具有高温电绝缘的功率半导体器件的制作方法

1.本说明书大体涉及高温半导体电子学，并且更具体地，涉及高温半导体电子学的器件级绝缘。


背景技术：

2.宽带隙半导体有利地拥有以比常规硅基器件更小的晶片面积在更高的电压和温度下处理电力的能力。为了最大化这种宽带隙器件的效率，晶圆级的器件尺寸被最小化，以通过控制关键器件参数(例如器件级电阻)来降低制造成本并提高功率效率。
3.这种最小化需要这种宽带隙半导体器件的绝缘，因为在高电压下操作时存在电压击穿的可能性。当前系统通常包括封装宽带隙半导体器件的块(bulk)绝缘物，使得绝缘物覆盖器件的高电压和低电压区域。这种绝缘方法有几个缺陷。例如，一些块绝缘材料(例如有机材料，诸如基于聚酰亚胺的绝缘物)无法在高于200℃的温度下持续操作，因为这些材料可能会升华、燃烧、分层或形成空隙，从而降低电性能。将器件完全封装在块绝缘物中也有缺点，因为绝缘物和器件的其他部件(例如，封装基板)的热膨胀系数可能显著不同，从而导致热循环期间的显著应力和最终的绝缘物开裂，从而降低性能。
4.因此，需要用于绝缘宽带隙半导体器件的替代方案，尤其是用于在200℃或更高的温度下操作此类器件。


技术实现要素：

5.本文公开的各种实施例通过在半导体器件的表面上局部地提供无机介电绝缘层作为器件的单独元件来满足这些需要。这种无机介电绝缘层覆盖与半导体的表面相邻的高电压区以防止电压击穿，同时在高温使用中提供耐久性。下面将更详细地描述附加特征和优点。
6.根据本文公开的实施例，一种器件，包括：高温半导体器件，高温半导体器件包括第一表面，其中，高温半导体器件包括有源区域和与有源区域相邻设置的端接区域；无机介电绝缘层，无机介电绝缘层设置在第一表面上，其中，无机介电绝缘层填充在整个端接区域上延伸的体积，并且包括大于或等于25μm且小于或等于500μm的厚度；以及电连接器，电连接器将高温半导体器件的有源区域连接到器件的附加部件。
7.根据本文的附加实施例，一种器件，包括：高温半导体器件，高温半导体器件包括第一表面；高电压区，高电压区邻近第一表面设置；低电压区，低电压区邻近第一表面设置并且偏离高电压区；以及无机介电绝缘层，无机介电绝缘层设置在第一表面上、在高电压区中，其中，第一表面在垂直于第一表面的表面法线的方向上具有宽度，其中，无机介电绝缘层包括在第一表面的周向边缘上延伸的部分，其中，该部分小于或等于第一表面的宽度的四分之一。
8.根据本文公开的附加实施例，一种方法，包括：在预先形成的高温半导体器件上沉积无机介电绝缘层，其中：高温半导体器件包括第一表面；高温半导体器件包括有源区域和
邻近有源区域设置的端接区域；无机介电绝缘层沉积在第一表面上，使得无机介电绝缘层与端接区域重叠；并且无机介电绝缘层包括大于或等于10kv/mm且小于或等于35kv/mm的介电强度。
9.本文描述的处理和系统的附加特征和优点将在以下详细描述中阐述，根据该描述，这些附加特征和优点将部分地对于本领域技术人员显而易见或通过实践本文所描述的实施例而认识到，描述包括以下详细说明、权利要求以及附图。
10.应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都描述了各种实施例并且旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的概述或框架。附图被包括以提供对各种实施例的进一步理解，并且被并入并构成本说明书的一部分。附图图示了本文描述的各种实施例，并且与描述一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
11.附图中阐述的实施例本质上是说明性和示例性的，并不旨在限制由权利要求限定的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解示例性实施例的以下详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中：
12.图1示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的包括无机介电绝缘层的功率器件；
13.图2示意性地描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的包括无机介电绝缘层的功率器件；
14.图3描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的高温半导体器件的立体图；
15.图4描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的包括无机介电绝缘层的高温半导体器件的立体图；
16.图5描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的包括无机介电绝缘窗和结合层的高温半导体器件的立体图；
17.图6描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的图5中所示的高温器件半导体器件的横截面视图；并且
18.图7描绘了根据本文描述的一个或多个实施例的形成绝缘高温半导体器件的方法。
具体实施方式
19.现在将详细参考用于高温半导体器件的无机介电绝缘物的实施例。高温半导体器件可以经由晶圆处理技术形成在宽带隙半导体衬底上并且包括第一表面。高温半导体器件可以包括有源区和端接区。高温半导体器件的操作可能导致在靠近端接区设置的高电压区中生成相对高的电场。无机介电绝缘材料局部设置在第一表面上，以便延伸通过高电压区以防止高温半导体器件的电压击穿。本文将具体参考附图描述半导体器件及其形成方法的各种实施例。
