專利名稱：一種基于截止環(huán)的高壓大功率igbt芯片及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種IGBT芯片及其設(shè)計方法，具體涉及一種基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片及其設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
功率器件的發(fā)展與電網(wǎng)的發(fā)展密切相關(guān)。20世紀50年代，功率器件主要是汞弧閘流管，電網(wǎng)為省電網(wǎng)；60年代發(fā)展起來的晶閘管，因其工作可靠，壽命長，體積小，開關(guān)速度快，在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，推動電網(wǎng)向區(qū)域，全國聯(lián)網(wǎng)發(fā)展；但普通晶閘管其門極信號僅能控制元件的導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷，稱半控器件。為適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展，又陸續(xù)開發(fā)出可關(guān)斷晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管以及MOSFET，IGBT等新型功率器件；其門極信號既能控制器件的導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，稱全控器件。全控器件的發(fā)展及應(yīng)用極大推動電網(wǎng)的發(fā)展。
IGBT器件(絕緣柵雙極晶體管)同時具有單極性器件和雙極性器件的優(yōu)點，驅(qū)動電路簡單，控制電路功耗和成本低，通態(tài)壓降低，器件自身損耗小，是未來高壓大電流的發(fā)展方向。未來電網(wǎng)的發(fā)展對IGBT器件提出更高的要求，除高電壓，大電流，大功率外；要求低損耗，高頻率，功率集成化以及高可靠性。
電網(wǎng)的可靠性分系統(tǒng)一裝置一器件三個層次，本發(fā)明探討的為器件層次的可靠性問題。
IGBT芯片由功能劃分為有源區(qū)、終端區(qū)和柵極區(qū)三部分，其俯視圖見圖1。有源區(qū)又稱元胞區(qū)，為芯片的功能區(qū)域；主要影響芯片的電流相關(guān)參數(shù)，如導(dǎo)通電壓，閾值電壓參數(shù)；終端區(qū)位于芯片的邊緣區(qū)域，主要影響芯片的耐壓參數(shù)；柵極區(qū)又可分為柵焊盤區(qū)及柵匯流條區(qū)，為芯片的柵極控制區(qū)域，影響器件的開關(guān)特性。IGBT芯片常用的柵極結(jié)構(gòu)有平面型、溝槽型。IGBT芯片在串聯(lián)適用時，通常會在柵 焊盤區(qū)及柵匯流條區(qū)之間串聯(lián)一個 2 10歐左右的電阻，改善IGBT芯片間的均流，詳見圖1。
IGBT芯片制造分為前段的器件加工及后端的芯片互連及保護兩大塊。后端的互連及保護的通常用3塊掩模版(孔掩模版，金屬掩模版，鈍化掩模版)；前段的器件加工通常用 3-4塊掩模版。常規(guī)IGBT芯片制造技術(shù)簡易流程圖見圖3。
IGBT芯片制造工藝主要包括光刻，擴散/注入，腐蝕，薄膜四大模塊。IGBT芯片制造技術(shù)即通過相應(yīng)的制造技術(shù)將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體圓片上的技術(shù)。IGBT制造技術(shù)即采用相應(yīng)的技術(shù)完成IGBT芯片有源區(qū)，終端區(qū)及柵極區(qū)(柵焊盤區(qū)+柵匯流條區(qū)) 的技術(shù)。
IGBT器件分IGBT芯片和IGBT芯片封裝兩部分，本發(fā)明探討的為IGBT芯片部分的可靠性設(shè)計。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片及其設(shè)計方法，本發(fā)明電網(wǎng)應(yīng)用大功率IGBT截止環(huán)設(shè)計方法，將傳統(tǒng)快恢復(fù)二極管的終端截止環(huán)設(shè)計應(yīng)用于高壓大功率IGBT芯片設(shè)計，工藝簡單，適用不同終端結(jié)構(gòu)IGBT芯片的設(shè)計， 可行性強。
