CN102034823B

CN102034823B - 用于spu和stog良好性能的功率晶体管的布局和焊盘布图规划

Info

Publication number: CN102034823B
Application number: CN200910253051.4A
Authority: CN
Inventors: 杨梅; 钟国华
Original assignee: STMicroelectronics Shenzhen R&D Co Ltd
Current assignee: STMicroelectronics Shenzhen R&D Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: CN102034823A; US20130267087A1; US8691684B2; US20110074511A1; US8471299B2

Abstract

本发明提供一种用于SPU和STOG良好性能的功率晶体管的布局和焊盘布图规划。设计一种用于音频应用中的功率晶体管以使热点最小化。热点由不均匀的功率耗散或过于集中的电流密度而产生。源极焊盘和漏极焊盘相对于彼此而布置以利于均匀的功率耗散。交错的金属指状物和上金属层被直接连接到下金属层，而无需过孔，从而改善电流密度分布。这种布局使一些故障检测测试改善17％。

Description

用于SPU和STOG良好性能的功率晶体管的布局和焊盘布图规划

技术领域

本发明一般涉及功率晶体管领域。

背景技术

电源电路通常容易受到与功率耗散相关的问题的影响，如集中的热量和电流密度。功率耗散，简单来说，是电流流过具有一定量的电阻的器件时产生的。器件在一段时间内的功率耗散产生不期望的热量，如果达到足够的数量，这些热量会造成器件的部分熔化。半导体器件中的熔化通常导致操作故障。

电流密度是通过某一区域的电流的测量值，并且也能导致器件不工作。例如，当电流流动的路径变为限制在一个相对于电流流量来说较小的区域时，电流密度增加。电流密度的充分增加开始损坏电流所流经过的材料。这种损坏，与不期望的大量的热量相似，通常导致器件故障。

发明内容

以下公开的内容涉及一种具有改善的热量和电流密度分布的晶体管。在一个实施例中，与源极相关联的金属层和与漏极相关联的金属层相互交错。该实施例的金属层与金属指状物相互交错。

在另一个实施例中，金属指状物包括下金属层和上金属层，并且上金属层直接沉积在下金属层上，而不使用过孔或金属间连接器。

在一个实施例中，用于源极和漏极的焊盘基本上彼此平行，使得跨过源极焊盘或漏极焊盘的长边界分布电流密度。跨过源极焊盘或漏极焊盘的长边界分布电流密度将增加晶体管的非破坏性电流容量。

附图说明

在附图中，相同的附图标记标识同样的元件或操作。附图中元件的大小和相对位置没有必要与产品成比例或按照产品的原样画出。

图1A和图1B是示出一个功率晶体管布局的方框图。

图2A和图2B是示出根据本发明实施例的功率晶体管布局的方框图。

图3是根据本发明实施例的开路接地晶体管测试的电路图。

图4是示出根据本发明实施例的对正极短路不加电(short-to-plusunpowered)的晶体管测试的电路图。

图5是示出根据本发明实施例的晶体管的放大器应用的电路图。

图6A、图6B和图6C是示出根据本发明实施例的功率晶体管的一部分的布局的方框图。

具体实施方式

为了提供对各种公开实施例的充分理解，在下面的描述中给出一些具体细节。然而，本领域技术人员将认识到，这些实施例可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实施，或采用其他方法、组件、材料等实施。在其他情况下，为了避免实施例中出现不必要的模糊的描述，与集成电路和半导体制造/封装工艺相关联的众所周知的结构和方法将不予具体说明或描述。

除非上下文需要，否则贯穿整个说明书和权利要求书的词语“包含(comprise)”和它的各种变形，例如“包含(comprises)”和“包含(comprising)”，将被解释为开放的包含的含义，也就是“包括但不限于”。

