TWM576340U - 功率電晶體裝置 - Google Patents

Abstract

一種功率電晶體裝置包括：基底、多個主動溝槽、多個第一閘極接觸結構、N個第二閘極接觸結構以及M個第三閘極接觸結構。基底定義有主動區與終端區。終端區環繞主動區。主動溝槽配置在基底中。各主動溝槽中分別設置有第一閘極、第二閘極以及絕緣層。絕緣層配置在第一閘極與第二閘極之間。第一閘極接觸結構配置在終端區中。N個第二閘極接觸結構配置在終端區中。第一閘極接觸結構位於第二閘極接觸結構與主動區之間。M個第三閘極接觸結構配置在主動區，其中N大於M。

Description

功率電晶體裝置

本新型創作是有關於一種半導體裝置，且特別是有關於一種功率電晶體裝置。

功率電晶體裝置是一種廣泛使用在類比電路的半導體裝置。由於功率電晶體裝置具有低導通電阻與快切換速度，因此，功率電晶體裝置可應用在電源切換（Power switch）電路上，使得電源管理技術（power management techniques）更有效率。

隨著科技進步，現今功率電晶體裝置越來越高頻，因此，對於切換速度的要求也越來越高。在此趨勢下，提高切換速度以降低功率損耗將成為此領域人員致力研究的課題。

本新型創作提供一種功率電晶體裝置，其可在不影響導通電阻（R _on）的情況下，改善功率電晶體裝置關斷的切換效率。

本新型創作提供一種功率電晶體裝置包括：基底、多個主動溝槽、多個第一閘極接觸結構、N個第二閘極接觸結構以及M個第三閘極接觸結構。基底定義有主動區與終端區。終端區環繞主動區。主動溝槽配置在基底中。各主動溝槽中分別設置有第一閘極、第二閘極以及絕緣層。絕緣層配置在第一閘極與第二閘極之間。第一閘極接觸結構配置在終端區中。N個第二閘極接觸結構配置在終端區中。第一閘極接觸結構位於第二閘極接觸結構與主動區之間。M個第三閘極接觸結構配置在主動區，其中N大於M。

在本新型創作的一實施例中，第二閘極接觸結構的面積總合大於第三閘極接觸結構的面積總合。

在本新型創作的一實施例中，上述的功率電晶體結構更包括：介電層、第一金屬層、第二金屬層以及第三金屬層。介電層配置在基底上。第一金屬層配置在介電層上，且第一閘極接觸結構貫穿介電層，以分別電性連接第一金屬層與第二閘極。第二金屬層配置在介電層上，且第二閘極接觸結構貫穿介電層，以分別電性連接第二金屬層與第一閘極。第三金屬層配置在介電層上，且第三閘極接觸結構貫穿介電層，以分別電性連接第三金屬層與第一閘極。第一金屬層位於第二金屬層與第三金屬層之間並與第二金屬層與第三金屬層分離。

在本新型創作的一實施例中，第二閘極接觸結構與第二金屬層之間的接觸面積大於第三閘極接觸結構與第三金屬層之間的接觸面積。

在本新型創作的一實施例中，第二金屬層與第三金屬層為等電位。

在本新型創作的一實施例中，第三閘極接觸結構位於第三金屬層的正下方且與第三金屬層重疊，第二閘極接觸結構位於第二金屬層的正下方且與第二金屬層重疊。

在本新型創作的一實施例中，第二閘極接觸結構彼此連接以形成連續接觸結構。

在本新型創作的一實施例中，連續接觸結構沿著第一方向延伸，主動溝槽沿著第二方向延伸，第一方向與第二方向彼此垂直。

在本新型創作的一實施例中，主動溝槽與位於終端區的終端溝槽相連，且第一導體層更延伸至終端溝槽中。

在本新型創作的一實施例中，上述的功率電晶體結構更包括第四閘極接觸結構位於終端溝槽的正上方，以電性連接第二金屬層與第一導體層。

基於上述，本新型創作將第三閘極接觸結構的數量調整為小於第二閘極接觸結構的數量，使得電流路徑變長，藉此增加第一閘極（或底部閘極）的阻抗（R _BG），進而縮短功率電晶體裝置關斷的切換效率。

為讓本新型創作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。

參照本實施例之圖式以更全面地闡述本新型創作。然而，本新型創作亦可以各種不同的形式體現，而不應限於本文中所述之實施例。圖式中的層與區域的厚度會為了清楚起見而放大。相同或相似之標號表示相同或相似之元件，以下段落將不再一一贅述。

