带有超级结结构设计的半导体器件的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型涉及一种应用在功率半导体场效应晶体管器件中的带有超级结结构设计的半导体器件，在半导体器件的一个有源区的外延层中形成的第二导电类型的多个第一立柱，在半导体器件的一个终端区的外延层中形成的第二导电类型的多个第二立柱，位于有源区和终端区之间的过渡区，由多个第一立柱和多个第三立柱相互交替配置从而籍由它们相反的导电类型实现有源区的电荷平衡，多个第二立柱和多个第三立柱相互交替配置从而籍由它们相反的导电类型实现终端区的电荷平衡。
【专利说明】
带有超级结结构设计的半导体器件
技术领域
[0001]本实用新型主要是关于半导体器件领域，更确切地说，是涉及一种应用在功率半导体场效应晶体管器件中的带有的超级结结构。
【背景技术】
[0002]在功率半导体场效应晶体管器件领域，在传统的超级结结构设计中，相对于晶体管器件有源区的元胞设计，终端设计以及过渡区的设计是一个难点。一般的设计在大电流击穿或者其非钳位电感性负载开关过程UIS发生时很容易造成过渡区提前击穿，从而使得整个器件的耐用度较低，甚至无法在有少许感性负载电路中应用。如英飞凌提出的超级结结构设计中对提前击穿位置的分析，发现在过渡区的出现了过低的击穿电压，其通过对过渡区中的有源区的P-立柱优化，从而实现更高的击穿电压。在具有长条形的晶胞结构的超级结结构设计中，同样也存在类似英飞凌提出的问题。由此，在设计上有着更高耐用度的终端结构，和过渡区结构是得到高耐用度超级结结构设计器件的关键。
[0003]功率金属氧化物半导体场效应晶体管典型应用于需要功率转换和功率放大的器件中，例如典型的功率转换器件就是双扩散DM0SFETO具本领域通常知识者皆知道，处于工作态的器件中大部分的击穿电压BV都由器件的漂移区或称漂流区承载，如果试图提供较高的击穿电压BV，漂移区通常需要轻掺杂浓度，然而轻掺杂的漂移区随之而来也会产生比较高的导通电阻值RDS0N。常规的晶体管其RDSON与BV2.5大体成正比。因此对于传统的晶体管，随着击穿电压BV的增加RDSON也显著增大。
[0004]基于业界面临的瓶颈，超级结晶体管结构被广泛应用在半导体器件上，例如1988年飞利浦公司的DJ.COE申请的US4754310美国专利，以及1993年电子科技大学的陈星弼教授所申请的US91101845美国专利，和1995年西门子公司的J.TIHANYI所申请的美国专利US5438215等。超级结晶体管优势在于，提出了一种可以在维持很高的断开状态击穿电压BV的同时，获得很低的导通电阻RDSON的方法。超级结器件含有形成在漂移区中的交替的P型和N型掺杂立柱。在MOSFET器件的断开状态时，在实际上相对很低的电压条件下，交替的立柱就可以完全耗尽，从而能够维持很高的击穿电压，因为立柱横向耗尽而导致整个P型和N型立柱耗尽。对于超级结晶体管其导通电阻RDSON的增加与击穿电压BV成正比，比传统的半导体结构增加地更加缓慢。因此对于相同的高击穿电压BV，超级结器件比传统的MOSFET器件具有更低的RDS0N，或者说对于指定的RDSON值，超级结器件比传统的MOSFET具有更高的BV0
[0005]在超级结器件中拐角和终端区在内的各区域电荷都需要平衡。虽然在有源区的中心部分中P立柱可以处于均匀的水平行列，这样很容易达到电荷平衡。然而在边缘和拐角处，却很难获得电荷平衡，由此导致这些区域中的击穿电压BV较低，而且器件的耐用性较差。正是在这一前提下提出了本实用新型的各种实施例。
【实用新型内容】
[0006]在本实用新型的一个实施例中个，披露了一种带有超级结结构设计的半导体器件，包括:一个第一导电类型的衬底和位于该衬底之上的一个第二导电类型的外延层;在半导体器件的一个有源区的外延层中形成的第二导电类型的多个第一立柱;在半导体器件的一个终端区的外延层中形成的第二导电类型的多个第二立柱;一个位于有源区和终端区之间的过渡区；其中有源区中位于相邻第一立柱间的外延层和终端区中位于相邻第二立柱间的外延层定义为第一导电类型的第三立柱;籍由多个第一立柱和多个第三相互交替从而籍由它们相反的导电类型实现有源区的电荷平衡，籍由多个第二立柱(P立柱)和多个第三立柱(P立柱)相互交替从而籍由它们相反的导电类型实现终端区的电荷平衡。
