CN115312586A - 一种碳化硅功率器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅功率器件，包括：衬底，衬底包括有源区和终端区；终端区包括多个场限环、绝缘介质层和多个第一场板；场限环位于衬底内；绝缘介质层位于衬底表面，且覆盖有源区的部分和终端区的部分，绝缘介质层包括间隔设置的第一部分绝缘介质层和第二部分绝缘介质层；第一场板和场限环一一对应设置，第一部分绝缘介质层位于第一场板末端；第一部分绝缘介质层的耐压能力大于第二部分绝缘介质层的耐压能力。本发明实施例提供的技术方案提高了终端结构的效率及可靠性，实现了节约芯片面积和成本的目的。

Description

一种碳化硅功率器件
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种碳化硅功率器件。
背景技术
碳化硅作为一种新型半导体材料，由于其宽禁带半导体特性，具有3倍于传统硅材料的禁带宽度，10倍于硅材料的临界击穿电场强度，3倍于硅材料的热导率，因此特别适合制作功率器件而应用于高压、高温等场景，有助于电力电子系统的效率和功率密度的提升。
功率器件芯片在横向方向上看，如图1所示，图1是现有技术提供的一种碳化硅功率器件的俯视图，由位于中心的有源区A1和位于边缘的终端区A2组成。有源区A1是器件的核心部分，用于电流的传导和关断，即器件的开关。终端区A2的作用是为了解决有源区A1最边缘的元胞由于曲率半径小而导致电场集中，从而导致击穿电压远小于有源区A1中间元胞设计电压的问题。由于终端区A2不参与电流传导，对于电流传导是无效面积，因此希望此区域宽度尽量小，从而使芯片整体面积小，进而成本降低，提高产品竞争力。因此优异的终端结构设计，不仅是使功率器件整体击穿电压达到理论设计水平，而且要有尽量小的宽度。
功率器件的常用终端结构技术有场限环、场板、结终端扩展等,通常采用其中一种或多种的组合。场限环叠加场板的组合由于实现简单且有效，在传统硅功率器件中是最常用的一种，如图2所示,图2是现有技术提供的一种硅功率器件的结构示意图，该硅功率器件的终端区A2设置了场限环01和场板02。场限环01和场板02之间的绝缘介质层03为二氧化硅。但是在碳化硅功率器件中，由于碳化硅材料的击穿电场(约1.5-3MV/cm)高，且由于介电常数的差异，场板02末端的高电场在二氧化硅中会提高约2.5倍，最终电场强度临界甚至会超过二氧化硅保持长期可靠性的可承受安全电场强度(4MV/cm)，导致严重的器件可靠性问题，限制了场板02的广泛使用(硅材料击穿电场约只有0.3MV/cm，即使增大3倍后也远小于二氧化硅的可靠性电场强度，所以硅器件不存在此问题)。因此目前碳化硅功率器件的终端结构多单用场限环，即仅在终端区02设置场限环01，而没有设置场板02(如图3所示，图3是现有技术提供的一种碳化硅功率器件的结构示意图)，而不是同硅器件那样采用场限环加场板的组合，这大大降低了终端的效率，导致宽度无法进一步缩小。
发明内容
本发明提供了一种碳化硅功率器件，以提高终端结构的效率及可靠性，实现节约芯片面积和成本的目的。
根据本发明的一方面，提供了一种碳化硅功率器件，包括：
衬底，所述衬底包括有源区和终端区；
所述终端区包括多个场限环、绝缘介质层和多个第一场板；
所述场限环位于所述衬底内；
所述绝缘介质层位于所述衬底表面，且覆盖所述有源区的部分和所述终端区的部分，所述绝缘介质层包括间隔设置的第一部分绝缘介质层和第二部分绝缘介质层；
所述第一场板和所述场限环一一对应设置，所述第一部分绝缘介质层位于所述第一场板末端；
所述第一部分绝缘介质层的耐压能力大于所述第二部分绝缘介质层的耐压能力。
可选地，所述第一部分绝缘介质层的安全电场强度与其介电常数的乘积大于碳化硅的击穿电场强度与介电常数的乘积。
可选地，所述第一部分绝缘介质层包括氧化镓或者金刚石。
可选地，所述第二部分绝缘介质层的安全电场强度与其介电常数的乘积小于或等于第一部分绝缘介质层的安全电场强度与其介电常数的乘积。
可选地，第二部分绝缘介质层包括二氧化硅。
可选地，所述有源区包括元胞、主结和电极，覆盖所述有源区的所述绝缘介质层位于所述主结的部分和所述电极的部分之间。
