低熱阻器件的形成方法和結構的製作方法
2023-04-22 22:58:51
專利名稱：低熱阻器件的形成方法和結構的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及電子設備，尤其是涉及半導體器件的形成方法和結構。
背景技術：
在過去，半導體工業利用各種方法和結構來形成半導體器件。形成功率器件通常考慮可以通過半導體器件散逸的最大功率。一般，將功率器件形成為半導體基板的單一固定區域。圖1示意性地示出了在半導體基板201上具有功率器件202的半導體器件200的一般概念。圖1的頂部示出了器件200的平面圖，而圖1的底部示出了沿著截面線1-1的截面圖。虛線示出了經由基板201從功率器件202輻射的熱量。如可以看到的，大部分的熱量集中在了基板201的部分204中。將部分204稱為熱量的自交互作用區域。這種熱量的自交互作用區域一般會造成半導體器件200具有高的熱阻和減小的最大功率以便器件200可以散逸。在一些情況下，高熱阻的半導體器件需要額外的冷卻以保持半導體晶片的溫度在最大容許限度以下，由此增加了使用半導體器件的成本。由於高的熱阻，半導體晶片的溫度經常增加到減小半導體器件的可靠性和壽命的溫度。
因此，希望具有一種有效地分布半導體器件內的熱量的方法，以便不減小半導體器件的封裝密度，並降低半導體器件的熱阻。
圖1示意性地示出了現有技術的高熱阻的半導體器件；圖2示意性地示出了根據本發明的半導體器件實施例的單元的一部分；圖3示意性地示出了根據本發明的基於單元的半導體器件的單元的實施例的一部分的平面圖；和圖4示意性地示出了根據本發明另一半導體器件的實施例的一部分的平面圖。
為了說明簡單和清楚，圖中的元件不必按規定比例，且不同圖中的相同附圖標記表示相同的元件。另外，為了說明簡單省略了公知的步驟和元件的說明。如在此使用的載流電極指的是經由器件如MOS電晶體的源極或漏極、或者雙極電晶體的反射極或集電極、或者二極體的陰極或陽極來運載電流的器件的元件，且控制電極指的是經由器件如MOS電晶體的柵極或者雙極電晶體的基極控制電流的器件的元件。雖然在此將器件解釋為具體的N溝道或P溝道器件，但本領域普通技術人員將意識到，根據本發明也可以是互補器件。為了各圖清楚起見，將器件結構的摻雜區解釋為通常具有直線邊緣和精確的有角拐角。然而，本領域技術人員可理解，由於摻雜劑的擴散和活化，摻雜區的邊緣通常不是直線的，且拐角不是精確的角度。
具體實施例方式
圖2示意性地示出了形成於半導體基板11上的半導體器件10的實施例的一部分。圖2的頂部示出了器件10的平面圖，而圖2的底部示出了沿著截面線2-2的截面圖。器件10包括高功率散逸的半導體器件15，形成半導體器件15以具有提供用於器件10的熱分布提高的形狀或布局，使器件10的熱阻值減到最小，並使半導體基板11的面積的利用率達到最大。已發現，具有周邊比在約1.8和2.4之間的形狀的種類或四邊多角形的布局提供了提高的熱分布。例如，多角形可以是矩形、平行四邊形、梯形或菱形中的任意一種或者具有周邊比的任一其它的四邊多角形。如在此使用的，形狀的周邊比是形狀的周邊長度和具有面積等於該形狀面積的等效圓的圓周長度之間的比。表示周邊比的另一方式是具有周邊長度比具有與該形狀面積相同面積的等效圓的圓周長度大至少N倍的形狀。對於具有周邊比是約1.8至2.4的四邊多角形的種類，N是約1.8至2.4。器件15是這種形狀的實例。
