[发明专利]由不一致的镇流源极保护的高功率高温半导体功率器件

说明书

技术领域

本发明一般涉及垂直半导体功率器件。特别地，本发明涉及具有用以保 护半导体功率元件的不一致镇流源极的晶体管单元的垂直半导体功率器件的 结构及制造方法，使其能可靠地运行于高功率高温度的环境中。

背景技术

目前的制造及配置半导体功率器件的技术仍然面临一技术难题，那就是 能够可靠运行于高功率高温度下的器件通常具有较高的导通电阻。特别的是， 运行在高功率环境，即应用于高压高电流和高温的功率晶体管的设计需要较 高的可靠性。一种实际的应用是功率晶体管应用于直流无刷电动机控制中。 一方面，由于导通电阻的正温度系数，例如为MOSFET器件的功率晶体管的 可靠性会得到提升。但同时，MOSFET器件的阈值电压在较低电流和线性操 作模式中具有负的温度系数。由此导致的情况就是当温度上升时，网电压 (Vgs-Vt)，即栅极与漏极间的电压Vgs减去阈值电压Vt的值会增加。温度 失控环境会导致器件损坏。由于所强调的阈值电压的负温度系数现象，温度 失控问题会发生于沟槽栅极DMOS(双扩散金属氧化物半导体)器件以及平 面功率MOSFET器件中。

为了克服这些困难，应用源极镇流的技术以优化MOSFET器件的热稳定 性。源极镇流技术类似于应用于双极技术的发射极镇流。图1所示为一实现 源极镇流的MOSFET器件的结构。MOSFET器件包括一被包围在体区域中 的源极区域，其中，一部分标示为S-镇流的源极区域用更低浓度的源极掺杂 物掺杂。S-镇流区域构成镇流电阻Rs，提供一个反馈以抵消由阈值电压的负 温度系数所导致的电压增加。源漏电流，即Ids，在阈值电压较低且温度上升 时，会由于电压的增加而增加。于是导通电阻增加以限制电流的进一步增加， 防止热失控问题。由于现有的结构中一律将源极镇流实现于半导体功率器件 的整个区域之上，所以导通电阻的明显增加通常对器件性能产生负面影响。

特别地，源极镇流技术公开于美国专利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 器件这样的公开于这些授予专利权的发明中的半导体功率器件都实现了一致 的镇流技术以提升热稳定性。然而，由于现有的镇流技术是通过一致增加的 源极电阻实现的，故其导通电阻大幅增加并且器件性能受到负面影响。

因此，在功率半导体器件的设计及制造领域仍然存在着一种需求，即提 供一种新的制造功率器件的结构及方法以使上述所讨论的问题和限制得以解 决。

发明内容

因此，本发明的一个方面提供了一种新的优化的制造半导体功率器件的 结构和方法，其具有源极镇流代替一致镇流结构，以提供内部及局部的反馈 来最小化局部热失控，以此减少导通电阻的明显增加，从而解决上述的困难。

特别的，本发明的一个方面提供一种新的优化的半导体功率器件的器件 结构和制造方法，其利用热耗散和所有导通电阻的增加的结构分布来变动器 件区域上方的镇流量。特别是，在大量电流流经时，该功率半导体器件在边 缘附近具有较低的温度，在芯片中心附近及接合衬垫附近具有较高温度。考 虑到在器件的不同区域的这些温度分布和电运行特性，源极镇流有变化地选 择分布，以在最小化电阻增加时有效防止热失控问题。

简要地，在本发明的一个优选实施方式中公开了设置于半导体衬底上的 半导体功率器件。该半导体功率器件包括多个分布于不同区域的晶体管单元， 其根据每一个不同区域的局部热损耗，具有变化的镇流电阻值。在一个具体 实施方式中，具有较低镇流电阻的晶体管单元设置于外围区域附近，具有较 高镇流电阻的晶体管单元设置于接合衬垫区域附近。在本发明的另一个具体 实施方式中，具有最高镇流电阻的晶体管单元设置在接合线衬垫周围的区域， 具有较低电阻的晶体管单元设置于接合线衬垫之下，并连接接合线，由此形 成消散，具有最低镇流电阻的晶体管单元设置于远离接合衬垫的区域。