【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體器件，更具地地，涉及一種功率器件結(jié)終端結(jié)構(gòu)、制造方法及功率器件。
技術(shù)介紹
1、在電力電子領(lǐng)域，功率半導(dǎo)體器件作為關(guān)鍵部件，其特性對系統(tǒng)性能的實現(xiàn)和改善有著至關(guān)重要的作用。功率半導(dǎo)體器件最主要的特點之一是其阻斷高壓的能力，根據(jù)應(yīng)用場合的不同，硅器件的擊穿電壓可以從用于電源系統(tǒng)的25v以下到用于電力傳輸?shù)?.5kv。功率半導(dǎo)體器件阻斷高壓的能力主要取決于器件結(jié)構(gòu)中特定pn結(jié)的反偏擊穿電壓。但隨著pn結(jié)外加反向偏壓增大，會引起雪崩擊穿現(xiàn)象，該現(xiàn)象是限制功率器件最大工作電壓的主要因素。在功率半導(dǎo)體器件中，受pn結(jié)彎曲或pn結(jié)終止處表面非理想因素的影響，pn結(jié)表面附近或結(jié)彎曲處的局部區(qū)域往往相對于體內(nèi)平行平面結(jié)提前出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。結(jié)終端就是為了減小局部電場、提高表面擊穿電壓及可靠性、使器件實際擊穿電壓更接近平行平面結(jié)的理想值而專門設(shè)計的特殊結(jié)構(gòu)。
2、普通晶閘管、相控晶閘管、gto和igct及其衍生器件都可稱之為晶閘管類器件，這些器件都是由晶閘管發(fā)展而來，其導(dǎo)通的工作原理都與晶閘管一致。實際上，幾乎所有的晶閘管類器件都采用了斜角終端造型技術(shù)。對于僅需要正向阻斷特性的晶閘管類器件（例如逆導(dǎo)型晶閘管、非對稱型gto、逆導(dǎo)型igct等），僅需要進行正面的斜角終端造型；對于需要正反向阻斷特性的晶閘管類器件（例如普通晶閘管、逆阻型igct等），需要同時進行正面和背面的斜角終端造型。在6.5kv及以上電壓等級，負斜角造型終端和雙負斜角造型終端由于基區(qū)寬度小、可靠性高等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。
3、典型的負斜角
4、由圖1可知，p基區(qū)內(nèi)的斜面耗盡區(qū)寬度ws主要由終端造型角度θ和p基區(qū)垂直方向的耗盡區(qū)寬度wp決定，而wp則主要取決于p基區(qū)結(jié)深和摻雜濃度。因此，對于高壓和超高壓的晶閘管類器件來說，為了實現(xiàn)更高的阻斷電壓，需求器件具有較深的p基區(qū)結(jié)深（高壓器件通常要求p基區(qū)結(jié)深大于100μm）和較低的p基區(qū)摻雜濃度（峰值摻雜濃度通常小于1e16cm-3），同時終端造型角度θ要非常?。ㄍǔＴ?0°以下）。但是目前主要存在以下問題：（1）p基區(qū)深結(jié)使得工藝過程中擴散所需時間大大增加，芯片承受的熱應(yīng)力也隨之增加，容易在芯片中產(chǎn)生不必要的晶格損傷；（2）硅襯底通常具有固定且均勻的摻雜，較深的p基區(qū)結(jié)深和低p基區(qū)摻雜濃度對于熱擴散工藝來說是矛盾的，為了達到此效果，通常需要進一步增加熱擴散的時間，增加流片時間和工藝成本，同時芯片晶格損傷的風險進一步增加；（3）p基區(qū)結(jié)深增加使陰極側(cè)npn晶體管放大系數(shù)減小，陰極側(cè)發(fā)射極發(fā)射效率降低，芯片開通損耗和通態(tài)壓降相應(yīng)增加。
5、目前專利的解決方法主要是通過將晶閘管類器件的芯片有源區(qū)和終端區(qū)采用不同結(jié)深的p基區(qū)來改善芯片特性。如瑞士abb公司在2010年提出了一種淺p基區(qū)功率半導(dǎo)體器件（cn103222056b），如圖4中所示，芯片總厚度減小，降低了導(dǎo)通壓降，改進了反向恢復(fù)電荷、關(guān)斷時間和最大浪涌電流。該器件的襯底厚度減薄，同時為了維持高的擊穿電壓，改進了終端結(jié)構(gòu)。采用了負斜角終端結(jié)構(gòu)，終端p基區(qū)較有源區(qū)p基區(qū)結(jié)深更深，濃度較有源區(qū)濃度低，終端區(qū)摻雜濃度較有源區(qū)在橫向上有快速下降，增強了雪崩能力，提高了擊穿電壓。
6、清華大學(xué)在2020年提出了一種功率半導(dǎo)體器件（cn111755501a），該專利結(jié)構(gòu)與abb專利類似，如圖5中所示。該專利提出的芯片邊緣終端結(jié)構(gòu)增加了p-基區(qū)的厚度，同時終端區(qū)p基區(qū)的摻雜濃度小于有源區(qū)p基區(qū)的濃度，使得耗盡層寬度增加，且優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)使耗盡層擴展不再受到高濃度p+基區(qū)的限制，可以使斜面邊緣的耗盡層寬度增加至圖5中的w5，從而降低峰值電場強度，提高芯片的耐壓能力。