在整个说明书中提及的“一个实施例(one embodiment)”或“实施例(an embodiment)”意味着关于该实施例所描述的特定的特征、结构或者特性包含在至少一个实施例中。因此，在整个说明书的任何地方出现的用语“在一个实施例中(in one embodiment)”或“在实施例中(in an embodiment)”并不一定都是指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中可以通过任何一种合适的方式组合特定的特征、结构或特性。

除非上下文明确地另外指出，否则用于说明书和所附权利要求中的单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包含多个。还应注意，除非上下文明确地另外指出，否则术语“或”通常适用包含“和/或”的含义。

图1A是功率晶体管布局100的方框图。晶体管100包括源极焊盘102、漏极焊盘104、漏极焊盘106和源极焊盘108。图中的曲折线表示金属层的交错的指状物，并且示出在围绕源极焊盘的源极金属层基座和围绕漏极焊盘的漏极金属基座之间的隔离。

晶体管100包括四个晶体管的源极和漏极。两个n沟道晶体管从源极焊盘102延伸。一个n沟道晶体管在源极焊盘102和漏极焊盘104之间形成。另一个n沟道晶体管在源极焊盘102和漏极焊盘106之间形成。相似地，两个p沟道晶体管从源极焊盘108延伸。一个p沟道晶体管在源极焊盘108和漏极焊盘104之间形成。另一个p沟道晶体管在源极焊盘108和漏极焊盘106之间形成。图1A未示出晶体管的栅极。此外，围绕源极焊盘和漏极焊盘的区域表示将晶体管的源极或漏极连接到源极焊盘或漏极焊盘上的金属层。

大箭头111表示四条电流路径中的一条，并且示出其中热量或电流密度可能造成故障的三个点。焊盘拐角110表示邻近源极焊盘108的拐角的点。焊盘拐角110处存在电流从源极108流到漏极106的最小电阻路径。在晶体管100工作期间，源极焊盘108的拐角，例如焊盘拐角110，容易变成热点。热点是如下的位置，其中热量或电流密度使某一位置的金属层的温度增加，可能造成熔化和导致晶体管100性能变差或不工作。

晶体管布局100中的金属熔化是由焦耳效应造成的。如将结合图3和图4所描述的那样，在非破坏性测试期间晶体管承载的电流的增加造成在所示金属层的多个位置上的热点。由于局部的布局拓扑，焊盘的定位造成不均匀的电流分布和更严重的特定焦耳效应。在热点处，所示的金属层和下面的金属开始熔化。熔化的金属切断了电流路径，并且该路径所承载的电流变得更加集中。金属熔化和电流变得更加集中这一系列的行为最终产生破坏性的结果。

金属指状物基部112示出了第二种潜在的热点。金属指状物的基部是指状物从金属层开始延伸的位置。由于电流收缩并通过过孔流到下金属层，进入金属指状物基部112的电流从低电流密度向高电流密度转变。如关于焦耳效应所讨论的那样，电流集中的增加会造成使金属层熔化的热点。

指状物末端114示出了第三种潜在的热点。这种热点是由于图1A和图1B所示的从下金属层通过过孔到达上金属层的主电流密度造成的。

图1B是图1A中虚线框的部分横截面。该横截面表示在所示金属层的交错金属指状物之间的结。当电流从上金属层y通过过孔流到下金属层x时，很容易认识到，所发生的电流集中可能破坏位于漏极金属和源极金属相互邻近的区域处的金属过孔。

综上所述，图1A和图1B图示出了功率晶体管布局100中出现的三种热点位置。热点位置取决于指状物与焊盘的距离、指状物的长度和焊盘相对于指状物的定位。

图2A和图2B示出用于缓和热点的破坏效应的本发明的实施例。

图2A是根据本发明实施例的功率晶体管布局200的方框图。晶体管200包含源极焊盘102、漏极焊盘202、漏极焊盘204、漏极焊盘206、漏极焊盘208和源极焊盘108。

