本发明涉及一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件，尤其涉及一种具有高压启动单元的垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件。
背景技术：
在现有技术中，当一集成电路通电时，所述集成电路内的一高压启动单元将会产生一启动电流以充电一预定电容，其中所述预定电容将根据所述启动电流产生一启动电压启动所述集成电路内的其他功能单元。然而因为所述启动电流很小，所以所述预定电容将耗费较多时间产生所述启动电压，也就是说所述集成电路可能将耗费一段很长时间才可正常运作，或是因为太慢产生所述启动电压导致所述集成电路启动失败。因此，如何增加现有技术所提供的启动电流成为一项重要的课题。
技术实现要素：
本发明的一实施例公开一种具有高压启动(highvoltagestart-up)单元的垂直双扩散金属氧化物半导体(verticaldoublediffusedmetal-oxide-semiconductor,vdmos)功率元件。所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件包含一垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管和所述高压启动单元。所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管包含一第一金属层、一具有一第一导电类型的基底层、一具有所述第一导电类型的磊晶层、一第二金属层和多条多晶硅层。所述基底层形成于所述第一金属层之上。所述磊晶层形成于所述基底层之上。所述多条多晶硅层形成于所述磊晶层之上，其中所述第二金属层形成于所述多条多晶硅层和所述磊晶层之上。所述高压启动单元，形成于所述磊晶层之上，其中所述高压启动单元是用于提供一二维方向(two-dimensionaldirection)启动电流给所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件。
本发明公开一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件。所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件是利用一相同制程整合一垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管和一高压启动单元，其中所述高压启动单元可提供一二维方向启动电流给所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件。因为所述高压启动单元可在一二维方向调整并提供所述二维方向启动电流，所以相较于现有技术，所述高压启动单元不仅具有较大的弹性调整所述二维方向启动电流，且可提供较大的二维方向启动电流。因此，本发明不仅可使所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件在所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件通电后的较短时间内即可正常运作，且不会使所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件启动失败。
附图说明
图1是本发明的第一实施例所公开的一种具有高压启动单元的垂直双扩散金属氧化物半导体(verticaldoublediffusedmetal-oxide-semiconductor,vdmos)功率元件的剖视图。
图2是说明对应图1的上视示意图。
图3是说明垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件的上视示意图。
图4是说明对应图1的等效电路的示意图。
图5-8是说明垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件的不同实施例的上视示意图。
图9是本发明的第二实施例所公开的一种具有高压启动单元的垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件的上视示意图。
图10是本发明的第三实施例所公开的一种具有高压启动单元的垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件的剖视图。
图11是说明对应图10的上视示意图。
图12是说明对应图10的等效电路的示意图。
图13-16是说明垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件的不同实施例的上视示意图。
图17是本发明的第四实施例所公开的一种具有高压启动单元的垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件的上视示意图。
其中，附图标记说明如下：
100、900、1000、1700垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件
102垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管
104高压启动单元
1002、17002第一栅极
1004金属层
1022第一金属层
1024基底层
1026磊晶层
1028第二金属层
1030多晶硅层
1032第一氧化层
1034第一掺杂井
1036第二掺杂井
1038第一掺杂区
1040第二掺杂区
1041深掺杂井
1042第二氧化层
1043掺杂区
1044电流
1045栅极
1046、1048通道
1047源极
1049、1051接触
1053、902、904井
1055二维方向启动电流
1058场氧化层
200耐压区
202密封环
204、206衬垫
402npn型双极晶体管
404二极管
406内电阻
aa’直线
具体实施方式
请参照图1，图1是本发明的第一实施例所公开的一种具有高压启动单元的垂直双扩散金属氧化物半导体(verticaldoublediffusedmetal-oxide-semiconductor,vdmos)功率元件100的剖视图。如图1所示，垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100包含一垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102和高压启动单元104，其中高压启动单元104是一结型场效晶体管(junctionfieldeffecttransistor,jfet)。但本发明并不受限于垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100包含一个垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管，也就是说垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100可包含一个以上的垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管。如图1所示，垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102包含一第一金属层1022、一具有一第一导电类型的基底层1024、一具有所述第一导电类型的磊晶层1026、一第二金属层1028和多条多晶硅层中的一多晶硅层1030。如图1所示，基底层1024形成于第一金属层1022之上。磊晶层1026形成于基底层1024之上。多晶硅层1030对应一第一氧化层1032、具有一第二导电类型的第一掺杂井1034和第二掺杂井1036、具有所述第一导电类型的第一掺杂区1038和第二掺杂区1040和一第二氧化层1042，其中第一氧化层1032形成于磊晶层1026之上，第一掺杂井1034和第二掺杂井1036形成于磊晶层1026之中，第一掺杂区1038和第二掺杂区1040分别形成于第一掺杂井1034和第二掺杂井1036之中，多晶硅层1030形成于第一氧化层1032之上，第二氧化层1042包覆多晶硅层1030，以及第二金属层1028形成于第一掺杂井1034、第二掺杂井1036、第一掺杂区1038、第二掺杂区1040和第二氧化层1042之上。另外，所述第一导电类型是n型和所述第二导电类型是p型，以及基底层1024的离子浓度大于磊晶层1026的离子浓度。
