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专利名称：一种功率半导体器件终端保护区结构

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411142537.1

专利申请（专利权）人：无锡新洁能股份有限公司
权利人地址：江苏省无锡市新吴区电腾路6号

专利发明（设计）人：朱袁正,周锦程,李宗清

专利摘要：本发明涉及一种功率半导体器件终端保护区结构。本发明包括第一终端保护区；第二终端保护区，与第一终端保护区相连；多个P型柱，沿第一方向平行分布；多个N型柱，对应设置于相邻P型柱之间；其中，多个P型柱和多个N型柱均位于有源区和第一终端保护区，且沿第二方向延伸至第二终端保护区，并在第二终端保护区内停止，各P型柱和各N型柱沿第三方向延伸，第一方向、第二方向和第三方向两两垂直，且第一方向和第二方向与水平面平行；至少一个N型隔断区，设置于第二终端保护区内，N型隔断区能够将P型柱隔断。通过设置N型隔断区将传统终端的一个电场尖峰变为多个电场尖峰，从而降低电场峰值，提高终端可靠性并增大器件的击穿电压窗口。

主权利要求：
1.一种功率半导体器件终端保护区结构，所述终端保护区结构围绕于有源区外侧设置，所述有源区与所述终端保护区结构设置于N型的半导体基板（7）上，其特征在于，所述终端保护区结构包括：第一终端保护区；
第二终端保护区，与所述第一终端保护区相连；
多个P型柱（1），在所述N型的半导体基板（7）的表面沿第一方向平行分布；
多个N型柱（2），对应设置于相邻所述P型柱（1）之间；其中，多个所述P型柱（1）和多个所述N型柱（2）均位于所述有源区和所述第一终端保护区内，且沿第二方向延伸至所述第二终端保护区，并在所述第二终端保护区内停止，各所述P型柱（1）和各所述N型柱（2）沿第三方向延伸，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向两两垂直，且所述第一方向和所述第二方向与水平面平行；
至少一个N型隔断区（3），设置于所述第二终端保护区内，所述N型隔断区（3）将所述P型柱（1）隔断；
在所述有源区内，所述半导体基板（7）垂直于所述第三方向的一表面设置有绝缘介质层（8），所述绝缘介质层（8）表面设置有源极金属（4）；
沿所述第二方向距离所述源极金属（4）最近的所述N型隔断区（3）与所述源极金属（4）的间距大于所述P型柱（1）沿所述第三方向延伸的长度。
2.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件终端保护区结构，其特征在于，在所述有源区内，所述N型柱（2）垂直于所述第三方向的一表面设置有P型阱区（5），所述绝缘介质层（8）内设置通孔（6），所述源极金属（4）通过所述通孔（6）与所述P型阱区（5）欧姆接触。
3.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件终端保护区结构，其特征在于，所述N型隔断区（3）的电阻率与所述N型柱（2）的电阻率相同。
4.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件终端保护区结构，其特征在于，所述N型隔断区（3）垂直于所述第二方向的两个侧壁与所述P型柱（1）连接。
5.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件终端保护区结构，其特征在于，所述N型隔断区（3）垂直于所述第一方向的两个侧壁与所述N型柱（2）连接。
6.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件终端保护区结构，其特征在于，所述N型隔断区（3）沿所述第二方向延伸的长度范围为0.5μm至5μm。
7.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件终端保护区结构，其特征在于，在所述第二方向上，相邻两个所述N型隔断区（3）之间的间距大于1.5μm。 说明书 : 一种功率半导体器件终端保护区结构技术领域[0001] 本发明涉及功率半导体器件技术领域，尤其是指一种功率半导体器件终端保护区结构。背景技术[0002] 超结功率器件是一种通过在N型柱与P型柱之间交替设置，以在耐压时实现电荷平衡的功率器件。相比于传统功率器件，其导通电阻具有显著优势。[0003] 如图2所示，为传统结构芯片表面边角处的俯视结构示意图。在该图中，有源区与第一终端保护区内的P型柱和N型柱沿y方向延伸，并进入第二终端保护区后停止。图9则为图2中标记为002区域的三维结构示意图。根据图9，在击穿时该区域的等势线分布如图10所示，图中005区域内的等势线分布非常密集，这种现象会导致击穿点集中出现在P型柱的端点处。图11展示了图9中结构在击穿时的碰撞电离率分布图，击穿点位于图示的006区域，即P型柱的端点处。图12则为沿着图11中虚线CD截取的剖面结构示意图，而沿图12中的虚线C’D’截取的电场分布如图13所示，图中在靠近虚线C’D’的端点D’处，即P型柱的端点，存在最高的电场尖峰。