專利名稱：具有改進(jìn)型終端的igbt的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種功率半導(dǎo)體器件，尤其是一種具有改進(jìn)型終端的IGBT及其 制造方法。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管IGBTansulated Gate Bipolar ^Transistor)的出現(xiàn)大大改 善了傳統(tǒng)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET固有存在的器件耐壓與導(dǎo)通電阻相 互牽制的情況，這源于IGBT是一種結(jié)合了絕緣柵MOS晶體管與雙極型晶體管的高電流密度 特性的器件，導(dǎo)通電阻的大幅降低為IGBT器件合理有效地提升耐壓帶來巨大的操作空間。 而確保IGBT獲得較高耐壓的一個(gè)重要前提條件就是所述IGBT器件必需具備一種優(yōu)良的終 端保護(hù)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的終端保護(hù)結(jié)構(gòu)包括傳統(tǒng)的場(chǎng)限環(huán)(FLR)結(jié)構(gòu)、場(chǎng)限環(huán)加場(chǎng)板(FP)結(jié)構(gòu)、 場(chǎng)板結(jié)構(gòu)、結(jié)終端延伸(JTE)結(jié)構(gòu)、橫向變摻雜(VLD)結(jié)構(gòu)等。目前已知廣泛使用于中高壓 IGBT的終端保護(hù)結(jié)構(gòu)包括傳統(tǒng)的場(chǎng)限環(huán)(FLR)結(jié)構(gòu)、場(chǎng)限環(huán)加場(chǎng)板(FP)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的場(chǎng)限環(huán)(FLR)結(jié)構(gòu)沈如圖1所示。所述IGBT器件包含左側(cè)的器件有源區(qū) 和位于有源區(qū)右側(cè)的器件終端保護(hù)區(qū)，所述IGBT器件的終端保護(hù)區(qū)包含多個(gè)互不接觸，并 且依照指定距離相鄰排布的P型場(chǎng)限環(huán)14。當(dāng)所述IGBT器件耐壓工作時(shí)，所述P型場(chǎng)限 環(huán)14沿著由器件有源區(qū)指向器件終端保護(hù)區(qū)的方向依次耗盡，并且形成的耗盡區(qū)依次相 連通，所需耐壓越高，P型場(chǎng)限環(huán)的數(shù)量則需越多。由此，使用上述終端保護(hù)結(jié)構(gòu)存在以下 不足1)、當(dāng)所述IGBT器件工作在耐壓狀態(tài)時(shí)，其終端保護(hù)區(qū)的P型場(chǎng)限環(huán)14在遠(yuǎn)離有 源區(qū)一側(cè)的轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生局部高電場(chǎng)，過高電場(chǎng)的出現(xiàn)降低了器件耐壓的可靠性。2)、采用所述傳統(tǒng)的場(chǎng)限環(huán)終端保護(hù)結(jié)構(gòu)，器件所能承受的擊穿電壓以及器件發(fā) 生擊穿時(shí)的擊穿點(diǎn)受P型場(chǎng)限環(huán)14間的距離影響極大，大大縮小了其設(shè)計(jì)和制造時(shí)的波動(dòng) 容寬、增加了生產(chǎn)難度。3)、采用所述傳統(tǒng)的場(chǎng)限環(huán)終端保護(hù)結(jié)構(gòu)，以耐壓值為1200V，電流值為IOA 25A 規(guī)格的IGBT器件為例，其器件終端保護(hù)區(qū)面積占芯片總面積的309Γ40%，其占有比例較大， 在保證器件有源區(qū)面積大小的同時(shí)，則芯片面積較大，芯片制造成本較高。場(chǎng)限環(huán)加場(chǎng)板(FP)結(jié)構(gòu)27如圖2所示。所述IGBT器件包含左側(cè)的器件有源區(qū)和 位于有源區(qū)右側(cè)的器件終端保護(hù)區(qū)，所述器件終端保護(hù)區(qū)包含多個(gè)互不接觸，并且依照指 定距離相鄰排布的P型場(chǎng)限環(huán)14，所述每個(gè)P型場(chǎng)限環(huán)14上方設(shè)置有由導(dǎo)電多晶硅10和 厚絕緣氧化層22構(gòu)成的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)27 ；場(chǎng)板結(jié)構(gòu)27上覆蓋有絕緣介質(zhì)層觀。當(dāng)所述IGBT 器件耐壓工作時(shí)，所述P型場(chǎng)限環(huán)14沿著由器件有源區(qū)指向器件終端保護(hù)區(qū)的方向依次耗 盡，并且形成的耗盡區(qū)依次相連通，所需耐壓越高，P型場(chǎng)限環(huán)和場(chǎng)板的數(shù)量則需越多。同 樣，采用所述場(chǎng)限環(huán)加場(chǎng)板的終端保護(hù)結(jié)構(gòu)，其耐壓可靠性較易受設(shè)計(jì)尺寸和制造工藝波 動(dòng)的影響，而且終端保護(hù)區(qū)占整體芯片面積的比重較大，制約了降低芯片成本的空間。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種具有改進(jìn)型終端的 IGBT及其制造方法，其提高了器件的耐壓可靠性，增大了器件設(shè)計(jì)尺寸和制造工藝波動(dòng)的 容寬窗口，縮小了器件終端保護(hù)區(qū)所占芯片整體面積的比重，從而降低了成本。