CN203071079U

CN203071079U - 一种具有终端保护结构的igbt芯片

Info

Publication number: CN203071079U
Application number: CN 201220657945
Authority: CN
Inventors: 赵哿; 高明超; 刘江; 金锐
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Smart Grid Research Institute of SGCC
Current assignee: Nanruilianyan Semiconductor Co ltd
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2022-12-04

Abstract

本实用新型涉及电力电子领域的功率器件，具体涉及一种具有终端保护结构的IGBT芯片，终端保护结构包括P型连续场限环结构和多级场板结构；将所述P型连续场限环结构与多级场板结构通过接触孔电极互连结构和金属电极互连结构进行等电位连接。IGBT芯片制造方法包括下述步骤：（一）制作IGBT芯片P型连续场限环结构；（二）制作IGBT芯片场氧化膜结构；（三）制作IGBT 芯片栅极结构和多级场板部分结构；（四）制作IGBT芯片有源区结构和P型连续场限环的延伸结构；（五）制作IGBT芯片电极互连结构；（六）制作IGBT芯片钝化保护结构；（七）制作IGBT芯片背面结构。本实用新型在能够保证600V至6500V的IGBT器件耐压性能的同时，还缩小终端保护区域的面积，降低成本。

Description

一种具有终端保护结构的IGBT芯片

技术领域

本实用新型涉及电力电子领域的功率器件，具体涉及一种具有终端保护结构的IGBT芯片。

背景技术

IGBT（绝缘栅型双极晶体管）芯片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。

终端区环绕在元胞周围，提高元胞区表面区域的临界击穿电场。在元胞的制造工艺过程中，扩散是在光刻掩膜开窗口后进行，P-N结中间近似于平面结，而在边角处P-N结发生弯曲，近似于柱面或球面，由于P-N结边角的位置存在曲率，使表面处的电场比体内高，当临界击穿电场一定时，是最容易发生击穿的位置；而且，平面工艺使表面产生的缺陷和离子沾污降低了表面区域的临界击穿电场。亟需设计一定的终端结构对表面电场进行优化，以达到提高表面击穿电压的目的。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种具有终端保护结构的IGBT芯片，本实用新型在能够保证器件耐压性能（包括600V至6500V的IGBT器件）的同时，还缩小终端保护区域的面积，降低成本。

本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：

一种具有终端保护结构的IGBT芯片，所述IGBT芯片包括终端保护结构，其改进之处在于，所述终端保护结构包括P型连续场限环结构和多级场板结构；将所述P型连续场限环结构与多级场板结构通过接触孔电极互连结构和金属电极互连结构进行等电位连接。

其中，所述IGBT芯片包括均匀掺杂的N型单晶硅片衬底、场氧化膜、栅氧化膜、多晶硅结构、有源区P阱掺杂结构、有源区N区掺杂结构、有源区P型增强注入结构、接触孔电极互连结构、金属电极互连结构、钝化保护结构、P型掺杂区域背面结构和背面金属结构；

所述有源区P阱掺杂结构分别与P型连续场限环结构和有源区P型增强注入结构连接；所述有源区P型增强注入结构与金属电极互连结构连接形成IGBT的发射极；所述金属电极互连结构分别与多晶硅结构、有源区P阱掺杂结构的P型场限环和有源区P型增强注入结构的P型场限环连接形成多级场板结构，其中一级为栅氧化膜；另一级为场氧化膜；还一级为场氧化膜和接触孔电极互连结构隔离氧化膜结构；

所述终端保护结构的P型连续场限环结构、多级场板结构和钝化保护结构均在均匀掺杂的N型单晶硅片衬底上；所述P型掺杂区域背面结构和背面金属结构均在均匀掺杂的N型单晶硅片衬底背面。

其中，所述P型连续场限环结构的连续个数为4个到16个，根据不同电压等级进行调整；所述多级场板结构的多级场板个数为3个。

其中，所述P型连续场限环结构为均匀掺杂的N型单晶硅片，在均匀掺杂的N型单晶硅片表面覆盖有绝缘截止层。

其中，所述绝缘截止层为1.0-1.5um的场氧化膜。

其中，所述多级场板结构为均匀掺杂的N型单晶硅片，在均匀掺杂的N型单晶硅片表面覆盖有氧化层。

其中，所述氧化层为0.1-0.2um的栅氧化膜。

其中，所述P型连续场限环结构和多级场板结构均包含在IGBT芯片的终端区。

其中，所述接触孔结构包括隔离氧化膜的生长，刻蚀，和金属的淀积；所述金属或为铝。

其中，包含所述P型连续场限环结构和多级场板结构的终端保护结构的IGBT芯片承受的电压范围为600V-6500V。

与现有技术比，本实用新型达到的有益效果是：

1、本实用新型提供一种具有终端保护结构的IGBT芯片，缩小终端保护区域的面积，降低芯片成本。

2、本实用新型提供的具有终端保护结构的IGBT芯片，在均匀掺杂的N型单晶硅片正面通过氧化、不同的光刻窗口、P场限环离子注入和退火工艺，实现终端区的P型连续场限环新型结构的同时掺杂，制造工艺简单，易于实现，降低成本。