如图1所示，第一金属层1022是垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的漏极，所述多条多晶硅层是垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的栅极，以及第二金属层1028是垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的源极。因此，当垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102开启时，电流1044将从第一金属层1022(垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的漏极)由下往上通过基底层1024、磊晶层1026、通道1046、1048、第一掺杂区1038和第二掺杂区1040流到第二金属层1028(垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的源极)。另外，垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102是利用第一掺杂井1034和磊晶层1026之间的pn结(pnjunction)所形成的空乏区，以及第二掺杂井1036和磊晶层1026之间的pn结所形成的空乏区(未绘示于图1)来承受垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的漏极和源极之间的电压。
如图1所示，高压启动单元104包含一具有所述第二导电类型的深掺杂井1041、一具有所述第一导电类型的掺杂区1043、一栅极1045和一源极1047，其中深掺杂井1041形成于磊晶层1026之中，掺杂区1043形成于深掺杂井1041之中，以及高压启动单元104的栅极1045和源极1047形成于深掺杂井1041之上，其中高压启动单元104的源极1047通过一接触1049电连接于掺杂区1043，高压启动单元104的栅极1045通过一接触1051电连接于深掺杂井1041，以及深掺杂井1041围绕一井1053。另外，如图1所示，垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100另包含一场氧化层1058，其中场氧化层1058形成于磊晶层1026之上以及介于垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102和高压启动单元104之间，场氧化层1058是用于隔离垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102和高压启动单元104，以及场氧化层1058是通过一区域硅氧化法(localoxidationofsilicon,locos)的方式形成。
请参照图2，图2是说明对应图1的上视示意图，以及图3是说明垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100的上视示意图，其中图1是对应图3的直线aa’。如图2所示，掺杂区1043在垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100的上视图(topview)中具有一二维形状，也就是在垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100的上视图中掺杂区1043的二维形状是以井1053为中心的一第一同心圆。因此，如图2所示，当垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100通电时，高压启动单元104可产生一二维方向启动电流1055(从第一金属层1022通过磊晶层1026、井1053和掺杂区1043流至源极1047)给垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100以唤醒垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100的预定功能单元(未绘示于图1)，其中高压启动单元104可通过栅极1045控制二维方向启动电流1055的大小。因为高压启动单元104是一结型场效晶体管，所以高压启动单元104的操作原理类似于一空乏型金属氧化物半导体晶体管的操作原理，也就是施加一负电压于栅极1045调整对应于掺杂区1043的空乏区以改变二维方向启动电流1055。另外，如图3所示，垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100另包含一耐压区200，用于围住图1所示的垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102和高压启动单元104，其中耐压区200可和深掺杂井1041共享一光罩。另外，如图3所示，一密封环202围绕耐压区200，其中密封环202具有电磁干扰(electromagneticinterference,emi)的屏蔽效果以及具有隔离外界噪声的功能。另外，图3还显示出对应垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的源极的衬垫204以及对应垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的栅极的衬垫206。另外，基底层1024、磊晶层1026、第一掺杂井1034、第二掺杂井1036、第一掺杂区1038、第二掺杂区1040、深掺杂井1041和掺杂区1043是通过一离子布植的方式形成。另外，垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100另包含一保护层(未绘示于图1)形成于第二金属层1028、栅极1045、深掺杂井1041和源极1047之上。
请参照图4，图4是说明对应图1的等效电路的示意图。如图4所示，第一金属层1022是垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的漏极，多晶硅层1030(所述多条多晶硅层)是垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的栅极，以及第二金属层1028是垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的源极。一npn型双极晶体管402(由第一掺杂区1038、第一掺杂井1034和磊晶层1026组成，或由第二掺杂区1040、第二掺杂井1036和磊晶层1026组成)并联垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102。另外，npn型双极晶体管402的基极电连接一二极管404(由第一掺杂井1034和磊晶层1026组成，或由第二掺杂井1036和磊晶层1026组成)和第一掺杂井1034的内电阻406(或第二掺杂井1036的内电阻)。另外，高压启动单元104的漏极和垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管102的漏极都为第一金属层1022。
