专利名称：可抑制寄生双极晶体管的高功率半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高功率半导体装置，特别是涉及一种借助高功率金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effecttransistor，MOSFET)装置，针对高电流密度(di/dt)提升坚固性(ruggedness)，且可有效的防止在金属氧化物半导体场效应晶体管关闭状态下寄生双极晶体管(Parasitic bipolr transistor)被启动的现象。
背景技术：
高功率装置需要具有高击穿电压(breakdown voltage)，低导通电阻(on-resistance)，高切换速度，低切换损失等特性。因此，目前业界使用具有低于双极晶体管的输入阻抗，高速切换速度，优秀的安全操作特性的金属氧化物半导体场效应晶体管高功率装置。
图1A为公知高功率金属氧化物半导体场效应晶体管断面示意图。公知高功率金属氧化物半导体场效应晶体管包含执行一漏极作用的N型半导体基板(sub)、设置于该半导体基板上的外延层(epitaxial layer，EL)、设置于外延层表面的P型基底区域(body region)(PB)、设置于外延层及基底区域上的栅极(G)、以及设置于栅极两端基底区域表面的n+型源极区域。图1A上的组件符号“IL”代表PSG(phosphor silicate glass，磷硅酸盐玻璃)等的绝缘膜。
为了改善高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的击穿电压及导通电阻，务必在半导体基板上设置外延层，因此高功率金属氧化物半导体场效应晶体管内部会形成寄生双极晶体管。例如，n+型源极区域、p型基底区域与n型外延层各自可成为发射极(emitter)、基底(base)与集电极(collector)作用的部位，其结果可能会产生npn寄生双极晶体管。图1B为图1A的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管与其内部所形成的寄生双极晶体管之间的回路关系示意图。
当寄生晶体管开启时，会产生互锁(latch)现象而导致装置破坏的可能性提升。因此高功率金属氧化物半导体场效应晶体管设计上特别需要可抑制寄生双极晶体管开启现象的装置。
当高功率金属氧化物半导体场效应晶体管自从开启(turn on)状态切换成关闭(turn off)状态时，栅极下面的通道会跟着关闭。因此电流无法通过通道流通，其结果所有电流会往金属氧化物半导体场效应晶体管的内部二极管(D1)流通。功率用金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极(D)区域上加上阳极电压，n型外延层与p型基底区域之间所形成的内部二极管上会增加逆偏压，当栅极电压关闭时，会产生位移电流(displacement current)通过内部二极管的耗尽层(depletion region)往p型基底区域(PB)流通。此时，会依据源极区域下部的p型基底区域的电阻，基底分布电阻(Rbe)造成电压变化，且其电压变化npn达到可以开启寄生双极晶体管的程度，例如，达到0.7V以上，就会发生互锁现象。以电流与基底分布电阻相乘的方式所决定的电压变化值小于预定值，就可以防止npn寄生双极晶体管的开启现象。但是，随着电流密度增加，电流值变成超过预定值时，仍然会产生npn寄生双极晶体管开启现象，且npn寄生双极晶体管所具有的电流增幅特性造成电流大幅增加的情形，最后导致装置破坏。
下面，请参考图2A及图2C、图3A及图3D、以及图4，进一步具体说明公知高功率金属氧化物半导体场效应晶体管所产生的问题。
图2A、图2B与图2C分别为设置于常用装置上角、边缘、栅极垫片(gatepad)部分的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的构造放大示意图。图3A为图2A的A-A’线与图2B的J-J’截面示意图；图3B为图2A的B-B’线、图2B的I-I’线、以及图2C的K-K’线的截面示意图；图3C为图2A的C-C’线的截面示意图；图3D为图2A的D-D’线的截面示意图。
