CN219286415U - 一种半导体功率器件的终端结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电力电子器件技术领域，尤其涉及一种半导体功率器件的终端结构，包括衬底；衬底的底部和顶部分别设置电极金属板和漂移区；漂移区的顶部嵌入设置有主结区、截止环和2~4个等宽的场限环；漂移区的顶部覆盖有等平面钝化层；等平面钝化层的顶部设置有金属场板，等平面钝化层上分别对应主结区、截止环和所有的场限环设置有穿孔，金属场板通过穿孔分别连接主结区、截止环和所有的场限环。本技术方案改进了场限环的个数，通过减少场限环的个数来优化电场在漂移区的分布均匀性和分布面积，进而有利于提高终端效率和阻断电压。

Description

一种半导体功率器件的终端结构

技术领域

本实用新型属于电力电子器件技术领域，尤其涉及一种半导体功率器件的终端结构。

背景技术

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）同时具备单极性器件和双极性器件的优点，驱动电路简单，功耗和成本低，通态压降小。耐压是IGBT的一个关键参数，IGBT的耐压能力跟芯片厚度、衬底浓度及耗尽区的电场分布有关，还与芯片终端结构及表面钝化工艺紧密相关。现目前市面上的半导体功率器件终端结构以多个场限环加场板为主，如公开号为CN110364568A的中国专利申请文件公开的IGBT器件及其形成方法，其具体公开了一种IGBT器件包括一衬底，衬底中具有一有源区和一位于所述有源区外围的终端区，在所述有源区中形成有多个元胞结构，在所述终端区中形成有至少一个场板结构；在所述终端区的衬底中还形成有多个场限环，所述场限环包括第一导电类型的第一掺杂区，所述第一掺杂区从所述衬底的表面向所述衬底的内部扩展延伸，并延伸至所述场板沟槽的侧壁上……

上述现有技术的缺点在于：

（1） 终端效率和阻断电压仍然偏低，具体的：现有终端技术由多个（一般是七个以上）场限环加多板构成，多个场限环在器件阻断时会造成信号传递较慢，使得终端效率偏低；

（2） 终端钝化层刻蚀区域较多且大小不一，刻蚀工艺调整困难，具体的，在钝化层开孔工艺时，多个场限环加场板设计会开更多的孔，且开孔大小不一，此时对光刻和刻蚀工艺精度要求较高；

（3） 在高压器件中，为了提高芯片利用率，场限环的数量往往大于10个，就导致钝化层开孔时的工艺精度要求较高，光刻调整困难；

（4） 在较小的钝化层刻蚀区域中沉积金属金属时，如果钝化层刻蚀不干净，金属会存在空洞，导致接触性能较差；

（5） 在需要调整工艺时，因为光刻和刻蚀工艺条件复杂，调整时大大增加了时间成本。

发明内容

本技术方案的目的在于，针对现有技术的不足，提出一种半导体功率器件的终端结构，其具有终端效率和耐压能力，且对光刻和刻蚀工艺要求不高，便于调整工艺，具体如下：

一种半导体功率器件的终端结构，包括衬底；所述衬底的底部设置有电极金属板，衬底的顶部设置漂移区；漂移区的顶部嵌入设置有主结区、截止环和2~4个等宽的场限环；所有场限环依次环绕在主结区的外围，截止环环绕在所有场限环的外围；漂移区的顶部覆盖有等平面钝化层，且等平面钝化层与漂移区顶部表面、主结区上表面、截止环上表面和场限环上表面紧密贴合；等平面钝化层的顶部设置有金属场板，等平面钝化层上分别对应主结区、截止环和所有的场限环设置有穿孔，金属场板通过穿孔分别连接主结区、截止环和所有的场限环。

优选的，衬底的厚度为50μm~200μm。

优选的，所述衬底采用硅、锗硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓和金刚石中的一种材料制成。