7、然而，現(xiàn)有專利結(jié)構(gòu)芯片終端區(qū)的p基區(qū)結(jié)深并沒有降低，仍然需要通過長時間的熱擴散工藝形成，因此前面所述的問題1和問題2仍然存在，即：（1）p基區(qū)深結(jié)使得工藝過程中擴散所需時間大大增加，芯片承受的熱應(yīng)力也隨之增加，容易在芯片中產(chǎn)生不必要的晶格損傷；（2）較深的p基區(qū)結(jié)深和低p基區(qū)摻雜濃度對于熱擴散工藝來說是矛盾的，為了達到此效果，通常需要進一步增加熱擴散的時間，增加流片時間和工藝成本，同時芯片晶格損傷的風險進一步增加。
8、此外，仿真研究中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有專利結(jié)構(gòu)還存在問題（4），即：現(xiàn)有專利結(jié)構(gòu)的負斜角終端p基區(qū)的深結(jié)是熱擴散形成的，摻雜濃度通常呈高斯分布或余誤差分布，在承受高阻斷電壓狀態(tài)下其電場強度峰值集中在終端較集中的區(qū)域，如圖6中所示，不利于器件的長期可靠性，且終端的效率不高。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、（一）要解決的技術(shù)問題
2、本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題包括：第一，p基區(qū)深結(jié)使得工藝過程中擴散所需時間大大增加，芯片承受的熱應(yīng)力也隨之增加，容易在芯片中產(chǎn)生不必要的晶格損傷；第二，較深的p基區(qū)結(jié)深和低p基區(qū)摻雜濃度對于熱擴散工藝來說是矛盾的，為了達到此效果，通常需要進一步增加熱擴散的時間，增加流片時間和工藝成本，同時芯片晶格損傷的風險進一步增加；第三，現(xiàn)有專利結(jié)構(gòu)的負斜角終端p基區(qū)的深結(jié)是熱擴散形成的，摻雜濃度通常呈高斯分布或余誤差分布，在承受高阻斷電壓狀態(tài)下其電場強度峰值集中在終端較集中的區(qū)域，不利于器件的長期可靠性，且終端的效率不高。
3、（二）技術(shù)方案
4、為了達到上述目的，本專利技術(shù)采用一種功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，所述終端結(jié)構(gòu)位于功率半導(dǎo)體器件芯片的邊緣部分，與芯片有源區(qū)相接；所述終端結(jié)構(gòu)至少具有第一導(dǎo)電類型的第一基區(qū)，和位于第一基區(qū)一側(cè)的第二基區(qū)，所述第二基區(qū)具有第二導(dǎo)電類型，所述第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反；所述終端結(jié)構(gòu)中，至少在所述第二基區(qū)的遠離第一基區(qū)的表面與芯片有源區(qū)所在的第一主面形成負角，使得所述終端結(jié)構(gòu)部分的芯片厚度至少在所述第一主面上隨著到芯片有源區(qū)的距離增加而減?。黄渲?，所述第二基區(qū)至少具有一均勻摻雜的區(qū)域。
5、在一個優(yōu)選方案中，僅在所述第二基區(qū)的遠離第一基區(qū)的表面與芯片有源區(qū)所在的第一主面形成負角，使得所述終端結(jié)構(gòu)部分的芯片厚度在所述第一主面上隨著到芯片有源區(qū)的距離增加而減??；在相對于第一主面的第二主面?zhèn)葹槠矫娼Y(jié)構(gòu)。
6、在一個優(yōu)選方案中，所述終端結(jié)構(gòu)在與第一主面相對的第二主面也形成一負角結(jié)構(gòu)，使得所述終端結(jié)構(gòu)部分的芯片厚度在第一主面和第二主面都隨著到芯片有源區(qū)的距離增加而減小。
7、在一個優(yōu)選方案中，所述終端結(jié)構(gòu)在第二基區(qū)的與第一基區(qū)相對的另一側(cè)，設(shè)置有第二導(dǎo)電類型的第三基區(qū)，所述本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)位于功率半導(dǎo)體器件芯片的邊緣部分，與芯片有源區(qū)相接；所述終端結(jié)構(gòu)至少具有第一導(dǎo)電類型的第一基區(qū)，和位于第一基區(qū)一側(cè)的第二基區(qū)，所述第二基區(qū)具有第二導(dǎo)電類型，所述第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反；所述終端結(jié)構(gòu)中，至少在所述第二基區(qū)的遠離第一基區(qū)的表面與芯片有源區(qū)所在的第一主面形成負角，使得所述終端結(jié)構(gòu)部分的芯片厚度至少在所述第一主面上隨著到芯片有源區(qū)的距離增加而減??