阅读说明：本技术 一种横向高压功率半导体器件的槽型终端结构 (A kind of groove profile terminal structure of transverse direction high voltage power semiconductor device ) 是由 章文通 杨昆 何俊卿 王睿 张森 乔明 王卓 张波 李肇基 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种横向高压功率半导体器件的槽型终端结构,属于半导体功率器件技术领域。通过在横向高压功率半导体器件的曲率终端部分的N型轻掺杂漂移区内引入槽型介质条环,使得N型轻掺杂漂移区内的环型介质承担了主要耐压,这样就避免了由于漏端加高压所带来的源端PN结冶金界结面产生高电场峰值,进而造成器件耐压降低。由于介质槽的临界击穿电场远高于硅材料,所以本发明可以减小器件曲率终端的宽度,使电场线更加集中而不会提前击穿,这样就节约器件版图面积,并且与CMOS工艺相兼容,利用本发明可制作高压、高速、低导通损耗的横向高压功率器件。(The present invention provides a kind of groove profile terminal structure of lateral high voltage power semiconductor device, belongs to semiconductor power device technology field.By introducing groove profile medium strip ring in the N-type lightly doped drift zone of the curvature terminal part of lateral high voltage power semiconductor device, so that the ring-like medium in N-type lightly doped drift zone assumes responsibility for main pressure resistance, the brought source PN junction metallurgy circle junction generation high electric field peak value that adds high pressure due to drain terminal is avoided in this way, is in turn resulted in device and is reduced pressure.Since the critical breakdown electric field of media slot is much higher than silicon materials, so the present invention can reduce the width of device curvature terminal, concentrate electric field line more without puncturing in advance, thus saving components chip area, and it is mutually compatible with CMOS technology, using the present invention can make high pressure, high speed, low conduction loss lateral high voltage power device.)

一种横向高压功率半导体器件的槽型终端结构

技术领域

本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种横向高压功率器件的槽型终端结构。

背景技术

高压功率集成电路的发展离不开可集成的横向高压功率器件。高压功率器件要求具有高的击穿电压，低的导通电阻，低的开关损耗。横向高压功率器件实现高的击穿电压要求其用于承担耐压的漂移区具有低的掺杂浓度，但为了满足器件低导通电阻，又要求作为电流通道的漂移区具有高的掺杂浓度。MOS类器件的低导通电阻与器件耐压的矛盾关系限制了该类器件在高压大电流领域的应用。横向高压功率器件通常为闭合结构，包括圆形结构、跑道型结构及叉指结构等。对于闭合的跑道型结构和叉指状结构，在弯道部分和指尖部分会出现小曲率终端，电场线在小曲率半径处会发生集中，器件整体容易在小曲率半径处提前发生雪崩击穿，这对于横向高压功率器件版图结构提出新的挑战。为了减小曲率效应，常常采用增大直道部分和叉指直线型部分的宽度，来增大弯道和叉指指尖部分的曲率半径，或者器件直道部分和叉指直线部分采用常用结构，在小曲率半径处增大曲率半径，形成“哑铃”状结构，但是以上结构通过增大弯道部分和叉指指尖部分曲率半径的做法都会占用较大的芯片面积，从而带来不必要的器件版图面积浪费，导致器件比导通电阻的增大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种横向高压功率器件的槽型终端结构。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种横向高压功率器件的槽型终端结构，包括直线结终端结构和曲率结终端结构；

所述直线结终端结构包括P型衬底、P型掺杂区、N型轻掺杂漂移区、N型掺杂区、漏区N型重掺杂接触区、源区N型重掺杂接触区、源区P型重掺杂接触区、栅氧化层、第一介质氧化层、第二介质氧化层、多晶硅栅极、多晶硅材料和金属材料；

P型掺杂区和N型轻掺杂漂移区位于P型衬底上，N型轻掺杂漂移区位于P型掺杂区的两侧，且P型掺杂区和N型轻掺杂漂移区的侧面相互接触；第二介质氧化层和多晶硅材料构成非连续纵向浮空场板，其均匀地分布在N型轻掺杂漂移区中，并依靠金属材料形成体内等势环，第一介质氧化层和金属材料位于N型轻掺杂漂移区的第一部分上； P型掺杂区的上层具有与金属化源极相连接的源区N型重掺杂接触区和源区P型重掺杂接触区，源区N型重掺杂接触区位于源区P型重掺杂接触区两侧，且源区N型重掺杂接触区和源区P型重掺杂接触区的侧面相互接触；栅氧化层位于P型掺杂区、部分源区N 型重掺杂接触区和N型轻掺杂漂移区的第二部分上，多晶硅栅极位于栅氧化层上；

