CN103579322B - 一种增强开关速度和开关均匀性的igbt器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率器件及其制造方法，具体涉及一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件及其制造方法。该IGBT器件包括发射极PAD区域、栅PAD区域、栅Finger区域、栅Bus区域和终端区域。所述栅PAD区域位于器件中心位置，发射极PAD区域分布在栅PAD四周，栅Finger区将发射极PAD区域分开，栅Bus区域包围着发射极PAD区域，所述终端区位于栅Bus区域外围。本发明通过改进传统的多晶硅层与金属层结构设计，使得IGBT器件在开关过程中对元胞栅极的充电和放电速度加快，从而使IGBT器件整体的开关速度增快。与传统的IGBT器件结构相比，本发明加快了IGBT的开关速度，同时提高了IGBT元胞开关过程的均匀性。

Description

一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种功率器件及其制造方法，具体涉及一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件及其制造方法。
背景技术
PAD区域：在芯片的钝化层上开的窗口，封装时在上面焊接金属丝，与管脚相连，将电位引出。具体有栅PAD区域和发射极PAD区域。
栅Bus区域：为了保证边缘元胞同时开启或关断，通常用金属环将边缘元胞包围，再通过多晶硅传输栅极电位。
栅Finger区域：为了降低栅电极材料分布电阻的影响，通常用多晶硅及金属将栅极电位引到离栅PAD较远的元胞单元处。
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），即绝缘栅双极晶体管，是在MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）和GTR（电力晶体管）基础上发展起来的一种新型复合功率器件，它既具有MOSFET易于驱动、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高、开关损耗小的优点，又具有双极型晶体管的导通电压低、通态电流大、电流处理能力强等优点。在电磁炉、汽车电子、变频器、电力系统、电焊机开关电源等高频电路的广泛应用，使得对IGBT的开关速度提出了非常高的要求。
如图1所示，现有技术的IGBT结构中栅PAD区域02位于结构中心位置，并连接着栅Finger铝引线03伸展到元胞区域的各个方位，但是并没有与元胞区域外围的栅Bus区域铝引线04直接相连，而是通过栅极多晶硅层06和接触孔09将栅Finger铝引线03与栅Bus区域铝引线04相连。发射极PAD区域01与终端保护环第一条金属场板07通过铝引线08连接，以保证IGBT工作时同电位。
现有技术的缺点是栅Bus区域铝引线04被分割成几块，并没有直接互连。而通常IGBT器件的栅极多晶硅与铝相比具有较大的电阻率。由于这些电阻率的存在，离栅PAD区域02较远的元胞栅极充放电难以快速完成而开启或关断。这不仅影响着IGBT器件的开关速度，而且还影响了开关均匀性。
因此，如何研究出一种开关速度快和各元胞间开关均匀性好的新结构，成为本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件，另一目的是提供增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件的制造方法，本发明通过栅Finger铝引线直接将栅PAD上的栅极电压传输到栅Bus区域铝引线上，加快了栅极电压的传输速度，由四边同时向每个发射极PAD区域01内的元胞传输电压，减小了IGBT的开通或关断时间，从而减小了开通或关断损耗，并且提高了IGBT开关均匀性，解决了IGBT器件的开关速度慢，且开关均匀性差的问题。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件，所述IGBT器件包括位于器件中心位置的栅PAD区域，在所述栅PAD区域四周分别对称设有栅Finger铝引线，在两两栅Finger铝引线之间均设有发射极PAD区域，其特征在于，所述栅PAD区域通过栅Finger铝引线与栅Bus区域铝引线连接，所述栅Bus区域铝引线为连通的闭合回线，所述发射极PAD区域的至少一角通过多晶硅条和接触孔与终端保护环第一条金属场板连接；
所述栅Finger铝引线和栅Bus区域铝引线设置在IGBT器件的金属层。
进一步地，所述栅Finger铝引线延伸到每个发射极PAD区域的四周，将发射极PAD区域分开。
