[發明專利]由不一致的鎮流源極保護的高功率高溫半導體功率器件

有效

• 申請號: 200910008288.6
• 申請日: 2009-02-19
• 公開（公告）號: CN101546766A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: 弗蘭茨娃·赫爾伯特;安荷·叭剌
• 申請（專利權）人: 萬國半導體股份有限公司
• 主分類號: H01L27/06
• 分類號: H01L27/06;H01L29/78;H01L29/739;H01L29/36;H01L21/8234;H01L21/8222;H01L21/22
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 張靜潔;王敏杰

技術領域

本發明一般涉及垂直半導體功率器件。特別地，本發明涉及具有用以保 護半導體功率元件的不一致鎮流源極的晶體管單元的垂直半導體功率器件的 結構及制造方法，使其能可靠地運行于高功率高溫度的環境中。

背景技術

目前的制造及配置半導體功率器件的技術仍然面臨一技術難題，那就是 能夠可靠運行于高功率高溫度下的器件通常具有較高的導通電阻。特別的是， 運行在高功率環境，即應用于高壓高電流和高溫的功率晶體管的設計需要較 高的可靠性。一種實際的應用是功率晶體管應用于直流無刷電動機控制中。 一方面，由于導通電阻的正溫度系數，例如為MOSFET器件的功率晶體管的 可靠性會得到提升。但同時，MOSFET器件的閾值電壓在較低電流和線性操 作模式中具有負的溫度系數。由此導致的情況就是當溫度上升時，網電壓 (Vgs-Vt)，即柵極與漏極間的電壓Vgs減去閾值電壓Vt的值會增加。溫度 失控環境會導致器件損壞。由于所強調的閾值電壓的負溫度系數現象，溫度 失控問題會發生于溝槽柵極DMOS(雙擴散金屬氧化物半導體)器件以及平 面功率MOSFET器件中。

為了克服這些困難，應用源極鎮流的技術以優化MOSFET器件的熱穩定 性。源極鎮流技術類似于應用于雙極技術的發射極鎮流。圖1所示為一實現 源極鎮流的MOSFET器件的結構。MOSFET器件包括一被包圍在體區域中 的源極區域，其中，一部分標示為S-鎮流的源極區域用更低濃度的源極摻雜 物摻雜。S-鎮流區域構成鎮流電阻Rs，提供一個反饋以抵消由閾值電壓的負 溫度系數所導致的電壓增加。源漏電流，即Ids，在閾值電壓較低且溫度上升 時，會由于電壓的增加而增加。于是導通電阻增加以限制電流的進一步增加， 防止熱失控問題。由于現有的結構中一律將源極鎮流實現于半導體功率器件 的整個區域之上，所以導通電阻的明顯增加通常對器件性能產生負面影響。

特別地，源極鎮流技術公開于美國專利5,475,252，5,763,9191，6,268,286， 6,331,726，6,441,410，6,583,972，6,587,320和6,927,458中。例如MOSFET 器件這樣的公開于這些授予專利權的發明中的半導體功率器件都實現了一致 的鎮流技術以提升熱穩定性。然而，由于現有的鎮流技術是通過一致增加的 源極電阻實現的，故其導通電阻大幅增加并且器件性能受到負面影響。

因此，在功率半導體器件的設計及制造領域仍然存在著一種需求，即提 供一種新的制造功率器件的結構及方法以使上述所討論的問題和限制得以解 決。

發明內容

因此，本發明的一個方面提供了一種新的優化的制造半導體功率器件的 結構和方法，其具有源極鎮流代替一致鎮流結構，以提供內部及局部的反饋 來最小化局部熱失控，以此減少導通電阻的明顯增加，從而解決上述的困難。

特別的，本發明的一個方面提供一種新的優化的半導體功率器件的器件 結構和制造方法，其利用熱耗散和所有導通電阻的增加的結構分布來變動器 件區域上方的鎮流量。特別是，在大量電流流經時，該功率半導體器件在邊 緣附近具有較低的溫度，在芯片中心附近及接合襯墊附近具有較高溫度。考 慮到在器件的不同區域的這些溫度分布和電運行特性，源極鎮流有變化地選 擇分布，以在最小化電阻增加時有效防止熱失控問題。

簡要地，在本發明的一個優選實施方式中公開了設置于半導體襯底上的 半導體功率器件。該半導體功率器件包括多個分布于不同區域的晶體管單元， 其根據每一個不同區域的局部熱損耗，具有變化的鎮流電阻值。在一個具體 實施方式中，具有較低鎮流電阻的晶體管單元設置于外圍區域附近，具有較 高鎮流電阻的晶體管單元設置于接合襯墊區域附近。在本發明的另一個具體 實施方式中，具有最高鎮流電阻的晶體管單元設置在接合線襯墊周圍的區域， 具有較低電阻的晶體管單元設置于接合線襯墊之下，并連接接合線，由此形 成消散，具有最低鎮流電阻的晶體管單元設置于遠離接合襯墊的區域。