CN204632762U - 结终端延伸的终端版图结构及其终端结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种结终端延伸的终端版图结构，包括有源区，有源区内具有至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT元包结构，元包结构为并联结构，有共同的发射极电极、集电极电极和栅极电极；包围有源区***为至少一圈呈涡旋状的P型注入的窗口，每一圈注入窗口之间，从横截面看，间隔一定距离；通过注入窗口能够形成从横截面看相互独立的P型轻掺杂区，经过一定时间的高温退火后，P型轻掺杂区相互连接，能够形成从有源区到芯片的边沿区掺杂浓度逐渐降低，结深也逐渐降低的P型轻掺杂区。本实用新型还公开了三种结终端延伸的终端结构。本实用新型能够提高终端的耐压性和降低终端设计的复杂性。

Description

结终端延伸的终端版图结构及其终端结构

技术领域

本发明涉及半导体功率器件的版图设计方案，特别涉及结终端延伸的终端版图结构及其终端结构。

背景技术

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是新型的大功率器件，它集MOSFET栅极电压控制特性和双极型晶体管低导通电阻特性于一身，改善了器件耐压和导通电阻相互牵制的情况，具有高电压、大电流、高频率、功率集成密度高、输入阻抗大、导通电阻小、开关损耗低等优点，在变频家电、工业控制、电动及混合动力汽车、新能源、智能电网等诸多领域获得了广泛的应用空间。

IGBT终端是围绕器件有源区***的保护结构，根据工作原理可以分为电场延伸型和电场截断型：电场延伸型，在主结边缘处设置延伸结构，将主结耗尽区向外展宽，降低内部电场强度提高击穿电压，用于平面工艺，如场板(FP)、阻性场板(SIPOS)、场限环(FGR)、结终端延伸(JTE)、横向变掺杂(VLD)、RESURF等；电场截断型：刻蚀深槽，截断曲面结，影响表面电场分布，常用于台面或刻蚀工艺。优良的终端保护结构是功率器件(诸如功率二极管、功率MOS管、IGBT等)实现预定耐压的重要保障。

目前广泛用于高压(2500V及其以上)IGBT的终端保护结构主要是场限环(FLR)和结终端延伸结构(JTE)。

FLR结构如图1所示，包含的结构：101为分压保护环，包括主结104和场限环105和106(此处以两级场限环为例)，102为场截止环；当偏压加在电极103时，随着所加偏压的增大，耗尽区沿着主结向场限环的方向延伸。主结和第一级场限环之间的距离的选择标准是，在主结发生雪崩击穿之前，主结的耗尽区与第一级场限环的耗尽区连在一起；第一级场限环和第二级场限环之间距离的选择标准是，第一级场限环发生雪崩击穿之间，第一级场限环的耗尽区与第二级场限环的耗尽区连在一起；以后每级场限环与下一级场限环之间的选择标准依次类推。

JTE的结构如图2所示，在重掺杂主结区204附近通过离子注入或者扩散的方法形成轻掺杂的P型区205，202与205形成JTE终端结构，202为N型场截止环。当IGBT器件耐压工作时，JTE终端结构全部耗尽，PN结的耗尽区沿着表面向外延伸扩展，大大提高了击穿电压。

图2所示的JTE终端结构，其具体的形成方案，如图3所示。304为主结，305为P型轻掺杂区，302为场截止环，从主结到场截止环方向，轻掺杂区305之间的间距逐渐增加；304和305区组成JTE终端结构。器件退火之后形成所示图2的结构，305连在一起，从主结到场截止环方向，掺杂浓度递减，结深也递减。

JTE终端在承受耐压时，JTE终端结构全部耗尽，PN结的耗尽区沿着表面向外延伸扩展，这种结构容易受表面电荷的影响，从而影响器件的击穿电压和可靠性。另外，如图4所示，JTE终端的最大电场区位于JTE终端的最外缘，该位置对氧化层电荷以及界面电荷有较大的敏感度，如果终端结构的设计不当极易造成该位置的提前击穿，影响终端整体的耐压。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供结终端延伸的终端版图结构及其终端结构，用于提高终端的耐压性和降低终端设计的复杂性。

本实用新型提供了一种结终端延伸的终端版图结构，包括有源区，进一步包括：

所述有源区内具有至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT元包结构，所述元包结构为并联结构，有共同的发射极电极、集电极电极和栅极电极；

包围所述有源区***为至少一圈呈涡旋状的P型注入的窗口，每一圈注入窗口之间，从横截面看，间隔一定距离；

通过所述注入窗口能够形成从横截面看相互独立的P型轻掺杂区，经过一定时间的高温退火后，所述P型轻掺杂区相互连接，能够形成从有源区到芯片的边沿区掺杂浓度逐渐降低，结深也逐渐降低的P型轻掺杂区。