进一步地，所述栅Bus区域分布在发射极PAD区域的四周，包围所述发射极PAD区域；
在所述栅PAD区域和栅Finger铝引线通过接触孔与其下方的多晶硅层相连。
进一步地，所述终端保护环第一条金属场板位于终端保护区的内部；所述终端保护区位于器件的边缘，在所述IGBT器件发射极PAD区域的四角处多晶硅层断开，通过多晶硅条和接触孔使所述发射极PAD区域与终端保护环第一条金属场板连接。
进一步地，当IGBT器件开通或关断时，发射极PAD区域四周的栅极电压通过多晶硅层，由四周同时传输到每个发射极PAD区域内的元胞上，用于减小IGBT器件开通或关断损耗。
进一步地，所述栅PAD区域和发射极PAD区域设置在IGBT器件的钝化层上开的窗口，封装时在窗口上焊接金属丝，并与管脚相连，将栅极电位和发射极电位分别引出；
所述栅Bus区域用于保证边缘元胞同时开启或关断，采用金属环将栅PAD区域的边缘元胞包围，再通过多晶硅层传输栅极电位；
栅Finger区域：用于降低栅电极材料分布电阻的影响，采用多晶硅层及金属将栅极电位引到离栅PAD区域的元胞单元处。
本发明还提供一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件，其改进之处在于，所述IGBT器件为矩形时，包括发射极PAD区域以及在所述发射极PAD区域一角设置的栅PAD区域；栅Bus区域铝引线包围发射极PAD区域和栅PAD区域组成的矩形平面，所述栅Bus区域铝引线为连通的闭合回线，所述发射极PAD区域的至少一角通过多晶硅条和接触孔与终端保护环第一条金属场板连接；所述终端保护区位于IGBT器件的边缘；
所述栅Finger铝引线和栅Bus区域铝引线设置在IGBT器件的金属层。
本发明基于另一目的提供的一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件的制造方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
（1）在均匀掺杂的N型衬底生长氧化层作为阻挡层，经过涂胶、曝光、显影以及去胶工序后，刻出终端区场限环P-Ring掺杂的窗口，使用离子注入的方法进行P-Ring掺杂；再经过涂胶、曝光、显影以及去胶工序后，使用离子注入的方式进行终端区场限环N-Ring掺杂；
（2）制造IGBT器件的场氧化层：使用高温（高温的温度为1125℃-1225℃）氧化的方法，在硅片表面生长一层厚的氧化层，利用场氧化层光刻版，经过涂胶、曝光、显影、氧化膜刻蚀以及去胶工序后，形成场氧化层区域；
（3）制造IGBT器件的多晶硅层：通过淀积多晶硅，利用多晶硅光刻版，经过涂胶、曝光、显影、多晶硅刻蚀以及去胶工序后，形成多晶硅层和多晶硅条；
（4）利用多晶硅层自对准，注入形成P阱，P-Plus和N-Plus区域；再淀积介质层，利用接触孔光刻版，经过涂胶、曝光、显影、孔刻蚀以及去胶工序后，形成接触孔；
（5）制造IGBT器件的金属层：利用金属光刻版，经过光刻、腐蚀及去胶工序后，形成栅Finger铝引线和栅Bus区域铝引线金属层；
（6）制造IGBT器件的栅PAD区域和发射极PAD区域：利用PAD层次光刻版，经过光刻、腐蚀及去胶工序后，形成栅PAD区域和发射极PAD区域。
进一步地，所述步骤（1）中，所述P-Ring掺杂掺入的离子为硼离子，所述N-Ring掺杂掺入的离子为磷离子或砷离子。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
（一）通过栅Finger铝引线03直接将栅PAD02上的栅极电压传输到栅Bus区域铝引线04上，加快了栅极电压的传输速度。
（二）由四边同时向每个发射极PAD区域01内的元胞传输电压，减小了IGBT的开通或关断时间，从而减小了开通或关断损耗，并且提高了IGBT开关均匀性。
（三）元胞与元胞之间开通时间或关断时间差减小，有利于IGBT内部热均匀性和提高IGBT器件的可靠性。
（四）本发明IGBT器件的新结构实现简单，不增加任何工艺步骤，有利于提高IGBT的开关速度和开关均匀性，降低开关损耗，以满足IGBT高频应用领域。
附图说明
图1是IGBT传统结构简单示意图；
图2是本发明提供的IGBT器件新型结构的示意图一；
图3是本发明提供的IGBT新型结构拐角处沿着图2中虚线AB方向截面图；
图4是本发明提供的形成终端区场限环P-Ring和N-Ring的示意图；
图5是本发明提供的形成场氧化层的示意图；
图6是本发明提供的形成多晶硅层的示意图；
图7是本发明提供的淀积介质层和形成接触孔的示意图；
图8是本发明提供的形成金属铝连线的示意图；
图9是本发明提供的IGBT器件新型结构的示意图二；