20.如本文所用，术语“大约”是指数量、大小、配方、参数以及其他量和特性不是也不必是精确的，但根据需要可以是近似的和/或更大或更小，反映容差、转换因数、四舍五入、测量误差等以及本领域技术人员已知的其他因素。当术语“大约”用于描述值或范围的端点
时，所指的特定值或端点包括在内。无论说明书中的数值或范围的端点是否叙述“大约”，都描述了两种实施例：一种被“大约”修饰，一种不被“大约”修饰。将进一步理解，每个范围的端点相对于另一个端点而言是重要的，并且独立于另一个端点。
21.如本文所用的方向术语，例如上、下、右、左、前、后、顶部、底部仅参考附图而做出，并不旨在暗示绝对取向。
22.除非另有明确说明，否则本文中阐述的任何方法绝不旨在被解释为要求其步骤以特定顺序进行，也绝不旨在要求任何设备特定取向。因此，在任何方面中，在方法权利要求实际上没有叙述其步骤所遵循的顺序，或者任何设备权利要求实际上没有叙述单个部件的顺序或取向，或者在权利要求或描述中没有另外具体说明步骤限于特定顺序，或者未叙述设备部件的特定顺序或取向的情况下，决不是要推断顺序或取向。这适用于任何可能的非明确解释基础，包括：关于步骤布置、操作流程、部件顺序或部件取向的逻辑问题；源自语法组织或标点符号的简单含义；以及说明书中描述的实施例的数量或类型。
23.如本文所用，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数指代。因此，例如，除非上下文另有明确规定，否则对“一”部件的引用包括具有两个或更多个此类部件的方面。
24.本文描述的方法和器件涉及在形成高温半导体器件之后将无机介电绝缘材料局部地施加到高温半导体器件的第一表面。如本文所用，术语“局部”通常是指无机介电绝缘材料到从第一表面移除的其他部件(例如，焊线(wire bond)、外部封装等)的延伸通常被最小化。无机介电绝缘材料的这种局部应用通过最小化热不相容材料之间的重叠(例如，外部封装和无机介电绝缘材料可具有显著不同的热膨胀系数，在热循环时引起裂纹)有利地增强高温半导体器件的温度能力。
25.无机介电绝缘材料可包括能够重复热循环至高于200℃的温度的材料。例如，在各种实施例中，该组分是水泥(例如铝酸钙水泥、磷酸盐水泥)、陶瓷(例如磷酸铝陶瓷)、玻璃或在高达500℃或更高的温度下不会燃烧或升华的复合物。因此，本文描述的器件和方法有助于高温半导体器件在高达500℃的温度下长期操作，并具有1000v或更高的操作电压。这些改进将高功率半导体器件的能力扩展到更极端的环境，例如在如此高温下的电致动和功率转换。对本文描述的半导体器件的改进的应用包括井下钻探、飞行器发动机中的核心安装致动以及用于石油和天然气的电潜泵。此外，本文描述的改进的半导体器件也通常适用于具有用于热管理系统或用于被动冷却系统的最小空间的系统。例如，本文描述的改进的半导体器件可用于具有相对高温冷却系统或更宽的冷却系统操作温度容限(例如，具有250℃或300℃的浪涌温度)的电动和混合电动运载器。
26.如本文所用，作为非限制性示例，术语“半导体器件”是指执行特定功能的半导体部件、器件、晶片或芯片，例如功率晶体管、功率二极管、模拟放大器或rf元件。典型的半导体器件包括输入/输出(i/o)互连，在本文中称为触点或触点焊盘，其用于将半导体器件连接到外部电路并且电联接到半导体器件内的内部元件。例如，本文描述的半导体器件可以是用作功率电子电路(诸如开关模式电源)中的电可控开关或整流器的功率半导体器件，。功率半导体器件的非限制性示例包括绝缘雪崩光电二极管(apd)、栅极双极晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、高电子迁移率晶体管hemt、场效应晶体管(fet)、pin二极管、肖特基二极管、双极结型晶体管(bjt)、集成栅极换向晶闸管(igct)、
tvs、齐纳二极管、栅极关断(gto)晶闸管、可控硅整流器(scr)、二极管或其他器件或器件的组合。作为非限制性示例，半导体器件也可以是数字逻辑器件，例如微处理器、微控制器、存储器器件、视频处理器或专用集成电路(asic)。本文描述的半导体器件还可以包括各种掺杂构造，例如n型或p型掺杂。此外，半导体器件可以具有任何层结构(例如，竖直层、横向层等)。
27.如本文所用，“半导体衬底”是指在其上形成本文所述的半导体的衬底。“半导体衬底”的示例包括由硅、绝缘体上硅(soi)、金刚石、碳化硅(sic)、氮化镓(gan)、氮化铝镓(algan)、氧化镓(gao)、氮化硼(bn)、氮化铝(aln)、二氧化硅(sio2)和砷化镓(gaas)形成的衬底。本文的一些实施例包括带隙大于硅的宽带隙半导体衬底。
28.如本文所用，短语“高温”是指半导体器件的升高的操作温度。在各种实施例中，这种升高的操作温度可以是200℃或更高、小于或等于500℃、小于或等于800℃、或甚至小于或等于1000℃。应当理解，这种升高的操作温度可能由半导体器件的环境中的温度波动引起，因而操作温度可能不会始终如此升高。
29.参考图1，示出了根据本文的一个或多个实施例的功率器件100的示意图。功率器件100包括高温半导体器件102，该高温半导体器件102包括第一表面104。高温半导体器件102可以包括形成在半导体衬底132上的器件层134。在一些实施例中，半导体衬底132包括宽带隙半导体衬底。取决于实施方式，高温半导体器件102可以采用多种形式。例如，在一些实施例中，高温半导体器件102包括金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。此外，应当理解，为了本文讨论的目的，已经省略了器件层134的许多元件。例如，在一些实施例中，器件层134可以包括具有第一导电类型(例如，n型)的漂移区和设置在第一表面104附近的具有第二导电类型(例如，p型)的阱区。在第一表面104附近，器件层134可以包括具有第一导电类型的源极区，从而在第一表面104附近建立p
