一種具有改善安全工作區的igbt器件及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有改善安全工作區的IGBT器件及其制造方法，在所述IGBT器件有源區設有多晶側壁保護結構和淺P+結構；所述多晶側壁保護結構位于多晶硅柵極兩側；所述淺P+結構位于N+區和P-基區之間；在N+區預留空穴通路，形成空穴旁路結構。本發明引入spacer工藝，引入淺P+摻雜工藝；該發明無需增加光刻，可改善N+區下方摻雜分布，改善了空穴流分布，改善了電場分布，減少了寄生晶閘管栓鎖。
【專利說明】
一種具有改善安全工作區的IGBT器件及其制造方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種半導體器件及其制造方法，具體講涉及一種具有改善安全工作區的IGBT器件及其制造方法。
【背景技術】
[0002]IGBT(絕緣柵雙極晶體管)同時具有單極性器件和雙極性器件的優點，驅動電路簡單，控制電路功耗和成本低，飽和電壓低，器件自身損耗小，是未來高壓大電流的發展方向。
[0003]IGBT為三端器件，包括正面發射極，柵極及背面集電極。IGBT芯片有源區剖面圖詳見圖1，包括正面的發射極6，柵極I和背面的集電極7。表面為MOSFET結構，背面為寄生PNP管結構。其中:1為多晶硅柵極，2為柵極氧化層，3為P-基區，4為N+發射極，5為P+集電極，6為發射極金屬，7為集電極金屬。
[0004]IGBT設計需綜合考慮導通損耗，關斷損耗和安全工作區。為改善IGBT的安全工作區(SOA)，針對器件關斷器件的栓鎖電流(latch-up current)，通常引入深得、高摻雜的P+基區。高摻雜P+基區的深度大于IGBT的溝道區的深度，在IGBT關斷器件深P+基區執行下列任務:
[0005]第一，其在關斷器件有效地收集空穴，最小化了 IGBT溝道區的空穴數量，防止了早期寄生晶閘管栓鎖。
[0006]第二，高摻雜P+基區橫向延伸，降低了 N+區下方的電子，降低了 N+區的電子注入，減少了寄生晶閘管栓鎖。
[0007]高摻雜P+基區通常需增加一塊光刻版，增加了制造成本。且P+與N+區光刻需精確對準，增大了工藝難度。
【發明內容】
[0008]為解決上述現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種具有改善安全工作區的IGBT器件及其制造方法，本發明引入spacer工藝，引入淺P+摻雜工藝；該發明無需增加光亥IJ，可改善N+區下方摻雜分布，改善了空穴流分布，改善了電場分布，減少了寄生晶閘管栓鎖。為了對披露的實施例的一些方面有一個基本的理解，下面給出了簡單的概括。該概括部分不是泛泛評述，也不是要確定關鍵/重要組成元素或描繪這些實施例的保護范圍。其唯一目的是用簡單的形式呈現一些概念，以此作為后面的詳細說明的序言。
[0009]本發明的目的是采用下述技術方案實現的:
[0010]本發明提供一種具有改善安全工作區的IGBT器件，所述IGBT器件包括有源區，所述有源區包括N-襯底區、設置在N-襯底區表面的柵極氧化層、沉積在柵極氧化層上的多晶硅柵極、設置在柵極氧化層與N-襯底區之間的P-基區、位于P-基區與柵極氧化層之間的N+區、位于N-襯底區下方P+集電極、位于柵極氧化層上方的發射極金屬以及P+集電極下方的集電極金屬；其改進之處在于，在所述有源區設有多晶側壁保護結構和淺P+結構；所述多晶側壁保護結構位于多晶硅柵極兩側；所述淺P+結構位于N+區和P-基區之間；在N+區預留空穴通路，形成空穴旁路結構。
[0011]進一步地，所述淺P+結構的摻雜濃度為I X 114Cm 2?I X 10 16cm 2，摻雜元素為P型摻雜元素，深度為0.5-1.0um ;所述多晶側壁保護結構的寬度為0.3-0.6um。
[0012]進一步地，所述IGBT器件包括終端區；所述終端區位于IGBT器件的邊緣區域，集成IGBT器件的耐壓參數(包括發射極-集電極擊穿電壓和集電極-發射極飽和電壓)，所述終端區包括終端基本單元；所述終端基本單元包括場板、場限環、結終端延伸保護模塊、橫向變摻雜模塊和阻性場板，所述終端基本單元用于減少有源區邊緣PN結的曲率，耗盡層橫向延伸，增強水平方向的耐壓能力。
[0013]進一步地，所述IGBT器件包括柵極區；所述柵極區集成IGBT芯片的開關特性(開通特性和關斷特性)，位于有源區一角，包括柵焊盤區和柵匯流條區；柵內阻串聯在所述柵焊盤區和柵匯流條區之間。
[0014]本發明還提供一種具有改善安全工作區的IGBT器件的制造方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟:
