TWI521703B - 橫向擴散金氧半導體元件 - Google Patents

Description

橫向擴散金氧半導體元件

本發明係關於一種橫向擴散金氧半導體元件，尤指一種具有蕭特基二極體之橫向擴散金氧半導體元件。

橫向擴散金氧半導體(laterally diffused metal-oxide-semiconductor，LDMOS)元件是一種常見的功率半導體元件。由於橫向擴散金氧半導體元件具有水平式的結構，容易製造且易於和現行的半導體技術整合，進而減少製作成本。同時，其可以耐較高的崩潰電壓而具有高的輸出功率，因此被廣泛應用於功率轉換器(power converter)、功率放大器(power amplifier)、切換開關(switch)、整流器(rectifier)等元件。

習知橫向擴散金氧半導體元件通常是將N型汲極摻雜區與P型基體摻雜區設於N型漂移區中，並將N型源極摻雜區設於P型基體摻雜區中。並且，閘極金屬設於N型源極摻雜區與N型漂移區之間的P型基體摻雜區上，且源極金屬設於N型源極摻雜區與P型基體摻雜區上，並電性連接至電源之低壓端，而汲極金屬設於N型汲極摻雜區上，並電性連接至電源的高壓端。此外，場氧化層(field oxide，FOX)設置於N型漂移區上且位於閘極金屬與汲極金屬之間，以用於承受從高壓端傳來的高電場。由此可知，習知橫向擴散金氧半導體元件之P型基體摻雜區與N型漂移區係構成一寄生二極體。

雖然寄生二極體提供源極至汲極之反向電流路徑，來導引少數載子，但因反向電流路徑的面積與導通速度皆不大，使反向源極電流無法被快速排除，而造成習知橫向擴散金氧半導體元件在切換上的能量損耗。所以，透過寄生二極體來排除反向源極電流已不符合目前的需求。有鑑於此，提升橫向擴散金氧半導體元件之反向源極電流實為業界努力之目標。

本發明之主要目的在於提供一種橫向擴散金氧半導體元件，以提升橫向擴散金氧半導體元件之反向源極電流。

為達上述之目的，本發明提供一種橫向擴散金氧半導體元件，包括一基底、一第一摻雜區、一第二摻雜區、一第三摻雜區、一第四摻雜區、一閘極結構以及一接觸金屬。第一摻雜區設於基底中，且具有一第一導電類型。第二摻雜區設於第一摻雜區中，且具有一第二導電類型，其中第二摻雜區具有一操場跑道形(racetrack)輪廓，且第二摻雜區具有一長軸與一短軸。第三摻雜區設於第二摻雜區中，且具有第一導電類型，且第二摻雜區圍繞第三摻雜區。第四摻雜區設於第一摻雜區中，且具有第一導電類型。閘極結構設於第三摻雜區與第四摻雜區之間的第一摻雜區與第二摻雜區上。接觸金屬設於第二摻雜區沿著長軸延伸出之一側的第一摻雜區上，並與第一摻雜區相接觸。

為達上述之目的，本發明提供另一種橫向擴散金氧半導體元件，包括二蕭特基二極體以及複數個橫向擴散金氧半導體單元。蕭特基二極體彼此平行設置，且平行於一方向。橫向擴散金氧半導體單元設於蕭特基二極體之間，且橫向擴散金氧半導體單元沿著此方向排列。

本發明之橫向擴散金氧半導體元件將構成蕭特基二極體之接觸金屬設置在第二摻雜區沿著長軸延伸出之至少一側的第一摻雜區上，以有效利用不會影響電流大小之區域，並節省橫向擴散金氧半導體元件之面積。並且，本發明之橫向擴散金氧半導體元件更可藉由內建之蕭特基二極體來提升通過從源極至汲極之反向電流路徑之電流大小，進而加快導通反向源極電流之速度。

