专利名称：用于功率器件的电荷平衡技术的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及半导体功率器件技术，更具体地涉及用于半导体功 率器件的电荷平衡技术。
背景技术：
垂直半导体功率器件具有电极布置在两个相对平面上的结构。 当接通垂直功率器件时，漂移电流在该器件中垂直地流动。当断开 垂直功率器件时，由于施加在该器件上的反向偏压，在器件中形成 沿水平方向和垂直方向延伸的耗尽区。为了获得高击穿电压，设置 在电才及之间的漂移层由具有高电阻率的材料形成，并且增大漂移层 的厚度。然而，这会导致器件中的4妾通电阻Rdson增大，这随之降 低了导电率和器件的转换速度，因而降低器件的性能。
为了解决这个问题，已经提出了具有这样的漂移层的电荷平衡 功率器件，该漂移层包括以交一,方式布置的垂直延伸的n区(n柱) 和p区(p柱)。图1A是这种器件100的布局图。器件100包括净皮 非活性周界区环绕的活性区域110,该非活性周界区包括p环120 和外端4姿区130。周界p环120为具有圆角的矩形。依寺居i殳计，端接区130可以包括类似形状的交替的p环和n环。活性区域110包 4舌交^^布置的p柱110P和n柱110N,这些p柱和n ^主以条带的形 式垂直i也延伸并且沿着顶部和底部在周界环120处端4妄。图1B中 可以更清楚地看到活性区域中交4#的p柱和n柱的物理结构，图1B 示出了沿图1A中的线A-A'的阵列区IIO的横截面视图。
图1B中描绘的功率器件是具有漂移层16的传统平面门电路垂 直MOSFET，该漂移层包4舌交^夺的p柱110P和n柱110N。源才及金 属28电4妄触沿着顶侧的源4及区20和阱区18,而漏4及金属14电4妾 触沿着器件的底侧的漏;fel区12。当"t妻通器件时，电流^各径就通过交 替导电型漂移层16形成。n柱和p柱4参杂浓度和物理尺寸^皮i殳计成 在相邻的柱之间获得电荷平衡，从而保证当器件处于断开状态时漂 移层16完全一毛尽。
回到图1A,为了实现高击穿电压，n柱中n电荷的数量和p柱 中p电荷的数量在活性区域110中以及在活性区域与非活性周界区 之间的界面处都必须是平衡的。然而，因为各种区的几何形状的变 化，在所有的界面区处实现电荷平衡，尤其是沿着p柱和n柱端接 于周界环120中的顶部界面区和底部界面区实现电荷平衡，以及在 n柱和p柱具有变化的长度的转角区中实现电荷平衡是困难的。这 在图1C中更清楚地示出，图1C示出了图1A中的功率器件100的 左上角的》文大浮见图。
在图1C中，活性区域110中的单元净皮标记为Sl。活性p柱111 (其一皮划分成左半部111-1和右半部111-2 )和活性p柱113 (其一皮 划分成左半部113-1和右半部113-2 )通过n柱112分隔开。在单元 Sl中，活性p柱111的右半部111-2中的p电荷凄t量Qpl和活性p 4主113的左半部113-2中的p电4肓#:量Qp2的总和(Qpl + Qp2 )等 于活性n柱112中的n电荷凄史量Qnl。因此，在活性区域110的维 持了这种电荷平衡的所有部分中实现了最佳击穿电压。如所示的，非活性周界区的转角部分包4舌周界p环120和端4妻 区130，该端4妄区具有以交^^方式布置的n环131和p环132。周 界p环120 (其被划分成下半部121和上半部122 )和端接区p环 132 (其^皮划分成下半部132-1和上半部132-2 )通过n环131分隔 开。在单元S2中，p环132的下半部132-1中的p电荷凄t量Qptl ,口环120的上半部122中的p电荷凄t量Qpe的总和(Qptl + Qpe ) 等于n环131中的n电荷数量Qnt。因此，在非活性周界区的维持 了这种电荷平衡的所有部分中实现了最佳击穿电压。
