CN103531620A - 一种基于n型注入层的igbt芯片及其制造方法 - Google Patents

一种基于n型注入层的igbt芯片及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体器件技术，具体涉及一种基于N型注入层的IGBT芯片及其制造方法。IGBT芯片包括有源区、终端区和栅极区，在所述有源区和所述终端区均设有N型注入层；所述N型注入层在有源区包括以下设置方式：所述N型注入层包围P-基区；所述N型注入层包围P-基区且延伸到栅氧化层的下方和所述N型注入层包围P-基区且未包围P-基区拐角处。还提供了一种IGBT芯片的制造方法，本发明中在IGBT设计时引入N型注入层，优化了终端区的设计，降低了终端区的尺寸。同时降低了有源区的饱和电压，提高了芯片的电流能力。本发明在不影响IGBT芯片其他性能的前提下，通过引入N型注入层，优化IGBT芯片各功能区域的比例，提高了IGBT芯片的电流能力。

Description

一种基于N型注入层的IGBT芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术，具体涉及一种基于N型注入层的IGBT芯片及其制造方法。
背景技术
IGBT（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，饱和电压低，器件自身损耗小，是未来高压大电流的发展方向。
IGBT为三端器件，包括正面发射极，栅极及背面集电极。IGBT芯片有源区剖面图详见图1，包括正面的发射极6，栅极1和背面的集电极7。表面为MOSFET结构，背面为寄生PNP管结构。其中：1多晶，2氧化层，3P-基区，4N+发射区，5P+集电区，6发射极金属，7集电极金属。
IGBT设计需综合考虑导通损耗，关断损耗和安全工作区，IGBT设计折衷三角见图2。
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3。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，如饱和电压VCE(sat)，阈值电压VGE(th)，在芯片总面积中比例尽量增大。终端区位于芯片的边缘区域，主要影响芯片的击穿电压V(BR)CES，在芯片总面积中比例尽量缩小。栅极区为芯片的栅极控制区域，影响器件的开关特性，在芯片总面积中比例尽量缩小。栅极区一般加入栅极镇流电阻结构，抑制有源区各部分阈值电压和开关速度的不均匀，防止电流局部集中。
提高IGBT的功率密度是IGBT发展方向之一，可通过增大有源区的面积，增加有源区的电流密度等措施实现。现有的IGBT技术存在饱和电压大，导通损耗大的缺点。另现有IGBT芯片终端区的尺寸大，压缩了有源区的面积（即有效芯片的面积），压缩终端区尺寸也是IGBT发展方向之一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于N型注入层的IGBT芯片，另一目的是提供一种基于N型注入层的IGBT芯片的制造方法，本发明中在IGBT设计时引入N型注入层，优化了终端区的设计，降低了终端区的尺寸。同时降低了有源区的饱和电压，提高了芯片的电流能力。本发明在不影响IGBT芯片其他性能的前提下，通过引入N型注入层，优化IGBT芯片各功能区域的比例，提高了IGBT芯片的电流能力。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基于N型注入层的IGBT芯片，所述IGBT芯片包括有源区、终端区和栅极区，其改进之处在于，在所述有源区和所述终端区均设有N型注入层；所述N型注入层在有源区包括以下设置方式：所述N型注入层包围P-基区；所述N型注入层包围P-基区且延伸到栅氧化层的下方和所述N型注入层包围P-基区且未包围P-基区拐角处。
进一步地，所述有源区称为元胞区，集成IGBT芯片的电流参数；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-基区；位于P-基区与栅极氧化层之间的N+区；位于N-衬底区下方P+集电极；位于栅极氧化层上方的发射极金属以及P+集电极下方的集电极金属；
所述N型注入层设置于P-基区的外侧，包围P-基区，形成空穴阻挡层，用于在IGBT芯片导通状况下增加过剩载流子浓度，能够增强有源区的载流能力。