优选的，所述钝化层厚度为0.5μm~2μm。

优选的，所述钝化层的材质为SiO₂。

优选的，所述场限环和截止环的结深相同，且都为5μm~10μm。

优选的，所述场限环、主结区和截止环掺杂分布相同，且都采用P型掺杂。

优选的，所述金属场板厚度为2μm~5μm。

优选的，所述金属场板的材质与电极金属板的材质相同，为Al、AlCu、AlSiCu、Ni、Ti中的一种。

本技术方案与现有技术相比，具有以下优点：

1）本技术方案提供了一种半导体功率器件的终端结构，该终端结构包含衬底、主结区、漂移区、钝化层、场限环、截止环和金属场板，其中场限环的数量为2~4个，即采用了增加场限环宽度、减少场限环数量的结构，在确保半导体功率器件的利用性能的条件下，降低钝化层开孔时的工艺精度要求，即，采用沉积、光刻和刻蚀工艺进行制备钝化层和金属场板时，对光刻和刻蚀工艺的精度要求相对较低，因此对光刻和刻蚀工艺的调整都相对容易，可以大幅度的降低制造终端结构操作难度，使得流程简单化，因而更有利于提高性能的可靠性。

2）本技术方案中，将场限环的数量限制在2~4个以后，场限环的结深便足够深和足够宽，且金属场板的材质与电极金属相同，因而在金属场板上施加相对于衬底的负偏压时，电子会受到排斥向远离表面方向移动，使得表面处耗尽区向外延伸，改变了终端区的电场分布，且提升了终端区的电场分布均匀性和面积，进而能够提高终端效率和阻断电压。

3）本实用新型带场板和场限环的边缘终端具有终端效率高、阻断电压高等优点，可广泛用于平面IGBT或沟槽IGBT中，使用价值高，应用前景。

附图说明

图1为本技术方案的正面局部剖视结构示意图；

图2为本技术方案中主结区、场限环和截止环的俯视相对位置关系示意图；

图3为本技术方案一种半导体功率器件的终端结构的电场分布仿真图；

图4为本技术方案一种半导体功率器件的终端结构的阻断电压仿真图。

图中：

1、衬底；2、漂移区；3、主结区；4、场限环；5、截止环；6、钝化层；7、金属场板；8、电极金属。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，不应理解为本实用新型仅限于以下实例，在不脱离本实用新型构思的前提下，本实用新型在本领域的变形和改进都应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的包括“或者”“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

实施例1

本实施例公开了一种半导体功率器件的终端结构，做为本技术方案一种优选的实施方案，包括衬底1；衬底1的底部设置有电极金属8板，衬底1的顶部设置漂移区2；漂移区2的顶部嵌入设置有主结区3、截止环5和2~4个等宽的场限环4；所有场限环4依次环绕在主结区3的外围，截止环5环绕在所有场限环4的外围；漂移区2的顶部覆盖有等平面钝化层6，且等平面钝化层6与漂移区2顶部表面、主结区3上表面、截止环5上表面和场限环4上表面紧密贴合；等平面钝化层6的顶部设置有金属场板7，等平面钝化层6上分别对应主结区3、截止环5和所有的场限环4设置有穿孔，金属场板7通过穿孔分别连接主结区3、截止环5和所有的场限环4。

其中，衬底1的厚度为50μm~200μm，其材质为单晶硅，也可以是碳化硅、锗硅、砷化镓、氮化镓、三氧化二镓或金刚石；钝化层6厚度为0.5μm~2μm；钝化层6的材质为SiO2；场限环4和截止环5的结深相同，且都为5μm~10μm；场限环4、主结区3和截止环5掺杂分布相同，且都采用P型掺杂；金属场板7厚度为2μm~5μm；金属场板7的材质与电极金属8板的材质相同，为Al、AlCu、AlSiCu、Ni、Ti中的一种。

实施例2

本实施例公开了一种半导体功率器件的终端结构，做为本技术方案一种优选的实施方案，包括衬底1；衬底1的底部设置有电极金属8板，衬底1的顶部设置漂移区2；漂移区2的顶部嵌入设置有主结区3、截止环5和2~4个等宽的场限环4；所有场限环4依次环绕在主结区3的外围，截止环5环绕在所有场限环4的外围；漂移区2的顶部覆盖有等平面钝化层6，且等平面钝化层6与漂移区2顶部表面、主结区3上表面、截止环5上表面和场限环4上表面紧密贴合；等平面钝化层6的顶部设置有金属场板7，等平面钝化层6上分别对应主结区3、截止环5和所有的场限环4设置有穿孔，金属场板7通过穿孔分别连接主结区3、截止环5和所有的场限环4。