按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，所述具有改進(jìn)型終端的IGBT，在所述IGBT器件 的俯視平面上，包括位于半導(dǎo)體基板上的有源區(qū)和終端保護(hù)區(qū)，所述有源區(qū)位于半導(dǎo)體基 板的中心區(qū)，終端保護(hù)區(qū)位于有源區(qū)的外圍；所述終端保護(hù)區(qū)包括位于其內(nèi)圈的分壓保護(hù) 區(qū)及位于其外圈的截止保護(hù)區(qū)；所述分壓保護(hù)區(qū)包括第一分壓保護(hù)區(qū)與第二分壓保護(hù)區(qū)， 所述第一分壓保護(hù)區(qū)環(huán)繞保護(hù)有源區(qū)，第二分壓保護(hù)區(qū)位于第一分壓保護(hù)區(qū)的外圈，并環(huán) 繞包圍第一分壓保護(hù)區(qū)及有源區(qū)；其創(chuàng)新在于在所述IGBT器件的截面上，所述半導(dǎo)體基板具有兩個(gè)相對(duì)的主面，所述主面包括 第一主面與第二主面，半導(dǎo)體基板的第一主面與第二主面間包括第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)；第 二分壓保護(hù)區(qū)包括至少一個(gè)第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)，所述第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)在第一導(dǎo)電類 型漂移區(qū)內(nèi)沿第一主面指向第二主面的方向延伸，相鄰的第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)由第一導(dǎo)電 類型漂移區(qū)相間隔；[0011 ] 所述第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)內(nèi)包括至少一個(gè)分壓溝槽，所述分壓溝槽位于第二導(dǎo)電 類型注入?yún)^(qū)內(nèi)，并沿由第一主面指向第二主面的方向在第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)內(nèi)延伸；所述 分壓溝槽內(nèi)填充有第一絕緣介質(zhì)層，所述第一絕緣介質(zhì)層填充在分壓溝槽內(nèi)，并覆蓋在半 導(dǎo)體基板相應(yīng)的第一主面上。在所述IGBT器件的截面上，分壓溝槽的寬度及深度小于所述分壓溝槽所在第二 導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)相應(yīng)的寬度及深度；第二分壓保護(hù)區(qū)內(nèi)的分壓溝槽沿著有源區(qū)指向截止保 護(hù)區(qū)的方向?qū)挾戎饾u變寬，并被相應(yīng)第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)所包圍；所述分壓溝槽的寬度為 0. 4飛μ m。在所述IGBT器件的截面上，所述有源區(qū)為溝槽型IGBT結(jié)構(gòu)或平面型IGBT結(jié)構(gòu)。在所述IGBT器件的截面上，溝槽型IGBT結(jié)構(gòu)包括元胞溝槽，所述元胞溝槽位于第 二導(dǎo)電類型阱區(qū)，深度伸入第二導(dǎo)電類型阱區(qū)下方的第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)；元胞溝槽內(nèi)壁 表面生長(zhǎng)有絕緣氧化層，在所述內(nèi)壁生長(zhǎng)有絕緣氧化層的元胞溝槽內(nèi)淀積導(dǎo)電多晶硅，有 源區(qū)內(nèi)的元胞通過位于元胞溝槽內(nèi)的導(dǎo)電多晶硅并聯(lián)成整體；元胞溝槽的外壁上方設(shè)有第 一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)，所述第一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)與元胞溝槽的外壁相接觸；元胞溝槽的槽口 覆蓋有第二絕緣介質(zhì)層，所述第二絕緣介質(zhì)層位于半導(dǎo)體基板的第一主面上，并覆蓋在相 應(yīng)的第一分壓保護(hù)區(qū)上；元胞溝槽兩側(cè)的上方均設(shè)有第一接觸孔，所述第一接觸孔內(nèi)淀積 有發(fā)射極金屬，所述發(fā)射極金屬覆蓋在有源區(qū)上，并填充在第一分壓保護(hù)區(qū)上方的第一接 觸孔內(nèi)；發(fā)射極金屬與有源區(qū)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型阱區(qū)、第一分壓保護(hù)區(qū)相接觸，并將有源區(qū) 內(nèi)的第二導(dǎo)電類型阱區(qū)與第一分壓保護(hù)區(qū)連接成等電位。所述第一分壓保護(hù)區(qū)包括一個(gè)第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)，所述第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)與 鄰近分壓保護(hù)區(qū)的元胞溝槽外壁相接處，并包圍相應(yīng)的第一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)；第一分壓保 護(hù)區(qū)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)與第二分壓保護(hù)區(qū)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)通過第一導(dǎo)電 類型漂移區(qū)相間隔。在所述IGBT器件的截面上，所述半導(dǎo)體基板的第二主面上設(shè)有第二導(dǎo)電類型集 電區(qū)，半導(dǎo)體基板對(duì)應(yīng)于設(shè)置第二導(dǎo)電類型集電區(qū)的第二主面上淀積有集電極金屬。[0016]在所述IGBT器件的截面上，所述截止保護(hù)區(qū)包括第二導(dǎo)電類型阱區(qū)，所述第二導(dǎo) 電類型阱區(qū)位于第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)內(nèi)，并沿半導(dǎo)體基板的第一主面指向第二主面的方向 在第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)內(nèi)延伸；截止保護(hù)區(qū)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型阱區(qū)的一端與半導(dǎo)體基板的 第一主面相接觸；第二導(dǎo)電類型阱區(qū)的上部設(shè)有第一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)；第一絕緣介質(zhì)層覆 蓋在截止保護(hù)區(qū)上，截止保護(hù)區(qū)對(duì)應(yīng)于第一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)的上方設(shè)有第二接觸孔，所述 第二接觸孔內(nèi)淀積有截止保護(hù)區(qū)金屬，所述截止保護(hù)區(qū)金屬并覆蓋在第一絕緣介質(zhì)層對(duì)應(yīng) 于鄰近截止保護(hù)區(qū)的端部表面。