一种台阶形沟槽-场限环复合终端结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种台阶形沟槽-场限环复合终端结构，在芯片的中央区域为有源区，外围区域为终端区，有源区和终端区共同的n-衬底下方依次为n型FS层、p+阳极区及其阳极；在有源区中，n-基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与n-基区相邻的是波状p基区，p基区上面为p+基区，p+基区中央设置有一个阴极n+发射区，每个n+发射区上方设置有阴极；p+基区上方设置有一个门极；在终端区的n-衬底内，设有与主结相连的两级场限环，场限环的上面有台阶状沟槽。本发明的复合终端结构可使终端击穿电压达到理想体击穿电压的95%以上。
【专利说明】一种台阶形沟槽-场限环复合终端结构
【技术领域】
[0001]本发明属于电力半导体器件【技术领域】，涉及一种台阶形沟槽-场限环复合终端结构。
【背景技术】
[0002]在电力半导体器件的开发过程中，终端结构的选择会直接影响电力半导体器件的耐压及其稳定性。门极换流晶闸管(GCT)是基于门极可关断晶闸管(GTO)而开发的一种新型大功率半导体器件，为了提高GCT终端击穿电压，通常采用类似于普通晶闸管的台面终端结构或横向变掺杂(VLD)结构。台面终端结构采用机械磨角及腐蚀工艺形成，制作工艺比较成熟，但它能实现的终端击穿电压只有其体内击穿电压的80%，并且其高温漏电流及终端所占的芯片面积很大，且只适用于圆形的芯片，不适合方形芯片。横向变掺杂结构是采用渐变的扩散窗口进行铝注入形成，能使器件的终端击穿电压达到其体内击穿电压的90%，但终端所占的芯片面积也很大，并且形成渐变掺杂所需的光刻窗口较难控制。
[0003]可见，现有的终端技术都不能有效地提高器件的终端击穿电压和芯片的利用率，从而限制了高压大功率GCT器件的开发。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种台阶形沟槽-场限环复合终端结构，解决了现有高压深结器件结终端电压低、高温稳定性差及终端占用芯片面积大的问题。
[0005]本发明所采用的技术方案是，一种台阶形沟槽-场限环复合终端结构，将芯片的中央区域作为有源区，将有源区外围区域作为终端区，有源区和终端区共同的η—衬底下方设置有η型FS层，在η型FS层下方设置有P+阳极区及其阳极；
[0006]在有源区中，η_基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与η_基区相邻的是波状P基区，P基区上面为P+基区，P+基区中央设置有一个阴极η+发射区，每个η+发射区上方设置有阴极；P+基区上方设置有门极，并且整个门极环绕在所包围的阴极η+发射区的周围；
[0007]在有源区中，η_基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与η_基区相邻的是波状P基区，P基区上面为P+基区，ρ+基区中央设置有一个阴极η+发射区，每个η+发射区上方设置有阴极电极；P+基区上方设置有门极，并且整个门极电极环绕在所包围的阴极区的周围；
[0008]在终端区的η_衬底内，在主结外侧依次设置了两个宽度相同、间距不同的场限环，选择性地除去场限环上面高浓度的P+区，使主结与两个场限环之间通过P+区相连，同时使上面的P+区沟槽成台阶形状，台阶最低面位于P+区的终止位置，沟槽最大深度与P+区厚度相同，沟槽区填充有钝化层。
[0009]本发明的台阶形沟槽-场限环复合终端结构，其特征还在于:
[0010]终端区有两级场限环，主结与第一级场限环的间距为240?250 μ m，第一级场限环与第二级场限环的间距为310?350 μ m。
[0011]终端区的场限环上方有一台阶形沟槽，第一级沟槽深度为35?39μπι，第一级沟槽宽度为1250?1300 μ m。
[0012]表面钝化层为聚酰亚胺或硅胶。
[0013]本发明的有益效果是，用于波状基区GCT器件中，此复合终端结构可以利用较小的终端尺寸有效地分散终端区的电场集中，实现95.6%的体击穿电压。此外，此复合终端结构不但适合圆片，也适用于方片，还可以推广到逆导型GCT及快恢复二极管FRD等其它深结的高压器件中。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明的台阶形沟槽-场限环复合终端结构的截面示意图；
[0015]图2是本发明的复合终端结构击穿时的三维电场分布模拟图；
[0016]图3是本发明的复合终端结构的空间电荷区展宽剖面图；
[0017]图4是采用本发明的复合终端结构的波状基区GCT器件击穿特性模拟曲线。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0019]参照图1，本发明台阶形沟槽-场限环复合终端结构，其具体结构设置是:
[0020]将芯片的中央区域作为有源区，将有源区外围区域作为终端区，有源区和终端区共同的n_衬底下方设置有η型FS层，在η型FS层下方设置有P+阳极区及其阳极(即底部位置)；
[0021]在有源区中，η_基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与η_基区相邻的是波状P基区，P基区上面为P+基区，P+基区中央设置有一个阴极η+发射区，每个η+发射区上方设置有阴极；P+基区上方设置有门极，并且整个门极环绕在所包围的阴极η+发射区的周围；