功率晶体管200包含四个晶体管的源极和漏极。两个n沟道晶体管从源极焊盘102延伸。一个n沟道晶体管形成于源极焊盘102和漏极焊盘202之间。另一个n沟道晶体管形成于源极焊盘102和漏极焊盘204之间。相似地，两个p沟道器件从源极焊盘108延伸。一个p沟道晶体管形成于源极焊盘108和漏极焊盘206之间。另一个p沟道晶体管形成于源极焊盘108和漏极焊盘208之间。图2A未示出晶体管的栅极。此外，围绕源极焊盘和漏极焊盘的区域表示将晶体管的源极或漏极连接到源极焊盘或漏极焊盘上的金属层。

所述四个晶体管被耦合为全CMOS输出驱动器，其中n和p沟道晶体管它们的漏极以本领域所公知的方式耦合在一起来提供大功率输出。考虑使用具有两个分支的功率晶体管200，第一分支是在一侧的p和n沟道晶体管，第二分支是在另一侧的其它p和n沟道晶体管。

图2B是图2A所示虚线框的部分横截面。该横截面表示各种金属层的交错金属指状物之间的结。在一个实施例中，至少在指状物基部的区域内，避开使用过孔结构，而将上金属层205直接沉积在下金属层221上。在一个实施例中，关于金属指状物的长度的大部分，将上金属层金属205直接沉积在下金属层金属221上。在一个实施例中，金属层y是金属层3，以及金属层x是金属层2。金属层y和金属层x的直接连接提供了多种功能。

金属层205直接连接到金属层221改善了由功率耗散产生的热量分布。每个氧化物层或硅层具有显著的固有热电阻。与电流流经电阻相似，热电阻阻碍热量从一个处理层向另一个处理层的流动。通过层间电介质将金属层202与金属层221隔离，如图1B所示，阻碍了金属层y中的功率耗散产生的热量分布。理想地，所产生的热量将被传递到衬底以最小化导电金属结构发生改变或熔化的可能性。图2B所公开的实施例说明了金属层205直接连接到金属层221明显减少了金属层之间的热电阻，并且因而降低了在焊盘拐角110和指状物基部112周围热点的风险。

金属层205直接连接到金属层221减少了电流密度的问题。漏极金属221的指状物部分210在源极金属203下延伸。下源极金属指状物部分未示出，它也在漏极金属205下延伸。指状物部分212包括漏极金属层205和漏极金属层221的重叠。基座板部分214示出了在指状物部分212从中突出的金属层上的漏极金属205和漏极金属221的重叠。在指状物部分212和基座板部分214上的漏极金属层205和漏极金属层221的重叠对流过指状物的电流进行分布，从而减少电流密度。在缺少指状物部分212或基座板部分214的情况下，最大总电流值明显减小。

下面的等式解释了功率几何结构的作用。流过基座板部分214的电流可表示为：

IMx＝(I_指状物210/(2*I_指状物210+I_指状物212))*I，

其中，

I＝总电流

I_指状物210＝流过指状物部分210的电流，以及

I_指状物212＝流过指状物部分212的电流。

总电流I等于流过指状物部分210和212以及基座板部分214的电流。流过基座板部分214的电流可表示为：

IMx＝[1-I_指状物210/(2*I_指状物210+I_指状物212)]*I。

在一个实施例中，指状物部分212与指状物部分210的长度比在1.7和2.1之间。

图3示出了使功率晶体管200中的一个经受短路到开路接地(“STOG”)测试。该STOG测试对在功率晶体管200的实施例的一种使用中的功率晶体管的汽车音频应用中可能发生的浮动接地进行模拟。在汽车音频应用中的浮动接地可能由于使mosfet器件中固有的寄生pn结正向偏置而损坏功率晶体管。在STOG测试中，电容C通过电压预充电，一段时间之后开关SW1被打开，并且n沟道器件的寄生本体-漏极pn结被正向偏置。在一个实施例中，C被充电到16.5伏以执行STOG测试。该功率晶体管200的实施例更加均匀地耗散功率和分散电流密度，从而实现在不损坏器件的情况下施加在晶体管200上的电压电平与现有技术相比增加大约17％。

