本发明涉及一种半导体器件，具体来说，涉及一种具有新型终端结构的功率半导体器件。
背景技术：
功率半导体器件是各类功率电子系统中的基础元器件。常用的功率半导体器件包括金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mosfet)、绝缘栅双极性晶体管(igbt)、二极管(diode)等。功率半导体器件的一个重要参数就是其耐压能力，以其击穿电压(bv)指标来衡量，其基础耐压结构一般为形成在p型掺杂半导体区域与n型掺杂半导体区域之间的pn结。当pn结被反向偏置时(即p型区的电压低于n型区的电压)，器件处于反向阻断模式，在这种情况下，耗尽区(空间电荷区域)在p型和n型区域中扩展。通常，这些n型和p型区域中的一个区域比另一个区域具有更低的掺杂浓度，使得耗尽区域主要在较轻掺杂的区域中延伸，因此pn结中较轻掺杂区域主要承受pn结两端施加的电压。
pn结承受高电压的能力受限于半导体功率器件的雪崩击穿机制。随着施加到pn结的阻断电压增大，空间电荷区内的电场也随之增强。该电场导致空间电荷区内的载流子加速并与原子发生碰撞，并发生碰撞电离产生新的电子-空穴对，碰撞电离产生的载流子继续被电场加速而产生新的载流子，最终由于雪崩倍增效应发生雪崩击穿，而雪崩击穿发生时的电压被称作击穿电压，雪崩击穿发生时的器件体内最高的电场强度值被称作临界电场。
然而，功率半导体器件具有有限大小的半导体区域，其在横向方向上到边缘表面终止。一般功率半导体器件表面处pn结未延伸至半导体的边缘表面，而是在横向方向上与器件的边缘保持一段的距离。在pn结边缘截止处，由于掺杂杂质的扩散，pn结的形状会而从水平状转变成圆弧状。在器件反向偏置状态下，由于圆弧曲率效应的影响，pn结在其边缘处会发生电场聚集，导致边缘电场升高，降低耐压能力。因此，功率半导体器件需要特殊的结构提升其边缘区域的耐压能力，这种位于器件边缘的耐压结构被称为器件的终端结构。
传统的终端结构包括场限环(guardring)，场板(fieldplate),缓变掺杂(vld)等，以场限环结构为例，其剖面结构如图1所示。为简明说明，图1中以一个二极管器件的终端结构进行说明，该结构包括有二极管位于表面的阳极电极202和位于背面的阴极电极cathode201。其中阴极电极201与n+阴极掺杂区105相连，在n+阴极掺杂区105的上方是n-型轻度掺杂的n-型漂移区101，在n-型漂移区101的上方有p型阳极掺杂区102。绝缘介质层110覆盖于器件的表面，阳极电极202透过绝缘介质层110中的接触孔与p型阳极掺杂区102相连。p型阳极掺杂区102所处的区域被称为有源区，需指出的是，实际器件中p型阳极掺杂区102可以向图中的左侧不断延伸，图1只示出其中的一部分。p型阳极掺杂区102的截止处与器件边缘(图中右侧)之间的区域被称为终端区。在终端区内，有一个或多个p型浮空区103，p型浮空区103在器件表面的终端区延伸，形成闭合的环形将有源区包围起来，这些p型浮空区103被称为场限环。在器件表面的最外围边缘，一般还有n型或p型掺杂的终止掺杂区104及其上方的终止场板204。当器件处于反向偏置状态时，p型阳极掺杂区102与n-型漂移区101之间的pn结两侧会形成空间电荷耗尽区，由于n-型漂移区101的掺杂浓度较低，耗尽区会主要位于n-型漂移区101内，且耗尽区随着反向偏置电压的升高而向n+阴极掺杂区105及器件边缘的终止掺杂区104扩展。反之，若耗尽区扩展的越宽，那么可以耐受的反向偏压就越高。当耗尽区扩展到场限环p型浮空区103区时，p型场限环即p型浮空区103与其附近的n-型漂移区101之间亦会形成新的耗尽区，并与原耗尽区接合，其结果是，n-型漂移区101内的耗尽区可以在器件表面继续扩展。因此，器件表面的电场被降低，耐压能力被提高。
