專利名稱:一種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及ー種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),是關(guān)于ー種IGBT的外圍結(jié)終端結(jié)構(gòu)及其制造エ藝,屬于開關(guān)型高壓功率器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
IGBT是新型的功率器件,適合于擊穿電壓大于600V的應(yīng)用范圍。IGBT是電カ電子技術(shù)的核心元件,具有以下特出的優(yōu)點(diǎn)①耐壓高,②導(dǎo)通電阻低、電流密度大,③導(dǎo)通時(shí)器件壓降低,④開關(guān)速度高,⑤驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn),決定著電能轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換效率,微型化、智能化程度。在快速開關(guān)電源、電子整流器、電動(dòng)汽車助動(dòng)車、空調(diào)機(jī)、微波爐、風(fēng)能轉(zhuǎn)換、太陽能轉(zhuǎn)換等諸多產(chǎn)業(yè)有廣泛的應(yīng)用。IGBT主要由并聯(lián)排列器件元胞區(qū)和外圍結(jié)終端區(qū)構(gòu)成。如果沒有外圍結(jié)終端區(qū), 在外加電壓Vce時(shí),雖然并聯(lián)的各器件元胞區(qū)的電壓大致相同,最外圍的元胞由于pn結(jié)的曲率效應(yīng),沿著表面水平方向會(huì)有很大的電場,從而使得器件的擊穿電壓只有平面結(jié)的20%甚至更低。結(jié)終端結(jié)構(gòu)的主要作用就是,把豎向外加電壓沿著水平方向比較均勻地分散到結(jié)終端的結(jié)構(gòu)之中,降低各處的電場密度,從而提高器件的擊穿電壓以致于達(dá)到或者接近件元胞區(qū)平面結(jié)的擊穿電壓。由此,結(jié)終端技術(shù)是IGBT等功率器件的關(guān)鍵技術(shù)之一。從整體來看,以IGBT為主的功率器件,核心問題是高密度集成和突破硅極限兩大問題。其中,高密度集成就是元胞區(qū)和外圍結(jié)終端區(qū)在尺寸上的按比例縮減,降低整個(gè)器件所占用的面積。而突破硅極限的要求,是為了進(jìn)ー步降低器件本身的能量損耗,并達(dá)到其物理極限所能允許的最小功耗,這樣才能確保其能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢,也更有利于功率器件本身的可靠性和抗干擾能力。為了極大的提高器件元胞區(qū)的高密度集成,人們需要減少器件區(qū)的Pbody的結(jié)深;而這會(huì)使得pn結(jié)的曲率效應(yīng)更加嚴(yán)重,從而需要調(diào)整外圍結(jié)終端區(qū)的結(jié)構(gòu),以確保擊穿電壓的穩(wěn)定甚至提高??梢姡骷麉^(qū)和外圍結(jié)終端區(qū)之間,高密度集成和突破硅極限之間是相互關(guān)聯(lián)的。目前,廣泛采用的外圍結(jié)終端結(jié)構(gòu)主要有場限環(huán)、場板、溝槽終端,JTE,SIP0S等技木。由于目前技術(shù)上的不足,無ー例外地表現(xiàn)出占用過大面積的缺點(diǎn).在以IGBT為主的高壓功率器件中,最為主流的外圍結(jié)終端結(jié)構(gòu)為場限環(huán)和場板技術(shù).器件的高密度集成需要進(jìn)ー步縮減外圍結(jié)終端的尺寸。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供ー種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),其目的主要是在不影響器件整體性能的基礎(chǔ)上,減低對設(shè)備的要求,提高外圍結(jié)終端的集成度,降低結(jié)終端占用面積,提高產(chǎn)品競爭力。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是ー種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的中間為功率器件元胞區(qū)元胞陣列并聯(lián)而成,而緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)環(huán)繞于器件元胞區(qū)的四周。所述結(jié)構(gòu)主要包括與各場限環(huán)相對應(yīng)的場板以及ー個(gè)截止環(huán),場限環(huán)從器件元胞區(qū)的邊緣開始向截止環(huán)依次排列;器件元胞區(qū)包括柵氧化層和多晶硅,器件元胞區(qū)Pbody位于器件元胞區(qū)內(nèi)和邊緣的硅片表面層;所述場板的上部位于介質(zhì)層中,下部位于場氧化硅層中;場氧化層經(jīng)刻蝕后留下環(huán)帶狀刻蝕槽,與元胞區(qū)柵氧化層為同一制造層的柵氧化層位于環(huán)帶狀刻蝕槽底部,所述場板填滿每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽并延伸到刻蝕槽的兩邊的場氧化層表面之上,而且在外表面上延伸的部分比在里表面上大一些,底面與柵氧化層相接觸;每