专利名称：一种高压器件的保护环结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种高压半导体功率器件中的保护环结构以及制造方法。
背景技术：
随着石油煤炭储备不停地减少，而人类的能源消耗却不断增加，节能成为二十一世纪人类的共识。据美国能源部估计，有三分之二的电力被用在马达驱动上。而主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用等功率器件，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)和与之配套的快恢复二极管(简称FRD)，可以使马达驱动节能20% 30%。可 以预计，功率器件会在未来快速增长。半导体功率器件的结构离不开PN结(PN junction)。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。然而，扩散形成的PN结结深一般为几个微米，其曲率会导致电场集中，使击穿电压远比平面结的低。如平面结耐压超过1200V的器件，如使用5微米深的结，其曲率会导致电场集中使击穿电压低于400V，远低于平面结的击穿电压，因此在器件的需的外围需要保护环。场板场限环结构是其中发展较早的，工艺比较简单，同时不增加光刻层次的方法，至今被广泛应用。请参阅图1，图I为现有技术中的场板加场限环结构的示意图。如图所示，中间区域是器件区9，保护环由一系列嵌在N型单晶硅区3中的P+型注入扩散区的扩散环5组成，最外围的N+注入扩散层区4为等位环(工作时接高压或悬浮)。紧邻器件区9的P+型注入扩散区的的扩散环5为零环，该扩散环5在器件区9工作时接零，再外一圈的P+型注入扩散区的的扩散环5为第一环，工作时悬浮，依次类推，即图I的P+型注入扩散区的的扩散环5 (场限环部分)不停重复，可得到第二、三、四环以至更多的环，以满足耐压的需求。保护环的制作过程大致如此，在衬底上，光刻P+型注入扩散区的的扩散环5，注入，然后，光刻等位环区4，注入并推阱。请参阅图2，图2是现有技术的场板加场限环结构在氧化过程中加压后的结构示意图。由于氧化过程不可避免会在氧化层或硅氧化层界面引入正电荷，使表面的耗尽区边界向内侧弯曲，如图所示，虚线为变形后的耗尽区界限，从而导致表面电场增加，击穿电压降低。众所周知，随着击穿电压的增加，场板加场限环结构所需保护环的面积随之增加，为弥补由于氧化工艺引入的正电荷会增加表面电场，使击穿电压降低，即为维持击穿电压，需要增加环的数目来弥补。因此，如何在氧化过程避免在氧化层或硅氧化层界面引入正电荷，使表面的耗尽区边界向内侧弯曲，减少环的数目是目前业界急需解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种半导体功率器件中的高压保护环结构，通过改变现有技术中的环结构，在相同的耐压值下，通过缩短环间距，从而缩小了保护环面积，或优化每一个环间距，使每一环间距的耐压增加，以减少环的数目，缩小保护环面积同时缩短保护环设计时间。为达成上述目的，本发明提供一种高压器件的保护环结构，其包括在其表面上具有间断的氧化层的N型单晶硅衬底、其部分覆盖在露出的N型单晶硅衬底表面和氧化层上的金属场板、嵌于N型单晶硅衬底中的器件区、嵌于所述N型单晶硅衬底中的多个P+型注入扩散环和嵌于所述N型单晶硅衬底中的等位环，其中，紧邻器件区的P+型注入扩散环为零环，且以器件区为中间区域环绕分布，在器件区工作时接零；其他P+型注入扩散环在所述器件区工作时悬浮，且以零环为中间区域，一环环绕于另一个环的外圈；等位环环绕于多 个P+型注入扩散环的外围；还包括零偏压下完全耗尽的N型注入扩散环和零偏压下完全耗尽的P型注入扩散环，零偏压下完全耗尽的N型注入扩散环嵌于所述P+型注入扩散环的环内，以提供正电荷；以及零偏压下完全耗尽的P型注入扩散环，嵌于N型单晶硅衬底中，位于两个P+型注入扩散环或P+型注入扩散环和等位环之间，且在金属场板的外侧，以提供负电荷，从而产生一个指向外侧且方向与表面电场相反的电场。