终端保护环及其制造方法与流程

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种终端保护环技术。

背景技术：
随着全球气候变暖日益严重，人类对绿色能源需求日益增加，功率半导体器件的重要性也更加突出。近年来，功率半导体器件技术迅速发展。终端保护环结构是功率半导体器件中的重要组成部分。终端保护环的主要作用是承担器件横向电场，保证功率半导体器件的耐压。终端保护环设计主要有两大挑战：1）减小终端保护环的面积有利于降低器件的生产成本；2）优化终端保护环处的电场分布，使得电势均匀分布，有利于提高器件的可靠性。目前常用的终端保护环技术方案之一是采用场限环结构。场限环是由环形的多根P型掺杂的结构组成，为了减小终端保护环的面积，可以在P型环的一侧加入N型掺杂的环形结构，从而形成P+N-N+P+的P型场限环叠加N型场限环的复合场限环结构。由于通常表面电场大于半导体体内电场，传统N型掺杂环做在器件的表面，如图1所示。本发明的发明人发现，目前的N型场限环环形成在器件表面，通常在0.5um以内，这种形式的场限环由于PN结界面集中在表面，不有利于电场的均匀分布，从而导致器件的可靠性相对不良。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种终端保护环及其制造方法，使终端保护环中的场限环表面的电场分布更均匀，从而有效提高器件的高压特性和可靠性。为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种终端保护环，包括至少一组位于半导体衬底的复合场限环；每组复合场限环包括至少一个N型场限环和至少一个P型场限环，且每个该P型场限环至少有一侧连接一个上述N型场限环形成PN结；该N型场限环的深度大于与该N型场限环连接的上述P型场限环深度的三分之一。本发明的实施方式还公开了一种制造终端保护环的方法，包括以下步骤：提供半导体衬底；生成至少一组位于半导体衬底的复合场限环，其中每组复合场限环包括至少一个N型场限环和至少一个P型场限环，且每个该P型场限环至少有一侧连接一个上述N型场限环形成PN结，且该N型场限环的深度大于与该N型场限环连接的该P型场限环深度的三分之一。本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：传统工艺中器件的最大电场通常发生在器件表面，为了有效提高表面场限环之间的耐压性，一般将终端保护环中的N型场限环形成在器件表面。但是，这样做会使N型场限环和P型场限环形成的PN结的曲率半径较小，PN结处的电场分布不均匀，导致器件的可靠性的不良。本发明提出的终端保护环中，N型场限环的深度大于P型场限环的深度的三分之一，N型场限环的深度更深，掺杂浓度分布更平缓，PN结面积更大，使场限环表面的电场分布更均匀，进而有效提高器件的高压特性和可靠性。进一步地，上述N型场限环的深度大于与该N型场限环连接的上述P型场限环的深度，能够进一步使得场限环处的电场分布更均匀，提高器件的高压特性以及可靠性。进一步地，上述N型场限环对称分布在于上述P型场限环的两侧，可以提高器件表面掺杂浓度，从而提高器件的抗电压蠕变的性能，其中电压蠕变是指器件的电压较缓慢地逐步上升或逐步下降。进一步地，使用磷作为掺杂元素，可以提高上述N型掺杂元素的扩散长度，更有利于形成本专利中所要求的器件结构。进一步地，上述N型场限环和P型场限环使用相同的光刻图形，可以起到节省成本的作用。附图说明图1是现有技术中的一种终端保护环的结构示意图；图2是本发明第一实施方式中一种终端保护环的结构示意图；图3是本发明第一实施方式中一种终端保护环的结构示意图；图4是本发明第一实施方式中一种终端保护环的结构示意图；图5是本发明第二实施方式中一种制造终端保护环的方法的流程示意图。具体实施方式在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。在本发明中，不同附图中相同的参考标记代表相同的或者类似的部件。本发明第一实施方式涉及一种终端保护环。图2是该终端保护环的结构示意图。具体地说，如图2所示，该终端保护环包括至少一组位于半导体衬底3的复合场限环。每组复合场限环包括至少一个N型场限环1和至少一个P型场限环2，且上述每个P型场限环2至少有一侧连接一个N型场限环1形成PN结。该N型场限环1的深度大于与该N型场限环1连接的该P型场限环2深度的三分之一。其中，场限环的深度是指场限环的底端到半导体衬底表面的距离。此外，可以理解，在本发明的其他实施方式中，上述N型场限环1的深度可以大于与该N型场限环1连接的P型场限环2的深度，如图3所示。上述N型场限环的深度大于与该N型场限环连接的P型场限环的深度，能够进一步使得场限环处的电场分布更均匀，提高器件的高压特性以及可靠性。在本实施方式中，上述N型场限环1分布于上述P型场限环2低电势的一侧。此外，可以理解，在本发明的其他实施方式中，上述N型场限环1可以对称分布于上述P型场限环2的两侧，如图4所示。该N型场限环对称分布在于P型场限环的两侧，可以提高器件表面掺杂浓度，从而提高器件的抗电压蠕变的性能，其中电压蠕变是指器件的电压较缓慢地逐步上升或逐步下降。