半导体器件及电池管理系统的制作方法

1.本公开属于电流检测以及半导体器件技术领域，本公开尤其涉及一种半导体器件及电池管理系统。


背景技术：

2.现有技术中大量的用电设备(电动汽车、手机等)使用电池组(或电池单元、电池包)来提供电能，需要通过电池组的放电为负载提供电能，并且也需要外接充电器对电池组进行充电。
3.电池组在充电和放电的过程中，需要对充电电流和放电电流进行检测，避免发生安全事故。
4.现有技术中，电流检测的方式通常在电池组回路中设置检测电阻，然而，检测电阻的设置必然会导致能量损耗、产生热量等，导致诸多不利后果。
5.另外，充放电电流的大小往往会发生变化，现有技术中的电流检测电路无法根据充放电电流的大小调整电流检测电路结构，例如较大的充放电电流可能导致电流检测电路的损坏，较小的充放电电流可能导致较差的检测精度。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供一种半导体器件以及电池管理系统。
7.根据本公开的一个方面，提供一种半导体器件，所述半导体器件用于控制电池装置的充电和放电，以及用于检测电池装置的充电电流和放电电流，所述半导体器件包括：
8.充电控制区，所述充电控制区形成充电mos晶体管，所述充电mos晶体管的栅极用于连接充电控制信号；
9.放电控制区，所述放电控制区形成放电mos晶体管，所述放电mos晶体管的栅极用于连接放电控制信号，所述充电控制区与所述放电控制区沿第一方向相邻地设置；
10.至少一个充电电流检测区，所述充电电流检测区形成充电电流检测mos晶体管，检测流经所述充电控制区的充电电流，所述充电电流检测区与所述充电控制区沿第二方向相邻地设置；以及，
11.至少一个放电电流检测区，所述放电电流检测区形成放电电流检测mos晶体管，检测流经所述放电控制区的放电电流，所述放电电流检测区与所述放电控制区沿第二方向相邻地设置。
12.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，充电电流检测区的数量为两个以上，各个充电电流检测区具有互不相同的沟道宽长比，放电电流检测区的数量为两个以上，各个放电电流检测区具有互不相同的沟道宽长比。
13.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区与所述放电控制区具有相同的沟道宽长比。
14.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，充电电流检测区的数量为两个以上，各个充电电流检测区均由至少一个元胞形成，各个充电电流检测区的元胞数量互不相同，放电电流检测区的数量为两个以上，各个放电电流检测区均由至少一个元胞形成，各个放电电流检测区的元胞数量互不相同。
15.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区由至少一个元胞形成，所述放电控制区由至少一个元胞形成，所述充电控制区与所述放电控制区具有相同数量的元胞。
16.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电电流检测区的数量为偶数个，偶数个所述充电电流检测区对称地形成在所述充电控制区的两侧区域；所述放电电流检测区的数量为偶数个，偶数个所述放电电流检测区形成在所述放电控制区的两侧区域。
17.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，还包括第一温度检测区以及第二温度检测区，所述第一温度检测区与所述充电控制区沿第二方向相邻地设置以用于检测电池装置在充电时的温度，所述第二温度检测区与所述放电控制区沿第二方向相邻地设置以用于检测电池装置在放电时的温度。
18.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述第一温度检测区以及所述第二温度检测区均形成二极管结构以进行温度检测。
19.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电电流检测区的数量为奇数个，所述放电电流检测区的数量为奇数个，所述第一温度检测区以及所述奇数个充电电流检测区对称地形成在所述充电控制区的两侧区域，所述第二温度检测区以及所述奇数个放电电流检测区对称地形成在所述放电控制区的两侧区域。
20.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区的栅极区和源极区之间、所述放电控制区的栅极区与源极区之间、所述充电电流检测区的栅极区和源极区之间以及所述放电电流检测区的栅极区和源极区之间均形成防击穿结构。
21.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区与所述充电电流检测区共用栅极区，所述放电控制区与所述放电电流检测区共用栅极区。
22.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区与所述两个以上的充电电流检测区中的一个充电电流检测区共用栅极区，各个充电电流检测区不共用栅极区，所述放电控制区与所述两个以上的放电电流检测区中的一个放电电流检测区共用栅极区，各个放电电流检测区不共用栅极区。
23.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区、所述放电控制区、所述充电电流检测区以及所述放电电流检测区共用漏极区。