所述“第一導(dǎo)電類型”和“第二導(dǎo)電類型”兩者中，對(duì)于N型IGBT器件，第一導(dǎo)電 類型指N型，第二導(dǎo)電類型為P型；對(duì)于P型IGBT器件，第一導(dǎo)電類型與第二導(dǎo)電類型所指 的類型與N型半導(dǎo)體器件正好相反。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型在所述第二分壓保護(hù)區(qū)的第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)內(nèi)設(shè)置分壓溝槽，在 IGBT器件處于反向耐壓工作狀態(tài)時(shí)，分壓溝槽與第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)同時(shí)承擔(dān)集電極與發(fā) 射極之間的電壓降，使得電場(chǎng)相對(duì)均勻的分布在分壓溝槽內(nèi)的第一絕緣介質(zhì)層上以及由第 二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)所形成的耗盡層上，避免了電場(chǎng)局部集中過強(qiáng)，大大增強(qiáng)了器件的耐壓可靠性。2、由于器件的反向耐壓同時(shí)由分壓溝槽與第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)同時(shí)承擔(dān)，因此增 大了器件耐壓能力和可靠性，提高了相鄰第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)之間間距的設(shè)計(jì)尺寸與工藝 波動(dòng)的容寬，為設(shè)計(jì)和制造帶來更大的窗口。3、本實(shí)用新型在所述第二分壓保護(hù)區(qū)的第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)內(nèi)設(shè)置分壓溝槽， 在保證器件擊穿電壓性能的同時(shí)，可減小終端保護(hù)區(qū)159Γ25%的尺寸，芯片面積可節(jié)省 59TlO%，降低了器件的制造成本。4、本實(shí)用新型所提供的具有改進(jìn)型終端的IGBT制造方法，制造工藝簡(jiǎn)單，并且與 現(xiàn)有IGBT成熟制造工藝相兼容。
圖1為現(xiàn)有采用場(chǎng)限環(huán)(FLR)終端保護(hù)結(jié)構(gòu)的IGBT剖視圖。圖2為現(xiàn)有采用場(chǎng)限環(huán)(FLR)加場(chǎng)板(FP)終端保護(hù)結(jié)構(gòu)的IGBT剖視圖。圖3為本實(shí)用新型的俯視圖。圖4為圖3中分壓保護(hù)區(qū)的放大俯視平面示意圖。圖5為本實(shí)用新型的一種剖視圖。圖6 圖13為圖3的A-A向剖視的具體工藝實(shí)施剖面圖，其中圖6為半導(dǎo)體基板的結(jié)構(gòu)視圖。圖7為在半導(dǎo)體基板的第一主面上形成第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)的剖視圖。圖8為在第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)內(nèi)形成分壓溝槽后的剖視圖。圖9為在分壓溝槽及半導(dǎo)體基板的第一主面上形成相應(yīng)第一絕緣介質(zhì)層后的剖 視圖。圖10為采用元胞溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)在半導(dǎo)體基板的第一主面上形成元胞溝槽后的剖視 圖。[0034]圖11為在半導(dǎo)體基板上形成第一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)后的剖視圖。圖12為在半導(dǎo)體基板的第一主面上形成第一接觸孔與第二接觸孔后的剖視圖。圖13為在半導(dǎo)體基板的第二主面上形成集電極金屬后的剖視圖。圖14a為現(xiàn)有采用場(chǎng)限環(huán)終端結(jié)構(gòu)的器件終端反向耐壓時(shí)電勢(shì)分布與擊穿電流 分布的仿真示意圖。圖14b為現(xiàn)有采用場(chǎng)限環(huán)終端結(jié)構(gòu)的器件終端反向耐壓時(shí)電場(chǎng)分布的仿真示意 圖。圖15a為本實(shí)用新型終端結(jié)構(gòu)反向耐壓時(shí)電勢(shì)分布與擊穿電流分布的仿真示意 圖。圖15b為本實(shí)用新型器件終端結(jié)構(gòu)反向耐壓時(shí)電場(chǎng)分布的仿真示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。如圖3 圖13所示以N型IGBT器件為例，本實(shí)用新型包括有源區(qū)1、終端保護(hù)區(qū) 2、第一分壓保護(hù)區(qū)3、第二分壓保護(hù)區(qū)4、截止保護(hù)區(qū)5、分壓溝槽6、發(fā)射極金屬7、第二絕緣 介質(zhì)層8、N型注入?yún)^(qū)9、導(dǎo)電多晶硅10、第一接觸孔11、第一分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)12、第 一絕緣介質(zhì)層13、第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14、第二接觸孔15、N型漂移區(qū)16、截止保護(hù) 區(qū)金屬17、P阱區(qū)18、集電極金屬19、P型集電區(qū)20、元胞溝槽21、絕緣氧化層22、第一主面 23、第二主面M及硬掩膜層25。如圖3所示在所述IGBT器件的俯視圖上，有源區(qū)1位于半導(dǎo)體基板的中心區(qū)，終 端保護(hù)區(qū)2環(huán)繞包圍有源區(qū)1。