一种超结功率器件及其版图结构、制备方法
【专利摘要】本发明涉及功率半导体器件领域，尤其涉及一种超结功率器件及其版图结构、制备方法，其版图结构包括有源区及位于所述有源区四周的终端区，且位于所述有源区相对两侧的终端区中的图形结构以所述有源区为对称轴呈镜像对称分布，以使位于所述有源区四周的终端区的耗尽方式相同。本发明使用全新的终端结构取代传统超结器件的终端设计，使得终端结构四边完全对称，耗尽方式完全一致，提高了器件工作稳定性；同时简化了工艺流程。
【专利说明】
一种超结功率器件及其版图结构、制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及功率半导体器件领域，尤其涉及一种超结功率器件及其版图结构、制备方法。
【背景技术】
[0002]功率半导体器件具有开关速度快、损耗小、输入阻抗高、驱动功率小等优点，被广泛地应用于包括计算机领域、网络通信领域、消费电子领域、工业控制领域等几乎所有领域的电子制造业。
[0003]但常规功率半导体器件的导通电阻随耐压增长导致功耗急剧增加。以超结(Super-Junct1n)功率器件为代表的电荷平衡类器件的出现打破了这一限制，改善了导通电阻和耐压之间的制约关系，可同时实现低通态功耗和高阻断电压，因此迅速在各种高能效场合取得应用，市场前景非常广泛。
[0004]传统超结器件在版图设计时，如图1所示，其终端使用完全一致排列的P-N结构，此结构从版图设计上更为简单，同时拥有更低的掺杂浓度，使得次终端结构拥有更高的击穿电压。然而此结构也存在一些问题:终端和元胞区使用不同浓度的P柱/N柱(P型掺杂区/N型掺杂区)使得工艺复杂;使用此结构只能使得一侧终端得到改善却无法改进另外两侧的终端。
【发明内容】
[0005]鉴于上述技术问题，本发明提供一种新型的超结功率器件及其版图结构、制备方法，采用四边完全对称的终端结构，耗尽方式完全一致，提高器件工作稳定性;且工艺上不再需要不同的P柱尺寸和浓度，工艺难度降低。
[0006]本发明解决上述技术问题的主要技术方案为:
[0007]提供一种超结功率器件的版图结构，其特征在于，包括有源区及位于所述有源区四周的终端区，且位于所述有源区相对两侧的终端区中的图形结构以所述有源区为对称轴呈镜像对称分布，以使位于所述有源区四周的终端区的耗尽方式相同。
[0008]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述终端区包括第一终端区、第二终端区、第三终端区和第四终端区；所述第一终端区和所述第二终端区分别位于所述有源区相对的两侧且以所述有源区为对称轴呈镜像对称分布，所述第三终端区和所述第四终端区分别位于所述有源区另外相对的两侧且以所述有源区为对称轴呈镜像对称分布；
[0009]其中，所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中的图形结构均可由位于所述有源区任意一侧的所述终端区中的图形结构以所述有源区为中心旋转形成。
[0010]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区均包括若干平行排列且相邻接触设置的元胞。
[0011]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述元胞为条形元胞，所述第一终端区和所述第二终端区中的所述条形元胞的延伸方向垂直于所述有源区中的所述条形元胞的延伸方向；所述第三终端区和所述第四终端区中的所述条形元胞的延伸方向和所述有源区中的所述条形元胞的延伸方向相同。
[0012]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述有源区中的所述条形元胞沿其长度方向分别延伸至位于所述有源区相对的两侧的所述第三终端区和所述第四终端区中，以分别作为所述第三终端区和所述第四终端区中的所述条形元胞。
[0013]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述第三终端区和所述第四终端区分别与所述有源区接触;所述第一终端区和所述第二终端区中的所述条形元胞与所述有源区中的边缘处的所述条形元胞之间存在一间距d，所述d大于O。
[0014]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，每个所述条形元胞均包括长度和宽度分别相同且接触设置的一 P柱和一 N柱;并且
[0015]在所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，所述P柱与所述N柱交替设置。
[0016]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，在所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，所述P柱和所述N柱的长度均相同；并且
[0017]在所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，所述P柱和所述N柱的宽度均相同。
