功率半导体器件和用于生产这种器件的无荫罩的方法与流程

功率半导体器件和用于生产这种器件的无荫罩的方法


背景技术：

1.功率半导体器件(例如功率二极管)通常包括晶片，该晶片包括与晶片的主表面中的一个主表面相邻的具有p型导电性的阳极层，与阳极层直接接触以形成pn结的、具有n型导电性的基底层，以及与晶片的另一主表面相邻的、并且具有n型导电性的、具有比基底层更高的掺杂浓度的阴极层。阳极层和阴极层通常通过注入掺杂剂和随后将掺杂剂扩散到n型半导体衬底中来形成。阴极层和阳极层在其外侧覆盖有金属层，从而形成用于电接触半导体器件的电极。阴极层和阴极电极通常延伸到器件的物理边缘。另一方面，阳极层必须在距边缘一定距离处终止，以便能够支持反向偏置时的电场。通常，这是通过将p型阳极层限制到器件的中心部分来实现的。阳极电极和阴极电极之间的区域通常被定义为半导体器件的有源区，并且它由通常被定义为终端区的圆周区域横向包围。
2.场限制的结终端区可以形成在终端区中，例如在终端区的圆周部分中。结终端区可以包括与晶片的阳极侧表面相邻的多个浮置场环。浮置场环中的每一个浮置场环可以是p型的环形半导体区，其横向围绕有源区和阳极层并与基底层形成第二pn结。浮置场环通常在横向方向上彼此隔开，并且通过n型基底层彼此分离。浮置场环有时也称为保护环。
3.由于例如在ep 1 909 332 a1中描述的已知效应，功率半导体器件可能需要在有源区中进行局部寿命控制以获得阻断状态、开关状态和传导状态下的优化的电气性质。因此，可以在晶片的阳极侧表面附近生成寿命控制区。这个寿命控制区包括缺陷，该缺陷形成复合中心，其可以局部降低少数载流子寿命。例如，这种缺陷可以通过如下方式来生成：在实现半导体器件之前通过热扩散将杂质原子(通常是重原子，如金或铂)引入到外延层中，或者通过利用高能电子或离子(如氢离子或氦离子)照射阳极侧表面，从而在特定深度处注入这些离子并因此形成电活性缺陷。这些局部照射缺陷通常降低关断期间半导体器件中生成的峰值电压(也称为反向恢复峰值)，并可能改善安全操作区域(soa)。
4.当生成寿命控制区时，由于程序原因，晶片的整个阳极侧表面通常都利用这种寿命控制区形成离子来照射。然而，已经观察到，延伸到终端区的圆周部分中(例如，延伸到结终端区中)的寿命控制区的一部分可能负面地影响半导体器件的电气特性。
5.为了防止或减少到终端区的圆周部分中的这种离子注入，这个圆周部分常规地由荫罩(shadow mask)覆盖。因此，荫罩应被定位成在注入过程期间可再现性地覆盖和保护终端区的圆周区，同时保留包括阳极层的中心区域不被覆盖，使得在这个区域中可以通过离子注入生成寿命控制区。然而，这种荫罩的正确定位是困难的，并且可能实现的是小于几百微米的相对低的对准精度。在生产期间荫罩的未对准阻止了终端区的圆周部分被适当地保护免受照射的影响，并且可能负面地影响半导体器件的安全操作区域(soa)和/或阻挡能力。而且，当离子束以相对于晶片的表面一角度，即以相对于表面法线倾斜的角度照射时，未对准的掩模的负面影响可能会恶化，如常规照射设施中的情况那样。
6.为了对这一点进行改进，从ep 2 339 613 a1已知如下构思：在阳极层和结终端区之间提供间隔件区，从而将二极管的有源区与结终端区间隔开并电分离。当间隔件区的宽度足够大时，在离子注入期间荫罩的精确对准变得问题较少，并且可以防止寿命控制区生
成离子而注入到终端区的圆周部分中。然而，具有这种间隔件区将导致终端区的增加的尺寸，并且因此导致每个芯片的较少的有源区。而且，特别是当使用金属荫罩时，当在注入前定位荫罩或在注入后去除荫罩时，存在机械损坏位于下面的表面的一定风险，对性能有负面影响。
7.从现有技术文献us 2012/0032305 a1，已知一种半导体器件及其制造方法，其中该半导体器件包括由过渡金属受主跃迁形成的p型阳极层，并且简化了制造过程，而不会使击穿电压特性劣化。在n型漂移层的上表面上形成由过渡金属受主跃迁而反转为p型的反转推进区，其中受主跃迁由点缺陷层推进。反转推进区构成本发明的半导体器件的p型阳极层。过渡金属例如是铂或金。浓度高于n型漂移层浓度的n型半导体衬底与n型漂移层的下表面相邻。
8.从现有技术文献us 2014/0070369 a1已知一种稳定生产具有高电气特性的半导体器件的制造工艺，其中铂充当受主。等离子体处理会损伤沉积在n

型半导体衬底上的n
‑
型漂移层上所形成的氧化膜的表面。氧化膜被图案化为具有锥形端。以氧化膜为掩膜，在n
‑
型漂移层上实行两次质子照射以在n
‑
型漂移层的表面附近形成点缺陷区。将按重量计含1％铂的二氧化硅糊料施用到n
‑
型漂移层表面的未覆盖有氧化膜的暴露区。热处理通过作为受主的铂原子将n
‑
型漂移层的表面附近反转为p型。p型反转增强区形成p型阳极区。


技术实现要素：

9.鉴于以上内容，本发明的目的是提供一种具有改进的电气特性的功率半导体器件和一种用于生产这种器件的无荫罩的方法。特别地，本发明的目的是提供一种具有改善的电气阻断能力同时提供令人满意的关断特性的功率半导体器件，诸如功率二极管。
10.本发明的目的通过根据权利要求1的功率半导体器件和根据权利要求11的制造这种功率半导体器件的方法来实现。