然而，因为几何形状的限制，活性区域与非活性周界区之间的 界面处的p电荷数量和n电荷数量在很多位置是不平衡的。这些区 中缺少电荷平衡导致器件的击穿电压特性恶化。因此，需要消除了
电荷平衡4支术，因而导致更高的击穿电压额定^直(rating)。
发明内容
根据本发明的实施例，电荷平衡半导体功率器件包括这样的活 性区域该活性区域包括当被偏置于导电状态中时能够传导电流的 多个单元。非活性周界区环绕活性区^t当多个单元^皮偏置于导电 状态中时，没有电流流过非活性周界区。交替布置的第一导电型柱
的条带和第二导电型柱的条带沿着容纳半导体功率器件的模片 (die )的长度延伸穿过活性区域和非活性周界区。
在一个实施例中，每个第 一导电型柱的条带均包括形成第二导 电型区的条带的一部分的间断(discontinuity )。第二导电型区的条 带垂直于模片的长度在非活性周界区中延伸。在另一个实施例中，每个第一导电型柱的条带包括形成多个第 二导电型区的条带的一部分的多个间断。该多个第二导电型区的条 带垂直于模片的长度在非活性周界区中延伸。
根据本发明的另 一实施例，电荷平衡半导体功率器件包括这样
的活性区该活性区包括-陂偏置于导电状态中时能够传导电流的多 个单元。非活性周界区环绕活性区域。当多个单元被偏压于导电状 态中时，没有电流通过非活性周界区。P柱的条带和n柱的条带以 交替方式布置。P柱的条带和n柱的条带沿着容纳半导体功率器件 的模片的长度延伸穿过活性区域和非活性周界区。每个p柱的条带 均包括形成多个n区的条带的一部分的多个间断。该多个n区的条 带垂直于模片的长度在非活性周界区中延伸。
可以参照本说明书的剩余部分以及附图实现对在此所公开的 本发明的特征和优点的进一 步理解。
图1A示出了传统电荷平4軒功率器件的简4匕布局图1B示出了沿图1C中的功率器件中的线A-A'的横截面视图1C示出了图1A中的功率器件的左上角的》文大一见化布局图3示出了根据本发明另一示例性实施例的电荷平衡功率器件 的简化布局图；图4示出了根据本发明又一示例性实施例的电荷平衡功率器件 的简4匕布局图；以及
图5和图6示出了非活性周界区的简化横截面视图，其中场板 (field plate )与根据本发明的两个示例性实施例的电荷平衡结构结 合。
具体实施例方式
图2-图4示出了模片的简化布局图，其中根据本发明的三个示 例性实施例实现了改进的电荷平銜^支术。这些纟支术有利地消除了为 了在现有技术的电荷平衡器件中的活性区域与其环绕的非活性周 界区之间的过渡区处实现电荷平衡的复杂设计需求。
在图2中，容纳电荷平衡功率器件的模片200包括其中形成有 多个活性单元的活性区域202和环绕活性区域的非活性周界区。非 活性周界区由从活性区域202的水平边缘到模片的对应边缘的距离 (在图2中以字母X标记出)限定，并且由从活性区域202的垂直 边缘到模片的对应边缘的距离(在图2中以字母Y标记出)限定。 通常，术语"活性区域，，在此用来指明器件的其中形成有能够传导 电流的活性单元的区域，而术语"非活性周界区，，用来指明器件的 其中形成有非导电结构的区域。
为了更清楚地示出这些图中的电荷平銜、技术，图2-图4中的距 离X和Y蜂皮显著地;故大(实际上，距离X和Y远小于图2-4中所 示的距离)。容纳在模片200中的功率器件是MOSFET (例如，与 图1B中的类似)，在图2中由参考标号202标记的活性区域的边界 与其中形成有MOSFET单元的阱区的边界对应。如图2中所示，垂直延伸的p ^主210P和n柱210N以交-齐的方 式布置，/人而形成电荷平4軒结构。在一个实施例中，活性p柱210P 通过在石圭中形成沟槽(trench)并4吏用i者如选择性外延生长(SEG ) 的已知技术用p型硅填充这些沟槽来形成。通常，使这些n柱和p 柱的物理尺寸和掺杂浓度最优化，/人而在相邻的柱之间获得电荷平 衡，这与以上结合图1C中的单元Sl的描述类似。