[0018]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述间距d小于所述P柱的宽度。
[0019]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，在所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，所述P柱和所述N柱的密度均相同。
[0020]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，临近所述有源区的所述条形元胞中设置有注入区，以将各所述终端区与所述有源区电学连接。
[0021]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述注入区为离子注入区。
[0022]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述有源区的P柱表面设置有连接孔，所述连接孔延伸至所述第三终端区以及所述第四终端区内的所述注入区的P柱表面，以与设置于所述第三终端区以及所述第四终端区内的P柱表面的金属层连接。
[0023]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述第一终端区以及所述第二终端区的注入区中设置有连接孔，以与设置于所述第一终端区以及所述第二终端区中的P柱表面的金属层连接。
[0024]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述功率器件还包括角落区，设置于被所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区限定的四个角落，且每个所述角落区均与两个所述终端区接触。
[0025]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述角落区的P柱密度与各所述终端区以及所述有源区的P柱密度相同。
[0026]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述角落区中的条形元胞的排列方式与所述第一终端区以及所述第二终端区中的所述条形元胞的排列方式一致。
[0027]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述角落区中的条形元胞的延伸方向所在平面垂直于所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中的所述条形元胞的延伸方向所在平面。
[0028]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述角落区包括接触设置的第一元胞区和第二元胞区;所述第一元胞区中的条形元胞的排列方式与所述第一终端区以及所述第二终端区中的所述条形元胞的排列方式一致，所述第二元胞区中的条形元胞的排列方式与所述第三终端区以及所述第四终端区中的所述条形元胞的排列方式一致。
[0029]优选的，上述的超结功率器件的版图结构中，所述角落区临近所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中的注入区的元胞区域中，设置有角落注入区，所述角落注入区与所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中的注入区相连接以形成围绕所述有源区的环形注入区。
[0030]本发明还提供一种超结功率器件，其特征在于，包括采用如上述任意一项所述超结功率器件的版图结构制备的器件结构。
[0031]本发明还提供一种超结功率器件的制备方法，其特征在于，于一基底上采用如上述任意一项所述超结功率器件的版图结构制备所述超结功率器件。
[0032]上述技术方案具有如下优点或有益效果:本发明使用全新的终端结构取代传统超结器件的终端设计，使得终端结构四边完全对称，耗尽方式完全一致，提高了器件工作的稳定性；同时工艺上也不需要不同的P柱/N柱尺寸和浓度，工艺难度降低。
【附图说明】
[0033]参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
[0034]图1为传统超结结构的示意图；
[0035]图2?图10为本发明实施例中超结功率器件的版图结构示意图。
【具体实施方式】
[0036]在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。当然除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
[0037]参考图1，在传统的超结(Super-Junct1n，简称为SJ)设计中，终端区域结构存在非对称设计，即左侧终端结构为传统SJ终端结构，下侧终端结构为改进终端。然而改进终端只改进了器件版图两侧边，但另外两侧边仍然使用传统终端结构使得版图中这些终端相对于另外两侧终端更弱(图中所示weak point区域)，造成器件工作稳定性差。
[0038]因此，本发明对此作了改进，完全抛弃传统SJ终端结构，使得器件在终端结构对称，耐压均匀，性能得到改善。