根据本发明的高压保护环结构，所述N型注入扩散环位于P+型注入扩散环内且靠近环外侧边界。根据本发明的高压保护环结构，所述N型注入扩散环的底边与P+型注入扩散环内的耗尽区边界底边平齐。根据本发明的高压保护环结构，所述N型注入扩散环为N型注入轻掺杂扩散区。根据本发明的高压保护环结构，所述P型注入扩散环为P型注入轻掺杂扩散区。根据本发明的高压保护环结构，所述P型注入扩散环靠近所述P+型注入扩散环的内环边界设置。根据本发明的高压保护环结构，所述P型注入扩散环的截面积小于等于所述N型注入扩散环的截面积。根据本发明的高压保护环结构，所述氧化层的厚度为大于I微米。为达成上述目的，本发明还提供一种高压器件保护环结构的制造方法，包括如下步骤
步骤SOl :区熔硅单晶上生长一薄层氧化层，在硅单晶上表面上形成具有间断的氧化
层；
步骤S02 :光刻N型注入扩散环区域，注入N型杂质；光刻P型注入扩散环区域，注入P型杂质；再光刻等位环区域，注入N型杂质；
步骤S03:生长场氧化层，使金属场板部分覆盖在露出的N型单晶硅衬底的表面和氧化层上；
步骤S04 :光刻器件区；
步骤S05 :光刻多个P+型注入扩散环区域，并注入P+型杂质以形成P+型注入扩散环，去胶后推阱；步骤S06 :金属沉积刻蚀,钝化层沉淀刻蚀；
步骤S07 :背面减薄，注入杂质并激活，背面金属沉积。从上述技术方案可以看出，本发明的场板加场限环结构引了入完全耗尽的N或P型硅，提供与表面电场方向相反的电场，以减弱导致击穿的表面电场，提高了击穿电压。因此，在相同的耐压值的情况下，本发明的场板加场限环结构，不仅减少了环的数目，节省面积，同时，也减低了在氧化工艺中的正电荷对击穿电压的影响。
图I为应用于现有技术中的场板加场限环结构的截面示 意图
图2为应用于现有技术中的场限环在氧化过程中加压后的示意图；其中，细虚线是耗尽区在P型环的边界，点划线是耗尽区在N型轻掺区的边界。图3为本发明一具体实施例的场板加场限环截面图示意图
图4为本发明场限环结构在氧化过程中加压后的示意图；其中，细虚线是耗尽区在P型环的边界，点划线是耗尽区在N型轻掺区的边界
具体实施例方式体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图3-图4对本发明的场板加场限环的保护环结构进行详细说明。请参阅图3，图3为本发明一具体实施例场板加场限环的保护环结构截面示意图。为叙述方便起见，在本发明的实施例中，器件区9外的保护环仅包括两个P+型注入扩散环5和一个等位环4，在其它的实施例中，P+型注入扩散环5可以根据耐压的需要设置3、4、5个或更多，在此不再赘述。如图3所示，与现有技术所应用结构相同的是该保护环结构包括N型单晶硅衬底
3、嵌于N型单晶硅衬底3中的器件区9、在N型单晶硅衬底3表面上具有间断的氧化层I以及金属场板2 ;金属场板2是部分覆盖在露出的N型单晶硅衬底3的表面和氧化层I上。每个器件区9的保护环结构由2个嵌于N型单晶硅衬底3中的P+型注入扩散环5和一个等位环4，且以器件区9为中间区域环绕分布。优选地，氧化层I的厚度大于I微米。紧邻器件区9的P+型注入扩散环5为零环，在器件区9工作时接零；另一个P+型注入扩散环5，以零环为中间区域，且环绕于零环的外圈，在器件区9工作时悬浮；N+注入扩散等位环4环绕于P+型注入扩散环5的外圈，在器件区9工作时，等位环4接高压或悬浮。与现有技术所应用结构所不相同的是本发明还包括了零偏压下完全耗尽的N型注入扩散环6和零偏压下完全耗尽的P型注入扩散环7，以产生一个指向外侧且方向与表面电场相反的电场。其中，N型注入扩散环6嵌于P+型注入扩散环5的环内，以提供正电荷；以及P型注入扩散环7，嵌于N型单晶硅衬底3中，并且，位于两个P+型注入扩散环5之间，或者，位于P+型注入扩散环5和等位环4之间，以提供负电荷。
