TW201419531A - 一種垂直擴散金氧半導體（ｖｄｍｏｓ）結構與具有此垂直擴散金氧半導體結構之半導體裝置 - Google Patents

Abstract

一種垂直擴散金氧半導體結構，具有一基材、一源極摻雜區、一汲極摻雜區、一源極金屬圖案、一閘極金屬圖案與一汲極金屬圖案。源極摻雜區係位於基材之一上表面。汲極摻雜區係位於基材內，並與源極摻雜區分離。此基材之一角落係形成有至少一汲極接觸窗。此汲極接觸窗係由基材之上表面向下延伸至汲極摻雜區。源極金屬圖案與閘極金屬圖案係位於基材之上表面上。汲極金屬圖案亦係位於基材之上表面上，並透過汲極接觸窗電性連接汲極摻雜區。並且，汲極金屬圖案係位於源極金屬圖案之外側。

Description

一種垂直擴散金氧半導體(VDMOS)結構與具有此垂直擴散金 氧半導體結構之半導體裝置

本發明係關於一種金氧半導體結構，尤其是一種垂直擴散金氧半導體結構與具有此垂直擴散金氧半導體結構之半導體裝置。

第1圖係一典型之垂直擴散金氧半導體(vertical diffusion,metal oxide semiconductor,VDMOS)結構之剖面示意圖。如圖中所示，垂直擴散金氧半導體結構具有一N型重摻雜基板10，作為其汲極摻雜區。在基板10上形成有一N型磊晶層12。在此N型磊晶層12之表面區域形成有P型之本體區14。源極摻雜區15則是形成於本體區14內。在本體區14上方且鄰接於源極摻雜區15處形成有閘極結構16。此閘極結構16係用以控制本體區14內形成之通道之導通與否。由第1圖可知，垂直擴散金氧半導體結構之源極摻雜區15與汲極摻雜區(即重摻雜基板10)係位於結構之相對兩側，導通電流係大致以垂直走向流動。

為了通入電壓至源極摻雜區15、汲極摻雜區與閘極結構16以進行控制，垂直擴散金氧半導體結構在磊晶層12之上方形成有一源極金屬圖案17與一閘極金屬圖案(未圖示)；而在基板10下方覆蓋有一汲極金屬圖案18。

如圖中所示，此垂直擴散金氧半導體結構之源極金屬圖案 17與閘極金屬圖案係位於其上表面，不過，汲極金屬圖案18則是位於下表面。此種配置方式會導致晶片封裝的困難。尤其面臨現今元件整合封裝的趨勢下，若要將控制電路與垂直擴散金氧半導體結構整合於同一個封裝結構，此種電極配置方式的缺點將更為突顯，除了會導致封裝設計與製程的複雜，同時也會增加製造成本，降低產品良率。

本發明之一主要目的係提供一種垂直擴散金氧半導體結構及利用此垂直擴散金氧半導體結構之半導體裝置，以避免前揭電極配置方式所產生之缺點。

本發明之另一目的係針對晶片封裝時所面臨之絕緣問題提出解決方式。

本發明之一實施例提供一種垂直擴散金氧半導體結構。此垂直擴散金氧半導體結構具有一基材、一源極摻雜區、一汲極摻雜區、一源極金屬圖案、一閘極金屬圖案與一汲極金屬圖案。源極摻雜區係位於基材之一上表面。汲極摻雜區係位於基材內，並與源極摻雜區分離。此基材之一角落係形成有至少一汲極接觸窗。此汲極接觸窗係由基材之上表面向下延伸至汲極摻雜區。源極金屬圖案與閘極金屬圖案係位於基材之上表面上。汲極金屬圖案亦係位於基材之上表面上，並透過汲極接觸窗電性連接汲極摻雜區。並且，汲極金屬圖案係位於源極金屬圖案之外側。

