CN102800670A - 单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件 - Google Patents

Abstract

一种单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，包括芯片、金属氧化半导体场效应晶体管、萧特基二极管以及终端结构。芯片分为晶体管区、二极管区与终端区。金属氧化半导体场效应晶体管设置于晶体管区上。萧特基二极管设置于二极管区上。终端结构设置于终端区，其中终端区分隔晶体管区与二极管区，且金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管共享终端结构。

Description

单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件

技术领域

本发明是有关于一种半导体元件，且特别是有关于一种单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件。

背景技术

对于已知的高效率直流/直流转换器应用技术，将萧特基二极管(Schottky diode)整合在半导体功率元件如金属氧化半导体场效应晶体管(metal oxide silicon field effect transistor，MOSFET)内，使萧特基二极管与金属氧化半导体场效应晶体管并列配置。如此，即可以减少导通电阻和栅极电容，进而减少功率损耗、增加半导体功率元件的开关切换速度。

随着电子元件朝向微小化发展，因此需要一种整合型单片式元件，以减少空间占用。

已知将萧特基二极管与金属氧化半导体场效应晶体管整合的形式有两种。

一种是将萧特基二极管与金属氧化半导体场效应晶体管整合于单位单元(unit cell)内，即萧特基二极管穿插设置于金属氧化半导体场效应晶体管之间，而终端结构包围环绕萧特基二极管与金属氧化半导体场效应晶体管。

另一种方式是多芯片模块(Multi-chip Module)形式，萧特基二极管与金属氧化半导体场效应晶体管分别制作在不同芯片上，然后将萧特基二极管与金属氧化半导体场效应晶体管一起封装。由于萧特基二极管与金属氧化半导体场效应晶体管分别制作在不同芯片上，在萧特基二极管周围与金属氧化半导体场效应晶体管周围分别设置有终端结构，因此需要另外设置连接线(bonding wires)以电性连接萧特基二极管与金属氧化半导体场效应晶体管，如此将造成寄生电感值上升，而影响元件效能。

发明内容

本发明提供一种单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，可以缩小元件尺寸、提升元件效能。

本发明提出一种单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，包括芯片、金属氧化半导体场效应晶体管、萧特基二极管以及终端结构。芯片分为晶体管区、二极管区与终端区。金属氧化半导体场效应晶体管设置于晶体管区上。萧特基二极管设置于二极管区上。终端结构设置于终端区，其中终端区分隔晶体管区与二极管区，且金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管共享终端结构。

在本发明的一实施例中，上述的终端结构环绕金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管。

在本发明的一实施例中，上述的金属氧化半导体场效应晶体管可为平面式金属氧化半导体场效应晶体管或沟渠式金属氧化半导体场效应晶体管。

在本发明的一实施例中，上述的金属氧化半导体场效应晶体管可为超接面式金属氧化半导体场效应晶体管、双栅极式金属氧化半导体场效应晶体管或浮置栅极式金属氧化半导体场效应晶体管。

在本发明的一实施例中，上述的萧特基二极管可为接合阻障式萧特基二极管或沟渠式萧特基二极管。

在本发明的一实施例中，上述的终端结构可为保护环结构、浮置限制环结构、场板结构或具有浮置限制环的场板结构。

基于上述，本发明将金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管整合于单一芯片中，且金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管共享终端结构，因此可以缩小元件尺寸、减少因为连接线所产生的寄生电感值、减少电流突波并降低电磁干扰。

附图说明

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下，其中：

图1所绘示为本发明的一实施例的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件的上视图。

图2所绘示为图1中沿A-A’线的剖面图。

图3所绘示为平面式金属氧化半导体场效应晶体管的剖面图。

图4所绘示为接合阻障式萧特基二极管的剖面图。

图5所绘示为另一种场板结构的剖面图。

图6所绘示为保护环结构的剖面图。

具体实施方式

本发明的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，将金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管整合于单一芯片中，且金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管共享终端结构。

本发明并没有限制金属氧化半导体场效应晶体管的类型，从栅极的设置方式可分为平面式金属氧化半导体场效应晶体管或沟渠式金属氧化半导体场效应晶体管等；从设计布局方式可分为超接面式(super junction)金属氧化半导体场效应晶体管、双栅极式(dual gate)金属氧化半导体场效应晶体管或浮置栅极式(floating gate)金属氧化半导体场效应晶体管等。