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n结。如本文所述，高温半导体器件102的第一表面104包括器件层134的边界表面，以及在高温半导体器件102的晶圆制造期间设置在器件层134上的高温半导体器件102的任何附加部件。
30.高温半导体器件102大体被示为包括靠近第一表面104的高电压区118和低电压区120。高温半导体器件102的操作电压方面的限制因素是击穿电压。击穿电压限制了器件层134中的p
‑
n结所能承受的最大电压。当高温半导体器件102在某些条件(例如，反向偏置)下操作时，高电压区118内通常可能存在过高的电场。在实施例中，高电压区118是具有大于或等于1000v电压的偶极。每个高电压区118(例如，在p
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n结不连续性(discontinuity)附近紧靠第一表面104的每个区)可以具有大于或等于50μm且小于或等于300μm的长度。通常，高电压区118与器件层134内的端接区108重合。例如，端接区108可以包括器件层134内的p
‑
n结的不连续性。高温半导体器件102可以包括各种特征以减少在端接区108内引起电压击穿的高浓度电场。例如，在一些实施例中，端接区108可以包括结端接延伸(jte)区。低电压区120通常偏离这样的结端接部(termination)并且通常可以与高温半导体器件102的有源区106重叠。
31.高温半导体器件102包括设置在器件层134的第一部分上的源极触点116(例如，邻近器件层134的包括阱区和与阱区相邻设置的体区的一部分)和设置在器件层134的第二部分上的栅极触点114。漏极触点112可以设置在半导体衬底132的与器件层134相对的一侧上。在高温半导体器件102的操作期间，可以经由栅极触点114施加电压以在器件层134中产
生反型层，并导致在器件层134的靠近源极触点116的有源区106中形成传导路径。这种传导路径可以允许电流在源极触点116和漏极触点112之间流动。应当理解，栅极触点114和源极触点116的位置仅是示例性的并且完全取决于高温半导体器件102的实施方式。应当理解，图1示出了漏极触点112、栅极触点114和源极触点116的示例构造或布局，并且在其他实施例中，漏极触点112、栅极触点114和源极触点116的位置、尺寸和形状可以变化。例如，在一些实施例中，源极触点116和栅极触点114可以至少部分地彼此重叠，并且可以通过设置在源极触点116和栅极触点114之间的一个或多个介电层彼此电隔离。替代地或附加地，在一些实施例中，源极触点116和栅极触点114可以延伸通过形成在器件层134的绝缘层中的开口。
32.在所示的示例中，功率器件100包括具有晶片焊盘126以及引线122和124的引线框128。应当理解，虽然功率器件100被示为仅包括单个高温半导体器件102，但是取决于实施方式可以包括任意数量的半导体器件(例如，两个或更多个半导体器件)。漏极触点112被示为设置在晶片焊盘126上(例如，经由导电粘合剂)，但是在其他实施例中，功率器件100可以包括单独的漏极引线并且漏极触点112可以经由导线连接连接到其上。栅极和源极导线136和138被示为分别在栅极触点114和引线122以及源极触点116和引线124之间延伸。栅极和源极导线136和138可以通过例如球焊、楔形焊、顺应焊或任何其他方法联接到栅极和源极触点114和116。
33.在各种实施例中，引线框128可以设置在外部封装(未示出)中。通常，这种外部封装可以联接到电源和负载，并且功率器件100可以取决于实施方式用于执行各种电子功能。例如，在一个实施例中，功率器件100可以是被构造为从电源接收功率并将转换后的功率提供给负载的功率转换器。应当理解，功率器件100可以取决于实施方式执行各种功能并且所示的功率器件100仅是示例性的。
34.高温半导体器件102的尺寸通常可以在制造期间最小化。例如，在一些实施例中，高温半导体器件102被制造为具有5mm或更小的宽度140。通过控制关键器件参数，这种最小化有益地降低了制造成本并提高了功率转换效率。例如，最小化高温半导体器件102的尺寸通常可以通过最小化器件级电阻(例如，在高温半导体器件102是mosfet的实施例中，漏极到源极导通状态电阻可以最小化)来提高功率转换效率。然而，这种最小化可能使高温半导体器件102更容易受到高电压区118中的表面电压击穿的影响，因为与半导体器件102更大的实施例相比，器件层134内的结端接部通常更靠近在一起。
35.高温半导体器件102的电压击穿的可能性产生了对高电压区118内和/或周围的绝缘材料的需要。现有的功率器件可以通过在封装级别将高温半导体器件102封装在块绝缘材料中来满足这种需要。例如，在传统器件中，作为将引线框128封装在器件封装内的一部分，块绝缘材料可以应用于整个引线框，使得绝缘材料基本上包围高温半导体器件102、引线框128、引线122和124以及晶片焊盘126的整体。这种绝缘技术有几个缺陷。在200℃或更高的温度下操作功率器件100时尤其如此。在第一方面，典型的块绝缘材料可以包括有机绝缘材料(例如，基于聚酰亚胺的绝缘体、环氧模塑料、硅凝胶电介质)，当暴露于这样的温度时，这些有机绝缘材料可能升华、燃烧、分层或形成空隙，从而导致电性能下降。在另一方面，将高温半导体器件102封装在绝缘材料中具有其他热缺陷。例如，功率器件100的绝缘和各种部件(例如，晶片焊盘126或引线框128)之间的热膨胀系数的失配可能在热循环时引起