11.根据本发明的功率半导体器件包括晶片，该晶片具有第一主侧表面和与第一主侧表面相对的第二主侧表面。第一主侧表面和第二主侧表面在横向方向上延伸。晶片包括有源区和横向围绕有源区的终端区、在终端区中与第一主侧表面相邻的多个浮置场环，并且按照从第一主侧表面到第二主侧表面的顺序是具有第一导电类型(例如n型或p型导电性)的第一半导体层，和具有不同于第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层。第二半导体层与第一半导体层直接接触以形成第一pn结。浮置场环中的每一个是第一导电类型的环形半导体区，其横向围绕有源区和第一半导体层，并且与第二半导体层形成第二pn结，并且浮置场环在横向方向上彼此隔开并且通过第二半导体层彼此分离。第一主侧表面上的第一电极与第一半导体层形成第一触点，并且第二主侧表面上的第二电极形成第二触点。另外，保护层布置在第一主侧表面上，并且保护层覆盖终端区。覆盖终端区的保护层包括薄部分和横向围绕薄部分的厚部分。厚部分具有内端和横向围绕内端的外端。厚部分具有比薄部分的最大厚度更大的最小厚度。多个浮置场环形成在保护层的厚部分下方。功率半导体器件还包括寿命控制区，该寿命控制区包括降低载流子寿命的缺陷。寿命控制区在横向方向上延伸穿过有源区，并穿过终端区的被保护层的薄部分覆盖的一部分。寿命控制区不在终端区的被保护层的厚部分覆盖的一部分中延伸。
12.根据本发明的用于制造功率半导体器件的方法包括提供晶片的步骤，该晶片具有
第一主侧表面和与第一主侧表面相对的第二主侧表面，并且该晶片在横向方向上延伸。晶片包括有源区和横向围绕有源区的终端区，并且按照从第一主侧表面到第二主侧表面的顺序是具有第一导电类型的第一半导体层和具有不同于第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层。第二半导体层与第一半导体层直接接触以形成第一pn结。该方法还包括在第一主侧表面上形成第一电极以与第一半导体层形成第一触点的步骤，以及在第二主侧表面上形成第二电极以形成第二触点的步骤。此外，该方法包括在第一主侧表面上形成保护层使得保护层覆盖终端区的步骤，并且在终端区中包括薄部分和横向围绕薄部分的厚部分。厚部分具有内端和横向围绕内端的外端。厚部分具有比薄部分的最大厚度更大的最小厚度。在形成保护层的步骤之后，该方法包括通过使用保护层作为照射掩模而利用离子照射晶片来在晶片中形成寿命控制区的步骤，从而在有源区中和在终端区的由薄部分覆盖的一部分中的预定深度处，而不在终端区的由保护层的厚部分覆盖的一部分中的预定深度处，形成降低载流子寿命的缺陷。
13.根据本发明的一方面，保护层在形成寿命控制区的步骤中用作照射掩模，该掩模允许离子注入在晶片的一些区域中，同时防止或减少离子注入在晶片的其他区域中。特别地，保护层防止或减少离子注入到终端区的其中形成保护层的厚部分的外圆周部分，并允许更多离子注入到终端区的其中形成保护层的薄部分的一部分。而且，因为保护层相对于晶片的对准可以相比于荫罩的对准以更高的精度完成，所以可以实现高注入精度，从而带来寿命控制区的位置的更精确控制。例如，这可以使得能够生成寿命控制区，所述寿命控制区横向延伸穿过有源区并进入包括第一半导体层的终端区的第一部分，但是不延伸到终端区的其中不期望离子注入的圆周部分。因此，可以不需要间隔件区，或者在大小方面可以显著减小间隔件区，从而得到具有较小终端区的器件。总的来说，可以实现具有优化的电气特性的器件。
14.根据本发明的另一方面，保护层保护晶片免受湿气、机械损伤和/或污染的影响。例如，通过在早期制造步骤中形成保护层(例如在离子注入步骤之前)，并且通过在注入步骤之后不去除保护层(与现有技术中使用荫罩时所做的相反)，降低了污染和/或损坏晶片的风险。而且，保护层将污染颗粒保持在距电场的一定距离处，使得可以防止污染颗粒和电场之间的干扰。
15.总的来说，根据权利要求1的半导体器件提供了这样的优点，即覆盖(整个)终端区的保护层可以同时作为用于生成寿命控制区的离子注入的照射掩模和终端区的保护层。因此，巧妙的保护层允许寿命控制区的生产不那么复杂(因为没有使用荫罩)并且更便宜及更精确，并且通过精确的寿命控制区而允许改善的电气特性。
16.从属权利要求中限定了本发明的另外的改进。
17.在示例性实施例中，厚部分的最小厚度至少是薄部分的最大厚度的两倍。
18.在示例性实施例中，厚部分的最小厚度为至少10μm/α、或至少12μm/α、 或至少15μm/α，并且薄部分的最大厚度小于5μm/α、或在1μm/ α和5μm/α之间。α是1到3之间的因子。α取决于保护层的材料及其屏蔽性质。例如，对于聚合物，例如聚酰亚胺或聚苯并噁唑(polybenzoxazole，pbo)，α可以是1；对于氧化物，α可以是1.6，并且对于氮化物，α可以是2.4。
19.在示例性实施例中，在终端区的由保护层的薄部分覆盖的一部分中的第一主表面
下方的预定深度处，降低载流子寿命的缺陷的浓度是在终端区的由保护层的厚部分覆盖的一部分中的预定深度处的这种缺陷的浓度的至少千倍，或者示例性地至少一百万倍。例如，保护层的厚部分下方的终端区中的预定深度处的这种缺陷的浓度可以基本上为零，而保护层的薄部分下方的终端区中的预定深度处存在相当大量的这种缺陷(即，至少一百万倍的更高浓度)。在所有这些情况下，可以理解的是，寿命控制区不在终端区的被保护层的厚部分覆盖的一部分中延伸。
20.在示例性实施例中，所注入的缺陷相邻于在第一半导体层和第二半导体层之间形成的第一pn结而定位。这可以在半导体器件导通状态中的电压降和开关期间的反向恢复能量损失之间提供改善的折衷。
21.在示例性实施例中，厚部分的内端在横向方向上距第一电极的圆周端与第一半导体层的圆周端距第一电极的圆周端具有至少相同的距离。这可以提供半导体器件的改善的性能。
22.在示例性实施例中，厚部分的内端在面向有源区ar的侧部和与晶片相对的侧部之间形成边缘。边缘例如可以是倒圆边缘或基本上直的边缘。边缘可以例如具有倒圆角部或尖锐角部。该边缘可以例如相对于第一主表面的表面法线倾斜，或者可以是基本上竖直的边缘，即基本上平行于第一主表面的表面法线的边缘。基本上竖直的边缘通过提供能力来形成在横向方向上的精确位置处终止的寿命控制区，可能是特别有益的。
