一种MOS类功率器件的元胞结构

摘要

本发明提供一种MOS类功率器件的元胞结构，在所述元胞结构的俯视平面上，沿曲条形布置两条栅极，两条栅极之间的距离是变化的，在所述栅极之间布置有阱，在所述阱中布置源区，两条栅极之间还布置有接触孔，所述接触孔同时与所述源区和所述阱区相接触。本发明针对现有MOS类功率器件的元胞结构不够紧凑的缺点，提出的MOS类功率器件的元胞结构，能够使元胞结构的排布紧凑，降低MOS类功率器件的正向导通压降。

权利要求

1.一种MOS类功率器件的元胞结构，在所述元胞结构的俯视平面上，沿曲条形布置两条栅极，两条栅极之间的距离是变化的，在所述栅极之间布置有阱，在所述阱中布置源区，两条栅极之间还布置有接触孔，所述接触孔同时与所述源区和所述阱区相接触。

2.根据权利要求1所述的元胞结构，其中，所述两条栅极相对于元胞的延伸方向镜像对称。

3.根据权利要求2所述的元胞结构，其中，所述栅极呈脉冲波形貌，并且所述脉冲波形的弯曲处的弯曲角度为135度。

4.根据权利要求2所述的元胞结构，其中，所述栅极呈正弦波形貌。

5.根据权利要求1所述的元胞结构，其中，其中一条栅极呈脉冲波形貌且在所述脉冲波形的弯曲处的弯曲角度为135度，另一条栅极呈正弦波形貌，并且所述栅极之间距离最大的位置处为正弦波形的波峰或波谷。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的元胞结构，其中，所述接触孔布置在所述栅极之间最大距离和最小距离之间的距离所对应的位置处。

7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的元胞结构，其中，所述接触孔布置在对应于所述栅极之间距离最大的位置处。

说明书

一种MOS类功率器件的元胞结构

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种MOS类功率器件的元胞结构。 背景技术

[0002] 通常以器件中能通过的最大电流和能承受的最大电压来标志功率器件的设计和制造水平。对MOS类功率器件(如MOSFET和IGBT)而言，其电流容量与其沟道宽度成正比，所以通过的电流大就对应着尽可能大的沟道宽度。为了增大器件的沟道宽度，在有限的芯片面积上，通常是把一个大器件分成一定数量的小器件并联起来，其中每个小器件被称为一个单元或元胞(cell)，这就是功率器件元胞概念的由来。随着功率器件的发展，提出了各种不同类型的元胞结构。原则上，元胞结构的设计水平以其在单位面积上实现沟道宽度的大小来衡量。

[0003] 目前，MOS类功率器件经常采用的元胞结构有如图1所示的条形元胞条形阱结构，其中，标号11表示接触孔的宽度，12表示阱的宽度，13表示单位元胞的宽度。此外，MOS类功率器件也经常采用方元胞方阱、六角元胞圆阱等结构。这些常规的元胞结构排布非常简单，但却不是最紧凑的结构。

发明内容

[0004] 本发明针对现有MOS类功率器件的元胞结构不够紧凑的缺点，提出了一种MOS类功率器件的元胞结构，能够使元胞结构的排布紧凑，降低MOS类功率器件的正向导通压降。 [0005] 一种MOS类功率器件的元胞结构，在所述元胞结构的俯视平面上，沿曲条形布置两条栅极，两条栅极之间的距离是变化的，在所述栅极之间布置 有阱，在所述阱中布置源区，两条栅极之间还布置有接触孔，所述接触孔同时与所述源区和所述阱区相接触。 [0006] 由于本发明元胞结构的栅极为曲条形，两条栅极之间的距离是变化的，所以能够大大缩小阱的宽度，提高单位面积元胞的填充密度，从而增加MOS类功率器件的沟道宽度，降低MOS类功率器件的沟道电阻，并最终降低MOS类功率器件的正向导通压降。 附图说明

[0007] 图1为现有条形元胞条形阱元胞结构的俯视图；

[0008] 图2为IGBT器件的导通电阻的组成分量示意图；

[0009] 图3为IGBT器件的栅极宽度a和阱宽度s的定义示意图；

[0010] 图4为根据本发明一种实施方式的MOS类功率器件元胞结构的俯视图； [0011] 图5为根据本发明另一实施方式的MOS类功率器件元胞结构的俯视图； 图6为目前常用的功率器件元胞结构及其单位面积沟道宽度的比较。

具体实施方式

[0012] 下面结合附图对本发明MOS类功率器件的元胞结构进行详细描述。 [0013] MOS类功率器件(例如MOSFET或IGBT)是重要的大功率开关器件，其正向导通压降是最重要的性能参数之一。

[0014] 在功率器件设计中，为了获得小的正向导通压降，需要尽量减小导通电阻。下面首先以IGBT器件为例，对导通电阻的组成分量进行说明。如图2所示，IGBT器件100的导通电阻主要包括沟道电阻Rch、相邻两个p阱间的电阻(也称为JFET电阻)Rj、外延层电阻Repi、以及栅极正下方在n-层上形成的表面电荷积累层电阻Ra，其中，沟道电阻Rch是MOS类功率器件导通电阻的重要组成部分，因此，器件设计中希望获得尽量小的沟道电阻Rch，以获得小的正向导通压降。由沟道电阻的公式Rch＝L/[W×μ×Cox(Vg-Vth)]可知， 沟道电阻Rch的大小与沟道宽长比W/L成反比，其中，L和W分别为沟道的长度和宽度，μ为电子迁移率，Cox为单位面积栅氧化层电容，Vg和Vth分别为MOS类功率器件的栅极电压和阈值电压。由于在相同的工艺条件下，沟道长度L基本保持不变，所以，MOS类功率器件单位面积沟道宽度的大小就决定了沟道电阻的大小，沟道宽度W越大，沟道电阻Rch越小。另外，如图2所示，对于MOS类功率器件，由于存在JFET效应，所以JFET电阻Rj也是MOS类功率器件的导通电阻的重要组成部分。为了减小JFET电阻Rj，在器件设计中，通常使栅极宽度a大于阱宽度s，a和s的定义可如图3所示。

