一種igbt終端結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種IGBT終端結(jié)構(gòu)及其制造方法。IGBT終端結(jié)構(gòu)包括N型單晶硅片、P型場限環(huán)、場氧化層、柵氧化層、多晶硅層、硼磷硅玻璃以及金屬層，P型場限環(huán)位于N型單晶硅片中，場氧化層和柵氧化層并行排列，均位于N型單晶硅片的表面，多晶硅層位于場氧化層表面，硼磷硅玻璃位于場氧化層的表面并延伸至多晶硅層和柵氧化層的表面，在硼磷硅玻璃刻蝕有金屬連接孔，金屬層通過金屬連接孔與P型場限環(huán)及多晶硅層連接；在P型場限環(huán)的外側(cè)增加結(jié)深比場限環(huán)淺的P型環(huán)，使PN結(jié)在反偏時(shí)耗盡層進(jìn)一步擴(kuò)展，減小柱面結(jié)位置的電場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)終端效率和可靠性的提高。該制造方法中增加的P型環(huán)和有源區(qū)P阱注入使用同一塊掩膜版，在P阱注入完成該區(qū)域的注入摻雜。
【專利說明】一種IGBT終端結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體器件，具體涉及一種IGBT終端結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于IGBT低開關(guān)損耗、簡單的門極控制、優(yōu)良的開關(guān)可控性等優(yōu)點(diǎn)，在家電變頻控制、工業(yè)控制、機(jī)車傳動(dòng)、電力電子裝置以及新能源電網(wǎng)接入中得到廣泛應(yīng)用。自上世紀(jì)80年代實(shí)用新型以來，IGBT的縱向結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從穿通型、非穿通型到軟穿通型的發(fā)展，元胞結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從平面柵到溝槽柵的發(fā)展；芯片可處理的功率密度越來越大，而損耗反而降低，使其在高電壓領(lǐng)域作為開關(guān)器件的優(yōu)勢地位越來越明顯。
[0003]在IGBT制造過程中，擴(kuò)散是在光刻掩膜開窗后進(jìn)行，在窗口中間區(qū)域的PN結(jié)近似于平面結(jié)，而在PN的邊角處為柱面結(jié)或球面結(jié)，根據(jù)電場的泊松方程計(jì)算，在邊緣區(qū)域的電場強(qiáng)度比中間區(qū)域高，PN結(jié)的擊穿電壓只有平面結(jié)的10?30%.為提高器件的擊穿低壓，必須在芯片的邊緣區(qū)域設(shè)計(jì)終端結(jié)構(gòu)，使邊緣區(qū)域的電場強(qiáng)度降低。
[0004]目前采用的終端技術(shù)主要有場限環(huán)技術(shù)、場板技術(shù)、結(jié)終端擴(kuò)展技術(shù)和橫向變摻雜技術(shù)等，其中國際上著名廠商采用的有四臺(tái)階復(fù)合場板結(jié)構(gòu)(英飛凌)，其四臺(tái)階中厚絕緣層工藝復(fù)雜，與傳統(tǒng)工藝難兼容；場限環(huán)場板結(jié)構(gòu)(APT，富士電機(jī))，其終端尺寸大、效率偏低，同樣芯片面積條件下，器件的通流能力??；結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(ABB，東芝)和橫向變摻雜結(jié)構(gòu)(英飛凌)，兩者的反向漏電流和結(jié)電容比較大，并且對表面電荷比較敏感。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種IGBT終端結(jié)構(gòu)，該IGBT終端結(jié)構(gòu)根據(jù)半導(dǎo)體柱面PN結(jié)在反向偏置時(shí)的耗盡理論，在P型場限環(huán)的外側(cè)增加一個(gè)結(jié)深比場限環(huán)淺的P型環(huán)，使PN結(jié)在反偏時(shí)耗盡層進(jìn)一步擴(kuò)展，減小柱面結(jié)位置的電場強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)終端效率和可靠性的提高。對于此終端結(jié)構(gòu)的制造方法，結(jié)合IGBT元胞的工藝流程，和元胞區(qū)的P阱注入使用同一塊掩膜版，在P阱注入完成該區(qū)域的注入摻雜。