器件15可以是垂直功率金屬氧化物半導體(MOS)電晶體、或橫向的MOS功率電晶體、或高電流的二極體或雙極電晶體。例如，器件15可以是橫向的或垂直的LDMOS功率電晶體。器件10還可包括為了各圖簡化而未示出的其它有源或無源半導體元件。如下文將看到的，布置器件15的高功率散逸部分，以形成器件15的形狀。器件15具有長邊16和18、和短邊17和19，將它們布置成形成器件15的形狀的周邊。對於器件15是非基於單元的雙極電晶體或非基於單元的橫向MOS功率電晶體的情況，邊16-19一般通過器件15載流電極的摻雜區的外邊(如在形成漏區的基板11內摻雜區的外邊緣)形成。一般，這種摻雜區延伸到基板11的表面，且具有在表面上的形狀。還可形成邊16-19作為形成器件15的高功率散逸區的基板11的摻雜區的外邊緣。對於橫向MOS功率電晶體的實例，在工作期間，高功率散逸一般出現在漏極和源極之間的溝道區中。由於將溝道限定為源極和漏極之間的區域，所以形成源極並面向漏極的摻雜區的邊緣是該形狀的一邊，如邊16。而且，面向源極的漏極的摻雜區的邊緣可以是該形狀的另一邊，如邊18。由此，形成漏極或源極的摻雜區的一邊變為器件15的一邊。器件10的截面圖示出了該結構將器件10形成到高功率散逸的區域中。沒有位於器件15下面的基板11的部分是基板11的較低功率散選區域。虛線示出了從器件15的摻雜區輻射的高的熱散逸區。由此，在周邊比是約1.8至2.4的四邊多角形的形狀中形成器件15使熱量跨越更大面積的基板11分散出去，減小了自交互作用區域的大小，並減小了必須在器件15下面的基板11的任一點處散逸的熱量，由此降低了器件10的熱阻。
在一個實例實施例中，器件15具有約一個單位的邊16和18、以及約8.1個單位的邊17和19。所得到的周邊約為18.2個單位，且該面積約為8.1個單位。相同面積的圓當量具有約10.09個單位的圓周。由此示範性的器件15的周邊比約為1.804(用10.09除18.2)。形成具有周邊比為1.8至2.4之間的器件15提供了減小熱阻的不希望的結果。當該形狀很接近於四方形或圓形時，通常認為現有技術的器件更有效。現有的器件不具有在1.8至2.4範圍內的周邊比。由此該範圍的周邊比提供了不希望的熱阻減小。
圖3示意性地示出了用於形成基於單元的橫向MOS功率電晶體的電晶體單元26的實施例的一部分。電晶體單元如單元26一般包括形成於半導體基板上並用作電晶體單元26漏區的第一摻雜區30和第二摻雜區29。另外，第三摻雜區27和第四摻雜區28形成在半導體基板上，並用作單元26的源極。由於區域27、28、29和30一般被導體36和37覆蓋，所以它們由虛線示出。柵極33一般形成在基板的表面上和區域27與29之間以及區域28和30之間。使柵極導體34與柵極33電接觸，並促使單元26與可形成在基於單元電晶體中的其它相鄰電晶體單元電連接。同樣，漏極導體37促使區域29和30一起與相鄰電晶體單元中的相似漏極電連接。源極導體36，由虛線示出，一般延伸過單元26並使區域27和28電接觸，並且促使將區域27和28電連接到相鄰電晶體單元中的其它相似的源極。
單元26具有如線42、43、44和45所示的四邊。線42是沿著形成源極的摻雜區27和28以及形成漏極的摻雜區29和30的邊緣延伸的線。線42表示在其上形成了單元26的半導體基板內的摻雜區的一邊。同樣，線44沿著區域27和28的相對邊和以與線42相似的方式相對的區域29和30延伸。線42和44恰好很少接觸摻雜區的最外面或遠側邊緣。線43沿著區域30的外部邊緣延伸，並形成單元26的另一邊。同樣，線45沿著區域29的外部邊緣延伸。線42-45延伸過單元26的邊界，以輔助識別線42-45。對於垂直單元，線43和45一般沿著柵極33的外部邊緣延伸且恰好很少接觸柵極33的外部邊緣。至少，線43和45沿著在單元26工作期間散逸最大功率的單元26的部分，如沿著覆蓋最大電流出現的漏極部分的溝道延伸。
