功率开关元件的制作方法

文档序号:10625856
功率开关元件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种功率开关元件,包括晶体管和静电放电保护电路;所述晶体管包括源极、漏极与栅极,其中源极与漏极之间具有井区;而静电放电保护电路的一端耦接至栅极,另一端耦接至井区,以在栅极与源极之间以及在栅极与漏极之间同时形成保护电路。
【专利说明】
功率开关元件
技术领域
[0001]本发明是有关于一种功率半导体元件,且特别是有关于一种具有静电放电保护电路(ESD protective circuit)的功率开关元件。【背景技术】
[0002]功率开关元件有沟槽式(Trench)功率元件与平面式功率元件,由于沟槽式功率元件能获得较大的通道(Channel)宽度,并能藉此大幅降低通道阻抗,所以目前沟槽式功率开关元件较受到瞩目。
[0003]请参照图1,图1是现有的一种功率开关元件的电路图,图左是N型金属氧化物半导体(N-Mental-〇xide-Semiconductor,简称NM0S)的等效电路、图右是P型金属氧化物半导体(P-Mental-〇xide-Semiconductor,简称PM0S)的等效电路。功率开关元件10包括栅极G、源极S与漏极D。其中,为避免静电放电(ESD)破坏栅氧化层,可在其中设置ESD保护电路。目前常见的功率开关元件是采用平面式或沟槽式晶体管的形式,其源极与漏极分别位于晶片的两面,由于搭配晶面的栅极。所以ESD保护电路一般是设置在源极所在的晶面之上,而ESD保护电路的线路在连接上是分别耦接至栅极与源极。
[0004]因此,在图1中的ESD保护电路仅能设置在栅极G与源极S之间。但是,对于位于晶背的漏极,若要连接ESD保护电路,则需将ESD保护元件以较为复杂的处理连接至晶背的漏极,且仅针对其中之一作ESD保护。
【发明内容】

[0005]本发明提供一种功率开关元件,具有能同时对栅极/源极以及栅极/漏极之间形成ESD保护电路。
[0006]本发明的功率开关元件,包括晶体管和静电放电保护电路;晶体管包括源极、漏极与栅极,其中源极与漏极之间具有井区;而静电放电保护电路的一端耦接至上述栅极,另一端耦接至上述井区,以在栅极与源极之间形成保护电路并且在栅极与漏极之间形成保护电路。
[0007]在本发明的一实施例中,上述静电放电保护电路包括电阻(resistor)、二极管 (d1de)、双载子元件(Bipolar)或娃控整流器元件(SCR)。
[0008]在本发明的一实施例中,上述功率开关元件还包括一边缘终端区(edge terminal area),围绕晶体管。
[0009]在本发明的一实施例中,上述静电放电保护电路是设置于晶体管与边缘终端区之间。
[0010]在本发明的一实施例中,上述源极可与井区耦接、或者源极与井区不耦接。
[0011]在本发明的一实施例中,上述晶体管包括平面式或沟槽式晶体管。
[0012]本发明另提供一种功率开关元件,无须通过复杂处理即可同时对栅极/源极以及栅极/漏极之间进行ESD保护。
[0013]本发明的另一功率开关元件,包括基体、栅极和静电放电保护元件;基体包括第一掺杂区、第二掺杂区与第三掺杂区,其中第一掺杂区构成漏极、第二掺杂区构成源极、位于第一掺杂区与第二掺杂区之间的第三掺杂区构成井区。而源极是位于栅极两侧,其中栅极包括栅极导体与介于栅极导体与基体之间的栅极绝缘层。静电放电保护元件则是位于基体上,其一端耦接至栅极、另一端耦接至井区,以在栅极与源极之间以及在栅极与漏极之间同时形成保护电路。
[0014]在本发明的另一实施例中,上述的静电放电保护元件包括电阻(resistor)、二极管(d1de)、双载子元件(Bipolar)或娃控整流器元件(SCR)。
[0015]在本发明的另一实施例中,上述功率开关元件还包括边缘终端区围绕着上述井区。
[0016]在本发明的另一实施例中,上述静电放电保护元件设置于上述井区与边缘终端区之间。
[0017]在本发明的另一实施例中,上述功率开关元件还包括源极金属结构,电性连接上述源极。
[0018]在本发明的另一实施例中,上述源极金属结构还可贯穿源极并与井区电性连接。
[0019]在本发明的另一实施例中,栅极包括平面式栅极或沟槽式栅极。
[0020]在本发明的另一实施例中,上述沟槽式栅极是位于贯穿第二与第三掺杂区并与第一掺杂区接触的沟槽内,而上述栅极绝缘层是介于栅极导体与上述沟槽之间。
[0021]基于上述,本发明的静电放电保护电路因为是从栅极连接至源极与漏极之间的井区,因此在静电放电时,可通过此一静电放电保护电路到达井区,再向源极和/或漏极释放。
[0022]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合附图作详细说明如下。【附图说明】
[0023]图1是现有的一种功率开关兀件的电路图;
[0024]图2是依照本发明的第一实施例的一种功率开关元件的电路图;