材料应力，导致绝缘材料开裂和电性能的进一步退化。
36.考虑到前述内容，本文描述的功率器件100包括局部设置在高温半导体器件102的第一表面104上的无机介电绝缘层130。在各种实施例中，在经由晶圆处理技术形成高温半导体器件102之后，无机介电绝缘层130设置在第一表面104上。换言之，无机介电绝缘层130是设置在第一表面104上的单独形成的部件。介电绝缘层130的这种单独形成有利于介电绝缘层130适应高温半导体器件102(例如，在几何形状、厚度等方面)，使得提供足够的绝缘同时最小化热不相容材料之间的重叠。通常，结合到现有温度半导体器件中的绝缘层涉及在高温下发生的晶圆应用处理(例如，化学气相沉积、旋涂)，这些处理不能支持超出一定量的厚度而不在绝缘层中产生高应力。本公开利用诸如增材制造技术的与晶圆施加技术分离的技术来施加无机介电绝缘层130(例如，施加处理不在与晶圆施加处理相关联的高温下发生)，以提供足够的厚度同时仍然避免无机介电绝缘层130中的大残余应力。
37.如图1所示，无机介电绝缘层130通常具有相对于第一表面104的厚度144。虽然无机介电绝缘层130可包括延伸超出第一表面104的外周缘146的部分139，但一般而言，无机介电绝缘层130在第一表面104的表面法线的方向上延伸到高电压区118中的量与厚度144一致。在所示示例中，表面法线在z方向上，而第一表面104在x方向和y方向上延伸。在各种实施例中，厚度144大于或等于25μm且小于或等于500μm。在另一实施例中，厚度144大于或等于50μm且小于或等于200μm。在另一实施例中，厚度144大于或等于150μm且小于或等于200μm。此厚度有利地确保无机介电绝缘层130具有足够的柔韧性以在操作期间承受应力。在实施例中，无机介电绝缘层130能够弯曲的量大于或等于高温半导体器件102的宽度140的约5％且小于或等于宽度140的约10％(例如，如果高温半导体器件102是5mm见方的芯片，则无机介电绝缘层130可以弯曲的量大于或等于25μm且小于或等于50μm)。
38.如本文所述，短语“局部应用”通常是指无机介电绝缘层130超出第一表面104的外周缘146的延伸的最小化。在所示示例中，无机介电绝缘层130包括延伸超出外周缘146的部分139。部分139延伸超出外周缘146一段距离142。在实施例中，距离142小于或等于第一表面104的宽度140的四分之一。虽然仅示出一个部分139，但应当理解，无机介电绝缘层130的各种其他位置可以包括也延伸超出第一表面104的外周缘146的其他部分。应当理解，在实施例中，这样的其他部分在它们延伸超出外周缘146的程度方面也通常限于宽度140的四分之一。无机介电绝缘层130的这种局限(localization)是有益的，因为它限制了与无机介电绝缘层130接触的不同材料(例如，具有不同热特性的材料)的数量。例如，在一些实施例中，无机介电绝缘层130可以不接触晶片焊盘126、引线122和124、和/或引线框128。在一些实施例中，高温半导体器件102和无机介电绝缘层130由具有相似热膨胀系数(例如，高温半导体器件102和无机介电绝缘层130之间的cte失配可能小于或等于10ppm/℃且大于或等于2ppm/℃)的热兼容材料构成。这种局部应用使无机介电绝缘层130上的由热循环引起的热应力最小化并防止开裂和降低电性能。在实施例中，无机介电封装材料(未描绘)设置在高温半导体器件102上。例如，无机介电封装材料可以覆盖功率器件100中的其他连接(例如，与引线122和124)，以促进此类其他连接的长期可靠性。在实施例中，无机介电封装材料由与无机介电绝缘层130不同的材料构成。例如，无机介电封装材料可以具有与功率器件的附加部件(例如，引线框128)的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数，但是可以具有更小的介电强度并且在本文所述的高电压区之外。
39.取决于实施方式，无机介电绝缘层130可以采用各种形式。例如，在所示的实施例中，无机介电绝缘层130包括施加到第一表面104的无机涂层、基于浆料的材料或另一基于液体的材料。在这样的实施例中，无机介电绝缘层130可以包括高温粘合剂(例如，磷酸铝基粘合剂)或陶瓷浆料。在这样的实施例中，其中无机介电绝缘层130包括基于液体、浆料和/或涂层的材料，无机介电绝缘层130包括alpo4、cao
‑
al2o3、mgo
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p2o5、sio2中的至少一种或其任意组合。
40.将无机介电绝缘层130沉积到第一表面104上可以包括沉积步骤，然后是固化步骤。例如，关于沉积步骤，无机介电绝缘层130可以通过任何施加技术施加到第一表面104，尽管可以使用诸如分配、增材制造和电泳沉积的处理。在沉积基于浆料的层之后，固化处理可以包括干燥和/或加热步骤以从浆料中去除液体组分，然后是高温烧结步骤。例如，在实施例中，干燥步骤可以包括气泡去除步骤，该气泡去除步骤涉及在预定时间段内对无机介电绝缘层130施加真空。在去除气泡之后，可以将无机介电绝缘层130干燥一段时间(例如，大于或等于1小时或小于或等于24小时)。在干燥之后，可以固化无机介电绝缘层130。固化步骤可涉及逐步热处理至最终温度。例如，在实施例中，无机介电绝缘层130可以首先被加热到第一温度(例如，100℃)，在第一温度下保持第一时间段(例如，大于或等于2小时且小于或等于4小时)，然后可以加热到第二温度(例如300℃)，在第二温度下保持第二时间段(例如，大于或等于2小时且小于或等于4小时)，并且然后可加热至最终温度(例如，500℃)，并且在最终温度下保持第三时间段(例如，大于或等于2小时且小于或等于4小时)。在实施例中，最终温度可以对应于高温半导体器件102的期望使用温度上限。