所述曲率结终端结构包括P型衬底、P型掺杂区、N型轻掺杂漂移区、N型掺杂区、漏区N型重掺杂接触区、源区N型重掺杂接触区、源区P型重掺杂接触区、栅氧化层、第一介质氧化层、第二介质氧化层、多晶硅栅极、多晶硅材料和金属材料；栅氧化层和第一介质氧化层位于N型轻掺杂漂移区的第三部分上，多晶硅栅极位于栅氧化层上，曲率结终端结构中的多晶硅栅极、栅氧化层、第一介质氧化层、金属材料、N型轻掺杂漂移区和漏区N型重掺杂接触区分别与直线结终端结构中的多晶硅栅极、栅氧化层、第一介质氧化层、金属材料、N型轻掺杂漂移区和漏区N型重掺杂接触区相连并形成环形结构；其中，曲率结终端结构中漏区N型重掺杂接触区包围N型轻掺杂漂移区，曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区包围栅氧化层和第一介质氧化层；

曲率结终端结构的N型轻掺杂漂移区中的第二介质氧化层和多晶硅材料组成多条等电位介质环；且L_a≥2L_b，其中L_a表示曲率结终端结构的横向长度，L_b表示曲率结终端结构的纵向长度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，L_b缩短，且减少所述多条介质环或去除所述多条介质环之一的部分。

进一步的，在所述直线结终端结构和曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区表面引入P型掺杂层，形成双重RESURF结构。

进一步的，所述P型掺杂层采用线性变掺杂技术：越靠近漏区N型重掺杂接触区，其掺杂浓度越大。

进一步的，在所述直线结终端结构和曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区内部引入P型掺杂层，形成三重RESURF结构。

进一步的，在直线结终端结构和曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区表面引入纵向超结结构，其中纵向超结结构由纵向分布的N型掺杂层和P型掺杂层构成。

进一步的，在直线结终端结构和曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区表面引入横向超结结构，其中横向超结结构由横向分布的N型掺杂层和P型掺杂层构成，且N型掺杂层和P型掺杂层的位置可以互换。

进一步的，第二介质氧化层和多晶硅材料通过N型轻掺杂漂移区向下延伸至P型衬底中。

本发明的有益效果是：本发明通过在曲率结终端结构引入多个连通的等电势的介质环，这样终端区的耐压就不仅仅是由N型漂移区与P型掺杂区所构成的曲率PN结来承受，介质环也参与了耐压，并且相较于没有介质环存在的终端结构，介质环的引入承担了大部分的耐压。由于介质的临界击穿电场远高于硅材料的临界击穿电场，所以能承受更加密集的电力线的聚集，从而在保证终端区耐压的前提下，缩减终端区的面积，节约器件版图面积。

附图说明

图1为本发明第一实施例的一种横向高压功率器件的槽型终端结构指尖部分的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为正视图；

图2为本发明第二实施例的一种横向高压功率器件的槽型终端结构指尖部分的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为正视图；

图3为本发明第三实施例的一种横向高压功率器件的槽型终端结构指尖部分的结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为正视图；

图4为本发明第四实施例的一种横向高压功率器件的槽型终端结构的剖面示意图，其中(a)为器件直线结终端结构的三维示意图，(b)为器件曲率结终端结构的部分器件三维示意图；

图5为本发明第五实施例的一种横向高压功率器件的槽型终端结构的剖面示意图，其中(a)为器件直线结终端结构的三维示意图，(b)为器件曲率结终端结构的部分器件三维示意图；

图6为本发明第六实施例的一种横向高压功率器件的槽型终端结构的剖面示意图，其中(a)为器件直线结终端结构的三维示意图，(b)为器件曲率结终端结构的部分器件三维示意图；

