CN106033772A - 一种具有改善安全工作区的igbt器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有改善安全工作区的IGBT器件及其制造方法，在所述IGBT器件有源区设有多晶侧壁保护结构和浅P+结构；所述多晶侧壁保护结构位于多晶硅栅极两侧；所述浅P+结构位于N+区和P-基区之间；在N+区预留空穴通路，形成空穴旁路结构。本发明引入spacer工艺，引入浅P+掺杂工艺；该发明无需增加光刻，可改善N+区下方掺杂分布，改善了空穴流分布，改善了电场分布，减少了寄生晶闸管栓锁。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，具体讲涉及一种具有改善安全工作区的IGBT器件及其制造方法。
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为多晶硅栅极，2为栅极氧化层，3为P-基区，4为N+发射极，5为P+集电极，6为发射极金属，7为集电极金属。
IGBT设计需综合考虑导通损耗，关断损耗和安全工作区。为改善IGBT的安全工作区(SOA)，针对器件关断器件的栓锁电流(latch-up current)，通常引入深得、高掺杂的P+基区。高掺杂P+基区的深度大于IGBT的沟道区的深度，在IGBT关断器件深P+基区执行下列任务：
第一，其在关断器件有效地收集空穴，最小化了IGBT沟道区的空穴数量，防止了早期寄生晶闸管栓锁。
第二，高掺杂P+基区横向延伸，降低了N+区下方的电子，降低了N+区的电子注入，减少了寄生晶闸管栓锁。
高掺杂P+基区通常需增加一块光刻版，增加了制造成本。且P+与N+区光刻需精确对准，增大了工艺难度。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种具有改善安全工作区的IGBT器件及其制造方法，本发明引入spacer工艺，引入浅P+掺杂工艺；该发明无需增加光刻，可改善N+区下方掺杂分布，改善了空穴流分布，改善了电场分布，减少了寄生晶闸管栓锁。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种具有改善安全工作区的IGBT器件，所述IGBT器件包括有源区，所述有源区包括N-衬底区、设置在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、设置在栅极氧化层与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；其改进之处在于，在所述有源区设有多晶侧壁保护结构和浅P+结构；所述多晶侧壁保护结构位于多晶硅栅极两侧；所述浅P+结构位于N+区和P-基区之间；在N+区预留空穴通路，形成空穴旁路结构。
进一步地，所述浅P+结构的掺杂浓度为1×1014cm-2～1×1016cm-2，掺杂元素为P型掺杂元素，深度为0.5-1.0um；所述多晶侧壁保护结构的宽度为0.3-0.6um。
进一步地，所述IGBT器件包括终端区；所述终端区位于IGBT器件的边缘区域，集成IGBT器件的耐压参数(包括发射极-集电极击穿电压和集电极-发射极饱和电压)，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。
进一步地，所述IGBT器件包括栅极区；所述栅极区集成IGBT芯片的开关特性(开通特性和关断特性)，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。
本发明还提供一种具有改善安全工作区的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：
A、制造多晶侧壁保护结构和浅P+结构；
B、制造IGBT器件的有源区、终端区和栅极区。
进一步地，所述步骤A包括下述步骤：
a、双扩散工艺：以多晶硅栅极为注入窗口进行P-基区注入、P-基区推结和N+区注入；
b、多晶侧壁保护膜质淀积：采用二氧化硅SiO2、氮化硅SiN或其他绝缘隔离材料进行多晶侧壁保护膜质淀积；
c、多晶侧壁保护膜质刻蚀，在多晶硅栅极两侧形成宽度0.3-0.6um的残留形貌，即多晶侧壁保护结构；
d、制造浅P+结构：包括浅P+掺杂和浅P+推结；浅P+结构的掺杂浓度为1×1014cm-2～1×1016cm-2，掺杂元素为硼元素，深度为0.5-1.0um。
进一步地，所述步骤B包括下述步骤：
B1，制造IGBT器件的终端区耐压环掩膜版；
B2，制造IGBT器件的有源区掩模版；
B3，制造IGBT器件的多晶掩模版；