[0007]上述的带有超级结结构设计的半导体器件，第一立柱的宽度大于第二立柱的宽度。
[0008]述的带有超级结结构设计的半导体器件，有源区中相邻第一立柱之间的间距为L，终端区中相邻第二立柱之间的间距为LI，其中有源区中最邻近过渡区的一个第一立柱的中心到终端区中最邻近过渡区的一个第二立柱的中心之间的距离等于:1/2XL+1/2XL1。
[0009]述的带有超级结结构设计的半导体器件，有源区中最邻近过渡区的一个第一立柱的宽度为SI，以及有源区中不直接邻近过渡区的其他余下的第一立柱的宽度为S0，其中SI小于so。
[0010]述的带有超级结结构设计的半导体器件，其中限定(SO— SI)+SO的值在2%-20%的范围以内。
[0011]述的带有超级结结构设计的半导体器件，终端区中最邻近过渡区的一个第二立柱的宽度为Tl，以及终端区中不直接邻近过渡区的其他余下的第二立柱的宽度为T0，其中Tl小于T0。
[0012]述的带有超级结结构设计的半导体器件，其中限定(TO— Tl) +TO的值在2%-20%的范围以内。
[0013]述的带有超级结结构设计的半导体器件，有源区中相邻第一立柱之间的间距为L，终端区中相邻第二立柱之间的间距为LI，其中有源区中最邻近过渡区的一个第一立柱的中心到终端区中最邻近过渡区的一个第二立柱的中心之间的距离等于:1/2XL+1/2XL2，其中L2大于LI。
[0014]述的带有超级结结构设计的半导体器件，第一立柱和第二立柱的深度范围在5um-80um以内ο
[0015]述的带有超级结结构设计的半导体器件，第一立柱和第二立柱的掺杂浓度相同。
【附图说明】
[0016]阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本实用新型的特征和优势将显而易见:
[0017]图1是超级结结构设计的基本架构。
[0018]图2是过渡区和有源区及终端区电场的分布示意图。
[0019]图3是超级结结构设计的减小有源区P立柱的可选实施例的示意图。
[0020]图4是超级结结构设计的增加过渡区N立柱宽度的实施例的示意图。
[0021]图5是超级结结构设计的减小终端区P立柱的可选实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合各实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚完整的阐述，但所描述的实施例仅是本实用新型用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，基于该等实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本实用新型的保护范围。
[0023]参见图1，展示了典型的超级结器件100的一部分有源区域的剖面图，注意该晶体管结构仅仅是便于阐明本实用新型的内容而并不意味着本实用新型受限于该特定的器件结构。超级结器件100的有源区域201设置有一个形成在适当掺杂的例如重掺杂N+型衬底102上的垂直场效应晶体管结构，如N沟道型MOSFET器件，衬底102主要作为漏极区并且在其衬底102底面设置有一个与衬底具有欧姆接触的电极如漏极。适当掺杂的N—型外延层或者N—型漂移层/漂流层104位于衬底102的上方，漂移层104的掺杂浓度要低于衬底102的掺杂浓度。超级结Super-Junct1n结构包含有交替设置的P—型立柱Pillarl20和N—型立柱122，它们均形成在漂移层104之中。注有源区201中具有P—型立柱120而在过渡区202和终端区203中则具有P—型立柱121。在漂移层104中间隔植入若干P型掺杂物，形成多个相互分离的P—型立柱120到漂移层104中，而漂移层104位于相邻P—型立柱120或者P—型立柱121之间的区域则构成了N—型立柱122，使有源区201具有多个P—型立柱120和多个N—型立柱122相互交替出现则可籍由它们相反的导电类型来实现电荷平衡。在过渡区202和终端区203中具有多个P—型立柱121和多个N—型立柱122相互交替出现则由它们相反的导电类型来实现电荷平衡。这里所谓的过渡区202是指从有源区201过渡到终端区203之间的区域。