[0022]在有源区中，η_基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与η_基区相邻的是波状P基区，P基区上面为P+基区，P+基区中央设置有一个阴极η+发射区，每个η+发射区上方设置有阴极电极；P+基区上方设置有门极，并且整个门极电极环绕在所包围的阴极区的周围；(注意每个单元的门极连在一起环绕在阴极区周围)
[0023]在终端区的η_衬底内，在主结外侧依次设置了两个宽度相同、间距不同的场限环，选择性地(部分)除去场限环上面高浓度的P+区，使主结与两个场限环之间通过P+区相连，同时使上面的P+区沟槽成台阶形状，台阶最低面位于P+区的终止位置，沟槽最大深度与P+区厚度相同，沟槽区填充有钝化层，该钝化层材料为聚酰亚胺或硅胶。
[0024]场限环与有源区的波状基区同时形成；终端区有两级场限环，主结与第一级场限环的间距S1为240?250 μ m,第一级场限环与第二级场限环的间距S2为310?350 μ m ;终端区的场限环上方有一台阶形沟槽，第一级沟槽深度Cl1为35?39 μ m，第一级沟槽宽度1250 ?1300 μ mD
[0025]本发明的复合终端结构，其耐压机理是:
[0026]与场限环终端结构的耐压机理基本相同，利用场限环穿通来有效分散主结附近电场集中，同时去除场限环上面重掺杂的P+区，有效控制空间电荷区电荷量，迫使其耗尽层进一步扩展，以降低表面电场。并且，主结与场限环之间存在连通的高浓度P+区，相当于主结的延伸区，有利于缓解主结处的表面电场集中，提高终端击穿电压。图2是本发明的复合终端结构击穿时的电场分布曲线图，由图2可见，沿X方向依次有三个非常接近的峰值电场，其中第I峰值位于主结末端附近(X=IlOym)处，第2峰值位于第I个场限环末端(χ=455 μ m)处,第3峰值位于第2个场限环末端(χ=895 μ m)处。其中主结与第一个场限环处的电场稍低，第二场限环处的电场稍高，击穿将会在该处发生。
[0027]为了提高耐压，需要对结深和场限环的环间距做出严格控制，在保证击穿电压的前提下，使击穿首先发生于体内，以降低表面不利因素对终端耐压的影响，同时尽可能地减小终端尺寸。图3是本发明的复合终端结构空间电荷区的展宽模拟剖面。由图3可见，当场限环的扩散窗口宽度w为100 μ m,主结与第一级场限环之间的掩模宽度S1为245 μ m，第一级与第二级场限环之间的掩模宽度S2为330 μ m，第一级沟槽深度Cl1为37 μ m，第一级沟槽宽度为1295 μ m时，此时空间电荷区从100 μ m处展宽到1680 μ m，对应的终端尺寸为1.58mm,击穿电压最高可达5050V。
[0028]本发明的复合终端结构，其器件特性评价是:
[0029]图4是采用上述台阶形沟槽-场限环复合终端结构的波状GCT器件在常温(300K)和高温(420K)下击穿特性的模拟曲线。由图4可见，器件体内平行平面结的击穿电压约为5290V，采用该复合终端结构可获得的终端击穿电压约为5050V，大约是其体内平行平面结击穿电压的95.6%，并且其高温漏电流密度接近体击穿。可见，采用本发明复合终端结构可以在较小的终端尺寸下使终端击穿电压达到理想击穿电压的95%以上。
【权利要求】
1.一种台阶形沟槽-场限环复合终端结构，其特征在于: 将芯片的中央区域作为有源区，将有源区外围区域作为终端区，有源区和终端区共同的n_衬底下方设置有η型FS层，在η型FS层下方设置有P+阳极区及其阳极； 在有源区中，η—基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与η—基区相邻的是波状P基区，P基区上面为P+基区，P+基区中央设置有一个阴极η+发射区，每个η+发射区上方设置有阴极；Ρ+基区上方设置有门极，并且整个门极环绕在所包围的阴极η+发射区的周围； 在有源区中，η—基区中设置有多个并联的单元，每个单元内与η—基区相邻的是波状P基区，P基区上面为P+基区，P+基区中央设置有一个阴极η+发射区，每个η+发射区上方设置有阴极电极；Ρ+基区上方设置有门极，并且整个门极电极环绕在所包围的阴极区的周围； 在终端区的η_衬底内，在主结外侧依次设置了两个宽度相同、间距不同的场限环，选择性地除去场限环上面高浓度的P+区，使主结与两个场限环之间通过P+区相连，同时使上面的P+区沟槽成台阶形状，台阶最低面位于P+区的终止位置，沟槽最大深度与P+区厚度相同，沟槽区填充有钝化层。
2.根据权利要求1所述的台阶形沟槽-场限环复合终端结构，其特征在于:终端区有两级场限环，主结与第一级场限环的间距为240?250 μ m，第一级场限环与第二级场限环的间距为310?350 μ m。
3.根据权利要求1所述的台阶形沟槽-场限环复合终端结构，其特征在于:终端区的场限环上方有一台阶形沟槽，第一级沟槽深度为35?39 μ m,第一级沟槽宽度为1250?1300 μ mD
4.根据权利要求1所述的台阶形沟槽-场限环复合终端结构，其特征在于:表面钝化层为聚酰亚胺或硅胶。
【文档编号】H01L29/06GK103746002SQ201310695830
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】王彩琳, 王一宇 申请人:西安理工大学