[0015]A、制造多晶側壁保護結構和淺P+結構；
[0016]B、制造IGBT器件的有源區、終端區和柵極區。
[0017]進一步地，所述步驟A包括下述步驟:
[0018]a、雙擴散工藝:以多晶硅柵極為注入窗口進行P-基區注入、P-基區推結和N+區注入；
[0019]b、多晶側壁保護膜質淀積:采用二氧化硅Si02、氮化硅SiN或其他絕緣隔離材料進行多晶側壁保護膜質淀積；
[0020]C、多晶側壁保護膜質刻蝕，在多晶硅柵極兩側形成寬度0.3-0.6um的殘留形貌，即多晶側壁保護結構；
[0021 ] d、制造淺P+結構:包括淺P+摻雜和淺P+推結；淺P+結構的摻雜濃度為I X 114Cm 2?I X 10 16cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為0.5-1.0um0
[0022]進一步地，所述步驟B包括下述步驟:
[0023]BI，制造IGBT器件的終端區耐壓環掩膜版；
[0024]B2，制造IGBT器件的有源區掩模版；
[0025]B3，制造IGBT器件的多晶掩模版；
[0026]B4，制造IGBT器件的孔掩模版；
[0027]B5，制造IGBT器件的金屬掩模版；
[0028]B6，制造IGBT器件的鈍化掩模版；
[0029]B7，制造IGBT器件的背面工藝。
[0030]進一步地，所述步驟B7包括:背面減薄，背面P+注入，背面退火和背面金屬。
[0031]與最接近的現有技術相比，本發明提供的技術方案具有的優異效果是:
[0032](—)引入淺P+結構，改善了空穴流分布，改善了電場分布，減少了寄生晶閘管栓鎖；
[0033]( 二 )引入空穴旁路結構，優化了空穴流分布，減少了寄生晶閘管栓鎖；
[0034](三)工藝步驟簡單，成本低；
[0035](四)與傳統IGBT制造工藝兼容，工藝易實現，可行性強；
[0036](五)與新型IGBT結構和設計理念兼容，易移植，可塑性強。
[0037]為了上述以及相關的目的，一個或多個實施例包括后面將詳細說明并在權利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細說明某些示例性方面，并且其指示的僅僅是各個實施例的原則可以利用的各種方式中的一些方式。其它的益處和新穎性特征將隨著下面的詳細說明結合附圖考慮而變得明顯，所公開的實施例是要包括所有這些方面以及它們的等同。
【附圖說明】
[0038]附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中:
[0039]圖1是現有技術IGBT器件剖面圖；
[0040]圖2是本發明提供的淺P+結構IGBT器件剖面圖；
[0041]圖3是本發明提供的IGBT器件淺P+結構制造方法流程圖；
[0042]圖4是本發明提供的IGBT器件有源區引入空穴旁路的俯視圖一；
[0043]圖5是本發明提供的IGBT器件有源區引入空穴旁路的俯視圖二 ；
[0044]圖6是本發明提供的IGBT器件有源區引入空穴旁路的俯視圖三；
[0045]其中:1-多晶硅柵極，2-柵極氧化層，3-P-基區，4-N+區，5-P+集電極，6-發射極金屬，7-集電極金屬，8-spacer結構，9_淺P+結構，10-空穴旁路結構。
【具體實施方式】
[0046]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0047]以下描述和附圖充分地示出本發明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發明的實施方案的范圍包括權利要求書的整個范圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語“發明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發明，不是要自動地限制該應用的范圍為任何單個發明或發明構思。
[0048]本發明提供一種具有改善安全工作區的IGBT器件，所述IGBT器件包括有源區，所述有源區包括N-襯底區、設置在N-襯底區表面的柵極氧化層2、沉積在柵極氧化層上的多晶硅柵極1、設置在柵極氧化層2與N-襯底區之間的P-基區3、位于P-基區3與柵極氧化層2之間的N+區4、位于N-襯底區下方P+集電極5、位于柵極氧化層上方的發射極金屬6以及P+集電極下方的集電極金屬7 ;在所述有源區設有多晶側壁保護結構8和淺P+結構
9;所述多晶側壁保護結構8位于多晶硅柵極I兩側；所述淺P+結構9位于N+區4和P-基區3之間；在N+區4預留空穴通路，形成空穴旁路結構10。