但是，传统的终端结构都容易受到器件加工或封装环境的污染物的影响。这些污染物会在器件的表面引入电荷，称为表面电荷。表面电荷的存在会改变器件终端区域表面的电场分布，造成电场的局部集中，阻碍耗尽区的延伸，降低器件的耐压能力。由于污染物在器件的加工和封装过程中不可能被完全消除，因此，提升器件终端结构对表面电荷的耐受能力变得至关重要。基于此目的，人们提出了高阻平面场板结构，如图2所示。此结构在终端区的表面被一层高电阻率的平面材料层所覆盖，该材料层被称为高阻平面场板。所述高阻平面场板107的两侧与阳极电极202和终止场板204分别相连。在器件处于反向偏置状态时，终止场板204的电位会与阴极电极201的电位近似相等。因此，高阻平面场板107的两侧亦承受了器件的反向偏压，进而在高阻平面场板107内形成从一侧向另一侧渐变的电位分布。这种渐变的电位分布进而影响其下方的n-型漂移区101表面的电位，有利于抑制n-型漂移区101表面电场出现局部集中，促进耗尽区的均匀扩展，提升耐压能力。此外，由于高阻平面场板107的电阻值低于绝缘材料，其内部的电荷可以以电流的形式进行漂移。因此，当外来电荷到达器件表面时，可以在高阻平面场板107中沿着电场方向流向两侧的阳极电极202或终止场板204，进而避免了外来电荷对高阻平面场板107下方的终端区的影响。但是，高阻平面场板107的电阻需要足够的高，否则会在阳极电极202与终止场板204之间产生很高的漏电流。然而，现实中，满足如此高电阻要求的平面场板材料并不容易制造，存在选材的困难，且在材料薄膜加工往往存在均匀性的偏差，造成工艺加工困难及器件稳定性降低。更为严重的是，在高阻平面场板107与其下方的n-型漂移区101之间形成了一个很大的寄生电容。在器件开关状态下，高阻平面场板107与上述寄生电容组成一个很大的电阻-电容(r-c)延迟回路，会严重迟滞器件的开关速度，并使得终端区的电位及耗尽区响应速度被严重拖慢，造成器件在开关瞬态的耐压能力降低，严重情况下甚至会造成器件失效。因此，提供一种具有高耐压能力、高外来电荷耐受能力、低漏电流、高动态开关响应速度并且易于加工制造的半导体器件很有必要。
技术实现要素：
为解决上述提到的问题，本发明提供一种如下的技术方案：
一种具有新型终端结构的功率半导体器件，所述的半导体器件包括有
位于底部的阴极电极，
设于所述的阴极电极上的n+阴极掺杂区，
设于所述n+阴极掺杂区的n-型漂移区，
设于所述的n-型漂移区上方的绝缘介质层，
设于所述的n-型漂移区上方的有源区内的p型阳极掺杂区，
设于所述的p型阳极掺杂区上方并与所述的p型阳极掺杂区电学相连的阳极电极202；
设于所述的n-型漂移区上方的终端区内的半导体衬底表面的n型或p型掺杂的终止掺杂区，所述的终止掺杂区连接有位于其上方的终止场板；
所述的n-型漂移区上方的位于p型阳极掺杂区和终止掺杂区之间还设有用于帮助终端区耗尽以提升终端区的耐压性能的终端耗尽辅助掺杂结构；
所述的绝缘介质层上方的终端区内还设有一条以上的高阻场板层，所述的高阻场板层自有源区的阳极电极向终端区的终止场板呈旋涡状螺旋状延伸，并和终端耗尽辅助掺杂结构相连。
优选的，所述的高阻场板层横截面为条状。
优选的，所述的高阻场板层横截面为横截面大小一致的条形状。
优选的，所述的高阻场板层的制备材料为未掺杂或轻掺杂的多晶硅、氮化硅(sixny)、和/或氮化钛(tin)。
优选的，所述的终端耗尽辅助掺杂结构包括有位于n-型漂移区上方的终端区内的p型浮空区103，所述的p型浮空区连接有位于其上方的电浮空场板，所述的电浮空场板和相邻的高阻场板层相连。
优选的，所述的终端区的表面覆盖有钝化介质层。
优选的，所述的钝化介质层由聚酰亚胺、氮化硅和/或非晶体硅制备而成。
优选的，所述电浮空场板横截面的宽度大于p型浮空区的宽度。
优选的，所述电浮空场板至少有一个延伸方向和临近的高阻场板层倾斜相连。
优选的，所述电浮空场板有四个延伸方向均和临近的高阻场板层倾斜相连。
优选的，所述的终端耗尽辅助掺杂结构包括有位于n-型漂移区上方的终端区内的和所述的p型阳极掺杂区相连的p-型的终端延伸区，所述的p-型的终端延伸区的掺杂浓度低于p型阳极掺杂区的掺杂浓度。