[0024]在MOSFET关断时，垂直的P立柱120、121与N立柱122之间建立电场，导致它们间的PN结反向偏置形成耗尽层，将可垂直导电的N区耗尽，以此实现在垂直方向上可以承受很高的击穿电压。注意超级结器件100还包括在有源区中设置在每个P—型立柱120之上的一个P—型本体区106，和包括设在每个P—型本体区106内的多个掺杂的N+源极区108以及设置在漂移层104上表面上方的多个栅极112。因为晶胞/元胞单元CELL或晶体管单元是重复出现的，现在以单独一个晶胞单元进行示范性描述，一个栅极112对应设置在相邻两个P—型本体区106各自的一部分区域的上方，该栅极112同时还设置在漂移层104位于该两个相邻P—型本体区106之间的区域的上方，两个P—型本体区106中一者内部的一个N+源极区108延伸到该栅极112的一侧边缘部分之下，两个P—型本体区106中另一者内部的一个N+源极区108也延伸到栅极112的相对另一侧边缘部分之下，并且栅极112通过氧化层115与下方的漂移层104或本体区106、源极区108绝缘。其中源极金属114接触源极区108，图中接触孔穿过钝化层或者氧化层115并向下延伸到本体区106中，而且接触孔中填充有金属材料构成的栓塞110，所以源极金属114通过金属栓塞110欧姆接触到源极区108。当在施加适当电压至栅极112上的条件下，可在漂移层104位于该相邻两个P—型本体区106之间的区域(也即N型立柱122的顶部区域)和源极区108间构建载流子的导电沟道，其中导电沟道形成于本体区106顶部的位于栅极112下方的区域并且是在源极区108和漂移层104之间，而与源极金属114具有欧姆接触的源极区108中的电子则通过导电沟道进入被耗尽的垂直的N型立柱122并中和正电荷，从而恢复N型立柱122被耗尽的N—型导电特性，由于垂直N型立柱122在器件的开启阶段具有比较低的电阻率，因而超级结器件100的整体导通电阻较常规MOSFET将明显降低。
[0025]在图1的实施例中，在超级结结构设计的终端结构中采用单元结构更小的晶胞结构，例如终端区203中的P型立柱121之间的间距LI小于有源区201中P型立柱120之间的间距L(LKL)，注意这里的间距PITCH的具体定义为:有源区201中某一个P型立柱120的中心线到相邻另一个P型立柱120的中心线之间的距离是L，同样终端区203中某一个P型立柱121的中心线到相邻另一个P型立柱121的中心线之间的距离是LI。同时还保持在终端区203和过渡区202的P-柱注入窗口的密度/掺杂浓度同有源区201的P-柱一致。有源区201的P型立柱120(p-pillar)的宽度S0，在终端区203(含过渡区202)的P型立柱120(p-pillar)的宽度T0。通过此超级结结构设计可以实现，终端区域BV-非平衡电荷曲线更大的窗口和更高的击穿电压，对于单个终端区晶胞而言由于更小的晶胞，单个p/n柱电荷更小，因此电场在整个终端区域中更均匀，峰值电场更低。还可以对终端和过渡区结构进行优化:在上述解决方案中由于过渡区情况的特殊往往容易造成即使拥有较好的终端设计但超级结结构设计器件也十分脆弱，甚至达不到静态击穿电压的设计要求。其原因为过渡区202承受更高的电场。通过仿真发现，重新调整此区域的p/n电荷比例，在过渡区202重新建立一个BV-1mbalance曲线可以实现使得过渡区202比晶胞区也即有源区201有更高的击穿电压，从而避免击穿现象过早的出现。完整的器件则工作在表征终端区203的电场曲线251、表征过渡区202的电场曲线252、表征有源区201的电场曲线253这三条曲线下所围成的公共区域。器件往往是设计工作在最顶部曲线位置(也即曲线253的线条顶部处)，而此处限制击穿的是设置有晶体管晶胞的有源区201，该处的电场强度实际是低于过渡区202同终端区203此时的击穿电压，因此过渡区202同终端区203不会出现提前击穿，而大部分雪崩电流将通过设置有晶体管晶胞区域的有源区201，从而提尚器件的击穿能力。