23.在示例性实施例中，寿命控制区和/或相邻的半导体材料包括氢离子或氦离子或其他惰性气体离子。例如，氢离子、氦离子或其他惰性气体离子可以形成寿命降低缺陷。可以通过利用氦离子或氢离子或其他惰性气体离子或高能电子照射晶片来生成寿命降低缺陷。使用氦离子或氢离子或其他惰性气体离子可以提供仅在晶片的有限厚度中减少寿命的能力，因为复合中心主要生成在离子停止的深度，并且寿命减少的位置可以通过改变照射离子的能量来修改。最小寿命点是离子在材料中停止的地方。
24.在示例性实施例中，第一半导体层的圆周部分形成结终端扩展(jte)。jte可以包括：包含低掺杂p型半导体材料的多个部分地重叠的jte环。jte可以通过沿jte的宽度分布电势来帮助减小主结的外边缘上的电场。
25.在示例性实施例中，保护层包括处于如下浓度的氦：所述浓度高于形成保护层的材料中所自然存在的氦杂质的浓度。特别地，在距离晶片的第一主表面相同的距离处，保护层的薄部分可以包括比保护层的厚部分更低浓度的氦。例如，在距晶片的第一主表面相同的距离处，保护层的厚部分中的氦原子的浓度可以是保护层的薄部分中的氦原子的浓度的至少十倍、或者示例性地至少一千倍高。
26.在示例性实施例中，保护层包括聚合物材料，例如聚酰亚胺或聚苯并噁唑(pbo)。在这样的实施例中，薄部分的最大厚度可以例如在1μm和5μm之间的范围内，并且厚部分的最小厚度可以例如为至少10μm，例如至少12μm或至少15μm。
27.在另一示例性实施例中，保护层是钝化层，并且包括诸如氧化物或氮化物的介电材料。在这样的实施例中，薄部分的最大厚度可以例如小于3μm，并且厚部分的最小厚度可以例如至少5μm。
28.根据示例性实施例，保护层覆盖整个终端区。
29.在示例性实施例中，用于形成保护层的步骤包括形成覆盖终端区的外部部分的具
有第一厚度的第一保护层的步骤，以及在也覆盖终端区的外部部分的第一保护层上形成具有第二厚度的第二保护层的步骤。因此，第一保护层和第二保护层中的一个被形成为使得它也至少覆盖终端区的与外部部分相邻的内部部分，并且第一保护层和第二保护层中的另一个不覆盖内部部分。保护层由第一保护层和第二保护层形成。例如，第一保护层可以是覆盖终端区的内部部分和外部部分两者的薄层，也就是说，它可以覆盖整个终端区，并且第二保护层可以是仅形成在第一层的外部部分上的厚层，其覆盖终端区的外部部分但不覆盖终端区的内部部分。第一保护层的厚度(第一厚度)可以对应于保护层的薄部分的厚度，并且第一保护层和第二保护层的组合厚度(第一厚度加上第二厚度)可以对应于保护层的厚部分的厚度。这种方法可以产生厚部分的内端，该内端具有带有尖锐角部的基本上直的边缘。替代性地，第一保护层可以是仅覆盖终端区的外部部分的厚层，并且第二保护层可以是覆盖终端区tr的内部部分和第一保护层两者的薄层。这种方法可以产生厚部分的内端，该内端具有带有更倒圆角部的边缘。
30.在不同的示例性实施例中，用于形成保护层的步骤包括形成覆盖整个终端区的均匀保护层的步骤、在保护层上提供掩模的步骤、通过掩模暴露保护层的步骤(其中掩模被配置为将均匀保护层的外部部分与均匀保护层的内部部分暴露于不同的光量)、以及化学去除均匀保护层的内部部分的至少一部分的步骤，从而形成包括第一和第二保护层的保护层。
31.在示例性实施例中，形成寿命控制区的步骤在形成第一电极的步骤之后执行。
32.在整个申请中，当表述“基本上”应用于结构或技术特征时，则这意味着这个特征存在于用于制造它的方法的技术公差内。此外，“横向”方向是垂直于第一主表面的表面法线的方向。在横向方向上，相比于区域的“内部部分”到区域的圆周端而言，区域的“外部部分”更靠近区域的圆周端。层的厚度是指层的上表面和下表面之间的距离。相比于晶片的中心部分到晶片的圆周端而言，终端区的“圆周部分”是终端区的在横向方向上更靠近晶片的圆周端的一部分。“圆周部分”是外部部分。
附图说明
33.将参考附图在以下文本中更详细地解释本发明的实施例，在附图中：
34.图1示出了说明本发明的一些方面的功率二极管的截面图。
35.图2示出了根据本发明的实施例的功率二极管的局部截面图。
36.图3示出了根据本发明的实施例的功率二极管的局部截面图。
37.图4a至图4d示出了根据本发明的实施例的用于形成功率二极管的方法步骤。
38.附图中使用的附图标记及其含义总结在附图标记列表中。一般而言，在整个说明书中，相似的元件具有相同的附图标记。附图仅是示意性的，并且没有按比例绘制。由于可见性原因，在附图中本身重复出现的类似元件只标记一次。所描述的实施例意在作为示例，并且不应限制本发明的范围。
具体实施方式
39.图1示出了说明本发明的各方面的功率半导体器件1的横截面。半导体器件1是功率二极管。
40.功率二极管包括由硅(si)制成的半导体晶片2。半导体晶片2具有第一主侧表面22和与第一主侧表面22相对的第二主侧表面21。第一主侧表面22和第二主侧表面21在横向方向上延伸。按照从第一主侧表面22到第二主侧表面21的顺序，半导体晶片2具有p掺杂阳极层23、n掺杂漂移层24和具有高于n掺杂漂移层24的掺杂浓度的高掺杂n

衬底层26。p掺杂阳极层23例如可以是高掺杂的p

阳极层。p掺杂阳极层23是第一半导体层23，n掺杂漂移层24是第二半导体层24，并且n

衬底层26是第三半导体层26。各个层的适当掺杂浓度及其厚度在本领域是已知的。在半导体晶片2的第二主侧表面21上，形成有作为阴极电极(第二电极)72的背面金属化层72，其与高掺杂n

