[发明专利]一种高压器件的保护环结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种高压半导体功率器件中的保护环结构及其制造方法。

背景技术

随着石油煤炭储备不停地减少，而人类的能源消耗却不断增加，节能成为二十一世纪人类的共识。据美国能源部估计，有三分之二的电力被用在马达驱动上。而主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用等功率器件，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)和与之配套的快恢复二极管(简称FRD)，可以使马达驱动节能20％～30％。可以预计，功率器件会在未来快速增长。

半导体功率器件的结构离不开PN结(PN junction)。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。

然而，扩散形成的PN结结深一般为几个微米，其曲率会导致电场集中，使击穿电压远比平面结的低。如平面结耐压超过1200V的器件，如使用5微米深的结，其曲率会导致电场集中使击穿电压低于400V，远低于平面结的击穿电压，因此在器件的需的外围需要保护环。场板场限环结构是其中发展较早的，工艺比较简单，同时不增加光刻层次的方法，至今被广泛应用。

请参阅图1，图1为现有技术中的场板场限环结构的截面示意图。如图所示，中间区域是器件区9，保护环由一系列嵌在N型单晶硅区3中的P+型注入扩散区的扩散环5、以及最外围的N+注入扩散层区的等位环4(工作时接高压或悬浮)组成。从保护环的截面来看，保护环是以器件区9为对称结构，器件区9外的两个P+型注入扩散区的扩散环5之间的区域为主要的耐压区。紧邻器件区9的P+型注入扩散区的扩散环5为零环，该扩散环5在器件区9工作时接零,再外一圈的P+型注入扩散区的扩散环5为第一环，工作时悬浮，依次类推，即图1的P+型注入扩散区的扩散环5(场限环部分)不停重复，可得到第二、三、四环以至更多的环，以满足耐压的需求。保护环的制作过程大致如此，在衬底上，光刻P+型注入扩散区的扩散环5，注入，然后，光刻等位环区4，注入并推阱。

请参阅图2，图2为应用于现有技术中的场限环结构的截面的细节图；其中，细虚线是耗尽区边界，点划线是电场切割线。图2中的现有技术的场限环结构形成三角形的横向电场分布。

请参阅图5，图5为应用于现有技术中的场限环和本发明两种结构的氧化层下电场分布的比较示意图；其中的三角形电场分布为应用于现有技术中的场限环结构一个环间距内的电场分布示意图。从图5中可以看出，现有技术中的场限环结构形成三角形的横向电场分布，其三角形左侧斜率大的由P+型注入扩散区的扩散环5区的P型硅耗尽引入，右侧斜率小的区域由两个P+型注入扩散区的扩散环5区之间的N型硅耗尽引入。

然而，斜率的大小只与掺杂浓度有关，掺杂高的斜率也大。由于P+型注入扩散区的扩散环5区的P+型掺杂总比两个P+型注入扩散区的扩散环5区之间的N型掺杂高，因此，左侧的斜率也总比右侧的大，三角形的顶点处的电场就是击穿电场，三角形所构成的三角形面积就是耐压值。

本领域技术人员知道，如果随着耐压的增加，则所需要的环的数目也相应增加(例如，1200V的场限环结构通常需要使用4个环，3300V的耐压通常需要22个环)。因此，保护环面积随之增大，保护环的设计时间也大大增加。

因此，现有技术中的场限环结构形成三角形的横向电场分布，使环间距没有得到充分利用。如何环间距得到更充分的利用，可以在相同耐压下使环间距更小，或每一环间距上耐压更高，减少环的数目是目前业界急需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种半导体功率器件中的高压保护环结构，通过改变现有技术中的环结构，在相同的耐压值下，通过缩短环间距，从而缩小了保护环面积，或优化每一个环间距，使每一环间距的耐压增加，以减少环的数目，缩小保护环面积同时缩短保护环设计时间。