进一步地，所述终端区位于IGBT芯片的边缘区域，集成IGBT芯片的耐压参数，所述终端区包括终端基本单元；所述终端基本单元包括场板、场限环、结终端延伸保护模块、横向变掺杂模块和阻性场板，所述终端基本单元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；
在场限环上设有N型注入层，所述N型注入层的厚度等于场限环的厚度；所述N型注入层使终端区由非穿通型变为穿通型。
进一步地，所述N型注入层的厚度为4-8um，掺杂元素为N型掺杂元素，包括但不限于磷元素，掺杂浓度为E11-E13/cm3。
进一步地，所述栅极区集成IGBT芯片的开关特性，位于有源区一角，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。
本发明基于另一目的提供的一种基于N型注入层的IGBT芯片的制造方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
A、制造N型注入层；
B、制造IGBT芯片的有源区、终端区和栅极区。
进一步地，所述步骤A包括下述步骤：
a、对N型注入层进行光刻，光刻工艺由涂胶-曝光-显影组成，其目的为将光刻版上的图形转移到硅片表面的光刻胶上，为后续注入或腐蚀工艺作准备。光刻搭配后续工艺，即可在硅片上形成图形；
b、对N型注入层进行注入：N型注入层的厚度为4-8um，掺杂元素为N型掺杂元素，包括磷元素，掺杂浓度为E11-E13/cm3；
c、对N型注入层进行去胶，去胶有干法去胶和湿法去胶，干法去胶使用气体为O2，去光刻胶中的C生成CO；湿法去胶采用H2SO4与H2O2，其强氧化性使胶中的C氧化为CO2；
d、对N型注入层进行推结，包括采用炉管、快速热退火和激光方式。推结工艺需控制温度，时间，气体等参数，如炉管推结温度范围900-2000℃，时间为10-500min，气体为N2等。
进一步地，所述步骤B包括下述步骤：
B1，制造IGBT芯片的终端区-耐压环掩膜板；
B2，制造IGBT芯片的有源区掩模版；
B3，制造IGBT芯片的多晶掩模版；
B4，制造IGBT芯片的孔掩模版；
B5，制造IGBT芯片的金属掩模版；
B6，制造IGBT芯片的钝化掩模版；
B7，制造IGBT芯片的背面。
进一步地，所述步骤A的N型注入层或穿插在步骤B中进行；包括步骤B1-A-B2-B3-B4-B5-B6-B7，或步骤B1-B2-A-B3-B4-B5-B6-B7。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
（一）本发明引入N型注入层，优化了终端区的设计，降低了终端区的尺寸；
（二）本发明引入N型注入层，优化了有源区的设计，降低了饱和电压，提高了IGBT芯片电流能力；
（三）与传统IGBT制造工艺兼容，工艺易实现，可行性强；
（四）与新型IGBT结构和设计理念兼容，易移植，可塑性强。
（五）本发明提供的IGBT芯片适用于硅材料，也可拓展到SIC等材料，扩大了适用范围。
附图说明
图1是IGBT芯片有源区剖面图；
图2是IGBT设计折衷三角图；
图3是IGBT芯片俯视图；
图4A是IGBT传统终端场环结构（PR）；
图4B是本发明IGBT终端场环结构（N型注入层+PR）一种制造方法；
图5是本发明IGBT有源区结构制造方法实施例1；
图6是本发明IGBT有源区结构制造方法实施例2；
图7是本发明IGBT有源区结构制造方法实施例3；
其中：1-多晶，2-氧化层，3-P-基区，4-N+发射区，5-P+集电区，6-发射极金属，7-集电极金属；8-栅极氧化层；9-N型注入层（NR）；
图8是本发明IGBT N型注入层工艺模块制造方法。
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。
本发明提供一种基于N型注入层的IGBT芯片，所述IGBT芯片包括有源区、终端区和栅极区，在所述有源区和所述终端区均设有N型注入层。
所述有源区称为元胞区，集成IGBT芯片的电流参数；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-基区；位于P-基区与栅极氧化层之间的N+区；位于N-衬底区下方P+集电极；位于栅极氧化层上方的发射极金属以及P+集电极下方的集电极金属；所述N型注入层设置于P-基区的外侧，包围P-基区，形成空穴阻挡层，使得P-基区/N-一侧，在IGBT导通状况下过剩载流子浓度增加，增强了有源区的载流能力，提高了IGBT芯片的电流能力。相反的，在同样芯片面积和测试电流下，本发明的IGBT将拥有较小的饱和电压VCE(sat)。图5-图7为IGBT有源区引入N型注入层的剖面图。
实施例1
