具有稳定的耐压结构的边缘电池的半导体器件的制作方法

本发明涉及一种功率半导体器件，更具体地说，涉及在耐受1,700V高压的半导体器件中的具有稳定的耐压结构的边缘电池技术。

背景技术：

功率半导体器件用于转换或控制功率。

大多数功率半导体器件比一般的半导体器件耐受更高的电压且具有更高的电流和更高的频率。通常，被包括在功率器件中且用于功率半导体的功率半导体器件有整流二极管、功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、晶闸管(thyristor)、栅极可关断(GTO)晶闸管和双向可控硅(triac)。

在功率半导体器件的众多特性中，重要的是维持高击穿电压。

当功率半导体器件中的漂移(drift)区域的浓度下降时，击穿电压会增加，但在导通操作中电流流经的路径的导通电阻特性会劣化，因而应当通过考虑这些特性而对击穿电压进行优化。

此外，在功率半导体器件的操作期间，电场由于结曲率效应(junction curvature effect)而集中在功率半导体器件的边缘部分。所述结曲率效应导致功率半导体器件中的击穿电压下降。

为了解决上述问题，已经有研究通过扩展功率半导体器件边缘部分的耗尽区域的边界以分散曲率结处的电场并减缓电场的集中性来改善击穿电压特性。

在减缓电场集中性的方法中，通常将诸如场限环之类的电场减缓结构用于金属区域的表面上作为终端。

所述场限环具有分散在其中的高浓度杂质，并且能够在反向偏压时减缓基板表面上产生的高电压电场以减小反向漏电流并试图获得稳定的耐受电压。

此外，在另一方法中，在半导体基板上形成绝缘膜，并形成多个浮置的场板，以使电场均匀分布在基板表面上。

当功率半导体器件的工作电压逐渐变高时，用于扩展活性电池的纵向边界的电场减缓结构的物理尺寸在工作电压较高时也会增加，这可能导致半导体芯片的尺寸增加。

在用于高电压的功率半导体器件中，需要将边缘电池结构化为不仅使器件的尺寸最小化并稳定耐受电压，而且有效地减缓电场集中性。

本发明的背景技术公开于韩国公开专利第2013-0040516号。

在先技术文献

专利文献

(专利文献1)韩国公开专利第2013-0040516号(具有场板结构的功率半导体器件)。

技术实现要素：

技术问题

本发明提供一种能够优化芯片尺寸并减缓电场集中性的具有稳定的边缘电池结构的耐高压功率半导体器件。

本发明的目的并不限定于以上提及的目的，通过以下描述可清楚地理解本发明的其他目的。

技术方案

根据本发明的一方面，在包括活性电池和邻近于所述活性电池形成的用于稳定减缓电场的边缘电池的功率半导体器件中，所述活性电池包括：形成于第二电极的上侧上的N⁺基板；形成于所述N⁺基板的上侧上的N^-漂移层；形成于所述N^-漂移层的上部的P基区；和形成于所述P基区的上侧上的用来接收信号的第一电极，所述边缘电池包括：场板，所述场板作为导体从所述第一电极延伸；缓冲环，所述缓冲环通过在从所述活性电池延伸的所述N^-漂移层上方注入第一杂质离子而形成于所述场板下方；多个场环，所述多个场环通过在所述N^-漂移层上方注入第一杂质离子而形成为具有距所述缓冲环的预定水平间隙和宽度；和场效氧化膜，所述场效氧化膜形成于所述场板和所述缓冲环之间并且形成为覆盖所述多个场环。

所述第一杂质离子可以是P型杂质离子。

所述缓冲环的宽度可大于所述场环的宽度。

所述功率半导体器件可以是1,700V电平的功率半导体器件，并且所述场环的宽度可为3μm，且所述场环之间的间隙可为1.3μm，且所述场环的数量可为34。

所述场板的水平长度和所述缓冲环的宽度可为5μm。

此外，所述缓冲环和所述场环可形成为具有1E18cm^-3的浓度。

所述N^-漂移层可形成为具有3E15cm^-3的浓度，且所述边缘电池可形成为具有160μm的水平节距。

有益效果

利用根据本发明的实施方式的耐高压功率半导体器件，使得电场不集中在终端的边缘处，而是均匀地减缓到边缘电池的端部，并且所述功率半导体器件具有稳定的耐受电压和击穿电压以及最小边缘电池节距。

