TW493280B - DMOS transistor structure having improved performance - Google Patents

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Koon Chong So
Yan Man Tsui
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493280 Λ7 Β7 五、發明說明（1) 技術領域 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明與閘極成形在槽中之電流切換的D Μ〇S電晶 體有關，且特別是當裝置在接通時具有低電阻的槽式 D Μ〇S電晶體有關。 發明背景 功率D Μ 0 S電晶體的用途極爲廣泛，包括自動電子 裝置，磁碟機及電源供應器等。一般言之，這些裝置的功 能如同開關，它們用來將電源供應連接到負載。很重要的 一點是，當開關閉路時，裝置的電阻要儘量低。否則，電 力將被浪費，且會產生過量的熱。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 典型的分立DMO S電路包括兩或多個各自獨立的 D Μ 0 S電晶體格，它們被平行製造。各自獨立的 D Μ〇S電晶體格共同使用一共用的汲極接點（基底）， 同時，它們的源極也全都以金屬短路在一起，它們的閘極 以複矽短路在一起。因此，即使分立的D Μ〇S電路是由 較小電晶體的矩陣所構成，它們的行爲也如同一個大型電 晶體。對分立的D Μ〇S電路而言，當電晶體矩陣被閘極 接通時，希望每單位面積的導電率最大化。 此裝置說明於圖1，它是單格D Μ〇S電晶體1 0〇 的剖面圖，圖2是格的斜視截面圖。閘極1 0 2及1〇4 成形在槽中，且四周分別被閘氧化物層1 0 6及1 0 8包 圍。槽式的閘極通常是形成格子的樣式，格子代表一個互 連的閘極，不過，槽式閘極也可成形爲一連串不連續的平 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 493280 ------- A7 B7 五、發明說明（2) 行條狀。 DM〇S電晶體1 〇 〇是一雙擴散的裝置，它成形在 N —磊晶層1 1 1中。N +源極區1 1 2成形在磊晶層 1 1 1的表面，做爲P+接點區1 1 4 ° P —本體1 1 6 位於N +源極區1 1 2與P +接點區1 1 4的下方。金屬 的源極接點1 1 8與N +源極區1 1 2接觸，並短路N + 源極區1 1 2、P+接點區1 1 4及P區1 1 6。 N —磊晶層1 1 1成形在N +基底1 2 0上，汲極接 點（未顯示）位於N +基底1 2 0的底部。圖2中顯示閘 極1 0 2及1 0 4的接點1 2 1，它是導電的閘極材料延 伸到槽的外部，並在各格遠方的位置成形金屬接點。圖3 也顯示閘金屬接點1 2 1形成與閘極1 0 2及1 〇 4的連 接。典型上，閘極是由複矽摻雜磷或硼而成。須注意，當 一連串的電晶體格成形之時，閘接點1 2 1僅從構造之周 邊的格延伸，不是從內部的格。 N-磊晶層111中位於N+基底120與P—本體 1 1 6之間的區域1 1 〇中，一般是摻雜濃度比N +基底 1 2 0輕的N —型雜質。此可增加DM〇S電晶體1〇〇 忍受高電壓的能力。區域1 1 0有時稱爲”輕度摻雜”或 ”漂移”區（”漂移”是指載子在電場中移動）。漂移區 1 1 0與N+基底1 2〇構成DMOS電晶體1 〇 0的汲 極。 DM〇S電晶體1 〇 0是N —通道的電晶體。當正電 壓施加於閘極1 0 2時，毗鄰閘氧化物1 〇 6之P -本體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --♦---；--------^--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 言·