41.除了基于涂层或浆料的材料之外，无机介电绝缘层130还可以包括固体绝缘层(未示出)，以提供与单独的基于涂层或浆料的材料相比更高且更均匀的介电强度。例如，与施加到第一表面104的基于涂层或其他液体的材料相比，固体绝缘层可具有更少的孔隙率或气隙。这种固体绝缘层可以设置在基于涂层或浆料的无机介电绝缘层130上。换言之，无机介电绝缘层130可以构成用于将固体绝缘层结合到第一表面104的结合层。固体绝缘层可以包括基于玻璃的介电材料、陶瓷或复合材料。在实施例中，无机介电绝缘层130包括多个无机介电绝缘层。在实施例中，多个无机介电绝缘层中的至少两个由不同的材料构成或具有不同的材料特性。例如，直接设置在高温半导体器件102上的无机介电绝缘层130的第一层可以具有与高温半导体器件102最接近地匹配的热系数。在该示例中，设置在第一层上的无机介电绝缘层130的附加层可以具有与高温半导体器件匹配的热膨胀系数，其匹配程度低于第一层(例如，无机介电绝缘层130内的多个层可以具有介电特性的梯度)。在实施例中，无机介电绝缘层130的多个层可以由相同的材料形成。这种多层结构可以减少无机介电绝缘层130中气泡的形成。在实施例中，无机介电绝缘层130的多层构造是由于无机介电绝缘层130经由增材制造处理(例如，打印头的多次通过)的施加。
42.无机介电绝缘层130通常能够承受在大于或等于200℃(例如，大于或等于200℃、大于或等于250℃、大于或等于300℃、大于或等于350℃、大于或等于400℃、大于或等于450℃，或甚至大于或等于500℃)的温度下持续操作。在一些实施例中，介电绝缘层130能够承受在超出高温半导体器件102的操作极限的温度(例如，小于或等于2000℃的温度)下持续操作。为了便于功率器件100的高功率使用情况，无机介电绝缘层130还可以适于阻挡1000v或更高的高电压，以防止功率器件100的电压击穿。例如，在一个实施例中，功率器件100能
够在高达2000v和500℃下持续操作。具有相对低孔隙率的无机介电绝缘层130有利于功率器件100的这种持续操作。例如，在实施例中，无机介电绝缘层130具有大于或等于70％的填充体积(例如，通过固化无机介电绝缘层130和通过材料选择来实现)。作为进一步的益处，无机介电绝缘层130通过占据高电压区118来增强功率器件100承受在更高海拔处操作的能力，使得功率器件在低压环境中更不容易被击穿。
43.虽然无机介电绝缘层130被描绘为覆盖整个第一表面104并且还包括延伸超出外周缘146的部分139，但是应当理解，替代结构是预期的。例如，在一个实施例中，无机介电绝缘层130可以不包括延伸超出外周缘146的部分139，但仍可以覆盖整个第一表面104。在其他实施例中，第一表面104的部分未被无机介电绝缘层130覆盖。无机介电绝缘层130可以仅在器件层134内对应于高电场区或结端接点的位置处需要。因此，在一些实施例中，无机介电绝缘层130仅延伸通过靠近第一表面104的高电压区118。例如，在一些实施例中，无机介电绝缘层130仅在高温半导体器件102的端接区108上延伸。这样的实施例有利地最小化每个器件使用的绝缘材料的量，从而节省了生产成本。
44.在一些实施例中，无机介电绝缘层130可以在高温半导体器件102的端接区108和有源区106的一部分上延伸。在这样的实施例中，无机介电绝缘层130可以覆盖除了其用于与设置在有源区106上的触点形成电连接(例如，在所示的示例中，为源极导线138留出空间以连接到源极触点116)的一部分之外的所有有源区106。
45.现在参考图2，示出了功率器件200的示意图。功率器件200可以类似于本文关于图1描述的功率器件100。因此，在适当的地方使用相似的附图标记来指示相似部件的结合。功率器件200包括与关于图1描述的介电绝缘层130不同的无机介电绝缘层230。无机介电绝缘层230与无机介电绝缘层130的不同之处在于，无机介电绝缘层230没有在整个第一表面104上延伸。在该实施例中，无机介电绝缘层230仅在端接区108上延伸。在实施例中，无机介电绝缘层230的各个部分可以取决于高温半导体器件102的底层(underlying)操作在第一表面104的各个区上延伸。例如，无机介电绝缘层230可以选择性地沉积在第一表面104上以仅覆盖端接区108，其中例如当高温半导体器件102置于反向偏置下时，在第一表面104上方(例如，在局部掺杂区的角附近)存在相对高的电场。因此，无机介电绝缘层230可以取决于高温半导体器件102的底层实施方式具有多种几何形状。
46.图2中所示的无机介电绝缘层230可以是在栅极和源极导线136和168电连接到栅极和源极触点114和116之后施加到第一表面104的高温粘合剂(例如，基于磷酸铝的粘合剂)或陶瓷浆料。整个无机介电绝缘层230设置在第一表面104上。换言之，在所描绘的示例中，无机介电绝缘层230不包括延伸超出第一表面104的外周缘146的部分。图2的无机介电绝缘层230与图1的无机介电绝缘层130的比较指示本文所述的局部施加的绝缘物可覆盖，同时在高温下仍提供足够的电压阻断能力的第一表面104的量的变化。
47.现在参考图3，示出了根据示例实施例的高温半导体器件300的立体图。在一些实施例中，高温半导体器件300包括基于碳化硅的mosfet器件。高温半导体器件300通常包括与本文关于图1描述的高温半导体器件102类似的特征。尽管高温半导体器件300被描绘为矩形，但是应当理解，本公开适用于具有任何三维形状的半导体器件。
