CN116569341B - 带有具有不同局部区域的侧表面的半导体器件 - Google Patents

Abstract

提出了一种具有半导体主体(2)的半导体器件(1)，该半导体主体在第一主表面(21)和第二主表面(22)之间在竖直方向上延伸，该第二主表面与第一主表面相对。半导体主体包括第一导电类型的第一半导体层(31)和不同于第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层(32)，从而形成第一pn结(41)，其中第一半导体层(31)比第二半导体层(32)掺杂更重。在第一主表面(21)和第二主表面(22)之间延伸的半导体主体(2)的侧表面(5)在侧向方向上界定半导体主体(2)，包括第一局部区域(51)和第二局部区域(52)，其中第一局部区域(51)和第二局部区域(52)将第一半导体层(31)界定成多个区域。第一局部区域(51)在侧向方向上界定第一pn结(41)，并且第二局部区域(52)在竖直方向上与第一pn结(41)间隔开。相对于第一pn结(41)，第一局部区域(51)以第一角度(γ)布置，并且第二局部区域(52)以第二角度(β)布置，其中第一角度(α)大于第二角度(β)。

Description

带有具有不同局部区域的侧表面的半导体器件

技术领域

提出了一种带有具有不同的局部区域的侧表面的半导体器件。

背景技术

在半导体器件中，侧表面处的表面场可能对器件性能具有较强的影响。在双极器件中，可以使用倾斜的pn结终止部来减小表面场，其中可以应用负和正倾斜设计。在正斜面设计中，半导体主体的横截面积在朝向更轻掺杂层的方向上减小。相反，横截面积在负斜面设计中朝向更轻掺杂层增加。

诸如晶闸管的对称阻断器件需要两个阻断pn结，以便进行正向和反向阻断。例如，文献US 3,437,886和US 3,575,644描述了具有两个正倾斜结的晶闸管。负-负或正-负斜面设计也适用。

然而，已经发现，在正-负斜面晶闸管中，反向阻断电压可能被穿通效应限制，该穿通效应由正斜面附近的向上翻转的电场引起。

发明内容

待解决的问题是提供一种提高反向阻断电压能力的半导体器件。

这个目的尤其通过根据权利要求1的半导体器件实现。改进和便利是另外的权利要求的主题。

根据至少一个实施例，半导体器件包括在第一主表面和第二主表面之间在竖直方向上延伸的半导体主体，所述第二主表面与第一主表面相对。半导体主体包括第一导电类型的第一半导体层和不同于第一导电类型的第二导电类型的第二半导体层，从而形成第一pn结。第一半导体层比第二半导体层掺杂更重。在第一主表面和第二主表面之间延伸的半导体主体的侧表面在侧向方向上界定半导体主体。半导体主体的侧表面包括第一局部区域和第二局部区域，其中第一局部区域和第二局部区域将第一半导体层界定成多个区域。例如，第二局部区域直接邻接第一局部区域。第一局部区域在侧向方向上界定第一pn结。第二局部区域在竖直方向上与第一pn结间隔开。相对于第一pn结，第一局部区域以第一角度布置并且第二局部区域以第二角度布置，其中第一角度大于第二角度。

例如，侧表面包括第三局部区域，第一局部区域布置在第二局部区域和第三局部区域之间，第三局部区域直接邻接第一局部区域。半导体主体还包括第二pn结，第三局部区域在侧向方向上界定第二pn结并且第一局部区域、第二局部区域和第三局部区域在横截面视图中是平坦的。

换句话说，侧向界定半导体主体的侧表面具有至少两个不同的局部区域，即第一局部区域和第二局部区域，其中这些局部区域侧向界定第一半导体层并且相对于第一pn结形成不同的角度。例如，第一角度比第二角度大至少1°或至少2°或至少5°。因此，第一pn结以大于被布置为背离第一pn结更远的第二局部区域的角度的角度终止。

已经发现，如果第一pn结在相反方向上操作，这有助于扩展电场的向上翻转以防止穿通并增大反向阻断电压。因此，可以通过半导体主体的侧表面的经修改的形状来增大反向阻断电压。

另外，当沿着竖直方向看时，通过较大的第一角度，可用于第一pn结的半导体器件的面积增加，尤其是与第二角度相比。

例如，第一半导体层布置在第一主表面和第一pn结之间。第二半导体层可以布置在第一pn结和第二主表面之间。第一主表面可以表示半导体主体的阴极侧，以及第二主表面可以表示半导体主体的阳极侧，反之亦然。

除了第一半导体层和第二半导体层之外，在第一主表面和第二主表面之间可以存在另外的半导体层和/或另外的掺杂半导体区域。例如，半导体主体包括硅。也可以使用其他半导体材料，诸如碳化硅或氮化镓。

