专利名称：功率半导体器件的终端及功率半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体器件保护技术领域，尤其涉及一种功率半导体器件的终端及功率半导体器件。
背景技术：
目前，在功率半导体器件上都会形成一钝化层，以达更好的保护目的。该钝化层的相对介电常数一般均一且其值较大，因而这种钝化层的绝缘效果好，但是在钝化层的边界存在极化电荷，引起边界处的电场尖峰，因此高温高反偏电压下首先被击穿。所以，现有的钝化层成为限制功率半导体器件的可靠性的重要因素。图1是现有的功率半导体器件的终端结构示意图。请参照图1，该功率半导体器件包括重掺杂N型衬底1 (N+衬底1)、位于N+ 衬底1上面的N型缓冲层2、位于N型缓冲层2上面的轻掺杂N型外延层3 (N-型外延层3， 也就相当于功率半导体器件的主体半导体区域)和在N-型外延层3中形成的功能区域和保护区域。所谓主体半导体区是功率半导体器件中即形成有功能结构有形成有保护结构的半导体层。该功能区域为主结区域，图中P+型半导体层与N-型外延层形成的PN结称为主结。该保护区域具有沟道环4和截止环5等区域。在功率半导体器件还具有位于该保护区域上方的钝化层6，以提供进一步保护。现有技术中，钝化层6 —般的是采用3PSG钝化层工艺形成的，这种钝化层6将造成边界相对相对介电常数的很大突变引起较大的极化电荷密度，形成明显的电场尖峰而制约其设计应用。如果钝化层6是采用一些低相对介电常数的材料形成的，则使器件内电场达到一个安全值所需要该钝化层6的厚度会很厚的，所以，虽然采用低相对介电常数的材料有效地减小了边界极化电荷，但其降电场的能力减弱，需要有比一般工艺十倍以上的钝化层厚度，这增加了功率半导体器件的终端的厚度并浪费了材料。
发明内容
本发明为解决现有技术中的功率半导体器件的终端中的钝化层在减少表面极化电荷和提高压降能力方面的相矛盾的技术问题，提供一种功率半导体器件的终端。本发明提供的功率半导体器件的终端是这样实现的，一种功率半导体器件的终端，包括电场限制区、电场集中区和第一钝化层，所述电场限制区位于功率半导体器件的主体半导体区域中，所述电场集中区位于功率半导体器件的主体半导体区域上方，所述第一钝化层位于所述电场集中区的上方；厚度方向上，所述第一钝化层的相对介电常数呈第一三角函数变化。本发明还提供了一种功率半导体器件。该功率半导体器件是这样实现的，一种功率半导体器件，其中，包括上述功率半导体器件的终端。本发明的相对介电常数按三角函数变化的功率半导体器件的终端的钝化层可以将极化电荷由集中在电场线方向上的边界附近向钝化层内转移，从而有效地减少边界附近的极化电荷、降低边界处的电场尖峰，从而较现有技术该功率半导体器件的终端在相同厚度下可以提高耐压。
图1是现有的功率半导体器件的终端结构示意图；图2是本发明实施例的功率半导体器件的终端结构示意图；图3是图2示出的功率半导体器件的终端结构的简化示意图；图4A是第一钝化层的相对介电常数变化曲线图；图4B是电场限制区的相对介电常数变化曲线图；图5A是第一钝化层中电场曲线图；图5B是电场限制区中电场曲线图。
具体实施例方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例的功率半导体器件的钝化层，厚度方向上，所述钝化层的相对介电
常数呈第一三角函数变化。功率半导体器件的钝化层的相对介电常数按三角函数的改变，可以在相同面积的情况下较均勻相对介电常数的钝化层耐压要高，同时其厚度要小于均勻相对介电常数的钝化层的厚度。因为功率半导体器件的钝化层中相对介电常数递增区间有使极化电荷密度增加的趋势，相对介电常数递减区间则有使极化电荷密度递减的趋势，若所需降的电场强度相同，则降电场所需极化的极化电荷密度与钝化层厚度的积分基本一定。而相对介电常数按三角函数变化的钝化层可以将极化电荷由集中在电场线方向上的边界附近向钝化层内转移，从而有效地减少边界附近的极化电荷、降低边界处的电场尖峰(相当于维持该电场与极化电荷分布区的积分不变，增加了尖峰宽度而大大消减了电场尖峰)，从而提高了耐压。进一步优选，所述第一三角函数为A+Bsin (ω y+C)，A、B、ω、C为常数，y轴以厚度方向建立，其中，所述B的取值范围为1 12。B的值决定了该钝化层的最大相对介电常数值和最小相对介电常数值，一般希望该钝化层的相对介电常数低，这样在电场下总体产生的极化电荷就较少，因此，B的取值范围在1-10之间是比较合适的。A值的大小取决于该钝化层应用的功率半导体器件的主体半导体区的相对介电常数大小，A、B的值对该钝化层的相对介电常数的值起到了决定性作用，A的优选取值范围为2-11且大于等于B+1。一般A 值的大小等于该钝化层应用的功率半导体器件主体半导体区的相对介电常数大小，本领域技术人员是可以很容易获取的。