这一现象表明传统结构中的P型柱端点电场过高的问题，特别是在P型柱的P型杂质浓度偏高时问题尤为突出。[0004] 图4展示了传统终端结构的击穿电压随P型柱浓度（P型杂质浓度）变化的曲线图。在传统终端结构中，当击穿电压达到峰值后，随着P型柱杂质浓度的增加，击穿电压会迅速下降，这将导致超结功率器件的击穿电压窗口缩。档筒返牧悸。发明内容[0005] 为此，本发明提供一种功率半导体器件终端保护区结构，通过设置N型隔断区将传统终端的一个电场尖峰变为多个电场尖峰，从而降低了电场峰值，提高了终端的可靠性并增大了超结功率器件的击穿电压窗口。[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种功率半导体器件终端保护区结构，所述终端保护区结构围绕于有源区外侧设置，所述有源区与所述终端保护区结构设置于N型的半导体基板上，所述终端保护区结构包括：[0007] 第一终端保护区；[0008] 第二终端保护区，与所述第一终端保护区相连；[0009] 多个P型柱，在所述N型的半导体基板的表面沿第一方向平行分布；[0010] 多个N型柱，对应设置于相邻所述P型柱之间；其中，多个所述P型柱和多个所述N型柱均位于所述有源区和所述第一终端保护区内，且沿第二方向延伸至所述第二终端保护区，并在所述第二终端保护区内停止，各所述P型柱和各所述N型柱沿第三方向延伸，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向两两垂直，且所述第一方向和所述第二方向与水平面平行；[0011] 至少一个N型隔断区，设置于所述第二终端保护区内，所述N型隔断区将所述P型柱隔断。[0012] 在本发明的一种实施方式中，在所述有源区内，所述半导体基板垂直于所述第三方向的一表面设置有绝缘介质层，所述绝缘介质层表面设置有源极金属。[0013] 在本发明的一种实施方式中，在所述有源区内，所述N型柱垂直于所述第三方向的一表面设置有P型阱区，所述绝缘介质层内设置通孔，所述源极金属通过所述通孔与所述P型阱区欧姆接触。[0014] 在本发明的一种实施方式中，沿所述第二方向距离所述源极金属最近的所述N型隔断区与所述源极金属的间距大于所述P型柱沿所述第三方向延伸的长度。[0015] 在本发明的一种实施方式中，所述N型隔断区的电阻率与所述N型柱的电阻率相同。[0016] 在本发明的一种实施方式中，所述N型隔断区垂直于所述第二方向的两个侧壁与所述P型柱连接。[0017] 在本发明的一种实施方式中，所述N型隔断区垂直于所述第一方向的两个侧壁与所述N型柱连接。[0018] 在本发明的一种实施方式中，所述N型隔断区沿所述第二方向延伸的长度范围为0.5μm至5μm。[0019] 在本发明的一种实施方式中，在所述第二方向上，相邻两个所述N型隔断区之间的间距大于1.5μm。[0020] 本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：[0021] 本发明所述的一种功率半导体器件终端保护区结构，通过设置N型隔断区，将传统终端中的单个电场尖峰分解为多个电场尖峰，从而有效降低了电场峰值，提高了终端的耐压性能，避免了击穿现象发生在终端保护区内。当击穿电压达到峰值后，随着P型柱杂质浓度的增加，击穿电压的下降速度减缓，这使得超结功率器件的击穿电压窗口得以扩大，最终提升了产品的良率。本发明的制造工艺与现有工艺高度兼容，工艺流程简单，便于实际生产中的应用。附图说明[0022] 为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。[0023] 图1是本发明功率半导体器件在芯片表面边角处的俯视结构示意图。[0024] 图2是传统结构芯片表面边角处的俯视结构示意图。[0025] 图3是沿着图1中的虚线MN截得的剖面结构示意图。[0026] 图4是本发明终端保护区结构与传统保护区结构的击穿电压随着P型柱浓度变化而变化的曲线图。[0027] 图5是图1中标记为001区域的三维结构示意图。[0028] 图6是图5中的结构在击穿时的等势线分布图。[0029] 图7是图5中的结构在击穿时的碰撞电离率分布图。[0030] 图8是沿着图7中的虚线AB截得的剖面结构示意图。[0031] 图9是图2中标记为002区域的三维结构示意图。[0032] 图10是图9中的结构在击穿时的等势线分布图。[0033] 图11是图9中结构在击穿时的碰撞电离率分布图。[0034] 图12是沿着图11中的虚线CD截取的剖面结构示意图。[0035] 图13是沿着图8中的虚线A’B’与图12中的虚线C’D’截得的器件击穿时的电场分布图。[0036] 说明书附图标记说明：[0037] 1、P型柱；[0038] 2、N型柱；[0039] 3、N型隔断区；[0040] 4、源极金属；[0041] 5、P型阱区；[0042] 6、通孔；[0043] 7、半导体基板；[0044] 8、绝缘介质层。具体实施方式[0045] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。