本发明IGBT有源区结构制造方法实施例1见图5。图5中，N型注入层9包围P-基区3，作用1，P-基区横、纵向尺寸压缩，P-基区间距增大，过剩载流子浓度增加，饱和电压降低。作用2，沟道长度变短，沟道电阻变小，饱和电压降低。作用3，P-基区拐角处曲率半径减小，击穿电压降低，存在击穿的风险。其中作用1、2为优点，作用3为缺点，需折衷考虑。
实施例2
本发明IGBT有源区结构制造方法实施例2见图6。图6中，N型注入层9包围P-基区3且延伸到栅氧化层8的下方。作用1，与例1比，过剩载流子农地进一步增加，饱和电压进一步降低。作用2，沟道长度变短，，沟道电阻变小，饱和电压降低。作用3，P-基区拐角处曲率半径减小，击穿电压降低，存在击穿的风险。作用4，与例1相比，可减少N型注入层光刻版，成本降低。其中作用1、2、4为优点，作用3为缺点，需折衷考虑。实施实例2在例1的基础上进一步增强了IGBT的电流能力，但同样存在击穿的风险。
实施例3
本发明IGBT有源区结构制造方法实施例3见图7。图7中，与实施实例1相比，N型注入层9包围P-基区3且未包围P-基区拐角处。因此继承了实施实例1的优点1、2，而避免了实施实例1的缺点3，即避免了击穿的风险。
所述终端区位于IGBT芯片的边缘区域，集成IGBT芯片的耐压参数，所述终端区包括终端基本单元；所述终端基本单元包括场板、场限环、结终端延伸保护模块、横向变掺杂模块和阻性场板，所述终端基本单元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；在场限环上设有N型注入层，所述N型注入层的厚度等于场限环的厚度；所述N型注入层使终端区由非穿通型变为穿通型。
本发明中在设计场限环PR结构前引入N型注入层，N型注入层结深与PR相当，一般为4-8um，掺杂浓度为E11-E13/cm3，掺杂元素一般为磷元素，也可以为其他N型掺杂元素。加入N型注入层后，IGBT终端横向结构由非穿通（NPT）变为穿通型（PT）。根据IGBT纵向结构设计理念，PT与NPT相比，N-基区厚度可大幅减小，可推得终端的尺寸也大幅减小，减少了终端区占芯片总面积的比例。IGBT场限环终端结构如图4A，本发明终端结构如图4B。
所述栅极区集成IGBT芯片的开关特性，位于有源区一角，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。
本发明还提供一种基于N型注入层的IGBT芯片的制造方法，包括下述步骤：
A、制造N型注入层；
B、制造IGBT芯片的有源区、终端区和栅极区。
N型注入层流程如图8所示，包括下述步骤：
a、对N型注入层进行光刻，光刻工艺主要由涂胶-曝光-显影组成，其目的为将光刻版上的图形转移到硅片表面的光刻胶上，为后续注入或腐蚀工艺作准备。光刻搭配后续工艺，即可在硅片上形成图形，类似于照相技术；b、对N型注入层进行注入：N型注入层的厚度为4-8um，掺杂元素为N型掺杂元素，包括磷元素，掺杂浓度为E11-E13/cm3；
c、对N型注入层进行去胶，去胶有干法去胶和湿法去胶，干法去胶使用气体主要为O2，去光刻胶中的C生成CO。湿法去胶常用H2SO4与H2O2，其强氧化性使胶中的C氧化为CO2；
d、对N型注入层进行推结，主要可分为炉管、快速热退火和激光等方式，推结工艺需控制温度，时间，气体等参数，如炉管推结温度范围900-2000℃，时间为10-500min，气体为N2等。
所述步骤B包括下述步骤：
B1、制造IGBT芯片的终端区耐压环掩膜板：在耐压环区域N型掺杂，在IGBT芯片设计时通过向衬底掺杂完成耐压环的场板结构，所述场板结构通过多晶场板、金属场板结构或孔结构与耐压环接触，形成等电位。
B2、制造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。
B3、制造IGBT芯片的多晶掩模版：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。
B4、制造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。
B5、制造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。
B6、制造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。
N型注入层工艺模块不影响IGBT芯片的其他制造工艺，可放在IGBT其他工艺模块制造前，也可穿插在IGBT其他工艺模块制造中。在实际流片中，可根据需求，相应增加，删减或优化N型注入层工艺步骤。