如图3A所示的构造，从芯片的RING区域(ring region)(图中未示)与切割道(Scribe Lane)下端区域流出电流会由左方朝内输入，n+型源极区域每次均比源电极接触区域，以下简称为“接触区域(CT)”，先接触电流。换句话说，以正常的情况而言，从RING区域与切割道输入的电流经以n型外延层与p型基底区域所组成的二极管之后，再经接触区域流出；但被n+型源极区域挡住其信道。因此电流会沿着n+型源极区域的低面流通，而到了如图3A所示的基底区域与接触区域所结合的区域才能经接触区域流出。以公知高功率金属氧化物半导体场效应晶体管所拥有的特性来看，电流不得不经过基底区域与接触区域所结合的基底分布电阻区域。如图3A所示，在基底区域与接触区域未结合的区域上，让电流可流出至接触区域的信道被挡住，而电流为了寻找通道继续流通在p型基底区域内部，直至如图3B及图3C所示，到达基底区域与接触区域所结合的区域后，经接触区域流出。因此，如图3A所示，让电流可流出的接触区域信道被挡住的情况之下，会出现基底分布电阻导致的电压变化，使npn寄生双极晶体管开启现象发生的可能性非常大。
图4为图2A的n+源极区域与接触区域的配置及电流方向示意图，主要显示关闭金属氧化物半导体场效应晶体管的状态下，往源极区域流通的电流。遇到源极区域之前先遇到接触区域的电流(I1)会经接触区域(CT)容易的流出，所以不会导致寄生双极晶体管开启的现象。但流通在n+型源极区域下端部分的电流(I2)经接触区域流出之前，先经源极区域下端部分的基底分布电阻流通，因此会成为造成寄生双极晶体管开启现象的电压变化的主要原因。
当寄生双极晶体管开启之后，双极晶体管的电流增幅特性会使得电流的密度增加，且在密度最高的地方发生装置破坏的情形。这种情形不仅发生在芯片角落，也有可能发生在边缘区域或门极垫片上。
控制每个时间单位上所流通的电流密度就可以防止寄生双极晶体管开启现象。换句话说，当电流密度变高时，可能会导致寄生双极晶体管开启的现象，而其结果装置破坏的机率也变高，因此为了降低电流密度，先提高被注入n+型源极区域下端部分的p型不纯物的浓度，降低基底分布电阻，可控制双极晶体管的开启现象。但此方法会连带影响到n+型源极区域旁信道区的基底区域浓度，并且连栅极开启电压也会跟着被影响。并且还会降低n+源极区域的浓度，从而可能会导致通道电阻增加的情形，最后会造成装置运行不正常的情形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可有效的防止在高功率晶体管内所产生的寄生双极晶体管开启的高功率半导体装置，来解决上述公知技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种有效防止其内产生寄生双极晶体管开启现象的高功率半导体装置，其主要包含第一传导型(其中，在n型信道的金属氧化物半导体场效应晶体管中，第一传导型态为n型，第二传导型态为p型；在p型信道的金属氧化物半导体场效应晶体管中，第一传导型态为p型，第二传导型态为n型)漏极区域；形成于该传导型漏极区域上的第一传导型外延区域；形成于该外延区域表面上的数个第二传导型基底区域；形成于该各基底区域表面上的至少一个第一传导型源极区域；形成于该各基底区域表面而与该源极区域重迭且其至少一端长于该源极区域一端的源电极接触区域；以及与该源电极接触区域交错设置且设于该基底区域与该外延区域上的数个栅极电极。
下面配合附图和具体实施例对本发明的特征作详细说明，但不作为对本发明的限定。
图1A为常用装置的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管断面示意图；图1B为图1A的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管与其内部所形成的寄生双极晶体管之间的回路关系示意图；图2A、图2B、图2C为常用装置上，设置于高功率金属氧化物半导体场效应晶体管芯片的角、边缘、栅极垫片部分的单元构造示意图；图3A为图2A的A-A’线，图2B的J-J’线的截面示意图；图3B为图2A的B-B’线，图2B的I-I’线及图2C的K-K’线的截面示意图；图3C为图2A的C-C’线的截面示意图；图3D为图2A的D-D’线的截面示意图。
图4为图2A的源极区域与接触区域的配置及电流方向示意图；图5为本发明的实施例的MOSFET CELL(金属氧化物半导体场效应晶体管单元)设计示意图；图6为金属氧化物半导体场效应晶体管芯片构造平面示意图；图7A为位于图6的芯片角上的单元设计示意图；图7B及图7C为图7A的E-E’、F-F’线的截面示意图；图8A为位于图6的芯片边缘上的单元设计示意图；图8B为图8A设计上的栅极金属电极及源金属电极的配置示意图；
图9A为图6上的芯片栅极垫片周围的单元设计示意图；图9B为图9A设计上的栅极金属电极及源金属电极的配置示意图；图10为图7A的源极区域与接触区域的配置及电流方向示意图。
其中，附图标记sub半导体基板 EL外延层PB基底区域 G栅极S源极 D漏极CT接触区域具体实施方式
