专利名称：具有热防护功能的晶体管结构的制作方法
技术领域：
本发明有关一种金属氧化半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)元件，且特别关于具有热防护(thermalprotection)功能的晶体管结构。
(2)背景技术金属氧化物半导体场效应晶体管(以下简称金属氧化物半导体晶体管)过热或烧坏的问题(burnt out problem)经常发生在许多不同的电子应用产品与操作情况中。正常来说，金属氧化物半导体晶体管能操作于接面(junction)温度为摄氏150度的情况，但是如果内部热能将温度升高至超过摄氏300度的话，金属氧化物半导体晶体管可能过热或烧坏。热可以藉由传导、对流或辐射方式传递。如果电路设计良好的话，在金属氧化物半导体晶体管元件的制造、储存、和操作过程中所遇到的温度改变通常不会大到足以限制元件的特性化(characterization)和寿命。然而，过热或烧坏的问题仍然可能发生在包含金属氧化物半导体晶体管元件的电路的各种不正常状况下，这些不正常状况可能关于制造、运送、操作、或不足的设计裕度(design margin)等等。
在操作过程中，个别元件会遭受其内部的暖热且因此温度上升。内部的暖热可能由于通过元件的电流，且例如来自元件的内电阻或开关损耗(switchingloss)。此外，外部的暖热也是很显著的。一个元件从其他元件或环境受到外部暖热的影响。对于集成元件而言，元件之间的空间极端微小或者元件事实上彼此接触。在这种情形下，发生对流而冷却元件的机会很少，而且热量的传播很容易涵盖许多元件。因此，如果不正常状况存在的话，内部暖热加上外部暖热可能造成金属氧化物半导体晶体管元件的热故障(thermal failure)。
热故障是由热的干扰(disturbance)或损害所造成的元件或系统功能的暂时或永久的损害。由热所导致的故障，例如氧化物的耗损、破裂、封装多层板(packagedelamination)或接合线(bond wire)的断裂、芯片中金属层的变形、以及芯片、基材(substrate)、晶粒接合物(die bond)或焊接物(solder joint)中的裂缝和空隙，可能造成可靠度上的限制。此外，过热或烧坏的问题是严重的热故障结果，而且可能引起火、烟与塑性材料的熔化，所以造成关键性的安全上的顾虑。过热或烧坏的问题可能直接来自冷焊(cold solder)、不良的栅极驱动(gate drive)、金属氧化物半导体晶体管本身等等。
特别是，当金属氧化物半导体晶体管元件被用在电力应用产品中的时候，例如直流电到直流电转换器(DC-to-DC converter)、电池以及开关，金属氧化物半导体晶体管元件过热或烧坏的问题很可能发生。请参照图1，其绘示一个脉冲宽度调变(Pulse-Width-Modulated，PWM)直流电到直流电的降压(buck)转换电路。此电路是一个交换调节器(switching regulator)电路。此电路将跨于前一级电路的滤波电容器Cin的未受调节的直流输入电压Vin转换成欲得到受调节的直流输出电压Vo。电感器Lf与电容器Cf共同成为此降压转换电路的输出滤波器。热故障可能发生在两个电力晶体管Mp与Mn。晶体管Mp为通行元件(pass component)，而且是一P型金属氧化物半导体晶体管(PMOS)。晶体管Mn为整流元件(rectifier)，而且是一N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)。为了避免金属氧化物半导体晶体管发生过热或烧坏的问题，传统上过热防护元件，例如热保险丝(thermal fuse)，被使用来中断流过金属氧化物半导体晶体管元件的电流，当电流的热效应超过保险丝内可熔化部分的额定热量的时候。如果温度超过热保险丝的额定值，电流产生的热会熔化保险丝的可熔化部分，以中断电流(开路)。