本发明并没有限制萧特基二极管的类型，萧特基二极管可为接合阻障式(junction barrier)萧特基二极管或沟渠式萧特基二极管等。

本发明并没有限制终端结构的类型，终端结构可为保护环(guard ring)结构、浮置限制环(floating limitation rings)结构、场板(field plate)结构或具有浮置限制环的场板(field plate with floating limitationrings)结构。

图1所绘示为本发明的一实施例的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件的上视图。图2所绘示为图1中沿A-A’线的剖面图。

请参照图1，单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件包括芯片100。芯片100分为晶体管区102、二极管区104与终端区106，其中终端区106分隔晶体管区102与二极管区104，且终端区106环绕晶体管区102与二极管区104。

在本实施例中，金属氧化半导体场效应晶体管108为N型沟渠式金属氧化半导体场效应晶体管，萧特基二极管110为沟渠式萧特基二极管，终端结构112为场板(field plate)结构。

请参照图2，金属氧化半导体场效应晶体管108设置于晶体管区102。萧特基二极管110设置于二极管区104。终端结构112设置于终端区106。

在晶体管区102中，金属氧化半导体场效应晶体管108设置于N⁺型基底114上。N⁺型基底114上设置有N^-型掺杂区116。N^-型掺杂区116上设置有P^-型掺杂区118。金属氧化半导体场效应晶体管108包含有设置于沟槽120a内的介电层122、作为栅极的导体层124与N⁺型源极126。介电层122的材质例如是氧化硅等。导体层124的材质例如是掺杂多晶硅。在相邻两个金属氧化半导体场效应晶体管108的N⁺型源极126之间设置有P⁺型掺杂区128。导体层132与P⁺型掺杂区128接触。导体层132的材质包括金属，例如是铝、铜等。在沟渠120a的底部亦可选择性的设置有P⁺型掺杂区130。在N⁺型基底114相对于金属氧化半导体场效应晶体管108的另一表面设置有导体层134。此导体层134用以作为金属氧化半导体场效应晶体管108的漏极。

在二极管区104中，沟槽120b内亦设置有相同的介电层122与填满沟槽104b的导体层124。在N⁺型基底114上设置有导体层132。导体层132与沟槽120b间的N^-型掺杂区116接触，而作为萧特基二极管110的阳极。在N⁺型基底114相对于萧特基二极管110的另一表面设置的导体层134作为萧特基二极管110的阴极。在沟渠120b的底部亦可选择性的设置有P⁺型掺杂区130。此外，在N⁺型基底114上设置有覆盖导体层124或导体层136的层间绝缘层140。

在终端区106中，于N⁺型基底114上形成有场氧化层138。场氧化层138的材质例如是氧化硅。在场氧化层138上形成有多个导体层136。导体层136的材质例如是掺杂多晶硅。这些导体层136经由导体层132连接金属氧化半导体场效应晶体管108与萧特基二极管110。亦即，金属氧化半导体场效应晶体管108与该萧特基二极管110共享终端结构112。而且，终端结构112环绕金属氧化半导体场效应晶体管108与萧特基二极管110。

图3所绘示为平面式金属氧化半导体场效应晶体管的剖面图。本发明的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件中的金属氧化半导体场效应晶体管亦可以是平面式金属氧化半导体场效应晶体管。

如图3所示，金属氧化半导体场效应晶体管208设置于N⁺型基底214上。N⁺型基底214上具有N^-型掺杂区216。N^-型掺杂区216中设置有P^-型掺杂区218。金属氧化半导体场效应晶体管208包含有设置于N⁺型基底214上的介电层222、作为栅极的导体层224、N⁺型源极226。介电层222的材质例如是氧化硅等。导体层224的材质例如是掺杂多晶硅。在相邻两个金属氧化半导体场效应晶体管208的N⁺型源极226之间设置有P⁺型掺杂区228。导体层232与P⁺型掺杂区228接触。导体层232的材质包括金属，例如是铝、铜等。在N⁺型基底214相对于金属氧化半导体场效应晶体管208的另一表面设置有导体层234。此导体层234用以作为金属氧化半导体场效应晶体管208的漏极。导体层234的材质包括金属，例如是铝、铜等。此外，在N⁺型基底114上设置有覆盖导体层224的层间绝缘层254。

