具有終端保護結構的半導體功率器件的製作方法
2023-11-04 04:28:07 1
專利名稱：具有終端保護結構的半導體功率器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體設備，更具體地，是ー種具有終端保護結構的半導體功率器件。
背景技術：
通常，如圖1所示，半導體功率器件包括有源區11 (即元胞區)和終端保護區12。其中，有源區為功率器件的工作區域。以N溝道MOS器件為例，有源區是在矽襯底上形成外延層，並在外延層上進一歩形成P阱區。其中，矽襯底為N+區域，工作時底部接高電位，外延層為N-區域。終端保護區用於確保各有源區在劃片之後，降低表面電場強度，防止器件的邊緣擊穿。這是因為，在通常的有源區劃片之後，位於晶片邊緣的側面(即劃片區)與底部等電位，所以，在最邊緣區域，如果不加任何動作，就需在橫向承擔很高的電壓。因此，將晶片的最側面延長，形成終端保護區，成為業界的常規做法。終端保護區具有多種結構設置。例如，在常用的手段中，終端保護區內可増加ー個或多個P阱，形成保護環或分壓環。同時，在現有的エ藝中，為防止在終端保護區的最邊緣部分表面的N-區域反型產生寄生的三極體，還可在終端的最邊緣部分注入ー個N阱，形成截止環結構。然而，在現有的終端保護結構中，整個終端耐壓區的尺寸都比較大，其長度通常遠大於有源區外延層的厚度，這會佔用不少晶片面積，提升了製造成本。因此，需要ー種具有新型終 端保護結構的半導體功率器件。
發明內容
本發明的目的，在於解決現有的半導體功率器件中因出於耐壓能力考慮而導致的終端保護區長度過長的問題，從而提出了一種創新的具有新型終端保護結構的半導體功率器件。本發明的具有終端保護結構的半導體功率器件，包括有源區以及環繞該有源區設置的終端保護區，該終端保護區具有劃片邊緣，該有源區包括第一類導電類型的襯底層、形成於該襯底層上的第一類導電類型的外延層以及形成於該外延層上的第二類導電類型的阱層，該外延層上方覆蓋有氧化層和金屬層，該氧化層和金屬層延伸到該終端保護區內，所述終端保護區包括一個填充滿絕緣材料的溝槽，該溝槽在垂直方向上緊鄰該氧化層，井延伸入該外延層內，其中，該溝槽在寬度方向上包括ー個與該劃片邊緣相重疊的第一邊緣以及與該第一邊緣相対的第二邊緣。優選地，所述溝槽的所述第二邊緣未與該有源區相接觸。優選地，所述溝槽的所述第二邊緣緊貼該有源區。優選地，所述溝槽延伸入所述外延層的深度為所述外延層的整個深度的10%到130%之間。優選地，所述溝槽穿過所述外延層並延伸入所述襯底層內。優選地，所述溝槽的寬度為10微米到70微米之間。優選地，所述絕緣材料為ニ氧化矽或氮化矽。
優選地，所述半導體功率器件為垂直結構的功率管。優選地，所述半導體功率器件為場效應管。優選地，所述半導體功率器件為絕緣柵雙極電晶體。優選地，所述半導體功率器件為功率ニ極管。本發明的半導體功率器件，由於採用的終端保護結構中設置有填充絕緣材料的深槽，將半導體功率器件的側邊和底部進行了電隔離，從而極大地縮短了功率器件終端保護區的長度，並提高了功率器件的耐壓能力。
圖1為半導體功率器件的俯視圖；圖2為在ー個實施方式中，本發明的具有終端保護結構的半導體功率器件的剖視圖；圖3為在第二個實施方式中，本發明的具有終端保護結構的半導體功率器件的剖視圖；圖4為在第三個實施方式中，本發明的具有終端保護結構的半導體功率器件的剖視圖；圖5為在第四個實 施方式中，本發明的具有終端保護結構的半導體功率器件的剖視圖；圖6為本發明的具有終端保護結構的半導體功率器件的製備流程示意圖；圖7為圖6中步驟SlOO的エ藝示意圖；圖8為圖6中步驟S200的エ藝示意圖；圖9為圖6中步驟S300的エ藝示意圖；圖10為圖6中步驟S400的エ藝示意圖；圖11為本發明的半導體功率器件內部的電勢分布圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
