專利名稱：一種高壓器件的保護環(huán)結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體領域，尤其涉及一種高壓半導體功率器件中的保護環(huán)結構以及制造方法。
背景技術：
隨著石油煤炭儲備不停地減少，而人類的能源消耗卻不斷增加，節(jié)能成為二十一世紀人類的共識。據(jù)美國能源部估計，有三分之二的電力被用在馬達驅動上。而主要應用于開關電源、PWM脈寬調制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用等功率器件，絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT)和與之配套的快恢復二極管(簡稱FRD)，可以使馬達驅動節(jié)能20% 30%?？?以預計，功率器件會在未來快速增長。半導體功率器件的結構離不開PN結(PN junction)。采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體(通常是硅或鍺)基片上，在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結。然而，擴散形成的PN結結深一般為幾個微米，其曲率會導致電場集中，使擊穿電壓遠比平面結的低。如平面結耐壓超過1200V的器件，如使用5微米深的結，其曲率會導致電場集中使擊穿電壓低于400V，遠低于平面結的擊穿電壓，因此在器件的需的外圍需要保護環(huán)。場板場限環(huán)結構是其中發(fā)展較早的，工藝比較簡單，同時不增加光刻層次的方法，至今被廣泛應用。請參閱圖1，圖I為現(xiàn)有技術中的場板加場限環(huán)結構的示意圖。如圖所示，中間區(qū)域是器件區(qū)9，保護環(huán)由一系列嵌在N型單晶硅區(qū)3中的P+型注入擴散區(qū)的擴散環(huán)5組成，最外圍的N+注入擴散層區(qū)4為等位環(huán)(工作時接高壓或懸浮)。緊鄰器件區(qū)9的P+型注入擴散區(qū)的的擴散環(huán)5為零環(huán)，該擴散環(huán)5在器件區(qū)9工作時接零，再外一圈的P+型注入擴散區(qū)的的擴散環(huán)5為第一環(huán)，工作時懸浮，依次類推，即圖I的P+型注入擴散區(qū)的的擴散環(huán)5 (場限環(huán)部分)不停重復，可得到第二、三、四環(huán)以至更多的環(huán)，以滿足耐壓的需求。保護環(huán)的制作過程大致如此，在襯底上，光刻P+型注入擴散區(qū)的的擴散環(huán)5，注入，然后，光刻等位環(huán)區(qū)4，注入并推阱。請參閱圖2，圖2是現(xiàn)有技術的場板加場限環(huán)結構在氧化過程中加壓后的結構示意圖。由于氧化過程不可避免會在氧化層或硅氧化層界面引入正電荷，使表面的耗盡區(qū)邊界向內側彎曲，如圖所示，虛線為變形后的耗盡區(qū)界限，從而導致表面電場增加，擊穿電壓降低。眾所周知，隨著擊穿電壓的增加，場板加場限環(huán)結構所需保護環(huán)的面積隨之增加，為彌補由于氧化工藝引入的正電荷會增加表面電場，使擊穿電壓降低，即為維持擊穿電壓，需要增加環(huán)的數(shù)目來彌補。因此，如何在氧化過程避免在氧化層或硅氧化層界面引入正電荷，使表面的耗盡區(qū)邊界向內側彎曲，減少環(huán)的數(shù)目是目前業(yè)界急需解決的問題。