[0006]本實(shí)用新型的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本實(shí)用新型提供一種IGBT終端結(jié)構(gòu)，所述IGBT終端結(jié)構(gòu)與IGBT有源區(qū)相連接，所述IGBT終端結(jié)構(gòu)包括N型單晶硅片01、P型場限環(huán)022、場氧化層03、柵氧化層05、多晶硅層06、硼磷硅玻璃07以及金屬層08，所述P型場限環(huán)022位于N型單晶硅片01中，所述場氧化層03和柵氧化層05并行排列，均位于N型單晶硅片01的表面，所述多晶硅層06位于場氧化層03表面，所述硼磷硅玻璃07位于場氧化層03的表面并延伸至多晶硅層06和柵氧化層05的表面，在硼磷硅玻璃07刻蝕有金屬連接孔，所述金屬層08通過金屬連接孔與所述P型場限環(huán)022及多晶硅層06連接；
[0008]其改進(jìn)之處在于，在P型場限環(huán)022的外側(cè)設(shè)有結(jié)深小于P型場限環(huán)022的P型環(huán) 041。
[0009]進(jìn)一步地，所述P型場限環(huán)022的注入雜質(zhì)為硼，注入劑量為5E13?lE15/cm2 ;所述場氧化層03的厚度為1.0?1.5um ;所述多晶娃層06的厚度為0.5?1.0um,所述硼磷硅玻璃的厚度為1.0?2.0um，所述金屬層08的厚度為2.0?4.2um。
[0010]進(jìn)一步地，所述P型環(huán)041的注入雜質(zhì)為硼，注入劑量為3E13?lE14/cm2。
[0011]進(jìn)一步地，所述場氧化層03的厚度大于柵氧化層05的厚度，所述柵氧化層05的厚度為1.0?1.5um。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)比，本實(shí)用新型達(dá)到的有益效果是:
[0013]1、本實(shí)用新型的終端結(jié)構(gòu)使PN結(jié)在反偏時(shí)耗盡層進(jìn)一步擴(kuò)展，減小柱面結(jié)位置的電場強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)終端效率和可靠性的提高。對于此終端結(jié)構(gòu)的制造方法，結(jié)合IGBT元胞的工藝流程，和元胞區(qū)的P阱注入使用同一塊掩膜版，在P阱注入完成該區(qū)域的注入摻雜。
[0014]2、本實(shí)用新型提供的終端結(jié)構(gòu)形成不需要額外的工藝流程，在制造成本不增加的條件下，實(shí)現(xiàn)終端效率和可靠性的提高。
[0015]3、本實(shí)用新型提供的終端結(jié)構(gòu)使終端面積減小5%?10% ;與現(xiàn)有工藝兼容，不增加工藝步驟。
[0016]4、本實(shí)用新型提供的終端結(jié)構(gòu)在柱面結(jié)處電場強(qiáng)度進(jìn)一步降低，有利于提高器件的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型提供的IGBT終端結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0018]圖2是本實(shí)用新型提供的IGBT終端結(jié)構(gòu)的制造流程圖；
[0019]圖3是本實(shí)用新型提供的【具體實(shí)施方式】的P型場限環(huán)制作示意圖；
[0020]圖4是本實(shí)用新型提供的【具體實(shí)施方式】的P型場限環(huán)推結(jié)和場氧化層制作示意圖；
[0021]圖5是本實(shí)用新型提供的【具體實(shí)施方式】的場氧化層和多晶硅層以及新增P型環(huán)摻雜的制作示意圖；
[0022]圖6是本實(shí)用新型提供的【具體實(shí)施方式】的新增P型環(huán)推結(jié)和硼磷硅玻璃淀積的示意圖；