进一步地，所述独立的P型轻掺杂区是采用离子注入或者扩散的方法形成的。

进一步地，形成覆盖所述P型轻掺杂区最外沿的一圈场板结构的刻蚀窗口(503)，所述场板结构为电连接或浮空。

本实用新型还提供了一种结终端延伸的终端结构，包括：

主结、P型轻掺杂区，所述P型轻掺杂区包围主结，与主结间隔一定距离；以及

与所述P型轻掺杂区的最外延接触的场板。

本实用新型还提供了一种结终端延伸的终端结构，包括：

主结、P型轻掺杂区，所述P型轻掺杂区包围主结，与主结间隔一定距离； 以及

与所述P型轻掺杂区的最外延非接触的场板。

本实用新型还提供了一种结终端延伸的终端结构，包括：

主结、P型轻掺杂区，所述P型轻掺杂区包围主结，与主结间隔一定距离；以及

在所述P型轻掺杂区的注入窗口对应的位置淀积的阻性场板SIPOS、金属层或多晶硅层。

本实用新型在版图设计上采用涡旋状的P型注入窗口，通过离子注入或者扩散的方法形成P型轻掺杂区，与主结区域氧化层等附属结构共同形成JTE终端结构。同时，本实用新型在JTE终端的外沿形成于该位置电连接或者浮空的场板结构，该场板结构的材料可以为金属也可以为多晶硅，用来保护JTE终端的外沿，防止其过早击穿。

附图说明

图1为现有技术中场限环的结构图；

图2为现有技术中结终端延伸结构的结构图；

图3为现有技术中形成图2所示结终端延伸结构的原理示意图；

图4为现有技术中结终端延伸结构的工作原理图；

图5为本实用新型实施例提供的结终端延伸结构的终端版图结构图；

图6为本实用新型实施例提供的接触场板结构的实现原理图；

图7为本实用新型实施例提供的浮空场板结构的实现原理图；

图8为本实用新型实施例提供的另一种结终端延伸结构的终端结构图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

本实用新型实施例采用特殊的版图设计方法实现JTE终端结构，在保证JTE终端能够降低终端面积这个优点的前提下，降低了JTE终端对氧化层电荷以及界面电荷的敏感度，提高器件的可靠性，并能够降低JTE设计的复杂性。更进一步，本实用新型实施例所提出的技术解决方案在JTE终端的外沿制作形成场板，用来降低该位置的峰值电场，提高器件耐压的可靠性。

实施例一

本实用新型提供的JTE终端结构的版图设计如图5所示，其中图506为有源区，在有源区506内形成一系列的IGBT元包结构，这些元包结构为并联结构，有共同的发射极电极，集电极电极和栅极电极；其中发射极电极以及栅电极通过金属接触板(PAD)通过金属引线形成电连接。包围有源区506***为一圈呈涡旋状的P型注入的窗口505，每一圈注入窗口之间，从横截面看，间隔一定距离；随后采用离子注入或者扩散的方法通过注入窗口形成从横截面看相互独立的P型轻掺杂区；经过一定时间的高温退火后，这些从横截面看相互独立的P型轻掺杂区相互连接，形成从有源区506到芯片的边沿区掺杂浓度逐渐降低，结深也逐渐降低的P型轻掺杂区。这样的P型轻掺杂区组成JTE终端结构的关键部分。当IGBT器件耐压工作时，JTE终端结构的P型轻掺杂区与N型衬底形成的PN结全部耗尽，PN结的耗尽区沿着表面向外延伸扩展。

503为形成覆盖JTE终端结构P型轻掺杂区最外沿的一圈场板结构的刻 蚀窗口(负胶)，该场板结构的主要作用是保护JTE终端结构P型轻掺杂区的最外沿，防止该位置处的电场过大造成提前击穿，引起器件的耐压降低。它与正面金属化同步形成，具体可以为接触的场板结构，也可以为浮空的场板结构。

其中，接触的场板结构的实现形式如图6所示。图6为A-A’的剖面结构。605为通过P型注入窗口505采用离子注入或者扩散的方法形成P型轻掺杂区，虽然注入窗口505在界面方向上是相互分离的，但经过退火之后每个P型轻掺杂区相互连接，形成图示605所示的结构。603为通过窗口503形成的场板结构，它和JTE终端的最外延是接触的，其材料可以为金属也可以为多晶硅。当场板结构603为金属时，形成方法较为简单，形成于正面金属化(即形成栅电极和源电极)；当场板结构603为多晶硅时，场板结构603与栅极多晶硅电极同步形成。604为终端结构的主结，图5中没有示出对应结构；主结604和605组成JTE终端结构的P型轻掺杂区601；602为N型场限环，图5中没有示出对应结构。P型轻掺杂区605包围主结604，与主结604间隔一定距离。

所述采用接触场板结构的JTE终端结构，在JTE终端的外缘形成与JTE外终端外缘形成接触的场板结构，场板的材料可以为多晶硅也可以为金属。场板的存在能够屏蔽外来的杂质离子，极大地降低JTE终端在边缘位置对氧化层电荷以及界面电荷的敏感度，并且能够降低该位置处的峰值电场。