發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種半導體功率器件中的高壓保護環(huán)結構，通過改變現(xiàn)有技術中的環(huán)結構，在相同的耐壓值下，通過縮短環(huán)間距，從而縮小了保護環(huán)面積，或優(yōu)化每一個環(huán)間距，使每一環(huán)間距的耐壓增加，以減少環(huán)的數(shù)目，縮小保護環(huán)面積同時縮短保護環(huán)設計時間。為達成上述目的，本發(fā)明提供一種高壓器件的保護環(huán)結構，其包括在其表面上具有間斷的氧化層的N型單晶硅襯底、其部分覆蓋在露出的N型單晶硅襯底表面和氧化層上的金屬場板、嵌于N型單晶硅襯底中的器件區(qū)、嵌于所述N型單晶硅襯底中的多個P+型注入擴散環(huán)和嵌于所述N型單晶硅襯底中的等位環(huán)，其中，緊鄰器件區(qū)的P+型注入擴散環(huán)為零環(huán)，且以器件區(qū)為中間區(qū)域環(huán)繞分布，在器件區(qū)工作時接零；其他P+型注入擴散環(huán)在所述器件區(qū)工作時懸浮，且以零環(huán)為中間區(qū)域，一環(huán)環(huán)繞于另一個環(huán)的外圈；等位環(huán)環(huán)繞于多 個P+型注入擴散環(huán)的外圍；還包括零偏壓下完全耗盡的N型注入擴散環(huán)和零偏壓下完全耗盡的P型注入擴散環(huán)，零偏壓下完全耗盡的N型注入擴散環(huán)嵌于所述P+型注入擴散環(huán)的環(huán)內，以提供正電荷；以及零偏壓下完全耗盡的P型注入擴散環(huán)，嵌于N型單晶硅襯底中，位于兩個P+型注入擴散環(huán)或P+型注入擴散環(huán)和等位環(huán)之間，且在金屬場板的外側，以提供負電荷，從而產生一個指向外側且方向與表面電場相反的電場。根據(jù)本發(fā)明的高壓保護環(huán)結構，所述N型注入擴散環(huán)位于P+型注入擴散環(huán)內且靠近環(huán)外側邊界。根據(jù)本發(fā)明的高壓保護環(huán)結構，所述N型注入擴散環(huán)的底邊與P+型注入擴散環(huán)內的耗盡區(qū)邊界底邊平齊。根據(jù)本發(fā)明的高壓保護環(huán)結構，所述N型注入擴散環(huán)為N型注入輕摻雜擴散區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的高壓保護環(huán)結構，所述P型注入擴散環(huán)為P型注入輕摻雜擴散區(qū)。根據(jù)本發(fā)明的高壓保護環(huán)結構，所述P型注入擴散環(huán)靠近所述P+型注入擴散環(huán)的內環(huán)邊界設置。根據(jù)本發(fā)明的高壓保護環(huán)結構，所述P型注入擴散環(huán)的截面積小于等于所述N型注入擴散環(huán)的截面積。根據(jù)本發(fā)明的高壓保護環(huán)結構，所述氧化層的厚度為大于I微米。為達成上述目的，本發(fā)明還提供一種高壓器件保護環(huán)結構的制造方法，包括如下步驟
步驟SOl :區(qū)熔硅單晶上生長一薄層氧化層，在硅單晶上表面上形成具有間斷的氧化
層；
步驟S02 :光刻N型注入擴散環(huán)區(qū)域，注入N型雜質；光刻P型注入擴散環(huán)區(qū)域，注入P型雜質；再光刻等位環(huán)區(qū)域，注入N型雜質；
步驟S03:生長場氧化層，使金屬場板部分覆蓋在露出的N型單晶硅襯底的表面和氧化層上；
步驟S04 :光刻器件區(qū)；
步驟S05 :光刻多個P+型注入擴散環(huán)區(qū)域，并注入P+型雜質以形成P+型注入擴散環(huán)，去膠后推阱；步驟S06 :金屬沉積刻蝕,鈍化層沉淀刻蝕；
步驟S07 :背面減薄，注入雜質并激活，背面金屬沉積。從上述技術方案可以看出，本發(fā)明的場板加場限環(huán)結構引了入完全耗盡的N或P型硅，提供與表面電場方向相反的電場，以減弱導致?lián)舸┑谋砻骐妶?，提高了擊穿電壓。因此，在相同的耐壓值的情況下，本發(fā)明的場板加場限環(huán)結構，不僅減少了環(huán)的數(shù)目，節(jié)省面積，同時，也減低了在氧化工藝中的正電荷對擊穿電壓的影響。
圖I為應用于現(xiàn)有技術中的場板加場限環(huán)結構的截面示 意圖
圖2為應用于現(xiàn)有技術中的場限環(huán)在氧化過程中加壓后的示意圖；其中，細虛線是耗盡區(qū)在P型環(huán)的邊界，點劃線是耗盡區(qū)在N型輕摻區(qū)的邊界。圖3為本發(fā)明一具體實施例的場板加場限環(huán)截面圖示意圖