[0049]本發明中引入淺P+結構，淺P+深度大于N+區深度，但小于P-基區深度。淺P+摻雜濃度為所述淺P+結構的摻雜濃度為I X 114Cm 2?I X 10 16Cm 2，摻雜元素一般為硼元素，也可以為其他P型摻雜元素。本發明結構見圖2。與圖1相比，增加了多晶側壁保護結構(spacer結構)和淺P+結構。所述多晶側壁保護結構的寬度為0.3-0.6um。
[0050]所述IGBT器件包括終端區；所述終端區位于IGBT器件的邊緣區域，集成IGBT器件的耐壓參數，所述終端區包括終端基本單元；所述終端基本單元包括場板、場限環、結終端延伸保護模塊、橫向變摻雜模塊和阻性場板，所述終端基本單元用于減少有源區邊緣PN結的曲率，耗盡層橫向延伸，增強水平方向的耐壓能力。
[0051]所述IGBT器件包括柵極區；所述柵極區集成IGBT芯片的開關特性，位于有源區一角，包括柵焊盤區和柵匯流條區；柵內阻串聯在所述柵焊盤區和柵匯流條區之間。
[0052]本發明還提供一種具有改善安全工作區的IGBT器件的制造方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟:
[0053]A、制造多晶側壁保護結構和淺P+結構；包括下述步驟:
[0054]a、雙擴散工藝:以多晶硅柵極為注入窗口進行P-基區注入、P-基區推結和N+區注入；
[0055]b、多晶側壁保護膜質淀積:采用二氧化硅Si02、氮化硅SiN或其他絕緣隔離材料進行多晶側壁保護膜質淀積；
[0056]C、多晶側壁保護膜質刻蝕，在多晶硅柵極兩側形成寬度0.3-0.6um的殘留形貌，即多晶側壁保護結構；
[0057]d、制造淺P+結構:包括淺P+摻雜和淺P+推結；淺P+結構的摻雜濃度為I X 114Cm 2?I X 10 16cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為0.5-1.0um0
[0058]B、制造IGBT器件的有源區、終端區和柵極區，包括下述步驟:
[0059]BI，制造IGBT器件的終端區耐壓環掩膜版；
[0060]B2，制造IGBT器件的有源區掩模版；
[0061 ] B3，制造IGBT器件的多晶掩模版；
[0062]B4，制造IGBT器件的孔掩模版；
[0063]B5，制造IGBT器件的金屬掩模版；
[0064]B6，制造IGBT器件的鈍化掩模版；
[0065]B7，制造IGBT器件的背面工藝，包括:背面減薄，背面P+注入，背面退火和背面金屬O
[0066]圖4-6為IGBT器件有源區引入空穴旁路的俯視圖一、二、三。本發明除優化P+摻雜外，又引入了空穴旁路結構。通過優化N+區光刻版，犧牲部分溝道，預留空穴通路，即空穴旁路結構10，可有效降低溝道處的空穴電流分布。通過優化空穴電流分布，可有效減少寄生晶閘管栓鎖。空穴旁路結構10搭配淺P+結構9，通過優化電場分布，電流分布，可有效減少寄生晶閘管栓鎖。Contact表示接觸孔區域，更詳細的描述為發射極金屬接觸孔區域。
[0067]本發明提出具有改善安全工作區的IGBT器件發射極設計，在發射極引入多層P型結構，優化了 IGBT器件個區域的摻雜形貌；在發射極區加入空穴流通道，優化了 IGBT器件的電流分布；在不影響IGBT器件其他性能的情況下，提高了 IGBT器件的安全工作區。本發明IGBT器件將在大功率密度，高可靠性應用領域形成自己的優勢。
[0068]除非另外具體陳述，術語比如處理、計算、運算、確定、顯示等等可以指一個或更多個處理或者計算系統、或類似設備的動作和/或過程，所述動作和/或過程將表示為處理系統的寄存器或存儲器內的物理(如電子)量的數據操作和轉換成為類似地表示為處理系統的存儲器、寄存器或者其他此類信息存儲、發射或者顯示設備內的物理量的其他數據。信息和信號可以使用多種不同的技術和方法中的任何一種來表示。例如，在貫穿上面的描述中提及的數據、指令、命令、信息、信號、比特、符號和碼片可以用電壓、電流、電磁波、磁場或粒子、光場或粒子或者其任意組合來表示。
[0069]應該明白，公開的過程中的步驟的特定順序或層次是示例性方法的實例。基于設計偏好，應該理解，過程中的步驟的特定順序或層次可以在不脫離本公開的保護范圍的情況下得到重新安排。所附的方法權利要求以示例性的順序給出了各種步驟的要素，并且不是要限于所述的特定順序或層次。
[0070]在上述的詳細描述中，各種特征一起組合在單個的實施方案中，以簡化本公開。不應該將這種公開方法解釋為反映了這樣的意圖，即，所要求保護的主題的實施方案需要清楚地在每個權利要求中所陳述的特征更多的特征。相反，如所附的權利要求書所反映的那樣，本發明處于比所公開的單個實施方案的全部特征少的狀態。因此，所附的權利要求書特此清楚地被并入詳細描述中，其中每項權利要求獨自作為本發明單獨的優選實施方案。