进一步地，零偏压下完全耗尽的N型注入扩散环6和零偏压下完全耗尽的P型注入扩散环7是成对的出现，优选地，每个P+型注入扩散环5中均包含N型注入扩散环6，每两个P+型注入扩散环5之间，以及P+型注入扩散环5和等位环4之间，均设置一个P型注入扩散环7。需要强调的是，P型注入扩散环7须在金属场板I的外侧，这样，提供的负电荷才可以全部用来产生指向等位环的电场，反之会相互抵消。另外，N型注入扩散环6须完全耗尽才能提供正电荷，同样，P型注入扩散环7须完全耗尽，才能提供负电荷。可以看出，P+型注入扩散环5区引入的N型注入扩散环6和两个P+型注入扩散环5区之间的P型注入扩散环7距离越近，附加电场越强。在设计中尽量缩短N型注入扩散环6和P型注入扩散环7这两个区域之间的距离。在本发明的一些实施例中，N型注入扩散环6位于所述P+型注入扩散环(5)内且靠近环外侧边界。进一步地，P型注入扩散环7靠近位于P+型注入扩散环5的内环边界，以及，P+型注入扩散环5和等位环4之间设置的P型注入扩散环7，位于P+型注入扩散环·5和等位环4中间。众所周知，P+型环区引入的N区的电荷数目越多，P+型环区之间的N型单晶硅内的P型区的电荷数目越多，附加电场越强。因此在设计中尽量增加这两个区域的面积，在实际的设计中，一般将N型注入扩散环6的底边尽量设计成与P+型注入扩散环5内的耗尽区边界底边平齐。而且，因需要完全耗尽，掺杂不能非常高，因此，N型注入扩散环6为N型注入轻掺杂扩散区。P型注入扩散环7为P型注入轻掺杂扩散区。在本发明的一些实施例中，P型注入扩散环7的截面积小于等于N型注入扩散环6的截面积。请参阅图4，图4为本发明场限环结构在氧化过程中加压后的示意图；其中，细虚线是耗尽区在P型环的边界，点划线是耗尽区在N型轻掺区的边界。如图所示，由于附加电场的影响，对比图2可以看到，硅氧化硅界面耗尽区界限往外侧推移，即本发明的保护环结构引入了正负电荷，提供了指向等位环4的电场，该电场的方向与表面电场相反，由此可以降低表面电场，增加击穿电压。在本发明的一个实施例中，上述高压器件保护环结构的制造方法，包括如下步骤
步骤SOl :区熔硅单晶上生长一薄层氧化层，在硅单晶上表面上形成具有间断的氧化
层；
步骤S02 :光刻N型注入扩散环区域，注入N型杂质；光刻P型注入扩散环区域，注入P型杂质；再光刻等位环区域，注入N型杂质；
步骤S03:生长场氧化层，使金属场板部分覆盖在露出的N型单晶硅衬底的表面和氧化层上；
步骤S04 :光刻器件区；
步骤S05 :光刻多个P+型注入扩散环区域，并注入P+型杂质以形成P+型注入扩散环，去胶后推阱；
步骤S06 :金属沉积刻蚀,钝化层沉淀刻蚀；
步骤S07 :背面减薄，注入杂质并激活，背面金属沉积。
综上所述，本发明的保护环结构引了入完全耗尽的N或P型硅，提供与表面电场方向相反的电场，以减弱导致击穿的表面电场，提高了击穿电压。因此，在相同的耐压值的情况下，本发明的场板加场限环结构，不仅减少了环的数目，节省面积，同时，也减低了在氧化工艺中的正电荷对击穿电压的影响。
