高壓半導體終端器件的製作方法
2023-04-23 18:14:51 2
專利名稱：高壓半導體終端器件的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高壓半導體終端器件，尤其涉及一種橫向或縱向高壓半導體終端器件。
背景技術：
隨著人們對功率半導體器件模塊的不斷研究和開發，市場上出現了可關斷晶閘管(Gate Turn-Off Thyristor，GT0)、雙擴散金屬-氧化物-半導體場效應電晶體(Double-diffused MOSFET, DM0S)，絕緣柵雙極型電晶體 Qnsulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)等多種功率器件，其性能越來越好，應用也越來越廣泛。功率集成電路的銷售額呈現出逐年大幅遞增趨勢，已經滲透到了工業和消費市場的諸多領域。一個功率器件的性能指標，主要可以從擊穿電壓、最大電流、最大功率、導通電阻、面積、速度等多個角度來評判。針對不同性能指標的要求，可以選擇合適的功率器件。為了提高器件的擊穿電壓，人們一般採用場板或場限環等常用終端技術。同時也可以通過擴大結深來增加PN結拐角處的曲率半徑，以減小峰值電場強度。如果採用場板結構，場板可以是連接於半導體表面的，也可以是浮空的。對於P襯底、N+引出的半導體結構而言，當引入場板後，場板與P區表面發生耦合，一部分電力線從場板出發終止於P區表面， 使耗盡區向體內推進。這等效於在橫向PN結表面引入了與原來P型一側耗盡區中空間電荷電性相反的附加電荷，由該附加電荷引起的電場方向與原耗盡區中空間電荷引起的電場方向相反，從而降低了結表面的電場，提高了擊穿電壓。但是，在場板外邊界下方的半導體襯底表面，由於附加電荷引起的電場疊加，會存在一個尖峰電場。為了提高器件的耐壓能力，可以採用若干個浮空場板，每個浮空場板下的半導體區域分別承擔一部分壓降。通過優化，調整浮空場板的寬度和間距，使每個場板外邊界下方的半導體表面尖峰電場大小一致，從而可以得到最大的擊穿電壓。但是，對於功率器件而言，由於要承載較大的電流密度，往往採用較厚的金屬層作為互連。從簡化工藝步驟的角度來講，浮空場板採用的就是這一層金屬，因而也具有一定的厚度。考慮到刻蝕的因素，較厚的浮空場板會限制場板間的最小間距，從而影響場板之間電力線的吸收。正是由於無法對浮空場板間距做出合理的優化，將導致每個場板外邊界下方的電場強度不一致，使得擊穿容易發生在第一級場板外邊界處。雖然可以採用多層結構，讓部分場板有上下交疊區域，使場板之間存在耦合作用，進一步調整電場分布，(參考中國專利CN 200610138829.幻，然而這種結構需要經過多次介質層和金屬層的澱積、光刻、刻蝕，給工藝製備帶來了一定程度的複雜性。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種既可簡化製備工藝又可提高耐壓能力的高壓半導體終端器件。一種高壓半導體終端器件包括半導體襯底、設置於所述半導體襯底表面的隔離介質層、設置於所述隔離介質層表面的多個互不相連的金屬浮空場板，其特徵在於，所述高壓半導體終端器件還包括填充所述互不相連的金屬浮空場板之間的空隙的絕緣介質層。本實用新型優選的一種技術方案，所述高壓半導體終端器件還包括覆蓋所述金屬浮空場板的絕緣介質層。本實用新型優選的一種技術方案，所述金屬浮空場板之間的間距範圍為0. 5 10 μ m。本實用新型優選的一種技術方案，所述高壓半導體終端器件還包括覆蓋所述絕緣介質層的絕緣保護層。本實用新型優選的一種技術方案，所述半導體襯底內包括正負兩極歐姆接觸區。本實用新型優選的一種技術方案，所述半導體襯底表面還包括與所述正負兩極歐姆接觸區分別電性連接的所述高壓半導體終端器件的陰陽極。本實用新型優選的一種技術方案，所述金屬浮空場板的厚度範圍0. 5 6μπι。本實用新型優選的一種技術方案，所述絕緣介質層為Al2O3絕緣介質層或者HfO2 絕緣介質層或者^o2絕緣介質層或者TW2絕緣介質層。本實用新型優選的一種技術方案，所述隔離介質層的厚度範圍為0. 1 2μπι。本實用新型優選的一種技術方案，所述絕緣介質層的介電常數不小於10。與現有技術相比，本實用新型的高壓半導體終端器件在所述金屬浮空場板之間的間隙沉積絕緣介質層。在不增加工藝製備難度的基礎上，通過選擇合適的高介電常數介質材料填充在所述金屬浮空場板之間，提高金屬浮空場板間的耦合作用，控制金屬浮空場板電位，使金屬浮空場板吸收電力線的效果發揮到了最佳，並且降低了金屬浮空場板間距對刻蝕等工藝的要求，提高了擊穿電壓。
