CN109950300B

CN109950300B - 基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构

Info

Publication number: CN109950300B
Application number: CN201910160535.8A
Authority: CN
Inventors: 周坤; 李良辉; 张�林; 李志强; 徐星亮; 李俊焘
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2021-12-10
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: CN109950300A

Abstract

本发明属于功率半导体器件领域，提出了一种基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，包括第一导电类型的半导体漂移区和位于其下方的第二导电类型的半导体区，在漂移区的边缘具有阶梯结构，阶梯数≥2；各级阶梯的深度和宽度之比可以为固定值或变化值。各级阶梯深度之和大于第一导电类型漂移区的厚度。本发明结构中的多级阶梯形成等效正磨角结构，可有效降低底部PN结在逆向阻断状态的电荷通量，使逆向终端多级阶梯区域的电场显著降低，避免了该区域在逆向阻断状态发生雪崩击穿，同时也利于抑制阶梯表面的漏电产生，从而提高器件逆向阻断耐压。

Description

基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构

技术领域

本发明涉及一种基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，属于功率半导体器件领域。

背景技术

当前用于DC-DC、DC-AC等主流电力电子应用的常规功率器件往往只具备正向阻断能力，在AC-AC电力变换应用中，使用具有双向耐压能力的高压功率器件可以省去双向开关中的串联二极管，有效降低导通损耗和开关损耗，提高AC-AC电力转换效率。在脉冲功率系统中，采用具有双向耐压能力的高压开关器件，其自身可以承受储能电容正负半周的双向高压，从而可以省去串联二极管及高压开关两端的反并联续流二极管，提高放电效率并加强系统可靠性。

要实现高压功率器件的双向耐压能力，除了需考虑针对常规正向阻断而设计的场限环、JTE、场板等终端结构以外，更关键在于逆向阻断终端结构设计。目前在Si基双向耐压功率器件方面，国内外针对逆向阻断终端结构开展了相关研究，技术上取得了一定的进展。2001年文献报道了用于600V级Si基RB-IGBT的逆向终端结构，该器件漂移区为NPT结构，在正向终端外围采用正面深扩散的方法形成垂直贯穿整个漂移区的PN结，从而使逆向阻断时空间电荷区的高电场与划片区隔离，避免了逆向阻断时划片区缺陷的漏电，提高了器件的逆向阻断能力。由于高耐压所需的漂移区厚度达上百微米，采用正面扩散的工艺制作PN结隔离型逆向终端需要很长的扩散时间和热预算，并且扩散区占用较大的芯片面积，三菱公司在自研的600V和1200V RB-IGBT中采用了深槽刻蚀技术，并在深槽侧壁采用倾斜离子注入形成侧壁PN结，该逆向终端结构只需占用15mm的横向宽度。2006年，富士电机进一步提出V型槽逆向终端结构，用于1200V RB-IGBT器件。不同于扩散隔离和深槽刻蚀隔离等正面工艺，V型槽隔离是基于背面工艺，正面元胞区制作与常规器件相同，硅片背面通过机械研磨减薄之后，背面淀积一层 SiO₂作为刻蚀掩膜，然后背面进行各向异性湿法刻蚀，去除背面的SiO₂之后进行硼离子注入，并进行激光退火激活，最后进行背面金属淀积。相比深槽刻蚀技术，V型槽隔离技术的工艺难度较低，可适用于高压器件，而且同时具有比硼扩散隔离更低的热预算，取得了较好的工艺折中。2011 年，富士电机进一步改进了隔离工艺，提出采用混合隔离技术的 1200V RB-IGBT。该器件结合了正面硼扩散技术和背面V槽隔离技术。首先在正面隔离区进行硼扩散，再形成正面有源区元胞结构，随后进行背面减薄，之后进行各向异性V槽刻蚀，并进行背面硼注入，以及背面金属化，形成背面金属与正面硼扩散区的电气连接。混合隔离技术克服了单一硼扩散技术热预算高、扩散时间长的缺点，结合了V槽隔离技术的优点，同时在工艺稳定性方面有所提高，非常适合高压 RB-IGBT器件。2012年，中国科学院微电子研究所提出采用嬗变工艺形成 RB-IGBT 的终端结构。嬗变工艺是通过核反应形成终端区掺杂，由于粒子束具有较强的穿透能力，以直线路径在 N-区中形成几乎一致的掺杂分布，可以使终端的掺杂区结构分明，横向扩散较小，减小终端区占用的芯片面积。嬗变工艺在辐照之后只需在800℃~900℃温度下退火，相比硼扩散技术，该工艺在热预算方面具有一定优势。