[0071]上文的描述包括一個或多個實施例的舉例。當然，為了描述上述實施例而描述部件或方法的所有可能的結合是不可能的，但是本領域普通技術人員應該認識到，各個實施例可以做進一步的組合和排列。因此，本文中描述的實施例旨在涵蓋落入所附權利要求書的保護范圍內的所有這樣的改變、修改和變型。此外，就說明書或權利要求書中使用的術語“包含”，該詞的涵蓋方式類似于術語“包括”，就如同“包括，”在權利要求中用作銜接詞所解釋的那樣。此外，使用在權利要求書的說明書中的任何一個術語“或者”是要表示“非排它性的或者”。
[0072]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1.一種具有改善安全工作區的IGBT器件，所述IGBT器件包括有源區，所述有源區包括N-襯底區、設置在N-襯底區表面的柵極氧化層、沉積在柵極氧化層上的多晶硅柵極、設置在柵極氧化層與N-襯底區之間的P-基區、位于P-基區與柵極氧化層之間的N+區、位于N-襯底區下方P+集電極、位于柵極氧化層上方的發射極金屬以及P+集電極下方的集電極金屬；其特征在于，所述有源區設有多晶側壁保護結構和淺P+結構；所述多晶側壁保護結構位于多晶硅柵極兩側；所述淺P+結構位于N+區和P-基區之間；在N+區預留空穴通路，形成空穴芳路結構。2.如權利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述淺P+結構的摻雜濃度為I X 114Cm 2?I X 10 16cm 2，摻雜元素為P型摻雜元素，深度為0.5-1.0um ;所述多晶側壁保護結構的寬度為0.3-0.6um。3.如權利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件包括終端區；所述終端區位于IGBT器件的邊緣區域，集成IGBT器件的耐壓參數，所述終端區包括終端基本單元；所述終端基本單元包括場板、場限環、結終端延伸保護模塊、橫向變摻雜模塊和阻性場板，所述終端基本單元用于減少有源區邊緣PN結的曲率，耗盡層橫向延伸，增強水平方向的耐壓能力。4.如權利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件包括柵極區；所述柵極區集成IGBT芯片的開關特性，位于有源區一角，包括柵焊盤區和柵匯流條區；柵內阻串聯在所述柵焊盤區和柵匯流條區之間。5.一種如權利要求1-4中任一項所述的具有改善安全工作區的IGBT器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟: A、制造多晶側壁保護結構和淺P+結構； B、制造IGBT器件的有源區、終端區和柵極區。6.如權利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步驟A包括下述步驟: a、雙擴散工藝:以多晶硅柵極為注入窗口進行P-基區注入、P-基區推結和N+區注入； b、多晶側壁保護膜質淀積:采用二氧化硅Si02、氮化硅SiN或其他絕緣隔離材料進行多晶側壁保護膜質淀積； c、多晶側壁保護膜質刻蝕，在多晶硅柵極兩側形成寬度0.3-0.6um的殘留形貌，即多晶側壁保護結構； d、制造淺P+結構:包括淺P+摻雜和淺P+推結；淺P+結構的摻雜濃度為IX 114Cm 2?I X 116Cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為0.5-1.0um。7.如權利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述步驟B包括下述步驟: BI，制造IGBT器件的終端區耐壓環掩膜版； B2，制造IGBT器件的有源區掩模版； 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器件的金屬掩模版； B6，制造IGBT器件的鈍化掩模版； B7，制造IGBT器件的背面工藝。8.如權利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述步驟B7包括:背面減薄，背面P+注入，背面退火和背面金屬。
【文檔編號】H01L29/06GK106033772SQ201510122358
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月19日
【發明人】劉江, 趙哿, 高明超, 王耀華, 何延強, 吳迪, 劉鉞楊, 喬慶楠, 李曉平, 董少華, 李立, 金銳
【申請人】國家電網公司, 國網智能電網研究院, 國網浙江省電力公司