所述終端保護(hù)區(qū)2包括位于其內(nèi)圈的分壓保護(hù)區(qū)及位于其 外圈的截止保護(hù)區(qū)5，所述分壓保護(hù)區(qū)包括第一分壓保護(hù)區(qū)3及第二分壓保護(hù)區(qū)4 ；分壓保 護(hù)區(qū)鄰近有源區(qū)1，截止保護(hù)區(qū)5遠(yuǎn)離有源區(qū)1，截止保護(hù)區(qū)5環(huán)繞并包圍有源區(qū)1及分壓 保護(hù)區(qū)。為了清楚的表示有源區(qū)1與第一分壓保護(hù)區(qū)3，在圖3中，有源區(qū)1為小云曲線包 圍內(nèi)的區(qū)域，第一分壓保護(hù)區(qū)3為兩個(gè)云曲線間的區(qū)域。如圖4所示為圖3中分壓保護(hù)區(qū)的俯視放大圖。在所述IGBT器件分壓保護(hù)區(qū)的 放大圖上，分壓保護(hù)區(qū)包括位于其內(nèi)圈的第一分壓保護(hù)區(qū)3與位于其外圈的第二分壓保護(hù) 區(qū)4 ；所述第一分壓保護(hù)區(qū)3內(nèi)包括一圈第一分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)12，所述第二分壓保護(hù) 區(qū)4內(nèi)包括至少一圈環(huán)繞第一分壓保護(hù)區(qū)3的第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14 ；所述第二分 壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)相鄰的第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14通過N型漂移區(qū)16相間隔，并且與第 一分壓保護(hù)區(qū)3內(nèi)第一分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)12通過N相外延層16相隔離；所述第二分 壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)設(shè)置有環(huán)繞第一分壓保護(hù)區(qū)3的分壓溝槽6，所述分壓溝槽6位于第二分壓保 護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14內(nèi)，并且分壓溝槽6的圈數(shù)不多于第二分壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)第二分壓保護(hù)區(qū) P型注入?yún)^(qū)14的圈數(shù)；所述分壓溝槽6沿著由第一分壓保護(hù)區(qū)3指向第二分壓保護(hù)區(qū)4的 方向逐漸增寬。所述分壓溝槽6的深度及寬度均要小于相應(yīng)第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)的 深度和寬度，分壓溝槽6的寬度為0. 4飛μ m。如圖5所示為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。在所述IGBT器件的截面上，半導(dǎo)體基 板具有兩個(gè)相對(duì)主面，所述兩個(gè)相對(duì)主面包括第一主面23及第二主面24，半導(dǎo)體基板的第 一主面23與第二主面M間為N型漂移區(qū)16。所述分壓保護(hù)區(qū)包括第一分壓保護(hù)區(qū)3及第二分壓保護(hù)區(qū)4 ；所述第一分壓保護(hù)區(qū)3包括一個(gè)第一分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)12，第二分 壓保護(hù)區(qū)4包括至少一個(gè)第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14 ；所述第一分壓保護(hù)區(qū)3與第二分 壓保護(hù)區(qū)4間通過N型漂移區(qū)16相間隔。第一分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)12與第二分壓保護(hù) 區(qū)P型注入?yún)^(qū)14在N型外延層16內(nèi)均沿第一主面23指向第二主面M的方向延伸，且為 同一制造層。在第二分壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)分壓溝槽6，所述分壓溝槽6位于第二分 壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)的第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14內(nèi)，分壓溝槽6的深度與寬度均小于相應(yīng)第 二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14的深度及寬度。當(dāng)?shù)诙謮罕Ｗo(hù)區(qū)4內(nèi)設(shè)有多個(gè)分壓溝槽6 時(shí)，第二分壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)的分壓溝槽6的寬度沿著有源區(qū)1指向截止保護(hù)區(qū)5的方向逐漸 變寬。圖5中，第二分壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)設(shè)有五個(gè)第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14及四個(gè)分壓溝 槽6 ；相鄰的第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14間通過N型漂移區(qū)16進(jìn)行隔離。第二分壓保 護(hù)區(qū)4內(nèi)的分壓溝槽6也可以在第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14內(nèi)間隔分布或其他形式的 分布。分壓溝槽6內(nèi)淀積有第一絕緣介質(zhì)層13，所述第一絕緣介質(zhì)層13填充在相應(yīng)的分壓 溝槽6內(nèi)，并覆蓋在半導(dǎo)體基板對(duì)應(yīng)于第二分壓保護(hù)區(qū)4的第一主面23上，同時(shí)第一絕緣 介質(zhì)層13也向第一分壓保護(hù)區(qū)3與截止保護(hù)區(qū)5進(jìn)行延伸。