48.高温半导体器件300包括第一表面302。高温半导体器件300通常包括中央有源区304和周向围绕中央有源区304的外端接区306。例如，有源区304可以包括多个掺杂区(例
如，p阱、设置在p阱中的n+区以及p+体，均设置在n
‑
漂移层中)，该多个掺杂区适于在将阈值电压施加到(例如，栅极电极)高温半导体器件300时形成导电区域。端接区306通常包括高温半导体器件300内的p
‑
n结终止(terminate)的区域和包含其他掺杂区不连续性的区域。当高温半导体器件300受到偏压时，端接区306中通常存在高电场。有源区304通常没有导致生成这种高电场的这种不连续性。出于阐明本文讨论的目的，省略了高温半导体器件300的结构的各种细节。例如，在一些实施例中，第一表面302包括在端接区306上延伸的栅极电极。这种栅极电极可以设置在层间电介质和/或设置在器件层上的栅极氧化物上。
49.如本文所述，在端接区306内生成这种高电场会产生器件击穿的可能性，这产生了将电绝缘应用于高温半导体器件302的需要。这种电绝缘在高温电器件小于特定尺寸(例如，5毫米x5毫米)的情况下特别有益，这意味着结端接部特别地靠近在一起。
50.现在参考图4，示出了根据一个实施例的具有直接设置在第一表面302上的无机介电绝缘层400的高温半导体器件300的立体图。在所示的示例中，无机介电绝缘层400覆盖整个第一表面302并且在很大程度上与第一表面302共同延伸。无机介电绝缘层400可以是水泥(例如铝酸钙水泥、磷酸盐水泥)、陶瓷(例如磷酸铝陶瓷)或复合材料。例如，在实施例中，无机介电绝缘层400包括基于液体、浆料和/或涂层的材料，无机介电绝缘层400包括alpo4、cao
‑
al2o3、mgo
‑
p2o5、sio2中的至少一个，或其任意组合。在这样的实施例中，无机介电绝缘层400可以经由本文所述的真空气泡去除、干燥和固化步骤来沉积。
51.在各种实施例中，无机介电绝缘层400具有约50μm至约200μm的厚度。无机介电绝缘层400覆盖端接区306，从而防止高温半导体器件300的电压击穿。无机介电绝缘层400被示为覆盖在第一表面302处附接到部件(例如，源极触点、栅极触点)的导线连接402和404。在无机介电绝缘层400是首先施加到第一表面302并且然后硬化的基于涂层、水泥或其他液体的材料的实施方式中，这样的导线连接402和404可以在施加涂层之前被附接到第一表面302。在这样的实施方式中，无机介电绝缘层400覆盖整个第一表面302，除了已经被与第一表面302接触的导线连接402和404的部分覆盖的区域。在某些实施方式中，高温半导体器件300可以在施加无机介电绝缘层400之前附接到附加的封装部件(例如，引线、晶片焊盘、引线框)。
52.在实施例中，无机介电绝缘层400可以不覆盖整个第一表面302。例如，在实施例中，无机介电绝缘层400可以仅覆盖端接区306。在实施例中，无机介电绝缘层400可以覆盖端接区306和仅一部分有源区304。在还有的其他实施例中，无机介电绝缘层400可以仅覆盖端接区306的一部分。例如，图3中描绘的端接区306内的某些区域可能不具有导致与第一表面302相邻的区中相对高的电场的结不连续性。在实施例中，无机介电绝缘层400可以仅覆盖紧邻包含这种不连续性的第一表面302的区域设置的高电压区。这种不连续性的放置将取决于高温半导体器件300的具体实施方式。因此，防止电压击穿所需的第一表面302的最小覆盖将取决于高温半导体器件302的掺杂构造而变化。
53.在实施例中，在无机介电绝缘层400沉积在第一表面302上之后，导线连接402和404可以连接到第一表面302。在这样的实施例中，第一表面304的包含要连接到高温半导体器件302外部的部件的元件(例如，触点)的部分不被无机介电绝缘层400覆盖。换言之，可以沉积无机介电绝缘层400以选择性地覆盖第一表面302的不需要外部连接的部分。可以以多种方式进行无机介电绝缘层400的这种图案化沉积。例如，在实施例中，无机介电绝缘层400
可以经由增材制造技术沉积在第一表面302上。
54.现在参考图5
‑
6，示出了根据实施例的具有直接设置在第一表面302上的无机介电绝缘层500的高温半导体器件300的不同视图。图5描绘了其上设置有无机介电绝缘层500的高温半导体器件302的立体图，而图6描绘了在图5中所示的线6
‑
6处的横截面视图。无机介电绝缘层500包括结合层502和固体绝缘层504。在各种实施例中，结合层502包括基于涂层、水泥或浆料的无机电介质，类似于关于图4描述的无机介电涂层400。例如，在一个实施例中，结合层502包括施加到高温半导体器件300的第一表面302的磷酸铝粘合剂。
55.在实施例中，固体绝缘层504由玻璃、陶瓷或复合材料构成。在一个实施例中，固体绝缘层504由99％的纯氧化铝构成。在实施例中，可以使用较低纯度的氧化铝(例如96％的纯氧化铝)，以促进到高温半导体器件300的粘附。通常，在实施例中，固体绝缘层504可由包括大于或等于10kv/mm且小于或等于35kv/mm的介电强度的材料构成。在实施例中，陶瓷可用于固体绝缘层504，因为它们具有相对低孔隙率和高介电强度。在一些实施例中，结合层502和固体绝缘层504的组合厚度在25μm至500μm之间，固体绝缘层504具有比结合层502更大的厚度。例如，在实施例中，结合层502可以包括大于或等于5μm且小于或等于25μm的厚度。这样，固体绝缘层504(例如，具有比结合层502更大的介电强度)可以用于大部分电压阻断。例如，在一个实施例中，固体绝缘层504约80μm厚。