本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片，所述IGBT芯片包括終端區(qū)，所述終端區(qū)包括終端基本單元和截止環(huán)；其改進之處在于，所述截止環(huán)分布在終端基本單元及劃片槽(劃片槽指的是兩顆IGBT芯片之間的區(qū)域，為兩顆IGBT芯片交界的區(qū)域；不包含在終端區(qū))區(qū)域之間，用于與多晶場板或金屬場板形成等電位，切斷IGBT芯片表面漏電溝道，減少 IGBT表面漏電；所述截止環(huán)應(yīng)用在電網(wǎng)高壓大功率的IGBT芯片中。
其中，所述終端基本單元包括場板、場環(huán)、結(jié)終端延伸JTE，橫向變摻雜VLD、斜面和溝槽:;用于減少有源區(qū)邊緣PN結(jié)的曲率，耗盡層橫向延伸，增強水平方向的耐壓能力。
其中，所述IGBT芯片按照功能分為
有源區(qū)稱為元胞區(qū)，集成IGBT芯片的電流參數(shù)；
終端區(qū)集成IGBT芯片的耐壓參數(shù)；
柵極區(qū)集成IGBT芯片的開關(guān)特性。
其中，所述有源區(qū)包括N-襯底區(qū)；N-襯底區(qū)表面的柵極氧化層，沉積在柵極氧化層上的多晶硅柵極；柵極氧化層與N-襯底區(qū)之間的P-阱區(qū)；位于P-阱區(qū)與柵極氧化層之 間的N+區(qū)；位于N-襯底區(qū)下方的背面注入?yún)^(qū)；位于注入?yún)^(qū)下方的集電極及位于柵極氧化層上方的發(fā)射極。
其中，所述柵極區(qū)包括柵焊盤區(qū)和柵匯流條區(qū)；所述柵內(nèi)阻串聯(lián)在所述柵焊盤區(qū)和柵匯流條區(qū)之間
本發(fā)明基于另一目的提供的一種基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片設(shè)計方法，其改進之處在于，所述方法應(yīng)用在快恢復(fù)二極管中；包括下述步驟
A、設(shè)計IGBT芯片的截止環(huán)掩膜板；
B、設(shè)計IGBT芯片的有源區(qū)掩模版；
C、設(shè)計IGBT芯片的多晶掩模版；
D、設(shè)計IGBT芯片的孔掩模版；
E、設(shè)計IGBT芯片的金屬掩模版；
F、設(shè)計IGBT芯片的鈍化掩模版。
其中，所述步驟A中，在截止環(huán)區(qū)域N型摻雜，在IGBT芯片設(shè)計時通過向襯底摻雜完成截止環(huán)的場板結(jié)構(gòu)，所述場板結(jié)構(gòu)通過多晶場板、金屬場板結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)與截止環(huán)接觸，形成等電位。
其中，所述步驟B中，有源區(qū)與終端區(qū)的P-阱區(qū)同時注入，所述有源區(qū)的P-阱區(qū)形成MOS結(jié)構(gòu)；終端區(qū)的P-阱區(qū)形成終端區(qū)場環(huán)結(jié)構(gòu)。
其中，所述步驟C中，多晶掩模版包含多晶硅，所述多晶硅分布在有源區(qū)，柵極區(qū)和終端區(qū)；
有源區(qū)多晶硅形成MOS柵結(jié)構(gòu)，柵極區(qū)多晶硅為有源區(qū)MOS柵結(jié)構(gòu)匯總區(qū)域，終端區(qū)多晶硅形成終端區(qū)的場板結(jié)構(gòu)。
其中，所述步驟D中，所述孔掩模版包括孔；所述孔分布在有源區(qū)，柵極區(qū)和終端區(qū)；
有源區(qū)孔為IGBT芯片發(fā)射極引出端；柵極區(qū)孔為IGBT芯片柵極引出端；終端區(qū)孔為場板與場環(huán)接觸孔，形成接觸場板結(jié)構(gòu)。
其中，所述步驟E中，所述金屬掩模版包括金屬；所述金屬分布在有源區(qū)，柵極區(qū)和終端區(qū)；
有源區(qū)金屬為IGBT芯片發(fā)射極引出端；柵極區(qū)金屬IGBT芯片柵極引出端；終端區(qū)金屬形成終端場板結(jié)構(gòu)。
其中，所述步驟F中，所述鈍化掩模版包括鈍化；所述鈍化分布在終端區(qū)，有源區(qū)， 柵極區(qū)；終端區(qū)鈍化為IGBT芯片終端區(qū)保護材料，用于隔離和保護芯片；有源區(qū)和柵極區(qū)鈍化開口為IGBT芯片柵焊盤區(qū)，用于對IGBT芯片封裝，發(fā)射極和柵極打線位置。
