[發(fā)明專利]超結(jié)半導(dǎo)體器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210403233.7
• 申請(qǐng)日: 2012-10-19
• 公開（公告）號(hào): CN103066125A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田村隆博;大西泰彥;北村睦美
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 富士電機(jī)株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01L29/78
• 分類號(hào): H01L29/78;H01L29/06;H01L29/08
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 張?chǎng)?/td>

發(fā)明背景

1.技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及可應(yīng)用于MOSFET（絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、雙極晶體管等的超結(jié)半導(dǎo)體器件，其具有適于樹脂模密封結(jié)構(gòu)的高擊穿電壓和大電流容量。

2.相關(guān)技術(shù)

一般而言，垂直功率半導(dǎo)體器件具有這樣的結(jié)構(gòu)：其中導(dǎo)通狀態(tài)電流在半導(dǎo)體襯底的主表面之間在垂直方向上流動(dòng)，且在截止時(shí)由施加至主結(jié)的反向偏壓引起的耗盡層在主表面之間在垂直方向上延伸。為了在垂直功率半導(dǎo)體器件中獲得期望的擊穿電壓特性，首先，有必要將漂移層設(shè)計(jì)為與期望擊穿電壓相稱的層電阻和層厚度，從而避免達(dá)到硅半導(dǎo)體器件的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，且在低于期望擊穿電壓的擊穿電壓處發(fā)生擊穿。然而，擊穿電壓變得越高，電阻越高且漂移層所需的厚度越大，這意味著由導(dǎo)通態(tài)電流引起的電壓降（導(dǎo)通電阻）也增加一般是不可避免的。即，在垂直功率半導(dǎo)體器件中，從元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的視角而言，擊穿電壓特性和電壓降（導(dǎo)通電阻）特性通常是相互沖突的特性，且一般認(rèn)為難以獲得兩者同時(shí)得到改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。上述涉及垂直功率半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的擊穿電壓特性和電壓降特性之間的關(guān)系類型有時(shí)被稱為權(quán)衡關(guān)系。

超結(jié)半導(dǎo)體器件已知是通過其有可能消除此類型的權(quán)衡關(guān)系、并同時(shí)改進(jìn)這兩個(gè)特性的半導(dǎo)體器件。超結(jié)半導(dǎo)體器件是其中提供平行pn層的結(jié)構(gòu)，其中其雜質(zhì)濃度（層電阻）高于與已知設(shè)計(jì)的擊穿電壓相稱的雜質(zhì)濃度的多個(gè)n-型漂移區(qū)、并且p-型分隔區(qū)被交替地重復(fù)設(shè)置在相對(duì)于漂移層中的主表面垂直的方向中，且該結(jié)構(gòu)具有相對(duì)于主表面垂直的多個(gè)p-型結(jié)（例如，參看美國專利No.5,216,275、美國專利No.5,438,215、和JP-A-9-266311）。使用該超結(jié)半導(dǎo)體器件，即使當(dāng)漂移層雜質(zhì)濃度高于為設(shè)計(jì)擊穿電壓而設(shè)想的雜質(zhì)濃度時(shí)，當(dāng)在截止時(shí)耗盡層從平行pn結(jié)構(gòu)中的每一區(qū)之間的pn結(jié)擴(kuò)散時(shí)，平行pn結(jié)構(gòu)的每一區(qū)的寬度小到足以在低耐受電壓下被完全耗盡，意味著可能同時(shí)獲得低電壓降（低導(dǎo)通電阻）和增加的擊穿電壓。

同時(shí)，為了使得垂直功率半導(dǎo)體器件成為具有高擊穿電壓和高可靠性的半導(dǎo)體元件，在元件周邊部分中需要與高擊穿電壓相稱的擊穿電壓結(jié)構(gòu)。此類型的擊穿電壓結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在圍繞接觸元件主電流路徑的元件有源部分的周邊部分中的結(jié)構(gòu)，其具有電場(chǎng)集中緩和功能和耐電荷性。電場(chǎng)集中緩和功能是緩和在施加截止態(tài)電壓時(shí)易于出現(xiàn)在漂移層終端處的電場(chǎng)集中的功能，由此防止低的擊穿電壓擊穿。耐電荷性是其中在施加至表面的電荷影響耗盡層在該表面之下的擴(kuò)展、且擊穿電壓隨時(shí)間流逝而減小的情況下防止擊穿電壓可靠性下降的功能。

包括確保此類型權(quán)衡關(guān)系消除并保證長(zhǎng)期擊穿電壓可靠性的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的一個(gè)示例是已知的。該半導(dǎo)體器件為了消除權(quán)衡關(guān)系首先包括在漂移層的元件有源部分中具有上述平行pn層的超結(jié)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，在元件有源部分的周邊部分中，該半導(dǎo)體器件包括其重復(fù)節(jié)距小于元件有源部分的平行pn層的節(jié)距的具有柵格形狀圖案的平行pn層的元件周邊部分。又進(jìn)一步地，該半導(dǎo)體器件是具有其中均勻濃度低于平行pn層濃度的n^-區(qū)覆蓋元件周邊部分的柵格形狀的平行pn層的表面的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該超結(jié)半導(dǎo)體器件，由于有可能實(shí)現(xiàn)具有低導(dǎo)通電阻和高擊穿電壓、并防止由表面電荷引起的耗盡層的過度擴(kuò)散的元件，有可能實(shí)現(xiàn)耐電荷性的改進(jìn)（專利文獻(xiàn)WO2011/013379A1）。

然而，使用在專利文獻(xiàn)WO2011/013379A1中描述的超結(jié)半導(dǎo)體器件，盡管擊穿電壓耐電荷性在施加至元件周邊部分表面的表面電荷量的水平在Qss=±1.0×10⁺¹²cm^-2范圍內(nèi)時(shí)得以確保，在具有高于上述水平的雜質(zhì)離子濃度的樹脂模密封的情況下，存在擊穿電壓下降的危險(xiǎn)。即，在表面電荷量水平為Qss=±1.0×10⁺¹²cm^-2的耐電荷性不足以使超結(jié)半導(dǎo)體器件成為樹脂膜密封結(jié)構(gòu)的器件。為了使得超結(jié)半導(dǎo)體器件成為抑制擊穿電壓下降且具有高可靠性的樹脂模密封結(jié)構(gòu)超結(jié)半導(dǎo)體器件，有必要進(jìn)一步改進(jìn)耐電荷性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明集中于這一點(diǎn)而設(shè)計(jì)，本發(fā)明的目的在于提供一種超結(jié)半導(dǎo)體器件，使用該器件擊穿電壓特性和電壓降特性之間的權(quán)衡關(guān)系被顯著改進(jìn)，有可能極大地改進(jìn)元件周邊部分的耐電荷性，且有可能改進(jìn)長(zhǎng)期擊穿電壓可靠性。