[0023]其中:01_均勻摻雜的N型單晶硅片，020為推結(jié)前的P型場限環(huán)(簡稱PR)摻雜，021為PR推結(jié)后的PR摻雜，022為二次推結(jié)后PR摻雜，03為場氧化層，040為推結(jié)前的新增P型環(huán)摻雜，041為推結(jié)后的新增P型環(huán)摻雜，05為柵氧化層，06為多晶硅層，07為硼磷硅玻璃，08為金屬層。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0025]本實(shí)用新型提供的IGBT終端結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示，IGBT終端結(jié)構(gòu)與IGBT有源區(qū)相連接，IGBT終端結(jié)構(gòu)包括N型單晶硅片01、P型場限環(huán)022、場氧化層03、柵氧化層
05、多晶硅層06、硼磷硅玻璃07以及金屬層08，所述P型場限環(huán)022位于N型單晶硅片01中，所述場氧化層03和柵氧化層05并行排列，均位于N型單晶硅片01的表面，所述多晶硅層06位于場氧化層03表面，所述硼磷硅玻璃07位于場氧化層03的表面并延伸至多晶硅層06和柵氧化層05的表面，在硼磷硅玻璃07刻蝕有金屬連接孔，所述金屬層08通過金屬連接孔與所述P型場限環(huán)022及多晶硅層06連接；在P型場限環(huán)022的外側(cè)設(shè)有結(jié)深小于P型場限環(huán)022的P型環(huán)041 ；
[0026]所述P型環(huán)041與有源區(qū)的P阱注入使用同一塊掩膜版，在P阱注入時(shí)完成P型環(huán)041的注入摻雜。
[0027]P型場限環(huán)022的注入雜質(zhì)為硼，注入劑量為5E13?lE15/cm2 ;所述場氧化層03的厚度為1.0?1.5um ;所述多晶硅層06的厚度為0.5?1.0um，所述硼磷硅玻璃的厚度為
1.0?2.0um,所述金屬層08的厚度為2.0?4.2um。
[0028]P型環(huán)041的注入雜質(zhì)為硼，注入劑量為3E13?lE14/cm2。場氧化層03的厚度大于柵氧化層05的厚度。
[0029]本實(shí)用新型的IGBT終端結(jié)構(gòu)使用三臺(tái)階復(fù)合場板結(jié)構(gòu)，同時(shí)在P型場限環(huán)022的外側(cè)增加一個(gè)結(jié)深比場限環(huán)淺的P型環(huán)041摻雜，如圖5所示；同時(shí)提供該終端結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法，如圖2所示，包括以下步驟:
[0030]步驟A，選擇N型摻雜硅片01，N型摻雜硅片01電阻率和厚度可以根據(jù)電壓等級確定；
[0031]步驟B，在N型摻雜硅片01上使用光刻膠掩膜的方法進(jìn)行P型場限環(huán)的注入摻雜，注入的雜質(zhì)一般為硼，注入劑量為5E13?lE15/cm2，注入完成后將N型摻雜硅片01表面的光刻膠剝離并清洗；P型場限環(huán)制作示意圖如圖3所示。
[0032]步驟C，使用熱氧化的方式，在N型摻雜硅片01表面生長1.0?1.5um厚的場氧化層03，采用光刻、刻蝕、剝膠的標(biāo)準(zhǔn)流程，形成所需的場氧化層03圖形，并進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，完成P型場限環(huán)注入雜質(zhì)的激活和推結(jié)；此步驟的高溫處理溫度為1000?1150°C，處理時(shí)間為120?300min ；P型場限環(huán)推結(jié)和場氧化層制作示意圖如圖4所示。
[0033]步驟D，采用熱氧化的方式在N型摻雜硅片01表面生長0.12um?0.3um厚的柵氧化層05，接著采用化學(xué)氣相淀積的方式在氧化層上淀積一層0.5?1.0um厚的多晶硅層06 ；
[0034]步驟E，采用P0C13摻雜的方式對多晶硅層06進(jìn)行摻雜，接著采用光刻、刻蝕、剝膠的標(biāo)準(zhǔn)流程，形成所需的多晶硅層06圖形；
