利于获得更高、更稳定的击穿电压。
其次，表面结构加高压，由于表面一系列的梳齿状的氧化槽结构，表面介质槽产生界面电荷，增强了介质槽内电场，提高了器件横向耐压。界面电荷同时增强场氧层纵向电场和纵向耐压，为场氧层制备提供多种选择。表面产生负界面电荷，降低了栅源附近电场，防止由高压互连引起的器件表面过早击穿。
最后，本发明所述的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件，由于在表面介质槽积累高浓度界面电荷(表面正高压积累电子，负高压积累空穴)，其电荷屏蔽效应使得表面高压对漂移区的作用降低，大幅提高漂移区浓度，降低比导通电阻；因此能够应用于高压互连。
附图说明
图1为本发明实施例中具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件的结构示意图；
图2为本发明实施例中具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件在埋层一中设置介质槽后的结构示意图；
图3为本发明实施例中具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件在漂移区内设置P型的埋层后的结构示意图；
图4为本发明实施例中具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件的等势线分布；
图中标示：100-衬底，200-埋层一，300-漂移区，301-P型的埋层，400-P阱，401-多晶硅，402-纵氧化层，500-埋层二，600-表面结构，700-漏电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明所述的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件，包括由上至下依次设置的漂移区300、埋层一200、衬底100；
所述漂移区300上设置有N+漏区、漏电极700、栅电极、源电极、N+接触区、p阱400以及P+源区；
所述漂移区300的上方设置有埋层二500，所述埋层二500上方设置有表面结构600；所述埋层二500上设置有延伸到漂移区300内的介质槽二501，所述介质槽二501沿横向均匀分布。
由于在所述埋层二500上设置有延伸到漂移区300内的介质槽二501，所述介质槽二501沿横向均匀分布，因此表面介质槽在槽间产生界面电荷，增强了表面横向电场，提高了表面横向耐压。
为了提高横向耐压，进一步的，如图2所示，所述埋层一200上设置有延伸到漂移区300内的纵向的介质槽一201，所述介质槽一201沿横向均匀分布。
为了提高漂移区300浓度，降低比导通电阻，同时通过介质槽能够最大限度的增强表面横向电场，提高表面横向耐压，进一步的，所述介质槽201与介质槽二501一一对应；所述相邻两个所述介质槽201之间的间距以及相邻两个所述介质槽二501之间的间距均相同。所述相邻两个所述介质槽201之间的漂移区300的浓度以及相邻两个所述介质槽二501之间的偏移区300的浓度均相同。靠近p阱的第一个介质槽二501延伸到p阱下方的漂移区300。
进一步的，所述表面结构600采用多晶硅氧化层结构或者具有相似结构的多晶硅化物、金属或类似氧化层的隔绝的结构。采用该结构由于电荷屏蔽效应使得表面高压对漂移区的作用降低，大幅提高漂移区浓度，降低比导通电阻。
为了提高器件的输出电流和功率密度，减小器件的漏电流；进一步的，如图3所示,所述漂移区300一侧的外表面上设置有纵栅；所述纵栅为多晶硅401和纵氧化层402形成的纵向的槽栅；所述槽栅延伸到埋氧层一200；所述槽栅与p阱形成了纵向导电沟道；所述漂移区300内设置有与纵栅相连接的横向的P型的埋层301。
综上所述，本发明所述的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件，对于现有的功率器件具有以下优点：首先由于基于电荷屏蔽效应的一种应用于高压互连的表面介质槽结构及功率器件中设置有梳齿状结构的表面介质槽，因此有利于获得更高、更稳定的击穿电压。
其次，进一步的，所述表面结构600采用多晶硅氧化层结构或者具有相似结构的多晶硅化物、金属或类似氧化层的隔绝的结构。表面结构加高压，由于表面一系列的梳齿状的氧化槽结构，表面介质槽产生界面电荷，增强了介质槽内电场，提高了器件横向耐压。界面电荷同时增强场氧层纵向电场和纵向耐压，为场氧层制备提供多种选择。表面产生负界面电荷，降低了栅源附近电场，防止由高压互连引起的器件表面过早击穿。
