CN103022114B - 一种基于截止环的高压大功率igbt芯片及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种IGBT芯片及其设计方法，具体涉及一种基于截止环的高压大功率IGBT芯片及其设计方法。截止环分布在终端基本单元及划片槽区域之间，用于与多晶场板或金属场板形成等电位，切断IGBT芯片表面漏电沟道，减少IGBT表面漏电；所述截止环应用在电网高压大功率的IGBT芯片中。本发明电网应用大功率IGBT截止环设计方法，将传统快恢复二极管的终端截止环设计应用于高压大功率IGBT芯片设计，工艺简单，适用不同终端结构IGBT芯片的设计，可行性强。

Description

一种基于截止环的高压大功率IGBT芯片及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种IGBT芯片及其设计方法，具体涉及一种基于截止环的高压大功率IGBT芯片及其设计方法。
背景技术
功率器件的发展与电网的发展密切相关。20世纪50年代，功率器件主要是汞弧闸流管，电网为省电网；60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠，寿命长，体积小，开关速度快，在电网中得到广泛应用，推动电网向区域，全国联网发展；但普通晶闸管其门极信号仅能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控器件。为适应电网的发展，又陆续开发出可关断晶闸管，逆导晶闸管以及MOSFET，IGBT等新型功率器件；其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控器件。全控器件的发展及应用极大推动电网的发展。
IGBT器件（绝缘栅双极晶体管）同时具有单极性器件和双极性器件的优点，驱动电路简单，控制电路功耗和成本低，通态压降低，器件自身损耗小，是未来高压大电流的发展方向。未来电网的发展对IGBT器件提出更高的要求，除高电压，大电流，大功率外；要求低损耗，高频率，功率集成化以及高可靠性。
电网的可靠性分系统—装置—器件三个层次，本发明探讨的为器件层次的可靠性问题。
IGBT芯片由功能划分为：有源区、终端区和栅极区三部分，其俯视图见图1。有源区又称元胞区，为芯片的功能区域；主要影响芯片的电流相关参数，如导通电压，阈值电压参数；终端区位于芯片的边缘区域，主要影响芯片的耐压参数；栅极区又可分为栅焊盘区及栅汇流条区，为芯片的栅极控制区域，影响器件的开关特性。IGBT芯片常用的栅极结构有平面型、沟槽型。IGBT芯片在串联适用时，通常会在栅焊盘区及栅汇流条区之间串联一个2～10欧左右的电阻，改善IGBT芯片间的均流，详见图1。
IGBT芯片制造分为前段的器件加工及后端的芯片互连及保护两大块。后端的互连及保护的通常用3块掩模版（孔掩模版，金属掩模版，钝化掩模版）；前段的器件加工通常用3-4块掩模版。常规IGBT芯片制造技术简易流程图见图3。
IGBT芯片制造工艺主要包括：光刻，扩散/注入，腐蚀，薄膜四大模块。IGBT芯片制造技术即通过相应的制造技术将掩模版上的图形转移到半导体圆片上的技术。IGBT制造技术即采用相应的技术完成IGBT芯片有源区，终端区及栅极区（栅焊盘区+栅汇流条区）的技术。
IGBT器件分IGBT芯片和IGBT芯片封装两部分，本发明探讨的为IGBT芯片部分的可靠性设计。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于截止环的高压大功率IGBT芯片及其设计方法，本发明电网应用大功率IGBT截止环设计方法，将传统快恢复二极管的终端截止环设计应用于高压大功率IGBT芯片设计，工艺简单，适用不同终端结构IGBT芯片的设计，可行性强。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种基于截止环的高压大功率IGBT芯片，所述IGBT芯片包括终端区，所述终端区包括终端基本单元和截止环；其改进之处在于，所述截止环分布在终端基本单元及划片槽（划片槽指的是两颗IGBT芯片之间的区域，为两颗IGBT芯片交界的区域；不包含在终端区）区域之间，用于与多晶场板或金属场板形成等电位，切断IGBT芯片表面漏电沟道，减少IGBT表面漏电；所述截止环应用在电网高压大功率的IGBT芯片中。
其中，所述终端基本单元包括场板、场环、结终端延伸JTE，横向变掺杂VLD、斜面和沟槽；用于减少有源区边缘PN结的曲率，耗尽层横向延伸，增强水平方向的耐压能力。