另外，浮空的场板结构的实现形式如图7所示。图7为A-A’的剖面结构。705为通过P型注入窗口505采用离子注入或者扩散的方法形成P型轻掺杂区，虽然注入窗口505在界面方向上是相互分离的，但经过退火之后每个P型轻掺杂区相互连接，形成图示705所示的结构。703为通过窗口503形成 的场板结构，它和JTE终端的最外延不存在电连接，是浮空的，其材料可以为金属也可以为多晶硅。当场板结构703为金属时，场板703形成方法较为简单，形成于正面金属化(即形成栅电极和源电极)；当场板结构703为多晶硅时，场板结构703与栅多晶硅同步形成。704为终端结构的主结，图5中没有示出对应结构；主结704和P型轻掺杂区705组成JTE终端结构701；702为N型场限环。P型轻掺杂区705包围主结704，与主结704间隔一定距离。

所述采用浮空场板结构的JTE终端结构，在JTE终端的外缘形成与JTE外终端外缘形成浮空的场板结构，场板的材料可以为多晶硅也可以为金属。场板的存在能够屏蔽外来的杂质离子，能够极大地降低JTE终端在边缘位置对氧化层电荷以及界面电荷的敏感度，并且能够降低该位置处的峰值电场。

实施例二

本发明所述的终端结构的实现的替代方案，见图8。图8为A-A’的剖面结构。805为通过注入窗口505采用离子注入或者扩散的方法形成P型轻掺杂区，虽然注入窗口505在界面方向上是相互分离的，但经过退火之后每个P型轻掺杂区相互连接，形成图示805所示的结构，随后在注入窗口对应的位置淀积SIPOS或者金属或多晶硅，也即图示807。803为通过窗口503形成的场板结构，它覆盖在SIPOS或金属层或多晶硅上方，其材料可以为多晶硅也可以为金属。804为终端主结。主结804、P型轻掺杂区805、SIPOS或金属层或多晶硅层807组成JTE终端结构801；802为N型场限环。P型轻掺杂区805包围主结804，与主结804间隔一定距离。本实施例的场板结构803可以为电连接也可以为浮空，它与前面两个方案的不同之处在于：在注入窗口内填充SIPOS或多晶硅或金属形成图示的807结构，该结构的加入可 以更好地将电势在在整个JTE终端区均匀分布，提高终端耐压的可靠性。

本实用新型实施例采用涡旋状的P型注入窗口，通过离子注入或者扩散的方法形成P型轻掺杂区，与主结区域共同形成JTE终端，形成JTE的每圈P型轻掺杂阱接近等电位分布，即使JTE每个P型阱之间间距设计不当，经退火之后并没有连成如图6中605的区域，该终端仍能很好的起到JTE终端的作用。这种版图设计方案降低了设计的复杂性，降低了设计的周期。

总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种结终端延伸的终端版图结构，包括有源区(506)，其特征在于，进一步包括：

所述有源区(506)内具有至少一个绝缘栅双极晶体管IGBT元包结构，所述元包结构为并联结构，有共同的发射极电极、集电极电极和栅电极；

包围所述有源区(506)***为至少一圈呈涡旋状的P型注入的窗口(505)，每一圈注入窗口之间，从横截面看，间隔一定距离；

通过所述注入窗口能够形成从横截面看相互独立的P型轻掺杂区，经过一定时间的高温退火后，所述P型轻掺杂区相互连接，能够形成从有源区(506)到芯片的边沿区掺杂浓度逐渐降低，结深也逐渐降低的P型轻掺杂区。

2.根据权利要求1所述的结终端延伸的终端版图结构，其特征在于，所述发射极电极以及栅电极通过金属接触板通过金属引线形成电连接。

3.根据权利要求2所述的结终端延伸的终端版图结构，其特征在于，所述独立的P型轻掺杂区是采用离子注入或者扩散的方法形成的。

4.根据权利要求1、2或3所述的结终端延伸的终端版图结构，其特征在于，该结构进一步包括：形成覆盖所述P型轻掺杂区最外沿的一圈场板结构的刻蚀窗口(503)，所述场板结构为电连接或浮空。

5.一种结终端延伸的终端结构，其特征在于，包括：

主结(604)、P型轻掺杂区(605)，所述P型轻掺杂区(605)包围主结(604)，与主结(604)间隔一定距离；以及

与所述P型轻掺杂区(605)的最外延接触的场板(603)。

6.一种结终端延伸的终端结构，其特征在于，包括：

主结(704)、P型轻掺杂区(705)，所述P型轻掺杂区(705)包围主结(704)，与主结(704)间隔一定距离；以及

与所述P型轻掺杂区(705)的最外延非接触的场板(703)。

7.一种结终端延伸的终端结构，其特征在于，包括：

主结(804)、P型轻掺杂区(805)，所述P型轻掺杂区(805)包围主结(804)，与主结(804)间隔一定距离；以及

在所述P型轻掺杂区(805)的注入窗口对应的位置淀积的阻性场板SIPOS、金属层或多晶硅层。

8.根据权利要求7所述的结终端延伸的终端结构，其特征在于，该结构进一步包括：

覆盖在所述SIPOS、金属层或多晶硅上方的场板结构(803)。