在所述IGBT器件的截面上，截止保護(hù)區(qū)5包括P阱區(qū)18，所述P阱區(qū)18位于N型 漂移區(qū)16的上部，P阱層18的一端與第一主面23相接觸。截止保護(hù)區(qū)5內(nèi)P阱區(qū)18的 上部設(shè)有N型注入?yún)^(qū)9。截止保護(hù)區(qū)5對(duì)應(yīng)于N型注入?yún)^(qū)9的上方設(shè)有第二接觸孔15，所 述第二接觸孔15內(nèi)淀積有截止保護(hù)區(qū)金屬17，所述截止保護(hù)區(qū)金屬17填充在第二接觸孔 15內(nèi)，并覆蓋在延伸到截止保護(hù)區(qū)5上的第一絕緣介質(zhì)層13的端部。在所述IGBT器件的截面上，有源區(qū)1采用溝槽結(jié)構(gòu)，有源區(qū)1也可以采用平面型 結(jié)構(gòu)。有源區(qū)1包括N型漂移區(qū)16，所述N型漂移區(qū)16的上部設(shè)有P阱層18，有源區(qū)1內(nèi) 的P阱層18與截止保護(hù)區(qū)5內(nèi)的P阱層18為同一制造層。元胞溝槽21位于P阱層18，深 度伸入P阱層18下方的N型漂移區(qū)16。元胞溝槽21內(nèi)壁生長(zhǎng)有絕緣氧化層22，在所述生 長(zhǎng)有絕緣氧化層22的元胞溝槽21內(nèi)淀積導(dǎo)電多晶硅10，所述導(dǎo)電多晶硅10填充整個(gè)元胞 溝槽21 ；有源區(qū)1內(nèi)的元胞通過元胞溝槽21內(nèi)的導(dǎo)電多晶硅10并聯(lián)成整體。元胞溝槽21 的外壁側(cè)上方設(shè)有N型注入?yún)^(qū)9，所述N型注入?yún)^(qū)9與元胞溝槽21的外壁相接觸。元胞溝 槽21的槽口由第二絕緣介質(zhì)層8覆蓋，第二絕緣介質(zhì)層8覆蓋在與有源區(qū)1相對(duì)應(yīng)的半導(dǎo) 體基板的第一主面23上，第二絕緣介質(zhì)層8與第一絕緣介質(zhì)層13共同覆蓋在第一分壓保 護(hù)區(qū)3相對(duì)應(yīng)的第一主面23上。元胞溝槽21對(duì)應(yīng)于槽口的兩側(cè)均設(shè)有第一接觸孔11，鄰 近第一分壓保護(hù)區(qū)3的元胞溝槽21 —側(cè)的第一接觸孔11位于第一分壓保護(hù)區(qū)3上方，所 述第一接觸孔11從第二絕緣介質(zhì)層8的表面延伸到半導(dǎo)體基板的第一主面23上。第一接 觸孔11內(nèi)淀積有發(fā)射極金屬7，所述發(fā)射極金屬7填充在第一接觸孔11內(nèi)，并覆蓋在相應(yīng) 的第二絕緣介質(zhì)層8上。發(fā)射極金屬7將元胞溝槽21兩側(cè)的P阱層18連接成等電位；同 時(shí)將有源區(qū)1內(nèi)的P阱層18與第一分壓保護(hù)區(qū)3內(nèi)的第一分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)12連接 成等電位。第一分壓保護(hù)區(qū)3內(nèi)的第一分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)12與鄰近第一分壓保護(hù)區(qū)3 的元胞溝槽21外壁相接處，第一分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)12包圍相應(yīng)的N型注入?yún)^(qū)9。有源 區(qū)1內(nèi)的N型注入?yún)^(qū)9與截止保護(hù)區(qū)5內(nèi)的N型注入?yún)^(qū)9為同一制造層。在所述IGBT器件的截面上，半導(dǎo)體基板的第二主面上設(shè)有P型集電區(qū)20，所述P型集電區(qū)20上淀積有集電極金屬19 ；所述集電極金屬19覆蓋在P型集電區(qū)20的表面。以有源區(qū)1采用溝槽型IGBT結(jié)構(gòu)為例，上述結(jié)構(gòu)的IGBT器件的制造方法包括如 下步驟a、提供具有兩個(gè)相對(duì)主面的N型半導(dǎo)體基板，半導(dǎo)體基板的材料包括硅；所述兩 個(gè)相對(duì)主面包括第一主面23與第二主面M ；所述半導(dǎo)體基板的第一主面23與第二主面M 間包括N型漂移區(qū)16，半導(dǎo)體基板對(duì)應(yīng)于N型漂移區(qū)16的上表面為第一主面23，下表面為 第二主面對(duì)，所述第一主面23與第二主面M相對(duì)應(yīng)，如圖6所示；b、在上述第一主面23上選擇性的掩蔽和注入P型雜質(zhì)離子，然后通過高溫推結(jié)形 成P型注入?yún)^(qū)，所述P型注入?yún)^(qū)包括第一分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)12和第二分壓保護(hù)區(qū)P型 注入?yún)^(qū)14，如圖7所示；C、在上述第一主面上淀積硬掩膜層25 ；所述硬掩膜層25可以采用LPTEOS (低壓 化學(xué)氣相沉積四乙基原硅酸鹽)、熱氧化二氧化硅加化學(xué)氣相沉積二氧化硅或熱二氧化硅 加氮化硅，其后通過選擇性地掩蔽和刻蝕所述硬掩膜層25，形成溝槽刻蝕的硬掩膜，并在第 一主面23上刻蝕形成溝槽，所述溝槽包括分壓溝槽6 ；所述分壓溝槽6的深度和寬度小于 相應(yīng)第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)的深度和寬度，所述分壓溝槽6的寬度沿著由第一分壓保 護(hù)區(qū)3指向第二分壓保護(hù)區(qū)4的方向逐漸增加，如圖8所示；d、去除所述半導(dǎo)體基板第一主面23上的硬掩膜層25 ；e、在上述半導(dǎo)體基板的第一主面23上及分壓溝槽6內(nèi)淀積第一絕緣介質(zhì)層13 ； 所述第一絕緣介質(zhì)層13的厚度根據(jù)器件的耐壓大小決定，其厚度通常為5000埃 18000 埃；所述第一絕緣介質(zhì)層13可以為硅玻璃(USG)或硼磷硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)；f、選擇性的掩蔽和刻蝕所述第一絕緣介質(zhì)層13，去除有源區(qū)1上的第一絕緣介質(zhì) 層13，并去除第一分壓保護(hù)區(qū)3與截止保護(hù)區(qū)5上相應(yīng)的第一絕緣介質(zhì)層13，如圖9所示；g、在上述半導(dǎo)體基板第一主面23上淀積硬掩膜層25 ；所述硬掩膜25層可以采用 