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽的寬度從里向外是逐步減小的;相對應(yīng)地,在每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽下為半徑不同的場限環(huán);場限環(huán)為第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū),與第一導(dǎo)電類型的襯底形成半圓形pn結(jié),但與器件元胞區(qū)pbody為不同制造層;場限環(huán)包括主結(jié)環(huán)和從第I場限環(huán)-第n個(gè)場限環(huán),主結(jié)環(huán)與器件元胞區(qū)pbody相互重疊;所述場限環(huán)之間的距離不等,從第I場限環(huán)向外,相鄰的場限環(huán)之間的距離依次增加,每個(gè)場限環(huán)的半徑依次減小,相鄰場限環(huán)的重疊度依次變小,最外的場限環(huán)互相分離;所述截止環(huán)位于結(jié)終端的最外圍,由N+摻雜區(qū)以及位于其上的金屬層所組成,兩者通過接觸孔相互連接,形成浮空的等電位截止環(huán)。所述場板由金屬層和氧化層組成,而氧化硅層由場氧化硅層和介質(zhì)層組成,場板的金屬層坐落在介質(zhì)層之上,并和每個(gè)場限環(huán)對應(yīng)并位于其上方;場板的金屬層和場限環(huán)之間沒有多晶硅。所述截止環(huán)由第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)與截止環(huán)深注入N+摻雜區(qū)構(gòu)成,該第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)和器件元胞區(qū)p-body為同一制造層,用此類截止環(huán)可省去pbody光罩;截止環(huán)區(qū)金屬層和該第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)以及截止環(huán)深注入N+摻雜區(qū)相互連接,形成浮空的等電位截止環(huán)。所述緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)采用主結(jié)環(huán)和其余6個(gè)場限環(huán)時(shí),最外的第5場限環(huán)和第6 場限環(huán)之間不重疊。所述緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)采用主結(jié)環(huán)和其余8個(gè)場限環(huán)時(shí),最外的第6場限環(huán)、第7場限環(huán)和第8場限環(huán)相互之間不重疊,而且在外側(cè)的間距依次增加。所述緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)采用主結(jié)環(huán)和其余10個(gè)場限環(huán)時(shí),最外的第7場限環(huán)、第8場限環(huán)、第9場限環(huán)和第10場限環(huán)相互之間不重疊,而且在外側(cè)的間距依次增加。本發(fā)明的有益效果是這種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)的中間為功率器件元胞區(qū)元胞陣列并聯(lián)而成,而緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)環(huán)繞于器件元胞區(qū)的四周。緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)主要包括與各場限環(huán)相對應(yīng)的場板以及一個(gè)截止環(huán),場限環(huán)從器件元胞區(qū)的邊緣開始向截止環(huán)依次排列。場限環(huán)包括主結(jié)環(huán)和從第I場限環(huán)-第n個(gè)場限環(huán),主結(jié)環(huán)與器件元胞區(qū)pbody相互重疊;各場限環(huán)之間的距離不等,從第I場限環(huán)向外,相鄰的場限環(huán)之間的距離依次增加,每個(gè)場限環(huán)的半徑依次減小,相鄰場限環(huán)的重疊度依次變小,最外的場限環(huán)互相分離。該緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)未增加工藝的復(fù)雜性,具有器件集成度高以及工藝窗口大的顯著特點(diǎn),大幅度降低功率器件外圍結(jié)終端結(jié)構(gòu)占用面積,提高了功率器件整體上的集成度,從而降低了功率器件的制備成本,適合應(yīng)用于功率器件的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