電晶體單元和相應的基於單元電晶體對於本領域技術人員來說是公知的。在2003年5月20日公開的Strachan等人的美國專利6,566,710、在2003年4月1日公開的Pfirsch的美國專利號6,541,818、在2001年3月20日Williams等人的美國專利號6,204,533和在1991年7月23日公開的Richard Blanchard的美國專利號5,034,785中公開了電晶體單元的實例和相應的基於單元電晶體，在此將它們併入這裡作為參考。
對於MOS電晶體，在溝道區中主要是高功率散逸。溝道區一般是源極和漏極之間的區域。一般，面向漏極的源極邊緣是溝道的一個邊緣，且面向源極的漏極的邊緣是溝道的另一邊緣。溝道寬度至少是面向溝道的源極或漏極的邊緣最窄的寬度。因此，可以使用源極或漏極的外邊緣和內邊緣來形成單元的邊，例如，使用單元的形狀的邊。在大多數情況下，發現該形狀的邊的這種方法比使用使單元共同互連的金屬導體更可靠。然而，在一些單元實施例中可使用金屬。對於一些閉合的橫向單元，可將單元的一個邊緣看作成穿過與兩個相鄰單元共同的源區的線。在2003年5月20日公開的Strachan等人的美國專利6,566,710中公開了這種單元實施例的典型實例。在其它的實施例中，可使用單元來形成在形成垂直的基於單元MOS功率電晶體中所使用的垂直電晶體。對於這種垂直的電晶體單元，區域29和30的漏極一般位於各自區域27和28的源極部分下面，並且還位於柵極33的部分下面。因此，可以使用柵極的外邊緣來形成單元的邊，例如，使用單元的形狀的邊。對於一些閉合的垂直單元，可定位單元，以便單元的外邊緣是代替直線的點。在2003年4月1日Pfirsch的美國專利號6,541,818中公開了這種單元實施例的典型實例。對於這種單元，可繪製接觸每個最外單元的遠側點的線，以形成使用該單元的形狀的外邊緣，且可繪製相似的線以連接最內單元的遠側邊緣，以形成使用該單元的形狀的內邊界，如下文將進一步看到的。
如本領域技術人員將理解的，在本領域中使用了許多的不同單元，且在未來希望是許多變形，而且對設計進行了變型以提供提高的工作參數，如開態電阻、電容等。由此在此描述的實例，包括單元26的實例，說明了可以精確地基於如何實現單元例如使用該單元的器件的形狀來改變可限定單元邊界的說明。
圖4示意性地示出了形成在半導體基板51上的半導體器件50實施例的一部分的平面圖。器件50包括由如圖3的說明中解釋的電晶體單元26形成的高功率散逸的基於單元的半導體器件52。器件50和52是圖2的說明中解釋的器件10和15的可選實施例。器件52的形狀提供了提高的熱分布的器件50，使器件50的熱阻值減到最小，並使半導體基板51的面積的利用率達到最大。器件52可以是包括垂直MOS功率電晶體、或橫向的MOS功率電晶體、或高電流二極體或雙極電晶體的各種基於單元的半導體器件。例如，器件52可以是橫向的或垂直的LDMOS功率電晶體。器件50還可包括為了各圖的簡化未在圖4中示出的其它有源或無源半導體元件。
對於圖4中所述的實例實施例，器件52是橫向的LDMOS電晶體。這種器件52的實施例包括多個單元，如單元26，它們以與圖2的說明中解釋的器件15的相似形狀布置在基板51上。器件52具有包括第一邊53、第二邊54、第三邊55和第四邊56的周邊。沿著接近於邊56的器件52的周邊，通過單元的載流電極的摻雜區的外邊緣形成邊53。這些摻雜區一般形成每個單元26的高功率散逸區。對於使用圖3的說明中解釋的單元26的橫向MOS功率電晶體的實例，在工作期間在圖3的說明中如上文所述的溝道區中出現了高功率散逸。由此，對於該實例，形成最外的右手單元的漏極或源極的摻雜區的遠側邊緣變成外邊緣或邊53。相應地，形成左手最外單元的漏極或源極的摻雜區的遠側邊緣變成邊緣或邊55。