热保险丝可以置于与金属氧化物半导体晶体管串联或很靠近要保护的集成电路芯片。然而，使用热保险丝有很多缺点。第一，保险丝通常是只能用一次的，也就是不能重复使用。第二，由金属氧化物半导体晶体管本身的热故障直接造成的开路可能发生，但是串联的热保险丝仍然完好无损。因为金属氧化物半导体晶体管元件先烧坏，然后才使电路变为短路或开路，所以作传统的开路或短路测试可能无法正确辨别出电路故障的原因。第三，将热保险丝焊接在很靠近要保护的元件或进行回流焊接(reflow soldering)制程很容易对元件产生损害。总而言之，使用热保险丝会影响金属氧化物半导体晶体管元件的成本、尺寸大小、导体接触情形等等，而且会造成前述的缺点。
由于前面所述的理由，使用热保险丝无法有效达成金属氧化物半导体晶体管元件的热防护。因此，有需要找出为了热防护金属氧化物半导体晶体管元件的解决办法。
(3)发明内容根据前面所述，有需要找出为了热防护金属氧化物半导体晶体管元件的解决办法。本发明的目的是提供一种晶体管结构以作为解决办法。此晶体管结构有内建的热防护单元(thermal protection unit)。本发明的晶体管结构的一种类型包括一个主要的N型金属氧化物半导体晶体管、一个次要的控制P型金属氧化物半导体晶体管以及一个热防护单元。控制P型金属氧化物半导体晶体管的漏极端(drain)连接到主要的N型金属氧化物半导体晶体管的栅极端(gate)。控制P型金属氧化物半导体晶体管的栅极端连接到一个热防护单元。此双金属氧化物半导体晶体管结构整体来看，仿效一个标准的N型金属氧化物半导体晶体管。控制P型金属氧化物半导体晶体管的源极端(source)作为此晶体管结构的栅极端。此晶体管结构的漏极端与源极端是分别为主要的N型金属氧化物半导体晶体管的漏极端与源极端。此晶体管结构的临界电压(threshold voltage)相当于主要的N型金属氧化物半导体晶体管的临界电压。
同样地，本发明的晶体管结构的另一种类型包括一个主要的P型金属氧化物半导体晶体管、一个次要的控制N型金属氧化物半导体晶体管以及一个热防护单元。此晶体管结构整体来看，仿效一个标准的P型金属氧化物半导体晶体管。
对于以上所述第一类型的晶体管结构，当此晶体管结构的栅极端电压相对于源极端电压超过此晶体管结构的临界电压时，控制P型金属氧化物半导体晶体管必须被打开(turn on)。当元件操作中温度很高，例如高于大约摄氏150度，为了保护此新晶体管不会发生过热或烧坏，不管此晶体管的栅极端电压为何，控制P型金属氧化物半导体晶体管必须被关闭(turn off)。
总而言之，在各种不同的应用中，使用此新晶体管结构作为一个标准的金属氧化物半导体晶体管，其中有适当设计的热防护单元，能使此晶体管结构的两金属氧化物半导体晶体管不会发生热故障，并且能去除传统过热保护元件(例如热保险丝)的缺点。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)
图1绘示一个脉冲宽度调变直流电到直流电的降压转换电路；图2绘示本发明的晶体管结构的一种类型；图3是一个标准的N型金属氧化物半导体晶体管的简单截面图；以及图4绘示本发明的晶体管结构的另一种类型。
(5)具体实施方式
以下是藉由两个实施例的描述，以更佳解释本发明。本发明第一较佳实施例的晶体管结构是仿效一个标准的N型金属氧化物半导体晶体管，图2则是此晶体管结构的电路图。在图2中，此晶体管结构包括一个主要的N型金属氧化物半导体晶体管200和一个次要的P型金属氧化物半导体晶体管210。主要的N型金属氧化物半导体晶体管200可以为增强型(enhancement-mode)或空乏型(depletion-mode)N型金属氧化物半导体晶体管。次要的P型金属氧化物半导体晶体管210可以为增强型或空乏型P型金属氧化物半导体晶体管。
为能更清楚描述本发明的标准的N型金属氧化物半导体晶体管，请先参照图3的标准的N型金属氧化物半导体晶体管截面图，一个标准的N型金属氧化物半导体晶体管使用一个控制电极，即栅极302，以电容性地调变(capacitively modulate)一表面通道304的电导(conductance)。此表面通道304连接两端接触层，即N+型源极306与N+型漏极308。P型半导体基材或基体(body)300是位于源极306与漏极308之间，且在栅极302之下的部分。栅极绝缘体310将基体300与栅极302隔开，栅极绝缘体310的材料通常为二氧化硅。表面通道304是源极306与漏极308之间的导电区域，且是在半导体基体300和栅极绝缘体310的接触面，由于吸引载子(carrier)而形成。当栅极偏压超过此N型金属氧化物半导体晶体管的临界电压时，载子会形成导电的表面通道304，并藉由栅极绝缘体310以避免表面通道304接触栅极302。简言之，栅极302调变表面通道304的导电能力，且提供了在源极306与漏极308之间的栅极控制的电阻。至于另一常见的金属氧化物半导体晶体管类型，P型金属氧化物半导体晶体管，其基体为N型半导体而源极与漏极是P+型半导体。