[0035]步驟F，采用光刻、注入、剝膠的標(biāo)準(zhǔn)流程，形成P型場限環(huán)外側(cè)的P型環(huán)，接著進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，完成P型環(huán)注入雜質(zhì)的激活和推結(jié)；此步驟和有源區(qū)的P阱注入一次完成，注入雜質(zhì)一般為硼，注入劑量為3E13?lE14/cm2，推結(jié)溫度為1000?1150°C，推結(jié)時(shí)間60?150min ;場氧化層和多晶硅層以及新增P型環(huán)摻雜的制作示意圖如圖5所示。
[0036]步驟G,采用化學(xué)氣相淀積的方式淀積一層厚度1.0?2.0um厚的硼磷娃玻璃07,采用光刻、刻蝕、剝膠的標(biāo)準(zhǔn)流程，刻出金屬連接孔；本實(shí)用新型提供的【具體實(shí)施方式】的新增P型環(huán)推結(jié)和硼磷硅玻璃淀積的示意圖如圖6所示。
[0037]步驟H，采用物理氣相淀積的方式淀積一層厚度2.0?4.2um厚的鋁或鋁合金，采用光刻、刻蝕、剝膠的標(biāo)準(zhǔn)流程，刻出所需的金屬層08圖形，完成此終端結(jié)構(gòu)的制作。
[0038]本實(shí)用新型提供的IGBT終端結(jié)構(gòu)，由于在P型場限環(huán)的外側(cè)增加了一個(gè)P型環(huán)，并且此P型環(huán)的結(jié)深比場限環(huán)結(jié)深淺，在PN結(jié)反偏時(shí)耗盡層進(jìn)一步擴(kuò)展，使柱面結(jié)區(qū)域的電場明顯降低，提高終端的可靠性。同時(shí)，本實(shí)用新型提供的制造方法與IGBT現(xiàn)有工藝流程兼容，并且不用增加工藝步驟即可實(shí)現(xiàn)新的終端結(jié)構(gòu)。
[0039]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本實(shí)用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種IGBT終端結(jié)構(gòu)，所述IGBT終端結(jié)構(gòu)與IGBT有源區(qū)相連接，所述IGBT終端結(jié)構(gòu)包括N型單晶硅片(01)、P型場限環(huán)(022)、場氧化層(03)、柵氧化層(05)、多晶硅層(06)、硼磷硅玻璃(07)以及金屬層(08)，所述P型場限環(huán)(022)位于N型單晶硅片(01)中，所述場氧化層(03)和柵氧化層(05)并行排列，均位于N型單晶硅片(01)的表面，所述多晶硅層(06)位于場氧化層(03)表面，所述硼磷硅玻璃(07)位于場氧化層(03)的表面并延伸至多晶硅層(06)和柵氧化層(05)的表面，在硼磷硅玻璃(07)刻蝕有金屬連接孔，所述金屬層(08)通過金屬連接孔與所述P型場限環(huán)(022)及多晶硅層(06)連接； 其特征在于，在P型場限環(huán)(022)的外側(cè)設(shè)有結(jié)深小于P型場限環(huán)(022)的P型環(huán)(041)。
2.如權(quán)利要求1所述的IGBT終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型場限環(huán)(022)的注入雜質(zhì)為硼，注入劑量為5E13?lE15/cm2 ;所述場氧化層(03)的厚度為1.0?1.5um ;所述多晶硅層(06)的厚度為0.5?1.0um，所述硼磷硅玻璃的厚度為1.0?2.0um，所述金屬層(08)的厚度為2.0?4.2um。
3.如權(quán)利要求1所述的IGBT終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型環(huán)(041)的注入雜質(zhì)為硼，注入劑量為3E13?lE14/cm2。
4.如權(quán)利要求1所述的IGBT終端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述場氧化層(03)的厚度大于柵氧化層(05)的厚度，所述柵氧化層(05)的厚度為1.0?1.5um。
【文檔編號(hào)】H01L29/739GK203746861SQ201420122803
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】王耀華, 趙哿, 李立 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)北京市電力公司