專利名稱：用于電荷平衡功率器件的外圍設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件技術(shù)，更具體地涉及用于電荷平衡 功率器件的外圍i殳計。
背景技術(shù)：
垂直半導(dǎo)體功率器件具有電極布置在兩個相對平面上的結(jié)構(gòu)。 當(dāng)接通垂直功率器件時，漂移電流在器件中垂直地流動。當(dāng)斷開垂 直功率器件時，由于施加至該器件的反偏壓，在器件中形成沿水平 方向延伸的耗盡區(qū)。為了獲得高的擊穿電壓，布置在電極之間的漂 移層由具有高電阻系凄t的材料形成，并且該漂移層的厚度增加。然
而，這導(dǎo)致器件的接通電阻Rds。n的增加，這又減小了導(dǎo)電率以及器 件轉(zhuǎn)換速度，從而降低了器件的性能。
為了解決這個問題，提出了具有漂移層的電荷平衡功率器件，
該漂移層包括以交替方式布置的垂直延伸的n區(qū)(n柱)和p區(qū)(p 柱)。圖1A是這種器件100的布局圖。器件100包括被非活性周界 區(qū)環(huán)繞的活性區(qū)域110，該非活性周界區(qū)包括p環(huán)120和外部終止 區(qū)130。周界p環(huán)120是具有圓角的矩形。依據(jù)該i殳計，終止區(qū)130
可以包括類似形狀交替的p環(huán)和n環(huán)?；钚詤^(qū)域110包括以條帶形 式垂直延伸且交^,布置的p柱110P和n柱110N,并且這些柱沿著 頂部和底部在周界環(huán)120處全冬止。圖1B中可以更清楚;也看見活性 區(qū)中的交替的p柱和n柱的物理結(jié)構(gòu)，其中示出了沿圖1A中線A-A 的陣列區(qū)110的斗黃截面一見圖。
圖1B中所示的功率器件為具有包括了交替的p柱110P和n柱 110N的漂移層16的傳統(tǒng)平面型門電路垂直MOSFET (金屬-氧化 物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)。源極金屬28沿著頂側(cè)與源極區(qū)20和阱 區(qū)18電接觸，而漏4及金屬14沿著器件的底側(cè)與漏才及區(qū)12電接觸。 當(dāng)4妄通器件時，電流^各徑通過交替導(dǎo)電型漂移層16而形成。n柱和 p柱的摻雜濃度及物理尺寸被設(shè)計成在相鄰的柱之間獲得電荷平 #f，從而保i正當(dāng)器件處于斷開狀態(tài)時漂移層16^皮完全耗盡。
返回圖1A，為了實現(xiàn)高擊穿電壓，n柱中的n電荷的數(shù)量和p 柱中的p電荷的數(shù)量在活性區(qū)域110以及該活性區(qū)域與非活性周界 區(qū)之間的界面處都必須達到平4酐。然而，因為各種區(qū)域的幾何形狀 的改變，所以在所有界面區(qū)處實現(xiàn)電荷平4軒，尤其是沿著p柱和n 柱終止于周界環(huán)120中的界面區(qū)的頂部和底部以及在n柱和p柱的 長度變化的轉(zhuǎn)角區(qū)中實現(xiàn)電荷平衡是很困難的。這在圖1C中更清 楚;也示出，其中示出了圖1A中的器件100的左上角的力欠大一見圖。
在圖1C中，活性區(qū)域110中的單位晶檔4皮標成S1。活性p柱 111 (該p柱^皮分割成左半部111-1和右半部111-2 )和活性p柱113 (該p柱^皮分割成左半部113-1和右半部113-2 )由n柱112分開。 單元晶才各S1中的活性p柱111的右半部111-2中的p電荷凄t量Qpl 與活性p柱113的左半部113-1中的p電荷數(shù)量Qp2之和(Qpl + Qp2)等于活性n柱112中的n電荷數(shù)量Qnl。因此，在活性區(qū)域 110的所有部分中實現(xiàn)了最適宜的擊穿電壓，在該活性區(qū)域中保持 了這種電荷平衡。
如所示的那樣，非活性周界區(qū)的轉(zhuǎn)角部分包括周界p環(huán)120以 及具有以交替方式布置的n環(huán)131和p環(huán)132的終止區(qū)130。周界 環(huán)120 (該周界環(huán)^皮分割成下半部121和上半部122)和終止區(qū)p 環(huán)132 (該p環(huán)凈皮分割成下半部132-1和上半部132-2 )由n環(huán)131 分開。單元晶格S2中的p環(huán)132的下半部132-1中的p電荷凄史量 Qptl與3不120的上半4卩122中的p電荷凄t量Qpe之和(Qptl + Qpe ) 等于n環(huán)131中的n電荷lt量Qnt。因此在非活性周界區(qū)的所有部 分中實現(xiàn)了最適宜的擊穿電壓，在該非活性周界區(qū)中保持了這種電 荷平衡。