本发明高功率半导体装置可为n型通道的金属氧化物半导体场效应晶体管(其中第一传导型态为n型，第二传导型态为p型)，也可应用于等效结构变化的p型信道的金属氧化物半导体场效应晶体管(其中第一传导型态为p型，第二传导型态为n型)。
依据本发明的一实施例，该高功率半导体装置包含第一传导型漏极区域；形成于该漏极区域上的第一传导型外延区域；形成于该外延区域表面上的数个第二传导型基底区域；形成于该各基底区域表面上的至少一个第一传导型源极区域；形成于该各基底区域表面而与该源极区域重迭且其至少一端长于该源极区域一端的源电极接触区域；以及与该源电极接触区域交错设置且设于该基底区域与外延区域上的数个栅极电极。
依据本发明的另一实施例，该高功率装置具有切割道及沿着该切割道内部所形成的RING区域，该高功率装置包含被该RING区域包围的第一传导型漏极区域；形成于该传导型漏极区域上的第一传导型外延区域；形成于该外延区域表面上的数个第二传导型基底区域；形成于该各基底区域表面上的至少一个第一传导型源极区域；形成于该各基底区域表面而与该源极区域重迭且比该源极区域先接触从该切割道下端流进来的电流的源极接触区域；以及与该源电极接触区域交错设置且设于该基底区域与外延区域上的数个栅极电极。
下面，请参考图5、图6、图7A、图7C，图8A、图8B、图9A、图9B、以及图10，进一步具体说明本发明的金属氧化物半导体场效应晶体管。
图5为本发明金属氧化物半导体场效应晶体管单元的实施状态的设计示意图。如图5所示，在本发明所提供的一种高功率半导体装置上漏极区域作用的N型半导体基板(sub)；设置于该半导体基板上的n型外延层；设置于外延层表面上的条纹状的数个P型基底区域；设置于P型基底区域表面上的梯状n+型源极区域；设于P型基底区域与n+型源极区域之间且其一端长于n型源极区域一端的数个条纹状源电极接触区域，以下简称为“接触区域”；设于基底区域与外延层之上且与该源电极接触区域交错设置的条纹状的数条栅极电极。
本发明的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管内，n+型源极区域、p型基底区域、n型外延层可各自成为射极、基底、集电极作用的部位，其结果可能会产生npn寄生双极晶体管。
图6为金属氧化物半导体场效应晶体管芯片构造平面示意图。该芯片构造包括RING区域、栅极垫片、以及总线；其中该RING区域进一步包括切割道、主动态区域(main active area)、以及包围着该主动态区域的不纯物区域；该栅极垫片设置于该主动态区域的一面的中心；总线横跨于该主动态区域。该主动态区域上包括有如图5所示构造的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管。
图7A为位于图6的芯片角上的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管单元设计示意图。如图7A所示，由于接触区域的一端被设置于比n+源极区域一端长的位置上，所以如图10所示，在金属氧化物半导体场效应晶体管关闭状态下，由切割道下端部及RING区域往装置内部流通的电流(I)并非经过n+源极区域，而直接流进接触区域。换句话说，电流(I)不会经n+源极区域下端的P型基底区域的电阻，即基底分布电阻区域，而直接经接触区域流出。再有，将图7A的E-E’线及F-F’线截面(如图7B与图7C所示)相比较，以电流密度而言，图7C的构造比图7B的构造好，但n+源极区域面积越减少，漏极-源极电阻就会越增加。因此在设计时，务必考虑电流密度特性及漏极-源极电阻之间的关系，做一取舍(trade-off)。
图8A及图9A为别显示芯片边缘部分与门极垫片部分的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管单元设计示意图。芯片边缘部分与门极垫片部分上也是将接触区域的一端设置于比n+源极区域一端长的位置上。换句话说，将接触区域的一端比n+源极区域一端更贴近单元边缘区域。借此，P型基底区域与接触区域之间的接触面积会变大，其结果为金属氧化物半导体场效应晶体管关闭状态下往源极区域流通的电流会先流进至接触区域。因此，虽然边缘区域的n+源极区域的面积比从前小，但这种做法所带来的影响非常微小。
图8B及图9B分别显示具有如图8A与图9A相同配置的边缘区域与门极垫片区域上的栅极电极(GM)与源电极(SM)设计示意图。如图8A所示，栅极电极与源电极各自具有指状构造(finger)，可以互相勾在一起。换句话说，呈凹凸状的栅极电极的凹部及凸部可以被设置于凹凸状的数个源电极的凸部及凹部。