3、本实用新型提供的具有终端保护结构的IGBT芯片，在端区的P型连续场限环的截止位置通过热氧化场氧、热氧化栅氧、淀积多晶硅、P阱离子注入和退火工艺，实现终端区的P型连续场限环新截止位置的延伸，利于后续连接多级场板的连接结构与工艺。

4、本实用新型提供的具有终端保护结构的IGBT芯片，通过热氧化场氧、热氧化栅氧、淀积多晶硅、淀积隔离氧化膜，光刻、刻蚀，在实现有源区元胞结构的同时，形成终端区的多级场板结构，并与最后一个P型连续场限环通过金属相互连接，可以让P型连续场限环结构和多级场板结构相互连接，共同耐受高电压。

5、本实用新型提供的具有终端保护结构的IGBT芯片，P型连续场限环起到降低电场作用，多级场板结构中的氧化层起到最终耐压作用，两种结构相互结合形成新的终端结构，共同承受高电压，制造工艺简单，易于实现，还可突破国外技术的封锁。

6、本实用新型提供的具有终端保护结构的IGBT芯片，在端区的P型连续场限环的个数、浓度、退火后的深度、相互间的距离可针对600V至6500V的IGBT器件的不同结构进行调整以适应其不同的耐压需求。

附图说明

图1是本实用新型提供的具有终端保护结构IGBT芯片结构示意图；

其中：01-均匀掺杂的N型单晶硅片衬底；02-P型连续场限环结构；03-场氧化膜；04-栅氧化膜；05-多晶硅；06-有源区P阱掺杂结构；07-有源区N区掺杂结构；08-有源区P型增强注入结构；09-接触孔电极互连结构；10-金属电极互连结构；11-钝化保护结构；12-P型掺杂区背面结构；13-背面金属结构；

图2是本实用新型提供的具有终端保护结构IGBT芯片制造方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实用新型提供的具有终端保护结构IGBT芯片结构示意图如图1所示，IGBT芯片包括均匀掺杂的N型单晶硅片衬底01、P型连续场限环结构02、场氧化膜构03、栅氧化膜04、多晶硅结构05、有源区P阱掺杂结构06、有源区N区掺杂结构07、有源区P型增强注入结构08、接触孔电极互连结构09、金属电极互连结构10、钝化保护结构11、P型掺杂区域背面结构12和背面金属结构13；

02、06、08均为P型掺杂结构，02为P型连续场限环结构、06为有源区的P阱结构、08为有源区P型增强注入结构，图1左侧为IGBT芯片的有源区，02、06、08相互连接，并与金属电极互连结构10的金属结构相连接，10的金属与正面有源区连接形成发射极，中间部分02连续P型场限环结构起到降低有源区电场作用，图1右侧06、08形成最后的P型场限环，10的金属与多晶硅结构05的多晶相连，并与06、08的P型场限环相连，因为10的金属与5的多晶在半导体器件中均视为导体，所以就形成了3级场板结构：第一级为多晶下面的栅氧化膜04，第二级为多晶下面的场氧化膜03、第三级为金属下面的03场氧化膜-接触孔电极互连结构09隔离氧化膜结构，此结构可以耐受高电压。

实施例

本实用新型提供的具有终端保护结构IGBT芯片制造方法包括以下工艺流程，如图2所示：

（一）制作IGBT芯片P型连续场限环结构02：对均匀掺杂的N型单晶硅片衬底01进行高温（950-1200摄氏度）氧化的方法，在硅片表面生长出注入掩膜，通过光刻版进行P型硼离子注入，再进行退火工艺，形成P型连续场限环结构02，因为光刻窗口的不同，在退火后各个连续放入P型场限环，如图2所示。

（二）制作IGBT芯片场氧化膜03：对均匀掺杂的N型单晶硅片衬底01进行高温（950-1175摄氏度）氧化的方法，在硅片表面生长出1.0-1.5um的场氧化膜03，并进行光刻和刻蚀，形成场氧化膜03结构，此过程将继续对P型连续场限环结构02进行退火使其增加深度达到需求目标值，即为6-9um。

