TW201624665A - 功率開關元件 - Google Patents
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Abstract
一種功率開關元件，包括電晶體和靜電放電保護電路。所述電晶體包括源極、汲極與閘極，其中源極與汲極之間具有井區。至於靜電放電保護電路的一端耦接至閘極，另一端耦接至井區，以在閘極與源極之間以及在閘極與汲極之間同時形成保護電路。
Description
本發明是有關於一種功率半導體元件，且特別是有關於一種具有靜電放電保護電路(ESD protective circuit)的功率開關元件。
功率開關元件有溝槽式(Trench)功率元件與平面型功率元件，由於溝槽式功率元件能獲得較大的通道(Channel)寬度，並能藉此大幅降低通道阻抗，所以目前溝槽式功率開關元件較受到矚目。
請參照圖1，圖1繪示習知的功率開關元件的電路圖，圖左是NMOS的等效電路、圖右是PMOS的等效電路。功率開關元件10包括閘極G、源極S與汲極D。其中，為避免靜電放電(ESD)破壞閘氧化層，可在其中設置ESD保護電路。目前常見的功率開關元件是採用平面式或溝槽式電晶體的形式，其源極與汲極分別位在晶片的兩面，由於搭配晶面的閘極。所以ESD保護電路一般是設置在源極所在的晶面之上，而ESD保護電路之線路在連接上是分別耦接至閘極與源極。
因此，在圖1中的ESD保護電路僅能設置在閘極G與源極S之間。但是，對於位在晶背的汲極，若要連接ESD保護電路，則需將ESD保護元件以較為複雜的製程連接至晶背的汲極，且僅針對其中之一作ESD保護。
本發明提供一種功率開關元件，具有能同時對閘極/源極以及閘極/汲極之間形成ESD保護電路。
本發明的功率開關元件，包括電晶體和靜電放電保護電路。電晶體包括源極、汲極與閘極，其中源極與汲極之間具有井區。而靜電放電保護電路之一端耦接至上述閘極，另一端耦接至上述井區，以在閘極與源極之間形成保護電路並且在閘極與汲極之間形成保護電路。
在本發明的一實施例中，上述靜電放電保護電路包括電阻(resistor)、二極體(diode)、雙載子元件(Bipolar)或矽控整流器元件(SCR)。
在本發明的一實施例中，上述功率開關元件還包括一邊緣終端區，圍繞電晶體。
在本發明的一實施例中，上述靜電放電保護電路是設置於電晶體與邊緣終端區之間。
在本發明的一實施例中，上述源極可與井區耦接、或者源極與井區不耦接。
在本發明的一實施例中，上述電晶體包括平面式或溝槽式電晶體。
本發明另提供一種功率開關元件，毋須經由複雜製程即可同時對閘極/源極以及閘極/汲極之間進行ESD保護。
本發明的另一功率開關元件，包括基體、閘極和靜電放電保護元件。基體包括第一、第二與第三摻雜區，其中第一摻雜區構成汲極、第二摻雜區構成源極、位在第一與第二摻雜區之間的第三摻雜區構成井區。而源極是位於閘極兩側，其中閘極包括閘極導體與介於閘極導體與基體之間的閘極絕緣層。靜電放電保護元件則是位於基體上，其一端耦接至閘極、另一端耦接至井區，以在閘極與源極之間以及在閘極與汲極之間同時形成保護電路。
在本發明的另一實施例中，上述的靜電放電保護元件包括電阻(resistor)、二極體(diode)、雙載子元件(Bipolar)或矽控整流器元件(SCR)。
在本發明的另一實施例中，上述功率開關元件還包括邊緣終端區圍繞著上述井區。
在本發明的另一實施例中，上述靜電放電保護元件設置於上述井區與邊緣終端區之間。
在本發明的另一實施例中，上述功率開關元件還包括源極金屬結構，電性連接上述源極。
在本發明的另一實施例中，上述源極金屬結構還可貫穿源極並與井區電性連接。
在本發明的另一實施例中，閘極包括平面式閘極或溝槽式閘極。
在本發明的另一實施例中，上述溝槽式閘極是位於貫穿第二與第三摻雜區並與第一摻雜區接觸的溝槽內，而上述閘極絕緣層是介於閘極導體與上述溝槽之間。
基於上述，本發明的靜電放電保護電路因為是從閘極連接至源極與汲極之間的井區，因此在靜電放電時，可經由此一靜電放電保護電路到達井區，再向源極以及/或是汲極釋放。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10、20、50‧‧‧功率開關元件
300、302、304‧‧‧摻雜區
306‧‧‧靜電放電保護元件
308‧‧‧井區導體結構
310a、310b、600a‧‧‧閘極導體
312a‧‧‧絕緣層
312b、600b‧‧‧閘極絕緣層
314‧‧‧源極金屬結構
316‧‧‧閘極金屬結構
318‧‧‧切斷部位
320‧‧‧介電層
400‧‧‧導電插塞
D‧‧‧汲極
G‧‧‧閘極
S‧‧‧源極
圖1是習知的一種功率開關元件的電路圖。