24.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，各个所述充电电流检测区的源极区不共用，且分别设置检测管脚(pad)，各个所述放电电流检测区的源极区不共用，且分别设置检测管脚(pad)。
25.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，各个所述充电电流检测区的源极区共用，且共用检测管脚(pad)，各个所述放电电流检测区的源极区共用，且共用检测管脚(pad)。
26.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区、所述放电控制
区、所述充电电流检测区以及所述放电电流检测区均为沟槽型vdmosfet结构。
27.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区、所述放电控制区、所述充电电流检测区以及所述放电电流检测区均为具有分离栅结构的沟槽型vdmosfet结构。
28.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区、所述放电控制区、所述充电电流检测区以及所述放电电流检测区均为具有双栅结构的沟槽型vdmosfet结构。
29.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区、所述放电控制区、所述充电电流检测区以及所述放电电流检测区均为ldmosfet结构。
30.根据本公开的至少一个实施方式的半导体器件，所述充电控制区、所述放电控制区、所述充电电流检测区以及所述放电电流检测区均为带场板结构的ldmosfet结构。
31.根据本公开的另一个方面，提供一种电池管理系统，包括：上述任一项所述的半导体器件，以及电流采集单元，所述电流采集单元可控地连接所述半导体器件的充电电流检测区和/或所述半导体器件的放电电流检测区以进行充电电流采集和/或放电电流采集。
32.根据本公开的至少一个实施方式的电池管理系统，还包括控制单元，所述控制单元向所述半导体器件提供充电控制信号和/或放电控制信号。
附图说明
33.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
34.图1是根据本公开的一个实施方式的半导体器件对应的电路结构示意图。
35.图2是根据本公开的又一个实施方式的半导体器件对应的电路结构示意图。
36.图3是根据本公开的一个实施方式的半导体器件的封装示意图(对应图1)。
37.图4是根据本公开的又一个实施方式的半导体器件的封装示意图(对应图2)。
38.图5至图45为本公开的半导体器件的不同实施方式的mos晶体管结构。
39.图46为本公开的一个实施方式的电池管理系统的结构示意框图。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
42.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
43.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如
此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
44.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
45.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
46.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
47.参考图1至图46对本公开的半导体器件以及电池管理系统进行详细说明。
48.根据本公开的一个实施方式的半导体器件1000，半导体器件1000用于控制电池装置2000的充电和放电，以及用于检测电池装置2000的充电电流和放电电流，半导体器件1000包括：
49.充电控制区100，充电控制区100形成充电mos晶体管(ma)，充电mos晶体管110的栅极用于连接充电控制信号；
50.放电控制区200，放电控制区200形成放电mos晶体管(mb)，放电mos晶体管210的栅极用于连接放电控制信号，充电控制区100与放电控制区200沿第一方向相邻地设置；
51.至少一个充电电流检测区300(ma1、ma2、ma3等)，充电电流检测区300形成充电电流检测mos晶体管，检测流经充电控制区100的充电电流，充电电流检测区300与充电控制区100沿第二方向相邻地设置；以及，
52.至少一个放电电流检测区400(mb1、mb2、mb3等)，放电电流检测区400形成放电电
流检测mos晶体管，检测流经放电控制区200的放电电流，放电电流检测区400与放电控制区200沿第二方向相邻地设置。
53.本公开的半导体器件1000，通过设置充电控制区100、充电电流检测区300、放电控制区200、放电电流检测区，实现了使用半导体器件对电池装置2000的充电、放电的控制，以及实现了对电池装置2000的充电电流、放电电流的检测，根据本公开的优选实施方式，设置两个以上的充电电流检测区以及两个以上的放电电流检测区，能够基于充电电流的大小、放电电流的大小使用不同的充电电流检测区、不同的放电电流检测区对充电电流、放电电流进行检测。