其中，钝化层6的厚度为0.9μm，金属场板7的厚度为4μm，电极金属8的厚度为2μm，钝化层6的材质是SiO2，金属场板7的材质为Al；衬底1的材质为单晶硅，其厚度为120μm，电阻率为90ohm*c；场限环4的掺杂分布与主结区3相同，均为P型掺杂，场限环4的峰值浓度为1e16cm-3，场限环4的结深为8μm，进一步的，场限环4的数量为2个，且2个场限环4等宽。

对上述一种半导体功率器件的终端结构进行电场分布仿真模拟，并测试阻断电压，结果如图3和图4所示。图3中，在金属场板7上施加-5V偏压，电子会受到排斥向远离表面方向移动，使得表面处耗尽区向外延伸，改变了终端区的电场分布，且提升了终端区的电场分布均匀性和面积，进而能够提高终端效率和阻断电压。图4中，带有本技术方案的终端结构的半导体功率器件（IGBT）的阻断电压能达到1500V。由此可见，本技术方案的一种半导体功率器件的终端结构具有终端效率高、耐压高等优点，使用价值高，应用前景好。

综上所述，针对现有半导体功率器件终端中存在的缺陷，本申请旨在提供一种终端效率高、阻断电压高且易于制备的半导体功率器件终端，具体来说，本申请中改进了场限环4的个数，通过减少场限环4的个数来优化电场在漂移区2的分布均匀性和分布面积，进而有利于提高终端效率和阻断电压。

以上实施例仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种半导体功率器件的终端结构，其特征在于：包括衬底（1）；

所述衬底（1）的底部设置有电极金属（8）板，衬底（1）的顶部设置漂移区（2）；

漂移区（2）的顶部嵌入设置有主结区（3）、截止环（5）和2~4个等宽的场限环（4）；所有场限环（4）依次环绕在主结区（3）的外围，截止环（5）环绕在所有场限环（4）的外围；

漂移区（2）的顶部覆盖有等平面钝化层（6），且等平面钝化层（6）与漂移区（2）顶部表面、主结区（3）上表面、截止环（5）上表面和场限环（4）上表面紧密贴合；

等平面钝化层（6）的顶部设置有金属场板（7），等平面钝化层（6）上分别对应主结区（3）、截止环（5）和所有的场限环（4）设置有穿孔，金属场板（7）通过穿孔分别连接主结区（3）、截止环（5）和所有的场限环（4）。

2.如权利要求1所述一种半导体功率器件的终端结构，其特征在于：衬底（1）的厚度为50μm~200μm。

3.如权利要求1所述一种半导体功率器件的终端结构，其特征在于：所述衬底（1）采用硅、锗硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓和金刚石中的一种材料制成。

4.如权利要求1所述一种半导体功率器件的终端结构，其特征在于：所述钝化层（6）厚度为0.5μm~2μm。

5.如权利要求1所述一种半导体功率器件的终端结构，其特征在于：所述钝化层（6）的材质为SiO2。

6.如权利要求1所述一种半导体功率器件的终端结构，其特征在于：所述场限环（4）和截止环（5）的结深相同，且都为5μm~10μm。

7.如权利要求1所述一种半导体功率器件的终端结构，其特征在于：所述场限环（4）、主结区（3）和截止环（5）掺杂分布相同，且都采用P型掺杂。

8.如权利要求1所述一种半导体功率器件的终端结构，其特征在于：所述金属场板（7）厚度为2μm~5μm。

9.如权利要求1所述一种半导体功率器件的终端结构，其特征在于：所述金属场板（7）的材质与电极金属（8）板的材质相同，为Al、AlCu、AlSiCu、Ni、Ti中的一种。

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