[0046] 本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0047] 本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。[0048] 本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。[0049] 参照图1、图5所示，本发明的一种功率半导体器件终端保护区结构，所述终端保护区结构围绕于有源区外侧设置，所述有源区与所述终端保护区结构设置于N型的半导体基板7上，所述终端保护区结构包括：[0050] 第一终端保护区；[0051] 第二终端保护区，与所述第一终端保护区相连；[0052] 多个P型柱1，在所述N型的半导体基板7的表面沿第一方向平行分布；[0053] 多个N型柱2，对应设置于相邻所述P型柱1之间；其中，多个所述P型柱1和多个所述N型柱2均位于所述有源区和所述第一终端保护区内，且沿第二方向延伸至所述第二终端保护区，并在所述第二终端保护区内停止，各所述P型柱1和各所述N型柱2沿第三方向延伸，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向两两垂直，且所述第一方向和所述第二方向与水平面平行；所述第一方向和所述第二方向具体为图1中x方向和y方向；[0054] 至少一个N型隔断区3，设置于所述第二终端保护区内，所述N型隔断区3将所述P型柱1隔断。[0055] 在实际生产过程中，由于P型柱的P型杂质浓度可能存在较大波动，通过设置N型隔断区3，以确保在击穿电压达到峰值后，击穿电压能够随P型柱杂质浓度的增加而缓慢降低。通过上述设计，可以有效扩大超结功率器件的击穿电压窗口，从而显著提升产品的良率。[0056] 本实施例中，参照图1所示，在所述P型柱1上设置3个N型隔断区3，所述N型隔断区3将P型柱1完全隔断（断裂）。[0057] 具体地，参照图3所示，在所述有源区内，所述半导体基板7垂直于所述第三方向的一表面设置有绝缘介质层8，所述绝缘介质层8表面设置有源极金属4。[0058] 具体地，在所述有源区内，所述N型柱2垂直于所述第三方向的一表面设置有P型阱区5，所述绝缘介质层8内设置通孔6，所述源极金属4通过所述通孔6与所述P型阱区5欧姆接触。[0059] 具体地，沿所述第二方向距离所述源极金属4最近的所述N型隔断区3与所述源极金属4的间距大于所述P型柱1沿所述第三方向延伸的长度。[0060] 本实施例中，离源极金属4距离最近的N型隔断区3的边缘距离源极金属4边缘50μm。[0061] 所述P型柱1从半导体基板7的顶部向基板的底部垂直延伸（即沿第三方向延伸），垂直延伸的长度为41μm。[0062] 具体地，所述N型隔断区3的电阻率与所述N型柱2的电阻率相同。[0063] 具体地，所述N型隔断区3垂直于所述第二方向的两个侧壁与所述P型柱1连接；所述N型隔断区3垂直于所述第一方向的两个侧壁与所述N型柱2连接。[0064] 具体地，所述N型隔断区3沿所述第二方向延伸的长度范围为0.5μm至5μm。本实施例中，为1μm。[0065] 具体地，在所述第二方向上，相邻两个所述N型隔断区3之间的间距大于1.5μm。本实施例中，为5μm。[0066] 如图5所示，该图展示了图1中001区域的三维结构示意图。图6中展示了该结构在击穿时的等势线分布情况。在003区域内，等势线分布均匀，这种均匀分布有效避免了击穿点出现在P型柱1的端点。图7显示了图5中结构在击穿时的碰撞电离率分布图，击穿点位于004区域，即有源区内P型柱1的底部，属于有源区内的击穿。沿虚线AB截取的剖面结构示意图如图8所示，而沿图8中虚线A'B'截取的电场分布见图13中的实线。图13中展示的电场分布图中存在四个电场尖峰，这四个电场尖峰分别对应于3个N型隔断区3以及1个P型柱1的末端。每个电场尖峰的强度均低于传统终端设计的电场尖峰。[0067] 如图4所示，本发明终端与传统终端的击穿电压随P型柱浓度变化的曲线图展示了两者的性能对比。可以看到，在击穿电压达到峰值后，随着P型柱杂质浓度的增加，本发明终端的击穿电压下降速度明显比传统结构更为缓慢。如果假设本发明终端和传统终端均需满足K值的击穿电压，则本发明终端的P型柱掺杂浓度工艺窗口为G至F，传统终端的为G至E。由于本发明终端的P型柱掺杂浓度工艺窗口G至F较大，因此在制造过程中，产品的良率也显著提升。此外，本发明的制造工艺与现有工艺高度兼容，工艺流程简单，便于实际生产中的应用。[0068] 本发明通过设置N型隔断区3，将传统终端中的单个电场尖峰分解为多个电场尖峰，从而有效降低了电场峰值，提高了终端的耐压性能，避免了击穿现象发生在终端保护区内。当击穿电压达到峰值后，随着P型柱杂质浓度的增加，击穿电压的下降速度减缓，这使得超结功率器件的击穿电压窗口得以扩大，最终提升了产品的良率。[0069] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

专利地区：江苏

专利申请日期：2024-08-20

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118658873B