请参照图2，主要的N型金属氧化物半导体晶体管200的漏极端、源极端与栅极端的符号分别为D1、S1、与G1。次要的P型金属氧化物半导体晶体管210的漏极端、源极端与栅极端的符号分别为D2、S2、与G2，且次要的P型金属氧化物半导体晶体管210的漏极端D2连接到主要的N型金属氧化物半导体晶体管200的栅极端G1，又次要的P型金属氧化物半导体晶体管210的栅极端G2则连接到一热防护单元。此双金属氧化物半导体晶体管结构整体架构是仿效一个标准的N型金属氧化物半导体晶体管。次要的P型金属氧化物半导体晶体管210的源极端S2可作为此晶体管结构的栅极端G。此晶体管结构的漏极端与源极端即为主要的N型金属氧化物半导体晶体管200的漏极端D1与源极端S1，又此晶体管结构的临界电压约略为主要的N型金属氧化物半导体晶体管200的临界电压。
图2中的热防护单元的实施方式可以使用例如，低漏失电压(low dropoutvoltage)等级的电压调节器(voltage regulator)。为了达成热防护目的，此热防护单元应能感测以及限制电流和/或热量，并且能控制此两金属氧化物半导体晶体管200与210的开关。当此晶体管结构的栅极端G电压相对于源极端S1电压超过此晶体管结构的临界电压时，次要的P型金属氧化物半导体晶体管210必须被栅极端G2的电压打开，然后接着主要的N型金属氧化物半导体晶体管200也因此被打开。栅极端G2的电压乃藉由此热防护单元所控制，当元件操作中温度很高，例如高于大约摄氏150度，为了保护此晶体管不会发生过热或烧坏，不管此晶体管的栅极端G电压为何，次要的P型金属氧化物半导体晶体管210必须被关闭。
此外，在进行集成电路芯片的表面粘着技术(Surface Mount Technology，SMT)的回流焊接制程时，在回流阶段温度上升至约略摄氏200度是必须的，所以此热防护单元必须能承受如此高的温度，且在没有任何元件操作的情况下此热防护单元也必须能安全地处于无电源供应状态。需特别声明的是，各种不同设计的热防护单元是可能且被允许的，只要能达到其在此晶体管结构中应有的功能，亦即热防护功能。
本发明的第二较佳实施例的晶体管结构则是仿效一个标准的P型金属氧化物半导体晶体管，图4是此晶体管结构的电路图。请参照图4中，此晶体管结构包括一个主要的P型金属氧化物半导体晶体管400和一个次要的N型金属氧化物半导体晶体管410。主要的P型金属氧化物半导体晶体管400可以为增强型或空乏型P型金属氧化物半导体晶体管。次要的N型金属氧化物半导体晶体管410可以为增强型或空乏型N型金属氧化物半导体晶体管。
主要的P型金属氧化物半导体晶体管400的漏极端、源极端与栅极端的符号分别为D1、S1、与G1。次要的N型金属氧化物半导体晶体管410的漏极端、源极端与栅极端的符号分别为D2、S2、与G2，且次要的N型金属氧化物半导体晶体管410的漏极端D2连接到主要的P型金属氧化物半导体晶体管400的栅极端G1，又次要的N型金属氧化物半导体晶体管410的栅极端G2则连接到一热防护单元。此双金属氧化物半导体晶体管结构整体架构是仿效一个标准的P型金属氧化物半导体晶体管。次要的N型金属氧化物半导体晶体管410的源极端S2可作为此晶体管结构的栅极端G。此晶体管结构的漏极端与源极端即为主要的P型金属氧化物半导体晶体管400的漏极端D1与源极端S1，又此晶体管结构的临界电压相当于主要的P型金属氧化物半导体晶体管400的临界电压，而且是负值。再者，此热防护单元感测以及限制电流和/或热量，并且能控制此两金属氧化物半导体晶体管400与410的开关。