图7为本发明第七实施例的一种横向高压功率器件的槽型终端结构的剖面示意图，其中(a)为器件直线结终端结构的三维示意图，(b)为器件曲率结终端结构的部分器件三维示意图；

图8为本发明第八实施例的一种横向高压功率器件的槽型终端结构的剖面示意图，其中(a)为器件直线结终端结构的三维示意图，(b)为器件曲率结终端结构的部分器件三维示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、源区P型重掺杂接触区，2、源区N型重掺杂接触区，3、多晶硅栅极，4、栅氧化层，5、第一介质氧化层，6、金属材料，7、P型掺杂区，8、N型轻掺杂漂移区，9、第二介质氧化层，10、多晶硅材料，11、P型衬底，12、N型掺杂区，13、漏区N型重掺杂接触区，14、P型掺杂层，15、N型掺杂层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明第一实施例提供的一种横向高压功率器件的槽型终端结构，包括直线结终端结构和曲率结终端结构；

所述直线结终端结构包括P型衬底11、P型掺杂区7、N型轻掺杂漂移区8、N型掺杂区12、漏区N型重掺杂接触区13、源区N型重掺杂接触区2、源区P型重掺杂接触区 1、栅氧化层4、第一介质氧化层5、第二介质氧化层9、多晶硅栅极3、多晶硅材料10 和金属材料6；

P型掺杂区7和N型轻掺杂漂移区8位于P型衬底11上，N型轻掺杂漂移区8位于 P型掺杂区7的两侧，且P型掺杂区7和N型轻掺杂漂移区8的侧面相互接触；第二介质氧化层9和多晶硅材料10构成非连续纵向浮空场板，其均匀地分布在N型轻掺杂漂移区8中，并依靠金属材料6形成体内等势环，第一介质氧化层5和金属材料6位于N型轻掺杂漂移区8的第一部分上；P型掺杂区7的上层具有与金属化源极相连接的源区N 型重掺杂接触区2和源区P型重掺杂接触区1，源区N型重掺杂接触区2位于源区P型重掺杂接触区1两侧，且源区N型重掺杂接触区2和源区P型重掺杂接触区1的侧面相互接触；栅氧化层4位于P型掺杂区7、部分源区N型重掺杂接触区2和N型轻掺杂漂移区8的第二部分上，多晶硅栅极3位于栅氧化层4上；

所述曲率结终端结构包括P型衬底11、P型掺杂区7、N型轻掺杂漂移区8、N型掺杂区12、漏区N型重掺杂接触区13、源区N型重掺杂接触区2、源区P型重掺杂接触区 1、栅氧化层4、第一介质氧化层5、第二介质氧化层9、多晶硅栅极3、多晶硅材料10 和金属材料6；栅氧化层4和第一介质氧化层5位于N型轻掺杂漂移区8的第三部分上，多晶硅栅极3位于栅氧化层4上，曲率结终端结构中的多晶硅栅极3、栅氧化层4、第一介质氧化层5、金属材料6、N型轻掺杂漂移区8和漏区N型重掺杂接触区13分别与直线结终端结构中的多晶硅栅极3、栅氧化层4、第一介质氧化层5、金属材料6、N型轻掺杂漂移区8和漏区N型重掺杂接触区13相连并形成环形结构；其中，曲率结终端结构中漏区N型重掺杂接触区13包围N型轻掺杂漂移区8，曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区8包围栅氧化层4和第一介质氧化层5；

曲率结终端结构的N型轻掺杂漂移区8中的第二介质氧化层9和多晶硅材料10组成多条等电位介质环；且L_a＞2L_b，其中L_a表示曲率结终端结构的横向长度，L_b表示曲率结终端结构的纵向长度。

上述实施例中，本发明的器件通过在曲率结终端结构引入多个连通的等电势的介质环，这样终端区的耐压就不仅仅是由N型漂移区与P型掺杂区所构成的曲率Pn结来承受，介质环也参与了耐压，并且相较于没有介质环存在的终端结构，介质环的引入承担了大部分的耐压。由于介质的临界击穿电场远高于硅材料的临界击穿电场，所以能承受更加密集的电力线的聚集，从而能够在保证终端区耐压的前提下，缩减终端区的面积，节约器件版图面积。其中，介质环的纵向长度A和横向长度B可以相同，也可以不同。