衬底层26形成欧姆接触。顶部金属化层71作为阳极电极(第一电极)71形成在第一主侧表面22上，与p掺杂阳极层23形成欧姆接触。n

衬底层26和阴极72延伸到半导体晶片2的圆周端25。p掺杂阳极层23在距半导体晶片2的圆周端25的一定距离处结束。阳极电极71布置在半导体晶片2的中心部分上。阳极电极71布置在p掺杂阳极层23的中心部分上。阳极电极71的圆周端在距p掺杂阳极层23的圆周端的一定距离处结束。而且，半导体晶片2包括阳极电极71和阴极电极72之间的有源区ar和横向围绕有源区ar的终端区tr。p掺杂阳极层23的圆周端延伸到终端区tr中。在半导体晶片2的第一主侧表面22上形成有保护层6。保护层6示例性地由聚合物材料制成，例如聚酰亚胺和/或聚苯并噁唑(pbo)。保护层6覆盖半导体晶片2的整个终端区tr。保护层6包括薄部分61和横向围绕薄部分61的厚部分62。厚部分62具有内端621和横向围绕内端621的外端622。厚部分62示例性地具有15μm的最小厚度d2。薄部分61示例性地具有5μm的最大厚度d1。薄部分61的厚度d1和厚部分62的厚度d2可以根据保护层6的材料和期望的注入深度而变化。薄部分61的最大厚度d2可以例如在1μm和5μm之间。厚部分的最小厚度d1可以例如至少为10μm。厚部分的最大厚度d2例如可以是30μm。厚部分62的内端621在面向有源区ar的侧部和与晶片2相对的侧部之间形成边缘。边缘是基本上直的边缘，并且具有尖锐角部623。厚部分62的边缘(内端621)在横向方向上距第一电极71的圆周端比第一半导体层23的圆周端距第一电极71的圆周端更远。然而，边缘(内端621)可以基本上与第一半导体层23的圆周端对齐。
41.半导体器件1还包括寿命控制区5，该寿命控制区包括降低载流子寿命的缺陷。寿命控制区5在横向方向上延伸穿过有源区ar并且在终端区tr的被保护层6的薄部分61覆盖的一部分中延伸。寿命控制区5未延伸到终端区tr的被保护层6的厚部分62覆盖的一部分中。在这个示例中，寿命控制区5形成在大致与形成第一pn结的深度相对应的深度处，但是也可以形成为基本上更靠近主侧表面22。例如，形成寿命控制区5的深度可以在1μm和15μm之间。但是，不排除更深的深度。例如，在双极二极管中，寿命控制区5可以在1μm和200μm之间的深度延伸。形成寿命控制区5的缺陷包括例如氦或氢或其他惰性气体原子。在超过第一主表面22的预定深度处，例如在8μm的深度处，在终端区tr的被保护层6的厚部分62覆盖的一部分中，这种缺陷形成离子的数量基本上为零，而在相同深度处，在终端区tr的被保护层6的薄部分61覆盖的一部分中，存在相当大量的缺陷形成离子。因此，在预定深度处，寿命控制区5中的缺陷形成离子的浓度是终端区tr的在保护层6的厚部分62下方的圆周部分中的预定深度处的缺陷形成离子的浓度的至少千倍，或者示例性地至少一百万倍。此外，保护层6可以包括氦原子。在距第一主侧表面22的预定距离处，保护层6的厚部分62中的氦的浓度是保护层6的薄部分61中的所述预定距离处的氦的浓度的至少十倍，或者示例性地至少一千倍。
42.图2示出了根据本发明的实施例的功率二极管1的局部截面图。功率二极管1的未示出的一部分可以与图2中示出的部分镜像对称。由于这个实施例和图1中示出的实施例之间的许多相似之处，因此仅描述不同之处。其他特征基本上与上面参照图1描述的相同，并参考上面的描述。图2中示出的实施例包括在终端区tr的与半导体晶片2的第一主侧表面22相邻的圆周部分中的多个浮置场环(保护环)81。终端区tr的圆周部分中的浮置场环81的目的是通过允许耗尽区延伸经过连续地较低偏置的浮置结来减轻器件主结的外边缘处的场拥挤效应。浮置场环81中的每一个是p型导电性的环形半导体区域，例如高掺杂的p

型导电性。多个浮置场环81横向围绕有源区ar和p型阳极层23。多个浮置场环81形成场限制的终端结区8。各个场环81是独立的区。在俯视图中，即在平行于第一主侧面的平面上的正交投影中，这些区域被形成为环(例如环形、正方形或任何其他合适的设计)。浮置场环81与晶片2的第一主侧表面22直接接触。这意味着在浮置场环81和第一晶片主侧表面2之间没有间隙或任何其他半导体层。而且，浮置场环81在横向方向上彼此隔开，其中在横向方向上每对相邻的浮置场环81之间的距离示例性地在5μm至200μm的范围内。浮置场环25在横向方向上的宽度可以高达100μm。场环的宽度可以尽可能减小以节省空间。场环从第一主侧表面22所延伸到的场环的深度可以与p型阳极层23的深度相同。浮置场环81的掺杂浓度可以示例性地为1
·
10
15
cm
‑3或更高。浮置场环81形成在n型漂移层24中，使得它们中的每一个与n型漂移层24直接接触，从而形成pn结(权利要求中的第二pn结)。多个场环81布置在保护层6的厚部分62下方。保护层6的内端621形成具有倒圆角部623的基本上竖直的边缘。p型阳极层23的圆周端231在横向方向上与保护层6的厚部分620的内端621对齐。寿命控制区5形成在半导体晶片2中。寿命控制区5在横向方向上延伸穿过有源区ar进入终端区tr中到达厚部分62的内端621，即内端621投影到终端区tr中。
43.图3示出了根据本发明的示例性实施例的功率二极管1的局部截面图。由于这个实施例与参照图1和图2描述的实施例之间的许多相似之处，仅描述了不同之处，并参考了上面的描述。图3中示出的功率二极管1使用了附加的结终端扩展(jte)9。jte 9具有p型导电性。jte 9与第一主表面22相邻，并与p型阳极层23直接接触。jte 9由多个部分地重叠的jte环91形成。重叠程度在圆周方向上减小。jte环91是横向围绕有源区ar和p型阳极层23的低掺杂p
