[发明专利]用于高电流横向功率半导体器件的器件拓扑

说明书

一种横向功率半导体器件结构包括在有源拓扑上的焊盘，其中优化片上互连金属化层和接触焊盘位置以降低互连电阻。对于横向GaN HEMT，其中漏极、源极和栅极指状电极在有源区的第一和第二边缘延伸，该源极和漏极总线在有源区的第一和第二边缘的位置中间穿过有源区，与源极指状物和漏极指状物的第一和第二部分互连，该指状物向有源区的第一和第二边缘横向延伸。外部接触焊盘放置在源极和漏极总线上。对于给定的管芯尺寸，该互连结构降低了源极和漏极金属互连中电流通路的长度，并提供了例如较低的互连电阻、每单位有源区更大的载流量和每个管芯更大的有源区利用率中的至少一个。

相关申请的交叉引用

本申请涉及2019年11月19日提交的申请号为16/688,008的美国专利，该专利题为“用于横向GaN功率晶体管的可扩展的焊盘下电路器件拓扑”，其全部内容通过引用并入到本文中。

本申请涉及2020年12月10日提交的申请号为17/117,449的美国专利，该专利题为“具有低共源电感的横向功率晶体管的器件拓扑”，其全部内容通过引用并入到本文中。

技术领域

本发明涉及用于高电流横向功率开关器件的器件拓扑，特别是应用于包括高电流横向GaN功率晶体管和二极管的功率开关系统。

背景技术

在本公开的文本中，焊盘下电路(或CUP)指的是半导体器件拓扑，其中金属接触焊盘设置在底层有源器件或有源集成电路的区域上。该金属焊盘由一个或多个片上导电金属化层限定并提供分布在有源器件区域上的管芯至封装的互连。该焊盘垂直互连到有源电路的底层区域上，例如使用多个微通孔。相比之下，在传统的非CUP器件拓扑中，包括导电轨道的片上金属互连将有源器件区域横向互连到位于有源器件区域间的总线上，并提供到总线的外部接触焊盘，通常围绕芯片外围布置。然而，在后者的结构中，该金属互连总线和接触焊盘设置在芯片的无源区域，这样占据了有源器件区域和/或管芯边缘周围间的重要区域，限制了可用于有源器件区域的管芯区域的可用部分。

对于引线键合封装，CUP器件结构同样可能被称为键合焊盘上的有源器件结构。CUP器件结构有效地增加了可用于有源电路系统的管芯区域的可用部分，并潜在地为底层电路提供物理和电气屏蔽，及更多的平面封装。另一方面，对于功率开关器件的应用(例如高电流横向GaN晶体管)，CUP器件拓扑现有的实施存在一个或多个限制。用于高电流功率开关器件的性能考虑包括提高每单位器件区域的电流承载力，并减少片上寄生的阻抗，即，寄生电阻、电感以及电容。

例如，在以下美国专利中，公开了用于高电流、横向GaN晶体管的改进或替代器件拓扑和封装解决方案：专利申请号为US15/704,458，题为“具有可扩展的拓扑和栅极驱动相位均衡的高电流横向GaN晶体管”的美国专利申请，于2019年2月26日发布为美国专利10,218,346；以及2019年5月24日提交的专利申请号为15/988,453，题为“用于横向GaN功率晶体管的可扩展焊盘下电路器件拓扑”的美国专利申请，现授权为美国专利10,529,802。

上述引用的专利和专利申请全部通过引用并入本文中。

如以上引用的专利和专利申请，以及引用其中的参考文献所述，高电流横向GaN功率晶体管可以在包括并联的多个晶体管元件的大面积管芯上形成，即提供具有合适载流量的可扩展、大栅极宽度的器件。这些晶体管元件可能被称为晶体管部分或岛。为了提供性能，需要降低功率开关器件和器件封装的寄生阻抗和互连阻抗。例如，高电流横向GaN功率晶体管的寄生电阻包括源极和漏极电极之间每个2DEG沟道区的源漏电阻，以及互连每个源极和漏极电极和外部接触焊盘的片上金属互连的电阻。对于某些类型的半导体开关器件，沟道区的漏源电阻(Rds)和漏源通态电阻(Rdson)可能占主导地位，片上金属互连的电阻可能对器件总电阻没有显著贡献。