可选地，所述有源区和所述终端区之间的绝缘介质层为所述第一部分绝缘介质层。
可选地，还包括截止环和第二场板，所述截止环位于所述场限环之外；
所述第二场板覆盖所述截止环。
可选地，所述第二场板的末端设置有所述第一部分绝缘介质层。
可选地，所述第一部分绝缘介质层位于所述截止环指向所述场限环的一侧。
本发明提供的技术方案，在终端区同时设置了场限环和第一场板，通过场限环和第一场板相结合的终端结构可以有效提高终端结构的效率及可靠性，从而实现节约芯片面积和成本的目的。其中，第一场板末端处的第一部分绝缘介质层的耐压能力大于绝缘介质层其余部分的第二部分绝缘介质层的耐压能力，解决了现有技术中同时包括场限环和场板的终端结构器件可靠性差的问题，提高了第一场板末端处的绝缘介质层的可承受安全电场强度，从而提升了提高终端结构的可靠性。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术提供的一种碳化硅功率器件的俯视图；
图2是现有技术提供的一种硅功率器件的结构示意图；
图3是现有技术提供的一种碳化硅功率器件的结构示意图；
图4是根据本发明实施例提供的一种碳化硅功率器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了提高碳化硅功率器件的终端结构的效率及可靠性，实现节约芯片面积和成本的目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
如图4所示，图4是根据本发明实施例提供的一种碳化硅功率器件的结构示意图，该碳化硅功率器件包括：衬底001，衬底001包括有源区A1和终端区A2；终端区A2包括多个场限环01、绝缘介质层03和多个第一场板021；场限环01位于衬底001内；绝缘介质层03位于衬底001表面，且覆盖有源区A1的部分和终端区A2的部分，绝缘介质层03包括间隔设置的第一部分绝缘介质层031和第二部分绝缘介质层032；第一场板021和场限环01一一对应设置，第一部分绝缘介质层031位于第一场板021末端；第一部分绝缘介质层031的耐压能力大于第二部分绝缘介质层032的耐压能力。
需要说明的是，绝缘介质层03仅覆盖终端区A2的部分可以理解为，在俯视图中，终端区A2的部分区域由于需要制作预设结构没有被绝缘介质层003所覆盖。
本实施例提供的技术方案，在终端区A2同时设置了场限环01和第一场板021，通过场限环01和第一场板021相结合的终端结构可以有效提高终端结构的效率及可靠性，从而实现节约芯片面积和成本的目的。其中，第一场板021末端处的第一部分绝缘介质层031的耐压能力大于绝缘介质层03其余部分的第二部分绝缘介质层032的耐压能力，解决了现有技术中同时包括场限环和场板的终端结构器件可靠性差的问题，提高了第一场板021末端处的绝缘介质层03的可承受安全电场强度，从而提升了提高终端结构的可靠性。
可选地，图4中，第一部分绝缘介质层031的安全电场强度与其介电常数的乘积大于碳化硅的击穿电场强度与介电常数的乘积，使得第一场板021末端的电场强度不会高于第一部分绝缘介质层031可承受安全电场强度，从而提升了提高终端结构的可靠性。
可选地，第一部分绝缘介质层031包括氧化镓或者金刚石。
氧化镓或者金刚石的安全电场强度与其介电常数的乘积大于碳化硅的击穿电场强度与介电常数的乘积。
可选地，图4中，第二部分绝缘介质层032的安全电场强度与其介电常数的乘积小于或等于第一部分绝缘介质层031的安全电场强度与其介电常数的乘积。
由于第二部分绝缘介质层032处第一场板021的电场电场强度并存在过高的情况，因此可以适当减小第二部分绝缘介质层032的安全电场强度与其介电常数的乘积。
可选地，第二部分绝缘介质层032包括二氧化硅。
第二部分绝缘介质层032包括二氧化硅，二氧化硅可以满足第二部分绝缘介质层032的耐压要求，二氧化硅的安全电场强度与其介电常数的乘积小于或等于第一部分绝缘介质层031的安全电场强度与其介电常数的乘积。
可选地，如图4所示，有源区A1包括元胞(图中未示出)、主结05和电极06，覆盖有源区A1的绝缘介质层03位于主结05的部分和电极06的部分之间。