LPTEOS (低壓化學(xué)氣相沉積四乙基原硅酸鹽)、熱氧化二氧化硅加化學(xué)氣相沉積二氧化硅或 熱二氧化硅加氮化硅，其后通過選擇性地掩蔽和刻蝕硬掩膜層，形成溝槽刻蝕的硬掩膜，并 在第一主面上刻蝕形成溝槽，所述溝槽包括元胞溝槽21 ；h、去除所述半導(dǎo)體基板第一主面23上的硬掩膜層；i、在上述元胞溝槽21及半導(dǎo)體基板的第一主面23上，同時(shí)生長(zhǎng)絕緣氧化層22 ； 在內(nèi)壁表面生長(zhǎng)有絕緣氧化層22的元胞溝槽21內(nèi)及半導(dǎo)體基板的第一主面23上淀積導(dǎo) 電多晶硅10，刻蝕去除第一主面23上的導(dǎo)電多晶硅10，得到元胞溝槽21內(nèi)的導(dǎo)電多晶硅 10，如圖10所示；j、在上述第一主面23上，自對(duì)準(zhǔn)注入P型雜質(zhì)離子，并通過高溫推結(jié)形成P阱區(qū)， 所述P阱區(qū)包括有源區(qū)1內(nèi)的P阱區(qū)18和截止保護(hù)區(qū)5內(nèi)的P阱區(qū)18 ；k、在上述第一主面23上，進(jìn)行源區(qū)光刻，并選擇性的注入高濃度的N型雜質(zhì)離子， 通過高溫推結(jié)形成N型注入?yún)^(qū)，所述N型注入?yún)^(qū)包括有源區(qū)1內(nèi)的N型注入?yún)^(qū)9和截止保 護(hù)區(qū)5內(nèi)的N型注入?yún)^(qū)9，如圖11所示；1、在上述第一主面23上，淀積第二絕緣介質(zhì)層8，所述第二絕緣介質(zhì)層8覆蓋元胞 溝槽21的槽口 ；在淀積有第二絕緣介質(zhì)層8的第一主面23上，進(jìn)行接觸孔光刻和刻蝕，同 時(shí)得到對(duì)應(yīng)的接觸孔，所述接觸孔包括第一接觸孔11、第二接觸孔15 ；所述第一接觸孔11位于元胞溝槽21槽口上方的兩側(cè)，第二接觸孔15位于截止保護(hù)區(qū)5的上方；如圖12所示； 所述第二絕緣介質(zhì)層8可以為硅玻璃(USG)或硼磷硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)；m、在上述半導(dǎo)體基板的第一主面23上方，淀積金屬層，進(jìn)行金屬層光刻和刻蝕， 形成發(fā)射極金屬7、截止保護(hù)區(qū)金屬17 ；所述發(fā)射極金屬7填充第一接觸孔11，所述截止保 護(hù)區(qū)金屬17填充第二接觸孔15;η、對(duì)所述半導(dǎo)體基板的第二主面M進(jìn)行研磨，減薄半導(dǎo)體基板的厚度；O、在上述半導(dǎo)體基板的第二主面M上注入P型雜質(zhì)離子，通過退火形成P型集電 區(qū)20 ；ρ、在半導(dǎo)體基板對(duì)應(yīng)于上述P型集電區(qū)20表面淀積金屬層，形成集電極金屬19， 如圖13所示；所述金屬層的材料包括金、鋁或銅。如圖5和圖13所示，所述IGBT器件的耐壓機(jī)理為終端保護(hù)區(qū)2在有源區(qū)1的外 圍，它包含有位于其內(nèi)圈的分壓保護(hù)區(qū)和位于其外圈的截止保護(hù)區(qū)5 ；所述分壓保護(hù)區(qū)包 含第一分壓保護(hù)區(qū)3和位于第一分壓保護(hù)區(qū)3外圈的第二分壓保護(hù)區(qū)4。圖1 和圖14b 為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在反向耐壓時(shí)的電勢(shì)分布圖和電場(chǎng)分布圖，圖1 和圖1 為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu) 在反向耐壓時(shí)的電勢(shì)分布圖和電場(chǎng)分布圖，其中，32表示電勢(shì)線，33表示電流線，34表示耗 盡層，35表示第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14上的峰值電場(chǎng)，36表示第二分壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)分 壓溝槽6的峰值電場(chǎng)。發(fā)射極金屬7形成IGBT器件的發(fā)射極，集電極金屬19形成IGBT器 件的集電極；在本實(shí)用新型IGBT器件處于反向偏壓狀態(tài)時(shí)，其發(fā)射極為零電位，集電極為 高電位，此時(shí)耗盡層同時(shí)向第一分壓保護(hù)區(qū)3及第二分壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)相應(yīng)的P型注入?yún)^(qū)內(nèi) 和N型漂移區(qū)16內(nèi)擴(kuò)展。以耐壓為1200V的IGBT器件產(chǎn)品為例，當(dāng)集電極電壓近似小于 300V,發(fā)射極電壓為OV時(shí)，第二分壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)相應(yīng)的第二分壓保護(hù)區(qū)P型注入?yún)^(qū)14 一側(cè) 的耗盡層寬度較窄，其耗盡層的邊界未與分壓溝槽6相接觸，分壓溝槽6的底部及側(cè)面仍被 相應(yīng)的P型注入?yún)^(qū)所包圍，此時(shí)分壓溝槽6并不參與分壓，反向電壓由第一分壓保護(hù)區(qū)3與 第二分壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)相應(yīng)的P型注入?yún)^(qū)承受。隨著集電極電壓變大，耗盡層的寬度在P型 注入?yún)^(qū)內(nèi)和N型漂移區(qū)16內(nèi)逐漸變寬；當(dāng)集電極電壓近似高于300V時(shí)，P型注入?yún)^(qū)內(nèi)的耗 盡層邊界擴(kuò)展到分壓溝槽的底部，隨著集電極電壓的繼續(xù)增加，分壓溝槽6的底部逐漸被 耗盡層包圍，如圖1 所示，P型注入?yún)^(qū)內(nèi)的耗盡層被分壓溝槽6隔離成兩部分，分別用34a 和34b表示，3 和34b分別位于分壓溝槽的兩側(cè)，且鄰近截止保護(hù)區(qū)一側(cè)耗盡層34a的電 勢(shì)大于鄰近有源區(qū)一側(cè)耗盡層34b的電勢(shì)，此時(shí)分壓溝槽6開始收納電勢(shì)線、參與承受反向 電壓，分壓溝槽6承受的反向電壓大小為耗盡層3 和耗盡層34b之間的電勢(shì)差值大小。