以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种高压器件的保护环结构，其包括 N型单晶硅衬底(3)，在其表面上具有间断的氧化层(I)； 金属场板(2)，其部分覆盖在露出的所述N型单晶硅衬底(3)的表面和氧化层(I)上， 器件区(9)，嵌于N型单晶硅衬底(3)中； 多个P+型注入扩散环(5)，嵌于所述N型单晶硅衬底(3)中，其中，紧邻所述器件区(9)的P+型注入扩散环(5)为零环，且以所述器件区(9)为中间区域环绕分布，在所述器件区(9)工作时接零；其他P+型注入扩散环(5)，在所述器件区(9)工作时悬浮，且以零环为中间区域，一环环绕于另一个环的外圈； 等位环(4)，嵌于所述N型单晶硅衬底(3)中，且环绕于所述多个P+型注入扩散环(5)的外围； 其特征在于 零偏压下完全耗尽的N型注入扩散环(6 )，嵌于所述P+型注入扩散环(5 )的环内，以提供正电荷；以及 零偏压下完全耗尽的P型注入扩散环(7)，嵌于N型单晶硅衬底(3)中，位于两个所述P+型注入扩散环(5 )或所述P+型注入扩散环(5 )和所述等位环(4 )之间，且在所述金属场板(2)的外侧，以提供负电荷，从而产生一个指向外侧且方向与表面电场相反的电场。
2.根据权利要求I所述的保护环结构，其特征在于，所述N型注入扩散环(6)位于所述P+型注入扩散环(5)内且靠近环外侧边界。
3.根据权利要求2所述的保护环结构，其特征在于，所述N型注入扩散环(6)的底边与所述P+型注入扩散环(5)内的耗尽区边界底边平齐。
4.根据权利要求I所述的保护环结构，其特征在于，所述N型注入扩散环(6)为N型注入轻掺杂扩散区。
5.根据权利要求I所述的保护环结构，其特征在于，所述P型注入扩散环(7)为P型注入轻掺杂扩散区。
6.根据权利要求I所述的保护环结构，其特征在于，所述P型注入扩散环(7)靠近所述P+型注入扩散环(5 )的内环边界设置。
7.根据权利要求I所述的保护环结构，其特征在于，所述P型注入扩散环(7)的截面积小于等于所述N型注入扩散环(6)的截面积。
8.根据权利要求I所述的保护环结构，其特征在于，所述氧化层(I)的厚度为大于I微米。
9.一种高压器件保护环结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤SOl :区熔硅单晶上生长一薄层氧化层，在硅单晶上表面上形成具有间断的氧化层； 步骤S02 :光刻N型注入扩散环区域，注入N型杂质；光刻P型注入扩散环区域，注入P型杂质；再光刻等位环区域，注入N型杂质； 步骤S03 :生长场氧化层，使金属场板部分覆盖在露出的N型单晶硅衬底的表面和氧化层上； 步骤S04 :光刻器件区； 步骤S05 :光刻多个P+型注入扩散环区域，并注入P+型杂质以形成P+型注入扩散环，去胶后推阱； 步骤S06 :金属沉积刻蚀,钝化层沉淀刻蚀； 步骤S07 :背面减薄，注入杂质并激活，背面金属沉积。
全文摘要
本发明揭示了一种高压半导体功率器件中的保护环结构以及制造方法。该保护环结构包括间断的氧化层、N型单晶硅衬底、金属场板、器件区、多个P+型注入扩散环和等位环，还包括零偏压下完全耗尽的N型注入扩散环和零偏压下完全耗尽的P型注入扩散环，N型注入扩散环嵌于P+型注入扩散环的环内，以提供正电荷；以及P型注入扩散环，嵌于N型单晶硅衬底中，位于两个P+型注入扩散环或P+型注入扩散环和等位环之间，且在金属场板的外侧，以提供负电荷，从而产生一个指向外侧且方向与表面电场相反的电场。因此，在相同的耐压值的情况下，本发明的保护环结构，不仅减少了扩散环的数目，同时，也减低了在氧化工艺中的正电荷对击穿电压的影响。
文档编号H01L29/06GK102969343SQ201210405330
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者孙德明, 周伟 申请人:上海集成电路研发中心有限公司