ω、C的值用于调节该钝化层的相对介电常数值使该钝化层上下表面的相对介电常数值与各自相接触的接触处的相对介电常数值相同。不至于使应用的功率半导体器件产生相对介电常数突变、降低该功率半导体器件的耐压。进一步优选，所述钝化层的材料是绝缘材料或者弱导电材料。该绝缘材料一般选低相对介电常数、至少在300到400Κ保持性能稳定的绝缘材料，本发明实施例优选聚酰亚胺。该弱导电材料一般选低相对介电常数、在300到400Κ保持性能稳定的弱导电材料，优选多晶硅和多晶碳化硅中的一种为本发明实施例的弱导电材料，这样有利工艺上的实施和成本的降低。本发明实施例的功率半导体器件的钝化层可以应用于功率半导体器件中任何需要钝化层的地方，为了不使器件中相对介电常数突变，在应用时需要根据实际情况调节A、 B、ω、C的值使钝化层的相对介电常数在钝化层与功率半导体器件接触处相同。例如，某功率半导体器件的主体半导体区的相对介电常数大小为8时，与钝化层两表面相接触的层或者物质的相对介电常数值分别为8. 2、9，选择B为2时，就可以通过这些参数确定该钝化层的三角函数的具体参数ω、C的值，进而确定该钝化层的相对介电常数的大小。本发明提供的一种功率半导体器件的终端，包括电场限制区、电场集中区和第一钝化层，所述电场限制区位于功率半导体器件的主半导体区域内，所述电场集中区位于功率半导体器件的主半导体区域上方，所述第一钝化层位于所述电场集中区的上方；厚度方向上，所述第一钝化层的相对介电常数呈第一三角函数变化。功率半导体器件的所述第一钝化层的相对介电常数按三角函数的改变，可以在相同面积的情况下较均勻的高的相对介电常数的钝化层耐压要高，同时其厚度要小于均勻的低的相对介电常数的钝化层的厚度。 因为相对介电常数按三角函数变化的所述第一钝化层可以将极化电荷由集中在电场线方向上的边界附近向钝化层内转移，从而有效地减少边界附近的极化电荷、降低边界处的电场尖峰(相当于维持该电场与极化电荷分布区的积分不变，增加了尖峰宽度而大大消减了电场尖峰)，从而提高了耐压。现列举一实施例，以对本发明的功率半导体器件的终端进行详细。图2是本发明实施例的功率半导体器件的终端结构示意图。参照图2，功率半导体器件包括N+型衬底、位于N+型衬底上的N型缓冲层、位于N 型缓冲层上的N-型半导体区(相当于功率半导体器件的主体半导体层)、位于N-型半导体区中的P型掺杂的主结和终端结构。该终端结构包括一位于N-型半导体区中与主结接触的电场限制区100和距电场限制区100—定距离的N+截止环、位于N-型半导体区上表面的电场集中区200和位于电场集中区200上方的第一钝化层300。该电场限制区100与主结也可以相距一定距离。所述电场集中区200包括位于N-型半导体区上面的第二绝缘层210、位于第二绝缘层210上的过渡层220、位于过渡层220上的栅氧层230、位于栅氧层 230上第一绝缘层M0、位于第一绝缘层240上并在终端结构边缘处的金属层、位于栅氧层 230和第一绝缘层240之间的多晶硅层，该金属层位于电场限制区100远离主结的一侧，该多晶硅层位于第一一绝缘层240和栅氧层230之间并水平方向上与金属层相距一定距离， 以保证电场集中区200中的电位合适。该功率半导体器件是功率快速回复二极管(FRD)、M0S管(金属氧化物绝缘栅场效应管)、CMOS管(互补金属氧化物绝缘栅场效应管)、IGBT (绝缘栅双极型晶体管)等功率半导体器件。为了方便分析，现将图2简化得到图3，并建立两个坐标轴。对于第一钝化层300， 以第一钝化层300与电场集中区200接触处任一点为原点，向上的方向为正向建立yl轴。 对于电场限制区100，以电场限制区100与电场集中区200接触处任一点为原点，向下的方向为正向建立y2轴。图4A是第一钝化层的相对介电常数变化曲线图；图4B是电场限制区的相对介电常数变化曲线图。本发明实施例的第一钝化层300和电场限制区100的相对介电常数都按三角函数曲线变化。该第一钝化层300的上表面的相对介电常数是该层中最小的，并尽可能的接近1。该第一钝化层300此处采用上面描述的钝化层，即其相对介电常数按第一三角函数变化，该第一三角函数为A+BSin(coyl+C)，Α、Β、ω、C为常数；Α、Β、ω、C的取值按上面描述确定。该电场限制区100的相对介电常数按第二三角函数变化，D+Esin( θ y2+F)，D、E、 θ、F常数。D值的大小取决于该功率半导体器件的主体半导体区的相对介电常数大小，一般D值的大小等于该功率半导体器件的主体半导体层的相对介电常数大小，这个值本领域技术人员是可以很容易获取的。θ、F用于调节该电场限制区100的相对介电常数值使其和与该电场限制区100相接触的各层的相对介电常数相同，不至于使该功率半导体器件产生相对介电常数突变，降低该功率半导体器件的耐压。