54.优选地，第一方向垂直于第二方向。
55.根据本公开的优选实施方式的半导体器件1000，充电电流检测区300的数量为两个以上，各个充电电流检测区300具有互不相同的沟道宽长比，放电电流检测区400的数量为两个以上，各个放电电流检测区400具有互不相同的沟道宽长比。
56.根据本公开的一个实施方式的半导体器件1000，充电电流检测区300的数量为两个以上，各个充电电流检测区300均由至少一个元胞形成，各个充电电流检测区300的元胞数量互不相同，放电电流检测区400的数量为两个以上，各个放电电流检测区400均由至少一个元胞形成，各个放电电流检测区400的元胞数量互不相同。
57.根据本公开的一个实施方式的半导体器件，充电控制区100由至少一个元胞形成，放电控制区200由至少一个元胞形成，充电控制区100与放电控制区200具有相同数量的元胞。本领域技术人员应当理解，mos晶体管的沟道宽长比越大，导通电阻越小，这样流过沟道的电流就越大。通过较大的宽长比的充电和放电mos晶体管，其导通电阻将会很小，这样在充放电回路中消耗的能量就很小。而在需要检测电流的时候，使用沟道宽长比较小的检测mos晶体管，其导通电阻较大，因此流过其的电流较小，可以方便检测，而不需要后端采集单元等耐大电流的需求。
58.通过设置多个充电电流检测区300，可以根据检测的充电电流的大小切换采用哪个充电电流检测区300进行检测。例如通过某个充电电流检测区300检测的电流过大时，可以切换至另外的具有不同沟道宽长比的充电电流检测区(具有更小的沟道宽长比的充电电流检测区)进行充电电流的检测。
59.通过设置多个放电电流检测区400，可以根据检测的放电电流的大小切换采用哪个放电电流检测区400进行检测。例如通过某个放电电流检测区400检测的电流过大时，可以切换至另外的具有不同沟道宽长比的放电电流检测区(具有更小的沟道宽长比的放电电流检测区)进行放电电流的检测。
60.对于上述各个实施方式的半导体器件1000，优选地，充电控制区100与放电控制区200具有相同的沟道宽长比。
61.通过上述沟道宽长比的设置，使得充电电流检测区300能够以小于、等于或者大于充电电流的检测电流进行检测，使得放电电流检测区400能够以小于、等于或者大于放电电流的检测电流进行检测。
62.根据本公开的优选实施方式，充电电流检测区300的数量为n个，其中n为大于等于1的整数，第n个充电电流检测区300的沟道宽长比与充电控制区100的沟道宽长比的比值的n
‑
1次方。
63.根据本公开的优选实施方式，放电电流检测区400的数量为n个，其中n为大于等于1的整数，第n个放电电流检测区400的沟道宽长比与放电控制区200的沟道宽长比的比值的n
‑
1次方。
64.根据本公开的一个优选实施方式的半导体器件1000，充电电流检测区300的数量为偶数个，偶数个充电电流检测区300对称地形成在充电控制区100的两侧区域；放电电流检测区400的数量为偶数个，偶数个放电电流检测区400形成在放电控制区200的两侧区域。
65.对于上述各个实施方式的半导体器件1000，优选地，还包括第一温度检测区500以及第二温度检测区600，第一温度检测区500与充电控制区100沿第二方向相邻地设置以用于检测电池装置在充电时的温度，第二温度检测区600与放电控制区200沿第二方向相邻地设置以用于检测电池装置在放电时的温度。
66.其中，第一温度检测区500以及第二温度检测区600均形成二极管结构以进行温度检测。
67.根据本公开的又一个优选实施方式的半导体器件1000，充电电流检测区300的数量为奇数个，放电电流检测区400的数量为奇数个，第一温度检测区500以及奇数个充电电流检测区300对称地形成在充电控制区100的两侧区域，第二温度检测区600以及奇数个放电电流检测区400对称地形成在放电控制区200的两侧区域。
68.对于上述各个实施方式的半导体器件1000，优选地，充电控制区100的栅极区和源极区之间、放电控制区200的栅极区与源极区之间、充电电流检测区300的栅极区和源极区之间以及放电电流检测区400的栅极区和源极区之间均形成防击穿结构。
69.防击穿结构可以是齐纳二极管结构。
70.对于上述各个实施方式的半导体器件1000，优选地，充电控制区100与充电电流检测区300共用栅极区，放电控制区200与放电电流检测区400共用栅极区。
71.其中，各个充电电流检测区300的源极区不共用，且分别设置检测管脚(pad)，各个放电电流检测区400的源极区不共用，且分别设置检测管脚(pad)。
72.根据本公开的又一个优选实施方式的半导体器件1000，充电控制区100与两个以上的充电电流检测区300中的一个充电电流检测区300共用栅极区，各个充电电流检测区300不共用栅极区，放电控制区200与两个以上的放电电流检测区400中的一个放电电流检测区400共用栅极区，各个放电电流检测区400不共用栅极区。
73.其中，各个充电电流检测区300的源极区共用，且共用检测管脚(pad)，各个放电电流检测区400的源极区共用，且共用检测管脚(pad)。
74.对于上述各个实施方式的半导体器件1000，优选地，充电控制区100、放电控制区200、充电电流检测区300以及放电电流检测区400共用漏极区。
75.对于上述各个实施方式的半导体器件1000，优选地，充电控制区100、放电控制区200、充电电流检测区300以及放电电流检测区400均为沟槽型vdmosfet结构。
76.本实施方式中，沟槽型vdmosfet结构的金属接触方式可以采用图5、图6中示出的接触方式。