[0026]在图1的实施例中，有源区201相邻两个P立柱120之间的间距是L，有源区201中具有最边缘的一个靠近过渡区202的P立柱120-1，以及终端区203中具有最边缘的一个靠近过渡区202的P立柱121-1，有源区201中最边缘的P立柱120-1和终端区203中最边缘的P立柱121-1之间的距离是L。有源区201中P立柱120的宽度为SO，终端区203中P立柱121的宽度为TO，其中P立柱120-1的宽度为S0，P立柱120-1的宽度为T0。终端区203中相邻两个P立柱121之间的间距是LI，限定L1<L。
[0027]在图3的实施例中，减小过渡区202中临近有源区201晶胞侧的P-立柱120-1的宽度尺寸(由图1中的宽度SO减小为图2中的宽度SI)。如此一来，也实现了过渡区202的击穿电压BV-1mbalance曲线的重新设置。图2的实施方式除了有源区201中一个靠近过渡区202的P立柱120-1的宽度由SO减小为SI之外，其他与图1基本一致。
[0028]在图4的实施例中，增加过渡区202中临近终端区203处η-立柱122的尺寸，我们将过渡区202中η-立柱122的整体宽度划分为两部分，第一部分是靠近有源区201的那一部分，其宽度是1/2.L，第二部分是靠近终端区203的那一部分，其宽度是1/2.LI，那么过渡区202中η-立柱122的整体宽度的值等于[1/2.L+1/2.LI ]。在图3的实施例中主动将η-立柱122的靠近终端区20的第二部分的宽度由1/2.LI增加为宽度1/2.L2，其中L2大于LI。如此一来，同样也可以实现过渡区202的击穿电压BV-1mbalance曲线的重新设置。最终实现过渡区202和终端区203更高的击穿电压，使得器件更高的耐用度。图3的实施方式除了过渡区202中靠近终端区203的一个N立柱122的宽度由原始的[1/2.L+1/2.LI]变成[1/2.L+1/2.L2]之外，其他与图1基本一致。
[0029]根据上文介绍的内容，在一个可选的实施例中，终端区203中的P型立柱121的宽度基本相同，都为T0。而且终端区203中任意相邻两个P型立柱121之间的间距设为都为LI，终端区203中P型立柱121的数量为5个或者更多。终端区203中P型立柱121和有源区201中P型立柱120的宽度关系体现在:终端P型立柱121的宽度TO小于有源区201中P型立柱120的宽度S0，而且终端区203中任意相邻两个P型立柱121之间的间距LI小于有源区201中任意相邻两个P型立柱120之间的间距L。终端区203中P型立柱121的电荷密度(P柱注入窗口密度W1/L1)等于有源区201中P型立柱120的电荷密度(P柱注入窗口密度W0/L)。
[0030]根据上文介绍的内容，在一个可选的实施例中，针对过渡区202而言:在过渡中(有源区201结构过渡到终端区域203)p柱电荷密度(靠终端侧P柱注入窗口密度W1/L1)小于有源区或终端区P柱电荷密度(P柱注入窗口密度W0/L)，差别为2%-20%范围。此时也即终端区？立柱121-1的宽度1!设置为1'1〈1'0，(1'0-1'1)/1'0在2%-20%范围。该实施例在图5中有所体现，除了 Τ1〈Τ0之外，其他与图1基本一致，换言之，终端区203中不直接邻近过渡区202的P型立柱121(也即不包括P立柱121-1的其他所有的P型立柱)的宽度为T0，仅仅是P立柱121-1的宽度设为Tl，其中要求ΤΚΤ0。
[0031]根据上文介绍的内容，在一个可选的实施例中，针对过渡区202而言:在过渡中(有源区结构过渡到终端区域)P柱电荷密度(靠有源区侧P柱注入窗口密度WO’/L)小于有源区或终端区P柱电荷密度(P柱注入窗口密度W0/L)，差别为2%-20%范围。即S1〈S0，使得(S0-S1)/S0在2%-20%范围，例如图3的实施例，换言之，有源区201中不直接邻近过渡区202的P型立柱120 (也即不包括P立柱120-1的其他所有的P型立柱)的宽度为SO，仅仅是P立柱120-1的宽度被设置为SI，其中要求SI小于S0。
[0032]根据上文介绍的内容，在一个可选的实施例中，针对过渡区202而言:在过渡中(有源区结构过渡到终端区域)P柱电荷密度(靠终端侧η柱宽度度kl增加为k2，增加值为2%-20%范围，例如图4的实施例。