圖14b和圖1 是器件反向耐壓時(shí)，在相同的集電極電壓下，現(xiàn)有常規(guī)場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu) 和本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布仿真示意圖，所述仿真示意圖中采用相同的標(biāo)稱值?，F(xiàn)有常 規(guī)場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)26在反向耐壓時(shí)電場(chǎng)呈峰值分布，其峰值電場(chǎng)35分布在P型注入?yún)^(qū)的外側(cè) 下角；本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)電場(chǎng)雖然也呈峰值分布，但其峰值電場(chǎng)35和36分別分布在P型注入 區(qū)外側(cè)下角和分壓溝槽6的底部，其峰值電場(chǎng)小，電場(chǎng)分布趨于均勻。采用傳統(tǒng)場(chǎng)限環(huán)終端結(jié)構(gòu)的器件，其終端部分耐壓由單一的PN結(jié)耗盡層承受，在 場(chǎng)限環(huán)的外側(cè)下角會(huì)出現(xiàn)較大的峰值電場(chǎng)。本實(shí)用新型改進(jìn)了 IGBT器件的終端結(jié)構(gòu)，在器 件處于反向耐壓狀態(tài)時(shí)，其終端部分由場(chǎng)限環(huán)和分壓溝槽共同耐壓，其分壓保護(hù)區(qū)內(nèi)的峰 值電場(chǎng)小，且電場(chǎng)分布趨于均勻，提高了器件的可靠性和耐壓性能。以耐壓值為1200V，電流值為10A 25A規(guī)格的IGBT器件為例，在保證器件反向耐壓值的前提下，本實(shí)用新型終端保 護(hù)區(qū)尺寸可減小159Γ25%，芯片面積可減小4. 59TlO%，降低了芯片的制造成本。本實(shí)用新型在所述終端保護(hù)區(qū)2內(nèi)的第二分壓保護(hù)區(qū)4內(nèi)設(shè)置分壓溝槽6，其反向 電壓由P型注入?yún)^(qū)和分壓溝槽6共同承擔(dān)，P型注入?yún)^(qū)之間的間距對(duì)擊穿電壓性能影響較 小，增大了設(shè)計(jì)和制造窗口。本實(shí)用新型所提供的具有改進(jìn)型終端的IGBT制造方法與現(xiàn)有成熟制造工藝兼 容，制造工藝簡(jiǎn)單。
權(quán)利要求1.一種具有改進(jìn)型終端的IGBT，在所述IGBT器件的俯視平面上，包括位于半導(dǎo)體基 板上的有源區(qū)和終端保護(hù)區(qū)，所述有源區(qū)位于半導(dǎo)體基板的中心區(qū)，終端保護(hù)區(qū)位于有源 區(qū)的外圍；所述終端保護(hù)區(qū)包括位于其內(nèi)圈的分壓保護(hù)區(qū)及位于其外圈的截止保護(hù)區(qū)；所 述分壓保護(hù)區(qū)包括第一分壓保護(hù)區(qū)與第二分壓保護(hù)區(qū)，所述第一分壓保護(hù)區(qū)環(huán)繞保護(hù)有源 區(qū)，第二分壓保護(hù)區(qū)位于第一分壓保護(hù)區(qū)的外圈，并環(huán)繞包圍第一分壓保護(hù)區(qū)及有源區(qū)；其 特征是在所述IGBT器件的截面上，所述半導(dǎo)體基板具有兩個(gè)相對(duì)的主面，所述主面包括第一 主面與第二主面，半導(dǎo)體基板的第一主面與第二主面間包括第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)；第二分 壓保護(hù)區(qū)包括至少一個(gè)第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)，所述第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)在第一導(dǎo)電類型漂 移區(qū)內(nèi)沿第一主面指向第二主面的方向延伸，相鄰的第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)由第一導(dǎo)電類型 漂移區(qū)相間隔；所述第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)內(nèi)包括至少一個(gè)分壓溝槽，所述分壓溝槽位于第二導(dǎo)電類型 注入?yún)^(qū)內(nèi)，并沿由第一主面指向第二主面的方向在第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)內(nèi)延伸；所述分壓 溝槽內(nèi)填充有第一絕緣介質(zhì)層，所述第一絕緣介質(zhì)層填充在分壓溝槽內(nèi)，并覆蓋在半導(dǎo)體 基板相應(yīng)的第一主面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有改進(jìn)型終端的IGBT，其特征是在所述IGBT器件的截 面上，分壓溝槽的寬度及深度小于所述分壓溝槽所在第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)相應(yīng)的寬度及深 度；第二分壓保護(hù)區(qū)內(nèi)的分壓溝槽沿著有源區(qū)指向截止保護(hù)區(qū)的方向?qū)挾戎饾u變寬，并被 相應(yīng)第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)所包圍；所述分壓溝槽的寬度為0. Γ6 μ m0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有改進(jìn)型終端的IGBT，其特征是在所述IGBT器件的截面 上，所述有源區(qū)為溝槽型IGBT結(jié)構(gòu)或平面型IGBT結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有改進(jìn)型終端的IGBT，其特征是在所述IGBT器件的截面 上，溝槽型IGBT結(jié)構(gòu)包括元胞溝槽，所述元胞溝槽位于第二導(dǎo)電類型阱區(qū)，深度伸入第二 導(dǎo)電類型阱區(qū)下方的第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)；元胞溝槽內(nèi)壁表面生長(zhǎng)有絕緣氧化層，在所述 