與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明達到的有益效果是
1、本發(fā)明提供的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片及其設(shè)計方法實現(xiàn)較為容易，可行性強。
2、本發(fā)明提供的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片及其設(shè)計方法適用于不同終端結(jié)構(gòu)的IGBT芯片的設(shè)計。
3、本發(fā)明提供的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片及其設(shè)計方法，提高了 IGBT 芯片的可靠性，適用于電網(wǎng)應(yīng)用。


圖1是IGBT芯片結(jié)構(gòu)俯視圖2是本發(fā)明提供的IGBT芯片終端區(qū)截止環(huán)示意圖3是IGBT常規(guī)IGBT芯片制造技術(shù)簡易流程圖4是本發(fā)明提供的電網(wǎng)應(yīng)用大功率IGBT芯片制造技術(shù)簡易流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
IGBT芯片的耐壓參數(shù)及耐壓可靠性為芯片設(shè)計的重要指標。IGBT終端區(qū)設(shè)計與芯片耐壓參數(shù)及耐壓可靠性密切相關(guān)。
IGBT芯片終端區(qū)又分為終端基本單元及截止環(huán)兩部分。終端基本單元根據(jù)技術(shù)的發(fā)展，又分為場板，場環(huán)，結(jié)終端延伸(JTE)，橫向變摻雜(VLD)，斜面，溝槽等，國內(nèi)外研究多集中在終端基本單元的研究。終端基本單元的作用為減少有源區(qū)(元胞區(qū))邊緣PN結(jié)的曲率，耗盡層橫向延伸，增強水平方向的耐壓能力。
終端區(qū)截止環(huán)分布在終端基本單元及劃片槽區(qū)域之間，分布在芯片的最外圍，用來切斷表面漏電溝道，減少表面漏電。以N型襯底為例，場環(huán)為P型摻雜，截止環(huán)在芯片的最外圍注入一圈較高劑量的N型摻雜。在最外場環(huán)和截止環(huán)之間，就會形成一個P+N-N+的結(jié)構(gòu)，截止環(huán)一般與上面的場板結(jié)構(gòu)(多晶場板或金屬場板等)接觸，形成等電位，詳見圖2。 當(dāng)水平方向耗盡層延伸到截止環(huán)位置時，由于耗盡層摻雜濃度高，在截止環(huán)內(nèi)的耗盡層寬度會大大縮短，電場在截止環(huán)內(nèi)終止，不延伸到劃片槽。截止環(huán)的設(shè)計通常在快恢復(fù)二極管 (FRD)中應(yīng)用較多。
IGBT芯片截止環(huán)的設(shè)計增加一塊光刻版(截止環(huán)掩模版)，用于終端截止環(huán)區(qū)域的N型慘雜。在芯片開始初期，將截止環(huán)的慘雜部分完成；隨著后續(xù)工藝，完成截止環(huán)的場板部分，場板通過孔結(jié)構(gòu)與N型摻雜區(qū)域(即截止環(huán))接觸，形成等電位。電網(wǎng)應(yīng)用大功率IGBT 芯片制造技術(shù)簡易流程圖見圖4，包括以下步驟A、設(shè)計IGBT芯片的截止環(huán)掩膜板在截止環(huán)區(qū)域N型摻雜，在IGBT芯片設(shè)計時通過向襯底摻雜完成截止環(huán)的場板結(jié)構(gòu)，所述場板結(jié)構(gòu)通過多晶場板、金屬場板結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)與截止環(huán)接觸，形成等電位。
B、設(shè)計IGBT芯片的有源區(qū)掩模版有源區(qū)與終端區(qū)的P-阱區(qū)同時注入，所述有源區(qū)的P-阱區(qū)形成MOS結(jié)構(gòu)；終端區(qū)的P-阱區(qū)形成終端區(qū)場環(huán)結(jié)構(gòu)。
C、設(shè)計IGBT芯片的多晶掩模版多晶掩模版包含多晶硅，所述多晶硅分布在有源區(qū)，柵極區(qū)和終端區(qū)；