56.固体绝缘层504可以预先形成为期望的形状，相对于高温半导体器件300定位，然后压靠第一表面302。然后可以允许结合层502固化(例如，通过干燥期或经由施加诸如uv辐射的固化剂)，以完成将无机介电绝缘层500局部沉积到第一表面302。例如，在固体绝缘层504包括玻璃窗的实施例中，预先形成的玻璃制品可以被切割(例如，通过激光处理、化学蚀刻或任何其他已知的玻璃切割技术)以具有期望的形状(例如，包括开口506)，然后在期望位置处设置在第一表面302上。应当理解，虽然固体绝缘层504被示为同心地设置在高温半导体器件300上，但根据各种替代实施例，情况并非如此。
57.添加固体绝缘层504有利地使绝缘层能够大于高温半导体器件300，这可以进一步限制表面电压击穿的可能性。例如，如图所示，固体绝缘层504包括延伸超出第一表面302的外周缘308的悬臂部分510。在各种实施例中，悬臂部分510延伸超出外周缘308，以便最小化固体绝缘层504与结合高温半导体器件300的系统的其他部件的接触，以促进在高温下的可靠操作。在实施例中，固体绝缘层504可以不包括悬臂部分510。例如，在实施例中，固体绝缘层504可以与第一表面302的外周缘308基本齐平。在另一个示例中，固体绝缘层504的外边缘可以设置在周缘308的内侧。
58.固体绝缘层504包括贯穿其整个厚度延伸的开口506。开口506有助于在高温半导体器件300的第一表面302处形成与各种部件(例如，栅极触点、源极触点等)的电连接。例如，在将固体绝缘层504设置在第一表面302上之后，焊线等可以在第一表面302处形成有源极触点。固体绝缘层504的内表面508被示为限定开口506的周向边界。在所示示例中，内表面508设置在端接区306的内边界上，使得固体绝缘层504覆盖整个端接区306而不覆盖有源区304。在替代实施例中，固体绝缘层504和结合层502可以覆盖有源区304的一部分。虽然固体绝缘层504被示为包括单个开口506，但是应当理解，根据各种替代实施例，固体绝缘层504可以包括多个开口(例如，每个开口可以用于单独的电连接)。
59.现在参考图7，示出了根据至少一个实施例的将无机介电绝缘层局部施加到半导
体器件的方法700的流程图。在步骤702，形成高温半导体器件。例如，传统的晶圆处理技术可用于在半导体衬底上形成具有各种类型和浓度的掺杂剂的各种层。这种掺杂剂浓度的最终构造和布局取决于所形成的半导体器件的类型和构造。例如，在各种实施例中，高温半导体器件是形成在半导体衬底上的mosfet器件。通常，这种器件可以包括设置在半导体衬底上的器件层。器件层可以包括各种掺杂区以形成mosfet器件的各种部件(例如，源极区、栅极区和漏极区)。作为关于如何使用晶圆处理技术来形成高温半导体器件的示例，参见美国专利第10,347,489号和第10,243,039号，它们的全部内容通过引用并入本文。
60.如本文所述，在步骤702形成的高温半导体器件通常包括第一表面、有源区域和端接区域。第一表面可以包括器件层的表面以及形成在其上的任何附加部件(例如，金属化层、触点、栅极氧化物层、介电层、钝化层)。有源区域通常在向高温半导体器件施加电压时形成导电层，使得高温半导体器件能够导电。端接区域通常包括形成在器件层中的各种掺杂区的端部。端接区域中的这种掺杂不连续性通常导致与端接区域相邻设置的高电压区中的相对高的电场。由于有源区通常没有这种不连续性，所以在紧邻有源区域的第一表面附近设置低电压区。高电压区中的这种高电场产生了高温半导体器件电压击穿的可能性，尤其是在高电压(例如，1000v或更高)下操作和高温半导体器件的尺寸(例如，端接部处之间的距离)为5毫米或更小时。
61.在步骤704，在形成高温半导体器件之后，将无机介电绝缘层局部施加到高温半导体器件的第一表面。通常，无机介电绝缘层能够承受在200℃或更高的高温下重复操作。在一些实施例中，无机介电绝缘层能够承受在500℃或更高的高温下重复操作。无机介电绝缘层还能够阻挡1000v或2000v或更高的高电压。例如，在各种实施例中，无机介电绝缘层是无机涂层。在一些实施例中，无机介电绝缘层是陶瓷浆料。在一些实施例中，除了基于无机涂层或陶瓷浆料的结合层之外，无机介电绝缘层还包括由玻璃、陶瓷或复合材料构成的固体绝缘层。
62.应当理解，将无机介电绝缘层施加到第一表面的方式将取决于无机介电绝缘层的形式而变化。例如，在无机介电绝缘层是无机涂层的实施例中，无机介电绝缘层可以经由浸涂、旋涂或其他涂布技术施加到第一表面。可以使用任何已知的应用技术在第一表面上沉积无机介电绝缘层。结合固体绝缘层的实施例还可以包括对固体绝缘层进行成形(例如，切割、研磨、抛光)、相对于高温半导体器件定位成形的绝缘层、将固体绝缘层压到第一表面以及固化结合层。还应当理解，无机介电绝缘层可以在高温半导体器件被沉积到封装中和/或在高温半导体器件与任何附加部件之间形成电连接之前或之后被沉积。
63.无机介电绝缘层通常延伸通过与高温半导体器件的端接区域相邻的高电压区，以防止高温半导体器件的电压击穿。有利地，无机介电绝缘层的局部施加通过防止由于无机介电绝缘层与高温封装中的其他材料的热不相容性导致的裂纹形成来促进高温半导体器件在高温下的长期操作。
64.鉴于上述描述，应当理解，将无机介电绝缘层局部施加到高温半导体器件的第一表面有利地降低了高温半导体器件电压击穿的可能性。这对于减小尺寸(例如，小于5毫米)的半导体器件尤其有益，这些半导体器件具有其他有益特性，例如降低器件级电阻。此外，构建耐高温材料(例如无机涂层、陶瓷浆料、基于氧化铝的水泥、玻璃和/或暴露于200℃或更高的高温时不会升华或燃烧的复合材料)的无机介电绝缘层有利地促进高温半导体器件