通過將多個單元耦接在一起形成器件52，以功能上基本一致地形成器件52的功能性。根據單元如何定位於器件52之內，可以通過單元26的線42、43、44或45中任何一條形成器件52的邊53。同樣，根據用於形成器件52的單元的位置，還通過線42-45中之一形成器件52的周邊的邊54、55和56。布置器件52的邊53-56，以形成器件52的形狀的周邊。形成四邊圖的形狀的器件52使由器件52產生的熱量傳播過基板51，減小了自交互作用區域的大小，並減小了位於器件52下面的基板51的任一點處必須散逸的熱量，由此降低了器件50的熱阻。
鑑於所有的上述情況，顯然公開了新穎的器件和方法。除了別的部件以外，包括形成具有提供提高的熱分布和減小的熱阻的形狀或布局的器件。具有周邊比為1.8至2.4的矩形的布局提供了提高的熱阻。
雖然用具體的優選實施例描述了本發明，但明顯的是，對於半導體領域技術人員來說許多可選方案和變型是顯而易見的。
權利要求
1.一種半導體器件的形成方法，包括以具有在半導體基板的表面上具有第一長度的第一周邊並具有第一面積的器件形狀，形成半導體器件的摻雜區；以及布置所述摻雜區，以形成四邊多角形的器件形狀，其中第一長度是圍繞具有第一面積的圓的圓周的第一距離的約1.8至2.4倍。
2.如權利要求1的方法，其中以具有在半導體基板表面上的第一長度的第一周邊並具有第一面積的器件形狀形成半導體器件的摻雜區的步驟，包括將多個單元耦接在一起，其中與多個單元的載流電極的摻雜區的遠側邊緣相交的線形成第一周邊的至少一邊。
3.如權利要求1的方法，其中布置所述摻雜區以形成器件形狀的步驟包括，布置所述摻雜區以形成如矩形、平行四邊形、梯形或菱形之一的器件形狀。
4.如權利要求1的方法，其中形成半導體器件的摻雜區的步驟包括，形成橫向功率電晶體或垂直功率電晶體中之一的摻雜區。
5.如權利要求1的方法，其中布置所述摻雜區的步驟包括布置源區或漏區，其中源區或漏區的一邊形成所述第一周邊的一邊。
6.一種提高半導體器件的熱散逸的方法，包括布置半導體器件的摻雜區，以形成具有第一長度的第一周邊和第一面積的器件形狀，其中器件形狀是四邊的多角形，其中第一長度是圍繞具有第一面積的圓的圓周的第一距離的約1.8至2.4倍。
7.如權利要求6的方法，其中布置所述摻雜區的步驟包括布置半導體器件的摻雜區，將器件形狀形成為矩形、平行四邊形、梯形或菱形之一。
8.一種半導體器件，其器件形狀具有第一長度的第一周邊和第一面積，其中該器件形狀是四邊的多角形，其中第一長度是圍繞具有第一面積的圓的圓周的第一距離的約1.8至2.4倍。
9.如權利要求8的半導體器件，其中器件形狀包括可操作耦接的多個單元，以基本一致地工作，從而形成半導體器件的功能性。
10.如權利要求9的半導體器件，其中多個單元的摻雜區的外邊形成器件形狀。
全文摘要
形成一種半導體器件，以具有減小半導體器件的熱阻的形狀。
文檔編號H01L23/367GK1773669SQ20051011356
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月13日 優先權日2004年10月14日
發明者納拉揚·拉賈, 羅傑·P·斯託特 申請人:半導體元件工業有限責任公司