一種超結功率器件及其版圖結構、制備方法
【專利摘要】本發明涉及功率半導體器件領域，尤其涉及一種超結功率器件及其版圖結構、制備方法，其版圖結構包括有源區及位于所述有源區四周的終端區，且位于所述有源區相對兩側的終端區中的圖形結構以所述有源區為對稱軸呈鏡像對稱分布，以使位于所述有源區四周的終端區的耗盡方式相同。本發明使用全新的終端結構取代傳統超結器件的終端設計，使得終端結構四邊完全對稱，耗盡方式完全一致，提高了器件工作穩定性；同時簡化了工藝流程。
【專利說明】
一種超結功率器件及其版圖結構、制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及功率半導體器件領域，尤其涉及一種超結功率器件及其版圖結構、制備方法。
【背景技術】
[0002]功率半導體器件具有開關速度快、損耗小、輸入阻抗高、驅動功率小等優點，被廣泛地應用于包括計算機領域、網絡通信領域、消費電子領域、工業控制領域等幾乎所有領域的電子制造業。
[0003]但常規功率半導體器件的導通電阻隨耐壓增長導致功耗急劇增加。以超結(Super-Junct1n)功率器件為代表的電荷平衡類器件的出現打破了這一限制，改善了導通電阻和耐壓之間的制約關系，可同時實現低通態功耗和高阻斷電壓，因此迅速在各種高能效場合取得應用，市場前景非常廣泛。
[0004]傳統超結器件在版圖設計時，如圖1所示，其終端使用完全一致排列的P-N結構，此結構從版圖設計上更為簡單，同時擁有更低的摻雜濃度，使得次終端結構擁有更高的擊穿電壓。然而此結構也存在一些問題:終端和元胞區使用不同濃度的P柱/N柱(P型摻雜區/N型摻雜區)使得工藝復雜;使用此結構只能使得一側終端得到改善卻無法改進另外兩側的終端。
【發明內容】
[0005]鑒于上述技術問題，本發明提供一種新型的超結功率器件及其版圖結構、制備方法，采用四邊完全對稱的終端結構，耗盡方式完全一致，提高器件工作穩定性;且工藝上不再需要不同的P柱尺寸和濃度，工藝難度降低。
[0006]本發明解決上述技術問題的主要技術方案為:
[0007]提供一種超結功率器件的版圖結構，其特征在于，包括有源區及位于所述有源區四周的終端區，且位于所述有源區相對兩側的終端區中的圖形結構以所述有源區為對稱軸呈鏡像對稱分布，以使位于所述有源區四周的終端區的耗盡方式相同。
[0008]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述終端區包括第一終端區、第二終端區、第三終端區和第四終端區；所述第一終端區和所述第二終端區分別位于所述有源區相對的兩側且以所述有源區為對稱軸呈鏡像對稱分布，所述第三終端區和所述第四終端區分別位于所述有源區另外相對的兩側且以所述有源區為對稱軸呈鏡像對稱分布；
[0009]其中，所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中的圖形結構均可由位于所述有源區任意一側的所述終端區中的圖形結構以所述有源區為中心旋轉形成。
[0010]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區均包括若干平行排列且相鄰接觸設置的元胞。
[0011]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述元胞為條形元胞，所述第一終端區和所述第二終端區中的所述條形元胞的延伸方向垂直于所述有源區中的所述條形元胞的延伸方向；所述第三終端區和所述第四終端區中的所述條形元胞的延伸方向和所述有源區中的所述條形元胞的延伸方向相同。
[0012]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述有源區中的所述條形元胞沿其長度方向分別延伸至位于所述有源區相對的兩側的所述第三終端區和所述第四終端區中，以分別作為所述第三終端區和所述第四終端區中的所述條形元胞。
[0013]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述第三終端區和所述第四終端區分別與所述有源區接觸;所述第一終端區和所述第二終端區中的所述條形元胞與所述有源區中的邊緣處的所述條形元胞之間存在一間距d，所述d大于O。
[0014]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，每個所述條形元胞均包括長度和寬度分別相同且接觸設置的一 P柱和一 N柱;并且
[0015]在所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，所述P柱與所述N柱交替設置。
[0016]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，在所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，所述P柱和所述N柱的長度均相同；并且
[0017]在所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，所述P柱和所述N柱的寬度均相同。