圖1是本新型創作的第一實施例的一種功率電晶體裝置的上視示意圖。圖2A至圖2E分別是圖1的線A-A’、線B-B’、線C-C’、線D-D’以及線E-E’的剖面示意圖。

請參照圖1、圖2A至圖2E，本新型創作的第一實施例的功率電晶體裝置1包括基底100、多個主動溝槽10、終端溝槽20、介電層118、第一金屬層210、第二金屬層220、第三金屬層230、多個第一閘極接觸結構212、多個第二閘極接觸結構222以及多個第三閘極接觸結構232。具體來說，基底100定義有主動區R1與終端區R2。終端區R2環繞主動區R1，以防止電壓崩潰的現象發生。基底100例如是半導體基底或是半導體化合物基底。在本實施例中，基底100是矽基底。

如圖1所示，基底100具有多個主動溝槽10。主動溝槽10沿第一方向D1排列且沿第二方向D2延伸。在一實施例中，主動溝槽10是以等距離的方式排列，而互相分離。在替代實施例中，主動溝槽10的至少一端面實質上是對齊的。

另外，終端區R2的基底100中具有終端溝槽20。如圖1所示，終端溝槽20沿第一方向D1延伸，且環繞主動區R1中的主動溝槽10，以形成封閉式的環形溝槽。終端溝槽20與主動溝槽10彼此分離，而不相連。第一方向D1與第二方向D2相交。在一實施例中，第一方向D1垂直於第二方向D2。雖然圖1僅繪示出1個終端溝槽20，但本新型創作不以此為限。在其他實施例中，終端溝槽20的數量可依需求來調整，其可以是2個、3個或更多個終端溝槽。

從剖面角度來看，如圖2A至圖2C所示，主動溝槽10配置在主動區R1的基底100中，並從主動區R1延伸至終端區R2。具體來說，主動溝槽10設置有第一閘極112、第二閘極116以及絕緣層114。絕緣層114包括第一絕緣層114a與第二絕緣層114b。第一絕緣層114a配置在第一閘極112與基底100之間，以電性隔離第一閘極112與基底100。第二絕緣層114b配置在第一閘極112與第二閘極116之間，以電性隔離第一閘極112與第二閘極116。在本實施例中，第一閘極112可視為底部閘極或遮蔽閘極；第二閘極116可視為頂部閘極或主動閘極；第二絕緣層114b則可視為第一閘極112與第二閘極116之間的閘間絕緣層。在一實施例中，第一閘極112與第二閘極116的材料例如是摻雜多晶矽，而絕緣層114的材料例如是氧化矽。

另一方面，終端溝槽20配置在終端區R2的基底100中。具體來說，如圖2A至圖2C所示，終端溝槽20設置有電極結構122以及絕緣層124。絕緣層124包覆電極結構122的底面與側壁，使得電極結構124與基底100電性隔離。在一實施例中，電極結構122的材料包括導體材料，例如是摻雜多晶矽。絕緣層124的材料包括氧化矽。

如圖2A所示，介電層118配置在基底100的頂面上，以覆蓋主動溝槽10中的第一閘極112、第二閘極116以及絕緣層114與終端溝槽20中的電極結構122與絕緣層124。在一實施例中，介電層118的材料包括氧化矽。

第一金屬層210、第二金屬層220以及第三金屬層230皆配置在介電層118上。在一實施例中，第一金屬層210、第二金屬層220以及第三金屬層230的材料可分別是鋁、銅或其合金。在其他實施例中，第一金屬層210、第二金屬層220以及第三金屬層230的材料可彼此相同或不同。如上視圖1所示，第一金屬層210、第二金屬層220以及第三金屬層230沿著第一方向D1延伸，以橫跨主動區R1與終端區R2。在第二方向D2上，第一金屬層210位於第二金屬層220與第三金屬層230之間並與第二金屬層220與第三金屬層230分離。

多個第一閘極接觸結構212分別配置在終端區R2中。在替代實施例中，第一閘極接觸結構212分別位於第一金屬層210的正下方且與第一金屬層210重疊。多個第二閘極接觸結構222配置在終端區R2中。在替代實施例中，第二閘極接觸結構222分別位於第二金屬層220的正下方且與第二金屬層220重疊。第一閘極接觸結構212位於第二閘極接觸結構222與主動區R1之間。多個第三閘極接觸結構232配置在主動區R1中。在替代實施例中，在替代實施例中，第三閘極接觸結構232分別位於第三金屬層230的正下方且與第三金屬層230重疊。