有源區(qū)多晶硅形成MOS柵結(jié)構(gòu)，柵極區(qū)多晶硅為有源區(qū)MOS柵結(jié)構(gòu)匯總區(qū)域，終端區(qū)多晶硅形成終端區(qū)的場板結(jié)構(gòu)。
D、設(shè)計IGBT芯片的孔掩模版所述孔掩模版包括孔；所述孔分布在有源區(qū)，柵極區(qū)和終端區(qū)；
有源區(qū)孔為IGBT芯片發(fā)射極引出端；柵極區(qū)孔為IGBT芯片柵極引出端；終端區(qū)孔為場板與場環(huán)接觸孔，形成接觸場板結(jié)構(gòu)。
E、設(shè)計IGBT芯片的金屬掩模版所述金屬掩模版包括金屬；所述金屬分布在有源區(qū)，柵極區(qū)和終端區(qū)；
有源區(qū)金屬為IGBT芯片發(fā)射極引出端；柵極區(qū)金屬IGBT芯片柵極引出端；終端區(qū)金屬形成終端場板結(jié)構(gòu)。
F、設(shè)計IGBT芯片的鈍化掩模版所述鈍化掩模版包括鈍化；所述鈍化分布在終端區(qū)，有源區(qū)，柵極區(qū)；終端區(qū)鈍化為IGBT芯片終端區(qū)保護材料，用于隔離和保護芯片；有源區(qū)和柵極區(qū)鈍化開口為IGBT芯片柵焊盤區(qū)，用于對IGBT芯片封裝，發(fā)射極和柵極打線位置。電網(wǎng)應(yīng)用大功率IGBT截止環(huán)設(shè)計技術(shù)通過增加一塊截止環(huán)掩模版，與后續(xù)工藝搭配， 完成IGBT芯片截止環(huán)的設(shè)計。改善及優(yōu)化IGBT芯片的可靠性，可行性強。
最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片，所述IGBT芯片包括終端區(qū)，所述終端區(qū)包括終端基本單元和截止環(huán)；其特征在于，所述截止環(huán)分布在終端基本單元及劃片槽區(qū)域之間，用于與多晶場板或金屬場板形成等電位，切斷IGBT芯片表面漏電溝道，減少IGBT表面漏電；所述截止環(huán)應(yīng)用在電網(wǎng)高壓大功率的IGBT芯片中。
2.如權(quán)利要求1所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片，其特征在于，所述終端基本單元包括場板、場環(huán)、結(jié)終端延伸JTE，橫向變摻雜VLD、斜面和溝槽；用于減少有源區(qū)邊緣PN結(jié)的曲率，耗盡層橫向延伸，增強水平方向的耐壓能力。
3.如權(quán)利要求1所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片，其特征在于，所述IGBT芯片按照功能分為 有源區(qū)稱為元胞區(qū)，集成IGBT芯片的電流參數(shù)； 終端區(qū)集成IGBT芯片的耐壓參數(shù)； 柵極區(qū)集成IGBT芯片的開關(guān)特性。
4.如權(quán)利要求1所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片，其特征在于，所述有源區(qū)包括N-襯底區(qū)；N-襯底區(qū)表面的柵極氧化層，沉積在柵極氧化層上的多晶硅柵極；柵極氧化層與N-襯底區(qū)之間的P-阱區(qū)；位于P-阱區(qū)與柵極氧化層之間的N+區(qū)；位于N-襯底區(qū)下方的背面注入?yún)^(qū)；位于注入?yún)^(qū)下方的集電極及位于柵極氧化層上方的發(fā)射極。
5.如權(quán)利要求1所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片，其特征在于，所述柵極區(qū)包括柵焊盤區(qū)和柵匯流條區(qū)；柵內(nèi)阻串聯(lián)在所述柵焊盤區(qū)和柵匯流條區(qū)之間。
6.一種基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片設(shè)計方法，其特征在于，所述方法應(yīng)用在快恢復(fù)二極管中；包括下述步驟 A、設(shè)計IGBT芯片的截止環(huán)掩膜板； B、設(shè)計IGBT芯片的有源區(qū)掩模版； C、設(shè)計IGBT芯片的多晶掩模版； D、設(shè)計IGBT芯片的孔掩模版； E、設(shè)計IGBT芯片的金屬掩模版； F、設(shè)計IGBT芯片的鈍化掩模版。