圖2是依照本發明的第一實施例的一種功率開關元件的電路圖。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種功率開關元件的結構示意圖。
圖4是圖3之功率開關元件的又一變形例的結構示意圖。
圖5是圖4之功率開關元件的電路圖。
圖6是圖3之功率開關元件的再一變形例的結構示意圖。
圖2是依照本發明的第一實施例的一種功率開關元件的電路圖，圖左是NMOS的等效電路、圖右是PMOS的等效電路。
請參照圖2，第一實施例的功率開關元件20包括電晶體和靜電放電(ESD)保護電路。電晶體包括源極S、汲極D與閘極G，其中源極S與汲極D之間具有井區。而靜電放電保護電路之一端耦接至閘極G，另一端耦接至井區，以在閘極G與源極S之間形成保護電路並且在閘極G與汲極D之間形成保護電路。此時源極S與井區不耦接。仔細一點來說，若閘極G與源極S之間發生靜電放電時，靜電可經由ESD保護電路到逹井區，再向源極S釋放；而若閘極G與汲極D發生靜電放電時，靜電同樣可以經由ESD保護電路到逹井區，再向汲極D釋放。因此，本實施例的ESD保護電路能同時對閘極/源極和閘極/汲極的閘極絕緣層做ESD保護。在本實施例中，靜電放電保護電路例如電阻(resistor)、二極體(diode)、雙載子元件(Bipolar)、矽控整流器元件(SCR)或其他具有ESD保護功能之結構或元件。至於本實施例之電晶體可以是平面式電晶體或者溝槽式電晶體。此外，功率開關元件20一般還包括邊緣終端區，圍繞電晶體。而上述靜電放電保護電路可設置於電晶體與邊緣終端區之間。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種功率開關元件的結構示意圖。
請參照圖3，第二實施例的功率開關元件實際上反映了上
一實施例的電路，其包括由第一摻雜區300、第二摻雜區302與第三摻雜區304所構成之基體、靜電放電保護元件306和閘極。其中，第一摻雜區300作為汲極、第二摻雜區302作為源極、位在第一與第二摻雜區300和302之間的第三摻雜區304作為井區。而閘極例如是溝槽式閘極，其例如具有閘極導體310b與介於閘極導體310b與溝槽之間的閘極絕緣層312b，其中上述溝槽係貫穿第二與第三摻雜區302與304並與第一摻雜區300接觸。靜電放電保護元件306則是位於基體上(即與第二摻雜區302位在同一表面)，且靜電放電保護元件306的一端可經由井區導體結構308耦接至第三摻雜區304(井區)，靜電放電保護元件306的另一端可藉由閘極導體310a耦接至閘極導體310b，其中閘極導體310a與第一摻雜區300(汲極)之間有絕緣層312a隔離，而閘極導體310a與310b譬如是多晶矽或金屬所構成的結構，當然本發明並不限於此。
經由圖3的結構，可在溝槽式閘極與源極之間以及在溝槽式閘極與汲極之間同時形成保護電路。上述靜電放電保護元件306例如p-n-p-n的矽控整流器元件(SCR)，但本發明並不限於此，本實施例之靜電放電保護元件還可以是電阻(resistor)、二極體(diode)、雙載子元件(Bipolar)等。另外，第二實施例的功率開關元件還可包括邊緣終端區(未繪示)，圍繞著上述第三摻雜區304(井區)，而靜電放電保護元件306可設置於第三摻雜區304(井區)與所述邊緣終端區之間，即不影響元件主要設計，還能盡快釋放靜電放電。
在圖3中，第二摻雜區302(源極)可利用源極金屬結構314進行電性連接。而且源極金屬結構314與井區導體結構308可以是通過同一道光罩製程所形成的線路，只要在其間形成切斷部位318，就能使井區導體結構308只連接靜電放電保護元件306與第三摻雜區304(井區)，而源極金屬結構314只連接第二摻雜區302(源極)。另外，隨著源極金屬結構314與井區導體結構308的形成，也可同時在閘極導體310a上再形成閘極金屬結構316，故不需要額外的製程。在本實施例中，第一摻雜區300例如第一導電型磊晶層(如N-磊晶)、第二摻雜區302例如第一導電型源極區(如N+摻雜區)、第三摻雜區304例如第二導電型井區(如P型井區)。
此外，上述源極金屬結構314通常具有與基體垂直設置之導電插塞，貫穿介電層320而連接到第二摻雜區302，其中源極金屬結構314與介電層320及第二摻雜區302之間還可設置一阻障層(未繪示)，其材料如Ti/TiN。
圖4是圖3之功率開關元件的又一變形例的結構示意圖。在圖4中使用與圖3相同的元件符號來代表相同的構件，其中源極金屬結構314之導電插塞400是貫穿源極(即第二摻雜區302)並與井區(即第三摻雜區304)電性連接，而且當第三摻雜區304例如是第二導電型井區(如P型井區)時，還可於第三摻雜區304內的導電插塞400底部增加一個重摻雜區(如P+摻雜區)。