其中，所述IGBT芯片按照功能分为：
有源区：称为元胞区，集成IGBT芯片的电流参数；
终端区：集成IGBT芯片的耐压参数；
栅极区：集成IGBT芯片的开关特性。
其中，所述有源区包括N-衬底区；N-衬底区表面的栅极氧化层，沉积在栅极氧化层上的多晶硅栅极；栅极氧化层与N-衬底区之间的P-阱区；位于P-阱区与栅极氧化层之间的N+区；位于N-衬底区下方的背面注入区；位于注入区下方的集电极及位于栅极氧化层上方的发射极。
其中，所述栅极区包括栅焊盘区和栅汇流条区；所述栅内阻串联在所述栅焊盘区和栅汇流条区之间
本发明基于另一目的提供的一种基于截止环的高压大功率IGBT芯片设计方法，其改进之处在于，所述方法应用在快恢复二极管中；包括下述步骤：
A、设计IGBT芯片的截止环掩膜板；
B、设计IGBT芯片的有源区掩模版；
C、设计IGBT芯片的多晶掩模版；
D、设计IGBT芯片的孔掩模版；
E、设计IGBT芯片的金属掩模版；
F、设计IGBT芯片的钝化掩模版。
其中，所述步骤A中，在截止环区域N型掺杂，在IGBT芯片设计时通过向衬底掺杂完成截止环的场板结构，所述场板结构通过多晶场板、金属场板结构或孔结构与截止环接触，形成等电位。
其中，所述步骤B中，有源区与终端区的P-阱区同时注入，所述有源区的P-阱区形成MOS结构；终端区的P-阱区形成终端区场环结构。
其中，所述步骤C中，多晶掩模版包含多晶硅，所述多晶硅分布在有源区，栅极区和终端区；
有源区多晶硅形成MOS栅结构，栅极区多晶硅为有源区MOS栅结构汇总区域，终端区多晶硅形成终端区的场板结构。
其中，所述步骤D中，所述孔掩模版包括孔；所述孔分布在有源区，栅极区和终端区；
有源区孔为IGBT芯片发射极引出端；栅极区孔为IGBT芯片栅极引出端；终端区孔为场板与场环接触孔，形成接触场板结构。
其中，所述步骤E中，所述金属掩模版包括金属；所述金属分布在有源区，栅极区和终端区；
有源区金属为IGBT芯片发射极引出端；栅极区金属IGBT芯片栅极引出端；终端区金属形成终端场板结构。
其中，所述步骤F中，所述钝化掩模版包括钝化；所述钝化分布在终端区，有源区，栅极区；终端区钝化为IGBT芯片终端区保护材料，用于隔离和保护芯片；有源区和栅极区钝化开口为IGBT芯片栅焊盘区，用于对IGBT芯片封装，发射极和栅极打线位置。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供的基于截止环的高压大功率IGBT芯片及其设计方法实现较为容易，可行性强。
2、本发明提供的基于截止环的高压大功率IGBT芯片及其设计方法适用于不同终端结构的IGBT芯片的设计。
3、本发明提供的基于截止环的高压大功率IGBT芯片及其设计方法，提高了IGBT芯片的可靠性，适用于电网应用。
附图说明
图1是IGBT芯片结构俯视图；
图2是本发明提供的IGBT芯片终端区截止环示意图；
图3是IGBT常规IGBT芯片制造技术简易流程图；
图4是本发明提供的电网应用大功率IGBT芯片制造技术简易流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
IGBT芯片的耐压参数及耐压可靠性为芯片设计的重要指标。IGBT终端区设计与芯片耐压参数及耐压可靠性密切相关。
IGBT芯片终端区又分为终端基本单元及截止环两部分。终端基本单元根据技术的发展，又分为场板，场环，结终端延伸（JTE），横向变掺杂(VLD)，斜面，沟槽等，国内外研究多集中在终端基本单元的研究。终端基本单元的作用为减少有源区（元胞区）边缘PN结的曲率，耗尽层横向延伸，增强水平方向的耐压能力。
终端区截止环分布在终端基本单元及划片槽区域之间，分布在芯片的最外围，用来切断表面漏电沟道，减少表面漏电。以N型衬底为例，场环为P型掺杂，截止环在芯片的最外围注入一圈较高剂量的N型掺杂。在最外场环和截止环之间，就会形成一个P+N-N+的结构，截止环一般与上面的场板结构（多晶场板或金属场板等）接触，形成等电位，详见图2。当水平方向耗尽层延伸到截止环位置时，由于耗尽层掺杂浓度高，在截止环内的耗尽层宽度会大大缩短，电场在截止环内终止，不延伸到划片槽。截止环的设计通常在快恢复二极管（FRD）中应用较多。
IGBT芯片截止环的设计增加一块光刻版（截止环掩模版），用于终端截止环区域的N型掺杂。在芯片开始初期，将截止环的掺杂部分完成；随着后续工艺，完成截止环的场板部分，场板通过孔结构与N型掺杂区域（即截止环）接触，形成等电位。电网应用大功率IGBT芯片制造技术简易流程图见图4，包括以下步骤：