可选地，有源区A1和终端区A2之间的绝缘介质层03为第一部分绝缘介质层031，增加了有源区A1和终端区A2之间的绝缘介质层03的耐压能力。
可选地，还包括截止环04和第二场板022，截止环04位于场限环01之外；第二场板022覆盖截止环04。
具体的，在截止环04处对应设置了第二场板022，通过截止环04和第二场板022相结合的终端结构可以有效提高终端结构的效率及可靠性，从而实现节约芯片面积和成本的目的。
可选地，第二场板022的末端设置有第一部分绝缘介质层031。
具体的，第二场板022的末端设置有第一部分绝缘介质层031，第一部分绝缘介质层031的耐压能力大于第二部分绝缘介质层032的耐压能力，优选为，第一部分绝缘介质层031的安全电场强度与其介电常数的乘积大于碳化硅的击穿电场强度与介电常数的乘积，使得第二场板022处的电场强度不会高于第一部分绝缘介质层031可承受安全电场强度，从而提升了提高终端结构的可靠性。
可选地，第一部分绝缘介质层031位于截止环04指向场限环01的一侧。
具体的，第一部分绝缘介质层031位于截止环04指向场限环01的一侧，使得第二场板022内侧的电场强度不会高于第一部分绝缘介质层031可承受安全电场强度，从而提升了提高终端结构的可靠性。
需要说明的是，在本发明实施例中衬底001的体区为第一掺杂类型，场限环01为第二掺杂类型，主结为第二掺杂类型，截止环04为第一掺杂类型。第一掺杂类型为P型，第二掺杂类型为N型。或者，第一掺杂类型为N型，第二掺杂类型为P型。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅功率器件，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底包括有源区和终端区；
所述终端区包括多个场限环、绝缘介质层和多个第一场板；
所述场限环位于所述衬底内；
所述绝缘介质层位于所述衬底表面，且覆盖所述有源区的部分和所述终端区的部分，所述绝缘介质层包括间隔设置的第一部分绝缘介质层和第二部分绝缘介质层；
所述第一场板和所述场限环一一对应设置，所述第一部分绝缘介质层位于所述第一场板末端；
所述第一部分绝缘介质层的耐压能力大于所述第二部分绝缘介质层的耐压能力。
2.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于，所述第一部分绝缘介质层的安全电场强度与其介电常数的乘积大于碳化硅的击穿电场强度与介电常数的乘积。
3.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于，所述第一部分绝缘介质层包括氧化镓或者金刚石。
4.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于，所述第二部分绝缘介质层的安全电场强度与其介电常数的乘积小于或等于第一部分绝缘介质层的安全电场强度与其介电常数的乘积。
5.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于，第二部分绝缘介质层包括二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于，所述有源区包括元胞、主结和电极，覆盖所述有源区的所述绝缘介质层位于所述主结的部分和所述电极的部分之间。
7.根据权利要求6所述的碳化硅功率器件，其特征在于，所述有源区和所述终端区之间的绝缘介质层为所述第一部分绝缘介质层。
8.根据权利要求1或2所述的碳化硅功率器件，其特征在于，还包括截止环和第二场板，所述截止环位于所述场限环之外；
所述第二场板覆盖所述截止环。
9.根据权利要求8所述的碳化硅功率器件，其特征在于，所述第二场板的末端设置有所述第一部分绝缘介质层。
10.根据权利要求8所述的碳化硅功率器件，其特征在于，所述第一部分绝缘介质层位于所述截止环指向所述场限环的一侧。
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