-5- 493280 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（3) 116內一通道區反轉，在N+源極區112與N+基底 1 2 0間提供一電壓差，電子流從源極區經過通道區進入 漂移區1 1 0。在漂移區1 1 〇中，某些電子流以一角度 對角線地分開，直到它撞擊到N +基底1 2 0，並接著垂 直地流到汲極。另一部分的電子流直接向下通過漂移區 1 1 0 ,以及，某些電子流在閘極1 〇 2的下方流動，並 直接通過漂移區1 1 〇。 閘極1 0 2與1 〇 4中摻雜導電材料。由於D Μ〇S 電晶體1 0 0是Ν -通道的裝置，因此閘極1 〇 2與 1 0 4是複矽摻雜磷。閘極1 〇 2與1 0 4分別以閘氧化 物層1 0 6及1 0 8與DM 0S電晶體1 〇 〇的其餘部分 隔離。選擇閘氧化物層1 〇 6及1 0 8的厚度即可設定 D Μ〇S電晶體1 〇 〇的門檻電壓，也影響到D μ〇S電 晶體1 0 0的崩潰電壓。 在圖1 一 3所示的DM〇S電晶體1〇〇中，Ρ+接 點區1 1 4向下延伸低於槽的底部，在格的中央形成一深 層一重度摻雜的P+本體1 1 6。在其它的已知DM〇S 電晶體（未顯示）中，P +接點區1 1 4非常淺，其延伸 並未低於槽的底部。易言之，在這些裝置中沒有P +本體 1 1 6。淺的P +接點區有助於確保p 一型雜質不會進入 通道區，它傾向使裝置的門檻電壓增加，並致使裝置的接 通特性相互間不同，視P +接點區1 1 4的排列而定。不. 過，沒有P+本體116的淺P+接點區114，當裝置 關閉時，它所能忍受的電壓較低（例如i 〇伏）。這是因 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 11丨裝
ϋ ·ϋ _§· tMMe 一口τ I I— 11 flu Hi n n tmMmm I %· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -6 - 493280 A7 B7 五、發明說明（4) 爲在P +接點區1 1 4與漂移區1 1 0之接面附近的耗盡 擴散不適合保護槽的角落（例如圖1中所示的角落1 2 2 )。結果，在槽的附近會發生崩落擊穿，導致很高的載子 產生率，它會對閘氧化物層1 0 6充電或使其劣化，甚至 ，在極端的情況，致使閘氧化物1 0 6破裂。因此，此種 已知的D Μ〇S電晶體最好是用於低電壓裝置。 不過，如前所述，在如圖1 一 3所示的D Μ〇S電晶 體1 0 0中，由於Ρ +接點區1 1 4向下延伸低於槽的底 部，在格的中央形成一深且重度-摻雜的Ρ本體區1 1 6 ，因此崩潰電壓增加。此提供了角落1 2 2額外的遮蔽， 同時，它的主要優點是，載子的產生主要是發生在Ρ+本 體1 1 6的底部尖端3 0 2。這是因爲在尖端3 0 2下方 的電場加強，藉以致使載子是沿著接面彎曲的點產生，而 非毗鄰閘氧化物1 0 6。此減少了對閘氧化物1 0 6的應 力，並增進了 DMO S電晶體1 〇 〇在高電壓時的可靠度 ，雖然這會降低裝置實際的接面擊穿。關於向下延伸之Ρ 接點區的其它細節，可見於例如美國專利5，0 7 2， 266及5，688，725° 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ---；---·--------裳--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在D Μ〇S電晶體1 〇 〇中的深Ρ +本體1 1 6，雖 然大幅地降低了崩潰的不利影響，但也有一些有害的效果 。第一，產生了格密度的上限，因爲隨著格密度增加，Ρ 離子可能會進入通道區。如前所述，此傾向增加D Μ〇S 電晶體的門檻電壓。第二，由於深Ρ +接點本體1 1 6的 出現，當電子流離開通道進入漂移區1 1 0時傾向被擠壓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經¾部智慧財產局員工消費合作社印製 493280 A7 B7___ 五、發明說明（5 ) 。在沒有深p +本體1 1 6的已知電晶體中，當電子流到 達漂移區1 1 0時是擴散開的。電流擴散開可增加漂移區 1 1 〇中每單位面積的平均電流，並因此使D Μ〇S電晶 體的接通電阻降低。深Ρ +本體1 1 6的出現限制了此電 流的擴散，且接通電阻隨著格密度的增加而增加。 因此，吾人需要的D Μ〇S電晶體是結合深ρ +本體 的優點與低的接通電阻。 發明槪述 按照本發明，提供一種槽式D Μ〇S電晶體構造，它 包括至少3個獨立的槽式D Μ 0 S電晶體格，成形在第一 導電類型的基底上。複數個獨立的D Μ 0 S電晶體劃分成 周邊電晶體格與內部電晶體格。每一個獨立的電晶體格包 括位於基底上的本體區，該本體區具有第二導電類型。至 少一條槽延伸通過本體區與基底，一絕緣層襯於槽內。一 導電電極位於槽內，覆於絕緣層上。每一個內部電晶體格 在本體區中毗鄰槽邊還包括第一導電類型的源極區，但周 邊電晶體格則無。