用于垂直半导体器件的精度提高的器件体系结构和方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般地涉及用于改进垂直半导体器件的规格的方法和技术。具体地，本发 明详细说明了用于利用器件微调来改进垂直半导体器件的各种参数规格的新颖方法。
【背景技术】
[0002] 半导体制造工艺必须平衡成本、产量和性能的竞争目标。当市场需求驱动制造商 减少成本时，改进的系统性能驱动不断更紧密的元件公差。在许多应用中，系统性能要求超 过了成本有效制造工艺中所能达到的地步。
[0003] 类似的问题存在于供电元件的制造中，例如，诸如VDMOS、IGBT的分立元件以及垂 直功率二极管的参数分布的变化限制了系统设计的效率和开关速度。
[0004] 供电设计者感兴趣的两个主要设计参数是开关VDM0S器件的阈值电压（Vt)和栅 极电阻。Vt和栅极电阻的变化确定了系统定时约束，其传播到对于利用该器件的电路的总 体供电效率等级中。VJP栅极电阻分布的更紧密和更精确的控制提供了许多优点。例如， 这些优点中的一些包括更接近的系统定时、保护带的减小、更低的开关损耗以及增加的效 率。存在若干这种性质的器件参数，其中参数的绝对值不如针对该参数所观测的变化宽度 重要。这些分布的更紧密的控制将让设计者具有在系统设计中做出权衡的灵活性，从而改 进如对于特别的应用所需要的特别的性能特性。
[0005] 多年来已经采用了各种技术以收紧来自成本有效的制造工艺的参数分布，但是这 些技术中的没有一个能令人完全满意。
[0006] 现有技术的一个解决方案已经关注于低成本处理，测试所得到的元件，并且将所 制造的器件分选为各种参数分布类别，并且仅仅选择处于可接受范围内的那些。然而，这方 法提高了成本，因为来自总体产品中处于分布范围以外的大量部件必须被丢弃。
[0007] 现有技术的另一方法已经略微修改了元件的设计以允许利用激光或其他后制造 技术进行微调来使大量部件偏移进入期望的参数范围。然而，这一方法还未成功地应用于 垂直半导体器件。微调技术难以应用于垂直半导体器件的原因在于，因为构成垂直器件的 内部单元全部具有在晶片的底面上的公共连接。例如，用于VDM0S的晶片的底面是构成该 器件的所有内部单元的公共漏极端子。用于IGBT的晶片的底面是构成该器件的所有内部 单元的公共集电极端子。为了对类似具有公共端子的这些器件的器件实现微调，可以利用 诸如在本发明中描述的那些技术的新颖技术。
【发明内容】
[0008] "垂直"半导体器件是其中电流流动的主方向是垂直的半导体器件。功率分立半导 体器件常常被构建为垂直半导体器件。
[0009] 根据优选实施例，提供了用于经由激光微调来确定使用至少两个并行器件组的 VDMOS、IGBT、或垂直栅控二极管的特定阈值电压的目标的方法，其中每一组具有不同的阈 值电压，这些不同的阈值电压留出（bracket)目标阈值电压。相同的方法可以用于匹配在 相同或分开的管芯上的两个或更多VDMOS、IGBT或垂直栅控二极管的阈值电压。
[0010] 根据另一优选实施例，提供了用于经由激光微调确定使用多个并行器件段 (segment)的VDMOS、IGBT或垂直二极管的特定导通电阻或载流能力的目标的方法。相同 的方法可以用于匹配在相同或分开的管芯上的两个或更多VDMOS、IGBT或垂直二极管的导 通电阻或载流能力。
[0011] 根据另一优选实施例，提供了用于经由激光微调来确定使用多个并行栅极电阻器 的VDM0S或IGBT的特定开关时间的目标的方法。相同的方法可以用于匹配在相同或分开 的管芯上的两个或更多VDM0S或IGBT的开关时间。
[0012] 根据另一优选实施例，提供了用于经由激光微调来确定使用具有至少两个不同阈 值电压的多个并行器件段以及多个并行栅极电阻器的VDM0S或IGBT的特定开关时间的目 标的方法。相同的方法可以用于匹配在相同或分开的管芯上的两个或更多VDM0S或IGBT 的开关时间。
[0013] 根据另一优选实施例，提供了用于经由激光微调来确定使用多个并行栅极电阻器 的VDM0S或IGBT的特定栅极电阻的目标的方法。相同的方法可以用于匹配在相同或分开 的管芯上的两个或更多VDM0S或IGBT的栅极电阻。
[0014] 根据另一优选实施例，提供了用于经由激光微调来确定使用多个并行器件元件的 垂直二极管的特定击穿电压的目标的方法，所述多个并行器件元件具有留出目标击穿电压 的至少两个不同击穿电压。相同的方法可以用于匹配在相同或分开的管芯上的两个或更多 垂直二极管的击穿电压。
【附图说明】
[0015] 图1A图示在复合VDM0S器件中使用的具有第一阈值电压的不可微调部分的主元 件组。
[0016] 图1B图示具有两个不同阈值电压的微调部分的两个元件组的组合。
[0017] 图1C图示在可微调复合VDM0S器件中使用的具有多个微调部分和第n个阈值电 压的第n个元件组。
[0018] 图1D图示在具有多个微调部分的可微调复合VDM0S器件内使用的元件组的示例 配置。
[0019] 图2图示从未微调的复合阈值电压微调具有多个微调部分的元件组以实现目标 阈值电压的过程。