，對本發明的半導體功率器件的結構、製備流程以及實質性特點進行詳細說明。總體而言，本發明的半導體功率器件，在終端保護區內設置有一個溝槽，該溝槽由器件氧化層所在的一面(即頂部)自外延層開設，井向下延伸，優選地可延伸至襯底層。另ー方面，在寬度方向上，該溝槽的一個側邊與劃片邊緣相重合，即對晶片進行劃片時，在縱向上穿過該溝槽進行切割，該溝槽的另ー個側邊靠近或緊貼有源區，並且該溝槽內填充滿絕緣材料。由此實現功率器件側邊和底部的電隔離，從而無需像現有技術那樣，對終端保護區的尺寸進行過長設計，這減少了器件的尺寸，同時也提升了耐壓能力。具體地，如圖2-5所示，本發明的半導體功率器件，包括有源區以及圍繞該有源區設置的終端保護區(圖中僅示出了ー個切片側的剖示圖)，常規地，終端保護區具有ー個劃片邊緣21，在半導體晶片製備完成後，縱向上切過該劃片邊緣21進行劃片處理，形成半導體器件。並且，有源區包括第一類導電類型的襯底層1、形成於該襯底層I上的第一類導電類型的外延層2以及形成於該外延層2上的第二類導電類型的阱區6，該外延層2上方覆蓋有氧化層4和金屬層5。對於上表面為P講的器件而言，該第一類導電類型的襯底層I為N類型的襯底層，該第一類導電類型的外延層2為N類型的外延層，該阱區6為P阱區。容易理解，相對應地，對於上表面為N阱的器件而言，該第一類導電類型的襯底層I為P類型的襯底層，該第一類導電類型的外延層2為P類型的外延層，該阱區6為N阱區。特別地，繼續結合附圖2-5，終端保護區包括一個填充滿絕緣材料的溝槽3，溝槽3在垂直方向上緊鄰該氧化層4,並延伸入外延層2內，其中,溝槽3在寬度方向上包括ー個與劃片邊緣21相重疊的第一邊緣31以及與第一邊緣31相対的第二邊緣32。更具體地，第二邊緣32朝向有源區，井向有源區延伸，第二邊緣32在橫向距離上距有源區的距離可以為一定距離，即未與該有源區相接觸。優選地，第二邊緣32可延伸至緊貼有源區，即與阱區6相接觸。在圖2-5所示的實施方式中，圖2、3示出了第二邊緣32未與有源區相接觸的實施方式，而圖4、5示出了第二邊緣32緊貼有源區設置的實施方式。另ー方面，在縱向上，溝槽3延伸入外延層2的深度為外延層2的整個深度的10%到130%之間。因此，溝槽3可以僅延伸入外延層2，但是未進入襯底層I內。但是，優選地，在本發明的一個實施方式中，溝槽3穿過外延層2並延伸入襯底層I內。如圖2、4所示，示出了溝槽3未延伸入襯底層I內的情形，如圖3、5所示，示出了溝槽3延伸入襯底層I內的情形。在圖2-5所示的各實施方式中，能最佳地達到本發明目的的優選方式為圖5所示的情形，即溝槽3的第二邊緣32緊貼有源區，並且溝槽3在深度方向上延伸入襯底層I。具體地，溝槽3在寬度方向上第二邊緣32緊貼有源區是為了使終端長度最小；豎直方向上需要穿通整個外延層2伸入到襯底層I是因為外延層2作為承擔器件耐壓的漂移區，雖然整個終端保護區在晶片斷面中，最重要的部分是貼近晶片上表面的幾個微米深的區域，但是如果把整個外延層挖槽挖穿，就是把整個晶片外延層的側面完全的與晶片底部的高壓進行隔離，這樣可以最好地達到本發明的目的。例如，在本發明的一個最優的實施方式中，溝槽3緊貼有源區設置，其寬度可設置為15微米左右，並且在深度方向上延伸入外延層2的深度為外延層2的整個深度的110% 。繼續結合圖2-5，在具體的參數設置方面，溝槽3的寬度為10微米到70微米之間。如上所述，優選地，溝槽的寬度為15微米左右。如上所述，在溝槽3內填充滿有絕緣材料，該絕緣材料可以為ニ氧化矽、氮化矽或其他合適的絕緣物。本發明的半導體功率器件可以是任何垂直結構的功率管。例如，該半導體功率器件可以是場效應管、絕緣柵雙極電晶體、功率ニ極管等。如圖6所示，為該半導體功率器件製備的流程示意圖。以下，另結合圖7、圖8、圖9以及圖10，對本發明的半導體功率器件的製備流程進行詳細說明。結合圖7，在步驟SlOO中，在矽襯底層I上形成外延層2。該外延層2的生長厚度為H。結合圖8，當完成步驟SlOO後，進入步驟S200，將相鄰的兩個有源區之間的距離限定為L，該長度L上的區域即為兩個有源區所對應的半導體器件的終端保護區域。並且，在有源區之間的位置上,於外延層2內蝕刻溝槽3，並填充入絕緣材料。溝槽3自外延層2的頂部開挖。如上所述，溝槽3在寬度方向上可延伸到有源區邊緣，也可距離有源區邊緣一定長度。並且，在縱向上，溝槽3可以穿過外延層2進入襯底層I內，也可以未穿過外延層。圖8中示出了溝槽3在寬度方向上未延伸至有源區邊緣、以及在縱向上未穿過外延層2的情形。結合圖9，步驟S300中，在溝槽3的上方覆蓋氧化層4，該氧化層4覆蓋溝槽3，並延伸入有源區內。