一種igbt終端結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件,具體涉及一種IGBT終端結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【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,在家電變頻控制、工業(yè)控制、機車傳動、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年代發(fā)明以來,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)電場的泊松方程計算,在邊緣區(qū)域的電場強度比中間區(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)計終端結(jié)構(gòu),使邊緣區(qū)域的電場強度降低。
[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階復(fù)合場板結(jié)構(gòu)(英飛凌),其四臺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),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。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明的目的是提供一種IGBT終端結(jié)構(gòu)及其制造方法,該IGBT終端結(jié)構(gòu)根據(jù)半導(dǎo)體柱面PN結(jié)在反向偏置時的耗盡理論,在P型場限環(huán)的外側(cè)增加一個結(jié)深比場限環(huán)淺的P型環(huán),使PN結(jié)在反偏時耗盡層進(jìn)一步擴(kuò)展,減小柱面結(jié)位置的電場強度,最終實現(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]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種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型單晶娃片01的表面,所述多晶娃層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]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阱注入完成P型環(huán)041的注入摻雜。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]本發(fā)明還提供一種IGBT終端結(jié)構(gòu)的制造方法,其改進(jìn)之處在于,所述方法包括下述步驟:
[0014]步驟A,選擇N型單晶硅片01,N型單晶硅片01電阻率和厚度根據(jù)電壓等級確定;
[0015]步驟B,在N型單晶硅片01上使用光刻膠掩膜的方式進(jìn)行P型場限環(huán)022的注入摻雜,注入的雜質(zhì)為硼,注入劑量為5E13?lE15/cm2,注入完成后將N型單晶硅片01表面的光刻膠剝離并清洗;
[0016]步驟C,使用熱氧化的方式在N型單晶硅片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)022注入雜質(zhì)的激活和推結(jié);所述高溫?zé)崽幚頊囟葹?000?1150°C,處理時間為120?300min ;
[0017]步驟D,采用熱氧化的方式在N型單晶硅片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 ;
[0018]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;
[0019]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)022外側(cè)的P型環(huán)041,接著進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚瓿蒔型環(huán)04注入雜質(zhì)的激活和推結(jié);所述P型環(huán)041和元胞區(qū)的P阱注入一次完成,注入雜質(zhì)為硼,注入劑量為3E13?lE14/cm2,所述高溫?zé)崽幚頊囟葹?000 ?1150°C,處理時間 60 ?150min ;
[0020]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;
[0021]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IGBT終端結(jié)構(gòu)的制造。
[0022]進(jìn)一步地,P型場限環(huán)022經(jīng)歷步驟C和步驟F兩次高溫推結(jié),新增的P型環(huán)041經(jīng)歷步驟F —次高溫推結(jié),形成兩個不同結(jié)深的P型環(huán)。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)比,本發(fā)明達(dá)到的有益效果是:
[0024]1、本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)使PN結(jié)在反偏時耗盡層進(jìn)一步擴(kuò)展,減小柱面結(jié)位置的電場強度,最終實現(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。
[0025]2、本發(fā)明提供的終端結(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,實現(xiàn)終端效率和可靠性的提高。
[0026]3、本發(fā)明提供的終端結(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。
[0027]4、本發(fā)明提供的終端結(jié)構(gòu)在柱面結(jié)處電場強度進(jìn)一步降低,有利于提高器件的可靠性。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明提供的IGBT終端結(jié)構(gòu)的示意圖;
[0029]圖2是本發(fā)明提供的IGBT終端結(jié)構(gòu)的制造流程圖;
[0030]圖3是本發(fā)明提供的【具體實施方式】的P型場限環(huán)制作示意圖;
[0031]圖4是本發(fā)明提供的【具體實施方式】的P型場限環(huán)推結(jié)和場氧化層制作示意圖;
[0032]圖5是本發(fā)明提供的【具體實施方式】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;
[0033]圖6是本發(fā)明提供的【具體實施方式】的新增P型環(huán)推結(jié)和硼磷硅玻璃淀積的示意圖;
[0034]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。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0036]本發(fā)明提供的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 ;
[0037]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阱注入時完成P型環(huán)