优选的，所述的p-型的终端延伸区连接有电浮空场板，所述的电浮空场板和相邻的高阻场板层相连。
优选的，所述的终端耗尽辅助掺杂结构包括有位于n-型漂移区上方的终端区内的和所述的p型阳极掺杂区相连、并向终止掺杂区延伸的p-型的轻度掺杂区，所述的p-型的轻度掺杂区的掺杂浓度自p型阳极掺杂区向终止掺杂区逐渐降低。
优选的，所述的p-型的轻度掺杂区连接有电浮空场板，所述的电浮空场板和相邻的高阻场板层相连。
优选的，所述的电浮空场板以非连续的形式和相邻的高阻场板层相连。
优选的，有源区内的半导体器件结构为mosfet(金属氧化物场效应晶体管)、或igbt(绝缘栅双极型晶体管)、或jfet(结型场效应晶体管)、或hemt(高电子迁移率晶体管)、或晶闸管、或bjt(双极结型晶体管)、或sbd(肖特基结二极管)。
本发明的有益效果在于，本发明提出了一种具有条形螺旋形高阻场板的新型终端结构的半导体器件，通过将条形螺旋高阻场板与终端耐压结构相结合，能够有效提升器件的耐压能力和外来电荷耐受能力，并且相对于传统的高阻平面场板结构而言，可以实现更低的漏电流和更高的动态响应速度，在器件高频开关状态下不存在耐压降低的问题，且场板材料选材和加工工艺更为简单。
附图说明
图1为一现有技术的功率半导体器件的横截面侧视图，其终端结构具有若干场限环；
图2为另一现有技术的功率半导体器件的横截面侧视图，其终端结构具有高阻平面场板；
图3为本发明的半导体器件的第一实施例的横截面侧视图；
图4为本发明的半导体器件的第一实施例的上表面俯视图；
图5为本发明的半导体器件的第二实施例的横截面侧视图；
图6为本发明的半导体器件的第三实施例的横截面侧视图；
图7为本发明的半导体器件的第四实施例的横截面侧视图；
图8为本发明的半导体器件的第五实施例的横截面侧视图；
图9为本发明的半导体器件的第六实施例的横截面侧视图；
图10为本发明的半导体器件的第七实施例的上表面俯视图；
图11为本发明的半导体器件的第八实施例的上表面俯视图；
图12为本发明的半导体器件的第九实施例的上表面俯视图。
具体实施方式
在下面的详细描述中将参考附图，附图形成描述的一部分并且通过图示的方式示出了可以实践本发明的具体实施例，除非另有明确说明，应该理解本文所描述的各种实施例的特征可以与彼此结合。
半导体器件具有有源半导体区域(有源区)和围绕有源半导体区域的边缘终端区域(终端区)。制备半导体器件的材料可以为任意半导体材料，例如单元素半导体材料，例如硅(si)、锗(ge)，或者化合物半导体材料，例如iv-iv族或者iii-v族或者ii-vi族半导体材料。
其中合适的iv-iv族半导体材料有sic或者sige等等。合适的iii-v族半导体材料有gap、gaas、inp、insb、inas、gasb、gan、aln、inn、alxgaas或者ingan等等。合适的ii-vi族半导体材料有zno、zns、znse、znte、cds、cdse、cdte、hgs、hgcdxte、bese、bete或者hgs等等。合适的iii-vi族半导体材料有gas、gase、gate、ins、inse、inte等等。
半导体器件可以是但不限于二极管、mosfet(金属氧化物场效应晶体管)、igbt(绝缘栅双极型晶体管)、jfet(结型场效应晶体管)、hemt(高电子迁移率晶体管)、晶闸管、bjt(双极结型晶体管)、sbd(肖特基结二极管)等。有源区结构可以为含多个器件单元的单元结构，例如并联的晶体管单元。器件单元可以是但不限于条状单元、矩形单元、方形单元或者六边形单元。仅为了说明的目的，以下实施例中所描述的半导体器件的有源区结构是本领域公知的二极管结构。然而，以下实施例中所描述的终端区结构可以与上述的任何其他器件的有源区结构结合使用。
实施例1