請參考第1圖至第3圖，第1圖為本發明一第一較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件之上視示意圖，其中第2圖為第1圖沿著剖面線A-A’之剖面示意圖，且第3圖為第1圖沿著剖面線B-B’之剖面示意圖。如第1圖至第3圖所示，橫向擴散金氧半導體元件100包括一基底102、一第一摻雜區104、一第二摻雜區106、一場氧化層108、一第三摻雜區110、二第四摻雜區112、一閘極結構114以及一接觸金屬116。第一摻雜區104、第三摻雜區110與第四摻雜區112具有一第一導電類型，且基底102與第二摻雜區106具有不同於第一導電類型之一第二導電類型。於本實施例中，第一導電類型與第二導電類型分別為N型與P型，但不限於此，亦可互換。並且，基底102可為矽晶圓，但不限於此。此外，基底102並不限於與第二摻雜區106具有相同導電類型，亦可不同，而與第一摻雜區104具有相同導電類型。

於本實施例中，N型第一摻雜區104設於P型基底102中，且P型第二摻雜區106設於N型第一摻雜區104中。P型第二摻雜區106具有一操場跑道形輪廓，因此P型第二摻雜區106具有一長軸106a、一短軸106b、二彼此相對之彎道部106c以及二彼此相對之直道部106d。長軸106a垂直於短軸106b，且平行於各直道部106d。彎道部106c位於長軸106a之二端，且直道部106d位於短軸106b之二端。直道部106d之其中一者之二端與各彎道部106c之一端相連接，且直道部106d之其中另一者之二端與各彎道部106c之另一端相連接，使直道部106d與彎道部106c圍繞成操場跑道形輪廓。並且，閘極結構114設於N型第一摻雜區104與P型第二摻雜區106上，且閘極結構114具有一第一開口114a，對應P型第二摻雜區106，使第一開口114a亦具有操場跑道形輪廓。閘極結構114包括一閘極導電層120與一介於閘極導電層120與P型基底102之間的閘極絕緣層122。N型第三摻雜區110設於P型第二摻雜區106中，且N型第三摻雜區110係藉由第一開口114a形成於P型第二摻雜區106中，因而亦具有操場跑道形輪廓。並且，P型第二摻雜區106與閘極結構114圍繞N型第三摻雜區110。場氧化層108設於P型基底102之上表面，且具有一第二開口108a、二第三開口108b以及二第四開口108c。其中，第二開口108a對應閘極結構114與P型第二摻雜區106之位置，而具有操場跑道形輪廓。並且，閘極結構114進一步朝P型第二摻雜區106之外側延伸至N型第一摻雜區104與場氧化層108上，使場氧化層108可用於避免位於N型第一摻雜區中之電場破壞閘極絕緣層122。各第三開口108b係為一狹長形，且分別對應各N型第四摻雜區112之位置。各第四開口108c亦為一狹長形，分別對應蕭特基二極體118之位置。由上述可知，N型第一摻雜區104可作為橫向擴散金氧半導體元件100之汲極，而電性連接至一高壓端124，P型第二摻雜區106作為橫向擴散金氧半導體元件100之基極，N型第三摻雜區110作為橫向擴散金氧半導體元件100之源極，而電性連接至一低壓端126，且閘極導電層120係作為橫向擴散金氧半導體元件100之閘極。

此外，第三開口108b分別位於P型第二摻雜區106之短軸106b的二側，因此藉由第三開口108b所形成之N型第四摻雜區112分別設於P型第二摻雜區106沿著短軸106b延伸出之二側的N型第一摻雜區104中，且各N型第四摻雜區112係為狹長形，平行於長軸106a。藉此，閘極結構114係位於N型第三摻雜區110與N型第四摻雜區112之間的P型第二摻雜區106、N型第一摻雜區104以及部分場氧化層108上。並且，本實施例之各N型第四摻雜區112在平行長軸106a之方向上的寬度W₁係大於直道部106d在平行長軸106a之方向上的寬度W₂，且各直道部106d二端沿著平行短軸106b之一方向投影在各N型第四摻雜區112之位置係位於各N型第四摻雜區112之二端之間。藉此，位於N型第一摻雜區104與N型第三摻雜區110之間且位於閘極結構114下方之P型第二摻雜區106的直道部106d係作為橫向擴散金氧半導體元件100之有效通道區。另外，N型第四摻雜區112電性連接至高壓端124，使N型第一摻雜區104可藉由N型第四摻雜區112電性連接至高壓端124。