在本發明之一實施例中，基材之各個角落分別對應有一個汲極接觸窗。汲極金屬圖案則是具有多個獨立部分，各部分係對應至基材之不同角落。

在本發明之一實施例中，汲極金屬圖案係環繞源極金屬圖案。此汲極金屬圖案並具有至少一缺口，源極金屬圖案可經由此缺口向外連接。

在本發明之一實施例中，汲極金屬圖案係位於基材上表面之一邊緣區域，源極金屬圖案則係位於基材上表面之一中央區域。

本發明之另一實施例提供一半導體裝置。此半導體裝置具有二個前述本發明之垂直擴散金氧半導體結構與一金屬連接結構。其中，至少一個垂直擴散金氧半導體結構之汲極金屬圖案具有一缺口，位於汲極金屬圖案內側之源極金屬圖案係經由此缺口電性連接至另一個垂直擴散金氧半導體結構。金屬連接結構則係延伸經過此缺口以電性連接二個垂直擴散金氧半導體結構。

在本發明之一實施例中，此半導體結構之二個垂直擴散金氧半導體結構係形成於同一個基材上，一隔離溝槽係由基材之上表面延伸至汲極摻雜區下方，以隔絕此二個垂直擴散金氧半導體結構。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特 徵中得到進一步的了解。

第2A圖係本發明之一種垂直擴散金氧半導體結構100一較佳實施例之示意圖。第2B圖為第2A圖之本發明之一種垂直擴散金氧半導體結構一較佳實施例之A1-A1剖視示意圖。第2A圖係此垂直擴散金氧半導體結構100之俯視圖，第2B圖則是沿著第2A圖之A1-A1剖面線之剖面示意圖。如圖中所示，此垂直擴散金氧半導體結構100具有一P型基板110、一N型重摻雜磊晶層120、一N型輕摻雜磊晶層130、一源極金屬圖案152、一閘極金屬圖案154與一汲極金屬圖案156。其中，P型基板110、N型重摻雜磊晶層120與N型輕摻雜磊晶層130係構成此垂直擴散金氧半導體結構100之基材。位於N型重摻雜磊晶層120下方之P型基板110可作為一隔離層，其中隔離層(即P型基板110)的導電性異於N型重摻雜磊晶層120的導電性，藉此提供此垂直擴散金氧半導體結構100所需之絕緣保護。

此垂直擴散金氧半導體結構100所具有之本體區(未圖示)、源極摻雜區(未圖示)與閘極結構(未圖示)，均係位於N型輕摻雜磊晶層130內，而鄰近於N型輕摻雜磊晶層130之上表面。N型重摻雜磊晶層120則是充作此垂直擴散金氧半導體結構100之汲極摻雜區。由此可知，汲極摻雜區係位於N型輕摻雜磊晶層130之下方，而與源極摻雜區分離。

本實施例所提供之垂直擴散金氧半導體結構100係一金 氧半導體場效電晶體結構。不過，本發明並不限與此。若是使用不同導電型之重摻雜磊晶層與輕摻雜磊晶層，即可形成絕緣閘雙極電晶體(IGBT)。而在使用P型重摻雜磊晶層取代N型重摻雜磊晶層120的情況下，最好是以N型基板取代P型重摻雜磊基層下方的P型基板110，以提供絕緣保護。

如圖中所示，在此方型基材之四個角落分別形成有一個汲極接觸窗140。汲極接觸窗140係由N型輕摻雜磊晶層130之上表面向下延伸至汲極摻雜區(即N型重摻雜磊晶層120)。源極金屬圖案152與閘極金屬圖案154係位於N型輕摻雜磊晶層130之上表面上。汲極金屬圖案156亦係位於N型輕摻雜磊晶層130之上表面上，並透過汲極接觸窗140電性連接汲極摻雜區(即N型重摻雜磊晶層120)。由第2A圖之俯視圖可發現，源極金屬圖案(S)152係位於此方形基材之上表面的中央位置，此源極金屬圖案(S)152之一側具有一凹入，閘極金屬圖案(G)154則是位於此凹入內。源極金屬圖案(S)152對應於方形基材之四個角落處係呈圓弧狀外觀，因而在方形基材之角落處，源極金屬圖案(S)152之外側，留有空間以容納汲極金屬圖案(D)156。就一較佳實施例而言，前述源極金屬圖案(S)152、閘極金屬圖案(G)154與汲極金屬圖案(D)156可以係形成於同一個金屬層。