圖I是一種IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)光罩外形圖。圖2是600V IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)A-A截面圖。圖3是600V IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)B-B截面圖。[0017]圖4是1200V IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)A-A截面圖。圖5是1200V IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)B-B截面圖。圖6是1700V IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)A-A截面圖。圖7是1700V IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)B-B截面圖。圖中1、器件元胞區(qū),2、場限環(huán),2a_2k、主結(jié)環(huán)和第I個(gè)-第10個(gè)場限環(huán),3、場板,3a-3k、主結(jié)場板和其余第I個(gè)-第10個(gè)場板,4、截止環(huán),5、器件元胞區(qū)pbody,6、柵氧化層;7、多晶娃,8、N+摻雜區(qū),9、場氧化層,10、介質(zhì)層,11、金屬層。
具體實(shí)施方式
圖1、2、3示出了 600V IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。圖中,在高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)的中間為功率器件元胞區(qū)元胞陣列并聯(lián)而成,而緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)環(huán)繞于器件元胞區(qū)的四周。緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)主要包括與六個(gè)場限環(huán)2相對應(yīng)的六個(gè)場板3以及ー個(gè)截止環(huán)4,場限環(huán)2從器件元胞區(qū)I的邊緣開始向截止環(huán)4依次排列。場板3由金屬層和氧化層組成,而氧化硅層由場氧化硅層9和介質(zhì)層10組成,場板3的金屬層坐落在介質(zhì)層10之上,并和姆個(gè)場限環(huán)2 對應(yīng)并位于其上方。場板3的金屬層11和場限環(huán)2之間沒有多晶硅。截止環(huán)4由第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)與截止環(huán)深注入N+摻雜區(qū)8構(gòu)成,第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)和器件元胞區(qū)p-body5為同一制造層,用此類截止環(huán)可省去pbody光罩。截止環(huán)區(qū)金屬層11和該第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)以及截止環(huán)深注入N+摻雜區(qū)8相互連接,形成浮空的等電位截止環(huán)。器件元胞區(qū)I包括柵氧化層6和多晶硅7,器件元胞區(qū)pbody5位于器件元胞區(qū)I內(nèi)和邊緣的娃片表面層。場板3的上部位于介質(zhì)層10中,下部位于場氧化娃層9中。場氧化層9經(jīng)刻蝕后留下環(huán)帯狀刻蝕槽,與元胞區(qū)柵氧化層6為同一制造層的柵氧化層位于環(huán)帯狀刻蝕槽底部,場板3填滿每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽并延伸到刻蝕槽的兩邊的場氧化層表面之上,而且在外表面上延伸的部分比在里表面上大ー些,底面與柵氧化層6相接觸。每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽的寬度從里向外是逐步減小的,相對應(yīng)地,在每個(gè)環(huán)帯狀刻蝕槽下為半徑不同的場限環(huán)2。場限環(huán)2為第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū),與第一導(dǎo)電類型的襯底形成半圓形pn結(jié),但與器件元胞區(qū)pbody5為不同制造層;場限環(huán)2包括主結(jié)環(huán)2a和從第I場限環(huán)2b_第六個(gè)場限環(huán)2g,主結(jié)環(huán)2a與器件元胞區(qū)pbody5相互重疊。場限環(huán)2之間的距離不等,從第I場限環(huán)2b向外,相鄰的場限環(huán)2之間的距離依次増加,每個(gè)場限環(huán)2的半徑依次減小,相鄰場限環(huán)2的重疊度依次變小,最外的第5場限環(huán)2f和第6場限環(huán)2g互相分離。截止環(huán)4位于結(jié)終端的最外圍,由N+摻雜區(qū)8以及位于其上的金屬層11所組成,兩者通過接觸孔相互連接,形成浮空的等電位截止環(huán)。圖I、4、5示出了 1200V IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。圖中,緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)主要包括與八個(gè)場限環(huán)2相對應(yīng)的八個(gè)場板3以及ー個(gè)截止環(huán)4,場限環(huán)2從器件元胞區(qū)I的邊緣開始向截止環(huán)4依次排列。場限環(huán)2包括主結(jié)環(huán)2a和從第I場限環(huán)2b-第8個(gè)場限環(huán)2i,主結(jié)環(huán)2a與器件元胞區(qū)pbody5相互重疊。