与其中活性区域中的p柱和n柱在活性区域的边界处端接的传 统电荷平衡器件不同，在图2中，如所示的那样，活性p柱和n柱 延伸穿过活性区域和非活性周界区。这消除了活性区域的边缘和转 角处的电荷平衡问题，因此在显著地简化了器件的设计的同时实现 了最佳的电荷平衡和击穿特性。
在一个实施例中，距离X和Y被选择成确保活性区域外的完 全耗尽。在一个实施例中，其中p柱通过在硅中形成沟槽来形成， 距离X和Y中的每一个均等于或大于p柱沟槽的深度。尽管图2 中所示的活性区域202的垂直边缘落入n柱中，然而可以扩展或收 缩活性区域，以使得活性区域的垂直边缘落入p柱中。像这样，对 于活性区域202的边缘与柱就不存在误对准问题。在一个实施例中， 起始晶片可以包括如图2中所示的p柱和n柱，而包括其活性区域 和其他区的功率器件利用已知的加工^支术形成。
图3示出了与图2中的实施例类^f以的另一个实施例，除了在上 非活性周界区和下非活性周界区中每一个的垂直延伸的p柱中形成 有间断之外。这些间断形成7jc平延伸的n条带320N,如下非活性 周界区中所示的那样，该n条带将每个p柱分割成两个部分310P-l 和310P-2。 p柱中的这些间断扰乱了非活性周界区中的场，从而减 小了沿着该区中的石圭表面的场。这有助于^是高非活性周界区中的击 穿电压。在一个实施例中，乂人活性区域302的边纟彖到n条带320N的间 隔B基于功率器件的击穿电压额定值、光掩膜限制、以及其他性能 和设计目标来确定。在一个实施例中，^使用较小的间隔B来实现更 津奇细的场分布调节。非活性周界区中的尺寸(X、 Y、 B)又都^皮》文 大了，以更容易地示出本发明的各种特征。
图4示出了图3实施例的变体，其中在上非活性周界区和下非 活性周界区中每一个的每个p柱中均形成有多个间断，因此在这些 区中形成多个n条带420N、 430N。多个间断^f吏得能够实现更高的 电压额定值。如所示的，外部条带430N比内部条带420N宽。对 选择N条带的宽度以及它们之间的间隔的考虑与针对传统端接防 护环的考虑相似。在一个实施例中，图3和4中的n条带以如下方 式形成。在形成p柱的过程中，使用掩膜来防止p柱在沿着p柱的 间隙〗立置处形成。
如果需要，图2-图4中的技术可以与其他的边缘端接技术结合。 具体地，端接场板技术可以有利地与图2-图4中的实施例结合，以 进一步减少非活性周界区中的硅表面处的场。图5和6中示出了这 种结合的两个实例。
图5示出了沿着活性区域的边缘处的模片区的横截面视图。在 图5中，活性区域延伸至p阱502的左侧，而非活性周界区延伸至 p阱502的右侧。^口图2-图4中实施例，p #主510P牙口 n斗主510N延 伸穿过活性区域和非活性周界区两者。如所示的，p柱510P在N 外延层512中的一深度处端4妻，而N外延层512的在p柱510P之 间延伸的那些部分形成电荷平4軒结构的n柱510N。浮动p型扩散 环504A-504C形成在非活性周界区中并在活性区周围延伸。如所看 到的那样，相邻环之间的间隔沿远离活性区的方向逐渐增加。介电 层506使环504A-504C与叠加结构(未示出)绝缘。P阱502可以是活性区域的最后的p阱或者形成端接结构的一部分。在任一种情
况中，p阱502会电连接至活性p阱。
与图5类似，图6示出了活性区域的边缘处的模片区的横截面 视图，其中活性区域延伸至p阱602的左侧，而端接区延伸至p阱 602的右侧。P柱610P和n 4主610N延伸穿过活性区域和非活性区 两者。如图5中的实施例，p柱610P在N外延层612中的一深度 处端4妄，而N外延层612的在p柱610P之间延伸的那些部分形成 电荷平^f结构的n柱610N。然而，在这个实施例中，在非活性周 界区上方形成有平面场板结构。该平面场板结构包括在非活性周界 区上方延伸的多晶珪层608,以及将多晶硅层608电连接至p阱602 的金属接触层614。介电层606使非活性周界区中的电荷平衡结构 与层叠的多晶；圭层608和其^也未示出的结构绝》彖。如图5中所示的 实施例，p阱602可以是活性区域的最后的p阱或者形成端接结构 的一部分。在^壬一种情况中，p阱602会电连4妻至活性p阱。