根据半导体器件的至少一个实施例，第一角度在5°和20°之间(包括端值)。

根据半导体器件的至少一个实施例，第二角度在0.8°和5°之间(包括端值)。

根据半导体器件的至少一个实施例，当沿着竖直方向看时，第一局部区域的侧向范围小于第二局部区域的侧向范围。例如，第一局部区域比第二局部区域小至少5％并且至多90％。

根据半导体器件的至少一个实施例，第一角度在第一局部区域内是恒定的，以及第二角度在第二局部区域内是恒定的。换句话说，第一角度和第二角度在相应的局部区域内不变。

根据半导体器件的至少一个实施例，第一局部区域和第二局部区域中的至少一者(例如第一局部区域和第二局部区域)呈现出机械烧蚀方法的迹线。例如，这些迹线是研磨方法的迹线。使用机械烧蚀方法，可以以可靠且有效的方式获得倾斜的侧表面。可以省去诸如蚀刻的化学方法。然而，如果适用的话，可以使用化学方法代替或补充机械消融方法。

根据半导体器件的至少一个实施例，第一局部区域和第二局部区域中的至少一者(例如第一局部区域和第二局部区域)呈现出激光烧蚀方法的迹线。

除了第一pn结之外，半导体主体还可以包括一个以上的pn结，例如第二pn结。

例如，在横截面视图中，第一pn结和第二pn结中的至少一者在半导体主体的两个相对侧表面之间连续延伸。

根据半导体器件的至少一个实施例，第二pn结形成在第二半导体层和第一导电类型的第三半导体层之间。因此，第一pn结和第二pn结的正向方向彼此相反。例如，第三半导体层比第二半导体层掺杂更重。

根据半导体器件的至少一个实施例，侧表面包括第三局部区域。例如，第一局部区域布置在第二局部区域和第三局部区域之间。例如，第三局部区域在侧向方向上界定第二pn结。第三局部区域在竖直方向上与第一pn结间隔开。例如，第三局部区域直接邻接第一局部区域。

第三局部区域相对于第一pn结的角度可以不同于第一局部区域。例如，第二角度在第一角度和第三角度之间。

根据半导体器件的至少一个实施例，第三角度在20°和60°之间(包括端值)。例如，第三局部区域形成第二pn结的正斜面。

可替代地，负斜面可以用于第二pn结。在这种情况下，该角度例如在0.8°和20°之间。

根据半导体器件的至少一个实施例，第一pn结被配置用于至少1000V的反向阻断电压。例如，半导体器件被配置用于高电压应用，例如高于5000V或高于8000V，例如用于8500V的额定阻断电压。

根据半导体器件的至少一个实施例，半导体器件是晶闸管。例如，晶闸管被配置为相位控制晶闸管(PCT)。然而，具有不同局部区域的侧表面的所描述的配置也可以应用于具有pn结的其他半导体器件。

根据半导体器件的至少一个实施例，晶闸管具有正-负斜面设计，其中负斜面包括第一局部区域和第二局部区域。例如，正斜面由第三局部区域形成。可替代地，晶闸管可以具有负-负斜面设计。在这种情况下，结合第一半导体层、第一局部区域和第二局部区域描述的特征也可以适用于第三半导体层。

附图说明

在示例性实施例和附图中，相似或作用相似的组成部分具有相同的附图标记。一般而言，仅描述关于各个实施例的差异。除非另有说明，一个实施例中的部分或方面的描述也应用于另一实施例中的相应的部分或方面。

在附图中：

图1以截面图示出了半导体器件的示例性实施例；

图2以截面图示出了半导体器件的另外的示例性实施例；

图3A示出了根据本文描述的半导体器件的实施例的半导体器件的电场的模拟结果；

图3B示出了参考半导体器件的电场的模拟结果；

图4示出了不同半导体器件的阻断电压Vdc的测量。

图中示出的元件和它们彼此之间的尺寸关系不一定是真实比例。相反，为了更好的可表示性和/或为了更好的理解，可以利用放大的尺寸来表示单个元件或层厚度。

具体实施方式

图1中以截面图示出了半导体器件1的示例性实施例。在这个示例性实施例中，半导体器件1被实施为具有用于正向阻断和反向阻断的两个阻断pn结的半导体器件。然而，本发明也可以用于仅具有一个pn结或多于两个pn结的半导体器件。

图中未明确示出半导体器件1的金属电极，诸如阴极、阳极和栅电极。

半导体器件1包括在第一主表面21和第二主表面22之间在竖直方向上延伸的半导体主体2。半导体主体2包括多个不同掺杂的局部区域。仅为了简单起见，示出了第一半导体层31、第二半导体层32和第三半导体层33。然而，半导体主体可以包括三个以上的半导体层或者不同掺杂的半导体区域。