圖1到圖5是本實用新型的高壓半導體終端器件的製備工藝的各步驟示意圖。圖6是本實用新型的高壓半導體終端器件與現有技術的高壓半導體終端器件的半導體襯底表面電場強度比較圖。圖7是本實用新型的高壓半導體終端器件與現有技術的高壓半導體終端器件的擊穿電壓比較圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，
以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細描述。請參閱圖5，圖5是本實用新型的高壓半導體終端器件的結構示意圖。所述高壓半導體終端器件包括半導體襯底1、形成於所述半導體襯底1內的正負兩極歐姆接觸區、設置於所述半導體襯底1表面的隔離介質層6、設置於所述半導體襯底1的表面且分別與所述正負兩極歐姆接觸區電性連接的陰極和陽極、設置於所述隔離介質層6表面的多個互不相連的金屬浮空場板7、填充所述多個互不相連的金屬浮空場板7之間的間隙的絕緣介質層8、 覆蓋所述絕緣介質層8的絕緣保護層9。優選的，所述絕緣介質層8還覆蓋所述金屬浮空場板7和所述陰、陽極。所述金屬浮空場板7之間的間距範圍為0. 5 10 μ m，所述金屬浮空場板7的厚度範圍為0. 5 6 μ m。所述半導體襯底1為P-半導體襯底，所述半導體襯底1可以為矽、鍺、鍺矽等半導體材料。當所述半導體襯底1的材料為矽時，所述隔離介質層6的材料可以是二氧化矽，因為，二氧化矽擊穿電壓高，並且可以和所述半導體襯底1有較好的接觸，所述二氧化矽隔離介質層6的厚度範圍為0. 1 2 μ m，視不同的耐壓要求決定。所述正負兩極歐姆接觸區分別為P+半導體區2和N+半導體區3，所述高壓半導體終端器件的陽極4與所述P+半導體區2電性連接，所述高壓半導體終端器件的陰極5與所述N+半導體區3電性連接。所述絕緣介質層8為高介電常數絕緣介質層，所述絕緣介質層8的相對介電常數不小於10。優選的，所述絕緣介質層的材料為Al2O3或HfO2或^O2或TiO2,或者部分鑭系元素氧化物，或者其他適合半導體工藝製造的高介電常數介質材料。所述絕緣介質層8用於增強所述金屬浮空場板7之間的耦合作用，吸收電力線，改善半導體襯底1表面電場分布， 從而提高擊穿電壓。根據實際的金屬浮空場板7的寬度和間距，需選擇合適的高介電常數絕緣材料。下面結合圖1到圖5，詳細描述本實用新型的高壓半導體終端器件的製備工藝。首先，在半導體襯底1表面沉積隔離介質層6，如圖1所示。所述半導體襯底1為 P-半導體襯底，所述半導體襯底1可以為矽、鍺、鍺矽等半導體材料。當所述半導體襯底1 的材料為矽時，所述隔離介質層6的材料可以是二氧化矽，因為，其擊穿電壓高，並且可以和所述半導體襯底1有較好的接觸，所述二氧化矽隔離介質層6的厚度範圍為0. 1 2 μ m， 視不同的耐壓要求決定。接著，在所述半導體襯底1內形成正負兩極歐姆接觸區，如圖2所示。通過光刻工藝形成陰極引出圖案，刻蝕所述隔離介質層6，注入磷或砷等N型雜質，在所述半導體襯底1 內形成N+半導體區3。通過光刻工藝形成陽極引出圖案，刻蝕所述隔離介質層6，注入硼或氟化硼等P型雜質，在所述半導體襯底1內形成P+半導體區2。所述刻蝕的方法可以是幹法或溼法，隨後通過退火激活雜質，並控制結深。其次，在所述半導體襯底1和所述隔離介質層6的表面沉積金屬層，通過光刻工藝定義圖案並刻蝕金屬層，同時形成陽極4、陰極5以及若干個金屬浮空場板7，如圖3所示。 可以採用蒸發或濺射的方法沉積金屬層，金屬材料可以是Ti/Al或Ti/TiN/Al，所述金屬層的厚度範圍為0. 5 6 μ m，所述金屬浮空場板7之間的間距範圍為0. 5 10 μ m。然後，在所述陽極4、陰極5以及金屬浮空場板7的表面和所述金屬浮空場板7之間的間隙之間沉積絕緣介質層8，如圖4所示。該絕緣介質層8的材料可以是Al2O3，HfO2, ZrO2, TiO2,部分鑭系元素氧化物，或者其他適合半導體工藝製造的高介電常數介質材料。根據實際的浮空場板的寬度和間距，需選擇合適的高介電常數絕緣材料。最後，在所述絕緣介質層8表面沉積絕緣保護層9，形成最終的高壓半導體終端器件，如圖5所示。所述絕緣保護層9可以為鈍化層，如二氧化矽層。與現有技術相比，本實用新型的高壓半導體終端器件在所述金屬浮空場板7之間的間隙沉積絕緣介質層8，在不增加工藝製備難度的基礎上，通過選擇合適的高介電常數介質材料填充在所述金屬浮空場板7之間，提高金屬浮空場板7間的耦合作用，控制金屬浮空場板7電位，使金屬浮空場板7吸收電力線的效果發揮到了最佳，並且降低了金屬浮空場板