場限環(huán)2之間的距離不等,從第I場限環(huán)2b向外,相鄰的場限環(huán)2之間的距離依次増加,每個(gè)場限環(huán)2的半徑依次減小,相鄰場限環(huán)2的重疊度依次變小,最外的第6場限環(huán)2g、第7場限環(huán)2h和第8場限環(huán)2i相互之間不重疊,而且在外側(cè)的間距依次増加。其它結(jié)構(gòu)同圖2、3所述。[0025]圖I、6、7示出了 1700V IGBT外圍高密度緩變場限環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。圖中,緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)主要包括十個(gè)場限環(huán)2相對應(yīng)的十個(gè)場板3以及一個(gè)截止環(huán)4,場限環(huán)2從器件元胞區(qū)I的邊緣開始向截止環(huán)4依次排列。場限環(huán)2包括主結(jié)環(huán)2a和從第I場限環(huán)2b-第10個(gè)場限環(huán)2k,主結(jié)環(huán)2a與器件元胞區(qū)pbody5相互重疊。場限環(huán)2之間的距離不等,從第I場限環(huán)2b向外,相鄰的場限環(huán)2之間的距離依次增加,每個(gè)場限環(huán)2的半徑依次減小,相鄰場限環(huán)2的重疊度依次變小,最外的第8場限環(huán)21、第9場限環(huán)2j和第10場限環(huán)2k相互之間不重疊,而且在外側(cè)的間距依次增加。其它結(jié)構(gòu)同圖2、3所述。上述的高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)與前人提出的所謂緩變摻雜技術(shù)是有本質(zhì)區(qū)別的。因?yàn)榫徸儞诫s技術(shù)主要是某一區(qū)域內(nèi)的摻雜是緩變的,而漸變的場限環(huán)技術(shù)主要是場限環(huán)的結(jié)深是漸變的。所以兩者是完全不同的技術(shù)。而且采用了以下最優(yōu)參數(shù)組合(l)diji+1+2 = di+lji+2(2)Wi = WX0. IX (n-i+1) 在最新技術(shù)研發(fā)中,證明以上最佳設(shè)計(jì)可應(yīng)用于600-3000V的IGBT器件外圍結(jié)終端技術(shù),而具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)。下面介紹外圍場限環(huán)結(jié)終端的制備工藝I、外圍場限環(huán)結(jié)終端的制備工藝,是在器件區(qū)pbody形成前獨(dú)立完成的工藝,分為以下步驟(I)場氧化層沉積;(2)按照以上外圍場限環(huán)結(jié)終端的新型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光刻和干法場氧刻蝕;(3) deep-pbody 離子注入;(4) deep-pbody 爐管擴(kuò)散。完成制備工藝后,經(jīng)過雜質(zhì)的橫向擴(kuò)散,起始的場限環(huán)之間已經(jīng)部分地實(shí)現(xiàn)了 p型區(qū)域的連通,但外圍的場限環(huán)是分立的,并且結(jié)深逐步變淺,結(jié)間距逐步增加。此種傾斜的雜質(zhì)分布,有利于實(shí)現(xiàn)平面結(jié)的電勢分布,從而在相對較小的寬度內(nèi),實(shí)現(xiàn)擊穿電壓的提高,并具有很大的制備工藝窗口。
權(quán)利要求1.一種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的中間為功率器件元胞區(qū)元胞陣列并聯(lián)而成,而緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)環(huán)繞于器件元胞區(qū)的四周,其特征在于所述結(jié)構(gòu)主要包括與各場限環(huán)(2)相對應(yīng)的場板(3)以及一個(gè)截止環(huán)(4),場限環(huán)(2)從器件元胞區(qū)(I)的邊緣開始向截止環(huán)(4)依次排列;器件元胞區(qū)(I)包括柵氧化層(6)和多晶硅(7),器件元胞區(qū)pbody (5)位于器件元胞區(qū)(I)內(nèi)和邊緣的硅片表面層;所述場板(3)的上部位于介質(zhì)層(10)中,下部位于場氧化硅層(9)中;場氧化層(9)經(jīng)刻蝕后留下環(huán)帶狀刻蝕槽,與元胞區(qū)柵氧化層(6)為同一制造層的柵氧化層(6)位于環(huán)帶狀刻蝕槽底部,所述場板(3)填滿每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽并延伸到刻蝕槽的兩邊的場氧化層表面之上,而且在外表面上延伸的部分比在里表面上大一些,底面與柵氧化層(6)相接觸;每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽的寬度從里向外是逐步減小的;相對應(yīng)地,在每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽下為半徑不同的場限環(huán)(2);場限環(huán)(2)為第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū),與第一導(dǎo)電類型的襯底形成半圓形pn結(jié),但與器件元胞區(qū)pbody (5)為不同制造層;場限環(huán)⑵包括主結(jié)環(huán)(2a)和從第I場限環(huán)(2b)_第n個(gè)場限環(huán),主結(jié)環(huán)(2a)與器件元胞區(qū)pbody(5)相互重疊;所述場限環(huán)⑵之間的距離不等,從第I場限環(huán)(2b)向外,相鄰的場限環(huán)(2)之間的距離依次增加,每個(gè)場限環(huán)(2)的半徑依次減小,相鄰場限環(huán)(2)的重疊度依次變小,最外的場限環(huán)(2)互相分離;所述截止環(huán)(4)位于結(jié)終端的最外圍,由N+摻雜區(qū)(8)以及位于其上的金屬層(11)所組成,兩者通過接觸孔相互連接,形成浮空的等電位截止環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),其特征在于所述場板(3)由金屬層和氧化層組成,而氧化硅層由場氧化硅層(9)和介質(zhì)層(10)組成,場板(3)的金屬層坐落在介質(zhì)層(10)之上,并和每個(gè)場限環(huán)(2) —一對應(yīng)并位于其上方;場板(3)的金屬層(11)和場限環(huán)(2)之間沒有多晶硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),其特征在于所述截止環(huán)(4)由第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)與截止環(huán)深注入N+摻雜區(qū)(8)構(gòu)成,該第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)和器件元胞區(qū)p-body(5)為同一制造層,用此類截止環(huán)可省去pbody光罩;截止環(huán)區(qū)金屬層(11)和該第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)以及截止環(huán)深注入N+摻雜區(qū)(8)相互連接,形成浮空的等電位截止環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),其特征在于所述緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)采用主結(jié)環(huán)和其余6個(gè)場限環(huán)(2)時(shí),最外的第5場限環(huán)(2f)和第6場限環(huán)(2g)之間不重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),其特征在于所述緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)采用主結(jié)環(huán)和其余8個(gè)場限環(huán)(2)時(shí),最外的第6場限環(huán)(2g)、第7場限環(huán)(2h)和第8場限環(huán)(2i)相互之間不重疊,而且在外側(cè)的間距依次增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),其特征在于所述緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)采用主結(jié)環(huán)和其余10個(gè)場限環(huán)⑵時(shí),最外的第7場限環(huán)(2h)、第8場限環(huán)(2i)、第9場限環(huán)(2j)和第10場限環(huán)(2k)相互之間不重疊,而且在外側(cè)的間距依次增加。
專利摘要一種高密度緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu),屬于開關(guān)型高壓功率器件技術(shù)領(lǐng)域。環(huán)繞于器件元胞區(qū)的四周的緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)主要包括與各場限環(huán)相對應(yīng)的場板以及一個(gè)截止環(huán),場限環(huán)從器件元胞區(qū)的邊緣開始向截止環(huán)依次排列。場限環(huán)中的主結(jié)環(huán)與器件元胞區(qū)pbody相互重疊,各場限環(huán)之間的距離不等,從第1場限環(huán)向外,相鄰的場限環(huán)之間的距離依次增加,每個(gè)場限環(huán)的半徑依次減小,相鄰場限環(huán)的重疊度依次變小,最外的場限環(huán)互相分離。該緩變場限環(huán)結(jié)構(gòu)未增加工藝的復(fù)雜性,具有器件集成度高以及工藝窗口大的顯著特點(diǎn),大幅度降低功率器件外圍結(jié)終端結(jié)構(gòu)占用面積,提高了功率器件整體上的集成度,從而降低了功率器件的制備成本,適合應(yīng)用于功率器件的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01L29/06GK202523715SQ20122011792
公開日2012年11月7日 申請日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者瞿學(xué)選 申請人:大連理工大學(xué)