結合圖10，步驟S400中，完成有源區內的エ藝，即生成阱區6，並在有源區上方覆蓋金屬層5,金屬層5進ー步延伸到溝槽3上方。最後，在步驟S500中，對晶片進行劃片處理，形成本發明的最終的器件結構。結合圖10，在進行切片處理時，優選地在溝槽3的正中位置進行切片。當然，考慮到誤差因素，也可偏離溝槽3的正中位置一定距離，進行切片。在步驟S500完成後，最終形成如圖2所示的器件結構。如圖11所示，是在本發明的器件內部的電勢分布圖。其中S為等電勢線。從圖中可以看出，由於本發明採用了創新的終端保護結構，其側邊的電勢不再和底部電勢相同，而是越接近表面，電勢越低。這表明本發明成功地實現了側邊和底部的電學隔離，而無需像現有的終端保護結構那樣需要一個很寬的橫向距離。綜上所述，本發明的半導體功率器件，利用了絕緣層的電隔離作用，即通過引入填充絕緣物質的溝槽結構，使得器件的側邊和底部被電學隔離開，從而在滿足器件耐壓要求的同時，減少了晶片終端耐 壓區的面積。
權利要求
1.ー種具有終端保護結構的半導體功率器件，包括有源區以及環繞該有源區設置的終端保護區，該終端保護區具有劃片邊緣，該有源區包括第一類導電類型的襯底層、形成於該襯底層上的第一類導電類型的外延層以及形成於該外延層上的第二類導電類型的阱層，該外延層上方覆蓋有氧化層和金屬層，該氧化層和金屬層延伸到該終端保護區內，其特徵在於， 所述終端保護區包括一個填充滿絕緣材料的溝槽，該溝槽在垂直方向上緊鄰該氧化層，並延伸入該外延層內，其中，該溝槽在寬度方向上包括ー個與該劃片邊緣相重疊的第一邊緣以及與該第一邊緣相対的第二邊緣。
2.根據權利要求1所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述溝槽的所述第二邊緣未與該有源區相接觸。
3.根據權利要求1所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述溝槽的所述第二邊緣緊貼該有源區。
4.根據權利要求1所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述溝槽延伸入所述外延層的深度為所述外延層的整個深度的10%到130%之間。
5.根據權利要求4所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述溝槽穿過所述外延層並延伸入所述襯底層內。
6.根據權利要求1所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述溝槽的寬度為10微米到70微米之間。
7.根據權利要求1所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述絕緣材料為ニ氧化矽或氮化矽。
8.根據權利要求1所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述半導體功率器件為垂直結構的功率管。
9.根據權利要求8所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述半導體功率器件為場效應管。
10.根據權利要求8所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述半導體功率器件為絕緣柵雙極電晶體。
11.根據權利要求8所述的具有終端保護結構的半導體功率器件，其特徵在於，所述半導體功率器件為功率ニ極管。
全文摘要
本發明公開了一種具有終端保護結構的半導體功率器件，包括有源區以及環繞該有源區設置的終端保護區，該終端保護區具有劃片邊緣，並包括一個填充滿絕緣材料的溝槽，該溝槽在垂直方向上緊鄰該氧化層，並延伸入該外延層內，其中，該溝槽在寬度方向上包括一個與該劃片邊緣相重疊的第一邊緣以及與該第一邊緣相對的第二邊緣。本發明的半導體功率器件，極大地縮短了功率器件終端保護區的長度，並提高了功率器件的耐壓能力。
文檔編號H01L29/06GK103066105SQ201210586270
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者林敏之, 陳偉 申請人:上海貝嶺股份有限公司