在剖面圖2A中，第一閘極接觸結構212貫穿介電層118，以分別電性連接第一金屬層210與第二閘極116。第二閘極接觸結構222貫穿介電層118，以分別電性連接第二金屬層220與第一閘極112。第三閘極接觸結構232貫穿介電層118，以分別電性連接第三金屬層230與第一閘極112。如圖2A所示，第二金屬層220藉由第二閘極接觸結構222、第一閘極112以及第三閘極接觸結構232電性連接至第三金屬層230。也就是說，第二金屬層220與第三金屬層230可視為等電位。在一實施例中，第一閘極接觸結構212、第二閘極接觸結構222以及第三閘極接觸結構232的材料分別包括導體材料，其可以是金屬，例如鋁、銅、鎢或其組合。

當第三閘極接觸結構232的數量為M個，第二閘極接觸結構222的數量為N個。在一實施例中，N大於M。也就是說，第三閘極接觸結構232的數量小於第二閘極接觸結構222的數量。在替代實施例中，第二閘極接觸結構222的面積總合大於第三閘極接觸結構232的面積總合。在其他實施例中，第二閘極接觸結構222與第二金屬層220之間的接觸面積大於第三閘極接觸結構232與第三金屬層230之間的接觸面積。

如此一來，在運作時，電流從第三金屬層230（其可視為源極金屬）透過M個第三閘極接觸結構232流入其對應的主動溝槽10a、10b中的第一閘極112，流經第二閘極接觸結構222至第二金屬層220（其可視為源極匯流排）之後，再經由主動溝槽10a、10b以外的主動溝槽10上的第二閘極接觸結構222流入第一閘極112。換言之，本新型創作可藉由減少第三閘極接觸結構232的數量，使得電流路徑變長，藉此增加第一閘極（或底部閘極）的阻抗（R _BG），進而縮短功率電晶體裝置1關斷的切換效率。特別是在降壓式轉換器（BUCK converter）的系統中，本新型創作之功率電晶體裝置1可避免因關斷切換時間太長所導致的擊穿（shoot through）狀況發生。於此，所謂的擊穿是指高側開關（high side switch）與低側開關（low side switch）同時導通。

此外，本新型創作的功率電晶體裝置1更包括摻雜區102與接觸結構234、236。如圖2C至圖2E所示，摻雜區102環繞主動溝槽10的上部。在一實施例中，摻雜區102可例如是N型重摻雜區。在另一實施例中，摻雜區102可用以作為源極。如圖2C所示，接觸結構234貫穿介電層118，以分別電性連接第三金屬層230與摻雜區102。接觸結構236貫穿介電層118，以電性連接第三金屬層230與電極結構122。在一實施例中，接觸結構234、236的材料分別包括導體材料，其可以是金屬，例如鋁、銅、鎢或其組合。

圖3是本新型創作的第二實施例的一種功率電晶體裝置的上視示意圖。

請參照圖3，第二實施例的功率電晶體裝置2與第一實施例的功率電晶體裝置1相似。相似或相同的構件以相似或相同的標號來表示，且其材料與配置已於上述段落說明過，於此便不再贅述。上述兩者不同之處在於：將圖1的第二閘極接觸結構222彼此連接以形成圖3的具有連續接觸結構的第二閘極接觸結構322。第二閘極接觸結構322沿著第一方向D1延伸。

圖4是本新型創作的第三實施例的一種功率電晶體裝置的上視示意圖。

請參照圖4，第三實施例的功率電晶體裝置3與第一實施例的功率電晶體裝置1相似。相似或相同的構件以相似或相同的標號來表示，且其材料與配置已於上述段落說明過，於此便不再贅述。上述兩者不同之處在於：功率電晶體裝置3的主動溝槽10與終端溝槽20相連，且第一導體層112更延伸至終端溝槽20中（未繪示）。另外，功率電晶體裝置3更包括第四閘極接觸結構422位於終端溝槽20的正上方，以電性連接第二金屬層420與第一導體層112。

在替代實施例中，功率電晶體裝置3的第二閘極接觸結構222亦可彼此連接以形成連續接觸結構（未繪示）。

綜上所述，本新型創作將第三閘極接觸結構的數量調整為小於第二閘極接觸結構的數量，使得電流路徑變長，藉此增加第一閘極（或底部閘極）的阻抗（R _BG），進而縮短功率電晶體裝置關斷的切換效率。