；其中，所述第二基區(qū)至少具有一均勻摻雜的區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)中，僅在所述第二基區(qū)的遠離第一基區(qū)的表面與芯片有源區(qū)所在的第一主面形成負角，使得所述終端結(jié)構(gòu)部分的芯片厚度在所述第一主面上隨著到芯片有源區(qū)的距離增加而減??；在相對于第一主面的第二主面?zhèn)葹槠矫娼Y(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)在與第一主面相對的第二主面也形成一負角結(jié)構(gòu)，使得所述終端結(jié)構(gòu)部分的芯片厚度在第一主面和第二主面都隨著到芯片有源區(qū)的距離增加而減小。
4.如權(quán)利要求
5.如權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一基區(qū)為N-基區(qū)，所述第二基區(qū)為P基區(qū)，所述第三基區(qū)為P+基區(qū)，所述P基區(qū)的厚度范圍為50-200μm，摻雜濃度為1E13-1E15cm-3，所述P+基區(qū)的厚度范圍為10-70μm，摻雜濃度為1E15-5E17cm-3。
6.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)在所述第二基區(qū)的與第一基區(qū)相對的另一側(cè)，設(shè)置有第二導(dǎo)電類型的第三基區(qū)，所述第三基區(qū)的摻雜濃度沿芯片垂直方向改變。
7.如權(quán)利要求6所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一基區(qū)為N-基區(qū)，所述第二基區(qū)為P基區(qū)，所述第三基區(qū)為P+基區(qū)，所述P基區(qū)的厚度范圍為50-200μm，摻雜濃度為1E13-1E15cm-3，所述P+基區(qū)的厚度范圍為10-70μm，峰值摻雜濃度為1E16-5E18cm-3。
8.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一基區(qū)為N-基區(qū)，所述第二基區(qū)為P基區(qū)，所述終端結(jié)構(gòu)在第二基區(qū)的與第一基區(qū)相對的另一側(cè)，設(shè)置有P+基區(qū)；所述N-基區(qū)的與P基區(qū)相對的另一側(cè)，設(shè)置有均勻摻雜的P型陽極發(fā)射區(qū)，P型陽極發(fā)射區(qū)與N-基區(qū)相對應(yīng)的另一側(cè)，設(shè)置有P+陽極發(fā)射區(qū)。
9.如權(quán)利要求8所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P+基區(qū)與所述P+陽極發(fā)射區(qū)為均勻摻雜的。
10.如權(quán)利要求9所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P+基區(qū)的厚度范圍為10-70μm，摻雜濃度為1E15-5E17cm-3；P基區(qū)和P型陽極發(fā)射區(qū)的厚度范圍為50-200μm，摻雜濃度為1E13-1E15cm-3；P+陽極發(fā)射區(qū)的厚度范圍為1-20μm，摻雜濃度為1E17-5E19cm-3。
11.如權(quán)利要求8所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P+基區(qū)與所述P+陽極發(fā)射區(qū)的摻雜濃度沿芯片垂直方向改變。
12.如權(quán)利要求9所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P+基區(qū)的厚度范圍為10-70μm，峰值摻雜濃度為1E16-5E18cm-3；P基區(qū)和P型陽極發(fā)射區(qū)的厚度范圍為50-200μm，摻雜濃度為1E13-1E15cm-3；P+陽極發(fā)射區(qū)的厚度范圍為1-20μm，摻雜濃度為1E17-5E19cm-3。
13.如權(quán)利要求1-12之一所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)的斜角采用臺面結(jié)構(gòu)，至少所述第一基區(qū)和所述第二基區(qū)的交界面延伸至所述臺面結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求8-12之一所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)的斜角采用臺面結(jié)構(gòu)，所述N-基區(qū)與所述P基區(qū)的交界面延伸至所述臺面結(jié)構(gòu)，且所述N-基區(qū)與所述P型陽極發(fā)射區(qū)的交界面延伸至所述臺面結(jié)構(gòu)。