內(nèi)壁生長(zhǎng)有絕緣氧化層的元胞溝槽內(nèi)淀積導(dǎo)電多晶硅，有源區(qū)內(nèi)的元胞通過位于元胞溝槽 內(nèi)的導(dǎo)電多晶硅并聯(lián)成整體；元胞溝槽的外壁上方設(shè)有第一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)，所述第一導(dǎo) 電類型注入?yún)^(qū)與元胞溝槽的外壁相接觸；元胞溝槽的槽口覆蓋有第二絕緣介質(zhì)層，所述第 二絕緣介質(zhì)層位于半導(dǎo)體基板的第一主面上，并覆蓋在相應(yīng)的第一分壓保護(hù)區(qū)上；元胞溝 槽兩側(cè)的上方均設(shè)有第一接觸孔，所述第一接觸孔內(nèi)淀積有發(fā)射極金屬，所述發(fā)射極金屬 覆蓋在有源區(qū)上，并填充在第一分壓保護(hù)區(qū)上方的第一接觸孔內(nèi)；發(fā)射極金屬與有源區(qū)內(nèi) 的第二導(dǎo)電類型阱區(qū)、第一分壓保護(hù)區(qū)相接觸，并將有源區(qū)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型阱區(qū)與第一 分壓保護(hù)區(qū)連接成等電位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有改進(jìn)型終端的IGBT，其特征是所述第一分壓保護(hù)區(qū)包 括一個(gè)第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)，所述第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)與鄰近分壓保護(hù)區(qū)的元胞溝槽外壁 相接處，并包圍相應(yīng)的第一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)；第一分壓保護(hù)區(qū)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)與 第二分壓保護(hù)區(qū)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)通過第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)相間隔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有改進(jìn)型終端的IGBT，其特征是在所述IGBT器件的截面 上，所述半導(dǎo)體基板的第二主面上設(shè)有第二導(dǎo)電類型集電區(qū)，半導(dǎo)體基板對(duì)應(yīng)于設(shè)置第二 導(dǎo)電類型集電區(qū)的第二主面上淀積有集電極金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有改進(jìn)型終端的IGBT，其特征是在所述IGBT器件的截面 上，所述截止保護(hù)區(qū)包括第二導(dǎo)電類型阱區(qū)，所述第二導(dǎo)電類型阱區(qū)位于第一導(dǎo)電類型漂 移區(qū)內(nèi)，并沿半導(dǎo)體基板的第一主面指向第二主面的方向在第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)內(nèi)延伸； 截止保護(hù)區(qū)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型阱區(qū)的一端與半導(dǎo)體基板的第一主面相接觸；第二導(dǎo)電類型 阱區(qū)的上部設(shè)有第一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)；第一絕緣介質(zhì)層覆蓋在截止保護(hù)區(qū)上，截止保護(hù)區(qū) 對(duì)應(yīng)于第一導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)的上方設(shè)有第二接觸孔，所述第二接觸孔內(nèi)淀積有截止保護(hù)區(qū) 金屬，所述截止保護(hù)區(qū)金屬并覆蓋在第一絕緣介質(zhì)層對(duì)應(yīng)于鄰近截止保護(hù)區(qū)的端部表面。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有改進(jìn)型終端的IGBT及其制造方法，其第二分壓保護(hù)區(qū)包括至少一個(gè)第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)，第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)在第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)內(nèi)沿第一主面指向第二主面的方向延伸，相鄰的第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)由第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)相間隔；第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)內(nèi)包括至少一個(gè)分壓溝槽，分壓溝槽位于第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)內(nèi)，并沿第二導(dǎo)電類型注入?yún)^(qū)的軸線分布；分壓溝槽內(nèi)填充有第一絕緣介質(zhì)層，第一絕緣介質(zhì)層填充在分壓溝槽內(nèi)，并覆蓋在半導(dǎo)體基板相應(yīng)的第一主面上。本實(shí)用新型提高了器件的耐壓可靠性，增大了器件設(shè)計(jì)尺寸和制造工藝波動(dòng)的容寬窗口，縮小了器件終端保護(hù)區(qū)所占芯片整體面積的比重，從而降低了成本。
文檔編號(hào)H01L29/739GK201829504SQ20102056331
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者丁磊, 葉鵬, 朱袁正, 胡永剛 申請(qǐng)人:無錫新潔能功率半導(dǎo)體有限公司