一种分区域渐变场限环终端结构及其设计方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种分区域渐变场限环终端结构及其设计方法。


背景技术：

2.近年来，碳化硅材料由于具备宽禁带、高临界击穿电场和高热导率等优异性能，在高压、高温、高功率等应用环境中更具优势。但是，碳化硅器件在承受反向高电压时在平面结拐角处不可避免地会出现电场集中现象，使得器件击穿电压远低于理想平面结耐压值。为了降低这种电场集中效应，提高器件击穿电压，在碳化硅器件设计时必须引入合适的终端结构。目前，常用的终端结构包括场板结构(fp)、结终端扩展结构(jte)和场限环结构(flr)等。场板结构由于场氧化层在边缘电场集中时更容易击穿，在高压应用时可能导致严重的可靠性问题。jte结构在高压碳化硅器件中取得了很好的结果，但是其终端保护效率对结区的掺杂浓度很敏感，且需要多步注入。相比之下，场限环终端结构工艺简单，可以和有源区一起形成，同时场限环终端结构对掺杂浓度不敏感，因此，场限环终端结构在高压碳化硅器件中被广泛采用。
3.目前现有的场限环终端结构一般采用均匀环间距设计，设计简单，但是电场分布不均匀，往往会集中于有源区主结处或最后一个场限环，而中间场限环承受的电压较小，导致在超高压器件制备过程中终端保护效率较低。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术中终端保护效率较低的不足，本发明提供一种分区域渐变场限环终端结构的设计方法，包括：
5.设置分区域渐变场限环终端结构的各参数的初始值；
6.基于初始值，依次对各参数值进行调整，并实时获取各场限环和有源区主结之间的电场强度，当获取的电场强度相等且均小于临界击穿电场强度，得到最优的参数值；
7.基于最优的参数值确定分区域渐变场限环终端结构。
8.参数按调整顺序包括：区域内各场限环的宽度渐变因子、区域内相邻场限环的间距渐变因子、距有源区主结最近的场限环的宽度、距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距、区域个数和区域内场限环个数。
9.对区域内各场限环的宽度渐变因子进行调整，包括：
10.确定每个区域内各场限环的宽度特征；
11.基于每个区域内各场限环的宽度特征改变场限环的宽度渐变因子。
12.所述每个区域内各场限环的宽度特征按下式确定：
13.w
n
＝w
1-δw
n
14.式中，w
n
表示第n个区域内场限环的宽度，δw
n
表示第n个区域内场限环的宽度渐变因子，w1为距有源区主结最近的场限环的宽度。
15.对区域内相邻场限环的间距渐变因子进行调整，包括：
16.确定每个区域内各相邻场限环的间距特征；
17.基于每个区域内各相邻场限环的间距特征改变场限环的间距渐变因子。
18.所述每个区域内各相邻场限环的间距特征按下式确定：
19.s
n
＝s1 δs
n
20.式中，s
n
为第n个区域内相邻场限环的间距，δs
n
为第n个区域内场限环的宽度渐变因子，s1为距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距。
21.所述临界击穿电场强度由功率半导体材料的类型决定。
22.另一方面，本发明还提供一种分区域渐变场限环终端结构，包括多个区域，每个区域包括多个场限环，每个场限环基于所述的方法制作；
23.所述每个区域内各场限环的宽度相等，且每个区域内相邻场限环的间距相等。
24.所述每个区域内各场限环的宽度满足：
25.w
n
＝w
1-δw
n
26.式中，w
n
表示第n个区域内场限环的宽度，δw
n
表示第n个区域内场限环的宽度渐变因子，w1为距有源区主结最近的场限环的宽度。
27.所述每个区域内各相邻场限环的间距特征按下式确定：
28.s
n
＝s1 δs
n
29.式中，s
n
为第n个区域内相邻场限环的间距，δs
n
为第n个区域内场限环的宽度渐变因子，s1为距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距。
30.本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
31.本发明提供的分区域渐变场限环终端结构的设计方法中，设置分区域渐变场限环终端结构的各参数的初始值；基于初始值，依次对各参数值进行调整，并实时获取各场限环和有源区主结之间的电场强度，当获取的电场强度相等且均小于临界击穿电场强度，得到最优的参数值；基于最优的参数值确定分区域渐变场限环终端结构，通过调整分区域渐变场限环终端结构各参数值，大大提高了功率半导体器件制备过程中场限环终端结构的保护效率；
32.本发明通过改变场限环的宽度渐变因子调整各场限环的宽度，还通过改变场限环的间距渐变因子调整各相邻场限环的间距，既可对与有源区主结相近的场限环进行精细化优化，缓解有源区主结边缘的电场集中效应，又可针对功率半导体器件的场限环数量增多的情况，实现快速有效的调节；
33.本发明将场限环终端结构分为多个区域，每个区域内各场限环的宽度相等，且每个区域内相邻场限环的间距相等，电场分布均匀，避免电场集中于有源区主结处或最后一个场限环，大大提高了半导体功率器件的击穿电压，增强了半导体功率器件的可靠性和稳定性；
34.本发明无需通过减小均匀环间距和增加环的数量提高半导体功率器件的击穿电压，所以采用本发明提供的技术方案能够降低半导体功率器件的制作成本。
附图说明
35.图1是本发明实施例中分区域渐变场限环终端结构的设计方法流程图。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
37.实施例1
38.本发明实施例1提供了一种分区域渐变场限环终端结构的设计方法，具体流程图如图1所示，具体过程如下：
39.s101：设置分区域渐变场限环终端结构的各参数的初始值；
40.s102：基于初始值，依次对各参数值进行调整，并实时获取各场限环和有源区主结之间的电场强度，当获取的电场强度相等且均小于临界击穿电场强度，得到最优的参数值；
41.s103：基于最优的参数值确定分区域渐变场限环终端结构。
42.当场限环终端结构的反向电压增加到一定值时，有源区主结上的耗尽区到达场限环，一部分电压由场限环分担，将有源区主结电场限制在临界击穿电场内，提高半导体功率器件的击穿电压。场限环的个数、环宽和环间距等是场限环终端结构设计的关键参数，最优的终端设计是有源区主结和场限环之间均匀地分担电场。尤其对于高压半导体功率器件的场限环终端结构，所需场限环数量明显增加，对场限环关键参数的设计和优化将会非常复杂，很难得到电场分布均匀且终端保护效率高的最优终端设计。因此，本发明确定的分区域渐变场限环终端结构的参数包括区域内各场限环的宽度渐变因子、区域内相邻场限环的间距渐变因子、距有源区主结最近的场限环的宽度、距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距、区域个数和区域内场限环个数。