综上所述，本发明为一种高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的各动态单元单位内提供将接触区域的一端设置于比n+源极区域一端长的位置的构造，而可以提升高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的电流密度特性。换句话说，本发明为在金属氧化物半导体场效应晶体管关闭状态下，防止往二极管方向流通的电流流进源极区域下端的基底区域(基底分布电阻)的情形，可抑制寄生双极晶体管开启现象。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种可抑制寄生双极晶体管的高功率半导体装置，其特征在于，包括第一传导型漏极区域；第一传导型外延区域，设置于该第一传导型漏极区域上；数个第二传导型基底区域，形成于该外延区域表面上；至少一个第一传导型源极区域，形成于该各基底区域表面上；其中，该各基底区域表面与该源极区域重迭在一起，且其至少一端长于该源极区域一端的源电极接触区域；以及数个栅极电极，设于该基底区域与该外延区域上、且与该源电极接触区域交错设置。
2.根据权利要求1所述的高功率半导体装置，其特征在于，该高功率半导体装置为n型信道的金属氧化物半导体场效应晶体管，且该第一传导型为n型，该第二传导型为p型。
3.根据权利要求1所述的高功率半导体装置，其特征在于，该高功率半导体装置为p型信道的金属氧化物半导体场效应晶体管，且该第一传导型为p型，该第二传导型为n型。
4.根据权利要求1所述的高功率半导体装置，其特征在于，还进一步包括数个单元构造，其中每一单元构造内，该源电极接触区域的一端比该源极区域更贴近单元边缘。
5.根据权利要求1所述的高功率半导体装置，其特征在于，该基底区域呈条纹状。
6.根据权利要求4所述的高功率半导体装置，其特征在于，该栅极区域呈条纹状。
7.根据权利要求1所述的高功率半导体装置，其特征在于，还进一步包括凹凸状源电极与栅极电极；其中，该凹凸状源电极通过该源电极接触区域连接至该源极区域，且以凹部及凸部所组成；该栅极电极连接至该栅极区域，呈凹凸状，且具有可与该源极区域的凹部与凸部相配合设置的凸部与凹部。
8.一种可抑制寄生双极晶体管的高功率半导体装置，沿着其切割道及由该切割道内部所形成的RING区域包围，其特征在于，包括第一传导型漏极区域，由该RING区域包围；第一传导型外延区域，形成于该第一传导型漏极区域上；数个第二传导型基底区域，形成于该外延区域表面上；至少一个第一传导型源极区域，形成于该各基底区域表面上；源极接触区域，形成于该各基底区域表面而与该源极区域重迭在一起，且比该源极区域先接触从该切割道下端流进来的电流；以及数个栅极电极，设置于该基底区域与该外延区域且与该源电极接触区域交错设置。
9.根据权利要求8所述的高功率半导体装置，其特征在于，该高功率半导体装置为n型信道的金属氧化物半导体场效应晶体管，且该第一传导型为n型，该第二传导型为p型。
10.根据权利要求8所述的高功率半导体装置，其特征在于，该高功率半导体装置为p型信道的金属氧化物半导体场效应晶体管，且该第一传导型为p型，该第二传导型为n型。
11.根据权利要求8所述的高功率半导体装置，其特征在于，该源极接触区域比该源极区域先接触从该切割道下端流进来的电流。
12.根据权利要求11所述的高功率半导体装置，其特征在于，还进一步包括数个单元构造，其中每一个单元构造内，该接触区域的一端比该源极区域一端更贴近单元边缘区域。
13.根据权利要求8所述的高功率半导体装置，其特征在于，该基底区域呈条纹状。
14.根据权利要求8所述的高功率半导体装置，其特征在于，该栅极区域呈条纹状。
15.根据权利要求8所述的高功率半导体装置，其特征在于，还进一步包括凹凸状源电极与栅极电极；其中，该凹凸状源电极通过该源电极接触区域连接至该源极区域，且由凹部及凸部组成；该栅极电极连接至该栅极区域，呈凹凸状，且具有可与该源极区域的凹部与凸部相配合设置的凸部与凹部。
全文摘要
本发明公开了一种可抑制寄生双极晶体管的高功率半导体装置。其主要包含第一传导型漏极(Drain)区域；形成于该传导型漏极区域上的第一传导型外延(epitaxial)区域；形成于该外延区域表面上的数个第二传导型基底区域；形成于该各基底区域表面上的至少一个第一传导型源极(Source)区域；形成于该各基底区域表面而与该源极区域重叠且至少其一端长于该源极区域一端的源电极(source electrode)接触区域；以及与该源电极接触区域交错设置且设置于该基底区域与该外延区域上的数个栅极(gate)电极。
文档编号H01L27/085GK1874002SQ200510124128
公开日2006年12月6日 申请日期2005年11月25日 优先权日2005年5月31日
发明者全珖延, 李太先, 李廷浩, 金钟旼, 金埈铉 申请人:敦南科技股份有限公司