然而，由于幾何限制，尤其是活性n柱和p柱的長度逐漸減小 的轉(zhuǎn)角區(qū)C， C區(qū)與非活性周界區(qū)之間的界面處的p電荷的數(shù)量和 n電荷的數(shù)量是不平衡的，以使得存在多余的p電荷。這些轉(zhuǎn)角區(qū) 中的電荷不平衡導(dǎo)致器件擊穿特性的惡化。因此，需要消除現(xiàn)有技 術(shù)的電荷不平衡問題的電荷平衡技術(shù)，從而帶來更高的擊穿電壓額 定值(ratings )。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施例，電荷平衡半導(dǎo)體功率器件包括活性區(qū) 域，該活性區(qū)域包括以交^,方式布置的第一導(dǎo)電型柱的條帶和第二 導(dǎo)電型柱的條帶。第一導(dǎo)電型柱的條帶和第二導(dǎo)電型柱的條帶沿著 活性區(qū)域的長度延伸。非活性周界區(qū)圍繞該活性區(qū)，該非活性周界 區(qū)包括環(huán)繞活性區(qū)域的至少一個第 一導(dǎo)電型的環(huán)。緊鄰活性區(qū)域的 邊全彖延伸的至少一個第一導(dǎo)電型柱的條帶的一端基本上在直線處 終止，每一個其余的第一導(dǎo)電型柱的條帶的一端也均在該直線處終 止。該直線垂直于活性區(qū)域的長度(第一導(dǎo)電型柱的條帶和第二導(dǎo) 電型柱的條帶沿著此長度延伸)延伸。
在一個實施例中，每兩個相鄰的第一導(dǎo)電型柱的條帶彼此隔開 第一間隔。該直線限定活性區(qū)域的第一邊緣，以-使得活性區(qū)域的第 一邊纟彖與至少 一 個第 一 導(dǎo)電型的環(huán)隔開第二間隔。
在另一個實施例中，第二間隔小于第一間隔。
在另 一 個實施例中，第二間隔大約等于第 一 間隔的 一 半。
在又一個實施例中，第一導(dǎo)電型柱的條帶和第二導(dǎo)電型柱的條 帶在至少一個第一導(dǎo)電型的環(huán)的一端處鄰接。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，電荷平衡半導(dǎo)體功率器件包括活 性區(qū)域，該活性區(qū)域包4舌以交替方式布置的垂直延伸的第 一導(dǎo)電型 柱的條帶和垂直延伸的第二導(dǎo)電型柱的條帶。每兩個相鄰的第一導(dǎo) 電型柱的條帶彼此隔開第 一 間隔。非活性周界區(qū)環(huán)繞該活性區(qū)域， 并且該非活性周界區(qū)包括至少兩個水平延伸的第 一導(dǎo)電型柱的條 帶和至少兩個垂直延伸的第一導(dǎo)電型柱的條帶。至少兩個水平延伸
的第一導(dǎo)電型柱的條帶彼此隔開第二間隔，而非活性周界區(qū)中的至 少兩個垂直延伸的第一導(dǎo)電型柱的條帶彼此隔開基本上等于第二 間隔的間隔。至少兩個水平延伸的第 一導(dǎo)電型柱的條帶中的每一個 的一端均與非活性周界區(qū)中的至少兩個垂直延伸的第一導(dǎo)電型柱 的條帶中的對應(yīng) 一個條帶隔開第三間隔，其中第二間隔大于第三間 隔。
在一個實施例中，第二間隔基本上等于第一間隔。
在另 一個實施例中，活性區(qū)域中的垂直延伸的第 一導(dǎo)電型柱的 條帶的一端與至少兩個水平延伸的第一導(dǎo)電型柱的條帶的其中之
一隔開基本上等于第三間隔的間隔。
在另 一個實施例中，非活性周界區(qū)中的至少兩個垂直延伸的第 一導(dǎo)電型柱的條帶中的每一個延伸越過至少兩個水平延伸的第一 導(dǎo)電型柱的條帶中的對應(yīng)一個的一端預(yù)定的距離。
在又 一 個實施例中，第三間隔基本上等于第二間隔的 一 半。
通過參照i兌明書的剩余部分和附圖可以進一 步理解在此所/> 開的本發(fā)明的實質(zhì)和優(yōu)點。
圖1八示出了傳統(tǒng)電荷平#]"功率器件的簡化布局圖1B示出了沿圖1A的功率器件中的線A-A的片黃截面—見圖1C示出了圖1A中的功率器件左上角的》文大^L圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的管芯(die)的活性區(qū) 域與該管芯的非活性周界區(qū)之間的界面區(qū)處的簡化布局圖2B示出了針對圖2A中不同的示例性尺寸的模擬擊穿電壓
值；
轉(zhuǎn)角設(shè)計的簡化布局圖4是示出了才艮據(jù)本發(fā)明另一示例性實施例的電荷平4軒功率器 件的轉(zhuǎn)角設(shè)計的簡化布局圖5是示出了才艮據(jù)本發(fā)明又一示例性實施例的電荷平衡功率器 件的轉(zhuǎn)角設(shè)計的簡化布局圖；以及
圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明又一示例性實施例的電荷平衡功率器 件的轉(zhuǎn)角設(shè)計的簡化布局圖。
具體實施方式
圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的容納有電荷平衡功率 器件的管芯(die)的活性區(qū)域與該管芯的非活性周界區(qū)之間的界面 區(qū)處的簡化布局圖。交替的p柱210P和n柱210N在該器件的活性 區(qū)域中延伸?；钚灾?10N、 210P在非活性周界n條帶220處終止。 第一非活性周界p條帶230在周界n條帶220的外側(cè)上延伸。在圖 2A中所示的該示例性電荷平4紆器件中，通過在石圭中生成溝槽并4吏 用諸如有選4奪外延生長(SEG)的技術(shù)用p型石圭填充它們來形成活 性p柱210P和非活性周界p條帶230。因此，相鄰活性柱220P之 間的間隔^皮標注為活性溝槽間隔ActTS,而活性區(qū)i或的邊纟彖與第一 周界p條帶230之間的間隔被標注為第一溝槽間隔TS1 。術(shù)語"活性區(qū)域"在此用來指明器件的這樣一個區(qū)能夠傳導(dǎo) 電流的活性晶格在該區(qū)中形成，而術(shù)語"非活性周界區(qū)"用來指明 器件的這樣一個區(qū)非導(dǎo)電結(jié)構(gòu)在該區(qū)中形成。圖2B示出了針對圖2A中的不同的示例性尺寸的才莫擬擊穿電 壓值。4十對3 [im的活性溝槽間隔ActTS標癥會了與第一溝槽間隔TS1 相對的擊穿電壓。如所見的那樣，當(dāng)TS1小于ActTS (即，TS1< ActTS)時會獲4f4交高的擊穿電壓，而當(dāng)活性4主210N、 210P鄰接 第一周界p條帶230 (即，TS1=0)時會獲得最高的擊穿電壓。圖3-6是根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的電荷平衡功率器件的各種 轉(zhuǎn)角設(shè)計的簡化布局圖。在圖3中，標識出了活性區(qū)域的垂直和水 平的外邊界。如所示的那樣，活性區(qū)i或包4舌以交^辜方式布置的p柱 310P和n柱310N。器件的非活性外周界中的第一 p環(huán)320P通過
第一溝槽間隔TS1與活性區(qū)域的水平邊緣隔開。終止區(qū)330包括以 交4#方式布置的p環(huán)332P、 334P和n環(huán)331N、 333N。活性區(qū)i或 中的相鄰p柱310P之間的活性溝槽間隔浮皮標識為ActTS。非活性 周界區(qū)中的相鄰p環(huán)之間的間隔也等于ActTS,盡管本發(fā)明并不限隔)。圖3中的轉(zhuǎn)角i殳計有利地合并了用于獲得源自圖2A、 2B的高 擊穿電壓的設(shè)計準則，即，圖3中的間隔TS1與ActTS之間的關(guān)系 為TS1 〈ActTS。圖3的設(shè)計的另一個重要特征在于與圖1C現(xiàn)有 技術(shù)中的沿著活性區(qū)域110的左邊^(qū)彖的最后幾個p柱110P和n柱 110N (它們在不同高度處終止，因此具有與活性區(qū)域中的剩余柱不 同的長度)不同，圖3實施例中的活性區(qū)域中的全部n柱310N和 p柱310P在基本上相同的高度(此高度與在圖3中標為"活性區(qū)域 邊緣"的水平尺寸對應(yīng))處終止，因此具有基本上相同的長度。這 不僅提供了活性區(qū)域的轉(zhuǎn)角處的改善的電荷平衡，而且導(dǎo)致活性區(qū) 域延伸越過可用的硅區(qū)域的更大部分，因此實現(xiàn)更有效地使用硅。除了非活性周界環(huán)420P、 431N、 432P、 433N、 434P在管芯的轉(zhuǎn)角處具有比圖3中的那些周界環(huán)更尖銳的角度之外，圖4中的實 施例與圖3中的類似。盡管示出了這些環(huán)具有尖銳的90°角，但是 實際上這些環(huán)會在轉(zhuǎn)角處略孩么地倒圓。如圖3中的實施例那樣，活 性區(qū)域中的全部p環(huán)410P和n環(huán)410N都具有基本上相同的長度， 且TSl小于ActTS。在一個實施例中，TS1約等于ActTS的一半。圖5的實施例與圖4的類似，除了將TS1設(shè)定為零之外，因此 活性柱510N、 510P在第一非活性周界p環(huán)520P處終止并且與之 鄰接。再一次，由于全部活性柱具有相同的長度，在管芯的轉(zhuǎn)角處 獲得了改善的電荷平衡結(jié)構(gòu)，并且使硅的功用最大化。