圖4之功率開關元件的電路請見圖5，圖左是NMOS的等效電路、圖右是PMOS的等效電路。在圖5中，源極S與井區
耦接，因此若發生靜電放電時，靜電仍會經由ESD保護電路到逹井區，再向源極S與汲極D釋放。
圖6是圖3之功率開關元件的再一變形例的結構示意圖。在圖6中使用與圖3相同的元件符號來代表相同的構件，其中與圖3之差異在於搭配平面式電晶體，所以是採用平面式閘極，其具有閘極絕緣層500a以及閘極導體500b。第二摻雜區302(源極)是位於閘極兩側，而第三摻雜區304(井區)依舊是位在第一摻雜區300(汲極)與第二摻雜區302(源極)之間。因此，靜電放電保護元件306的一端同樣經由井區導體結構308耦接至第三摻雜區304(井區)，靜電放電保護元件306的另一端同樣可藉由閘極導體310a耦接至閘極導體500b，而達到同時對閘極/源極和閘極/汲極做ESD保護。另外，源極金屬結構314之導電插塞400在本圖是與源極(即第二摻雜區302)接觸，但也可如圖4所示，貫穿源極(即第二摻雜區302)並與井區(即第三摻雜區304)電性連接。
綜上所述，本發明藉由耦接至閘極與井區(或稱base)的靜電放電保護電路，能在靜電放電時，經由此一靜電放電保護電路到達井區，再向源極以及/或是汲極釋放，達到在閘極與源極之間以及閘極與汲極之間都形成保護電路，還不需要額外且複雜的製程或線路設計。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍
當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
20‧‧‧功率開關元件
D‧‧‧汲極
G‧‧‧閘極
S‧‧‧源極
Claims (15)
- 一種功率開關元件，包括：電晶體，包括源極、汲極與閘極，其中該源極與該汲極之間具有井區；以及靜電放電保護電路，其一端耦接至該閘極，另一端耦接至該井區，以在該閘極與該源極之間以及在該閘極與該汲極之間同時形成保護電路。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率開關元件，其中該靜電放電保護電路包括電阻(resistor)、二極體(diode)、雙載子元件(Bipolar)或矽控整流器元件(SCR)。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率開關元件，更包括一邊緣終端區，圍繞該電晶體。
- 如申請專利範圍第3項所述的功率開關元件，其中該靜電放電保護電路設置於該電晶體與該邊緣終端區之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率開關元件，其中該源極與該井區耦接。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率開關元件，其中該源極與該井區不耦接。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率開關元件，其中該電晶體包括平面式電晶體或溝槽式電晶體。
- 一種功率開關元件，包括：基體，包括第一摻雜區、第二摻雜區與第三摻雜區，其中該 第一摻雜區構成汲極、該第二摻雜區構成源極、以及位在該第一摻雜區與該第二摻雜區之間的該第三摻雜區構成井區；閘極，包括閘極導體與介於該閘極導體與該基體之間的閘極絕緣層，且該源極位在該閘極兩側；以及靜電放電保護元件，位於該基體上，該靜電放電保護元件的一端耦接至該閘極、另一端耦接至該井區，以在該閘極與該源極之間以及在該閘極與該汲極之間同時形成保護電路。
- 如申請專利範圍第8項所述的功率開關元件，其中該靜電放電保護元件包括電阻(resistor)、二極體(diode)、雙載子元件(Bipolar)或矽控整流器元件(SCR)。
- 如申請專利範圍第8項所述的功率開關元件，更包括一邊緣終端區，圍繞該井區。
- 如申請專利範圍第10項所述的功率開關元件，其中該靜電放電保護元件設置於該井區與該邊緣終端區之間。
- 如申請專利範圍第8項所述的功率開關元件，更包括源極金屬結構，電性連接該源極。
- 如申請專利範圍第12項所述的功率開關元件，其中該源極金屬結構貫穿該源極並該井區電性連接。
- 如申請專利範圍第8項所述的功率開關元件，其中該閘極包括平面式閘極或溝槽式閘極。
- 如申請專利範圍第14項所述的功率開關元件，其中該溝槽式閘極是位於貫穿該第二摻雜區與該第三摻雜區並與該第一摻 雜區接觸的溝槽內，而該閘極絕緣層是介於該閘極導體與該溝槽之間。
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