[0025]图3是依照本发明的第二实施例的一种功率开关元件的结构示意图;
[0026]图4是图3的功率开关元件的又一变形例的结构示意图;
[0027]图5是图4的功率开关元件的电路图;
[0028]图6是图3的功率开关元件的再一变形例的结构示意图。
[0029]附图标记说明:
[0030]10、20、50:功率开关元件;
[0031]300、302、304:掺杂区;
[0032]306:静电放电保护元件;
[0033]308:井区导体结构;
[0034]310a、310b、600a:栅极导体;
[0035]312a:绝缘层;
[0036]312b、600b:栅极绝缘层;
[0037]314:源极金属结构;
[0038]316:栅极金属结构;
[0039]318:切断部位;
[0040]320:介电层;
[0041]400:导电插塞;
[0042]D:漏极;
[0043]G:栅极;
[0044]S:源极。【具体实施方式】
[0045]图2是依照本发明的第一实施例的一种功率开关元件的电路图,图左是NM0S的等效电路、图右是PM0S的等效电路。
[0046]请参照图2,第一实施例的功率开关元件20包括晶体管和静电放电(ESD)保护电路。晶体管包括源极S、漏极D与栅极G,其中源极S与漏极D之间具有井区。而静电放电保护电路的一端耦接至栅极G,另一端耦接至井区,以在栅极G与源极S之间形成保护电路并且在栅极G与漏极D之间形成保护电路。此时源极S与井区不耦接。仔细一点来说,若栅极G与源极S之间发生静电放电时,静电可通过ESD保护电路到达井区,再向源极S释放; 而若栅极G与漏极D发生静电放电时,静电同样可以通过ESD保护电路到达井区,再向漏极 D释放。因此,本实施例的ESD保护电路能同时对栅极/源极和栅极/漏极的栅极绝缘层做 ESD保护。在本实施例中,静电放电保护电路例如电阻(resistor)、二极管(d1de)、双载子元件(Bipolar)、娃控整流器元件(SCR)或其他具有ESD保护功能的结构或元件。至于本实施例的晶体管可以是平面式晶体管或者沟槽式晶体管。此外,功率开关元件20 —般还包括边缘终端区,围绕晶体管。而上述静电放电保护电路可设置于晶体管与边缘终端区之间。
[0047]图3是依照本发明的第二实施例的一种功率开关元件的结构示意图。
[0048]请参照图3,第二实施例的功率开关元件实际上反映了上一实施例的电路,其包括由第一掺杂区300、第二掺杂区302与第三掺杂区304所构成的基体、静电放电保护元件 306和栅极。其中,第一掺杂区300作为漏极、第二掺杂区302作为源极、位于第一掺杂区 300与第二掺杂区3〇2之间的第三掺杂区304作为井区。而栅极例如是沟槽式栅极,其例如具有栅极导体310b与介于栅极导体310b与沟槽之间的栅极绝缘层312b,其中上述沟槽贯穿第二掺杂区302与第三掺杂区304并与第一掺杂区300接触。静电放电保护元件306 则是位于基体上(即与第二掺杂区302位于同一表面),且静电放电保护元件306的一端可通过井区导体结构308耦接至第三掺杂区304 (井区),静电放电保护元件306的另一端可通过栅极导体310a耦接至栅极导体310b,其中栅极导体310a与第一掺杂区300 (漏极) 之间有绝缘层312a隔离,而栅极导体310a与310b譬如是多晶硅或金属所构成的结构,当然本发明并不限于此。
[0049]通过图3的结构,可在沟槽式栅极与源极之间以及在沟槽式栅极与漏极之间同时形成保护电路。上述静电放电保护元件306例如p-n-p-n的娃控整流器元件(SCR),但本发明并不限于此,本实施例的静电放电保护元件还可以是电阻(resistor)、二极管(d1de)、 双载子元件(Bipolar)等。另外,第二实施例的功率开关元件还可包括边缘终端区(未示出),围绕着上述第三掺杂区304(井区),而静电放电保护元件306可设置于第三掺杂区 304(井区)与所述边缘终端区之间,即不影响元件主要设计,还能尽快释放静电放电。
[0050]在图3中,第二掺杂区302(源极)可利用源极金属结构314进行电性连接。而且源极金属结构314与井区导体结构308可以是通过同一道光罩处理所形成的线路,只要在其间形成切断部位318,就能使井区导体结构308只连接静电放电保护元件306与第三掺杂区304 (井区),而源极金属结构314只连接第二掺杂区302 (源极)。另外,随着源极金属结构314与井区导体结构308的形成,也可同时在栅极导体310a上再形成栅极金属结构316,故不需要额外的处理。在本实施例中,第一掺杂区300例如第一导电型磊晶层(如 N-磊晶)、第二掺杂区302例如第一导电型源极区(如N+掺杂区)、第三掺杂区304例如第二导电型井区(如P型井区)。
[0051]此外,上述源极金属结构314通常具有与基体垂直设置的导电插塞,贯穿介电层 320而连接到第二掺杂区302,其中源极金属结构314与介电层320及第二掺杂区302之间还可设置一阻障层(未示出),其材料如Ti/TiN。