B4，制造IGBT器件的孔掩模版；
B5，制造IGBT器件的金属掩模版；
B6，制造IGBT器件的钝化掩模版；
B7，制造IGBT器件的背面工艺。
进一步地，所述步骤B7包括：背面减薄，背面P+注入，背面退火和背面金属。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
(一)引入浅P+结构，改善了空穴流分布，改善了电场分布，减少了寄生晶闸管栓锁；
(二)引入空穴旁路结构，优化了空穴流分布，减少了寄生晶闸管栓锁；
(三)工艺步骤简单，成本低；
(四)与传统IGBT制造工艺兼容，工艺易实现，可行性强；
(五)与新型IGBT结构和设计理念兼容，易移植，可塑性强。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术IGBT器件剖面图；
图2是本发明提供的浅P+结构IGBT器件剖面图；
图3是本发明提供的IGBT器件浅P+结构制造方法流程图；
图4是本发明提供的IGBT器件有源区引入空穴旁路的俯视图一；
图5是本发明提供的IGBT器件有源区引入空穴旁路的俯视图二；
图6是本发明提供的IGBT器件有源区引入空穴旁路的俯视图三；
其中：1-多晶硅栅极，2-栅极氧化层，3-P-基区，4-N+区，5-P+集电极，6-发射极金属，7-集电极金属，8-spacer结构，9-浅P+结构，10-空穴旁路结构。
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。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
本发明提供一种具有改善安全工作区的IGBT器件，所述IGBT器件包括有源区，所述有源区包括N-衬底区、设置在N-衬底区表面的栅极氧化层2、沉积在栅极氧化层上的多晶硅栅极1、设置在栅极氧化层2与N-衬底区之间的P-基区3、位于P-基区3与栅极氧化层2之间的N+区4、位于N-衬底区下方P+集电极5、位于栅极氧化层上方的发射极金属6以及P+集电极下方的集电极金属7；在所述有源区设有多晶侧壁保护结构8和浅P+结构9；所述多晶侧壁保护结构8位于多晶硅栅极1两侧；所述浅P+结构9位于N+区4和P-基区3之间；在N+区4预留空穴通路，形成空穴旁路结构10。
本发明中引入浅P+结构，浅P+深度大于N+区深度，但小于P-基区深度。浅P+掺杂浓度为所述浅P+结构的掺杂浓度为1×1014cm-2～1×1016cm-2，掺杂元素一般为硼元素，也可以为其他P型掺杂元素。本发明结构见图2。与图1相比，增加了多晶侧壁保护结构(spacer结构)和浅P+结构。所述多晶侧壁保护结构的宽度为0.3-0.6um。
所述IGBT器件包括终端区；所述终端区位于IGBT器件的边缘区域，集成IGBT器件的耐压参数，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。
所述IGBT器件包括栅极区；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。
本发明还提供一种具有改善安全工作区的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：
A、制造多晶侧壁保护结构和浅P+结构；包括下述步骤：
a、双扩散工艺：以多晶硅栅极为注入窗口进行P-基区注入、P-基区推结和N+区注入；
b、多晶侧壁保护膜质淀积：采用二氧化硅SiO2、氮化硅SiN或其他绝缘隔离材料进行多晶侧壁保护膜质淀积；
c、多晶侧壁保护膜质刻蚀，在多晶硅栅极两侧形成宽度0.3-0.6um的残留形貌，即多晶侧壁保护结构；
d、制造浅P+结构：包括浅P+掺杂和浅P+推结；浅P+结构的掺杂浓度为1×1014cm-2～1×1016cm-2，掺杂元素为硼元素，深度为0.5-1.0um。
B、制造IGBT器件的有源区、终端区和栅极区，包括下述步骤：
B1，制造IGBT器件的终端区耐压环掩膜版；
B2，制造IGBT器件的有源区掩模版；
B3，制造IGBT器件的多晶掩模版；
B4，制造IGBT器件的孔掩模版；
B5，制造IGBT器件的金属掩模版；
B6，制造IGBT器件的钝化掩模版；
B7，制造IGBT器件的背面工艺，包括：背面减薄，背面P+注入，背面退火和背面金属。
图4-6为IGBT器件有源区引入空穴旁路的俯视图一、二、三。本发明除优化P+掺杂外，又引入了空穴旁路结构。通过优化N+区光刻版，牺牲部分沟道，预留空穴通路，即空穴旁路结构10，可有效降低沟道处的空穴电流分布。通过优化空穴电流分布，可有效减少寄生晶闸管栓锁。空穴旁路结构10搭配浅P+结构9，通过优化电场分布，电流分布，可有效减少寄生晶闸管栓锁。Contact表示接触孔区域，更详细的描述为发射极金属接触孔区域。