圖6示出了與圖4類似的實施例，除了周界環(huán)是不連續(xù)的并且 以特定方式彼此偏離之外，從而在活性區(qū)域與非活性外周界之間的 界面處以及在轉(zhuǎn)角區(qū)中都獲得最適宜的電荷平衡。在圖6中，如之 前的實施例那樣，間隔TS1大體上小于間隔ActTS，并且在一個實 施例中間隔TS1約為間隔ActTS的一半。使周界p環(huán)在轉(zhuǎn)角處不連 續(xù)能夠?qū)崿F(xiàn)偏移周界環(huán)的不連續(xù)的側(cè)向和水平區(qū)4史。如所示的那 樣，水平p區(qū)4殳620P-1和垂直p區(qū)段620P-2 (它們在之前的實施 例中形成連續(xù)的環(huán))通過間隔S1彼此隔開。此外，垂直p區(qū)段620P-2 延伸越過水平p區(qū)段620P-l，并且與下一個7jc平p區(qū)段632P-1隔 開等于Sl的距離。其他的周界垂直區(qū)段和水平區(qū)段也類似地布置。水平周界p區(qū)^殳620P-1、 632P-l、 634P-l彼此隔開距離S2， 并且同樣地，垂直周界p區(qū),殳620P-2、 632P-2、 634P-2 4皮此隔開距 離S2。通常，Sl小于S2。在一個實施例中，S2等于ActTS， Sl 等于TSl,且Sl等于S2的一半(即，S1=TS1-S2/2 = ActTS/2)。 該實施例在管芯的轉(zhuǎn)角處實現(xiàn)了最適宜的電荷平#f 。在此公開的各種電荷平衡技術(shù)可以與圖1C中所示的垂直平面 型門電^各MOSFET、其他的電荷平衡MOSFET變體(諸如溝槽門 電路和屏蔽門電路結(jié)構(gòu))、以及其他電荷平衡功率裝置(諸如IGBT、 雙極晶體管、二極管和肖特基器件)相結(jié)合。例如，本發(fā)明的各種 實施例可以與上面所引用的于2004年12月29日提交的美國專利 申i青第11/026,276號的圖14、 21-24、 28A-28D、 29A-29C、 61A、 62B、 63A(例如)中所示的任何器件相結(jié)合，該專利申請整體結(jié)合 于此作為參考。盡管上面提供了本發(fā)明的各種實施例的詳細描述，但是多種替 換、^修改和等同物都是可行的。并且，應(yīng)理解，在此所提供的所有 以數(shù)字表示的實例和材料類型都僅僅是為了說明目的并且意圖不 在于限制本發(fā)明。例如，上述實施例中的各種區(qū)的極性可以反轉(zhuǎn)以 獲得相反類型的器件。因此，由于這個以及其他原因，上面的描述 不應(yīng)用來限制由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，包括活性區(qū)域，包括以交替方式布置的第一導(dǎo)電型柱的條帶和第二導(dǎo)電型柱的條帶，所述第一導(dǎo)電型柱的條帶和所述第二導(dǎo)電型柱的條帶沿所述活性區(qū)域的長度延伸；以及環(huán)繞所述活性區(qū)域的非活性周界區(qū)，包括環(huán)繞所述活性區(qū)域的至少一個第一導(dǎo)電型的環(huán)，其中，緊鄰所述活性區(qū)域的邊緣延伸的至少一個所述第一導(dǎo)電型柱的條帶的一端基本上在直線處終止，每一個其余的所述第一導(dǎo)電型柱的條帶的一端也均在所述直線處終止，所述直線垂直于所述活性區(qū)域的長度延伸，所述第一導(dǎo)電型柱的條帶和所述第二導(dǎo)電型柱的條帶沿著所述活性區(qū)域的長度延伸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，每兩 個相鄰的所述第 一導(dǎo)電型柱的條帶;f皮此隔開第 一間隔，所述直 線限定所述活性區(qū)域的第 一 邊緣，所述活性區(qū)域的所述第 一 邊 血彖與所述至少 一 個第 一 導(dǎo)電型的環(huán)隔開第二間隔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所述 第二間隔小于所述第 一 間隔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所述 第二間隔大約等于所述第 一 間隔的 一半。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所述 非活性周界區(qū)包括多個第 一導(dǎo)電型的環(huán)，每兩個相鄰的第 一導(dǎo) 電型的環(huán);波此隔開基本上等于所述第一間隔的距離。