43.区域个数为大于1的整数，每个区域中的场限环个数为大于1的整数，场限环个数由半导体功率器件的耐压水平决定。本发明实施例中，以6.5kv的半导体功率器件的击穿电压要求，设置的场限环个数初始值为50个，区域个数初始值为2个，距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距的初始值为2μm，距有源区主结最近的场限环的宽度为5μm。
44.对区域内各场限环的宽度渐变因子进行调整，包括：
45.确定每个区域内各场限环的宽度特征；
46.基于每个区域内各场限环的宽度特征改变场限环的宽度渐变因子。
47.每个区域内各场限环的宽度特征按下式确定：
48.w
n
＝w
1-δw
n
49.式中，w
n
表示第n个区域内场限环的宽度，δw
n
表示第n个区域内场限环的宽度渐变因子，δw
n
≥0，w1为距有源区主结最近的场限环的宽度。
50.对区域内相邻场限环的间距渐变因子进行调整，包括：
51.确定每个区域内各相邻场限环的间距特征；
52.基于每个区域内各相邻场限环的间距特征改变场限环的间距渐变因子。
53.每个区域内各相邻场限环的间距特征按下式确定：
54.s
n
＝s1 δs
n
55.式中，s
n
为第n个区域内相邻场限环的间距，δs
n
为第n个区域内场限环的宽度渐变因子，δs
n
≥0，s1为距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距。
56.临界击穿电场强度由功率半导体材料的类型决定，本发明实施例中，临界击穿电场强度为3mv/cm。
57.对区域内场限环个数进行调整，包括：
58.以每个区域内各场限环的宽度相等且每个区域内相邻场限环的间距相等为原则，调整区域内场限环个数。
59.本发明实施例1中先基于设置的初始值调整区域内各场限环的宽度渐变因子，若调整完区域内各场限环的宽度渐变因子之后，满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度，即可得到最优的区域内各场限环的宽度渐变因子，然后结合最优的区域内各场限环的宽度渐变因子和初始值即可得到分区域渐变场限环终端结构，否则(即调整完区域内各场限环的宽度渐变因子之后，不满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度)对区域内相邻场限环的间距渐变因子进行调整；若调整完区域内相邻场限环的间距渐变因子之后，满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度，即可得到最优的区域内相邻场限环的间距渐变因子，然后基于最优的区域内相邻场限环的间距渐变因子即可得到分区域渐变场限环终端结构，否则(即调整完区域内相邻场限环的间距渐变因子之后，不满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度)对距有源区主结最近的场限环的宽度进行调整；若调整完距有源区主结最近的场限环的宽度之后，满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度，即可得到最优的距有源区主结最近的场限环的宽度，然后结合最优的距有源区主结最近的场限环的宽度即可得到分区域渐变场限环终端结构，否则(即调整完距有源区主结最近的场限环的宽度之后，不满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度)对距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距进行调整；若调整完距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距之后，满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度，即可得到最优的距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距，然后基于最优的距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距得到分区域渐变场限环终端结构，否则(即调整完距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距之后，不满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度)对区域个数进行调整；若调整完区域个数之后，满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度，即可得到最优的区域个数，并基于最优的区域个数得到分区域渐变场限环终端结构，否则(即调整完区域个数之后，不满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度)对区域内场限环个数进行调整；若调整完区域内场限环个数之后，满足电场强度相等且均小于临界击穿电场强度，即可得到最优的区域内场限环个数，然后基于最优的区域内场限环个数得到分区域渐变场限环终端结构。实施例2
60.基于同一发明构思，本发明实施例2还提供一种分区域渐变场限环终端结构，包括多个区域，每个区域包括多个场限环，每个场限环基于本发明实施例1提供的方法制作；
61.每个区域内各场限环的宽度相等，且每个区域内相邻场限环的间距相等。
62.每个区域内各场限环的宽度满足：
63.w
n
＝w
1-δw
n
64.式中，w
n
表示第n个区域内场限环的宽度，δw
n
表示第n个区域内场限环的宽度渐变因子，w1为距有源区主结最近的场限环的宽度。
65.每个区域内各相邻场限环的间距特征按下式确定：
66.s
n
＝s1 δs
n
67.式中，s
n
为第n个区域内相邻场限环的间距，δs
n
为第n个区域内场限环的宽度渐变因子，s1为距有源区主结最近的场限环与有源区主结之间的间距。
68.为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。
当然，在实施本技术时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
69.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
70.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
71.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
72.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
73.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。