於本發明之其他實施例中，N型第四摻雜區112在平行長軸106a之方向上之寬度W₁亦可等於直道部106d在平行長軸106a之方向上之寬度W₂，亦即在平行短軸106b之方向上，N型第四摻雜區112之二端與直道部106d之二端切齊。此外，場氧化層108亦可僅具有單一第二開口108b，且橫向擴散金氧半導體元件100僅具有單一N型第四摻雜區112。另外，N型第一摻雜區104亦可作為源極，而藉由N型第四摻雜區112電性連接至低壓端，且N型第三摻雜區110作為汲極，而電性連接至高壓端。並且，由於位於N型第一摻雜區104與N型第三摻雜區110之間的直道部106d係作為有效通道區，因此閘極結構114亦可僅設於直道部106d上，而未設於彎道部106c上。

另外，第四開口108c分別位於P型第二摻雜區106之長軸106a的二側，因此接觸金屬116可經由第四開口108c分別設於P型第二摻雜區106沿著長軸106a延伸出之二側的N型第一摻雜區104上， 並分別與N型第一摻雜區104相接觸，而形成一蕭特基二極體118，且各接觸金屬116係為狹長形，平行於短軸106b。接觸金屬116與P型第二摻雜區106之間未設置有N型第四摻雜區112。其中，各接觸金屬116作為蕭特基二極體118之陽極，且電性連接至低壓端126，以與橫向擴散金氧半導體元件100之源極電性連接。N型第一摻雜區104係作為蕭特基二極體118之陰極，且N型第一摻雜區104亦為橫向擴散金氧半導體元件100之汲極，使得蕭特基二極體118之陰極可與橫向擴散金氧半導體元件100之汲極電性連接。藉此，本實施例之橫向擴散金氧半導體元件100可藉由內建之額外蕭特基二極體118來提升通過從源極至汲極之反向電流路徑之電流大小，進而加快導通反向源極電流之速度。並且，狹長形接觸金屬116之長度係根據有效通道區之寬度或橫向擴散金氧半導體元件100之導通電流大小來決定。於本發明之其他實施例中，場氧化層108亦可僅具有單一第四開口108c，且橫向擴散金氧半導體元件100僅具有單一接觸金屬116。並且，接觸金屬116可位於P型第二摻雜區106沿著長軸106a延伸出之一側的N型第一摻雜區104上。或者，場氧化層108亦可具有複數個第四開口108c，位於P型第二摻雜區106同一側，且橫向擴散金氧半導體元件100具有複數個接觸金屬116，位於P型第二摻雜區106同一側，並分別平行於短軸106b。並且，接觸金屬116沿著平行短軸106b之方向依序排列。

於本實施例中，橫向擴散金氧半導體元件100另包括二P型第五摻雜區128、複數個P型第六摻雜區130以及一護環(guard ring)132。 各P型第五摻雜區128分別設於各接觸金屬116下之N型第一摻雜區104中，並分別與各接觸金屬116相接觸，以降低各接觸金屬116與N型第一摻雜區104之接觸電阻，並提升各蕭特基二極體118之導通電流。P型第六摻雜區130設於N型第三摻雜區110中，並貫穿N型第三摻雜區110而與P型第二摻雜區106相接觸。各P型第六摻雜區130有助於降低設於N型第三摻雜區110上之源極金屬134與N型第三摻雜區110之接觸電阻。並且，P型第六摻雜區130係沿著長軸106a依序排列，但本發明並不限於此排列方式。護環132係為一P型摻雜區，設於P型基底102中，且圍繞N型第一摻雜區104，以用於避免N型第一摻雜區104中之電場對外界元件之影響。

值得注意的是，本實施例之橫向擴散金氧半導體元件100係將接觸金屬116分別設於P型第二摻雜區106沿著長軸106a之二端延伸出之二側的N型第一摻雜區104上，使所形成之各蕭特基二極體118分別位於P型第二摻雜區106之各彎道部106c之外側。藉此，由於橫向擴散金氧半導體元件100之電流大小係由作為有效通道區並位於N型第一摻雜區104與N型第三摻雜區110之間的直道部106d來決定，且介於N型第一摻雜區104與N型第三摻雜區110之間的彎道部106c並未影響橫向擴散金氧半導體元件100之電流大小，因此本實施例之橫向擴散金氧半導體元件100可有效利用護環132中不會影響電流大小之區域來設置蕭特基二極體118，以節省元件之面積，且橫向擴散金氧半導體元件100更可藉由內建之蕭特基二極 體118來提升通過從源極至汲極之反向電流路徑之電流大小，進而加快導通反向源極電流之速度。