[0039]下面结合具体的实施例以及附图详细阐述本发明的具有终端结构的功率器件。
[0040]实施例一:
[0041]如图2所示，为本实施例的超结功率器件的版图结构，该超结功率器件的版图结构包括有源区I以及围绕有源区I的四周设置的终端区(包括设置在有源区I上侧的上侧终端区2、设置在有源区I下侧的下侧终端区22、设置在有源区I左侧的左侧终端区33以及设置在有源区I右侧的右侧终端区3;需要注意的是，本实施例中的上侧终端区、下侧终端区、左侧终端区、右侧终端区仅仅代表直观地表现于版图结构中的围绕有源区设置的上、下、左、右四侧的终端区，用来区分四侧方位以方便阐述，而在其他实施例中，也可将四个终端区称之为第一至第四终端区)，四侧终端区的器件结构的形状、尺寸及分布情况均相同(即以有源区I为轴位于其相对两侧的终端区中的器件结构呈镜像对称分布，且任意一侧终端区均可由其余任意一个终端区以有源区I为中心旋转形成)。在本实施例中，因为四侧终端区中，下侧终端区22和上侧终端区2的结构完全一致且关于有源区I镜像对称设置，左侧终端区33和右侧终端区3的结构完全一致且关于有源区I镜像对称设置，因此为方便展示，后续的附图中仅详细标示上侧终端区2以及右侧终端区3。
[0042]参照图3，在有源区I中，包括若干平行排列且相邻接触设置的元胞(例如图中标示的L0)，每个元胞由尺寸相同且平行接触设置的P柱(PO)和N柱(NO)组成。作为一个优选的实施例，此处元胞均为条形元胞，且每个元胞中P柱与N柱之间的长度及宽度等尺寸均可相同。需要说明的是，在一些变化实施例中，其他拓扑结构的元胞设计也同样适用于本发明的功率器件。
[0043]参见图3所示，位于有源区I的上侧的终端区为上侧终端区2，包括若干平行排列且相邻接触设置的元胞(例如图中标示的TL0)，每个元胞也由尺寸相同且平行接触设置的P柱(TPO)和N柱(TNO)组成，且上侧终端区2的元胞的延伸方向垂直于有源区I的元胞的延伸方向。需要注意的是，上侧终端区2的元胞与有源区I的边缘元胞并不接触，其之间存在一间距NI，该间距NI小于P柱/N柱的宽度NO(本实施例中NO既可用于指代一 N柱，也可用于指代N柱的宽度)。
[0044]下侧终端区22位于有源区I的下侧，其结构与上侧终端区2的结构完全一致没有差另Ij(下侧终端区22和上侧终端区2以有源区I为镜像对称设置)，因此不再赘述。
[0045]在有源区I的右侧为右侧终端区3，包括若干平行排列且相邻接触设置的元胞，且如图3所示，该右侧终端区3的元胞是由有源区I的元胞向右延伸形成。左侧终端区33位于有源区I的左侧，其结构与右侧终端区3的结构完全一致没有差别(左侧终端区33与右侧终端区3以有源区I为镜像对称设置)，因此不再赘述。
[0046]作为一个优选的实施例，此处上侧/下侧/左侧/右侧终端区的元胞的结构均一致，仅存在P柱和N柱延伸方向的差异，也即四侧终端区中元胞的尺寸(图中直观表现为长度和宽度)及P柱/N柱密度均相同，每个元胞中的P柱和N柱的尺寸也相同。且更进一步的，四侧终端区的元胞尺寸及P柱/N柱密度与有源区I的元胞尺寸及P柱/N柱密度也相同。用公式直观表述为:L0 = TL0，N0 = P0 = TN0 = TP0，L1 = L2。其中，LO代表有源区I中单个元胞的宽度，因左侧/右侧终端区的元胞由有源区I的元胞向左/向右延伸形成，因此LO也可代表左侧/右侧终端区中单个元胞的宽度;TLO代表上侧/下侧终端区2中单个元胞的宽度;NO代表组成元胞LO的N柱的宽度，也即有源区I和左侧/右侧终端区中的每个N柱的宽度;PO代表组成元胞LO的P柱的宽度，也即有源区I和左侧/右侧终端区中的每个P柱的宽度;TNO代表组成元胞TLO的N柱的宽度，也即上侧/下侧终端区中的每个N柱的宽度;TPO代表组成元胞TLO的P柱的宽度，也即上侧/下侧终端区中的每个P柱的宽度;LI代表上侧/下侧终端区中的每个N柱/P柱的长度;L2代表左侧/右侧终端区中的每个N柱/P柱的长度。
[0047]在各个终端区与有源区I的连接处，使用离子注入以使终端区和有源区I实现电学连接。具体的，上侧/下侧终端区临近有源区I的部分元胞区上设置有注入区20，左侧/右侧终端区与有源区I接触的部分元胞区上设置有注入区30。注入区20和30使得所有终端区保持在同一个电位，同时注入区20和30位置的硅表面(超结结构的P柱和N形成于一硅界面上)承受更高的耐压，因此注入区20和30也作为保护层保护器件表面不发生提前击穿。
[0048]进一步的，注入区20和30与P柱的重叠处通过连接孔(CNT)同设置于终端区的P柱表面的金属层连接。其中，左侧/右侧终端区的CNT31由设置于有源区I的P柱表面的CNTl I延长至注入区30形成，以与设置于左侧/右侧终端区的P柱表面的金属层连接。沿图3中虚线Kl的剖面图图4展示出注入区30上CNT31同表面金属32的连接情况。上侧/下侧终端区的CNT21单独开孔形成在注入区20中，以与设置于上侧/下侧终端区的P柱表面的金属层连接。沿图3中虚线K2的剖面图图5展示出注入区20上CNT21同表面金属22的连接情况。
[0049]其中，上述版图结构中交替分布的P柱和N柱组成该超结功率器件的超结结构(Super-Junct1n)。
[0050]实施例二:
[0051]本实施例的超结功率器件的版图结构与实施例一中的版图结构大体一致，其区别之处在于:
[0052]在终端区与有源区I的连接处采用多区域注入方式，在终端区中形成多个注入区。如图6所示，上侧/下侧终端区上不仅包括注入区20，还包括多个子注入区200、201...左侧/右侧终端区上不仅包括注入区30，还包括多个子注入区300、301...在注入区20和注入区30上同样设置有CNT使得终端区与有源区I实现电学连接。注入区20宽度为P1，注入区200宽度为P2，与注入区20的间距为D2。这些注入区起着限制表面电场的作用，共同保护着终端表面。
[0053]本实施例的具有超结结构的功率器件的部分立体结构如图7所示，当器件反偏时，终端在纵向的耐压原理同有源区一致无太大区别，但是在横向时，由于柱(Pillar)的延伸直接将零点位伸至终端最边缘，所以耐用是从终端边缘开始，再逐步延伸至有源区边缘。其在横向也满足电荷平衡，因此不会出现过高的峰值电场而造成提前击穿。但是由于si/si02界面处表面态以及电荷作用使得此处的临界击穿电场过低，所以需要引入注入区的保护。离子注入使得终端零点位位于一致区域，耗尽从同一位置发生，同时离子注入保护器件表面，使得表面不会出现提前击穿。
[0054]参照图2，本发明的超结功率器件的版图结构还包括四个角落区(均标示为4)，设置于被上侧/下侧/左侧/右侧四侧终端区限定的四个角落。因四个角落区的结构相对一致，仅存在相对于有源区I的元胞延伸方向差异，因此此处仅描述其中一个角落区4，但这并不构成对本发明的限制。
[0055]参照图8?图10，为本实施例的角落区4的三种结构。其中，图8所示的角落区4的元胞排列方式与上侧/下侧终端区一致。图9所示的角落区4的元胞延伸方向所在平面与有源区I及上侧/下侧/左侧/右侧四侧终端区的元胞延伸方向所在平面垂直。图10所示的角落区4包括接触的第一元胞区41和第二元胞区42;第一元胞区41的元胞排列方式与上侧/下侧终端区一致，第二元胞区42的元胞排列方式与左侧/右侧终端区一致。
[0056]继续参照图8?图1O，角落区4还包括若干注入区(40、400、401…)，与终端区上的注入区相连接以形成围绕有源区I的若干圈完整的注入区。
[0057]其中，为保证电荷平衡，角落区4的P柱/N柱密度与四侧终端区以及有源区的P柱/N柱密度一致。
[0058]本发明的超结功率器件包括采用如上述的超结功率器件的版图结构制备的器件结构;本发明的超结功率器件的制备方法主要包括于一基底上采用如上述的超结功率器件的版图结构制备该超结功率器件的方法，因上文中已详细阐述超结功率器件的版图结构，因此此处不再赘述。
[0059]综上所述，本发明提出一种超结功率器件及其版图结构、制备方法，使用全新的终端结构替代传统超结器件的终端设计，使得终端结构四边完全对称，耐压均匀，耗尽方式完全一致，提高了器件工作稳定性；同时工艺上也不需要不同的P柱/N柱尺寸和掺杂浓度，工艺难度降低。
[0060]对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。
【主权项】
1.一种超结功率器件的版图结构，其特征在于，包括有源区及位于所述有源区四周的终端区，且位于所述有源区相对两侧的终端区中的图形结构以所述有源区为对称轴呈镜像对称分布，以使位于所述有源区四周的终端区的耗尽方式相同。2.如权利要求1所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述终端区包括第一终端区、第二终端区、第三终端区和第四终端区;所述第一终端区和所述第二终端区分别位于所述有源区相对的两侧且以所述有源区为对称轴呈镜像对称分布，所述第三终端区和所述第四终端区分别位于所述有源区另外相对的两侧且以所述有源区为对称轴呈镜像对称分布； 其中，所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中的图形结构均可由位于所述有源区任意一侧的所述终端区中的图形结构以所述有源区为中心旋转形成。3.如权利要求2所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区均包括若干平行排列且相邻接触设置的元胞。4.如权利要求3所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述元胞为条形元胞，所述第一终端区和所述第二终端区中的所述条形元胞的延伸方向垂直于所述有源区中的所述条形元胞的延伸方向；所述第三终端区和所述第四终端区中的所述条形元胞的延伸方向和所述有源区中的所述条形元胞的延伸方向相同。5.如权利要求4所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述有源区中的所述条形元胞沿其长度方向分别延伸至位于所述有源区相对的两侧的所述第三终端区和所述第四终端区中，以分别作为所述第三终端区和所述第四终端区中的所述条形元胞。6.如权利要求4所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述第三终端区和所述第四终端区分别与所述有源区接触;所述第一终端区和所述第二终端区中的所述条形元胞与所述有源区中的边缘处的所述条形元胞之间存在一间距d，所述d大于O。