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所述 至少一個第一導(dǎo)電型的環(huán)是具有圓角的矩形或正方形。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所述 至少 一個第 一導(dǎo)電型的環(huán)是具有基本上尖銳的轉(zhuǎn)角的矩形或 正方形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所述 第一導(dǎo)電型柱的條帶和所述第二導(dǎo)電型柱的條帶在一端處與 所述至少一個第一導(dǎo)電型的環(huán)鄰接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所述 電荷平衡半導(dǎo)體功率器件是垂直導(dǎo)電功率器件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所述 第一導(dǎo)電型是p型而所述第二導(dǎo)電型是n型。
11. 一種電荷平衡半導(dǎo)體器件，包括活性區(qū)域，包括以交替方式布置的垂直延伸的第一導(dǎo)電 型柱的條帶和垂直延伸的第二導(dǎo)電型柱的條帶，每兩個相鄰的 所述第一導(dǎo)電型柱的條帶彼此隔開第一間隔；以及環(huán)繞所述活性區(qū)域的非活性周界區(qū)，包括至少兩個水平 延伸的第一導(dǎo)電型柱的條帶和至少兩個垂直延伸的第一導(dǎo)電 型柱的條帶，所述至少兩個水平延伸的第 一導(dǎo)電型柱的條帶彼 此隔開第二間隔，而非活性周界區(qū)中的所述至少兩個垂直延伸 的第 一 導(dǎo)電型柱的條帶彼此隔開基本上等于所述第二間隔的 間隔，所述至少兩個水平延伸的第 一 導(dǎo)電型柱的條帶中的每一 個的一端均與非活性周界區(qū)中的所述至少兩個垂直延伸的第一導(dǎo)電型柱的條帶中的對應(yīng) 一個隔開第三間隔，其中所述第二 間隔大于所述第三間隔。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所 述第二間隔基本上等于所述第 一間隔。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，活 性區(qū)域中的所述垂直延伸的第一導(dǎo)電型柱的條帶的一端與所 述至少兩個水平延伸的第一導(dǎo)電型柱的條帶之一隔開基本上 等于所述第三間隔的間隔。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，非.活性周界區(qū)中的所述至少兩個垂直延伸的第一導(dǎo)電型柱的條 帶中的每一個均延伸越過所述至少兩個水平延伸的第一導(dǎo)電型柱的條帶中的對應(yīng)一個的一端預(yù)定的距離。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所 述第三間隔基本上等于所述第二間隔的一半。
16. 才艮據(jù)權(quán)利要求11所述的電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其中，所 述第一導(dǎo)電型是p型而所述第二導(dǎo)電型是n型。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電荷平衡半導(dǎo)體功率器件，其包括具有以交替方式布置的p柱條帶和n柱條帶的活性區(qū)域，p柱條帶和n柱條帶沿著活性區(qū)域的長度延伸。非活性周界區(qū)環(huán)繞活性區(qū)域，并且包括環(huán)繞活性區(qū)域的至少一個p環(huán)。緊鄰活性區(qū)域的邊緣延伸的至少一個P柱的條帶的一端基本上在直線處終止，每一個其余的p柱的條帶的一端也均在該直線處終止。該直線垂直于活性區(qū)域的長度延伸，其中n柱條帶和p柱條帶沿著活性區(qū)域的長度延伸。
文檔編號H01L23/58GK101401205SQ200780008745
公開日2009年4月1日 申請日期2007年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月13日
發(fā)明者克里斯多佛·博古斯洛·科庫, 樸贊毫, 李在吉, 約瑟夫·安德魯·葉季納科, 詹森·希格斯 申請人:飛兆半導(dǎo)體公司