图4所绘示为接合阻障式萧特基二极管的剖面图。本发明的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件中的萧特基二极管亦可以是接合阻障式萧特基二极管。

如图4所示，在N⁺型基底214中设置有P⁺型掺杂区240。在N⁺型基底214上设置有导体层232。导体层232与P⁺型掺杂区240间的有N^-型掺杂区216接触，而作为萧特基二极管210的阳极。在N⁺型基底214相对于萧特基二极管210的另一表面设置有导体层234。此导体层234用以作为萧特基二极管210的阴极。

图5所绘示为另一种场板结构的剖面图。本发明的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件中的终端结构亦可以是图5所示的场板结构。

于N⁺型基底214上形成有多个场氧化层246。场氧化层246的材质例如是氧化硅。在场氧化层246上分别形成有导体层248。导体层248的材质例如是掺杂多晶硅。场氧化层246之间的N^-型掺杂区216中形成有P⁺型掺杂区250。P⁺型掺杂区250与导体层248经由导体层252连接金属氧化半导体场效应晶体管及萧特基二极管。此外，在N⁺型基底114上设置有覆盖部分场氧化层246与导体层248的层间绝缘层254。

图6所绘示为保护环结构的剖面图。本发明的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件中的终端结构亦可以是保护环结构。

如图6所示在N⁺型基底214中设置有P⁺型掺杂区(保护环)242。P⁺型掺杂区242例如是环绕金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管。在N⁺型基底214上设置有绝缘层244。绝缘层244的材质例如是氧化硅。

综上所述，本发明的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，只要将金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管整合于单一芯片中，且金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管共享终端结构即可，因此不需要限制金属氧化半导体场效应晶体管、萧特基二极管及终端结构。而可以是任何金属氧化半导体场效应晶体管、萧特基二极管及终端结构的组合。

而且，本发明将金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管整合于单一芯片中，且金属氧化半导体场效应晶体管与萧特基二极管共享终端结构，因此可以缩小元件尺寸、减少因为连接线所产生的寄生电感值、减少电流突波并降低电磁干扰。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视本发明的权利要求范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，包括：

一芯片，分为一晶体管区、一二极管区与一终端区；

一金属氧化半导体场效应晶体管，设置于该晶体管区上；

一萧特基二极管，设置于该二极管区上；以及

一终端结构，设置于该终端区，其中该终端区分隔该晶体管区与该二极管区，且该金属氧化半导体场效应晶体管与该萧特基二极管共享该终端结构。

2.如权利要求1所述的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，其中该终端结构环绕该金属氧化半导体场效应晶体管与该萧特基二极管。

3.如权利要求1所述的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，其中该金属氧化半导体场效应晶体管选自平面式金属氧化半导体场效应晶体管与沟渠式金属氧化半导体场效应晶体管所组的族群。

4.如权利要求1所述的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，其中该金属氧化半导体场效应晶体管选自超接面式金属氧化半导体场效应晶体管、双栅极式金属氧化半导体场效应晶体管与浮置栅极式金属氧化半导体场效应晶体管所组的族群。

5.如权利要求1所述的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，其中该萧特基二极管选自接合阻障式萧特基二极管与沟渠式萧特基二极管所组的族群。

6.如权利要求3所述的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，其中该萧特基二极管选自接合阻障式萧特基二极管与沟渠式萧特基二极管所组的族群。

7.如权利要求4所述的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，其中该萧特基二极管选自接合阻障式萧特基二极管与沟渠式萧特基二极管所组的族群。

8.如权利要求1所述的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，其中该终端结构选自保护环结构、浮置限制环结构、场板结构与具有浮置限制环的场板结构所组的族群。

9.如权利要求6所述的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，其中该终端结构选自保护环结构、浮置限制环结构、场板结构与具有浮置限制环的场板结构所组的族群。

10.如权利要求7所述的单片式金属氧化半导体场效应晶体管-萧特基二极管元件，其中该终端结构选自保护环结构、浮置限制环结构、场板结构与具有浮置限制环的场板结构所组的族群。

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