雖然本新型創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型創作的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本新型創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1、2、3‧‧‧功率電晶體裝置

10、10a、10b‧‧‧主動溝槽

20‧‧‧終端溝槽

100‧‧‧基底

102‧‧‧摻雜區

112‧‧‧第一閘極

114‧‧‧絕緣層

114a‧‧‧第一絕緣層

114b‧‧‧第二絕緣層

116‧‧‧第二閘極

118‧‧‧介電層

122‧‧‧電極結構

124‧‧‧絕緣層

210‧‧‧第一金屬層

212‧‧‧第一閘極接觸結構

220、420‧‧‧第二金屬層

222、322‧‧‧第二閘極接觸結構

234、236‧‧‧接觸結構

230‧‧‧第三金屬層

232‧‧‧第三閘極接觸結構

422‧‧‧第四閘極接觸結構

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

R1‧‧‧主動區

R2‧‧‧終端區

圖1是本新型創作的第一實施例的一種功率電晶體裝置的上視示意圖。 圖2A至圖2E分別是圖1的線A-A’、線B-B’、線C-C’、線D-D’以及線E-E’的剖面示意圖。 圖3是本新型創作的第二實施例的一種功率電晶體裝置的上視示意圖。 圖4是本新型創作的第三實施例的一種功率電晶體裝置的上視示意圖。

Claims (10)

1. 一種功率電晶體裝置，包括： 基底，定義有主動區與終端區，所述終端區環繞所述主動區； 多個主動溝槽，配置在所述基底中，且各所述主動溝槽中分別設置有第一閘極、第二閘極以及絕緣層，所述絕緣層配置在所述第一閘極與所述第二閘極之間； 多個第一閘極接觸結構，配置在所述終端區中； N個第二閘極接觸結構，配置在所述終端區中，其中所述第一閘極接觸結構位於所述第二閘極接觸結構與所述主動區之間；以及 M個第三閘極接觸結構，配置在所述主動區中，其中N大於M。
2. 如申請專利範圍第1項所述的功率電晶體裝置，其中所述第二閘極接觸結構的面積總合大於所述第三閘極接觸結構的面積總合。
3. 如申請專利範圍第1項所述的功率電晶體裝置，更包括： 介電層，配置在所述基底上； 第一金屬層，配置在所述介電層上，且所述第一閘極接觸結構貫穿所述介電層，以分別電性連接所述第一金屬層與所述第二閘極； 第二金屬層，配置在所述介電層上，且所述第二閘極接觸結構貫穿所述介電層，以分別電性連接所述第二金屬層與所述第一閘極；以及 第三金屬層，配置在所述介電層上，且所述第三閘極接觸結構貫穿所述介電層，以分別電性連接所述第三金屬層與所述第一閘極， 其中所述第一金屬層位於所述第二金屬層與所述第三金屬層之間並與所述第二金屬層與所述第三金屬層分離。
4. 如申請專利範圍第3項所述的功率電晶體裝置，其中所述第二閘極接觸結構與所述第二金屬層之間的接觸面積大於所述第三閘極接觸結構與所述第三金屬層之間的接觸面積。
5. 如申請專利範圍第1項所述的功率電晶體裝置，其中所述第二金屬層與所述第三金屬層為等電位。
6. 如申請專利範圍第1項所述的功率電晶體裝置，其中所述第三閘極接觸結構位於所述第三金屬層的正下方且與所述第三金屬層重疊，所述第二閘極接觸結構位於所述第二金屬層的正下方且與所述第二金屬層重疊。
7. 如申請專利範圍第1項所述的功率電晶體裝置，其中所述第二閘極接觸結構彼此連接以形成連續接觸結構。
8. 如申請專利範圍第7項所述的功率電晶體裝置，其中所述連續接觸結構沿著第一方向延伸，所述主動溝槽沿著第二方向延伸，所述第一方向與所述第二方向彼此垂直。
9. 如申請專利範圍第1項所述的功率電晶體裝置，其中所述主動溝槽與位於所述終端區的終端溝槽相連，且所述第一閘極更延伸至所述終端溝槽中。
10. 如申請專利範圍第9項所述的功率電晶體裝置，更包括第四閘極接觸結構位於所述終端溝槽的正上方，以電性連接所述第二金屬層與所述第一閘極。