圖4為本發(fā)明場限環(huán)結構在氧化過程中加壓后的示意圖；其中，細虛線是耗盡區(qū)在P型環(huán)的邊界，點劃線是耗盡區(qū)在N型輕摻區(qū)的邊界
具體實施例方式體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的一些典型實施例將在后段的說明中詳細敘述。應理解的是本發(fā)明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。上述及其它技術特征和有益效果，將結合實施例及附圖3-圖4對本發(fā)明的場板加場限環(huán)的保護環(huán)結構進行詳細說明。請參閱圖3，圖3為本發(fā)明一具體實施例場板加場限環(huán)的保護環(huán)結構截面示意圖。為敘述方便起見，在本發(fā)明的實施例中，器件區(qū)9外的保護環(huán)僅包括兩個P+型注入擴散環(huán)5和一個等位環(huán)4，在其它的實施例中，P+型注入擴散環(huán)5可以根據(jù)耐壓的需要設置3、4、5個或更多，在此不再贅述。如圖3所示，與現(xiàn)有技術所應用結構相同的是該保護環(huán)結構包括N型單晶硅襯底
3、嵌于N型單晶硅襯底3中的器件區(qū)9、在N型單晶硅襯底3表面上具有間斷的氧化層I以及金屬場板2 ;金屬場板2是部分覆蓋在露出的N型單晶硅襯底3的表面和氧化層I上。每個器件區(qū)9的保護環(huán)結構由2個嵌于N型單晶硅襯底3中的P+型注入擴散環(huán)5和一個等位環(huán)4，且以器件區(qū)9為中間區(qū)域環(huán)繞分布。優(yōu)選地，氧化層I的厚度大于I微米。緊鄰器件區(qū)9的P+型注入擴散環(huán)5為零環(huán)，在器件區(qū)9工作時接零；另一個P+型注入擴散環(huán)5，以零環(huán)為中間區(qū)域，且環(huán)繞于零環(huán)的外圈，在器件區(qū)9工作時懸浮；N+注入擴散等位環(huán)4環(huán)繞于P+型注入擴散環(huán)5的外圈，在器件區(qū)9工作時，等位環(huán)4接高壓或懸浮。與現(xiàn)有技術所應用結構所不相同的是本發(fā)明還包括了零偏壓下完全耗盡的N型注入擴散環(huán)6和零偏壓下完全耗盡的P型注入擴散環(huán)7，以產生一個指向外側且方向與表面電場相反的電場。其中，N型注入擴散環(huán)6嵌于P+型注入擴散環(huán)5的環(huán)內，以提供正電荷；以及P型注入擴散環(huán)7，嵌于N型單晶硅襯底3中，并且，位于兩個P+型注入擴散環(huán)5之間，或者，位于P+型注入擴散環(huán)5和等位環(huán)4之間，以提供負電荷。
進一步地，零偏壓下完全耗盡的N型注入擴散環(huán)6和零偏壓下完全耗盡的P型注入擴散環(huán)7是成對的出現(xiàn)，優(yōu)選地，每個P+型注入擴散環(huán)5中均包含N型注入擴散環(huán)6，每兩個P+型注入擴散環(huán)5之間，以及P+型注入擴散環(huán)5和等位環(huán)4之間，均設置一個P型注入擴散環(huán)7。需要強調的是，P型注入擴散環(huán)7須在金屬場板I的外側，這樣，提供的負電荷才可以全部用來產生指向等位環(huán)的電場，反之會相互抵消。另外，N型注入擴散環(huán)6須完全耗盡才能提供正電荷，同樣，P型注入擴散環(huán)7須完全耗盡，才能提供負電荷?？梢钥闯?，P+型注入擴散環(huán)5區(qū)引入的N型注入擴散環(huán)6和兩個P+型注入擴散環(huán)5區(qū)之間的P型注入擴散環(huán)7距離越近，附加電場越強。在設計中盡量縮短N型注入擴散環(huán)6和P型注入擴散環(huán)7這兩個區(qū)域之間的距離。在本發(fā)明的一些實施例中，N型注入擴散環(huán)6位于所述P+型注入擴散環(huán)(5)內且靠近環(huán)外側邊界。