附图说明

图1图解根据本发明的实施方式的具有稳定的耐压结构的边缘电池的功率半导体器件的结构。

图2是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，击穿电压随场环间隙的变化的曲线图。

图3是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，电场随场环间隙的变化的曲线图。

图4是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，击穿电压随场环数量的变化的曲线图。

图5是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，电场分布特性随场环数量的变化的曲线图。

图6是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，电场分布特性随节距的变化的曲线图。

图7是图解根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件的击穿电压特性的曲线图。

参考标记说明

1：功率半导体器件

15：第一电极

16：P基区

21：场板

22：场效氧化膜

23：缓冲环

25-1…25-n：场环

32：N^-漂移层

34：第二电极

具体实施方式

由于可以存在各种本发明的变形和实施方式，因此将参照附图图解并描述特定的实施方式。

然而，这并非意在将本发明限定于特定的实施方式，而是应当理解为是包括本发明的技术思想及技术范围内涵盖的所有变形、等同物和替代物。

在本发明的整个描述中，当确定对于某些相关的常规技术的描述会脱离本发明的要点时，则将省去对其的详细描述。

在附图中，省去任何与本发明的描述无关的部分，在整个说明书中，对于类似的部分将赋予类似的参考标记。

图1图解根据本发明的实施方式的具有稳定的耐压结构的边缘电池的功率半导体器件的结构。

参照图1，具有稳定的耐压结构的功率半导体器件1由活性电池区域和边缘电池区域组成，所述活性电池区域包括形成于第二电极34的上侧上的N⁺基板33；形成于N⁺基板33的上侧上的N^-漂移层32；形成于N^-漂移层32的上部的P基区16；和形成于P基区16的上侧上的用来接收信号的第一电极15，所述边缘电池区域用于在所述活性电池区域的终端处稳定减缓电场。

第一电极15可以是阳极，且第二电极34可以是阴极。

根据本发明的实施方式的具有稳定的耐压结构的边缘电池包括：场板21，所述场板21是从所述功率半导体器件的第一电极15延伸的导体；缓冲环23，所述缓冲环23通过在从所述活性电池延伸出的N^-漂移层32上方注入第一杂质离子而形成于所述场板21下方；多个场环25-1,…,25-n，所述多个场环25-1,…,25-n通过在所述N^-漂移层32上方注入第一杂质离子而形成为具有距所述缓冲环23的预定水平间隙和宽度；和边缘电池场效氧化膜22，所述边缘电池场效氧化膜22形成于场板21和缓冲环23之间并且形成为覆盖所述多个场环25-1,…,25-n。

根据本发明的实施方式，所述第一杂质离子可以是P型杂质离子。

通常，阳极15的表面由于结曲率效应而具有高电场强度。

参照图1，通过从阳极15延伸出的导体，即场板21，电场的强度在阳极15的表面减缓，并且在场板21的终端产生高电场。

也就是说，耗尽层扩展到场板21的终端以减缓阳极15表面的电场浓度并在场板21的终端形成高电场。

根据本发明的实施方式，在场板21的终端形成的高电场可通过分散至由缓冲环23和多个场环25-1,…,25-n的电容感应的感应电压而释放。

在高电压电平的功率半导体器件中，由第一场环形成的电压最高，因而第一场环的宽度和间隙是重要的变量。

本发明的实施方式进一步包括缓冲环23，所述缓冲环23配置用于首先在阳极15的表面上感应电场，随后将电场分散至场环25-1,…,25-n。

根据本发明的实施方式的缓冲环23执行以下功能：将在场环25-1,…,25-n处减小的初始电场感应朝向缓冲环23。

根据本发明的实施方式的缓冲环23具有比场环25-1,…,25-n每一个的宽度大的宽度，以便有效地感应场板21处形成的电场。

在优选的实施方式中，场板21和缓冲环23可各自形成为具有5μm的宽度。

在根据本发明的实施方式的边缘电池中，场环25-1,…,25-n的宽度(b)和间隙(a)以狭窄的方式形成，使得场环紧密形成于给定的边缘区域中。

根据本发明的实施方式的场环25-1,…,25-n具有电场减缓效应，其中由于表面电荷效应，允许邻近于活性电池区域的场环25将电压传输至外部场环25-2，从而使电场接连被分散和减缓。

根据本发明的实施方式的场环25-1,…,25-n具有由多级p-n结组成的耗尽层。

随着边缘电池将电场扩展至其中依次设置有耗尽层的浮置结，集中在活性电池区域中的高电场被场环25-1,…,25-n的结构分散和减缓。

在优化的模型中，电场可不集中在任一个场环，而是以相同的减缓模式均匀地减缓直到最后的场环。

为了具备该优化的模型，将缓冲环23的宽度、场环的宽度(b)和间隙(a)以及场环的数量作为重要的变量。

本发明的实施方式开发了耐受1,700V的高压的功率半导体器件，其中电场不集中在任一个场环，而是以相同的模式均匀地减缓直到最后的场环，并且边缘电池具有最小尺寸。

根据本发明的优选实施方式的1,700V电平的功率半导体器件形成于具有浓度为3E15cm^-3的杂质的N^-漂移层32上。

所述边缘电池包括：场板21，所述场板21是从阳极(即，第一电极15)延伸出的导体；缓冲环23，所述缓冲环23通过在从所述活性电池区域延伸出的N^-漂移层32上方注入P型杂质离子而形成于场板21下方；多个场环25-1,…,25-n，所述多个场环25-1,…,25-n通过在所述N^-漂移层32上方注入P型杂质离子而形成为具有距所述缓冲环23的预定水平间隙和宽度；和边缘电池场效氧化膜22，所述边缘电池场效氧化膜22形成于场板21和缓冲环23之间并且形成为覆盖所述多个场环25-1,…,25-n。