（三）制作IGBT芯片栅极氧化膜04、栅极多晶硅05：对均匀掺杂的N型单晶硅片衬底01进行高温（950-1150摄氏度）氧化的方法，在硅片表面生长出0.1-0.2um的栅氧化膜04，使用化学淀积方式生长栅极多晶硅05，并进行光刻和刻蚀，形成IGBT有源区栅极结构和多级场板的部分结构。

（四）制作IGBT芯片有源区P阱掺杂结构06、有源区N区掺杂结构07、有源区P+区掺杂结构08：对均匀掺杂的N型单晶硅片衬底进行P阱光刻、P阱的硼离子注入和退火工艺形成有源区P阱区掺杂结构06；进行N区光刻，N区的砷离子注入形成有源区N区掺杂结构07；进行P+区光刻，P+区的硼离子注入形成有源区P型增强注入结构08；在形成有源区掺杂结构的同时，形成P型连续场限环截止位置的P型场限环的延伸，为连接多级场板做准备。

（五）制作IGBT芯片接触孔电极互连结构09、金属电极互连结构10：对均匀掺杂的N型单晶硅片衬底使用化学淀积方式生长硼磷掺杂玻璃膜质，进行器件隔离，进行接触孔的光刻和刻蚀形成接触孔电极互连结构，使用物理淀积方式生长铝合金，进行金属的光刻和刻蚀，形成金属电极互连结构10，完成了IGBT芯片发射区的电极连接、IGBT芯片栅极的电极连接和终端区域P型连续场限环与多级场板的电位连接。

（六）制作IGBT芯片钝化保护结构11：对均匀掺杂的N型单晶硅片衬底使用化学淀积方式生长氮氧化硅膜质，使用旋转涂布生长聚酰亚胺膜质，经过烘烤、光刻、刻蚀工艺后形成钝化保护结构11。

（七）制作IGBT芯片背面P型掺杂区域结构12、背面金属结构13：对N型单晶硅片衬底01进行减薄，再进行背面硼离子注入及退火工艺，形成背面P型掺杂区域结构12，进行背面金属蒸发形成背面金属结构13。

化学淀积方式即化学气相淀积，简称CVD工艺，即几种气体，在一定的环境条件下，通过化学反应，在半导体基片表面淀积一层固体薄膜的工艺。

物理淀积方式即物理气相淀积，简称PVD工艺，即由材料源，在一定的环境条件下，通过物理反应，在半导体基片表面淀积一层固体薄膜的工艺。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.一种具有终端保护结构的IGBT芯片，所述IGBT芯片包括终端保护结构，其特征在于，所述终端保护结构包括P型连续场限环结构和多级场板结构；将所述P型连续场限环结构与多级场板结构通过接触孔电极互连结构和金属电极互连结构进行等电位连接。

2.如权利要求1所述的具有终端保护结构的IGBT芯片，其特征在于，所述IGBT芯片包括均匀掺杂的N型单晶硅片衬底、场氧化膜、栅氧化膜、多晶硅结构、有源区P阱掺杂结构、有源区N区掺杂结构、有源区P型增强注入结构、接触孔电极互连结构、金属电极互连结构、钝化保护结构、P型掺杂区域背面结构和背面金属结构；

3.如权利要求1所述的具有终端保护结构的IGBT芯片，其特征在于，所述P型连续场限环结构的连续个数为4个到16个，根据不同电压等级进行调整；所述多级场板结构的多级场板个数为3个。

4.如权利要求1所述的具有终端保护结构的IGBT芯片，其特征在于，所述P型连续场限环结构为均匀掺杂的N型单晶硅片，在均匀掺杂的N型单晶硅片表面覆盖有绝缘截止层。

5.如权利要求4所述的具有终端保护结构的IGBT芯片，其特征在于，所述绝缘截止层为1.0-1.5um的场氧化膜。

6.如权利要求1所述的具有终端保护结构的IGBT芯片，其特征在于，所述多级场板结构为均匀掺杂的N型单晶硅片，在均匀掺杂的N型单晶硅片表面覆盖有氧化层。

7.如权利要求6所述的具有终端保护结构的IGBT芯片，其特征在于，所述氧化层为0.1-0.2um的栅氧化膜。

8.如权利要求1所述的具有终端保护结构的IGBT芯片，其特征在于，所述P型连续场限环结构和多级场板结构均包含在IGBT芯片的终端区。

9.如权利要求1所述的具有终端保护结构的IGBT芯片，其特征在于，所述接触孔结构包括隔离氧化膜的生长，刻蚀，和金属的淀积；所述金属或为铝。

10.如权利要求1所述的具有终端保护结构的IGBT芯片，其特征在于，包含所述P型连续场限环结构和多级场板结构的终端保护结构的IGBT芯片承受的电压范围为600V-6500V。