半导体主体2布置在载体6上。例如，半导体主体2通过诸如粘合剂或焊料(图中未明确示出)的连接层固定到载体6。

例如，载体6包括钼或由钼组成。然而，其他材料也可以用于载体6。

第一pn结41形成在第一半导体层31和第二半导体层32之间。例如，第二半导体层32是n型掺杂的，并且第一半导体层31和第三半导体层33是p型掺杂的，反之亦然。例如，半导体主体2被配置为半导体盘。例如，半导体盘是硅晶片。然而，也可以使用诸如碳化硅或氮化镓的其他半导体材料。

第一pn结41和第二pn结42在侧表面5之间在侧向方向上延伸，这些侧表面侧向界定第一pn结41和第二pn结42。侧表面5包括第一局部区域51、第二局部区域52和第三局部区域53。在相应区域中的侧表面5相对于第一pn结41的角度方面，这些局部区域彼此不同。

第一pn结41由第一局部区域51侧向界定。因此，第一局部区域51在区域中侧向界定第一半导体层31和第二半导体层32。第二局部区域52在第一局部区域和第一主表面21之间延伸。第二局部区域52在竖直方向上与第一pn结41间隔开。

第一角度α(参见图2)在5°和20°之间(包括端值)，例如10°或14°。第二角度β在0.8°和5°之间(包括端值)，例如1°。

第一半导体层31比第二半导体层32掺杂更重，使得半导体器件的横截面朝向更重掺杂层减小。因此，第一局部区域51与第二局部区域52一起形成第一pn结41的负斜面设计。

第三半导体层33比第二半导体层32掺杂更重，使得第三局部区域53形成第二pn结42的正斜面设计。第三局部区域53和第一pn结41之间的第三角度γ例如在20°和60°之间(包括端值)。

在第一局部区域51、第二局部区域52和第三局部区域53内，侧表面5相对于第一pn结41的角度是恒定的。可以使用机械烧蚀方法有效地形成在横截面视图中是平坦的侧表面5的局部区域。这种方法可以产生相应烧蚀方法(诸如研磨方法)所特有的的迹线55。在图1中的侧表面5的放大截面中示意性地示出了迹线。

可以执行研磨，使得载体6的材料也被去除，使得载体6的侧表面60的至少一部分相对于第一pn结41具有与第三局部区域53相同的角度。也可以使用其他烧蚀方法，例如激光烧蚀方法，从而产生特征迹线55。

图2示出了半导体器件1的示例性实施例，其中更详细地示出了半导体主体的结构。除非另有说明，图1的描述也适用于图2。

当从第一主表面21朝向第二主表面22看时，半导体主体2包括充当n⁺层的第四半导体层34、作为p-层的第一半导体层31、作为n^-层的第二半导体层32、作为p-层的第三半导体层33和作为p⁺层的第五半导体层35。

在第四半导体层34和第一半导体层之间形成另外的pn结。然而，这个另外的pn结没有在侧向方向上延伸到侧表面5。

例如，上述层结构可以用于PCT晶闸管。然而，取决于半导体器件1的应用，可以在较宽的限制内修改层结构。

例如，第一主表面21表示半导体主体2的阴极侧，以及第二主表面22表示半导体主体的阳极侧。

第一局部区域51用于通过深度扩散的阴极侧第一pn结41延伸浅斜面区域，该浅斜面区域由第二局部区域52形成。

半导体主体2的侧表面5被诸如橡胶的绝缘体7包围，以便保护在侧表面5处反之则会暴露的第一pn结和第二pn结41、42。

当沿着竖直方向看时，第一局部区域51的侧向范围w1小于第二局部区域的侧向范围w2。

例如，对于被配置用于8.5kV的额定反向阻断电压的晶闸管，对于具有1.42mm的厚度(即在竖直方向上的范围)的半导体主体，第二局部区域52的侧向范围w1达到1mm，而第二局部区域的侧向范围w2达到2.1mm。

图3A示出了结合图2所描述的半导体器件在相反方向上施加7kV电压时电场的电模拟的结果。模拟基于具有10°的第一角度α的器件。

为了进行比较，图3B示出了在第二局部区域52和第三局部区域53之间没有第一局部区域的参考结构的模拟结果。

图3B示出了在7kV的电压下，电场发生了穿通，这是由于在向正斜面的过渡部附近(即在侧表面5的两个不同的局部区域之间)的电场向上翻转引起的。

相比之下，图3A中示出的模拟结果证实了使用半导体主体2的侧表面5的所述配置可以获得高阻断能力，因为可以避免穿通。

这也已经通过实验得到证实，如图4中示出的实验结果所示。对于测量，使用对于第一局部区域51的侧向范围具有不同值w1的样本，其中0mm的值对应于仅具有两个不同斜面的传统器件。在每种情况下，第一角度α达到14°。