图4示出了使功率晶体管200的一个分支经受对正极短路不加电(“SPU”)测试。SPU测试模拟对电容性负载的充电，之后突然切断功率晶体管200的电源，该电容性负载例如具有必要互连导线的扬声器。在这种情况下，p沟道器件的pn结将变为正向偏置并开始导电。SPU测试对p沟道器件承受这种不期望状况的强度进行评估。通过晶体管200例示的本发明实施例表明对于SPU测试来说相比现有技术提高了大约14％。在一个实施例中，对充过电的电容性负载进行仿真，对于SPU测试，向漏极焊盘208施加16.5伏不会损坏器件。

图5示出了根据本发明实施例的在音频放大器的一级或多级中使用的功率晶体管200。在一个实施例中，功率晶体管200是音频放大器的第一级A。在另一个实施例中，功率晶体管200是音频放大器的最后一级Z。在另一个实施例中，功率晶体管200是音频放大器的第一级和最后一级之间的一级或多级。

综上所述，关于所述实施例应注意的几点是，图1和图2所示的上金属层是金属层3，紧接在下面的层是金属层2。金属2的热电阻比金属3的热电阻小，在最佳状况下增量大约是9％。金属电阻起到主要的作用。在分析时可靠的一点是焦耳效应会增加金属温度。在金属3和金属2之间的过孔是电功率的来源，原因是从源极流到漏极的电流流经它们，并集中在指状物末端区域。在焊盘周围的金属3板有利于使电流相对于功率耗散更加均匀。

期望尽可能多地使用金属2，以利用它的优势来更好地耗散能量和根据焦耳效应在其上施加最佳电流。利用这种优势的一种方式是在可能的情况下将金属2和金属3接合。多个优点包括：金属3能够更好地耗散能量，它把过孔数目增加到最大值(整个板)，以及它减少在指状物末端处经过过孔2从金属3流到金属2的电流。

将金属3板设置在焊盘附近以得到更均匀的电流来避免电流集中在指状物上也是有利的。使得在指状物末端处具有在0.67附近的K系数也是有利的。就指状物部分212的长度加上漏极下金属层的重叠214再除以源极下金属层的重叠210的长度的比值而言，最有利的比值约为1.8。注意到，验证该比值的方式是通过仿真，即使是局部地，粗略计算也可以测定在指状物长度和板长度之间的比值。在实践中，接近于1.8的比值给出了足够导致在漏极焊盘的源极周围形成的金属3板的指状物长度。与焊盘更好的连接来自于使用金属2。

最后，为了减少指状物之间氧化物的百分比，使指状物的节距最大化。有利的是关注金属1电迁移的限制。在一个实施例中，指状物的节距(pitch)是12um，而指状物之间的间距是4um。这样的尺寸将产生以下结果：

效率＝8um指状物金属/12um节距＝67％。

在另一个实施例中，采用50um的节距和4um的间距以产生：

效率＝46um/50um＝92％

其中增加了指状物基部的电流容量的25％。

图6A示出了本发明的实施例。在图6A中，铝板沿着金属2沉积以便连接金属2和金属3。指状物的节距是50um。指状物重叠长度加上指状物长度再除以指状物重叠的比值大约是1.8。金属2指状物连接到焊盘上。

图6B示出了根据本发明实施例的连接到源极焊盘或漏极焊盘上的金属2指状物。

图6C示出了根据本发明实施例的金属1的定位。

以上的具体描述通过使用方框图、示意图和实例阐明了器件和/或处理的多种实施例。在所述方框图、示意图和实例的范围内包含一个或多个功能和/或操作，本领域技术人员将容易理解到，通过大范围的硬件、软件、固件或它们实质上的任意组合，可以单独地或共同地实现这些方框图、流程图或实例中的每一个功能和/或操作。