在本實施例中，基材之各個角落分別對應有一個汲極接觸窗140。汲極金屬圖案(D)156則是具有多個獨立部分，各部分分別對應基材之一個角落。如圖中所示，即具有四個部分位於基材之四個角落處。不過，本發明並不限於此。視實際電路設 計需要，在基材之部分角落處可省下汲極接觸窗140之製作，而保留更多空間給主動區域；或是因應角落的形狀，設置多個汲極接觸窗140在同一個角落區域。此外，在本實施例中，汲極金屬圖案(D)156係填入汲極接觸窗140直接接觸汲極摻雜區(即N型重摻雜磊晶層120)。不過，本發明亦不限於此。在另一實施例中，汲極金屬圖案(D)156亦可係透過位於汲極接觸窗140內之導電插塞結構(未圖示)，電性連接汲極摻雜區(即N型重摻雜磊晶層120)。

其次，本實施例係利用一N型重摻雜磊晶層120作為汲極摻雜區。不過，本發明並不限於此。就另一實施例而言，此汲極摻雜區(即N型重摻雜磊晶層120)亦可採用離子植入方式，形成於磊晶層內。換言之，可先形成一N型輕摻雜磊晶層於P型基板110上，然後再以離子植入方式，形成深入此輕摻雜磊晶層內之重摻雜區，作為汲極摻雜區。

第3A至3F圖顯示本發明垂直擴散金氧半導體結構之源極金屬圖案(S)、閘極金屬圖案(G)與汲極金屬圖案(D)之配置方式之六種不同實施例。在第3A圖之第一實施例中，源極金屬圖案(S)252a係位於基材上表面之中央區域。此源極金屬圖案(S)252a並具有一凹入，以容納閘極金屬圖案(G)254a。汲極金屬圖案(D)256a則是沿著基材的周圍區域延伸，以環繞源極金屬圖案(S)252a。

在第3B圖之第二實施例中，汲極金屬圖案(D)256b亦係環繞源極金屬圖案(S)252b，不過，汲極金屬圖案(D)256b在對 應於閘極金屬圖案(G)254b之一側具有一缺口。閘極金屬圖案(G)254b則是經由此缺口朝向基材之邊緣延伸。

在第3C圖之第三實施例中，汲極金屬圖案(D)256c係環繞源極金屬圖案(S)252c，並且具有一缺口。不過，此缺口並非對準閘極金屬圖案(G)254c，而與第3B圖之實施例不同。源極金屬圖案(S)252c可經由此缺口朝向基材之邊緣延伸。

在前述第3A至3C圖之實施例中，汲極金屬圖案(D)256a,256b,256c係呈現一完整結構。不過，本發明並不限於此。此汲極金屬圖案(D)亦可係由多個獨立部分構成。如第3D圖所示，在本發明之第四實施例中，汲極金屬圖案(D)256d則是位於基材上表面之兩側邊而不互相連接。

又，前述第一至第四實施例中，汲極金屬圖案(D)256a,256b,256c,256d係延伸至晶片之所有角落區域。不過，本發明並不限於此。依據實際電路設計的需要，汲極金屬圖案亦可以僅延伸至晶片之部份角落區域。如第3E與3F圖所示，在本發明之第五與第六實施例中，汲極金屬圖案(D)256e,256f僅延伸至晶片之三個角落區域。此種配置而在基材之角落區域所產生之空間，則可用以設置閘極金屬圖案(G)254e或是源極金屬圖案(S)252f。

第4A圖係利用本發明之垂直擴散金氧半導體結構300a,300b所製作之半導體裝置一較佳實施例之示意圖，第4B圖則是對應於此半導體裝置之電路圖。如圖中所示，此半導體 裝置係由二個或多個垂直擴散金氧半導體結構300a,300b串聯而成，圖中係以二個垂直擴散金氧半導體結構300a,300b為例。此半導體裝置適用於供應處理單元(processing unit)，如中央處理單元、圖形處理單元等，所需電壓之電路。