77.图7至图15为图5示出的结构的变形结构。
78.图7为深沟槽厚氧结构，其特点为沟槽很深，挖到了衬底，poly栅下的氧化层很厚，作为备选方案，沟槽的深度和poly栅下的氧化层厚度可以按需调节，挖槽深入到n 衬底中
也是一种可行方案。
79.图8为深沟槽长栅结构，其特点为沟槽很深，挖到了衬底，同时poly栅也很长，poly栅下的氧化层没有图7厚。
80.图9为凹型栅结构，其特点为poly栅结构下部是凹进去的。作为备选方案，凹型栅凹进去的深度d和poly栅下方的宽度w均可按需调节，作为备选方案，凹型栅的结构也可以如图14，同样，梯形的高d和上底w均可按需调节。作为备选方案，凹型栅的结构也可如图15，同样，该结构的d和w均可按需调节。图10及图11为y型栅及其变形结构。图12与图13为梯形栅及其变形结构。
81.图16至图23分别为上述结构的超结结构，图16为常规trench vdmos的超结结构，作为备选方案，超结条的个数和超结条的宽度均可按需调节。对于图17、图18、图19示出的结构，超结条的个数和超结条的宽度同样可以按需调节。其中，图17为深沟槽厚氧的超结结构。图18为深沟槽长栅的超结结构。图19为凹型栅的超结结构。图20、图21为y型栅及其变形结构的超结结构。图22、图23为梯形栅及其变形结构的超结结构。
82.根据本公开的又一个实施方式的半导体器件1000，充电控制区100、放电控制区200、充电电流检测区300以及放电电流检测区400均为具有分离栅结构的沟槽型vdmosfet结构。
83.如图24至图32，图24本公开的一种分离栅trench vdmos结构。
84.作为备选地优选结构，本公开还提出了图25至图32的变形结构。
85.其中，图25为凹型栅分离栅结构，作为备选方案，凹型栅的变化结构与凹型单栅vdmos结构的变化相同，不再赘述。图26为t型栅分离栅结构。图27为t型凹型栅分离栅结构，作为备选方案，下方凹型的变化结构与凹型单栅vdmos结构的变化相同，不再赘述。图28为π型栅分离栅结构。
86.图29为梯形分离栅结构，作为备选方案，梯形栅的上底和下底均向内弯曲，形成凹型。图30为梯形分离栅结构的变形，作为备选方案，其栅的上底和下底同样向内弯曲，形成凹型。图31为y型分离栅结构，其下栅的结构与y字母相似。图32为y型分离栅结构的变形。
87.以上为分离栅上栅和下栅的多种变形结构，其中，任意上栅结构和任意下栅结构可以随意组合，组成分离栅结构。作为备选方案，可以通过引入超结从而形成每种分离栅结构的超结结构，不再赘述。
88.根据本公开的又一个优选实施方式的半导体器件1000，充电控制区100、放电控制区200、充电电流检测区300以及放电电流检测区400均为具有双栅结构的沟槽型vdmosfet结构。
89.图33示出了一个实施方式的具有双栅结构的沟槽型vdmosfet结构。其中，双栅trench vdmos的两个poly栅可以接相同的电位或者接不同的电位。
90.图34及图35分别为π型栅结构和为π型栅超结结构。
91.根据本公开的又一个优选实施方式的半导体器件1000，充电控制区100、放电控制区200、充电电流检测区300以及放电电流检测区400均为ldmosfet结构。
92.其中，图36为具有soi层的ldmosfet结构。图37为不具有soi层的ldmosfet结构。图38为图37的立体结构。
93.图39为soi槽栅ldmos结构。作为备选方案，槽栅的下方可以凹进去形成凹型栅，凹
型栅的结构变化不再赘述，与vdmos中凹型栅结构的变化相同。图40为soi t型槽栅结构。作为备选方案，t型栅的下方可以凹进去，凹型的结构变化不再赘述，与vdmos中凹型栅结构的变化相同。图41为soi双栅槽栅结构，作为备选方案，两个poly栅可以接相同电位或不同电位。图42为soiπ型槽栅结构。
94.根据本公开的又一个优选实施方式的半导体器件1000，充电控制区100、放电控制区200、充电电流检测区300以及放电电流检测区400均为带场板结构的ldmosfet结构。
95.图43为本公开的一种带场板结构的ldmosfet结构。图44为另一种带场板结构的ldmosfet结构，poly场板可以与多晶硅栅极分离。图45示出了一种与图44示出的poly场板和多晶硅栅极分离处不同的结构。
96.需要说明的是，图5至图45均是本公开优选实施方式的结构，本领域技术人员在本公开上述结构的启示下，能够进行适当地变形，均应落入本公开的保护范围。
97.本公开还提供一种电池管理系统，参考图46，电池管理系统包括：上述任一个实施方式的半导体器件1000，以及电流采集单元3000，电流采集单元3000可控地连接半导体器件1000的充电电流检测区300和/或半导体器件1000的放电电流检测区400以进行充电电流采集和/或放电电流采集。
98.例如，电池管理系统可以包括选通单元实现电流采集单元可控地连接充电电流检测区域300和/或放电电流检测区域400。
99.根据本公开的优选实施方式，电池管理系统还包括控制单元，控制单元向半导体器件1000提供充电控制信号和/或放电控制信号。
100.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
101.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
102.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。