[實(shí)用新型]一種高密度緩變場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220117922.7
• 申請(qǐng)日: 2012-03-27
• 公開（公告）號(hào): CN202523715U
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 瞿學(xué)選
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L29/40
• 分類號(hào): H01L29/40;H01L29/06
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所 21208
• 代理人: 花向陽(yáng)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高密度緩變場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)，是關(guān)于一種IGBT的外圍結(jié)終端結(jié)構(gòu)及其制造工藝，屬于開關(guān)型高壓功率器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

IGBT是新型的功率器件，適合于擊穿電壓大于600V的應(yīng)用范圍。IGBT是電力電子技術(shù)的核心元件，具有以下特出的優(yōu)點(diǎn)：①耐壓高，②導(dǎo)通電阻低、電流密度大，③導(dǎo)通時(shí)器件壓降低，④開關(guān)速度高，⑤驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)，決定著電能轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換效率，微型化、智能化程度。在快速開關(guān)電源、電子整流器、電動(dòng)汽車助動(dòng)車、空調(diào)機(jī)、微波爐、風(fēng)能轉(zhuǎn)換、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換等諸多產(chǎn)業(yè)有廣泛的應(yīng)用。

IGBT主要由并聯(lián)排列器件元胞區(qū)和外圍結(jié)終端區(qū)構(gòu)成。如果沒有外圍結(jié)終端區(qū)，在外加電壓Vce時(shí)，雖然并聯(lián)的各器件元胞區(qū)的電壓大致相同，最外圍的元胞由于pn結(jié)的曲率效應(yīng)，沿著表面水平方向會(huì)有很大的電場(chǎng)，從而使得器件的擊穿電壓只有平面結(jié)的20％甚至更低。結(jié)終端結(jié)構(gòu)的主要作用就是，把豎向外加電壓沿著水平方向比較均勻地分散到結(jié)終端的結(jié)構(gòu)之中，降低各處的電場(chǎng)密度，從而提高器件的擊穿電壓以致于達(dá)到或者接近件元胞區(qū)平面結(jié)的擊穿電壓。由此，結(jié)終端技術(shù)是IGBT等功率器件的關(guān)鍵技術(shù)之一。

從整體來看，以IGBT為主的功率器件，核心問題是高密度集成和突破硅極限兩大問題。其中，高密度集成就是元胞區(qū)和外圍結(jié)終端區(qū)在尺寸上的按比例縮減，降低整個(gè)器件所占用的面積。而突破硅極限的要求，是為了進(jìn)一步降低器件本身的能量損耗，并達(dá)到其物理極限所能允許的最小功耗，這樣才能確保其能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)，也更有利于功率器件本身的可靠性和抗干擾能力。為了極大的提高器件元胞區(qū)的高密度集成，人們需要減少器件區(qū)的pbody的結(jié)深；而這會(huì)使得pn結(jié)的曲率效應(yīng)更加嚴(yán)重，從而需要調(diào)整外圍結(jié)終端區(qū)的結(jié)構(gòu)，以確保擊穿電壓的穩(wěn)定甚至提高。可見，器件元胞區(qū)和外圍結(jié)終端區(qū)之間，高密度集成和突破硅極限之間是相互關(guān)聯(lián)的。

目前，廣泛采用的外圍結(jié)終端結(jié)構(gòu)主要有場(chǎng)限環(huán)、場(chǎng)板、溝槽終端，JTE，SIPOS等技術(shù)。由于目前技術(shù)上的不足，無一例外地表現(xiàn)出占用過大面積的缺點(diǎn).在以IGBT為主的高壓功率器件中，最為主流的外圍結(jié)終端結(jié)構(gòu)為場(chǎng)限環(huán)和場(chǎng)板技術(shù).器件的高密度集成需要進(jìn)一步縮減外圍結(jié)終端的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種高密度緩變場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)，其目的主要是在不影響器件整體性能的基礎(chǔ)上，減低對(duì)設(shè)備的要求，提高外圍結(jié)終端的集成度，降低結(jié)終端占用面積，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種高密度緩變場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的中間為功率器件元胞區(qū)元胞陣列并聯(lián)而成，而緩變場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)環(huán)繞于器件元胞區(qū)的四周。所述結(jié)構(gòu)主要包括與各場(chǎng)限環(huán)相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)板以及一個(gè)截止環(huán)，場(chǎng)限環(huán)從器件元胞區(qū)的邊緣開始向截止環(huán)依次排列；器件元胞區(qū)包括柵氧化層和多晶硅，器件元胞區(qū)pbody位于器件元胞區(qū)內(nèi)和邊緣的硅片表面層；所述場(chǎng)板的上部位于介質(zhì)層中，下部位于場(chǎng)氧化硅層中；場(chǎng)氧化層經(jīng)刻蝕后留下環(huán)帶狀刻蝕槽，與元胞區(qū)柵氧化層為同一制造層的柵氧化層位于環(huán)帶狀刻蝕槽底部，所述場(chǎng)板填滿每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽并延伸到刻蝕槽的兩邊的場(chǎng)氧化層表面之上，而且在外表面上延伸的部分比在里表面上大一些，底面與柵氧化層相接觸；每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽的寬度從里向外是逐步減小的；相對(duì)應(yīng)地，在每個(gè)環(huán)帶狀刻蝕槽下為半徑不同的場(chǎng)限環(huán)；場(chǎng)限環(huán)為第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)，與第一導(dǎo)電類型的襯底形成半圓形pn結(jié)，但與器件元胞區(qū)pbody為不同制造層；場(chǎng)限環(huán)包括主結(jié)環(huán)和從第1場(chǎng)限環(huán)-第n個(gè)場(chǎng)限環(huán)，主結(jié)環(huán)與器件元胞區(qū)pbody相互重疊；所述場(chǎng)限環(huán)之間的距離不等，從第1場(chǎng)限環(huán)向外，相鄰的場(chǎng)限環(huán)之間的距離依次增加，每個(gè)場(chǎng)限環(huán)的半徑依次減小，相鄰場(chǎng)限環(huán)的重疊度依次變小，最外的場(chǎng)限環(huán)互相分離；所述截止環(huán)位于結(jié)終端的最外圍，由N+摻雜區(qū)以及位于其上的金屬層所組成，兩者通過接觸孔相互連接，形成浮空的等電位截止環(huán)。

所述場(chǎng)板由金屬層和氧化層組成，而氧化硅層由場(chǎng)氧化硅層和介質(zhì)層組成，場(chǎng)板的金屬層坐落在介質(zhì)層之上，并和每個(gè)場(chǎng)限環(huán)一一對(duì)應(yīng)并位于其上方；場(chǎng)板的金屬層和場(chǎng)限環(huán)之間沒有多晶硅。

所述截止環(huán)由第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)與截止環(huán)深注入N+摻雜區(qū)構(gòu)成，該第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)和器件元胞區(qū)p-body為同一制造層，用此類截止環(huán)可省去pbody光罩；截止環(huán)區(qū)金屬層和該第二導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)以及截止環(huán)深注入N+摻雜區(qū)相互連接，形成浮空的等電位截止環(huán)。

所述緩變場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)采用主結(jié)環(huán)和其余6個(gè)場(chǎng)限環(huán)時(shí)，最外的第5場(chǎng)限環(huán)和第6場(chǎng)限環(huán)之間不重疊。