7.如权利要求6所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，每个所述条形元胞均包括长度和宽度分别相同且接触设置的一 P柱和一 N柱;并且 在所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，所述P柱与所述N柱交替设置。8.如权利要求7所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，在所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，所述P柱和所述N柱的长度均相同；并且 在所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，所述P柱和所述N柱的宽度均相同。9.如权利要求8所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述间距d小于所述P柱的宽度。10.如权利要求7所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，在所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，所述P柱和所述N柱的密度均相同。11.如权利要求7所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中，临近所述有源区的所述条形元胞中设置有注入区，以将各所述终端区与所述有源区电学连接。12.如权利要求11所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述注入区为离子注入区。13.如权利要求11所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述有源区的P柱表面设置有连接孔，所述连接孔延伸至所述第三终端区以及所述第四终端区内的所述注入区的P柱表面，以与设置于所述第三终端区以及所述第四终端区内的P柱表面的金属层连接。14.如权利要求11所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述第一终端区以及所述第二终端区的注入区中设置有连接孔，以与设置于所述第一终端区以及所述第二终端区中的P柱表面的金属层连接。15.如权利要求11所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述功率器件还包括角落区，设置于被所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区限定的四个角落，且每个所述角落区均与两个所述终端区接触。16.如权利要求15所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述角落区的P柱密度与各所述终端区以及所述有源区的P柱密度相同。17.如权利要求15所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述角落区中的条形元胞的排列方式与所述第一终端区以及所述第二终端区中的所述条形元胞的排列方式一致。18.如权利要求15所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述角落区中的条形元胞的延伸方向所在平面垂直于所述有源区、所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中的所述条形元胞的延伸方向所在平面。19.如权利要求15所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述角落区包括接触设置的第一元胞区和第二元胞区;所述第一元胞区中的条形元胞的排列方式与所述第一终端区以及所述第二终端区中的所述条形元胞的排列方式一致，所述第二元胞区中的条形元胞的排列方式与所述第三终端区以及所述第四终端区中的所述条形元胞的排列方式一致。20.如权利要求15所述的超结功率器件的版图结构，其特征在于，所述角落区临近所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中的注入区的元胞区域中，设置有角落注入区，所述角落注入区与所述第一终端区、所述第二终端区、所述第三终端区以及所述第四终端区中的注入区相连接以形成围绕所述有源区的环形注入区。21.—种超结功率器件，其特征在于，包括采用如权利要求1?20中任意一项所述超结功率器件的版图结构制备的器件结构。22.—种超结功率器件的制备方法，其特征在于，于一基底上采用如权利要求1?20中任意一项所述超结功率器件的版图结构制备所述超结功率器件。
【文档编号】H01L29/06GK105845715SQ201610281159
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】马荣耀
【申请人】中航（重庆）微电子有限公司