本发明的工作原理如下：

直线结终端结构与横向高压功率器件有源区结构相同，P型掺杂区7与N型轻掺杂漂移区8相连，当漏极加高电压时，P型掺杂区7与N型轻掺杂漂移区8所构成的Pn结冶金结面开始耗尽，N型轻掺杂漂移区8的耗尽区将主要承担耐压，电场峰值出现在P 型掺杂区7与N型轻掺杂漂移区8所构成的Pn结冶金结面。如果器件的曲率结终端结构采用传统结构，会由于曲率效应造成在P型掺杂区7与N型轻掺杂漂移区8所构成的 Pn结冶金结面的电力线高度集中，使得P型掺杂区7与N型轻掺杂漂移区8所构成的 Pn结面处的电场峰值很快达到硅的临界电场值，导致器件提前发生雪崩击穿。故本发明的曲率结终端结构解决了高掺杂P型掺杂区7与N型轻掺杂漂移区8所构成的Pn结曲率冶金结面的电力线高度集中造成期间发生提前雪崩击穿的问题。

如图2所示，本发明第二实施例提供一种横向高压功率器件的槽型终端结构，本实施例是在第一实施例的基础上，使L_a等于2L_b。

如图3所示，本发明第三实施例提供一种横向高压功率器件的槽型终端结构，本实施例是在第一实施例的基础上，缩短L_b，且减少所述多条介质环或去除所述多条介质环之一的部分。上述实施例进一步缩小器件指尖部分的面积，节约器件版图面积。

如图4所示，本发明第四实施例提供一种横向高压功率器件的槽型终端结构，本实施例是在第一实施例的基础上，在所述直线结终端结构和曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区8表面引入P型掺杂层14，形成双重RESURF结构。

如图5所示，本发明第五实施例提供一种横向高压功率器件的槽型终端结构，本实施例是在第四实施例的基础上，其中的所述P型掺杂层14采用线性变掺杂技术：越靠近漏区N型重掺杂接触区13，其掺杂浓度越大。上述实施例中，P型掺杂层14包含多个区域141、142….14n，n为正整数，且该多个区域的掺杂浓度逐步变大。

如图6所示，本发明第六实施例提供一种横向高压功率器件的槽型终端结构，本实施例是在第一实施例的基础上，在所述直线结终端结构和曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区8内部引入P型掺杂层14，形成三重RESURF结构。

如图7所示，本发明第七实施例提供一种横向高压功率器件的槽型终端结构，本实施例是在第一实施例的基础上，在直线结终端结构和曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区8表面引入纵向超结结构，其中纵向超结结构由纵向分布的N型掺杂层15和P型掺杂层14构成。

如图8所示，本发明第八实施例提供一种横向高压功率器件的槽型终端结构，本实施例是在第一实施例的基础上，在直线结终端结构和曲率结终端结构中的N型轻掺杂漂移区8表面引入横向超结结构，其中横向超结结构由横向分布的N型掺杂层15和P型掺杂层14构成，且N型掺杂层15和P型掺杂层14的位置可以互换。

上述实施例中，超结结构由相同排列的P型掺杂层14和N型掺杂层15组成，如图 8所示，超结结构的存在为器件开态时提供低阻电流通路，关态时又保持高的器件耐压，很好的优化了器件的比导通电阻和击穿电压的关系。N型轻掺杂漂移区8表面的超结结构P型掺杂层14和N型掺杂层15的排列方式的差异，会导致器件表面电场分布情况的不同，进而影响器件的击穿电压。

可选地，第二介质氧化层9和多晶硅材料10通过N型轻掺杂漂移区8向下延伸至P型衬底11中。

本发明的器件通过在横向高压功率半导体器件的曲率结终端部分的N型轻掺杂漂移区内引入槽型介质条环，使得N型轻掺杂漂移区内的环型介质承担了主要耐压，这样就避免了由于漏端加高压所带来的源端Pn结冶金界结面产生高电场峰值，进而造成器件耐压降低。由于介质槽的临界击穿电场远高于硅材料，所以本发明可以减小器件曲率终端的宽度，使电场线更加集中而不会提前击穿，这样就节约器件版图面积，并且与CMOS 工艺相兼容，利用本发明可制作高压、高速、低导通损耗的横向高压功率器件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。