以上描述的各种实施例可以被结合来提出更多的实施例。根据上述的内容，可以知晓尽管这里为了说明的目的描述了特定的实施例，但是在不偏离教导精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，权利要求不受所公开实施例的限制。

Claims

1.一种晶体管布局，包括：

第一源极焊盘；

第一漏极焊盘，其布置为与源极平行，以利于均匀的功率耗散；

第一源极金属基座，其与所述第一源极焊盘耦合，其中所述第一源极金属基座的第一侧包括金属指状物，其中所述第一源极金属基座至少部分地直接置于下金属层上，以取代过孔；

第一漏极金属基座，其与所述第一漏极焊盘耦合，其中邻接所述第一源极的一侧包括从所述第一漏极金属基座突出的金属指状物，所述第一漏极金属基座的金属指状物与所述第一源极金属基座的第一侧的金属指状物相交错。

2.根据权利要求1所述的晶体管布局，进一步包括：

第二漏极焊盘，其与所述第一漏极金属基座耦合；

第二源极焊盘，其布置为与所述第二漏极焊盘平行；以及

第二源极金属基座，其与所述第二源极焊盘耦合。

3.根据权利要求2所述的晶体管布局，进一步包括：

第三漏极焊盘，其布置为与所述第一源极焊盘平行，以利于在所述第一源极焊盘和所述第三漏极焊盘之间的均匀电流流动；以及

第二漏极金属基座，其与所述第三漏极焊盘耦合。

4.根据权利要求3所述的晶体管布局，进一步包括：

第四漏极焊盘，其与所述第二漏极金属基座耦合，所述第四漏极焊盘布置为与所述第二源极焊盘平行，以利于在所述第二源极焊盘和所述第四漏极焊盘之间的均匀电流流动。

5.根据权利要求4所述的晶体管布局，其中所述第二源极金属基座包括与所述第一漏极金属基座的交错金属指状物的一侧邻接并相交错的交错指状物的第一侧。

6.根据权利要求5所述的晶体管布局，其中所述第二漏极金属基座包括沿着一侧的交错的金属指状物，其中所述第一源极金属基座包括与所述第二漏极金属基座的交错金属指状物的一侧邻接并相交错的交错指状物的第二侧，并且其中所述第二源极金属基座包括与所述第二漏极金属基座的交错金属指状物的一侧邻接并相交错的交错指状物的第二侧。

7.根据权利要求6所述的晶体管布局，其中所述第一源极金属基座和第二源极基座的交错指状物直接置于下金属层上，以取代过孔。

8.根据权利要求6所述的晶体管布局，其中所述第一漏极金属基座和所述第二漏极金属基座的交错指状物直接置于下金属层上，以取代过孔。

9.根据权利要求1所述的晶体管布局，进一步包括：下金属层，其布置在所述源极金属基座和漏极金属基座之下。

10.根据权利要求9所述的晶体管布局，其中所述下金属层包括第一源极和第一漏极，所述下金属层的第一源极具有部分地在所述第一漏极金属基座下延伸的金属指状物，所述下金属层的第一漏极包括部分地在所述第一源极金属基座下延伸的金属指状物。

11.一种音频放大器，包括：

输入连接；

放大器级，其与所述输入连接耦合，以增大所接收到的输入；

功率晶体管，包括：

第一源极焊盘；

第一漏极金属基座，其与所述第一漏极焊盘耦合，其中邻接所述第一源极的一侧包括从所述第一漏极金属基座突出的金属指状物，所述第一漏极金属基座的金属指状物与所述第一源极金属基座的第一侧的金属指状物相交错；以及

输出。

12.根据权利要求11所述的音频放大器，进一步包括：下金属层，所述下金属层包括第一源极和第一漏极，其中所述第一源极金属基座部分地直接置于所述下金属层的第一源极上，而无需过孔，并且所述第一漏极金属基座部分地直接置于所述下金属层的第一漏极上，而无需过孔。