[发明专利]用于电荷平衡功率器件的外围设计

说明书

相关申请交叉参考

本申请涉及于2004年12月29日提交的普通转让美国申请第 11/026,276号，其公开内容整体结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及半导体功率器件技术，更具体地涉及用于电荷平衡 功率器件的外围设计。

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，漂移电流在器件中垂直地流动。当断开垂 直功率器件时，由于施加至该器件的反偏压，在器件中形成沿水平 方向延伸的耗尽区。为了获得高的击穿电压，布置在电极之间的漂 移层由具有高电阻系数的材料形成，并且该漂移层的厚度增加。然 而，这导致器件的接通电阻R_dson的增加，这又减小了导电率以及器 件转换速度，从而降低了器件的性能。

为了解决这个问题，提出了具有漂移层的电荷平衡功率器件， 该漂移层包括以交替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包括被非活性周界 区环绕的活性区域110，该非活性周界区包括p环120和外部终止 区130。周界p环120是具有圆角的矩形。依据该设计，终止区130 可以包括类似形状交替的p环和n环。活性区域110包括以条带形 式垂直延伸且交替布置的p柱110P和n柱110N，并且这些柱沿着 顶部和底部在周界环120处终止。图1B中可以更清楚地看见活性 区中的交替的p柱和n柱的物理结构，其中示出了沿图1A中线A-A 的阵列区110的横截面视图。

图1B中所示的功率器件为具有包括了交替的p柱110P和n柱 110N的漂移层16的传统平面型门电路垂直MOSFET(金属-氧化 物半导体场效应晶体管)。源极金属28沿着顶侧与源极区20和阱 区18电接触，而漏极金属14沿着器件的底侧与漏极区12电接触。 当接通器件时，电流路径通过交替导电型漂移层16而形成。n柱和 p柱的掺杂浓度及物理尺寸被设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被完全耗尽。

返回图1A，为了实现高击穿电压，n柱中的n电荷的数量和p 柱中的p电荷的数量在活性区域110以及该活性区域与非活性周界 区之间的界面处都必须达到平衡。然而，因为各种区域的几何形状 的改变，所以在所有界面区处实现电荷平衡，尤其是沿着p柱和n 柱终止于周界环120中的界面区的顶部和底部以及在n柱和p柱的 长度变化的转角区中实现电荷平衡是很困难的。这在图1C中更清 楚地示出，其中示出了图1A中的器件100的左上角的放大视图。

在图1C中，活性区域110中的单位晶格被标成S1。活性p柱 111(该p柱被分割成左半部111-1和右半部111-2)和活性p柱113 (该p柱被分割成左半部113-1和右半部113-2)由n柱112分开。 单元晶格S1中的活性p柱111的右半部111-2中的p电荷数量Qp1 与活性p柱113的左半部113-1中的p电荷数量Qp2之和(Qp1+ Qp2)等于活性n柱112中的n电荷数量Qn1。因此，在活性区域 110的所有部分中实现了最适宜的击穿电压，在该活性区域中保持 了这种电荷平衡。

如所示的那样，非活性周界区的转角部分包括周界p环120以 及具有以交替方式布置的n环131和p环132的终止区130。周界 环120(该周界环被分割成下半部121和上半部122)和终止区p 环132(该p环被分割成下半部132-1和上半部132-2)由n环131 分开。单元晶格S2中的p环132的下半部132-1中的p电荷数量 Qpt1与环120的上半部122中的p电荷数量Qpe之和(Qpt1+Qpe) 等于n环131中的n电荷数量Qnt。因此在非活性周界区的所有部 分中实现了最适宜的击穿电压，在该非活性周界区中保持了这种电 荷平衡。

然而，由于几何限制，尤其是活性n柱和p柱的长度逐渐减小 的转角区C，C区与非活性周界区之间的界面处的p电荷的数量和 n电荷的数量是不平衡的，以使得存在多余的p电荷。这些转角区 中的电荷不平衡导致器件击穿特性的恶化。因此，需要消除现有技 术的电荷不平衡问题的电荷平衡技术，从而带来更高的击穿电压额 定值(ratings)。

发明内容