‑
环形半导体区。jte 9形成在第一半导体层23的圆周部分中。jte区域91具有1
·
10
18
cm
‑3或更低的掺杂浓度，示例性地在1
·
10
15
cm
‑3和8
·
10
17
cm
‑3之间的范围内。而且，示例性实施例的器件包括横向围绕第一半导体层23的多个浮置场环81，如以上参考图2所述。jte 9的圆周端和多个场环81之间没有直接接触。jte 9形成在保护层6的薄部分61下方的终端区tr中。多个场环81形成在保护层6的位于厚部分62下方的终端区tr中。在保护层6的厚部分62的内端621处，形成相对于第一主表面22的表面法线倾斜的边缘。因此，保护层6包括中间部分63，其中其厚度连续增加。保护层6的中间部分63是薄部分61和厚部分62之间的部分，其中保护层6的厚度d3大于薄部分61的厚度d1并且小于厚部分62的厚度d2。寿命控制区5形成在半导体晶片2中。寿命控制区5在横向方向上延伸穿过有源区ar进入终端区tr。寿命控制区5在横向方向上延伸到终端区tr的包括jte 9的一部分，但是不延伸或仅少量延伸到终端区tr的包括多个场环81的圆周部分。形成寿命控制区5的离子位于的深度与薄部分61的厚度相反。也就是说，薄部分61的厚度越大，离子位于半导体晶片2中的深度越小。在保护层6的薄部分61下方，离子位于大约与形成第一pn结的深度相对应的深度。离子在保护层
6的中间部分63下方位于的深度比在厚部分62下方位于的深度更浅，而离子在厚部分62下方位于的深度比在中间区域63下方位于的深度更浅，或者根本找不到。
44.在下文中，参照图4a至图4d描述根据本发明的用于制造功率半导体器件的方法的各方面。其中，出于可见性的原因，省略了被包含在晶片2中的、前面提及的多个浮置场环81。该方法包括以下步骤：
45.a)提供半导体晶片2(参见图4a)。
46.b)根据上述实施例中的一个，在第一主侧表面22上形成阳极电极71，并且在第二主侧表面21上形成阴极电极72(参见图4b)
47.c)根据上述实施例中的一个，在第一主侧表面22上形成保护层6，该保护层覆盖终端区tr并包括薄部分61和厚部分62(参见图4c)。
48.d)通过利用离子照射到保护层6上，在半导体晶片2中形成寿命控制区5，从而在终端区tr的内部部分和有源区ar中形成降低载流子寿命的缺陷。
49.参考步骤a)和b)，半导体晶片2以及阳极电极71和阴极电极72的细节在上面参照图1至图3进行了描述，并且为了简明起见在此不再重复。替代地，参考上面的描述。此外，技术人员已知如何根据前面提及的实施例制造半导体晶片2和电极71、72。
50.参考步骤c)，保护层6可以例如通过光刻或丝网印刷形成。通过旋涂并预烘干以去除过量的溶剂，在第一主侧表面22上形成均匀保护层。例如，均匀保护层可以是包含光敏聚合物的均匀聚合物层。然后，使用结构化光掩模将均匀保护层暴露于强光的图案，该结构化光掩模被配置为将均匀保护层的外部部分(即，对应于厚部分62的部分)与均匀保护层的内部部分(即，对应于薄部分61的部分)暴露于不同的光量。然后，根据均匀保护层是正感光还是负感光，使用显影剂化学去除经曝光的部分(或未曝光的部分)。此后，剩余的保护层可以被烘干以形成耐用的保护层6。
51.根据上述实施例的保护层6还可以这样形成，例如通过在半导体晶片2的第一主侧表面22上形成覆盖整个终端区tr的具有第一厚度的均匀第一层，并且然后利用与第一均匀层相同的材料在第一层的外部部分上形成具有第二厚度的均匀第二层，使得第二层仅覆盖终端区tr的将要形成厚部分62的外部部分，但是不覆盖终端区tr的将要形成薄部分61的内部部分。第一厚度可以对应于薄部分61的厚度(d1)，并且第二厚度可以对应于厚部分62的厚度和薄部分61的厚度之间的差，即d2
‑
d1。
52.替代性地，可以在半导体晶片2的第一主侧表面22上形成具有第一厚度的均匀第一层，使得它仅覆盖终端区tr的外部部分，然后可以利用与第一层相同的材料在第一主侧表面22的剩余部分和第一均匀层上形成具有第二厚度的第二层，使得整个终端区tr被第二均匀层覆盖。第一层和第二层两者重叠的部分可以对应于保护层6的厚部分62。仅第二层覆盖终端区tr的部分可以对应于薄部分61。利用这种方法，照射步骤(步骤d))可以在第一层的形成和第二层的形成之间进行，或者替代性地在两个层形成之后进行。第二方法对于防止半导体晶片2的湿气问题或污染可能是有益的。
53.参考步骤d)，寿命控制区5可以通过利用离子(例如氦离子或氢离子)照射3到保护层6上而将缺陷注入到半导体晶片2中来形成。由于保护层6具有厚的外部部分62和薄的内部部分61，离子束3在外部部分62中被强烈衰减，并且在内部部分61中仅被微弱衰减，使得穿过外部部分62的离子不穿透或仅非常浅地穿透半导体晶片2的第一主侧表面22下方，而
穿过内部部分61的离子更深地穿透到半导体晶片2中。因此，注入基本上被限制到有源区ar和终端区tr的对应于薄部分的内部部分。例如，对于注入氢离子，注入能量通常在0.5mev和5mev之间的范围内，并且注入剂量通常在1
·
10
11
cm
‑2和1
·
10
14
cm
‑2之间的范围内。对于注入氦离子，注入能量通常在1mev和10mev之间的范围内，并且注入剂量通常在1
·
10
11
cm
‑2和1
·
10
13
cm
‑3之间的范围内。随着注入离子的质量的增加，所需的照射剂量减少。
