专利名称：一种高压半导体结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及高压半导体器件领域，尤其涉及一种横向或纵向高压半导体器件的终端结构及其制备方法。
背景技术：
随着人们对功率半导体器件模块的不断研究和开发，市场上出现了可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor，GT0)、双扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Double-diffused MOSFET, DM0S)，绝缘栅双极型晶体管 Qnsulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)等多种功率器件，其性能越来越好，应用也越来越广泛。功率集成电路的销售额呈现出逐年大幅递增趋势，已经渗透到了工业和消费市场的诸多领域。一个功率器件的性能指标，主要可以从击穿电压、最大电流、最大功率、导通电阻、面积、速度等多个角度来评判。针对不同性能指标的要求，可以选择合适的功率器件。为了提高器件的击穿电压，人们一般采用场板或场限环等常用终端技术，或者可以通过扩大结深来增加PN结拐角处的曲率半径，以减小峰值电场强度，或者同时采用上述某几种方法。如果采用连接于半导体表面的场板结构，对于P型衬底、N+型引出的半导体结构而言，当引入场板后，场板与P型区表面发生耦合，一部分电力线从场板出发终止于P型区表面，使耗尽区向体内推进。这等效于在横向PN结表面引入了与原来P型一侧耗尽区中空间电荷电性相反的附加电荷，由该附加电荷引起的电场方向与原耗尽区中空间电荷引起的电场方向相反，从而降低了结表面的电场，提高了击穿电压。但是，在场板外边界下方的半导体衬底表面，由于附加电荷引起的电场叠加，会存在一个尖峰电场。为了使场板下方的半导体耗尽区尽可能承担大的电压，必须使该区域的电场强度维持在临界电场附近。一种满足上述要求的结构是将介质层做成斜坡状，形成斜坡金属场板。一般的，通过在介质层表面形成一层易腐蚀层，光刻打开窗口后，利用腐蚀溶液的选择比，即腐蚀上层介质层的速率大于腐蚀下层的速率，形成斜坡介质层结构，具体可参考专利号为CN1181562C，CN101752208A的中国专利。此外，也可以利用灰度光刻技术(Gray-tone Lithography)，形成曲面斜坡介质层结构，具体可参考美国专利US2004/0129993A1。然而， 场板外边界下方的尖峰电场仍然存在。如果能够削减这个尖峰，使得电场强度的分布更加均勻，则能进一步提高耐压能力。另一方面，随着近年来高介电常数(high-κ )介质材料在半导体领域中的应用愈加广泛，人们对这一类材料的研究也越来越多，譬如MOS器件的栅介质中采用的二氧化铪、 二氧化锆等。为了在刻蚀作为栅介质的二氧化铪或二氧化锆的时候减少对隔离区的二氧化硅的损耗，必须寻找一种有较高刻蚀选择比的方法，譬如在美国专利US2004/0067657A1就提到了采用一定配比的溶液，使二氧化铪或二氧化锆对二氧化硅的湿法刻蚀选择比能够达到2. 5以上
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以缓和场板外边界处密集的电场线、降低下方半导体表面电场强度的峰值大小、提高半导体结构的耐压能力的具有斜坡场板的高压半导体结构。为达到上述目的，本发明提供一种高压半导体结构，包括半导体衬底，设置于所述半导体衬底表面的双层斜坡介质层，及设置于所述半导体衬底和所述双层斜坡介质层表面的斜坡金属场板结构；所述双层斜坡介质层包括底层介质层以及位于底层介质层上的顶层介质层，所述顶层介质层为高介电常数介质材料，所述顶层介质层的介电常数大于底层介质层的介电常数。进一步的，所述底层介质层的材料为二氧化硅。进一步的，所述顶层介质层的材料为二氧化铪或二氧化锆。进一步的，所述底层介质层斜坡部分的坡度小于顶层介质层斜坡部分的坡度。本发明还提供一种用于制备上述高压半导体结构的方法，包括如下步骤提供第一导电类型的半导体衬底，在其表面形成双层介质材料层；利用光刻工艺定义所述半导体衬底上的引出区域；湿法刻蚀所述双层介质材料，以暴露所述引出区域的半导体表面，并使双层介质材料层形成双层斜坡介质层，所述双层斜坡介质层包括底层介质层以及位于底层介质层上的顶层介质层；离子注入第二导电类型的杂质于所述引出区域，并进行退火工艺；在所述半导体衬底及所述双层斜坡介质层结构表面形成斜坡金属场板结构。