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①耐壓高，②導通電阻低、電流密度大，③導通時器件壓降低，④開關(guān)速度高，⑤驅(qū)動功率小等特點，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、電動汽車助動車、空調(diào)機、微波爐、風能轉(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，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，降低整個器件所占用的面積。而突破硅極限的要求，是為了進ー步降低器件本身的能量損耗，并達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；而這會使得pn結(jié)的曲率效應(yīng)更加嚴重，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.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)為第二導電類型的摻雜區(qū)，與第一導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個場限環(huán)時，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個場限環(huán)時，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個場限環(huán)時，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)未增加工藝的復雜性，具有器件集成度高以及工藝窗口大的顯著特點，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-第10個場限環(huán)，3、場板，3a-3k、主結(jié)場板和其余第I個-第10個場板，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)主要包括與六個場限環(huán)2相對應(yīng)的六個場板3以及ー個截止環(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為第二導電類型的摻雜區(qū)，與第一導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)主要包括與八個場限環(huán)2相對應(yīng)的八個場板3以及ー個截止環(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)主要包括十個場限環(huán)2相對應(yīng)的十個場板3以及一個截止環(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。因為緩變摻雜技術(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。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)計實現(xiàn)光刻和干法場氧刻蝕；(3) deep-pbody 離子注入；(4) deep-pbody 爐管擴散。完成制備工藝后，經(jīng)過雜質(zhì)的橫向擴散，起始的場限環(huán)之間已經(jīng)部分地實現(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，有利于實現(xiàn)平面結(jié)的電勢分布，從而在相對較小的寬度內(nèi)，實現(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)為第二導電類型的摻雜區(qū)，與第一導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個場限環(huán)(2)時，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個場限環(huán)(2)時，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個場限環(huán)⑵時，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)未增加工藝的復雜性，具有器件集成度高以及工藝窗口大的顯著特點，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)明者瞿學選 申請人:大連理工大學