54.对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，上述实施例的修改是可能的。还必须注意的是，本文参考不同的主题描述了本发明的方面和实施例。特别地，一些特征是参照用于生产半导体器件的方法来描述的，而其他特征是参照半导体器件本身来描述的。然而，本领域技术人员将从以上内容中了解到，除非另有说明，否则除了属于一种主题类型的任何组合或特征之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是半导体器件的特征和用于生产这种器件的方法的特征之间的任何组合也被认为是与本申请一起公开的。
55.例如，在上述实施例中的每一个中，保护层6的厚部分62可以具有形成基本上竖直的边缘或倾斜边缘的内端621，或者可以具有作为尖锐角部或倒圆角部的角部623。
56.在上述实施例中，浮置场环81的数量总是被示出为三个。然而，根据器件的标称(最大)电压，可以使用两个到50个之间的任意数量的浮置场环81。器件的标称电压越高，所需的浮置场环81的数量和所需的jte环的数量就越高。
57.在上述实施例中，各个场环81的宽度、以及两个相邻场环81之间的距离是相同的。然而，宽度和距离也可能不同。在另一优选实施例中，浮置场环81的宽度从最里面的浮置场环到最外面的浮置场环81步进地或连续地增加。
58.在上述实施例中，jte 9被描述为由多个部分地重叠的jte环91形成，其中所述重叠在圆周方向上减小。然而，jte环也可以是单个jte环，或者jte环的重叠不会在朝向圆周端的方向上减少。
59.在上述实施例中，阳极层23、jte环91和浮置场环81可以全部具有相同的掺杂浓度，并且可以全部具有相同的深度，使得它们可以仅使用一个掩模在相同的注入工艺步骤中制造，从而便于制造。然而，阳极层23、jte环91和浮置场环81也可以具有不同的掺杂浓度，并且可以延伸到不同的深度。
60.在上述实施例中，硅被用作半导体材料。然而，也可以利用其他半导体材料实施本发明的高功率半导体器件，例如利用碳化硅(sic)、第三族氮化物(诸如氮化镓(gan)或氮化铝镓(algainn)、金刚石等。
61.在上述实施例中，场限制的结终端包括多个浮置场环81。然而，场限制的结终端8也可以是变化横向掺杂(vad)区域。而且，结终端扩展9也可以是变化横向掺杂(vad)区域。
62.在上述实施例中，功率半导体器件1是pin二极管。然而，本发明的功率半导体器件可以是另一高功率半导体器件，诸如单极二极管、jbs二极管、结型栅场效应晶体管(jfet)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)、双极结型晶体管(bjt)或晶闸管。
63.在上述实施例中，描述了阳极电极71的圆周端在横向上远离第一半导体层23的圆周端。然而，阳极电极71的圆周端也可以在横向方向上与半导体层23的圆周端基本上对齐。
64.在伴随实施例和方法的以上描述的附图中，没有示出钝化层。然而，钝化层可以设
置在第一主侧表面22和保护层6之间。钝化层可以覆盖有源区ar的一部分和终端区tr两者。例如，钝化层可以是不导电的氧化硅或氮化硅层、或高介电常数电介质层，或者可以是包括多层不同电介质的钝化层堆叠。
65.在示例性实施例中，钝化层是保护层6。
66.在伴随上述实施例描述的附图中，保护层6不覆盖阳极电极71。然而，保护层6也可以覆盖阳极电极71的一部分。
67.在上述实施例中，示例性地描述了在与形成第一pn结的深度相对应的深度处实施形成寿命控制区5的离子。然而，形成寿命控制区5的离子也可以在其他深度注入。然后，可能必须调节保护层6的厚度。此外，在示例性实施例中，保护层6的厚部分62足够厚，以防止照射的离子进入终端区tr的圆周部分。然而，在一些实施例中，可以允许少量离子进入终端区tr的圆周部分。
68.在上述实施例中，薄部分61的厚度d1在横向方向上基本上恒定，并且厚部分62的厚度d2在横向方向上基本上恒定。结果，终端区tr的相对应的部分中的缺陷密度大约是恒定的。然而，薄部分61的厚度和/或厚部分62的厚度也可以在横向方向上变化，使得形成横向掺杂上变化(vld)区域。
69.以上实施例利用特定的导电类型来解释。上述实施例中的半导体层的导电类型可以被切换，使得被描述为p型层的全部的层将是n型层，并且被描述为n型层的全部的层是p型层。
70.在权利要求中，当区域被称为与第一主侧表面相邻时，该区域可以与第一主侧表面直接接触，或者可以在距第一主侧表面一定距离处靠近第一主侧表面。还应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。还可以组合结合不同实施例描述的元素。
71.附图标记列表
72.1：
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功率半导体器件
73.2：
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半导体晶片
74.21：
ꢀꢀꢀꢀ
第二主侧表面
75.22：
ꢀꢀꢀꢀ
第一主侧表面
76.23：
ꢀꢀꢀꢀ
第一半导体层；p型阳极层
77.231：
ꢀꢀꢀꢀ
第一半导体层的圆周端
78.24：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二半导体层；n型漂移层
79.25：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
晶片的圆周端
80.26：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第三半导体层；高掺杂n型衬底
81.3：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