[0015]

[0016]

[0017] 在对本发明提供的MOS类功率器件的元胞结构进行详细描述之前，首先对目前常用的MOS类功率器件的元胞结构及其单位面积沟道宽度的比较进行简单介绍，如表1所示。通过简单的计算可知，当a＞s时，在七种元胞结构中，条形元胞条形阱元胞结构的单位面积沟道宽度最大，其中，g表示与元胞结构有关的系数，a为栅极宽度，s为阱宽度。 [0018] 接下来详细描述本发明提供的MOS类功率器件的元胞结构。

[0019] 本发明提供一种MOS类功率器件的元胞结构，其中，在所述元胞结构的俯视平面上，沿曲条形布置两条栅极，两条栅极之间的距离是变化的，在所述栅极之间布置有阱，在所述阱中布置源区，两条栅极之间还布置有接触孔，所述接触孔同时与所述源区和所述阱区相接触。

[0020] 由于本发明元胞结构的栅极为曲条形，两条栅极之间的距离是变化的，所以能够大大缩小阱的宽度，提高单位面积元胞的填充密度，从而增加MOS类功率器件的沟道宽度，降低MOS类功率器件的沟道电阻，并最终降低MOS类功率器件的正向导通压降。 [0021] 优选地，如图4所示，本发明提供的MOS类功率器件的元胞结构401中的两条栅极相对于元胞的延伸方向镜像对称，其中，元胞结构401的阱区如图4中的标号C所示。通过采用镜像结构，使得在满足集成电路设计规则要求的情况下，既能够使两条栅极之间容纳接触孔，又能够缩小两条栅极之间不布置接触孔处的阱的宽度。

[0022] 由于在器件设计中，阱区的设计宽度主要受版图设计规则中最小接触孔宽度和多晶硅到接触孔的最小间距的影响，因此，与现有技术中的条形元胞条形阱结构相比，图4所示的元胞结构401使得阱区的面积大大缩小，这样就提高了单位面积元胞的填充密度，进而在消耗同样芯片面积的前提下，采用本发明提供的元胞结构时的沟道宽长比就比采用常规条形元胞条形阱结构时的宽长比要大得多，因此，降低了MOS类功率器件的沟道电阻，并最 终降低了MOS类功率器件的正向导通压降。

[0023] 优选地，本发明提供的MOS类功率器件的元胞结构中，栅极呈脉冲波形貌并且所述脉冲波形的弯曲处的弯曲角度可以为135度，如图4所示。在呈脉冲波形貌的栅极的弯曲处采用135度的弯曲角度，使得本发明的元胞结构不易发生局部雪崩击穿。将图1所示的条形元胞条形阱结构与图4所示的元胞结构相比较可知，本发明提供的元胞结构中栅极条的排布更加紧密，在消耗同样芯片面积的前提下，采用本发明提供的元胞结构时的栅极宽度要宽于采用条形元胞条形阱元胞结构时的栅极宽度，例如，在芯片面积相同的情况下，图1中存在5个元胞，而图4中存在6个元胞。而且，在不牺牲更多芯片面积的同时，图4所示的元胞结构可以轻易地容纳分布式背栅接触孔。

[0024] 此外，还应当理解的是，在图4所示的元胞结构中，A处和B处的长度比例可以为1∶1或者其他比例。而且，图4所示的元胞结构中，栅极之间距离最大的位置处布置了两个接触孔，但这只是示例性的，并不限制本发明的范围，例如，栅极之间距离最大的位置处可以布置更多或更少的接触孔。

[0025] 优选地，本发明提供的MOS类功率器件的元胞结构中，栅极呈正弦波形貌，如图5所示的元胞结构501，这样，本发明的元胞结构不易发生局部雪崩击穿。其中，图5所示的元胞结构中，两条栅极也是相对于元胞的延伸方向镜像对称，并且元胞结构501的阱区如图5中的标号C所示。同样地，将图1所示的条形元胞条形阱元胞结构与图5所示的元胞结构相比较可知，图5所示的元胞结构中栅极条的排布更加紧密，在消耗同样芯片面积的前提下，采用图5中的元胞结构时的栅极宽度要宽于采用条形元胞条形阱结构时的栅极宽度，例如，在芯片面积相同的情况下，图1中存在5个元胞而图5中存在6个元胞。此外，虽然图5中在栅极之间距离最大的位置处示出了两个接触孔，但这并不构成对本发明的限制。 [0026] 当然，还可以将图4和图5中的栅极形状相结合，例如，使元胞结构中 的其中一条栅极呈脉冲波形貌且在所述脉冲波形的弯曲处的弯曲角度为135度，另一条栅极呈正弦波形貌，并且所述栅极之间距离最大的位置处为正弦波形的波峰或波谷。此外，所述接触孔可以布置在所述栅极之间最大距离和最小距离之间的距离所对应的位置处，也可以仅布置在对应于所述栅极之间距离最大的位置处。

[0027] 以上仅通过优选实施方式对本发明MOS类功率器件的元胞结构进行了详细描述，应当理解的是，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种变形和修改。