如步骤A-B1-B2-B3-B4-B5-B6-B7，或步骤B1-A-B2-B3-B4-B5-B6-B7，或步骤B1-B2-A-B3-B4-B5-B6-B7。其中步骤A-B1-B2-B3-B4-B5-B6-B7为A步骤N型注入层在B步骤前，步骤B1-A-B2-B3-B4-B5-B6-B7和步骤B1-B2-A-B3-B4-B5-B6-B7为A步骤N型注入层穿插在步骤B中。
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 (9)

1.一种基于N型注入层的IGBT芯片，所述IGBT芯片包括有源区、终端区和栅极区，其特征在于，在所述有源区和所述终端区均设有N型注入层；所述N型注入层在有源区包括以下设置方式：所述N型注入层包围P-基区；所述N型注入层包围P-基区且延伸到栅氧化层的下方和所述N型注入层包围P-基区且未包围P-基区拐角处。
2.如权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，所述有源区称为元胞区，集成IGBT芯片的电流参数；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-基区；位于P-基区与栅极氧化层之间的N+区；位于N-衬底区下方P+集电极；位于栅极氧化层上方的发射极金属以及P+集电极下方的集电极金属；
所述N型注入层设置于P-基区的外侧，包围P-基区，形成空穴阻挡层，用于在IGBT芯片导通状况下增加过剩载流子浓度，能够增强有源区的载流能力。
3.如权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，所述终端区位于IGBT芯片的边缘区域，集成IGBT芯片的耐压参数，所述终端区包括终端基本单元；所述终端基本单元包括场板、场限环、结终端延伸保护模块、横向变掺杂模块和阻性场板，所述终端基本单元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；
在场限环上设有N型注入层，所述N型注入层的厚度等于场限环的厚度；所述N型注入层使终端区由非穿通型变为穿通型。
4.如权利要求2或3所述的IGBT芯片，其特征在于，所述N型注入层的厚度为4-8um，掺杂元素为N型掺杂元素，包括但不限于磷元素，掺杂浓度为E11-E13/cm3。
5.如权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，所述栅极区集成IGBT芯片的开关特性，位于有源区一角，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。
6.一种基于N型注入层的IGBT芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
A、制造N型注入层；
B、制造IGBT芯片的有源区、终端区和栅极区。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤A包括下述步骤：
a、对N型注入层进行光刻，光刻工艺由涂胶-曝光-显影组成，用于将光刻版上的图形转移到硅片表面的光刻胶上，为后续注入或腐蚀工艺作准备；
b、对N型注入层进行注入：N型注入层的厚度为4-8um，掺杂元素为N型掺杂元素，包括磷元素，掺杂浓度为E11-E13/cm3；
c、对N型注入层进行去胶，去胶包括干法去胶和湿法去胶，所述干法去胶使用气体为O2，去光刻胶中的C生成CO；所述湿法去胶采用H2SO4与H2O2，其强氧化性使胶中的C氧化为CO2；
d、对N型注入层进行推结，包括采用炉管、快速热退火和激光方式。
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤B包括下述步骤：
B1，制造IGBT芯片的终端区耐压环掩膜板；
B2，制造IGBT芯片的有源区掩模版；
B3，制造IGBT芯片的多晶掩模版；
B4，制造IGBT芯片的孔掩模版；
B5，制造IGBT芯片的金属掩模版；
B6，制造IGBT芯片的钝化掩模版；
B7，制造IGBT芯片的背面工艺。
9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤A的N型注入层或穿插在步骤B中进行；包括步骤B1-A-B2-B3-B4-B5-B6-B7或步骤B1-B2-A-B3-B4-B5-B6-B7。
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