在25℃下，与具有w1＝0mm的参考样本相比，具有1mm或1.6mm的斜面长度和14°的角度的样本的DC阻断电压显著增加。

因此，所提出的半导体主体的表面5的设计允许经由半导体主体的经修改的侧表面获得具有高阻断电压特性的半导体器件1，诸如晶闸管。因此，没有必要增大晶闸管的n基极(第二半导体层)的宽度，直到穿通电压移动到器件最大额定电压以上。这种解决方案存在缺点，即增大n基极的厚度会降低晶闸管的性能。

本专利申请要求欧洲专利申请EP 20210372.7的优先权，该申请的公开内容通过引用结合于此。

在此描述的本发明不受参考示例性实施例给出的描述限制。相反，本发明涵盖任何新颖特征和特征的任何组合，特别地包括权利要求中的特征的任何组合，即使没有在权利要求或示例性实施例中明确指出这个特征或这个组合本身。

附图标记列表

1 半导体器件

2 半导体主体

21 第一主表面

22 第二主表面

31 第一半导体层

32 第二半导体层

33 第三半导体层

34 第四半导体层

35 第五半导体层

41第一pn结

42第二pn结

5 侧表面

51 第一局部区域

52 第二局部区域

53 第三局部区域

55 迹线

6 载体

60 载体的侧表面

7 绝缘体

α 第一角度

β 第二角度

γ 第三角度

w1第一局部区域的侧向范围

w2第二局部区域的侧向范围

Claims (9)

1.一种具有半导体主体(2)的半导体器件(1)，所述半导体主体(2)在第一主表面(21)和第二主表面(22)之间在竖直方向上延伸，所述第二主表面与所述第一主表面(21)相对，其中

-所述半导体主体(2)包括第一导电类型的第一半导体层(31)和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(32)，从而形成第一pn结(41)；

-所述第一半导体层(31)比所述第二半导体层(32)掺杂更重；

-在所述第一主表面(21)和所述第二主表面(22)之间延伸的所述半导体主体(2)的侧表面(5)在侧向方向上界定所述半导体主体(2)；

-所述半导体主体(2)的侧表面(5)包括第一局部区域(51)和第二局部区域(52)；

-所述第一局部区域(51)和所述第二局部区域(52)将所述第一半导体层(31)界定成多个区域；

-所述第一局部区域(51)在所述侧向方向上界定所述第一pn结(41)；

-所述第二局部区域(52)在所述竖直方向上与所述第一pn结(41)间隔开；并且

-相对于所述第一pn结(41)，所述第一局部区域(51)以第一角度(α)布置并且所述第二局部区域(52)以第二角度(β)布置，其中所述第一角度(α)大于所述第二角度(β)；

-所述侧表面(5)包括第三局部区域(53)，所述第一局部区域(51)布置在所述第二局部区域(52)和所述第三局部区域(53)之间，所述第三局部区域(53)直接邻接所述第一局部区域(51)；

-所述半导体主体(2)还包括第二pn结(42)，所述第三局部区域(53)在所述侧向方向上界定所述第二pn结(42)；并且

-所述第三局部区域(53)相对于所述第一pn结(41)以第三角度(γ)布置，其中所述第三角度(γ)大于所述第一角度(α)；并且

-所述第三角度(γ)在20°和60°之间，包括端值；并且

所述第一角度(α)在所述第一局部区域(51)内是恒定的，所述第二角度(β)在所述第二局部区域(52)内是恒定的，并且所述第三角度(γ)在所述第三局部区域(53)内是恒定的。

2.根据权利要求1所述的半导体器件(1)，

其中所述第一角度(α)在5°和20°之间，包括端值。

3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，

其中所述第二角度(β)在0.8°和5°之间，包括端值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件(1)，

其中当沿着所述竖直方向看时，所述第一局部区域(51)的侧向范围(w1)小于所述第二局部区域(52)的侧向范围(w2)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件(1)，

其中所述第一局部区域(51)和所述第二局部区域(52)呈现出机械烧蚀方法的迹线(55)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体器件(1)，

其中所述第一局部区域(51)和所述第二局部区域(52)呈现出激光烧蚀方法的迹线(55)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件(1)，

其中所述第二pn结(42)形成在所述第二半导体层(32)和所述第一导电类型的第三半导体层(33)之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件(1)，

其中所述半导体器件(1)是晶闸管。

9.根据权利要求8所述的半导体器件(1)，

其中所述晶闸管具有正-负斜面设计，其中所述负斜面包括所述第一局部区域和第二局部区域。