作为第三代半导体材料的代表，碳化硅（SiC）材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强大、抗辐照及热导率高等优良特性，非常适合用于制作高压功率器件。相比于传统Si基功率器件，SiC功率器件可在相同耐压等级下显著降低导通损耗，利于降低器件尺寸，缩小功率系统及散热装置的重量和体积。基于SiC 材料的IGBT、GTO等高压器件具有高耐压和大电流能力，在机车牵引，高压直流输电、智能电网、风力发电等新能源领域具有广泛的应用前景。近年来SiC功率半导体受到国内外的广泛重视，被列为国家重点发展的高新技术方向。基于SiC材料的双向耐压功率器件在电网AC转换应用以及脉冲功率系统中具有极大的吸引力。然而，尽管上述逆向终端结构在Si基功率器件上获得了较好的应用，这些终端结构在SiC高压器件制作中仍难以实现。主要难点在于，在Si基功率器件制作中常用的扩散工艺和深刻蚀工艺目前仍难以适用于SiC材料的工艺加工。当前SiC功率器件实现双向耐压的常用方法是采用串联二极管的方式，利用二极管承受逆向阻断高压，但该方案的缺点在于串联二极管增加导通功耗，且增加元件数量给封装寄生参数带来负面影响。

发明内容

针对上述方面的不足，本发明提出一种新的基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，可用于Si或SiC双向耐压功率器件。

本发明提供如下结构技术方案：

基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，其特征在于，包括第一导电类型的半导体漂移区和位于其下方的第二导电类型的半导体区，在第一导电类型的半导体漂移区的边缘具有阶梯结构，阶梯数≥2；所述第二导电类型的半导体区至少包括衬底层；所述阶梯结构的各级阶梯深度之和大于或等于第一导电类型的半导体漂移区的厚度。

进一步地，所述阶梯结构中的各级阶梯呈等效正磨角结构，即靠近底部的第二导电类型的半导体区的阶梯的横向维度大于或等于相邻的上一级阶梯横向维度。

进一步地，各级阶梯的深度和宽度之比为固定值；或者，进一步地，各级阶梯的深度和宽度之比为变化值。

进一步地，在上述结构的基础上，还可以在阶梯结构边缘贴合设置具有第二导电类型的阶梯形半导体区。

进一步地，所述第二导电类型的半导体区分为上下两层，其中下层为衬底层，上层与第一导电类型的半导体漂移区相邻，上层为缓冲层；衬底层掺杂浓度高于缓冲层掺杂浓度。

进一步地，第一导电类型的半导体漂移区、第二导电类型的半导体区和第二导电类型的阶梯形半导体区的材料可以是硅、碳化硅，或者硅和碳化硅的不同组合，或其他半导体材料。

本发明的有益效果为，逆向终端结构中的多级阶梯形成等效正磨角结构，可有效降低底部PN结在逆向阻断状态的电荷通量，使逆向终端多级阶梯区域的电场显著降低，避免了该区域在逆向阻断状态发生雪崩击穿，同时也利于抑制阶梯表面的漏电产生，从而提高器件逆向阻断耐压。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

图4为本发明实施例4的结构示意图。

图5为本发明实施例5的结构示意图。

图6a为实施例1的结构在逆向阻断状态的电势分布图；图6b为实施例1的结构在逆向阻断状态下沿AA’（即沿有源区体内垂直方向），BB’（即沿逆向终端区阶梯拐角所形成的等效斜面）的电场分布图；图6c为实施例1的结构在逆向阻断状态下沿CC’（即沿N++/P-drift主结水平方向）的电场分布。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例 1

本实施例中设计的基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，如图1所示，包括P型的半导体漂移区1和位于其下方的N型半导体区2，N型半导体区2为衬底层，在漂移区1的边缘具有阶梯结构，阶梯数为4。

本实施例中，各级阶梯的深度和宽度之比为固定值。各级阶梯深度之和大于P型半导体漂移区1的厚度，即最低一级阶梯由N型半导体区2与P型半导体漂移区1共同形成。本例中P型半导体漂移区1和N型衬底2的半导体材料为SiC材料，也可以是硅或其他半导体材料。