[0033]根据上文介绍的内容，在一个可选的实施例中，P-柱立柱120或121结构可以通过多次注入和多层外延形成，或采用深槽刻蚀和P型外延填充来形成。而且P-柱立柱120或121的结深度范围5um-80um。
[0034]以上，通过说明和附图，给出了【具体实施方式】的特定结构的典型实施例，上述实用新型提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本实用新型的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本实用新型的意图和范围内。
【主权项】
1.一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，包括: 一个第一导电类型的衬底和位于该衬底之上的一个第二导电类型的外延层； 在半导体器件的一个有源区的外延层中形成的第二导电类型的多个第一立柱； 在半导体器件的一个终端区的外延层中形成的第二导电类型的多个第二立柱； 一个位于有源区和终端区之间的过渡区； 其中有源区中位于相邻第一立柱间的外延层和终端区中位于相邻第二立柱间的外延层定义为第一导电类型的第三立柱； 多个第一立柱和多个第三立柱相互交替配置从而籍由它们相反的导电类型实现有源区的电荷平衡，多个第二立柱和多个第三立柱相互交替配置从而籍由它们相反的导电类型实现终端区的电荷平衡。2.根据权利要求1所述的一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，第一立柱的宽度大于第二立柱的宽度。3.根据权利要求1所述的一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，有源区中相邻第一立柱之间的间距为L，终端区中相邻第二立柱之间的间距为LI，其中有源区中最邻近过渡区的一个第一立柱的中心到终端区中最邻近过渡区的一个第二立柱的中心之间的距离等于:1/2 X L+l/2 X LI。4.根据权利要求1所述的一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，有源区中最邻近过渡区的一个第一立柱的宽度为SI，以及有源区中不直接邻近过渡区的其他余下的第一立柱的宽度为S0，其中SI小于SO。5.根据权利要求4所述的一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，其中限定(30 — 31)+30的值在2%-20%的范围以内。6.根据权利要求1所述的一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，终端区中最邻近过渡区的一个第二立柱的宽度为Tl，以及终端区中不直接邻近过渡区的其他余下的第二立柱的宽度为T0，其中Tl小于TO。7.根据权利要求6所述的一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，其中限定(TO — 11)+1'0的值在2%-20%的范围以内。8.根据权利要求1所述的一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，有源区中相邻第一立柱之间的间距为L，终端区中相邻第二立柱之间的间距为LI，其中有源区中最邻近过渡区的一个第一立柱的中心到终端区中最邻近过渡区的一个第二立柱的中心之间的距离等于:1/2\1^1/2\1^，其中1^大于1^1。9.根据权利要求1所述的一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，第一立柱和第二立柱的深度范围在5um-80um以内。10.根据权利要求1所述的一种带有超级结结构设计的半导体器件，其特征在于，第一立柱和第二立柱的掺杂浓度相同。
【文档编号】H01L29/78GK205564755SQ201620135830
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月23日
【发明人】马荣耀, 可瑞思
【申请人】中航（重庆）微电子有限公司