因此，周邊的電晶體格是無作用的，而 內部電晶體格是有源的電晶體。結果，可得到低的門檻電 壓，同時也不需要深的Ρ +接點區。 按照本發明的一態樣，本體區實質平坦地橫過電晶體 格的寬度，它們個別地位於其中。或者，本體區可以是雙 峰（bimodal )分布橫過電晶體格的寬度，它們個別地位於 其中。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -8- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · --------訂·--------· 493280 A7 B7 五、發明說明（6) 按照本發明的另一態樣，槽延伸的深度深於本體區。 按照本發明的另一態樣，周邊電晶體格之本體區的摻 雜遠比內部電晶體格的本體區輕。 按照本發明的另一態樣，提供~種槽式〇 Μ 0 S電晶 體構造，它包括至少3個獨立的槽式D Μ〇S電晶體格， 成形在第一導電類型的基底上。複數個獨立的DM0 S電 晶體劃分成周邊電晶體格與內部電晶體格。每一個獨立的 電晶體格包括位於基底上的本體區，本體區具有第二導電 類型。本體區是以雙峰分布橫過電晶體格的寬度，它們個 別地位於其中。至少一條槽延伸通過本體區與基底，一絕 緣層襯於槽內。一導電電極位於槽內，覆於絕緣層上。內 部電晶體格每一個還包括第一導電類型的源極區。源極區 位於本體區中毗鄰槽邊。 圖式簡單說明 圖1及2分別是習知垂直槽N -通道DM〇S電晶體 格的剖面圖及斜視圖，它具有較深的中央P +接點區。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --裝 訂---------%· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 道之 。 通格圖 I 體 面 N晶平 知電 的 習部 造 之內 構 區及體 點邊 晶。 接周 電例 + 之 之施 P 。 構 構實 央圖架 架一 中面明 明另 深剖發 發的 較一本 本明 有另照 照發 具的按 按本 明體明。明明 說晶說圖說說 是電是面是是 3 S 4 0 5 6 圖〇 圖的圖圖 Μ 造 D 構 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -9- 493280 A7 _ B7 五、發明說明（7) 元件表 1〇〇 DMOS電晶體 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 0 2 閘極 1〇4 閘極 10 6 閘氧化物層 10 8 閘氧化物層 111 N —磊晶層 112 N +源極區 114 P +的接點區 1 1 8 源極接點 116 P +本體 121 閘極接點 11〇 漂移區 12 2 角落 302 P+本體的底部尖端 200 DMOS構造 21 電晶體格 2 2 0 η +基底 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 11 -摻雜磊晶層 214 本體區 2 4 0 η -摻雜磊晶層 2 0 2 槽 2 0 4 槽 2 3 0 閘氧化物層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） _ 1〇 _ 493280 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 --— _ B7____五、發明說明（8 ) 218 源極電極 2 2 1 閘電極 6 14 ρ +接點區 圖4說明槽式D Μ〇S構造2 〇 0之實施例的剖面圖 ，圖5是平面圖，其中，獨立格21在水平方向的截面是 長方形。本實施例的構造包括η +基底2 2 0，在基底上 生長輕度的η -摻雜磊晶層2 1 1。在η —摻雜的磊晶層 2 1 1中配置導電極性相反的接點與本體區2 1 4。覆於 部分本體區2 1 4上方的η -摻雜磊晶層2 4 0做爲源極 。長方形的槽2 0 2及2 0 4配置在磊晶層內，它在構造 的上表面開放，並定義電晶體格的周界。閘氧化物層 230襯於槽202及204的內壁。槽202及2〇4 內塡以複矽，即複晶矽。汲極電極連接到半導體基底 2 2 0的背表面，源極電極2 1 8連接到兩個源極區 2 4 0及接點區2 1 4，閘電極2 2 1連接到塡充於槽 2〇2中的複矽。襯於槽內的複矽連續地連接於基底 2 0 0的表面，。此外，如圖4及5所示，複砂接點2 2 1 延伸超出基底200的表面，做爲與周邊電晶體格的互連 ，如電晶體格2 1 i、2 1 2、及2 1 3。內部電晶體格， 如格2 1 4、2 1 5、及2 1 6經由槽的本身相互連接並連 接到周邊格。在圖4中，槽2 0 2與周邊格有關，槽 2 0 4與內部格有關。 (請先閱讀背面之注意事¾再填寫本頁) :·丨