尽管图5和6示出了两种不同的边缘端接技术，然而这两种技 术可以以多种方式结合。例如，在图6实施例的可替换实施方式中， 多个浮动p型扩散环以类似于图5中的方式包含在非活性周界区 中，除了 p型扩散环被设置在场板608的左侧。作为另一实例，在 图5实例的可^,」换实施方式中， 一单独的平面场才反连4妾至每个浮动 p型扩散环504A-504C。
在此公开的各种电荷平衡技术可以与图1B中所示的垂直平面 门电^各MOSFET单元结构、及其他的电荷平4軒MOSFET变体(i者 如沟槽门电路或屏蔽门电路结构)、以及其他电荷平衡功率器件(诸 如IGBT、双极晶体管、二极管和肖特基器件)相结合。例如，本 发明的各种实施例可以与例如上面所参照的2004年12月29日4是 交的第11/026,276,号美国专利申请的图14、图21-图24、图28A-图28D、图29A-图29C、图61A、图62A、图62B、图63A中示出 的任何器件相结合，其全部内容结合于此作为参考。
尽管上面提供了对本发明的各种实施例的详细描述，然而，可 以有多种替换、修改、和等同物。并且，应理解，在此提供以描述 各种实施例的所有凄t字实例和材冲+类型^f又是为了示例-说明的目的， 而不是旨在限制本发明。例如，上述实施例中的各种区的极性可以 颠倒以获得相反类型的器件。因此，由于这个以及其他原因，以上 描述不应被理解成限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求来 限定。
权利要求
1. 一种电荷平衡半导体功率器件，包括活性区域，包括被偏置于导电状态中时能够传导电流的多个单元；环绕所述活性区域的非活性周界区，其中，当所述多个单元被偏置于所述导电状态中时没有电流流过所述非活性周界区；以及形成在第二导电型的硅区中的交替布置的第一导电型柱的条带和第二导电型柱的条带，所述交替布置的第一导电型的条带和第二导电型的条带沿第一尺寸延伸穿过所述活性区域和所述非活性周界区。
2. 根据权利要求1所述的电荷平衡半导体功率器件，其中，每个 第一导电型柱的条带均包括形成第二导电型区的条带的一部 分的间断，所述第二导电型区的条带垂直于所述第一尺寸在所 述非活性周界区中延伸。
3. 根据权利要求1所述的电荷平衡半导体功率器件，其中，每个 第一导电型柱的条带均包括形成多个第二导电型区的条带的 一部分的多个间断，所述多个第二导电型区的条带垂直于所述 第一尺寸在所述非活性周界区中延伸。
4. 根据权利要求1所述的电荷平衡半导体功率器件，其中，所述 电荷平衡半导体功率器件是垂直导电的功率器件。
5. 根据权利要求1所述的电荷平衡半导体功率器件，其中，所述 第一导电型是p型，而所述第二导电型是n型。
6. 根据权利要求1所述的电荷平衡半导体功率器件，还包括处于 所述非活性端4妄区中的场玲反。
7. 根据权利要求1所述的电荷平衡半导体功率器件，其中，所述 非活性周界区包括在所述活性区域周围延伸的多个第二导电 型的环。
8. 根据权利要求1所述的电荷平衡半导体功率器件，还包括延伸 到所述非活性周界区中的场板导体，其中，所述场板导体的一 部分通过介电层与下面的第一导电型柱的条带和第二导电型 柱的条带绝缘。
9. 一种垂直导电的电荷平#^半导体功率器件，包括活性区域，包括 一皮偏置于导电状态中时能够传导电流的 多个单元；环绕所述活性区域的非活性周界区，其中，当所述多个 单元:l皮偏置于所述导电状态中时没有电流流过所述非活性周 界区；以及的交替布置的第一导电型柱的条带和第二导电型柱的条带，每 个第一导电型柱的条带均包括形成第二导电型区的条带的一 部分的间断，所述第二导电型区的条带垂直于所述第一尺寸在 所述非活性周界区中延伸。