如第4A圖所示，此半導體裝置具有二個垂直擴散金氧半導體結構300a,300b與一金屬連接結構360。此金屬連接結構360係用以串接此二個垂直擴散金氧半導體結構300a,300b。其中，位於圖中右側之垂直擴散金氧半導體結構300b之汲極金屬圖案(D2)356b具有一缺口。金屬連接結構360之一端係經由此缺口延伸連接位於汲極金屬圖案(D2)356b內側之源極金屬圖案(S2)352b。此金屬連接結構360之另一端則是連接至另一個垂直擴散金氧半導體結構300a(位於圖中左側)之汲極金屬圖案(D1)356a。此金屬連接結構360可以係一接合導線(bonding wire)、一金屬圖案層或導線架(lead frame)之部分結構等。此金屬連接結構360亦可與前述源極金屬圖案352a,352b與汲極金屬圖案356a,356b形成於同一個金屬層。依據前述配置方式，即可串聯多個垂直擴散金氧半導體結構以構成所需之半導體裝置。

第5A圖係本發明半導體裝置另一實施例之示意圖。第5B圖為第5A圖之本發明半導體裝置另一實施例之B1-B1剖視示意圖。第5C圖為第5A圖之本發明半導體裝置另一實施例之C1-C1剖視示意圖。如圖中所示，此半導體裝置具有多個垂直擴散金氧半導體結構400a,400b，各個垂直擴散金氧半導體結構400a,400b係形成於同一個基材上。此基材包括一P型基板 410、一N型重摻雜磊晶層420與一N型輕摻雜磊晶層430。此半導體裝置並具有一溝槽470，由基材之上表面延伸至汲極摻雜區(即N型重摻雜磊晶層420)下方之P型基板410內，而溝槽470將前述N型輕摻雜磊晶層430與N型重摻雜磊晶層420分隔為多個區域，分別對應於各個垂直擴散金氧半導體結構400a,400b，如第5B圖所示。此溝槽470內可另外填入絕緣材料以提高結構強度，提升絕緣隔離效果。

就此半導體結構製造方法之一實施例而言，可先在P型基板410上依序形成N型重摻雜磊晶層420與N型輕摻雜磊晶層430，然後再製作主動區域內之元件。在完成元件製作後，即可製作汲極接觸窗440與位於基材上表面之金屬圖案452a,452b,454a,454b,456a,456b。最後再以蝕刻方式製作溝槽470來區隔各個垂直擴散金氧半導體結構400a,400b。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10‧‧‧重摻雜基板