最后，本发明所述的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件由于在表面槽积累高浓度界面电荷(表面正高压积累电子，负高压积累空穴)，其电荷屏蔽效应使得表面高压对漂移区的作用降低，大幅提高漂移区浓度，降低导通电阻；因此能够应用于高压互连。
实施例1：
如图3所示的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件，包括由上至下依次设置的漂移区300、埋层一200、衬底100；所述漂移区300上设置有N+漏区、漏电极700、栅电极、源电极、N+接触区、p阱以及P+源区；所述漂移区300一侧的外表面上设置有纵栅；所述纵栅为多晶硅401和纵氧化层402形成的纵向的槽栅；所述槽栅延伸到埋层一200；所述槽栅与p阱形成了纵向导电沟道；所述漂移区300内设置有与纵栅相连接的横向的P型的埋层301；
所述漂移区300的上方设置有埋层二500，所述埋层二500上方设置有表面结构600；所述埋层一200上设置有延伸到漂移区300内的纵向的介质槽一201，所述介质槽一201沿横向均匀分布；所述埋层二500上设置有延伸到漂移区300内的介质槽二501，所述介质槽二501沿横向均匀分布。
所述介质槽201与介质槽二501一一对应。所述相邻两个所述介质槽201之间的间距以及相邻两个所述介质槽二501之间的间距均相同。所述相邻两个所述介质槽201之间的漂移区300的浓度以及相邻两个所述介质槽二501之间的偏移区300的浓度均相同。靠近p阱的第一个介质槽二501延伸到p阱下方的漂移区300。
在本实施例中，纵场氧层402为二氧化硅介质。漂移区300的浓度设置为3e15。P阱的浓度设置为1e17。N+漏区、N+接触区、P+源区的浓度均设置为1e20，P型的埋层301的浓度均为3e16。介质槽一201和介质槽二501的高度为0.5um宽度为0.5um，等间距为0.5um。
当漏电极700和表面结构600外加一个高电压,而栅电极、源电极和衬底接地,即器件处于反向阻断状态。
图4所示的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件的等势线分布。本发明提出的结构击穿电压达到了427V,传统槽栅结构击穿电压为258V，提升了65.5％,采用该结构等势线分布均匀，屏蔽效应使得表面高压对漂移区的作用降低，大幅提高漂移区浓度，降低电阻，提高击穿电压。

Claims (3)

1.具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件，包括由上至下依次设置的漂移区(300)、埋层一(200)、衬底(100)；
所述漂移区(300)上设置有N+漏区、漏电极(700)、栅电极、源电极、N+接触区、p阱(400)以及P+源区；
其特征在于：所述漂移区(300)的上方设置有埋层二(500)，所述埋层二(500)上方设置有表面结构(600)；
所述埋层一(200)上设置有延伸到漂移区(300)内的纵向的介质槽一(201)，所述介质槽一(201)沿横向均匀分布；所述埋层二(500)上设置有延伸到漂移区(300)内的介质槽二(501)，所述介质槽二(501)沿横向均匀分布；
相邻两个所述介质槽一(201)之间的间距以及相邻两个所述介质槽二(501)之间的间距均相同；
所述相邻两个所述介质槽一(201)之间的漂移区(300)的浓度以及相邻两个所述介质槽二(501)之间的漂移区(300)的浓度均相同；
所述漂移区(300)一侧的外表面上设置有纵栅；所述纵栅为多晶硅(401)和纵氧化层(402)形成的纵向的槽栅；所述槽栅延伸到埋层一(200)；所述槽栅与p阱形成了纵向导电沟道；所述漂移区(300)内设置有与纵栅相连接的横向的P型的埋层(301)。
2.如权利要求1所述的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件，其特征在于：靠近p阱的第一个介质槽二(501)延伸到p阱(400)下方的漂移区(300)。
3.如权利要求1所述的具有界面电荷槽高压互连结构的功率器件，其特征在于：所述表面结构(600)采用多晶硅氧化层结构。
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