I a HI an —ϋ ϋ— ϋ ϋ n 一口、馨 ΜΜ Μ··· I ΜΒΗ I MM· HW % 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） -_ 493280 A7 ___B7 五、發明說明（9) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 須注意，就基本的電晶體工作而言，電晶體格2 1並 不需要是長方形，它可以是任何的多邊形。不過，以配置 而言，正規的長方形及正規的六角形最方便。或者，不一 定需要如圖中所示之封閉-格的幾何形狀，電晶體格也可 以是開放或條形。 如前所述，習知D Μ 0 S電晶體技術所使用的深p + 接點區致使門檻電壓隨著格密度增加而增加。深的中央 Ρ +區致使裝置的接通電阻增加。不過，沒有深的ρ +接 點區，裝置的崩潰電壓會低到在很多應用中都無法接受。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 按照本發明，經由提供其內爲無作用之電晶體的周邊 電晶體格以及其內爲有源電晶體的內部電晶體格，即可做 到低門檻電壓同時不需要深的ρ +接點區。如圖4所示， 槽2 0 2與周邊電晶體格有關，同時，槽2 0 4與內部電 晶體格有關。無作用的周邊電晶體格與有源的內部電晶體 間的區別在於無作用的電晶體沒有源極。例如，如圖4所 示，與槽2 0 2有關的周邊電晶體格沒有任何源極區。此 外，與周邊電晶體格有關的Ρ +接點區2 1 4的摻雜遠低 於與內部格有關的Ρ +接點區。由於摻雜較輕，在這些周 邊格中將不會發生崩潰。更正確地說，此種配置確保在內 部格內發生崩落擊穿。因此，所發明的D Μ〇S電晶體陣 列可用於較高電壓。此外，由於不需要深的ρ +接點區， 不受歡迎的門檻電壓與接通-電阻的增加也得以避免。 圖6顯示本發明的另一特定實施例，其中，ρ +接點 區6 1 4具有雙峰的分布，而非沿著電晶體格之寬度實質 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -12- 493280 A7 ______B7____ 五、發明說明（10) 平坦的分布。在本發明的此實施例中，崩落擊穿通常發生 在標示爲6 1 0之點的附近。 雖然本文特別說明與描述了各種實施例，但須瞭解， 對本發明的各種修改與變化也包涵在上述的教導中，且在 所附申請專利範圍的範圍中，不會偏離本發明所欲的精神 與範圍。例如，本發明也一體適用於各半導體區域之導電 特性與本文描述相反的槽式D Μ〇S。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 --------訂·------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -13-

Claims (1)

  1. 493280 Α8 Β8 C8 D8 申請專利範圍 1 · 一種槽D Μ〇S電晶體構造，它包括至少3個獨 立的槽式D Μ〇S電晶體格，成形在第一導電類型的基底 上，該複數個獨立的D Μ〇S電晶體劃分成周邊電晶體格 與內部電晶體格，每一個獨立的電晶體格包括 位於基底上的本體區，該本體區具有第二導電類型； 至少一條槽延伸通過本體區與基底； 一絕緣層，襯於槽內； 一導電電極，位於槽內，覆於絕緣層上；以及 其中，每一個內部電晶體格在本體區中Η比鄰槽邊還包 括第一導電類型的源極區，但周邊電則無。 2 .如申請專利範圍第1項的電晶 實質平坦地橫過電晶體格的寬度，它於 3 .如申請專利範圍第1項的電中 一條槽延伸的深度深於本體區的深度; / 4 ·如申請專利範圍 本體區 們個別 —----------裝---- * - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) —訂------ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 每一個都具有一雙峰分布橫過電晶體格的寬度，它 地位於其中。 ，蟲 5 ·如申請專利範圍第1項的電晶¾，該周邊 ^等丨:::管^ 電晶體格之本體區的摻雜遠比內部電晶體格ίτ%/體區輕。 6 ·如申請專利範圍第1項的電晶體構造，還包括一 汲極電極，配置在基底相對於本體區的表面。 7 ·如申請專利範圍第1項的電晶體構造，其中該絕 緣層是氧化物層。 8 ·如申請專利範圍第1項的電晶體構造，其中該導 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱·） -14 - 493280 Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 電電極包括複砂。 9 ·如申請專利範圍第1 個該槽式D Μ 〇 s電晶體格的 1 0 ·如申請專利範圍第 之格的幾何形狀是長方形。 項的電晶 幾何形狀是 9項的電晶
    .如申請專利範圍第1項的電晶
    (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 中，至少 1項的電晶一步包括 周邊電晶體格的每一個導電 4項的電晶進一步包括 周邊電晶體格Mg—個導電 個該槽式D Μ 0 S電晶體格的幾何形肤最 1 2 .如申請專利範圍第 複數個複矽接點，分別連接到 電極。 1 3 ·如申請專利範圍第 複數個複矽接點，分別連接到 電極。 1 4 ·如申請專利範圍第 複數個複矽接點，分別連接到 電極。 3項的電晶 周邊電晶體格的
    個導電 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 5 · —種槽式D Μ〇S電晶體構造，它包括至少3 個獨立的槽式D Μ〇S電晶體格，成形在第一導電類型的 基底上，該複數個獨立的D Μ〇S電晶體劃分成周邊電晶 體格與內部電晶體格，每一個獨立的電晶體格包括： 位於基底上的本體區，該本體區具有第二導電類型， 其中該本體區是以雙峰分布橫過電晶體格的寬度，它們個 別地位於其中； 至少一條槽延伸通過本體區與基底； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱·） 15 493280 Α8 Β8 C8 D8 申請專利範圍 一絕緣層襯於槽 —導電電極位於 內 其中， 中毗鄰槽邊 槽內，覆於絕緣層上；以及 至少該內部電晶體格每一個還包括位於本體區 之第一導電類型的源極區。 1 6 ·如申請專 至少一條槽延伸的深 1 7 ·如申請專 格之本體 利範圍第1 5項的電晶其中，該 度深於本體區的深度。
    經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 周邊電晶體 輕° 1 8 . 括一汲極電 19. 該絕緣層是 2 0 . 該導電電極 2 1 . 少一個該槽 2 2 . 閉之格的幾 2 3 . 少一個該槽 2 4·· 括複數個複 電電極。 如申請專 極，配置 如申請專 氧化物層 如申請專 包括複矽 如申請專 式D Μ〇 如申請專 何形狀是 如申請專 式f) Μ〇 如申請專 矽接點， 利範圍第1 5項的電晶齡中，該 區的摻雜遠比內部電晶體格的本體區 利範圍第1 5項的電晶體構造，還包 在基底相對於本體區的表面。 利範圍第1 5項的電晶體構造，其中 0 利範圍第1 5項的電晶體構造，其中 0 利範圍第1 5項的電晶 S電晶體格的幾何形狀 利範圍第2 1項的電晶 長方形。 /， 利範圍第1 5項的電晶1¾¾其中，至 S電晶體格的幾何形狀的格。 利範圍第1 5項的電晶—步包 分別連接到周邊電晶體格的每一個導
    (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I裝 II---------备丨 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱’） -16- 493280 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 2 5 .如申請專利範圍第 項的電晶
    步包 括複數個複矽接點，分別連接到周邊電晶體格個導 極I电 -----------_-裝— -·* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -17 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐‘)
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