离子照射束
82.5：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
寿命控制区
83.6：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
保护层
84.61：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
保护层的薄部分
85.62：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
保护层的厚部分
86.63：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
保护层的中间部分
87.621：
ꢀꢀꢀꢀ
厚部分的内端
88.622：
ꢀꢀꢀꢀ
厚部分的外端
89.623：
ꢀꢀꢀꢀ
厚部分的角部
90.71：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一金属层；阳极电极
91.72：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二金属层；阴极电极
92.8：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
场限制的结终端
93.81：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
浮置场环
94.82：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二层的将相邻浮置场环分离的部分
95.9：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
结终端扩展(jte)
96.91：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
jte环
97.d1：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
薄部分的厚度
98.d2：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
厚部分的厚度
99.d3：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
中间部分的厚度

技术特征：
1.一种功率半导体器件(1)，包括：晶片(2)，所述晶片具有第一主侧表面(22)和与所述第一主侧表面(22)相对并在横向方向上延伸的第二主侧表面(21)，所述晶片(2)包括有源区(ar)和横向围绕所述有源区(ar)的终端区(tr)、所述终端区(tr)中的与所述第一主侧表面(22)相邻的多个浮置场环(81)，并且按照从所述第一主侧表面(22)到所述第二主侧表面(21)的顺序是：具有第一导电类型的第一半导体层(23)，以及具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层(24)，所述第二半导体层(24)与所述第一半导体层(23)直接接触以形成第一pn结；所述第一主侧表面(22)上的第一电极(71)，用于与所述第一半导体层(23)形成第一触点；所述第二主侧表面(21)上的第二电极(72)，用于形成第二触点；保护层(6)，所述保护层在所述第一主侧表面(22)上并覆盖所述终端区(tr)，其中覆盖所述终端区(tr)的所述保护层(6)包括薄部分(61)和横向围绕所述薄部分(61)的厚部分(62)，所述厚部分(62)具有内端(621)和横向围绕所述内端(621)的外端(622)，所述厚部分(62)具有比所述薄部分(61)的最大厚度(d1)更大的最小厚度(d2)；以及寿命控制区(5)，所述寿命控制区包括降低载流子寿命的缺陷，所述寿命控制区(5)在所述横向方向上延伸穿过所述有源区(ar)并且在所述终端区(tr)中延伸穿过被所述保护层(6)的薄部分(61)覆盖的一部分，并且不在被所述保护层(6)的厚部分(62)覆盖的一部分中，并且其中所述多个浮置场环(81)形成在所述保护层(6)的厚部分(62)下方，所述浮置场环(81)中的每一个浮置场环是具有第一导电类型的环形半导体区域，其横向围绕所述有源区(ar)和所述第一半导体层(23)并且与所述第二半导体层(24)形成第二pn结，并且所述浮置场环(81)在所述横向方向上彼此隔开，并且通过所述第二半导体层(24)彼此分离，并且其中所述有源区(ar)是所述晶片(2)的沿着垂直于所述晶片(2)的主侧表面(21，22)的方向定位在所述第一触点和所述第二触点之间的一部分。2.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述厚部分(62)的最小厚度(d2)是所述薄部分(61)的最大厚度(d1)的至少两倍。3.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中：所述厚部分(62)的最小厚度(d2)为至少10μm/α、或至少12μm/α、或至少15μm/α，所述薄部分(61)的最大厚度(d1)小于5μm/α、或在1μm/α和5μm/α之间，并且α是1和3之间的因子。4.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件，其中在所述终端区(tr)的由所述保护层(6)的薄部分(61)覆盖的一部分中的所述第一主表面(22)下方的预定深度处，降低载流子寿命的缺陷的浓度是所述终端区(tr)的由所述保护层(6)的厚部分(22)覆盖的一部分中的所述预定深度处的这种缺陷的浓度的至少千倍，或者至少一百万倍。5.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件，其中所述厚部分(62)的内端(621)在横向方向上距所述第一电极(71)的圆周端与所述第一半导体层(23)的圆周端距所述第一电极(71)的圆周端具有至少相同的距离。6.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件，其中所述厚部分(62)的内端(621)在面向所述有源区(ar)的侧部和与所述晶片(2)相对的侧部之间形成边缘。