本發明之橫向擴散金氧半導體元件並不以上述實施例為限。下文將繼續揭示本發明之其它實施例或變化形，然為了簡化說明並突顯各實施例或變化形之間的差異，下文中使用相同標號標注相同元件，並不再對重覆部分作贅述。

請參考第4圖，第4圖為本發明一第二較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件之上視示意圖。如第4圖所示，相較於第一實施例，本實施例之橫向擴散金氧半導體元件200之各接觸金屬116具有二延伸部202，分別朝P型第二摻雜區106沿著短軸106b延伸出之二側延伸出，亦即朝各N型第四摻雜區112延伸，但未與N型第四摻雜區112相接觸。並且，位於接觸金屬116下之P型第五摻雜區128亦朝P型第二摻雜區106沿著短軸106b延伸出之二側延伸出。本發明並不限各接觸金屬皆具有延伸部以及各接觸金屬具有二延伸部，本發明之接觸金屬之至少一者可具有至少一延伸部。

此外，本發明之橫向擴散金氧半導體元件並不限僅具有單一N型第三摻雜區、單一P型第二摻雜區與單一閘極結構。請參考第5圖，第5圖為本發明一第三較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件之上視示意圖。如第5圖所示，相較於第一實施例，本實施例之橫向擴散金氧半導體元件300包括複數個P型第二摻雜區106、複數 個N型第三摻雜區110、複數個閘極結構114以及複數個N型第四摻雜區112。其中，各P型第二摻雜區106、各N型第三摻雜區110、各閘極結構114以及N型第一摻雜區104構成一橫向擴散金氧半導體單元302。並且，由各接觸金屬116與N型第一摻雜區104接觸所構成之蕭特基二極體118可沿著平行於各P型第二摻雜區106之短軸106b之一方向延伸，且其延伸長度可依據橫向擴散金氧半導體元件300之導通電流大小來決定。各蕭特基二極體118係彼此平行設置，且平行於短軸106b，使橫向擴散金氧半導體單元302設於蕭特基二極體118之間。此外，N型第四摻雜區112設於各橫向擴散金氧半導體單元302之二側，且二相鄰之橫向擴散金氧半導體單元302係共用同一N型第四摻雜區112，使各N型第四摻雜區112與各橫向擴散金氧半導體單元302依序沿著平行短軸106b之方向交替排列。再者，護環132係圍繞蕭特基二極體118、橫向擴散金氧半導體單元302以及N型第四摻雜區112。

綜上所述，本發明之橫向擴散金氧半導體元件將構成蕭特基二極體之至少一接觸金屬設置在P型第二摻雜區沿著長軸延伸出之至少一側的N型第一摻雜區上，以有效利用護環中不會影響電流大小之區域，並節省橫向擴散金氧半導體元件之面積。並且，本發明之橫向擴散金氧半導體元件更可藉由內建之蕭特基二極體來提升通過從源極至汲極之反向電流路徑之電流大小，進而加快導通反向源極電流之速度。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧橫向擴散金氧半導體元件