在本实施方式中，上述N型场限环1的掺杂元素为磷。使用磷作为掺杂元素，可以提高N型掺杂元素的扩散长度，更有利于形成本专利中所要求的器件结构。此外，可以理解，在本发明的其他实施方式中，掺杂元素也可以用磷以外的其它N型掺杂元素，如砷、氮等。传统工艺中器件的最大电场通常发生在器件表面，为了有效提高表面场限环之间的耐压性，一般将终端保护环中的N型场限环形成在器件表面。但是，这样做会使N型场限环和P型场限环形成的PN结的曲率半径较小，PN结处的电场分布不均匀，导致器件的可靠性的不良。本发明提出的终端保护环中，N型场限环的深度大于P型场限环的深度的三分之一，N型场限环的深度更深，掺杂浓度分布更平缓，PN结面积更大，使场限环表面的电场分布更均匀，进而有效提高器件的高压特性和可靠性。本发明第二实施方式涉及一种制造终端保护环的方法。图5是该制造终端保护环的方法的流程示意图。如图5所示，该制造终端保护环的方法包括以下步骤：在步骤101中，提供半导体衬底。步骤102至步骤104主要是生成至少一组位于半导体衬底的复合场限环的具体步骤，其中每组复合场限环包括至少一个N型场限环和至少一个P型场限环，且上述每个P型场限环至少有一侧连接一个上述N型场限环形成PN结，且该N型场限环的深度大于与该N型场限环连接的上述P型场限环深度的三分之一。具体地说，在步骤102中，使用光刻工艺定义注入区域。可以理解，对于N型场限环对称分布于P型场限环的两侧的复合场限环结构，可以使用相同的光刻图形。该N型场限环和P型场限环使用相同的光刻图形，可以起到节省成本的作用。此后进入步骤103，注入掺杂元素。在本步骤中，N型掺杂元素为磷。在本步骤中，掺杂元素的注入角度为0度角，或者掺杂元素的注入角度在30度到60度之间。可以理解，掺杂元素的注入角度的范围根据掺杂元素的侧向扩散的需求而不同，可以在30度到60度的范围以内，也可以在其它范围。其中，注入角度为掺杂元素的注入方向与半导体衬底的法线之间的夹角。此后进入步骤104，通过退火工艺控制上述N型场限环或P型场限环的深度。可以理解，在本发明其它实施例中，两种场限环的深度也可以直接在注入掺杂元素时通过改变注入能量来控制。此后结束本流程。本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。本发明的第三实施方式涉及一种制造终端保护环的方法。在本实施方式中，终端保护环中场限环的制造为整个器件制造流程的开始阶段。场限环形成在硅材料衬底上。在本实施方式中，首先，使用光刻工艺，定义N型场限环的注入区域，此注入区域通常是由多根环形区域构成。此定义的区域中，光刻胶开口的区域宽度通常在0.5微米到50微米之间；开口区域的间距通常在10微米到100微米之间。此间距距离通常取决于器件的电压等级，器件电压等级越高，则此间距距离越大。在一个3300VIGBT（(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)的应用实例中，此间距在200微米到300微米之间。在光刻工艺完成之后，使用N型掺杂的元素进行注入，此N型掺杂元素通常为磷或砷，在本发明的实施例中，更倾向于使用磷作为掺杂元素，其目的是为了提高该N型掺杂元素的扩散长度，更有利于形成本发明中所要求的器件结构。掺杂元素注入的计量通常在1E12cm-2到1E15cm-2之间。注入的角度可以是0度角，也可以是大角度注入，优选地，在本实施方式中注入的角度在30度到60度之间。大角度注入的主要目的是为了增加N型掺杂元素的侧向扩散。在上述N型场限环的掺杂元素注入完成后，通常需要先对该N型场限环注入的元素进行一个激活推阱的热过程。此热过程通常使用高温炉管进行。优选地，此退火的温度通常在1000度到1200度之间，退火时间通常在30分钟到2小时之间。之后，开始进行P型场限环的制造，其制造过程同常规方法基本一致。主要过程包括使用光刻工艺定义该P型场限环的注入区域，对该P型场限环进行注入。该P型场限环注入完成后，对该P型场限环以及上述N型场限环再次进行退火工艺，此退火工艺的条件主要取决于该P型场限环的设计要求，优选地，在本实施方式中使用的热过程为1100度，2个小时。此时，既已形成了上述N型场限环同P型场限环交叉的复合场限环结构，且该N型场限环的深度通常在该P型场限环的深度三分之一以上。该N型场限环的深度也可以深于该P型场限环的深度。最后，在此基础上可以进行整个器件的其它部分工艺，可以包括有源区的形成，栅极的形成，接触孔的形成，金属的形成等工艺。这些工艺同常规工艺类似，此处不再赘述。在本实施方式中，上述N型场限环和P型场限环使用了不同的光刻图形。在本发明的其他实施例中，对于N型场限环对称分布于P型场限环两侧的复合场限环，该N型场限环可以同P型场限环使用相同的光刻图形，从而起到节省成本的作用。在上述描述的实施方式中，上述N型场限环的制作在P型场限环制作之前。在本发明的其它实施方式中，可以先进行P型场限环制作再进行N型场限环制作。需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。