15.一種垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件包含有源區(qū)及終端區(qū)，所述終端區(qū)采用如權(quán)利要求1-14任一項所述的終端結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件為普通晶閘管、相控晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或上述器件的衍生器件。
17.一種功率器件，其特征在于，所述功率器件采用如權(quán)利要求15...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)位于功率半導(dǎo)體器件芯片的邊緣部分，與芯片有源區(qū)相接；所述終端結(jié)構(gòu)至少具有第一導(dǎo)電類型的第一基區(qū)，和位于第一基區(qū)一側(cè)的第二基區(qū)，所述第二基區(qū)具有第二導(dǎo)電類型，所述第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反；所述終端結(jié)構(gòu)中，至少在所述第二基區(qū)的遠離第一基區(qū)的表面與芯片有源區(qū)所在的第一主面形成負角，使得所述終端結(jié)構(gòu)部分的芯片厚度至少在所述第一主面上隨著到芯片有源區(qū)的距離增加而減??；其中，所述第二基區(qū)至少具有一均勻摻雜的區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)中，僅在所述第二基區(qū)的遠離第一基區(qū)的表面與芯片有源區(qū)所在的第一主面形成負角，使得所述終端結(jié)構(gòu)部分的芯片厚度在所述第一主面上隨著到芯片有源區(qū)的距離增加而減??；在相對于第一主面的第二主面?zhèn)葹槠矫娼Y(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)在與第一主面相對的第二主面也形成一負角結(jié)構(gòu)，使得所述終端結(jié)構(gòu)部分的芯片厚度在第一主面和第二主面都隨著到芯片有源區(qū)的距離增加而減小。
4.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)在第二基區(qū)的與第一基區(qū)相對的另一側(cè)，設(shè)置有第二導(dǎo)電類型的第三基區(qū)，所述第三基區(qū)具有均勻摻雜的雜質(zhì)濃度，且雜質(zhì)濃度與第二基區(qū)不同。
5.如權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一基區(qū)為n-基區(qū)，所述第二基區(qū)為p基區(qū)，所述第三基區(qū)為p+基區(qū)，所述p基區(qū)的厚度范圍為50-200μm，摻雜濃度為1e13-1e15cm-3，所述p+基區(qū)的厚度范圍為10-70μm，摻雜濃度為1e15-5e17cm-3。
6.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)在所述第二基區(qū)的與第一基區(qū)相對的另一側(cè)，設(shè)置有第二導(dǎo)電類型的第三基區(qū)，所述第三基區(qū)的摻雜濃度沿芯片垂直方向改變。
7.如權(quán)利要求6所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一基區(qū)為n-基區(qū)，所述第二基區(qū)為p基區(qū)，所述第三基區(qū)為p+基區(qū)，所述p基區(qū)的厚度范圍為50-200μm，摻雜濃度為1e13-1e15cm-3，所述p+基區(qū)的厚度范圍為10-70μm，峰值摻雜濃度為1e16-5e18cm-3。
8.如權(quán)利要求3所述的功率半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一基區(qū)為n-基區(qū)，所述...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：魏曉光，李立，王耀華，高明超，劉瑞，李玲，
申請(專利權(quán))人：北京懷柔實驗室，
類型：發(fā)明
國別省市：
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