進一步地，P型注入擴散環(huán)7靠近位于P+型注入擴散環(huán)5的內環(huán)邊界，以及，P+型注入擴散環(huán)5和等位環(huán)4之間設置的P型注入擴散環(huán)7，位于P+型注入擴散環(huán)·5和等位環(huán)4中間。眾所周知，P+型環(huán)區(qū)引入的N區(qū)的電荷數(shù)目越多，P+型環(huán)區(qū)之間的N型單晶硅內的P型區(qū)的電荷數(shù)目越多，附加電場越強。因此在設計中盡量增加這兩個區(qū)域的面積，在實際的設計中，一般將N型注入擴散環(huán)6的底邊盡量設計成與P+型注入擴散環(huán)5內的耗盡區(qū)邊界底邊平齊。而且，因需要完全耗盡，摻雜不能非常高，因此，N型注入擴散環(huán)6為N型注入輕摻雜擴散區(qū)。P型注入擴散環(huán)7為P型注入輕摻雜擴散區(qū)。在本發(fā)明的一些實施例中，P型注入擴散環(huán)7的截面積小于等于N型注入擴散環(huán)6的截面積。請參閱圖4，圖4為本發(fā)明場限環(huán)結構在氧化過程中加壓后的示意圖；其中，細虛線是耗盡區(qū)在P型環(huán)的邊界，點劃線是耗盡區(qū)在N型輕摻區(qū)的邊界。如圖所示，由于附加電場的影響，對比圖2可以看到，硅氧化硅界面耗盡區(qū)界限往外側推移，即本發(fā)明的保護環(huán)結構引入了正負電荷，提供了指向等位環(huán)4的電場，該電場的方向與表面電場相反，由此可以降低表面電場，增加擊穿電壓。在本發(fā)明的一個實施例中，上述高壓器件保護環(huán)結構的制造方法，包括如下步驟
步驟SOl :區(qū)熔硅單晶上生長一薄層氧化層，在硅單晶上表面上形成具有間斷的氧化
層；
步驟S02 :光刻N型注入擴散環(huán)區(qū)域，注入N型雜質；光刻P型注入擴散環(huán)區(qū)域，注入P型雜質；再光刻等位環(huán)區(qū)域，注入N型雜質；
步驟S03:生長場氧化層，使金屬場板部分覆蓋在露出的N型單晶硅襯底的表面和氧化層上；
步驟S04 :光刻器件區(qū)；
步驟S05 :光刻多個P+型注入擴散環(huán)區(qū)域，并注入P+型雜質以形成P+型注入擴散環(huán)，去膠后推阱；
步驟S06 :金屬沉積刻蝕,鈍化層沉淀刻蝕；
步驟S07 :背面減薄，注入雜質并激活，背面金屬沉積。
綜上所述，本發(fā)明的保護環(huán)結構引了入完全耗盡的N或P型硅，提供與表面電場方向相反的電場，以減弱導致?lián)舸┑谋砻骐妶?，提高了擊穿電壓。因此，在相同的耐壓值的情況下，本發(fā)明的場板加場限環(huán)結構，不僅減少了環(huán)的數(shù)目，節(jié)省面積，同時，也減低了在氧化工藝中的正電荷對擊穿電壓的影響。
以上所述的僅為本發(fā)明的實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
1.一種高壓器件的保護環(huán)結構，其包括 N型單晶硅襯底(3)，在其表面上具有間斷的氧化層(I)； 金屬場板(2)，其部分覆蓋在露出的所述N型單晶硅襯底(3)的表面和氧化層(I)上， 器件區(qū)(9)，嵌于N型單晶硅襯底(3)中； 多個P+型注入擴散環(huán)(5)，嵌于所述N型單晶硅襯底(3)中，其中，緊鄰所述器件區(qū)(9)的P+型注入擴散環(huán)(5)為零環(huán)，且以所述器件區(qū)(9)為中間區(qū)域環(huán)繞分布，在所述器件區(qū)(9)工作時接零；其他P+型注入擴散環(huán)(5)，在所述器件區(qū)(9)工作時懸浮，且以零環(huán)為中間區(qū)域，一環(huán)環(huán)繞于另一個環(huán)的外圈； 等位環(huán)(4)，嵌于所述N型單晶硅襯底(3)中，且環(huán)繞于所述多個P+型注入擴散環(huán)(5)的外圍； 其特征在于 零偏壓下完全耗盡的N型注入擴散環(huán)(6 )，嵌于所述P+型注入擴散環(huán)(5 )的環(huán)內，以提供正電荷；以及 零偏壓下完全耗盡的P型注入擴散環(huán)(7)，嵌于N型單晶硅襯底(3)中，位于兩個所述P+型注入擴散環(huán)(5 )或所述P+型注入擴散環(huán)(5 )和所述等位環(huán)(4 )之間，且在所述金屬場板(2)的外側，以提供負電荷，從而產生一個指向外側且方向與表面電場相反的電場。