当此晶体管结构的栅极端G的电压相对于源极端S1的电压低于此晶体管结构的负临界电压时，次要的N型金属氧化物半导体晶体管410必须被栅极端G2的电压打开，然后接着主要的P型金属氧化物半导体晶体管400也因此被打开。栅极端G2的电压乃藉由此热防护单元所控制。当元件操作中温度很高时，例如高于大约摄氏150度，为了保护此新晶体管不会发生过热或烧坏，不管此晶体管的栅极端G电压为何，次要的N型金属氧化物半导体晶体管410必须被关闭。此外，在进行集成电路芯片的表面粘着技术的回流焊接制程时，在回流阶段温度上升至约略摄氏200度是必须的，所以此热防护单元必须能承受如此高的温度，且在没有任何元件操作的情况下，此热防护单元也必须能安全地处于无电源供应状态。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种晶体管结构，至少包含一主要N型金属氧化物半导体晶体管，它具有一第一漏极端、一第一源极端及一第一栅极端；一控制P型金属氧化物半导体晶体管，它具有一第二漏极端、一第二源极端及一第二栅极端，其中该第二漏极端电性连接到该第一栅极端；以及一热防护单元，耦接于该第二栅极端，当该晶体管结构中任何温度超过一特定值时，该热防护单元藉由关闭该控制P型金属氧化物半导体晶体管，以避免该晶体管结构由于高温或热效应造成热故障，该主要N型金属氧化物半导体晶体管因此而受控制；其中，该第二源极端、该第一漏极端、及该第一源极端分别作为该晶体管结构的栅极端、漏极端与源极端。
2.如权利要求1所述的晶体管结构，其特征在于该晶体管结构的临界电压相当于该主要的N型金属氧化物半导体晶体管的临界电压。
3.如权利要求1所述的晶体管结构，其特征在于该主要的N型金属氧化物半导体晶体管是为一增强型N型金属氧化物半导体晶体管或一空乏型N型金属氧化物半导体晶体管。
4.如权利要求1所述的晶体管结构，其特征在于该控制P型金属氧化物半导体晶体管是为一增强型P型金属氧化物半导体晶体管或一空乏型P型金属氧化物半导体晶体管。
5.如权利要求1所述的晶体管结构，其特征在于该热防护单元能承受对包含该晶体管结构的一集成电路芯片进行表面粘着技术的回流焊接制程时所需达到的一高温。
6.一种晶体管结构，至少包含一主要P型金属氧化物半导体晶体管，它具有一第一漏极端、一第一源极端、及一第一栅极端；一控制N型金属氧化物半导体晶体管，它具有一第二漏极端、一第二源极端、及一第二栅极端，其中该第二漏极端电性连接到该第一栅极端；以及一热防护单元，耦接于该第二栅极端，当该晶体管结构中任何温度超过一特定值时，该热防护单元藉由关闭该控制N型金属氧化物半导体晶体管，以避免该晶体管结构由于高温或热效应造成热故障，该主要P型金属氧化物半导体晶体管因此而受控制，其中，该第二源极端、该第一漏极端、及该第一源极端分别作为该晶体管结构的栅极端、漏极端与源极端。
7.如权利要求6所述的晶体管结构，其特征在于该晶体管结构的临界电压相当于该主要的P型金属氧化物半导体晶体管的临界电压。
8.如权利要求6所述的晶体管结构，其特征在于该主要的P型金属氧化物半导体晶体管是为一增强型P型金属氧化物半导体晶体管或一空乏型P型金属氧化物半导体晶体管。
9.如权利要求6所述的晶体管结构，其特征在于该控制N型金属氧化物半导体晶体管是为一增强型N型金属氧化物半导体晶体管或一空乏型N型金属氧化物半导体晶体管。
10.如权利要求6所述的晶体管结构，其特征在于该热防护单元能承受对包含该晶体管结构的一集成电路芯片进行表面粘着技术的回流焊接制程时所需达到的一高温。
全文摘要
本发明是指一种具有热防护功能的晶体管结构。此晶体管结构的一类型包括主要N型金氧半晶体管、次要P型金氧半晶体管以及热防护单元；次要P型金氧半晶体管的漏极端与栅极端分别连接到主要N型金氧半晶体管的栅极端与热防护单元；此两晶体管结构整体架构是仿效标准的N型金属氧化物半导体晶体管；次要P型金属氧化物半导体晶体管的源极端作为此晶体管结构的栅极端。此晶体管结构的漏极端和源极端分别为主要N型金属氧化物半导体晶体管的漏极端与源极端；此热防护单元藉由感测热量、中断流过晶体管的电流以及开闭晶体管，以避免此晶体管结构的两金属氧化物半导体晶体管发生热故障。
文档编号H01L23/34GK1612355SQ20031010467
公开日2005年5月4日 申请日期2003年10月29日 优先权日2003年10月29日
发明者张崇兴 申请人:华宇电脑股份有限公司