[0020] 图3A图示具有与多个微调部分的元件组互相连接的主器件的可微调复合VDM0S 器件。
[0021] 图3B图示用于可微调复合VDM0S器件的器件布局。
[0022] 图4图示用于微调具有多个微调部分的可微调复合VDM0S器件以实现目标导通电 阻的过程。
[0023] 图5A图示具有可微调栅极电阻器的复合VDM0S器件，其中可微调部分并联连接并 且其中每个可微调部分具有与微调熔线串联的电阻器。
[0024] 图5B图示可微调栅极电阻器的示例配置。
[0025] 图6图示用于微调具有可微调栅极电阻器的复合VDM0S的开关时间的过程，其中 开关时间被微调以实现目标开关时间。
[0026] 图7图示具有与可微调复合器件的集合串联连接的可微调栅极电阻器的复合 VDM0S器件，其中复合VDM0S器件具有通过首先微调阈值电压并且随后微调栅极电阻来实 现的可微调开关时间。
[0027] 图8图示用于微调具有可微调栅极电阻器和可微调复合器件的集合的复合VDM0S 器件的开关时间和阈值电压的过程。
[0028] 图9A图示具有可微调栅极电阻器的复合VDM0S器件，其中减小的寄生电容包括并 联连接的可微调部分，并且其中每个可微调部分具有与一对微调熔线串联的电阻器。
[0029] 图9B图示具有减小的寄生电容的可微调栅极电阻器的示例配置。
[0030] 图10图示用于从未微调的复合栅极电阻微调具有可微调栅极电阻器的复合 VDM0S器件的栅极电阻以实现目标栅极电阻的过程。
[0031] 图11A图示在复合二极管器件中使用的具有单个不可微调元件和第一击穿电压 的主元件组。
[0032] 图11B图示在具有至少两个微调元件和可选择的击穿电压的可微调复合二极管 器件中使用的的元件组。
[0033] 图11C图示在可微调复合二极管器件中使用的具有一个或多个微调元件和第n个 击穿电压的第n个元件组。
[0034] 图11D图示在可微调复合二极管器件中使用的具有多个微调元件和配置强度的 击穿电压1的元件组的示例配置。
[0035] 图12图示用于以单调增大击穿电压微调具有多个微调元件的可微调复合二极管 器件的击穿电压的过程。
【具体实施方式】
[0036] 虽然以下详细论述了本公开的各种实施例的形成和使用，但是应理解本公开提供 了许多可应用的创造性概念，其可以体现在广泛多样的特定上下文中。在此论述的具体实 施例仅是说明性的特定方式，以形成和使用所公开的内容并且不限制其范围。
[0037] 具有栅极端子、源极端子和漏极端子的M0SFET晶体管器件中的"阈值电压"被理 解为意指在器件的传导沟道刚开始连接器件的源极端子和漏极端子时的栅极-源极电压 Ves的值，从而允许显著的电流在源极与漏极端子之间流动。
[0038] "导通电阻"通常被理解为是在通过施加特定电压和/或电流至半导体器件的端 子而将其偏置于导通状态时该半导体器件的电阻。对于例如VDM0S器件，导通电阻通常被 定义为在Vds被设定为0.IV而栅极-源极电压（Vgs)被设定为10V时漏极电流（Id)除以漏 极-源极电压（Vds)。
[0039] "开关时间"指的是器件从其"断开"状态到其"导通"状态或者从其"导通"状态到 其"断开"状态所花的时间。开关时间通过计算断开状态从电压或电流的其平均导通状态 值的10%上升至90%，由此导通该器件所需要的时间，或者导通状态从电压或电流的其平均 导通状态值的90%下降至10%，由此断开该器件所需要的时间。半导体器件的"有效宽度" 是器件的传导区域的宽度。较大的有效宽度允许器件携载较大量的电流，而较小的有效宽 度限制器件携载较小量的电流。具有较大有效宽度的器件也将比具有较小有效宽度的器件 具有较小的导通电阻。
[0040] 垂直扩散M0SFET或垂直漂移MOSFET(VDM0S)是其中电流的流动是垂直的，通常 从顶部至底部的M0SFET晶体管。在较早代的处理中，这一器件类型的沟道区域(对于器件 的源极和漏极是相反掺杂极性的）是通过高温扩散步骤来创建，由此称为"扩散"。所谓的 "扩散"今天有时由术语"漂移"来取代，因为大多数现代器件采用某种类型的漂移区域来支 持尚电压。
[0041] 垂直二极管是其中阳极位于器件的一个表面上而阴极位于器件的相反表面上，使 得电流流动的主方向垂直于这些表面的二极管。
[0042] 垂直二极管的击穿电压通常被定义为其处断开状态器件开始电击穿并且传递特 定水平的电流的电压。
[0043] 绝缘栅极双极晶体管(或IGBT)是采用绝缘栅极端子(非常类似于MOSFET的栅极 端子）以导通器件并且启动电流流动，并且用于断开器件和停止电流的垂直电流流动双极 晶体管。
[0044] 参照图1A，器件元件100包括VDM0S器件104,其具有栅极电极102、源极电极108 以及漏极电极106。VDM0S器件104具有阈值电压Vtl。在使用中，电压VDS被施加在漏极电 极与源极电极之间并且电压Ves被施加在栅极电极与源极电极之间。器件元件100形成在 具有多个微调部分的器件元件组的一微调部分中使用的基本器件。
[0045] 参照图1B，元件组110包括两个互相连接的VDM0S