2.根據(jù)權利要求I所述的保護環(huán)結構，其特征在于，所述N型注入擴散環(huán)(6)位于所述P+型注入擴散環(huán)(5)內且靠近環(huán)外側邊界。
3.根據(jù)權利要求2所述的保護環(huán)結構，其特征在于，所述N型注入擴散環(huán)(6)的底邊與所述P+型注入擴散環(huán)(5)內的耗盡區(qū)邊界底邊平齊。
4.根據(jù)權利要求I所述的保護環(huán)結構，其特征在于，所述N型注入擴散環(huán)(6)為N型注入輕摻雜擴散區(qū)。
5.根據(jù)權利要求I所述的保護環(huán)結構，其特征在于，所述P型注入擴散環(huán)(7)為P型注入輕摻雜擴散區(qū)。
6.根據(jù)權利要求I所述的保護環(huán)結構，其特征在于，所述P型注入擴散環(huán)(7)靠近所述P+型注入擴散環(huán)(5 )的內環(huán)邊界設置。
7.根據(jù)權利要求I所述的保護環(huán)結構，其特征在于，所述P型注入擴散環(huán)(7)的截面積小于等于所述N型注入擴散環(huán)(6)的截面積。
8.根據(jù)權利要求I所述的保護環(huán)結構，其特征在于，所述氧化層(I)的厚度為大于I微米。
9.一種高壓器件保護環(huán)結構的制造方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟SOl :區(qū)熔硅單晶上生長一薄層氧化層，在硅單晶上表面上形成具有間斷的氧化層； 步驟S02 :光刻N型注入擴散環(huán)區(qū)域，注入N型雜質；光刻P型注入擴散環(huán)區(qū)域，注入P型雜質；再光刻等位環(huán)區(qū)域，注入N型雜質； 步驟S03 :生長場氧化層，使金屬場板部分覆蓋在露出的N型單晶硅襯底的表面和氧化層上； 步驟S04 :光刻器件區(qū)； 步驟S05 :光刻多個P+型注入擴散環(huán)區(qū)域，并注入P+型雜質以形成P+型注入擴散環(huán)，去膠后推阱； 步驟S06 :金屬沉積刻蝕,鈍化層沉淀刻蝕； 步驟S07 :背面減薄，注入雜質并激活，背面金屬沉積。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種高壓半導體功率器件中的保護環(huán)結構以及制造方法。該保護環(huán)結構包括間斷的氧化層、N型單晶硅襯底、金屬場板、器件區(qū)、多個P+型注入擴散環(huán)和等位環(huán)，還包括零偏壓下完全耗盡的N型注入擴散環(huán)和零偏壓下完全耗盡的P型注入擴散環(huán)，N型注入擴散環(huán)嵌于P+型注入擴散環(huán)的環(huán)內，以提供正電荷；以及P型注入擴散環(huán)，嵌于N型單晶硅襯底中，位于兩個P+型注入擴散環(huán)或P+型注入擴散環(huán)和等位環(huán)之間，且在金屬場板的外側，以提供負電荷，從而產生一個指向外側且方向與表面電場相反的電場。因此，在相同的耐壓值的情況下，本發(fā)明的保護環(huán)結構，不僅減少了擴散環(huán)的數(shù)目，同時，也減低了在氧化工藝中的正電荷對擊穿電壓的影響。
文檔編號H01L29/06GK102969343SQ201210405330
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權日2012年10月22日
發(fā)明者孫德明, 周偉 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司