参照图1，根据本发明的实施方式的场板21沿导体从阳极水平地延伸至形成有缓冲环23的区域的上部。

此外，在根据本发明的优选实施方式的1,700V功率半导体器件中，场板21形成为具有5μm的水平长度，缓冲环23形成为具有5μm的宽度。

此外，形成总共34个场环，且场环25-1,…,25-n以3μm的相等宽度和1.3μm的相等间隙分布。

此外，缓冲环23和场环25-1,…,25-n各自形成为具有1E18cm^-3的浓度。

N⁺基板33形成于N^-漂移层32下方，且作为第二电极的阴极端子层34形成于N⁺基板33下方。

图2是是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，击穿电压随场环间隙的变化的曲线图。

参照图2，当场环的间隙为1.0μm时，击穿电压为1,745V；当场环的间隙为1.1μm时，击穿电压为2,034V；当场环的间隙为1.2μm时，击穿电压为1,984V；当场环的间隙为1.3μm时，击穿电压为1,939V；当场环的间隙为1.4μm时，击穿电压为1,839V。

在1,700V电平的功率半导体器件的情形中，考虑到当所述功率半导体器件被用作开关器件时施加电压的空间，优选具有1,900V或更大的击穿电压。

根据基于场环间隙的击穿电压的测试结果，可以评估当场环的间隙在1.1μm和1.3μm之间时，击穿电压恰为1,900V或更大。

图3是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，电场随场环间隙的变化的曲线图。

参照图3，可以评估当场环的间隙为1.1μm和1.2μm时，在最后的环处可见强电场。

并不希望最后的场环具有强电场，因为当施加反向偏压时器件可能会被损坏。

此外，参照图3，可以评估当场环的间隙为1.3μm和1.4μm时，电场直到最后的场环都相对不集中且稳定地分散。

综合参照图2和图3，可以评估当场环的间隙为1.3μm时，电场均匀地分布直到最后的场环且击穿电压较高。

图4是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，击穿电压随场环数量的变化的曲线图。

参照图4，当存在22个场环时，击穿电压为1,939V；当存在27个场环时，击穿电压为1,939V；当存在34个场环时，击穿电压为1,940V；且当存在37个场环时，击穿电压为1,941V。

也就是说，以上表明当场环数量超过22时，击穿电压受场环数量的影响很小。

图5是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，电场分布特性随场环数量的变化的曲线图。

图5示出当场环的数量分别为22、27、34和37时的电场分布。

参照图5，可以评估随着场环的数量减小，最后的环处的电场逐渐减小。

此外，当存在22个场环(参考标记201)和27个场环(参考标记202)时是不合适的，因为最后的场环具有高电场。

同时，观察到当存在多于35个场环(参考标记204)时，不再受电场的影响。因此，就芯片尺寸或制造工艺而言，形成多于35个场环是不经济的。

参照当存在34个场环(参考标记203)时的电场分布，观察到电场分布从第一节距至最后一节距是相对均匀的。

因此，综合起来可以确定，当存在34个场环且场环之间的间隙为1.3μm时，可以获得最佳特性，即具有最小节距间隙和均匀的电场分布。

图6和图7是图解在根据本发明的实施方式的具有边缘电池结构的1,700V电平的功率半导体器件中，电场分布特性随节距和击穿电压特性的变化的曲线图。

参照图6，在本发明的优选实施方式中，存在34个场环且场环之间的间隙为1.3μm。

在本发明的优选实施方式中，可以观察到电场分布从第一节距至最后一节距是均匀的，并且电场在最后的环处稳定地减缓。

此外，在本发明的优选实施方式中，观察到稳定的1,940V的击穿电压。

因此，在本发明的优选实施方式中，当存在34个场环时，获得最佳电场减缓特性，并且提供了最小边缘节距，从而可以使整体芯片尺寸最小化。

根据本发明的实施方式，边缘电池具有紧凑的160μm的水平整体节距。

根据本发明的实施方式，可以提供一种功率半导体器件，其中电场不集中在终端而是均匀地减缓至边缘电池的终端，且该功率半导体器件具有最小的边缘电池节距，同时耐受高压且具有稳定的击穿电压。