在这种高温下的操作。在形成半导体器件之后将无机介电绝缘层局部施加到第一表面有助于足够的绝缘厚度以用于电压击穿保护。因此，这种局部应用将高温半导体器件的能力扩展到高温应用，例如功率转换和电致动(例如，在内燃机或电动机内)。
65.本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：
66.1.一种器件，包括：高温半导体器件，所述高温半导体器件包括第一表面，其中，所述高温半导体器件包括有源区域和与所述有源区域相邻设置的端接区域；无机介电绝缘层，所述无机介电绝缘层设置在所述第一表面上，其中，所述无机介电绝缘层填充在整个所述端接区域上延伸的体积，并且包括大于或等于50μm且小于或等于200μm的厚度；以及电连接器，所述电连接器将所述高温半导体器件的所述有源区域连接到所述器件的附加部件。
67.2.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述高温半导体器件包括宽带隙半导体衬底。
68.3.根据任何前述条项所述的器件，进一步包括设置在所述高温半导体器件上的无机介电封装材料，其中，所述无机介电封装材料由与所述无机介电绝缘层不同的材料构成。
69.4.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述高温半导体器件在垂直于所述第一表面的表面法线的方向上具有宽度，其中，所述无机介电绝缘层在所述第一表面的周向边缘上延伸小于或等于所述宽度的四分之一。
70.5.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层包括无机涂层。
71.6.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机涂层覆盖所述第一表面和所述电连接器的整体。
72.7.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层包括多个无机介电绝缘层，其中，所述多个无机介电绝缘层中的至少两个具有不同的材料特性。
73.8.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层进一步包括通过所述无机涂层结合到所述第一表面的介电窗部件。
74.9.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机涂层包括alpo4、cao
‑
al2o3、mgo
‑
p2o5、sio2中的至少一个，或其任意组合。
75.10.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层包括陶瓷浆料。
76.11.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层包括大于或等于10kv/mm且小于或等于35kv/mm的介电强度。
77.12.一种器件，包括：高温半导体器件，所述高温半导体器件包括第一表面；高电压区，所述高电压区与所述第一表面相邻设置；低电压区，所述低电压区与所述第一表面相邻设置并且偏离所述高电压区；以及无机介电绝缘层，所述无机介电绝缘层设置在所述第一表面上、在所述高电压区中，其中，所述第一表面在垂直于所述第一表面的表面法线的方向上具有宽度，其中，所述无机介电绝缘层包括在所述第一表面的周向边缘上延伸的部分，其中，所述部分小于或等于所述第一表面的所述宽度的四分之一。
78.13.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层包括大于或等于50μm且小于或等于200μm的厚度。
79.14.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层包括大于或等于10kv/mm且小于或等于35kv/mm的介电强度。
80.15.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层包括无机涂层。
81.16.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机涂层覆盖整个所述第一表面。
82.17.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述高温半导体器件包括中央有源区域和围绕所述中央有源区域的端接区域，其中，所述无机介电绝缘层覆盖整个所述端接区域。
83.18.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层进一步包括通过所述无机涂层结合到所述第一表面的介电窗部件，其中，所述介电窗包括在所述中央有源区域上延伸的开口。
84.19.根据任何前述条项所述的器件，其中，所述无机介电绝缘层包括陶瓷浆料。
85.20.一种方法，包括：在预先形成的高温半导体器件上沉积无机介电绝缘层，其中：所述高温半导体器件包括第一表面；所述高温半导体器件包括有源区域和与所述有源区域相邻设置的端接区域；所述无机介电绝缘层沉积在所述第一表面上，使得所述无机介电绝缘层与所述端接区域重叠；并且所述无机介电绝缘层包括大于或等于10kv/mm且小于或等于35kv/mm的介电强度。
86.对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以对本文描述的实施例进行各种修改和变化。因此，本说明书旨在覆盖本文描述的各种实施例的修改和变化，前提是这些修改和变化落入所附权利要求及其等同物的范围内。