57間距對刻蝕等工藝的要求，提高了擊穿電壓。對於大功率器件，往往金屬浮空場板7達到4 6 μ m之厚，金屬浮空場板7的寬度以及間距不能做到很小；若為成本考慮採用溼法刻蝕金屬，則進一步限制了金屬浮空場板 7間距的最小值。在這種情況下，若能選擇合適的高介電常數介質材料，就能很好地改善表面電場分布。當所述絕緣介質層8相對介電常數為25，如當所述絕緣介質層8材料為HfO2 時，本實用新型的高壓半導體終端器件與現有技術的高壓半導體終端器件的表面電場強度比較如圖6所示。其中，曲線11表示本實用新型的高壓半導體終端器件的表面電場強度的分布曲線，曲線12表示現有技術的高壓半導體終端器件的表面電場強度的分布曲線，由圖可見，本實用新型的高壓半導體終端器件的表面電場分布更均勻。當所述絕緣介質層8相對介電常數為25，如當所述絕緣介質層8材料為HfO2時，本實用新型的高壓半導體終端器件與現有技術的高壓半導體終端器件的擊穿電壓比較如圖7所示。由圖可見，本實用新型的高壓半導體終端器件的擊穿電壓從153V提升到了 232V。在不偏離本實用新型的精神和範圍的情況下還可以構成許多有很大差別的實施例。應當理解，除了如所附的權利要求所限定的，本實用新型並不限於在說明書中所述的具體實施例。
權利要求1.一種高壓半導體終端器件，包括半導體襯底、設置於所述半導體襯底表面的隔離介質層、設置於所述隔離介質層表面的多個互不相連的金屬浮空場板，其特徵在於，所述高壓半導體終端器件還包括填充所述互不相連的金屬浮空場板之間的空隙的絕緣介質層。
2.如權利要求1所述的高壓半導體終端器件，其特徵在於，所述高壓半導體終端器件還包括覆蓋所述金屬浮空場板的絕緣介質層。
3.如權利要求1所述的高壓半導體終端器件，其特徵在於，所述金屬浮空場板之間的間距範圍為0. 5 10 μ m。
4.如權利要求1所述的高壓半導體終端器件，其特徵在於，所述高壓半導體終端器件還包括覆蓋所述絕緣介質層的絕緣保護層。
5.如權利要求1所述的高壓半導體終端器件，其特徵在於，所述半導體襯底內包括正負兩極歐姆接觸區。
6.如權利要求5所述的高壓半導體終端器件，其特徵在於，所述半導體襯底表面還包括與所述正負兩極歐姆接觸區分別電性連接的所述高壓半導體終端器件的陰極和陽極。
7.如權利要求1到6中任意一項所述的高壓半導體終端器件，其特徵在於，所述金屬浮空場板的厚度範圍為0. 5 6 μ m。
8.如權利要求1到6中任意一項所述的高壓半導體終端器件，其特徵在於，所述絕緣介質層為Al2O3絕緣介質層或者HfO2絕緣介質層或者^O2絕緣介質層或者TW2絕緣介質層。
9.如權利要求1到6中任意一項所述的高壓半導體終端器件，其特徵在於，所述隔離介質層的厚度範圍為0. 1 2μπι。
10.如權利要求1到6中任意一項所述的高壓半導體終端器件，其特徵在於，所述絕緣介質層的介電常數不小於10。
專利摘要本實用新型涉及一種高壓半導體終端器件。所述高壓半導體終端器件包括半導體襯底、設置於所述半導體襯底表面的隔離介質層、設置於所述隔離介質層表面的多個互不相連的金屬浮空場板，所述高壓半導體終端器件還包括填充所述互不相連的金屬浮空場板之間的空隙的絕緣介質層。本實用新型的高壓半導體終端器件用來加強金屬浮空場板之間的耦合作用，使半導體表面電場更均勻，從而提高擊穿電壓。本實用新型的高壓半導體終端器件工藝實現簡單。
文檔編號H01L21/762GK201956355SQ20102069558
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者周偉, 孫德明, 範春暉 申請人:上海集成電路研發中心有限公司