[0018]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述間距d小于所述P柱的寬度。
[0019]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，在所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，所述P柱和所述N柱的密度均相同。
[0020]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，臨近所述有源區的所述條形元胞中設置有注入區，以將各所述終端區與所述有源區電學連接。
[0021]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述注入區為離子注入區。
[0022]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述有源區的P柱表面設置有連接孔，所述連接孔延伸至所述第三終端區以及所述第四終端區內的所述注入區的P柱表面，以與設置于所述第三終端區以及所述第四終端區內的P柱表面的金屬層連接。
[0023]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述第一終端區以及所述第二終端區的注入區中設置有連接孔，以與設置于所述第一終端區以及所述第二終端區中的P柱表面的金屬層連接。
[0024]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述功率器件還包括角落區，設置于被所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區限定的四個角落，且每個所述角落區均與兩個所述終端區接觸。
[0025]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述角落區的P柱密度與各所述終端區以及所述有源區的P柱密度相同。
[0026]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述角落區中的條形元胞的排列方式與所述第一終端區以及所述第二終端區中的所述條形元胞的排列方式一致。
[0027]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述角落區中的條形元胞的延伸方向所在平面垂直于所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中的所述條形元胞的延伸方向所在平面。
[0028]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述角落區包括接觸設置的第一元胞區和第二元胞區;所述第一元胞區中的條形元胞的排列方式與所述第一終端區以及所述第二終端區中的所述條形元胞的排列方式一致，所述第二元胞區中的條形元胞的排列方式與所述第三終端區以及所述第四終端區中的所述條形元胞的排列方式一致。
[0029]優選的，上述的超結功率器件的版圖結構中，所述角落區臨近所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中的注入區的元胞區域中，設置有角落注入區，所述角落注入區與所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中的注入區相連接以形成圍繞所述有源區的環形注入區。
[0030]本發明還提供一種超結功率器件，其特征在于，包括采用如上述任意一項所述超結功率器件的版圖結構制備的器件結構。
[0031]本發明還提供一種超結功率器件的制備方法，其特征在于，于一基底上采用如上述任意一項所述超結功率器件的版圖結構制備所述超結功率器件。
[0032]上述技術方案具有如下優點或有益效果:本發明使用全新的終端結構取代傳統超結器件的終端設計，使得終端結構四邊完全對稱，耗盡方式完全一致，提高了器件工作的穩定性；同時工藝上也不需要不同的P柱/N柱尺寸和濃度，工藝難度降低。
【附圖說明】
[0033]參考所附附圖，以更加充分的描述本發明的實施例。然而，所附附圖僅用于說明和闡述，并不構成對本發明范圍的限制。
[0034]圖1為傳統超結結構的示意圖；
[0035]圖2?圖10為本發明實施例中超結功率器件的版圖結構示意圖。
【具體實施方式】
[0036]在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。當然除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。
[0037]參考圖1，在傳統的超結(Super-Junct1n，簡稱為SJ)設計中，終端區域結構存在非對稱設計，即左側終端結構為傳統SJ終端結構，下側終端結構為改進終端。然而改進終端只改進了器件版圖兩側邊，但另外兩側邊仍然使用傳統終端結構使得版圖中這些終端相對于另外兩側終端更弱(圖中所示weak point區域)，造成器件工作穩定性差。
[0038]因此，本發明對此作了改進，完全拋棄傳統SJ終端結構，使得器件在終端結構對稱，耐壓均勻，性能得到改善。