其中，01 是发射极PAD区域；02 是栅PAD；03 是栅Finger铝引线；04 是栅Bus区域铝引线；05 是终端区域；06 是多晶硅层（虚线部分）；07 是终端保护环第一条金属场板；08是发射极PAD区域与终端保护环第一条金属场板铝连线；09 是接触孔；10 是多晶硅条；11是衬底；12 是终端区场限环P-Ring；13 是终端区场限环N-Ring；14 是场氧化层；15 是介质层。
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。
本发明提供一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件，所述IGBT器件为矩形或圆形，IGBT器件包括位于器件中心位置的栅PAD区域02，在栅PAD区域02四周分别对称设有栅Finger铝引线03，在两两栅Finger铝引线03之间均设有发射极PAD区域01，栅PAD区域02通过栅Finger铝引线03与栅Bus区域铝引线04连接，同时栅Bus区域铝引线04没有被分割开，如图2所示。栅Bus区域铝引线04为连通的闭合回线，发射极PAD区域01通过多晶硅条10和接触孔09与终端保护环第一条金属场板07连接，保证了两者是同电位，其示意图如图3所示。
所述栅Finger铝引线和栅Bus区域铝引线设置在IGBT器件的金属层。
栅Finger铝引线03为结构且其延伸到每个发射极PAD区域01的元胞区内，将发射极PAD区域01平均分开。栅Bus区域04分布在发射极PAD区域01的四周，包围发射极PAD区域01；在栅PAD区域02和栅Finger铝引线03之间、在栅Finger铝引线03和发射极PAD区域01之间以及发射极PAD区域01的四周均用多晶硅层06填充。
终端保护区05设在终端保护环第一条金属场板07的外围；在IGBT器件发射极PAD区域01的四角处多晶硅层06断开，通过多晶硅条10和接触孔使所述发射极PAD区域与终端保护环第一条金属场板连接。当IGBT器件开通或关断时，发射极PAD区域四周的栅极电压通过多晶硅层，由四边同时传输到每个发射极PAD区域01内的元胞上，用于减小IGBT器件开通或关断损耗。
此发明IGBT新结构实现简单，不增加任何工艺步骤，有利于提高IGBT的开关速度和开关均匀性，降低开关损耗，以满足IGBT高频应用领域。
实施例1（以图2中虚线AB方向截面图生成过程为例）
本发明还提供一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件的制造方法，包括下述步骤：
（1）在均匀掺杂的N型衬底11生长一层薄的氧化层作为阻挡层，经过涂胶、曝光、显影以及去胶等工序后，刻出终端区场限环P-Ring12掺杂的窗口，使用离子注入的方法进行P-Ring掺杂。再经过同样的工序，进行终端区场限环N-Ring13掺杂，如图4所示。
（2）场氧化层14：使用高温氧化的方法，在硅片表面生长一层厚的氧化层，利用场氧化层光刻版，经过涂胶、曝光、显影、氧化膜刻蚀以及去胶等工序后，形成场氧化层14区域，如图5所示。
（3）多晶硅层06：通过淀积多晶硅，利用多晶硅光刻版，经过涂胶、曝光、显影、多晶硅刻蚀以及去胶等工序后，形成多晶硅层06和多晶硅条10，如图6所示。
（4）利用多晶硅层06自对准，注入形成P阱，P-Plus，N-Plus区域。再淀积介质层15，利用接触孔光刻版，经过涂胶、曝光、显影、孔刻蚀以及去胶等工序后，形成接触孔09。如图7所示。
（5）然后利用金属光刻版，经过光刻、腐蚀及去胶等工序后，形成栅Finger铝引线和栅Bus区域铝引线金属层；
（6）制造IGBT器件的栅PAD区域和发射极PAD区域：利用PAD层次光刻版，经过光刻、腐蚀及去胶工序后，形成栅PAD区域和发射极PAD区域。最终图形如图8所示。
本发明还提供一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件，所述IGBT器件为矩形时，包括发射极PAD区域以及在所述发射极PAD区域一角设置的栅PAD区域；栅Bus区域铝引线包围发射极PAD区域和栅PAD区域组成的矩形平面，所述栅Bus区域铝引线为连通的闭合回线，所述发射极PAD区域至少一角通过多晶硅条和接触孔与终端保护环第一条金属场板连接；所述终端保护区位于IGBT器件的边缘；所述栅Finger铝引线和栅Bus区域铝引线设置在IGBT器件的金属层，其示意图如图9所示。
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)