10. 根据权利要求9所述的电荷平衡半导体功率器件，其中，所述 第一导电型是p型，而所述第二导电型是n型。
11. 根据权利要求9所述的电荷平衡半导体功率器件，还包括处于 所述非活性端4妻区中的场斗反。
12. 根据权利要求9所述的电荷平衡半导体功率器件，其中，所述 非活性周界区包括在所述活性区域周围延伸的多个第二导电 型的环。
13. 根据权利要求9所述的电荷平衡半导体功率器件，还包括延伸 到所述非活性周界区中的场板导体，其中，所述场板导体的一 部分通过介电层与下面的第一导电型柱的条带和第二导电型 柱的条带绝缘。
14. 一种电荷平衡半导体功率器件，包括活性区域，包括;故偏置于导电状态中时能够传导电流的 多个单元；环绕所述活性区域的非活性周界区，其中，当所述多个 单元被偏置于所述导电状态中时没有电流流过所述非活性周 界区；以及以交替方式布置的p柱的条带和n柱的条带，所述p柱 的条带和n柱的条带沿着容纳所述半导体功率器件的模片的 长度延伸穿过所述活性区域和所述非活性周界区，每个p柱的 条带均包括形成多个n区的条带的一部分的多个间断，所述多 个n区的条带垂直于所述模片的长度在所述非活性周界区中 延伸。
15. 根据权利要求14所述的电荷平衡半导体功率器件，其中，所 述电荷平衡半导体功率器件是垂直导电的功率器件。
16. 根据权利要求14所述的电荷平衡半导体功率器件，还包括处 于所述非活性端4姿区中的场4反。
17. 根据权利要求14所述的电荷平衡半导体功率器件，其中，所 述非活性周界区包括在所述活性区域周围延伸的多个第二导 电型的环。
18. 根据权利要求14所述的电荷平衡半导体功率器件，还包括延 伸到所述非活性周界区中的场板导体，其中，所述场板导体的 一部分通过介电层与下面的第一导电型柱的条带和第二导电 型柱的条带绝缘。
19. 一种石圭晶片，包括第一导电型的石圭区；以及在所述硅区中从沿着硅晶片周界的位置到沿着硅晶片周 界的相对位置而平行延伸的多个第二导电型柱的条带，所述多 个第二导电型柱的条带延伸至所述硅区中的预定深度。
20. 根据权利要求19所述的硅晶片，其中，所述第一导电型是n 型，而所述第二导电型是p型。
21. —种硅模片，包括第一导电型的石圭区；以及在所述硅区中从所述硅模片的 一 个边缘到所述硅模片的 相对边缘而平行延伸的多个第二导电型柱的条带，所述多个第 二导电柱的条带延伸至所述硅区中的预定深度。
22. 根据权利要求21所述的硅模片，其中，所述第一导电型是n 型，而所述第二导电型是P型。
23. —种在具有第一导电型的硅区的半导体模片中形成电荷平衡 结构的方法，所述方法包括形成在所述石圭区中/人所述石圭才莫片的一个边》彖到所述石圭才莫 片的相对边缘而平行延伸的多个第二导电型柱的条带，所述多 个第二导电型柱的条带延伸至所述硅区中的预定深度。
24. 根据权利要求23所述的方法，其中，所述形成步骤包括形成延伸至所述硅区中的预定深度的多个沟槽，所述沟 槽从所述硅模片的一个边缘延伸至所述硅模片的相对边缘；以 及用第二导电型的硅材料填充所述多个沟槽。
25. 根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一导电型是n型， 而所述第二导电型是p型。
全文摘要
一种电荷平衡半导体功率器件，包括活性区域，包括被偏置于导电状态中时能够传导电流的多个单元；环绕活性区域的非活性周界区，其中，当多个单元被偏置于导电状态中时没有电流流过非活性周界区；交替布置的p柱的条带和n柱的条带，沿着容纳半导体功率器件的模片的长度延伸穿过活性区域和非活性周界区。
文档编号H01L29/00GK101416315SQ200780012426
公开日2009年4月22日 申请日期2007年3月22日 优先权日2006年3月30日
发明者克里斯托弗·博古斯洛·科康 申请人:飞兆半导体公司