本实施例的工作原理是，当P型半导体漂移区1被施加负高压，N型半导体区2被施加正高压，由P型半导体漂移区1和N型半导体区2构成的PN结反偏承受逆向阻断电压。逆向终端结构中的多级阶梯形成等效正磨角结构，可有效降低底部PN结在逆向阻断状态的电荷通量，使逆向终端多级阶梯区域的电场显著降低。

如图6所示，多级阶梯逆向终端结构的电场（BB’）显著低于体内电场（AA’），该效果避免了终端区域在逆向阻断状态发生雪崩击穿，同时低电场也利于抑制阶梯表面的漏电产生，从而提高器件逆向阻断能力。

实施例 2

如图2所示，与实施例1相比，本实施例的N型半导体区2包括上下两层，其中下层为衬底层2b，上层与第一导电类型的半导体漂移区1相邻，上层为缓冲层2a，衬底层2b的掺杂浓度高于缓冲层2a的掺杂浓度。其中，阶梯结构中的最低一级阶梯由N型半导体区2的缓冲层2a与P型半导体漂移区1共同形成。

实施例 3

如图3所示，与实施例2相比，本实施例的半导体漂移区1边缘阶梯结构具有变化的阶梯深宽比。靠近底部阶梯宽度大于顶部阶梯宽度，更利于把高电场区向体内转移，从而进一步降低边缘阶梯终端电场。

实施例 4

如图4所示，本实施例的半导体漂移区1边缘阶梯结构，各级阶梯在纵向具有倾斜角度，0°<倾斜角度<90°。在实际刻蚀工艺中，可通过控制硬掩膜形貌，刻蚀气体组分和流速来控制阶梯倾斜角度。该倾斜角度越小，各级阶梯越缓，有利于降低阶梯拐角的电场尖峰。

实施例 5

如图5所示，本实施例的梯结构边缘具有第二导电类型（本实施例为N型）的阶梯形半导体区3。阶梯边缘的N型区3与P型漂移区1形成反偏PN结，一方面起到辅助耗尽P型漂移区的作用，另一方面使漂移区电场与阶梯表面缺陷有效隔离，进一步抑制漏电产生，从而提高器件的逆向阻断耐压。

Claims

1.基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，其特征在于，包括第一导电类型的半导体漂移区（1）和位于其下方的第二导电类型的半导体区（2），在所述第一导电类型的半导体漂移区（1）的边缘呈阶梯结构，阶梯数≥2；所述第二导电类型的半导体区（2）至少包括衬底层；所述阶梯结构的所有阶梯的深度之和大于或等于第一导电类型的半导体漂移区（1）的厚度；所述阶梯结构边缘贴合设置有具有第二导电类型的阶梯形半导体区（3）。

2.根据权利要求1所述的基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，其特征在于，所述阶梯结构中的各级阶梯呈等效正磨角结构，即靠近底部的第二导电类型的半导体区（2）的阶梯的横向维度大于或等于相邻的上一级阶梯横向维度。

3.根据权利要求1所述的基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，其特征在于，所述阶梯结构中的各级阶梯在纵向具有倾斜角度，0°<倾斜角度<90°。

4.根据权利要求1所述的基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，其特征在于，所述阶梯结构中的各级阶梯的深度和宽度之比为固定值。

5.根据权利要求1所述的基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，其特征在于，所述阶梯结构中的各级阶梯的深度和宽度之比为变化值。

6.根据权利要求1所述的基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，其特征在于，第一导电类型漂移区（1）下方的第二导电类型半导体区（2）包括上下两层，其中下层为衬底层（2b），上层与第一导电类型漂移区（1）相邻，上层为缓冲层（2a）。

7.根据权利要求6所述的基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，其特征在于，所述衬底层（2b）的掺杂浓度高于缓冲层（2a）掺杂浓度。

8.根据权利要求1所述的基于漂移区阶梯刻蚀的双向耐压功率器件逆向终端结构，其特征在于，所述第一导电类型的半导体漂移区（1）、第二导电类型的半导体区（2）和第二导电类型的阶梯形半导体区（3）的材料是硅，或碳化硅，或者硅和碳化硅的不同组合。