请参照图5-8，图5-8是说明垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100的不同实施例的上视示意图。如图5-7所示，掺杂区1043的二维形状是以井1053为中心的多条通道，例如在图5中，掺杂区1043的二维形状是以井1053为中心的二条通道，在图6中，掺杂区1043的二维形状是以井1053为中心的四条通道，以及在图7中，掺杂区1043的二维形状是以井1053为中心的八条通道。另外，如图8所示，井1053的二维形状是一长条形，且掺杂区1043的二维形状是以井1053为中心的多条并排的第一通道(例如14条并排的第一通道)。
请参照图9，图9是本发明的第二实施例所公开的一种具有高压启动单元的垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件900的上视示意图。如图9所示，垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件900和垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100的差别在于垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件900的深掺杂井1041围绕多个并排的井(例如井902、904)，所述多个井中的每一井(例如井902、904)的二维形状是一长条形，且掺杂区1043的二维形状是以所述多个井中的每一井为中心的多条并排的第一通道。例如以井902为例，掺杂区1043的二维形状是以井902为中心的多条并排的第一通道(例如14条并排的第一通道)。另外，所述多个并排的井的数目是根据垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件900的设计者的需求而决定。
请参照图10、11，图10是本发明的第三实施例所公开的一种具有高压启动单元的垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1000的剖视图，以及图11是说明对应图10的上视示意图。如图10所示，垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1000和垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100的差别在于垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1000的高压启动单元104另包含一第一栅极1002，其中第一栅极1002形成于深掺杂井1041之中以及掺杂区1043之上，且在垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1000中第一栅极1002和栅极1045两者一起控制二维方向启动电流1055。在本发明的一实施例中，第一栅极1002是一多晶硅栅极。如图11所示，第一栅极1002在垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1000的上视图中也具有一二维形状，也就是第一栅极1002的二维形状是以井1053为中心的一第二同心圆。另外，垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1000的其余操作原理都和垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100相同，在此不再赘述。另外，请参照图12，图12是说明对应图10的等效电路的示意图。如图12所示，垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1000的高压启动单元104是利用第一栅极1002和栅极1045两者一起控制二维方向启动电流1055。
另外，请参照图13-16，图13-16是说明垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1000的不同实施例的上视示意图。如图13-15所示，图13-15和图5-7的差别在于图13-15另包含第一栅极1002，其中第一栅极1002的二维形状是以井1053为中心的第二同心圆。另外，如图16所示，图16和图8的差别在于图16另包含第一栅极1002和电连接第一栅极1002的一金属层1004，其中第一栅极1002的二维形状是以井1053为中心的多条和井1053并排的第二通道(例如以井1053为中心的2条和井1053并排的第二通道)，且所述多条和井1053并排的第二通道横越以井1053为中心的所述多条并排的第一通道。
请参照图17，图17是本发明的第四实施例所公开的一种具有高压启动单元的垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1700的上视示意图。如图17所示，垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1700和垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件900的差别在于高压启动单元104另包含一第一栅极17002，其中第一栅极17002的二维形状是以所述多个井(例如井902、904)中的每一井为中心的多条并排的第二通道。例如以井902为例，第一栅极17002的二维形状是以井902为中心的多条和井902并排的第二通道(例如以井902为中心的2条和井902并排的第二通道)，其中所述多条和井902并排的第二通道横越以井902为中心的所述多条并排的第一通道。另外，所述多个并排的井的数目是根据垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件1700的设计者的需求而决定。
另外，本发明并不受限于垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100、900、1000、1700的高压启动单元104的二维形状，也就是说只要在垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100、900、1000、1700内利用高压启动单元104提供二维方向启动电流1055给垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件100、900、1000、1700都落入本发明之范畴。
综上所述，本发明所公开的垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件是利用一相同制程整合所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率晶体管和所述高压启动单元，其中所述高压启动单元可提供所述二维方向启动电流给所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件。因为所述高压启动单元可在一二维方向调整并提供所述二维方向启动电流，所以相较于现有技术，所述高压启动单元不仅具有较大的弹性调整所述二维方向启动电流，且可提供较大的二维方向启动电流。因此，本发明不仅可使所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件在所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件通电后的较短时间内即可正常运作，且不会使所述垂直双扩散金属氧化物半导体功率元件启动失败。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。