进一步的，所述底层介质层的材料为二氧化硅。进一步的，所述顶层介质层的材料为二氧化铪或二氧化锆。进一步的，在湿法刻蚀所述双层介质材料步骤中，所述底层介质层的刻蚀速率小于其顶层介质层的刻蚀速率。进一步的，所述斜坡金属场板结构采用蒸发法或溅射法形成。综上所述，本发明优选的一种技术方案，在湿法刻蚀所述双层介质材料的时候，刻蚀底层介质材料的速率大于刻蚀顶层介质材料的速率。和现有技术相比，本发明的高压半导体结构的高介电常数顶层介质层能够缓和场板外边界处密集的电场线，降低下方半导体表面电场强度的峰值大小，提高半导体结构的耐压能力。另外，具有斜坡结构的高介电常数顶层介质层在一定程度上延续了底层斜坡，等于增加了斜坡的宽度，更好的起到了增加耐压的作用。
图1到图4为本发明一实施例中高压半导体结构的制备方法的各工艺步骤的结构示意图。图5为本发明一实施例中高压半导体结构的制备方法的简要流程示意图。图6为本发明一实施例中高压半导体结构与传统斜坡场板结构的半导体表面电场分布图。
具体实施例方式
4
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。图4是本发明的高压半导体结构的剖面示意图，请参照图4，本发明提供一种高压半导体结构包括半导体衬底1，设置于所述半导体衬底1表面的双层斜坡介质层，及设置于所述半导体衬底1和所述双层斜坡介质层表面的斜坡金属场板结构5 ；所述双层斜坡介质层包括底层介质层2以及位于底层介质层2上的顶层介质层3，所述顶层介质层3的介电常数大于其底层介质层2的介电常数。进一步的，所述底层介质层2的材料为二氧化硅。 所述顶层介质层3为高介电常数介质材料。例如，所述顶层介质层3的材料为二氧化铪或二氧化锆。在本实施例中，所述底层介质层2斜坡部分的坡度小于顶层介质层3斜坡部分的坡度。图5为本发明一实施例中高压半导体结构的制备方法的简要流程示意图。以下结合图1 图4及图5详细描述本发明的高压半导体结构的工艺制备过程。其中在本实施例中，以第一导电类型为P型，第二导电类型为N型为例，所述高压半导体结构的制备方法包括以下步骤SOl 提供第一导电类型的半导体衬底，在其表面形成双层介质材料层；如图1所示，在本实施例中，所述第一导电类型为P型，所述的半导体衬底1可以是硅、锗、锗硅等半导体材料；先在P型半导体衬底1表面形成双层介质材料层的底层介质层2，所述底层介质层2可以采用热氧化法或化学汽相沉积的方法形成。其中较佳的，所述半导体衬底1为硅材料，所述底层介质层2的材料为二氧化硅，所述二氧化硅采用热氧化的方法形成，该方法得到的底层介质层2质量好，更有利于增加和其他介质材料之间的腐蚀速率的差异，得到适当宽度的斜坡；接着，在所述底层介质层2表面沉积顶层介质层3，所述顶层介质层3为高介电常数介质材料，具体的，所述的高介电常数介质材料可以为二氧化铪或二氧化锆。S02 利用光刻工艺定义所述半导体衬底上的引出区域；如图2所示，利用光刻工艺定义引出区域10，在所述双层介质材料层表面涂抹光刻胶4，并利用预设图案的掩模板对光刻胶进行曝光4，并对光刻胶进行显影，从而暴露出引出区域10的双层介质材料层，保留其余的光刻胶4。S03 湿法刻蚀所述双层介质材料层，以暴露所述引出区域的半导体衬底表面，并使双层介质材料层形成双层斜坡介质层；如图3所示，利用湿法刻蚀所述顶层介质层3和所述底层介质层2。由于湿法刻蚀为各项同性，故在刻蚀过程中，引出区域10中双层介质材料层被刻蚀，同时靠近引出区域10的侧面双层介质材料层也会被刻蚀，在本实施例中，底层介质层2为二氧化硅，顶层介质层3为高介电常数介质材料的二氧化铪或二氧化锆时，湿法刻蚀溶液对二氧化铪或二氧化锆的腐蚀速率大于对二氧化硅的腐蚀速率，从而形成如图3 所示的双层斜坡介质层结构，从而底层介质层2斜坡的坡度小于顶层介质层3斜坡的坡度。S04:离子注入第二导电类型的杂质于所述引出区域，并进行退火工艺；如图4所示，在本实施例中，所述第二导电类型为N型，则去除光刻胶4后，以所述双层斜坡介质层为掩模进行离子注入并退火，其中注入的离子为磷离子或砷离子，从而在衬底中形成N+型区。S05 在所述半导体衬底1及所述双层斜坡介质层结构表面形成斜坡金属场板结构5。