102‧‧‧基底

104‧‧‧第一摻雜區

106‧‧‧第二摻雜區

106a‧‧‧長軸

106b‧‧‧短軸

106c‧‧‧彎道部

106d‧‧‧直道部

108‧‧‧場氧化層

108a‧‧‧第二開口

108b‧‧‧第三開口

108c‧‧‧第四開口

110‧‧‧第三摻雜區

112‧‧‧第四摻雜區

114‧‧‧閘極結構

114a‧‧‧第一開口

116‧‧‧接觸金屬

118‧‧‧蕭特基二極體

120‧‧‧閘極導電層

122‧‧‧閘極絕緣層

124‧‧‧高壓端

126‧‧‧低壓端

128‧‧‧第五摻雜區

130‧‧‧第六摻雜區

132‧‧‧護環

200‧‧‧橫向擴散金氧半導體元件

202‧‧‧延伸部

300‧‧‧橫向擴散金氧半導體元件

302‧‧‧橫向擴散金氧半導體單元

第1圖為本發明一第一較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件之上視示意圖。

第2圖為第1圖沿著剖面線A-A’之剖面示意圖。

第3圖為第1圖沿著剖面線B-B’之剖面示意圖。

第4圖為本發明一第二較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件之上視示意圖。

第5圖為本發明一第三較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件之上視示意圖。

100．．．橫向擴散金氧半導體元件

102．．．基底

106．．．第二摻雜區

106a．．．長軸

106b．．．短軸

106c．．．彎道部

106d．．．直道部

108．．．場氧化層

108a．．．第二開口

108b．．．第三開口

108c．．．第四開口

110．．．第三摻雜區

112．．．第四摻雜區

114．．．閘極結構

114a．．．第一開口

116．．．接觸金屬

118．．．蕭特基二極體

128．．．第五摻雜區

130．．．第六摻雜區

132．．．護環

Claims (14)

1. 一種橫向擴散金氧半導體元件，包括：一基底；一第一摻雜區，設於該基底中，且具有一第一導電類型；一第二摻雜區，設於該第一摻雜區中，且具有一第二導電類型，其中該第二摻雜區具有一操場跑道形(racetrack)輪廓，且該第二摻雜區具有一長軸與一短軸；一第三摻雜區，設於該第二摻雜區中，且具有該第一導電類型；一第四摻雜區，設於該第一摻雜區中，且具有該第一導電類型；一閘極結構，設於該第三摻雜區與該第四摻雜區之間的該第一摻雜區與該第二摻雜區上；以及一接觸金屬，設於該第二摻雜區沿著該長軸延伸出之一側的該第一摻雜區上，並與該第一摻雜區相接觸，其中該接觸金屬電性連接至該第三摻雜區。
2. 如請求項1所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第四摻雜區位於該第二摻雜區沿著該短軸延伸出之一側之該第一摻雜區中。
3. 如請求項2所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第二摻雜區具有一直道部，位於該短軸之一端，且該第四摻雜區在平行該長軸之一方向上之寬度大於或等於該直道部在該方向上之寬度。
4. 如請求項2所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第三摻雜區電性連接至一低壓端，且該第四摻雜區電性連接至一高壓端。
5. 如請求項1所述之橫向擴散金氧半導體元件，另包括一第五摻雜區，設於該接觸金屬下之該第一摻雜區中，並與該接觸金屬相接觸，其中該第五摻雜區具有該第二導電類型。
6. 如請求項1所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該接觸金屬具有至少一延伸部，朝該第二摻雜區沿著該短軸延伸出之一側延伸出。
7. 如請求項1所述之橫向擴散金氧半導體元件，另包括複數個第六摻雜區，設於該第三摻雜區中，並貫穿該第三摻雜區而與該第二摻雜區相接觸，且該等第六摻雜區具有該第二導電類型。
8. 如請求項1所述之橫向擴散金氧半導體元件，另包括一護環，設於該基底中，並圍繞該第一摻雜區。
9. 如請求項1所述之橫向擴散金氧半導體元件，另包括另一接觸金屬，設於該第二摻雜區沿著該長軸延伸出之另一側的該第一摻雜區上，並與該第一摻雜區相接觸。
10. 如請求項1所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該閘極結構圍 繞該第三摻雜區。
11. 如請求項1所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該接觸金屬與該第二摻雜區之間未設置有該第四摻雜區。
12. 一種橫向擴散金氧半導體元件，包括：二蕭特基二極體，彼此平行設置，且平行於一方向，其中各該蕭特基二極體包括一狹長形接觸金屬，沿著該方向延伸；以及複數個橫向擴散金氧半導體單元，設於該等蕭特基二極體之間，且該等橫向擴散金氧半導體單元沿著該方向排列。
13. 如請求項12所述之橫向擴散金氧半導體元件，另包括一護環，圍繞該等蕭特基二極體與該等橫向擴散金氧半導體單元。
14. 如請求項12所述之橫向擴散金氧半導體元件，另包括複數個摻雜區，且各該摻雜區與各該橫向擴散金氧半導體單元依序沿著該方向交替排列。