7.根据权利要求6所述的功率半导体器件，其中所述边缘基本上是竖直的。8.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件，其中所述寿命控制区(5)中的半导体材料包括氢离子或氦离子、或其他惰性气体离子。9.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件，其中所述保护层(6)包括聚合物材料。10.根据权利要求1至8中任一项所述的功率半导体器件(1)，其中所述保护层(6)包括介电材料，例如氧化物或氮化物。11.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件，其中所述保护层(6)覆盖整个所述终端区。12.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件的方法，所述方法包括以下步骤：提供晶片(2)，所述晶片具有第一主侧表面(22)和与所述第一主侧表面(22)相对并在横向方向上延伸的第二主侧表面(21)，其中所述晶片(2)包括有源区(ar)和横向围绕所述有源区(ar)的终端区(tr)，并且按照从所述第一主侧表面(22)到所述第二主侧表面(21)的顺序是：具有第一导电类型的第一半导体层(23)，以及具有不同于所述第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层(24)，所述第二半导体层(24)与所述第一半导体层(23)直接接触以形成第一pn结；在所述第一主侧表面(22)上形成第一电极(71)，以与所述第一半导体层(23)形成第一触点；在所述第二主侧表面(21)处形成第二电极(72)，以形成第二触点；形成保护层(6)，所述保护层在所述第一主侧表面(22)上，使得所述保护层(6)覆盖所述终端区(tr)并且包括薄部分(61)和横向围绕所述薄部分(61)的厚部分(62)，所述厚部分具有内端(621)和横向围绕所述内端(621)的外端(622)，所述厚部分(62)具有比所述薄部分(61)的最大厚度(d1)更大的最小厚度(d2)；以及此后，通过使用所述保护层(6)作为照射掩模，利用离子来照射所述晶片(2)在所述晶片(2)中形成寿命控制区(5)，从而在所述有源区(ar)中的预定深度处和在所述终端区(tr)的被所述保护层(6)的薄部分(61)覆盖的一部分中的预定深度处形成降低载流子寿命的缺陷，而不在所述终端区(tr)的被所述保护层(6)的厚部分(62)覆盖的一部分中的预定深度处形成降低载流子寿命的缺陷，其中所述有源区(ar)是所述晶片(2)的沿着垂直于所述晶片(2)的主侧表面(21，22)的方向定位在所述第一触点和所述第二触点之间的一部分；13.根据权利要求12所述的方法，其中用于形成所述保护层(6)的步骤包括以下步骤：形成具有第一厚度的第一保护层，所述第一保护层覆盖所述终端区(tr)的外部部分，以及在所述第一保护层上形成具有第二厚度的第二保护层，所述第二保护层覆盖所述终端区(tr)的外部部分并且由与所述第一保护层相同的材料制成，从而形成包括所述第一保护层和所述第二保护层的所述保护层(6)，以及其中所述第一保护层和所述第二保护层中的一个还至少覆盖所述终端区(tr)的与所
述终端区(tr)的所述外部部分相邻的内部部分，并且所述第一保护层和所述第二保护层中的另一个不覆盖所述保护层的所述内部部分。14.根据权利要求12所述的方法，其中用于形成所述保护层(6)的步骤包括以下步骤：形成覆盖整个所述终端区(tr)的均匀保护层；在所述均匀保护层上提供掩模，其中所述掩模被配置为将所述均匀保护层的外部部分与所述均匀保护层的内部部分暴露于不同的光量，通过所述掩模暴露所述均匀保护层，以及化学去除所述均匀保护层的所述内部部分的至少一部分，从而形成所述保护层(6)。15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中形成所述寿命控制区(5)的步骤在形成所述第一电极(71)的步骤之后执行。
技术总结
一种功率半导体器件包括：具有有源区(AR)和横向围绕有源区的终端区(TR)的晶片(2)；终端区中的浮置场环；包括减少载流子寿命的缺陷的寿命控制区；和晶片上的保护层(6)。保护层覆盖终端区，并包括薄部分(61)和横向围绕薄部分的厚部分(62)。厚部分覆盖浮置场环。寿命控制区(5)在横向方向上延伸穿过有源区，并且在终端区中延伸穿过被薄部分覆盖的部分，并且不在被厚部分覆盖的部分中。根据制造方法，使用保护层(6)作为照射掩模，通过利用离子照射晶片(2)来形成寿命控制区。(2)来形成寿命控制区。(2)来形成寿命控制区。


技术研发人员：C
受保护的技术使用者：ABB电网瑞士股份公司
技术研发日：2019.10.17
技术公布日：2021/6/29