A、设计IGBT芯片的截止环掩膜板：在截止环区域N型掺杂，在IGBT芯片设计时通过向衬底掺杂完成截止环的场板结构，所述场板结构通过多晶场板、金属场板结构或孔结构与截止环接触，形成等电位。
B、设计IGBT芯片的有源区掩模版：有源区与终端区的P-阱区同时注入，所述有源区的P-阱区形成MOS结构；终端区的P-阱区形成终端区场环结构。
C、设计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区，栅极区和终端区；
有源区多晶硅形成MOS栅结构，栅极区多晶硅为有源区MOS栅结构汇总区域，终端区多晶硅形成终端区的场板结构。
D、设计IGBT芯片的孔掩模版：所述孔掩模版包括孔；所述孔分布在有源区，栅极区和终端区；
有源区孔为IGBT芯片发射极引出端；栅极区孔为IGBT芯片栅极引出端；终端区孔为场板与场环接触孔，形成接触场板结构。
E、设计IGBT芯片的金属掩模版：所述金属掩模版包括金属；所述金属分布在有源区，栅极区和终端区；
有源区金属为IGBT芯片发射极引出端；栅极区金属IGBT芯片栅极引出端；终端区金属形成终端场板结构。
F、设计IGBT芯片的钝化掩模版：所述钝化掩模版包括钝化；所述钝化分布在终端区，有源区，栅极区；终端区钝化为IGBT芯片终端区保护材料，用于隔离和保护芯片；有源区和栅极区钝化开口为IGBT芯片栅焊盘区，用于对IGBT芯片封装，发射极和栅极打线位置。电网应用大功率IGBT截止环设计技术通过增加一块截止环掩模版，与后续工艺搭配，完成IGBT芯片截止环的设计。改善及优化IGBT芯片的可靠性，可行性强。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于截止环的高压大功率IGBT芯片设计方法，其特征在于，所述方法应用在快恢复二极管中；包括下述步骤：
A、设计IGBT芯片的截止环掩膜板；
B、设计IGBT芯片的有源区掩模版；
C、设计IGBT芯片的多晶掩模版；
D、设计IGBT芯片的孔掩模版；
E、设计IGBT芯片的金属掩模版；
F、设计IGBT芯片的钝化掩模版；
所述步骤A中，在截止环区域N型掺杂，在IGBT芯片设计时通过向衬底掺杂完成截止环的场板结构，所述场板结构通过多晶场板、金属场板结构或孔结构与截止环接触，形成等电位；
所述步骤B中，有源区与终端区的P-阱区同时注入，所述有源区的P-阱区形成MOS结构；终端区的P-阱区形成终端区场环结构；
所述步骤C中，多晶掩模版包含多晶硅，所述多晶硅分布在有源区，栅极区和终端区；
有源区多晶硅形成MOS栅结构，栅极区多晶硅为有源区MOS栅结构汇总区域，终端区多晶硅形成终端区的场板结构；
所述步骤D中，所述孔掩模版包括孔；所述孔分布在有源区，栅极区和终端区；
有源区孔为IGBT芯片发射极引出端；栅极区孔为IGBT芯片栅极引出端；终端区孔为场板与场环接触孔，形成接触场板结构；
所述步骤E中，所述金属掩模版包括金属；所述金属分布在有源区，栅极区和终端区；
有源区金属为IGBT芯片发射极引出端；栅极区金属IGBT芯片栅极引出端；终端区金属形成终端场板结构；
所述步骤F中，所述钝化掩模版包括钝化；所述钝化分布在终端区，有源区，栅极区；
终端区钝化为IGBT芯片终端区保护材料，用于隔离和保护芯片；有源区和栅极区钝化开口为IGBT芯片栅焊盘区，用于对IGBT芯片封装，发射极和栅极打线位置；
所述IGBT芯片包括终端区，所述终端区包括终端基本单元和截止环；所述截止环分布在终端基本单元及划片槽区域之间，用于与多晶场板或金属场板形成等电位，切断IGBT芯片表面漏电沟道，减少IGBT表面漏电；所述截止环应用在电网高压大功率的IGBT芯片中；
所述终端基本单元包括场板、场环、结终端延伸JTE，横向变掺杂VLD、斜面和沟槽；用于减少有源区边缘PN结的曲率，耗尽层横向延伸，增强水平方向的耐压能力；
所述IGBT芯片按照功能分为：
有源区：称为元胞区，集成IGBT芯片的电流参数；
终端区：集成IGBT芯片的耐压参数；
栅极区：集成IGBT芯片的开关特性；
所述有源区包括N-衬底区；N-衬底区表面的栅极氧化层，沉积在栅极氧化层上的多晶硅栅极；栅极氧化层与N-衬底区之间的P-阱区；位于P-阱区与栅极氧化层之间的N+区；位于N-衬底区下方的背面注入区；位于注入区下方的集电极及位于栅极氧化层上方的发射极；
所述栅极区包括栅焊盘区和栅汇流条区；栅内阻串联在所述栅焊盘区和栅汇流条区之间。
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