[0052]图4是图3的功率开关元件的又一变形例的结构示意图。在图4中使用与图3相同的元件符号来代表相同的构件,其中源极金属结构314的导电插塞400是贯穿源极(即第二掺杂区302)并与井区(即第三掺杂区304)电性连接,而且当第三掺杂区304例如是第二导电型井区(如P型井区)时,还可在第三掺杂区304内的导电插塞400底部增加一个重掺杂区(如P+掺杂区)。
[0053]图5是图4的功率开关元件的电路图,图左是NM0S的等效电路、图右是PM0S的等效电路。在图5中,源极S与井区耦接,因此若发生静电放电时,静电仍会通过ESD保护电路到达井区,再向源极S与漏极D释放。
[0054]图6是图3的功率开关元件的再一变形例的结构示意图。在图6中使用与图3 相同的元件符号来代表相同的构件,其中与图3的差异在于搭配平面式晶体管,所以是采用平面式栅极,其具有栅极绝缘层600b以及栅极导体600a。第二掺杂区302 (源极)是位于栅极两侧,而第三掺杂区304(井区)依旧是位于第一掺杂区300(漏极)与第二掺杂区 302(源极)之间。因此,静电放电保护元件306的一端同样通过井区导体结构308耦接至第三掺杂区304(井区),静电放电保护元件306的另一端同样可通过栅极导体310a耦接至栅极导体600a,而达到同时对栅极/源极和栅极/漏极做ESD保护。另外,源极金属结构314的导电插塞400在本图是与源极(即第二掺杂区302)接触,但也可如图4所示,贯穿源极(即第二掺杂区302)并与井区(即第三掺杂区304)电性连接。
[0055]综上所述,本发明通过耦接至栅极与井区(或称base)的静电放电保护电路,能在静电放电时,通过此一静电放电保护电路到达井区,再向源极和/或漏极释放,达到在栅极与源极之间以及栅极与漏极之间都形成保护电路,还不需要额外且复杂的处理或线路设计。
[0056]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制; 尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【主权项】
1.一种功率开关元件,其特征在于,包括:晶体管,包括源极、漏极与栅极,其中该源极与该漏极之间具有井区;以及静电放电保护电路,其一端耦接至该栅极,另一端耦接至该井区,以在该栅极与该源极 之间以及在该栅极与该漏极之间同时形成保护电路。2.根据权利要求1所述的功率开关元件,其特征在于,该静电放电保护电路包括电阻、 二极管、双载子元件或硅控整流器元件。3.根据权利要求1所述的功率开关元件,其特征在于,还包括一边缘终端区,围绕该晶体管。4.根据权利要求3所述的功率开关元件,其特征在于,该静电放电保护电路设置于该 晶体管与该边缘终端区之间。5.根据权利要求1所述的功率开关元件,其特征在于,该源极与该井区耦接。6.根据权利要求1所述的功率开关元件,其特征在于,该源极与该井区不耦接。7.根据权利要求1所述的功率开关元件,其特征在于,该晶体管包括平面式晶体管或 沟槽式晶体管。8.—种功率开关元件,其特征在于,包括:基体,包括第一掺杂区、第二掺杂区与第三掺杂区,其中该第一掺杂区构成漏极、该第 二掺杂区构成源极、以及位于该第一掺杂区与该第二掺杂区之间的该第三掺杂区构成井 区;栅极,包括栅极导体与介于该栅极导体与该基体之间的栅极绝缘层,且该源极位于该 栅极两侧;以及静电放电保护元件,位于该基体上,该静电放电保护元件的一端耦接至该栅极、另一端 耦接至该井区,以在该栅极与该源极之间以及在该栅极与该漏极之间同时形成保护电路。9.根据权利要求8所述的功率开关元件,其特征在于,该静电放电保护元件包括电阻、 二极管、双载子元件或硅控整流器元件。10.根据权利要求8所述的功率开关元件,其特征在于,还包括一边缘终端区,围绕该 井区。11.根据权利要求10所述的功率开关元件,其特征在于,该静电放电保护元件设置于 该井区与该边缘终端区之间。12.根据权利要求8所述的功率开关元件,其特征在于,还包括源极金属结构,电性连 接该源极。13.根据权利要求12所述的功率开关元件,其特征在于,该源极金属结构贯穿该源极 并该井区电性连接。14.根据权利要求8所述的功率开关元件,其特征在于,该栅极包括平面式栅极或沟槽 式栅极。15.根据权利要求14所述的功率开关元件,其特征在于,该沟槽式栅极是位于贯穿该 第二掺杂区与该第三掺杂区并与该第一掺杂区接触的沟槽内,而该栅极绝缘层是介于该栅 极导体与该沟槽之间。
【文档编号】H01L27/02GK105990319SQ201510045148
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】张翊麒, 陈铭传
【申请人】杰力科技股份有限公司
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