12‧‧‧磊晶層

14‧‧‧本體區

15‧‧‧源極摻雜區

16‧‧‧閘極結構

17‧‧‧源極金屬圖案

18‧‧‧汲極金屬圖案

100‧‧‧垂直擴散金氧半導體結構

110‧‧‧P型基板

120‧‧‧N型重摻雜磊晶層

130‧‧‧N型輕摻雜磊晶層

152‧‧‧源極金屬圖案

154‧‧‧閘極金屬圖案

156‧‧‧汲極金屬圖案

140‧‧‧汲極接觸窗

252a,252b,252c,252d,252e,252f,‧‧‧源極金屬圖案

254a,254b,254c,254d,254e,254f‧‧‧閘極金屬圖案

256a,256b,256c,256d,256e,256f‧‧‧汲極金屬圖案

300a,300b‧‧‧垂直擴散金氧半導體結構

360‧‧‧金屬連接結構

352a,352b‧‧‧源極金屬圖案

354a,354b‧‧‧閘極金屬圖案

356a,356b‧‧‧汲極金屬圖案

400a,400b‧‧‧垂直擴散金氧半導體結構

410‧‧‧P型基板

420‧‧‧N型重摻雜磊晶層

430‧‧‧N型輕摻雜磊晶層

470‧‧‧溝槽

440‧‧‧汲極接觸窗

452a,452b‧‧‧源極金屬圖案

454a,454b‧‧‧閘極金屬圖案

456a,456b‧‧‧汲極金屬圖案

第1圖係一典型之垂直擴散金氧半導體(VDMOS)結構之剖面示意圖。

第2A圖係本發明之一種垂直擴散金氧半導體結構一較佳實施例之示意圖。

第2B圖為第2A圖之本發明之一種垂直擴散金氧半導體結構一較佳實施例之A1-A1剖視示意圖。

第3A至3F圖顯示本發明垂直擴散金氧半導體結構之源極金屬圖案、閘極金屬圖案與汲極金屬圖案之配置方式之不同實施例。

第4A圖係利用本發明之垂直擴散金氧半導體結構所製作之半導體裝置一較佳實施例之示意圖。

第4B圖係對應於第4A圖之半導體裝置之電路圖。

第5A圖係本發明半導體裝置另一實施例之示意圖。

第5B圖為第5A圖之本發明半導體裝置另一實施例之B1-B1剖視示意圖。

第5C圖為第5A圖之本發明半導體裝置另一實施例之C1-C1剖視示意圖。

100‧‧‧垂直擴散金氧半導體結構

110‧‧‧P型基板

120‧‧‧N型重摻雜磊晶層(汲極摻雜區)

130‧‧‧N型輕摻雜磊晶層

152‧‧‧源極金屬圖案

154‧‧‧閘極金屬圖案

156‧‧‧汲極金屬圖案

140‧‧‧汲極接觸窗

Claims (11)

1. 一種垂直擴散金氧半導體結構，包括：一基材；一源極摻雜區，位於該基材之一上表面；一汲極摻雜區，位於該基材內，並與源極摻雜區分離；至少一汲極接觸窗，形成於該基材之一角落，並由該上表面向下延伸至該汲極摻雜區；一源極金屬圖案，位於該上表面上；一閘極金屬圖案，位於該上表面上；以及一汲極金屬圖案，位於該上表面上，透過該汲極接觸窗連接該汲極摻雜區，並且，該汲極金屬圖案係位於該源極金屬圖案之外側。
2. 如申請專利範圍第1項之垂直擴散金氧半導體結構，其中，該基材係呈一多邊型外觀，該基材之各該角落分別對應有一個該汲極接觸窗。
3. 如申請專利範圍第1項之垂直擴散金氧半導體結構，其中，該汲極金屬圖案具有多個獨立部分，分別對應該基材之至少一個該角落。
4. 如申請專利範圍第3項之垂直擴散金氧半導體結構，其中，該汲極金屬圖案係環繞該源極金屬圖案，並具有至少一缺口。
5. 如申請專利範圍第1項之垂直擴散金氧半導體結構，其中，該源極金屬圖案、該閘極金屬圖案與該汲極金屬圖案，係形成 於同一個金屬層。
6. 如申請專利範圍第1項之垂直擴散金氧半導體結構，其中，更包括一插塞結構，位於該汲極接觸窗內以電性連接該汲極金屬圖案與該汲極摻雜區。
7. 如申請專利範圍第1項之垂直擴散金氧半導體結構，其中，該汲極摻雜區係一具有一第一導電型摻雜之磊晶層，該基材包括一隔離層，位於該汲極摻雜區下方，該隔離層具有一第二導電型摻雜，該第二導電型異於該第一導電型。
8. 一種半導體裝置，包括二個如申請專利範圍第1項所述之垂直擴散金氧半導體結構與一金屬連接結構，其中，至少一個該垂直擴散金氧半導體結構之該汲極金屬圖案具有一缺口，該金屬連接結構係延伸經過該缺口，電性連接該二個垂直擴散金氧半導體結構。
9. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，該金屬連接結構之一端係連接一個該垂直擴散金氧半導體結構之該汲極金屬圖案，另一端係延伸連接另一個該垂直擴散金氧半導體結構之該源極金屬圖案。
10. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，該些垂直擴散金氧半導體結構係形成於同一個該基材上，該基材並具有一溝槽，由該基材之該上表面延伸至該汲極摻雜區下方以分隔該些垂直擴散金氧半導體結構。
11. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中，該基材更包括一隔離層，位於該汲極摻雜區下方，該隔離層具有一第二導電型摻雜，該第二導電型異於該第一導電型，該溝槽係延伸至該隔離層內。