[發明專利]一種碳化硅半導體器件的終端結構

在審

• 申請號: 201510716807.X
• 申請日: 2015-10-26
• 公開（公告）號: CN106611777A
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 蘇冠創;黃升暉
• 申請（專利權）人: 南京勵盛半導體科技有限公司
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種碳化硅器件的終端結構，更具體地說是涉及一種不會隨溫度大幅改變而大為降低擊穿電壓的碳化硅半導體器件的終端結構。

背景技術

使用硅器件的傳統集成電路大都只能工作在250℃以下，不能滿足高溫、高功率及高頻等要求。當中，新型半導體材料碳化硅(SiC)最受人注目和研究。

碳化硅半導體材料具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等突出優點，特別適合制作大功率、高壓、高溫、抗輻照電子器件。

碳化硅禁帶寬度寬(210eV≤E_g≤710eV)，漏電流比硅小幾個數量級。而且，碳化硅熱穩定性極好，本征溫度可達800℃以上，它保證了在高溫工作時的長期可靠性。通過分析優值，如Johnson優值(JFOM-通過材料的擊穿電場、飽和電子漂移速度來反映相應器件的高功率、高頻率性能)、Keyes優值(KFOM-通過材料的熱導率、飽和電子漂移速度及介電常數反映相應器件的開關速度和熱限制)及熱優值(QFOM-通過材料的擊穿電場、擊穿電場及熱導率反映相應器件的散熱性能)，會發現碳化硅SiC這幾個優值都比現在常用的半導體材料高出很多，是實現結合高溫與高頻高功率的一種理想材料。

碳化硅擊穿電場較高，是硅材料的8倍，這對功率器件甚為關鍵。導通電阻是與擊穿電場的立方成反比，所以碳化硅SiC功率器件的導通電阻只有硅器件 的百至二百分之一，顯著降低電子設備的能耗。因此，碳化硅SiC功率器件也被譽為帶動“新能源革命”的“綠色能源”器件。用碳化硅SiC所制造出來的功率器件具有低比導通電阻，高工作頻率和高溫工作穩定性的優點，擁有很廣闊的應用前景。

隨著6H、4H-SiC體材料的相繼商品化，碳化硅SiC器件工藝，如氧化、摻雜、刻蝕及金屬、半導體接觸，都日漸成熟，這些為碳化硅SiC器件的研制及應用奠定了基礎。

用碳化硅SiC所制造出來的縱向功率器件一般可以承受高的反偏置電壓和大的正向導通電流，不同的功率器件有不同的規格，其所能承受的反偏置電壓和正向電流是不同的。縱向功率器件在區域結構上可分為有源區和終端區，終端區一般是在外圍緊接著有源區的邊緣。有源區中有PN結，PN結終止於有源區的周邊，一般情況下，PN結的終止會引起PN結的彎曲，在反偏時，這局部的電場相對有源區內較為平行平面的PN結的電場為高，從而會出現提前擊穿的現象。為了減少這局部電場，在有源區的周邊會放置終端區，用來提高有源區周邊的局部擊穿電壓，尤其是周邊表面擊穿電壓，使有源區外的，即終端區的擊穿電壓接近有源區內平行平面的擊穿電壓，最終是使得整個器件的實際擊穿電壓不因為有源區的邊緣的PN結的終止的曲彎而大為降低。從器件物理來說，縱向功率器件的終端部份最常用的結構有場板，場限環，結終端廷伸(JTE)，橫向變摻雜(VLD)，Resurf等，也有是用其中的組合所構成的如場板加場限環。這里要討論的是與結終端延伸(JTE)所形成的有關結構，結終端結構與Resurf結構的器件物理是基本上一樣的。Resurf結構是J.Appels在1979年提出來的，這結構如圖1所示，圖1中的區域3代表有源區P型摻雜區，區域3與區域4的 交界處是有源區的邊界，區域4至芯片的邊緣是終端區，Appels指出，若區域4是一等濃度摻雜區，若果這區的摻雜濃度過高或過低，在終端區表面的擊穿電壓都會偏低。如圖2所示的表面電場強度隨位置的變化，圖中所示若濃度過高則在位置b處的電場比別處的高出許多，位置b會先擊穿，若摻雜過低，則會在位置a先擊穿，若果摻雜濃度為1e12cm-2，則在反向偏置時，位a與位b的電場強度會大致同時到達場強的極限而擊穿，如圖3所示，這時的擊穿電壓是這結構的最優化最大的擊穿電壓，終端區的擊穿與每一位置的累積摻雜劑量是有關的，與摻雜的深淺分布無關。后來研究發現，若果區域4的摻雜是線性橫向變的會比恒定摻雜的更優化，(Institute of Physics，Semicond.Sci.Technol.17(2002)721-728)，圖4是線性橫向變摻雜的示意圖，圖4中的區域5是代表摻雜濃度均勻的區域，區域5的面積與摻雜濃度成正比，區域5的摻雜濃度與區域3的濃度是不一樣的，一般來說區域3的濃度比區域5的大得多。終端區的擊穿與每一位置的累積摻雜劑量是有關的，卻與摻雜的深淺分布無關。若果區域5的摻雜是優化了的線性橫向變濃度，在擊穿發生時的電場隨位置分佈會如圖5所示，圖5的電場曲線所包圍的面積比圖3的大，所以其擊穿的電壓在佔有相同面積下會提供更大的擊穿電壓，在工藝制作上，要制作出線性橫向變摻雜(如圖5所示)是很困難的，一般實施方法是通過在漸變的掩膜窗口上作離子注入然后激活，如圖6所示，原來的終端區域5的具有線性橫向變摻雜區變成多個分立的摻雜區，分立摻雜區之間的距離，即佔空比，隨著低摻雜的區域而增大，圖6的分立摻雜區的濃度的橫向積分面積(代表累積的摻雜劑量)應該與原來連續圖5的線性橫變摻雜區的橫向積分面積相當，圖6是把區域5分割為6小等份來計算占空的，若分割成愈多小區來計算占空比，則所得 的橫向積分面積更接近原來線性橫變摻雜區的橫向積分面積。一般稱圖6的終端結構為多環-結終端延伸(MFZ-JTE)。圖6的終端結構中的分立摻雜區的濃度與間距一旦選定了優化值，則得到的擊穿電壓是優化的，若果摻雜的濃度改變了，則擊穿電壓便會降低，隨偏離優化值愈遠而下降得愈大。對於碳化硅來說，注入的P型摻雜離子鋁的有效離子化(即能激活的百分比)隨溫度而變的，如圖7所示，例如摻雜濃度為1e17cm-2的鋁原子在室溫時，離子化(ionized dopant fraction)只有0.2，在200℃時約為0.6，相差為4倍之多。即是P型鋁摻雜濃度(激活了的濃度)對同一的注入區來說，在200℃時的實際有效濃度是室溫時的4倍之多，這對Resurf，或是VLD，或是多分立區-結終端延伸(MFZ-JTE)來說都是致命的，即是當這種結構的終端區的摻雜可能在某一溫度是優化的，當溫度作大幅改變了，如從室溫升至200℃，實際有效濃度變成室溫時的約4倍之多，摻雜濃度便大大遠離原先的優化值，這會使擊穿電壓大為降低，如果不解決這問題，基於Resurf或VLD，或JTE，或MFZ-JTE等都不適用於作為碳化硅的終端結構。