本发明的半导体器件第一实施例的横截面侧视图及上表面俯视图分别如图3、图4所示。如图3所示，所发明的半导体器件具有位于底部的阴极电极201，位于阴极电极201之上的n+阴极掺杂区105，位于n+阴极区105之上的n-型漂移区101，位于有源区的n-型漂移区101的上方的p型阳极掺杂区102，位于n-型漂移区101和p型阳极掺杂区102表面之上的绝缘介质层110，位于有源区部分的绝缘介质层110之上的阳极电极202，所述阳极电极202与p型阳极掺杂区102电学相连，位于终端区部分的n-型漂移区101的上方有一个或多个电浮空的p型浮空区103，所述p型浮空区103将有源区包围，p型浮空区103与p型阳极掺杂区102之间、及多个p型浮空区103之间存在间距，在p型浮空区103之上有与其相连的电浮空场板203，在终端区边缘的半导体衬底表面有n型或p型掺杂的终止掺杂区104以及位于终止掺杂区104上方并与其相连的终止场板204，尤为重要的是，在终端区的绝缘介质层110的上方有螺旋状延伸的高阻场板层301，所述高阻场板层301可以由未掺杂的多晶硅材料构成，也可由氮化硅(sixny)，氮化钛(tin)等其他高阻材料构成，所述高阻场板层301在器件表面呈一个连续的螺旋条形，自有源区的阳极电极202向终端区的终止场板204呈旋涡状螺旋延伸(如图4所示)，并在延伸途中分别与终端区表面的电浮空场板203相连。
在器件的反向偏置状态下，终止场板204的电位近似相等于背部阴极阴极电极201的电位，并高于阳极电极202的电位。因此，所述螺旋高阻场板层301两端的电压近似相等于器件的反向偏置电压。设定器件的反向偏压大小为vka，螺旋高阻场板层301的电阻为rs，则螺旋高阻场板层301内的电流大小为is＝vka/rs。设定螺旋高阻场板层301的材料电阻率为ρ，长度为ls，横截面面积为as，则其总电阻rs＝ρ*ls/as。由此可见，通过把高阻场板层301设计成螺旋状，可以大大增加高阻场板层301的总长度ls，在此基础上选用适度的条形场板截面积(如1～10μm2，这种尺寸在工艺加工中很容易实现)，配合常见高阻材料(如多晶硅)的电阻率，便可实现很高的电阻值rs，继而可以大大降低螺旋高阻场板层301中的漏电流is。此外，通过维持螺旋高阻场板层301的横截面大小as的一致性，便可实现其电阻值的均匀分布，继而实现场板上的电位的自阳极电极202向终止场板204均匀变化。进一步的，螺旋高阻场板层301的电位会通过绝缘介质层110耦合影响其下方n-型漂移区101表面的电位，这样一来，n-型漂移区101表面的电位也相应的自p型阳极掺杂区102向终止掺杂区104均匀变化，从而避免了电场的局部集中，促进耗尽区的扩展，提升器件的耐压能力。
同时，由于螺旋高阻场板层301覆盖于器件终端区的表面且流有电流，当外来电荷接触到器件的终端区表面时，可以顺着螺旋高阻场板层301流向终端区两侧的阳极电极202或终止场板204，从而避免了外来电荷对终端区耐压能力的影响，提高器件对外来电荷的耐受能力。另一方面，与传统高阻平面场板不同，在器件高频开关过程中，由于螺旋高阻场板层301与半导体区内的p型浮空掺杂区103通过电浮空场板203相连，而p型浮空区103的电位可以通过耗尽区在半导体衬底内的高速扩展而迅速变化，因此可以实现螺旋高阻场板层301电位的高速响应，从而避免了传统高阻平面场板的高速开关延迟及动态耐压降低等问题。
实施例2
本发明的半导体器件的第二实施例的横截面侧视图如图5所示。与第一实施例相似，第二实施例的半导体的终端区亦具有位于绝缘介质层110表面的螺旋状延伸的条形高阻高阻场板层301。与第一实施例不同的是，第二实施例的半导体器件还具有以下特点：所述电浮空场板203的宽度大于其下方p型浮空区103的宽度。电浮空场板203宽度的增加有助于降低其下方p型浮空区103所在的pn结附近的电场，以提升耐压能力。
实施例3