7.如權(quán)利要求6所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟A中，在截止環(huán)區(qū)域N型摻雜，在IGBT芯片設(shè)計時通過向襯底摻雜完成截止環(huán)的場板結(jié)構(gòu)，所述場板結(jié)構(gòu)通過多晶場板、金屬場板結(jié)構(gòu)或孔結(jié)構(gòu)與截止環(huán)接觸，形成等電位。
8.如權(quán)利要求6所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟B中，有源區(qū)與終端區(qū)的P-阱區(qū)同時注入，所述有源區(qū)的P-阱區(qū)形成MOS結(jié)構(gòu)；終端區(qū)的P-阱區(qū)形成終端區(qū)場環(huán)結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求6所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟C中，多晶掩模版包含多晶硅，所述多晶硅分布在有源區(qū)，柵極區(qū)和終端區(qū)； 有源區(qū)多晶硅形成MOS柵結(jié)構(gòu)，柵極區(qū)多晶硅為有源區(qū)MOS柵結(jié)構(gòu)匯總區(qū)域，終端區(qū)多晶硅形成終端區(qū)的場板結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求6所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟D中，所述孔掩模版包括孔；所述孔分布在有源區(qū)，柵極區(qū)和終端區(qū)； 有源區(qū)孔為IGBT芯片發(fā)射極引出端；柵極區(qū)孔為IGBT芯片柵極引出端；終端區(qū)孔為場板與場環(huán)接觸孔，形成接觸場板結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求6所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟E中，所述金屬掩模版包括金屬；所述金屬分布在有源區(qū)，柵極區(qū)和終端區(qū)； 有源區(qū)金屬為IGBT芯片發(fā)射極引出端；柵極區(qū)金屬IGBT芯片柵極引出端；終端區(qū)金屬形成終端場板結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求6所述的基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟F中，所述鈍化掩模版包括鈍化；所述鈍化分布在終端區(qū)，有源區(qū)，柵極區(qū)； 終端區(qū)鈍化為IGBT芯片終端區(qū)保護材料，用于隔離和保護芯片；有源區(qū)和柵極區(qū)鈍化開口為IGBT芯片柵焊盤區(qū)，用于對IGBT芯片封裝，發(fā)射極和柵極打線位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種IGBT芯片及其設(shè)計方法，具體涉及一種基于截止環(huán)的高壓大功率IGBT芯片及其設(shè)計方法。截止環(huán)分布在終端基本單元及劃片槽區(qū)域之間，用于與多晶場板或金屬場板形成等電位，切斷IGBT芯片表面漏電溝道，減少IGBT表面漏電；所述截止環(huán)應(yīng)用在電網(wǎng)高壓大功率的IGBT芯片中。本發(fā)明電網(wǎng)應(yīng)用大功率IGBT截止環(huán)設(shè)計方法，將傳統(tǒng)快恢復(fù)二極管的終端截止環(huán)設(shè)計應(yīng)用于高壓大功率IGBT芯片設(shè)計，工藝簡單，適用不同終端結(jié)構(gòu)IGBT芯片的設(shè)計，可行性強。
文檔編號H01L29/06GK103022114SQ201210432069
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者劉江, 趙哿, 高明超, 金銳 申請人:國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國家電網(wǎng)公司