斜坡金属场板结构5可以采用蒸发或溅射法形成，其中较佳的，采用溅射法沉积一层金属，并利用光刻、刻蚀工艺对金属进行刻蚀，最终形成如图4所示的斜坡金属场板结构5。和现有技术相比，本发明的高压半导体结构的高介电常数顶层介质层能够缓和场板外边界处密集的电场线，降低下方半导体表面电场强度的峰值大小，提高半导体结构的耐压能力；另外，具有斜坡结构的高介电常数顶层介质层在一定程度上延续了底层介质层的斜坡，等于增加了斜坡的宽度，更好的起到了增加耐压的作用。图6为本发明一实施例中高压半导体结构与传统斜坡场板结构的半导体表面电场分布图。如图6所示，曲线11为传统斜坡场板结构的半导体表面电场分布，采用本发明的高压半导体结构的半导体表面电场分布为曲线12。从图6中可以看到，本发明的高压半导体结构与传统斜坡场板结构的半导体表面电场分布相比，场板外边界处的尖峰电场强度有明显的下降，从而能有效提高了击穿电压。事实上，在上述实施例中，二氧化铪或二氧化锆起到了多重效用首先，在制备本发明的高压半导体结构的工艺步骤中，二氧化铪或二氧化锆充当易腐蚀层，腐蚀速率大于底层的二氧化硅，从而能形成坡度较小，宽度较大的底层斜坡介质层；其次，二氧化铪或二氧化锆本身就是一层斜坡介质层，可视为底层二氧化硅斜坡介质层的一种延续，尽管宽度相对较小，但也能在一定程度上改善电场分布；再次，也是最重要的一点，由于二氧化铪或二氧化锆是高介电常数的绝缘介质层，其介电常数大于20，远远高于二氧化硅的3. 9。高介电常数介质层的存在，使得场板边界对场板覆盖区外附近的半导体表面的耦合作用加强， 防止了电场线集中在场板边界处，降低了边界处的电场强度，增强了本发明的高压半导体结构的耐压能力。在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明并不限于在说明书中所述的具体实施例。 任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
1.一种高压半导体结构，其特征在于，包括半导体衬底，设置于所述半导体衬底表面的双层斜坡介质层，及设置于所述半导体衬底和所述双层斜坡介质层表面的斜坡金属场板结构；所述双层斜坡介质层包括底层介质层以及位于底层介质层上的顶层介质层，所述顶层介质层为高介电常数介质材料，所述顶层介质层的介电常数大于底层介质层的介电常数。
2.如权利要求1所述的高压半导体结构，其特征在于，所述底层介质层的材料为二氧化硅。
3.如权利要求1所述的高压半导体结构，其特征在于，所述顶层介质层的材料为二氧化铪或二氧化锆。
4.如权利要求1所述的高压半导体结构，其特征在于，所述底层介质层斜坡部分的坡度小于顶层介质层斜坡部分的坡度。
5.一种用于制备如权利要求1所述的高压半导体结构的方法，其特征在于，包括如下步骤提供第一导电类型的半导体衬底，在其表面形成双层介质材料层； 利用光刻工艺定义所述半导体衬底上的引出区域；湿法刻蚀所述双层介质材料，以暴露所述引出区域的半导体表面，并使双层介质材料层形成双层斜坡介质层，所述双层斜坡介质层包括底层介质层以及位于底层介质层上的顶层介质层；离子注入第二导电类型的杂质于所述弓丨出区域，并进行退火工艺； 在所述半导体衬底及所述双层斜坡介质层结构表面形成斜坡金属场板结构。
6.如权利要求5所述的高压半导体结构，其特征在于，所述底层介质层的材料为二氧化硅。
7.如权利要求5所述的高压半导体结构，其特征在于，所述顶层介质层的材料为二氧化铪或二氧化锆。
8.如权利要求5所述的制备高压半导体结构的方法，其特征在于，在湿法刻蚀所述双层介质材料步骤中，所述底层介质层的刻蚀速率小于顶层介质层的刻蚀速率。
9.如权利要求5所述的制备高压半导体结构的方法，其特征在于，所述斜坡金属场板结构采用蒸发法或溅射法形成。
全文摘要
本发明公开了一种高压半导体结构及其制备方法。所述高压半导体结构包括半导体衬底，设置于所述半导体衬底表面的双层斜坡介质层，设置于所述半导体衬底和所述双层斜坡介质层表面的金属场板结构。所述双层斜坡介质层的顶层为高介电常数介质材料，可以缓和场板外边界处密集的电场线，降低下方半导体表面电场强度的峰值大小，提高半导体结构的耐压能力。
文档编号H01L21/28GK102184947SQ201110061788
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者孙德明, 范春晖 申请人:上海集成电路研发中心有限公司