[0039]下面結合具體的實施例以及附圖詳細闡述本發明的具有終端結構的功率器件。
[0040]實施例一:
[0041]如圖2所示，為本實施例的超結功率器件的版圖結構，該超結功率器件的版圖結構包括有源區I以及圍繞有源區I的四周設置的終端區(包括設置在有源區I上側的上側終端區2、設置在有源區I下側的下側終端區22、設置在有源區I左側的左側終端區33以及設置在有源區I右側的右側終端區3;需要注意的是，本實施例中的上側終端區、下側終端區、左側終端區、右側終端區僅僅代表直觀地表現于版圖結構中的圍繞有源區設置的上、下、左、右四側的終端區，用來區分四側方位以方便闡述，而在其他實施例中，也可將四個終端區稱之為第一至第四終端區)，四側終端區的器件結構的形狀、尺寸及分布情況均相同(即以有源區I為軸位于其相對兩側的終端區中的器件結構呈鏡像對稱分布，且任意一側終端區均可由其余任意一個終端區以有源區I為中心旋轉形成)。在本實施例中，因為四側終端區中，下側終端區22和上側終端區2的結構完全一致且關于有源區I鏡像對稱設置，左側終端區33和右側終端區3的結構完全一致且關于有源區I鏡像對稱設置，因此為方便展示，后續的附圖中僅詳細標示上側終端區2以及右側終端區3。
[0042]參照圖3，在有源區I中，包括若干平行排列且相鄰接觸設置的元胞(例如圖中標示的L0)，每個元胞由尺寸相同且平行接觸設置的P柱(PO)和N柱(NO)組成。作為一個優選的實施例，此處元胞均為條形元胞，且每個元胞中P柱與N柱之間的長度及寬度等尺寸均可相同。需要說明的是，在一些變化實施例中，其他拓撲結構的元胞設計也同樣適用于本發明的功率器件。
[0043]參見圖3所示，位于有源區I的上側的終端區為上側終端區2，包括若干平行排列且相鄰接觸設置的元胞(例如圖中標示的TL0)，每個元胞也由尺寸相同且平行接觸設置的P柱(TPO)和N柱(TNO)組成，且上側終端區2的元胞的延伸方向垂直于有源區I的元胞的延伸方向。需要注意的是，上側終端區2的元胞與有源區I的邊緣元胞并不接觸，其之間存在一間距NI，該間距NI小于P柱/N柱的寬度NO(本實施例中NO既可用于指代一 N柱，也可用于指代N柱的寬度)。
[0044]下側終端區22位于有源區I的下側，其結構與上側終端區2的結構完全一致沒有差另Ij(下側終端區22和上側終端區2以有源區I為鏡像對稱設置)，因此不再贅述。
[0045]在有源區I的右側為右側終端區3，包括若干平行排列且相鄰接觸設置的元胞，且如圖3所示，該右側終端區3的元胞是由有源區I的元胞向右延伸形成。左側終端區33位于有源區I的左側，其結構與右側終端區3的結構完全一致沒有差別(左側終端區33與右側終端區3以有源區I為鏡像對稱設置)，因此不再贅述。
[0046]作為一個優選的實施例，此處上側/下側/左側/右側終端區的元胞的結構均一致，僅存在P柱和N柱延伸方向的差異，也即四側終端區中元胞的尺寸(圖中直觀表現為長度和寬度)及P柱/N柱密度均相同，每個元胞中的P柱和N柱的尺寸也相同。且更進一步的，四側終端區的元胞尺寸及P柱/N柱密度與有源區I的元胞尺寸及P柱/N柱密度也相同。用公式直觀表述為:L0 = TL0，N0 = P0 = TN0 = TP0，L1 = L2。其中，LO代表有源區I中單個元胞的寬度，因左側/右側終端區的元胞由有源區I的元胞向左/向右延伸形成，因此LO也可代表左側/右側終端區中單個元胞的寬度;TLO代表上側/下側終端區2中單個元胞的寬度;NO代表組成元胞LO的N柱的寬度，也即有源區I和左側/右側終端區中的每個N柱的寬度;PO代表組成元胞LO的P柱的寬度，也即有源區I和左側/右側終端區中的每個P柱的寬度;TNO代表組成元胞TLO的N柱的寬度，也即上側/下側終端區中的每個N柱的寬度;TPO代表組成元胞TLO的P柱的寬度，也即上側/下側終端區中的每個P柱的寬度;LI代表上側/下側終端區中的每個N柱/P柱的長度;L2代表左側/右側終端區中的每個N柱/P柱的長度。
[0047]在各個終端區與有源區I的連接處，使用離子注入以使終端區和有源區I實現電學連接。具體的，上側/下側終端區臨近有源區I的部分元胞區上設置有注入區20，左側/右側終端區與有源區I接觸的部分元胞區上設置有注入區30。注入區20和30使得所有終端區保持在同一個電位，同時注入區20和30位置的硅表面(超結結構的P柱和N形成于一硅界面上)承受更高的耐壓，因此注入區20和30也作為保護層保護器件表面不發生提前擊穿。
[0048]進一步的，注入區20和30與P柱的重疊處通過連接孔(CNT)同設置于終端區的P柱表面的金屬層連接。其中，左側/右側終端區的CNT31由設置于有源區I的P柱表面的CNTl I延長至注入區30形成，以與設置于左側/右側終端區的P柱表面的金屬層連接。沿圖3中虛線Kl的剖面圖圖4展示出注入區30上CNT31同表面金屬32的連接情況。上側/下側終端區的CNT21單獨開孔形成在注入區20中，以與設置于上側/下側終端區的P柱表面的金屬層連接。沿圖3中虛線K2的剖面圖圖5展示出注入區20上CNT21同表面金屬22的連接情況。
[0049]其中，上述版圖結構中交替分布的P柱和N柱組成該超結功率器件的超結結構(Super-Junct1n)。
[0050]實施例二:
[0051]本實施例的超結功率器件的版圖結構與實施例一中的版圖結構大體一致，其區別之處在于:
[0052]在終端區與有源區I的連接處采用多區域注入方式，在終端區中形成多個注入區。如圖6所示，上側/下側終端區上不僅包括注入區20，還包括多個子注入區200、201...左側/右側終端區上不僅包括注入區30，還包括多個子注入區300、301...在注入區20和注入區30上同樣設置有CNT使得終端區與有源區I實現電學連接。注入區20寬度為P1，注入區200寬度為P2，與注入區20的間距為D2。這些注入區起著限制表面電場的作用，共同保護著終端表面。
[0053]本實施例的具有超結結構的功率器件的部分立體結構如圖7所示，當器件反偏時，終端在縱向的耐壓原理同有源區一致無太大區別，但是在橫向時，由于柱(Pillar)的延伸直接將零點位伸至終端最邊緣，所以耐用是從終端邊緣開始，再逐步延伸至有源區邊緣。其在橫向也滿足電荷平衡，因此不會出現過高的峰值電場而造成提前擊穿。但是由于si/si02界面處表面態以及電荷作用使得此處的臨界擊穿電場過低，所以需要引入注入區的保護。離子注入使得終端零點位位于一致區域，耗盡從同一位置發生，同時離子注入保護器件表面，使得表面不會出現提前擊穿。
[0054]參照圖2，本發明的超結功率器件的版圖結構還包括四個角落區(均標示為4)，設置于被上側/下側/左側/右側四側終端區限定的四個角落。因四個角落區的結構相對一致，僅存在相對于有源區I的元胞延伸方向差異，因此此處僅描述其中一個角落區4，但這并不構成對本發明的限制。
[0055]參照圖8?圖10，為本實施例的角落區4的三種結構。其中，圖8所示的角落區4的元胞排列方式與上側/下側終端區一致。圖9所示的角落區4的元胞延伸方向所在平面與有源區I及上側/下側/左側/右側四側終端區的元胞延伸方向所在平面垂直。圖10所示的角落區4包括接觸的第一元胞區41和第二元胞區42;第一元胞區41的元胞排列方式與上側/下側終端區一致，第二元胞區42的元胞排列方式與左側/右側終端區一致。
[0056]繼續參照圖8?圖1O，角落區4還包括若干注入區(40、400、401…)，與終端區上的注入區相連接以形成圍繞有源區I的若干圈完整的注入區。
[0057]其中，為保證電荷平衡，角落區4的P柱/N柱密度與四側終端區以及有源區的P柱/N柱密度一致。
[0058]本發明的超結功率器件包括采用如上述的超結功率器件的版圖結構制備的器件結構;本發明的超結功率器件的制備方法主要包括于一基底上采用如上述的超結功率器件的版圖結構制備該超結功率器件的方法，因上文中已詳細闡述超結功率器件的版圖結構，因此此處不再贅述。
[0059]綜上所述，本發明提出一種超結功率器件及其版圖結構、制備方法，使用全新的終端結構替代傳統超結器件的終端設計，使得終端結構四邊完全對稱，耐壓均勻，耗盡方式完全一致，提高了器件工作穩定性；同時工藝上也不需要不同的P柱/N柱尺寸和摻雜濃度，工藝難度降低。
[0060]對于本領域的技術人員而言，閱讀上述說明后，各種變化和修正無疑將顯而易見。因此，所附的權利要求書應看作是涵蓋本發明的真實意圖和范圍的全部變化和修正。在權利要求書范圍內任何和所有等價的范圍與內容，都應認為仍屬本發明的意圖和范圍內。
【主權項】
1.一種超結功率器件的版圖結構，其特征在于，包括有源區及位于所述有源區四周的終端區，且位于所述有源區相對兩側的終端區中的圖形結構以所述有源區為對稱軸呈鏡像對稱分布，以使位于所述有源區四周的終端區的耗盡方式相同。2.如權利要求1所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述終端區包括第一終端區、第二終端區、第三終端區和第四終端區;所述第一終端區和所述第二終端區分別位于所述有源區相對的兩側且以所述有源區為對稱軸呈鏡像對稱分布，所述第三終端區和所述第四終端區分別位于所述有源區另外相對的兩側且以所述有源區為對稱軸呈鏡像對稱分布； 其中，所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中的圖形結構均可由位于所述有源區任意一側的所述終端區中的圖形結構以所述有源區為中心旋轉形成。3.如權利要求2所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區均包括若干平行排列且相鄰接觸設置的元胞。4.如權利要求3所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述元胞為條形元胞，所述第一終端區和所述第二終端區中的所述條形元胞的延伸方向垂直于所述有源區中的所述條形元胞的延伸方向；所述第三終端區和所述第四終端區中的所述條形元胞的延伸方向和所述有源區中的所述條形元胞的延伸方向相同。5.如權利要求4所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述有源區中的所述條形元胞沿其長度方向分別延伸至位于所述有源區相對的兩側的所述第三終端區和所述第四終端區中，以分別作為所述第三終端區和所述第四終端區中的所述條形元胞。6.如權利要求4所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述第三終端區和所述第四終端區分別與所述有源區接觸;所述第一終端區和所述第二終端區中的所述條形元胞與所述有源區中的邊緣處的所述條形元胞之間存在一間距d，所述d大于O。