一种高耐压小面积的新型结终端结构及应用

本发明属于功率半导体，尤其涉及一种高耐压小面积的新型结终端结构及应用。

背景技术：

1、功率半导体，即进行功率处理的半导体器件，是进行电能处理和转换的半导体产品，是电力电子系统的核心器件，广泛用于诸如消费电子、电动汽车、工业电子等领域。功率器件包含功率二极管、功率开关器件与功率集成电路等。

2、为了改善器件有源区边缘的曲率效应及划片对器件耐压带来的负面影响，采用了结终端技术以提高器件的耐压特性。然而，结终端占芯片面积较大，其引入降低了器件的功率密度，结终端面积越小器件功率密度越大，成本越低，因此如何在保证器件耐压的条件下减小结终端的体积是非常值得研究的问题。

3、常见常规结终端结构为浮空场限环，包含场限环、场板和截止环。等场限环和场板用于改善元胞区边缘的曲率效应，扩展芯片的耗尽区避免电场集中造成的耐压能力的下降；截止环则是用于将芯片的背面电场引到芯片表面，并防止耗尽区延伸到芯片边缘，从而可以有效避免边缘泄漏电流过高，降低芯片烧毁的风险程度。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：结终端占芯片面积较多，影响了有源区的芯片占比，降低了器件的功率密度，提高了芯片成本。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高耐压小面积的新型结终端结构及应用。

2、本发明的技术方案的必要技术特征包括：一个包含有源区和结终端区的高耐压小面积新型结终端结构。有源区由带载流子存储层的沟槽栅fs+igbt结构构成，涵盖n+发射极区、p+发射极区、p型基区及其下方的载流子存储层和n型衬底。结终端区域则包括从有源区延伸出的主结场板，以及三组由p+接触区、p型场限环、多晶硅场板、沟槽结构下方的p环和金属场板组成的沟槽场板场限环结构，及不同场板场限环之间的多层场氧结构。这种结构有效提高了器件的耐压能力，同时保持小面积，适用于高效能、高密度电子应用场景。

3、本发明是这样实现的，一种高耐压小面积的新型结终端结构，一个包含有源区和结终端区的高耐压小面积新型结终端结构。有源区由带载流子存储层的沟槽栅fs+igbt结构构成，涵盖n+发射极区、p+发射极区、p型基区及其下方的载流子存储层和n型衬底。结终端区域则包括从有源区延伸出的主结场板，以及三组由p+接触区、p型场限环、多晶硅场板、沟槽结构下方的p环和金属场板组成的沟槽场板场限环结构，及不同场板场限环之间的多层场氧结构。这种结构有效提高了器件的耐压能力，同时保持小面积，适用于高效能、高密度电子应用场景。

4、进一步，所述高耐压小面积的新型结终端结构包括有源区和结终端区；

5、有源区为带载流子存储层的沟槽栅fs+igbt结构，包括连接发射极的n+发射极区与p+发射极区，p型基区与p型基区下方的载流子存储层，n型衬底；背面的n型场截止层与p+集电极区，以及由连接栅极的n型多晶硅与多晶硅外侧包围的栅氧化层组成的沟槽栅结构，同时沟槽栅下方有p型屏蔽环；

6、结终端区域的结构包括：有源区延伸出的主结场板；以及由第一p+接触区、第一p型场限环、第一多晶硅场板、第一沟槽结构下方的第一p环与第一金属场板组成的第一沟槽场板场限环结构；由第二p+接触区、第二p型场限环、第二多晶硅场板、第二沟槽结构下方的第二p环与第二金属场板组成的第二沟槽场板场限环结构；由第三p+接触区、第三p型场限环、第三多晶硅场板、第三沟槽结构下方的第三p环与第三金属场板组成的第三沟槽场板场限环结构；以及截止环场板与n型截止环；另外主结与第一沟槽场板场限环之间有主结场氧，第一沟槽场板场限环与第二沟槽场板场限环之间有第一场氧，第二沟槽场板场限环与第三沟槽场板场限环之间有第二场氧，第三沟槽场板场限环右侧有第三场氧。

7、进一步，结终端结构的沟槽场板场限环数量不止三个，具体环数根据需求耐压值确定。

8、进一步，沟槽场限环内的多晶硅场板与金属场板直接连通且电位浮空，构成双层场板结构，该结构在硅衬底中产生两个电场峰值。

9、进一步，沟槽场板场限环内沟槽结构下方的p环的扩散深度大于有源区沟槽栅下方的p型屏蔽环，增大p环的扩散深度使p环的曲率半径更大。

10、进一步，截止环场板与n型截止环构成的截止环位于结终端的最边缘。

11、本发明的另一目的在于提供一种高耐压小面积的新型结终端结构在mosfet、二极管、三极管等器件中的应用。

12、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

13、第一，本发明提供一种高耐压小面积的新型结终端结构，通过在传统场限环中引入浮空沟槽栅结构，同时在沟槽底注入深扩散的p型保护环，加大了结深，从而抑制了每个场限环的曲率效应，使电场分布更加均匀，耐压提高。