本发明的半导体器件的第三实施例的横截面侧视图如图6所示。与第一实施例相似，第三实施例的半导体的终端区亦具有位于绝缘介质层110表面的螺旋状延伸的条形高阻场板层301。与第一实施例不同的是，第三实施例的半导体器件还具有以下特点：原第一实施例中的p型电浮空区103被替换为一个p-型的轻度掺杂区106，又称p-型的终端延伸区106。所述p-型的终端延伸区106的掺杂浓度一般低于p型阳极掺杂区102的掺杂浓度。在器件耐压状态下，由于所述p-型终端延伸区106的掺杂浓度低，因而耗尽区可以不仅在n-型漂移区101扩展，亦可以在p-型终端延伸区106扩展，甚至将p-型终端延伸区106接近完全耗尽，继而有助于减小终端区的长度，节省器件的面积。进一步地，所述p-型终端延伸区106还可以与p型阳极掺杂区102相连，以进一步提高器件的耐压能力。
实施例4
本发明的半导体器件的第四实施例的横截面侧视图如图7所示。与第一实施例相似，第四实施例的半导体的终端区亦具有位于绝缘介质层110表面的螺旋状延伸的条形高阻场板层301。与第四实施例不同的是：原第一实施例中的p型电浮空区103被替换为多个p-型的轻度掺杂区(107，108…)，左侧和p型阳极掺杂区102相连，一直延伸到边缘的终止掺杂区104并与之相连，所述多个p-型的轻度掺杂区(107,108…)在横向方向上具有变化的掺杂浓度，多个p-型的轻度掺杂区(107,108…)浓度依次递减。p-型的轻度掺杂区(107,108…)中靠近p型阳极掺杂区102的区域的掺杂浓度高于靠近器件边缘的区域的掺杂浓度。这种特点有助于在维持器件耐压能力的前提下，进一步减小器件的终端区的长度，节省器件面积。
实施例5
在实施例4的基础上，如图8所示，p型阳极掺杂区102与p-型轻掺杂区(107，108…)之间可以依次相连，以进一步提升器件的耐压能力。在此基础上，由于p-型轻掺杂区(107，108…)与p型阳极掺杂区102相连，位于所述p-型的轻度掺杂区(107，108…)之上的电浮空场板203可以被省略，是为本发明的半导体器件的第五实施例。
实施例6
本发明的半导体器件的第六实施例的横截面侧视图如图9所示。与第一实施例相似，第六实施例的半导体的终端区亦具有位于绝缘介质层110表面的螺旋状延伸的条形高阻场板层301。与第一实施例不同的是，第六实施例的半导体器件还具有以下特点：在终端区的表面覆盖有一层钝化介质层302。所述钝化介质层302可以由聚酰亚胺(polyimide)，氮化硅，非晶体硅等材料或这些材料的组合构成。钝化介质层302有助于进一步降低外来电荷对器件的影响，提升器件终端区耐压的稳定性。
实施例7
本发明的半导体器件的第七实施例的上表面俯视图如图10所示。与第一实施例相似，第七实施例的半导体的终端区亦具有位于绝缘介质层110表面的螺旋状延伸的条形高阻场板层301。与第一实施例不同的是，第七实施例的半导体器件还具有以下特点：所述螺旋高阻场板层301在俯视图10中所示的四个延伸方向中(图中的“上、下、左、右”)，有三个方向与附近的电浮空场板203维持平行，剩下一个延伸方向与附近的电浮空场板203呈一定的夹角＠。
实施例8
本发明的半导体器件的第八实施例的上表面俯视图如图11所示。与第一实施例相似，第八实施例的半导体的终端区亦具有位于绝缘介质层110表面的螺旋状延伸的条形高阻场板层301。与第一实施例不同的是，第八实施例的半导体器件还具有以下特点：所述螺旋高阻场板层301在俯视图10中所示的四个延伸方向(图中的“上、下、左、右”)与附近的电浮空场板203呈一定的夹角。
实施例9
本发明的半导体器件的第九实施例的上表面俯视图如图12所示。与第一实施例相似，第九实施例的半导体的终端区亦具有位于绝缘介质层110表面的螺旋状延伸的条形高阻场板层301。与第一实施例不同的是，第九实施例的半导体器件还具有以下特点：如俯视图12中所示，所述电浮空场板203为非连续的环形。相应地，电浮空场板203下方的p型浮空区103亦可以为非连续的环形。
需要指出的是，尽管上文中已经公开了本发明的各种示例性实施例，但是对本领域的技术人员而言显而易见的是，执行相同功能的不同结构部件可以适当地替换。此外，参考特定图例解释的特征可以与其他图例的特征相结合，即便是在那些没有被明确提到的情况下。