7.如權利要求6所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，每個所述條形元胞均包括長度和寬度分別相同且接觸設置的一 P柱和一 N柱;并且 在所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，所述P柱與所述N柱交替設置。8.如權利要求7所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，在所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，所述P柱和所述N柱的長度均相同；并且 在所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，所述P柱和所述N柱的寬度均相同。9.如權利要求8所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述間距d小于所述P柱的寬度。10.如權利要求7所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，在所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，所述P柱和所述N柱的密度均相同。11.如權利要求7所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中，臨近所述有源區的所述條形元胞中設置有注入區，以將各所述終端區與所述有源區電學連接。12.如權利要求11所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述注入區為離子注入區。13.如權利要求11所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述有源區的P柱表面設置有連接孔，所述連接孔延伸至所述第三終端區以及所述第四終端區內的所述注入區的P柱表面，以與設置于所述第三終端區以及所述第四終端區內的P柱表面的金屬層連接。14.如權利要求11所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述第一終端區以及所述第二終端區的注入區中設置有連接孔，以與設置于所述第一終端區以及所述第二終端區中的P柱表面的金屬層連接。15.如權利要求11所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述功率器件還包括角落區，設置于被所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區限定的四個角落，且每個所述角落區均與兩個所述終端區接觸。16.如權利要求15所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述角落區的P柱密度與各所述終端區以及所述有源區的P柱密度相同。17.如權利要求15所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述角落區中的條形元胞的排列方式與所述第一終端區以及所述第二終端區中的所述條形元胞的排列方式一致。18.如權利要求15所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述角落區中的條形元胞的延伸方向所在平面垂直于所述有源區、所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中的所述條形元胞的延伸方向所在平面。19.如權利要求15所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述角落區包括接觸設置的第一元胞區和第二元胞區;所述第一元胞區中的條形元胞的排列方式與所述第一終端區以及所述第二終端區中的所述條形元胞的排列方式一致，所述第二元胞區中的條形元胞的排列方式與所述第三終端區以及所述第四終端區中的所述條形元胞的排列方式一致。20.如權利要求15所述的超結功率器件的版圖結構，其特征在于，所述角落區臨近所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中的注入區的元胞區域中，設置有角落注入區，所述角落注入區與所述第一終端區、所述第二終端區、所述第三終端區以及所述第四終端區中的注入區相連接以形成圍繞所述有源區的環形注入區。21.—種超結功率器件，其特征在于，包括采用如權利要求1?20中任意一項所述超結功率器件的版圖結構制備的器件結構。22.—種超結功率器件的制備方法，其特征在于，于一基底上采用如權利要求1?20中任意一項所述超結功率器件的版圖結構制備所述超結功率器件。
【文檔編號】H01L29/06GK105845715SQ201610281159
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】馬榮耀
【申請人】中航（重慶）微電子有限公司