14、本发明提出的新型结终端结构相比传统结终端结构拥有更强的耐压能力。在相同的耐压下，本发明提出的新型结终端结构面积减少20％以上，降低了器件生产成本。

15、本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明提出的新型结终端结构在相同耐压下面积减少20％以上，降低了芯片生产成本。

16、第二，本发明提供的高耐压小面积的新型结终端结构的设计，引入了许多先进的工艺和技术，这带来了显著的技术进步：

17、1)小面积设计：新型结终端结构采用小面积设计，这有助于在有限的空间内实现更高的集成度。

18、2)高耐压性能：新型结终端结构具有高耐压性能，可以在高压环境下稳定工作，提高了器件的可靠性。

19、3)有源区设计：有源区采用带载流子存储层的沟槽栅fs+igbt结构，这种结构能有效提高载流子数量，降低了器件的导通损耗。

20、4)复杂的结终端区设计：结终端区域的设计包括多个p+接触区，多个场限环，多个多晶硅场板，多个沟槽结构下方的p环，以及多个金属场板等复杂结构，这些设计使得结终端区电场分布更加均匀，使得器件具有更高的耐压性能。

21、5)氧化层的应用：在不同的场限环结构之间，都使用了氧化层，这种设计能有效的隔离不同的结构，防止电流的泄漏，提高了器件的稳定性。

22、本发明的新型结终端结构的设计，不仅提高了器件的耐压性能，也提高了器件的集成度和稳定性，为半导体制造行业带来了显著的技术进步。

技术特征：

1.一种高耐压小面积的新型结终端结构，其特征在于，一个包含有源区和结终端区的高耐压小面积新型结终端结构；有源区由带载流子存储层的沟槽栅fs+igbt结构构成，涵盖n+发射极区、p+发射极区、p型基区及其下方的载流子存储层和n型衬底；结终端区域则包括从有源区延伸出的主结场板，以及三组由p+接触区、p型场限环、多晶硅场板、沟槽结构下方的p环和金属场板组成的沟槽场板场限环结构，及不同场板场限环之间的多层场氧结构。

2.如权利要求1所述的高耐压小面积的新型结终端结构，其特征在于，有源区为带载流子存储层的沟槽栅fs+igbt结构，包括连接发射极的n+发射极区与p+发射极区，p型基区与p型基区下方的载流子存储层，n型衬底；背面的n型场截止层与p+集电极区，以及由连接栅极的n型多晶硅与多晶硅外侧包围的栅氧化层组成的沟槽栅结构，同时沟槽栅下方有p型屏蔽环。

3.如权利要求1所述的高耐压小面积的新型结终端结构，其特征在于，结终端区域的结构包括：有源区延伸出的主结场板；以及由第一p+接触区、第一p型场限环、第一多晶硅场板、第一沟槽结构下方的第一p环与第一金属场板组成的第一沟槽场板场限环结构；由第二p+接触区、第二p型场限环、第二多晶硅场板、第二沟槽结构下方的第二p环与第二金属场板组成的第二沟槽场板场限环结构；由第三p+接触区、第三p型场限环、第三多晶硅场板、第三沟槽结构下方的第三p环与第三金属场板组成的第三沟槽场板场限环结构；以及截止环场板与n型截止环；另外主结与第一沟槽场板场限环之间有主结场氧，第一沟槽场板场限环与第二沟槽场板场限环之间有第一场氧，第二沟槽场板场限环与第三沟槽场板场限环之间有第二场氧，第三沟槽场板场限环右侧有第三场氧。

4.如权利要求1所述的高耐压小面积的新型结终端结构，其特征在于，结终端结构的沟槽场板场限环数量不止三个，具体环数根据需求耐压值确定。

5.如权利要求1所述的高耐压小面积的新型结终端结构，其特征在于，沟槽场限环内的多晶硅场板与金属场板直接连通且电位浮空，构成双层场板结构，该结构在硅衬底中产生两个电场峰值。

6.如权利要求1所述的高耐压小面积的新型结终端结构，其特征在于，沟槽场板场限环内沟槽结构下方的p环的扩散深度大于有源区沟槽栅下方的p型屏蔽环，增大p环的扩散深度使p环的曲率半径更大。

7.如权利要求1所述的高耐压小面积的新型结终端结构，其特征在于，截止环场板与n型截止环构成的截止环位于结终端的最边缘。

8.一种如权利要求1～5任一项所述的高耐压小面积的新型结终端结构在mosfet、二极管、三极管等器件中的应用。

技术总结
本发明属于功率半导体技术领域，公开了一种高耐压小面积的新型结终端结构及应用，包括有源区和结终端区；有源区为带载流子存储层的沟槽栅FS+IGBT结构，结终端区域包括主结场板，第一沟槽场板场限环结构，第二沟槽场板场限环结构，第三沟槽场板场限环结构，截止环场板与N型截止环，主结场氧，第一场氧，第二场氧，第三场氧。本发明在传统场限环中引入浮空沟槽栅结构，在沟槽底注入深扩散的P型保护环，抑制了每个场限环的曲率效应，使电场分布更均匀，耐压提高。本发明的新型结终端结构相比传统结终端结构拥有更强的耐压能力；在相同的耐压下，本发明的新型结终端结构面积减少20％以上，降低了器件生产成本低。

技术研发人员：伍伟,喻明康,舒玉露
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25