以B、E取值范围均为1 10为宜， 此处B为3、Ε为4，A、D为9，按照这种设计，耐压1200V时，第一钝化层的厚度为5 20微米，而传统的却需要50微米左右，大大降低了功率半导体器件的厚度。若B为5、E为6，A、 D为9，按照这种设计，耐压1200V时，第一钝化层的厚度为5 10微米。图5A是第一钝化层中电场曲线图、图5B是电场限制区中电场曲线区。从图5A、图 5B中可以看到第一钝化层的表面和电场限制区的底部都具有较小的电场，电压降主要集中在第一钝化层内部和电场限制区内，从而实现了本发明实施例的功率半导体器件的终端的耐压能力。同时由于变化的相对介电常数较单一较低的相对介电常数的钝化材料能更快降低电场而又不引起额外的极化电荷所引起的电场尖峰，因此需要的厚度也就降低了。为了使功率半导体器件的相对介电常数不产生突变，优选所述第一钝化层上表面的相对介电常数是第一钝化层内最小的、下表面的相对介电常数与接触的电场集中区的相对介电常数一致，所述沟道环最上面与接触的电场集中区的相对介电常数一致、最下面与主半导体区域内的相对介电常数一致。进一步优选，所述第一钝化层的材料是绝缘材料或者弱导电材料。该绝缘材料一般选低相对介电常数、至少在300到400K保持性能稳定的绝缘材料，本发明实施例优选聚酰亚胺。该弱导电材料一般选低相对介电常数、在300到400K保持性能稳定的弱导电材料， 优选多晶硅和多晶碳化硅中的一种为本发明实施例的弱导电材料，这样有利工艺上的实施和成本的降低。本实施例的第一钝化层的材料优选为聚酰亚胺。进一步优选，所述电场限制区的材料为弱导电材料，一般为多晶硅和多晶碳化硅中的一种。本实施例的电场限制区的材料优选为多晶碳化硅。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种功率半导体器件的终端，其特征在于，包括电场限制区、电场集中区和第一钝化层，所述电场限制区位于功率半导体器件的主体半导体区域中，所述电场集中区位于功率半导体器件的主体半导体区域上方，所述第一钝化层位于所述电场集中区的上方；厚度方向上，所述第一钝化层的相对介电常数呈第一三角函数变化。
2.如权利要求1所述的功率半导体器件的终端，其特征在于，所述第一钝化层的材料是绝缘材料或者弱导电材料。
3.如权利要求2所述的功率半导体器件的终端，其特征在于，所述绝缘材料是聚酰亚胺。
4.如权利要求2所述的功率半导体器件的终端，其特征在于，所述弱导电材料是多晶碳化硅或者多晶硅。
5.如权利要求1所述功率半导体器件的终端，其特征在于，所述第一三角函数为 A+Bsin( y+C)，ω、C为常数，y轴以厚度方向建立，A为主体半导体区域的相对介电常数， 其中，所述B的取值范围为1 12。
6.如权利要求5所述功率半导体器件的终端，其特征在于，所述第一钝化层的厚度为 5 20微米。
7.如权利要求1所述功率半导体器件的终端，其特征在于，所述电场限制区的材料为弱导电材料，厚度方向上，其相对介电常数呈第二三角函数变化。
8.如权利要求7所述的功率半导体器件的终端，其特征在于，所述第一钝化层上表面的相对介电常数与接触部分的相对介电常数一致、其下表面的相对介电常数与接触的部分电场集中区的相对介电常数一致；所述电场限制区最上面的相对介电常数与接触的部分电场集中区的相对介电常数一致、其最下面的相对介电常数与主体半导体区域内的相对介电常数一致。
9.如权利要求7所述的功率半导体器件的终端，其特征在于，所述第二三角函数为 D+Esin ( θ y+F)，θ、F常数，y轴以厚度方向建立，D为主体半导体区域的相对介电常数，其中，E的取值范围为1 12。
10.一种功率半导体器件，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述功率半导体器件的终端。
全文摘要
本发明提供了一种功率半导体器件的终端及功率半导体器件。该功率半导体器件的终端，包括电场限制区、电场集中区和第一钝化层，所述电场限制区位于功率半导体器件的主体半导体区域中，所述电场集中区位于功率半导体器件的主体半导体区域上方，所述第一钝化层位于所述电场集中区的上方；厚度方向上，所述第一钝化层的相对介电常数呈第一三角函数变化。本发明的相对介电常数按三角函数变化的功率半导体器件的终端的钝化层可以将极化电荷由集中在电场线方向上的边界附近向钝化层内转移，从而有效地减少边界附近的极化电荷、降低边界处的电场尖峰，从而较现有技术该功率半导体器件的终端在相同厚度下可以提高耐压。
文档编号H01L29/06GK102208435SQ20101014097
公开日2011年10月5日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者吴家键, 周振强, 杨飒飒, 江堂华, 蔡桥斌 申请人:比亚迪股份有限公司