本发明提出具有改善安全工作区的IGBT器件发射极设计，在发射极引入多层P型结构，优化了IGBT器件个区域的掺杂形貌；在发射极区加入空穴流通道，优化了IGBT器件的电流分布；在不影响IGBT器件其他性能的情况下，提高了IGBT器件的安全工作区。本发明IGBT器件将在大功率密度，高可靠性应用领域形成自己的优势。
除非另外具体陈述，术语比如处理、计算、运算、确定、显示等等可以指一个或更多个处理或者计算系统、或类似设备的动作和/或过程，所述动作和/或过程将表示为处理系统的寄存器或存储器内的物理(如电子)量的数据操作和转换成为类似地表示为处理系统的存储器、寄存器或者其他此类信息存储、发射或者显示设备内的物理量的其他数据。信息和信号可以使用多种不同的技术和方法中的任何一种来表示。例如，在贯穿上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者其任意组合来表示。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有改善安全工作区的IGBT器件，所述IGBT器件包括有源区，所述有源区包括N-衬底区、设置在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、设置在栅极氧化层与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；其特征在于，所述有源区设有多晶侧壁保护结构和浅P+结构；所述多晶侧壁保护结构位于多晶硅栅极两侧；所述浅P+结构位于N+区和P-基区之间；在N+区预留空穴通路，形成空穴旁路结构。
2.如权利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述浅P+结构的掺杂浓度为1×1014cm-2～1×1016cm-2，掺杂元素为P型掺杂元素，深度为0.5-1.0um；所述多晶侧壁保护结构的宽度为0.3-0.6um。
3.如权利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件包括终端区；所述终端区位于IGBT器件的边缘区域，集成IGBT器件的耐压参数，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。
4.如权利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件包括栅极区；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。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的具有改善安全工作区的IGBT器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
A、制造多晶侧壁保护结构和浅P+结构；
B、制造IGBT器件的有源区、终端区和栅极区。
6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步骤A包括下述步骤：
a、双扩散工艺：以多晶硅栅极为注入窗口进行P-基区注入、P-基区推结和N+区注入；
b、多晶侧壁保护膜质淀积：采用二氧化硅SiO2、氮化硅SiN或其他绝缘隔离材料进行多晶侧壁保护膜质淀积；
c、多晶侧壁保护膜质刻蚀，在多晶硅栅极两侧形成宽度0.3-0.6um的残留形貌，即多晶侧壁保护结构；
d、制造浅P+结构：包括浅P+掺杂和浅P+推结；浅P+结构的掺杂浓度为1×1014cm-2～1×1016cm-2，掺杂元素为硼元素，深度为0.5-1.0um。
7.如权利要求5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器件的终端区耐压环掩膜版；
B2，制造IGBT器件的有源区掩模版；
B3，制造IGBT器件的多晶掩模版；
B4，制造IGBT器件的孔掩模版；
B5，制造IGBT器件的金属掩模版；
B6，制造IGBT器件的钝化掩模版；
B7，制造IGBT器件的背面工艺。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述步骤B7包括：背面减薄，背面P+注入，背面退火和背面金属。
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