1.一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件，所述IGBT器件包括位于器件中心位置的栅PAD区域，在所述栅PAD区域四周分别对称设有栅Finger铝引线，在两两栅Finger铝引线之间均设有发射极PAD区域，其特征在于，所述栅PAD区域通过栅Finger铝引线与栅Bus区域铝引线连接，所述栅Bus区域铝引线为连通的闭合回线，所述发射极PAD区域的至少一角通过多晶硅条和接触孔与终端保护环第一条金属场板连接；所述栅Finger铝引线和栅Bus区域铝引线设置在IGBT器件的金属层。
2.如权利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述栅Finger铝引线延伸到每个发射极PAD区域的四周，将发射极PAD区域分开。
3.如权利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述栅Bus区域分布在发射极PAD区域的四周，包围所述发射极PAD区域；在所述栅PAD区域和栅Finger铝引线通过接触孔与其下方的多晶硅层相连。
4.如权利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述终端保护环第一条金属场板位于终端保护区的内部；所述终端保护区位于器件的边缘，在所述IGBT器件发射极PAD区域的四角处多晶硅层断开，通过多晶硅条和接触孔使所述发射极PAD区域与终端保护环第一条金属场板连接。
5.如权利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，当IGBT器件开通或关断时，发射极PAD区域四周的栅极电压通过多晶硅层，由四周同时传输到每个发射极PAD区域内的元胞上，用于减小IGBT器件开通或关断损耗。
6.如权利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述栅PAD区域和发射极PAD区域设置在IGBT器件的钝化层上开的窗口，封装时在窗口上焊接金属丝，并与管脚相连，将栅极电位和发射极电位分别引出；
所述栅Bus区域用于保证边缘元胞同时开启或关断，采用金属环将栅PAD区域的边缘元胞包围，再通过多晶硅层传输栅极电位；
栅Finger区域：用于降低栅电极材料分布电阻的影响，采用多晶硅层及金属将栅极电位引到离栅PAD区域较远的元胞单元处。
7.一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件为矩形时，包括发射极PAD区域以及在所述发射极PAD区域一角设置的栅PAD区域；栅Bus区域铝引线包围发射极PAD区域和栅PAD区域组成的矩形平面，所述栅Bus区域铝引线为连通的闭合回线，所述发射极PAD区域的至少一角通过多晶硅条和接触孔与终端保护环第一条金属场板连接；终端保护区位于IGBT器件的边缘；栅Finger铝引线和栅Bus区域铝引线设置在IGBT器件的金属层。
8.一种增强开关速度和开关均匀性的IGBT器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
(1)在均匀掺杂的N型衬底生长氧化层作为阻挡层，经过涂胶、曝光、显影以及去胶工序后，刻出终端区场限环P-Ring掺杂的窗口，使用离子注入的方法进行P-Ring掺杂；再经过涂胶、曝光、显影以及去胶工序后，使用离子注入的方式进行终端区场限环N-Ring掺杂；
(2)制造IGBT器件的场氧化层：使用高温氧化的方法，在硅片表面生长一层厚的氧化层，利用场氧化层光刻版，经过涂胶、曝光、显影、氧化膜刻蚀以及去胶工序后，形成场氧化层区域；
(3)制造IGBT器件的多晶硅层：通过淀积多晶硅，利用多晶硅光刻版，经过涂胶、曝光、显影、多晶硅刻蚀以及去胶工序后，形成发射极PAD区域的四角处断开的多晶硅层和连接发射极PAD区域与终端保护环第一条金属场板的多晶硅条；
(4)利用多晶硅层自对准，注入形成P阱，P-Plus和N-Plus区域；再淀积介质层，利用接触孔光刻版，经过涂胶、曝光、显影、孔刻蚀以及去胶工序后，形成所述接触孔；
(5)制造IGBT器件的金属层：利用金属光刻版，经过光刻、腐蚀及去胶工序后，形成栅Finger铝引线和栅Bus区域铝引线金属层，其中栅Bus区域铝引线金属层形成连通的闭合回线；
(6)制造IGBT器件的栅PAD区域和发射极PAD区域：利用PAD层次光刻版，经过光刻、腐蚀及去胶工序后，形成栅PAD区域和发射极PAD区域。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述P-Ring掺杂掺入的离子为硼离子，所述N-Ring掺杂掺入的离子为磷离子或砷离子。
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