TWI385801B - 功率電晶體及其所使用的電晶體單元 - Google Patents

Description

功率電晶體及其所使用的電晶體單元

本發明是有關於一種電晶體結構，且特別是有關於一種功率電晶體的結構。

隨著電子技術的進步，以及人們對於電子產品依賴度的增加，一個具有多合一功能的電子產品才有可能成為市場真正的主流。也因此，將多個不同功能的電路加以整合的技術，也成為近代電子工程師的一個很重要的課題。

在進行上述的電路整合工作時，最先會碰到的就是所謂多組電源供應的問題。傳統上，這些不同功能的電路，通常都由其專屬的電源供應系統來產生其所須的電源，但是在成本與體積的考量之下，這種方式勢必無法被實行。有鑒於此，業界提出了許多不同種類的電源產生裝置(如直流轉直流電源轉換器(DC DC power converter)及交流轉直流電源轉換器(AC DC power converter)等)，來解決前述的問題。

然而，這些電源轉換器為了產生足夠大的功率，通常需要一個有強大電流驅動能力的功率電晶體，這種功率電晶體除了體積龐大的問題外，尚有電流密度、散熱度、導通電阻及電流均勻度等多個在電路佈局上所會面臨的多個問題。因此，習知的電晶體佈局技術中來處理大面積電晶體的所謂多指狀(multi-finger)結構的佈局方式，也無法有效的完整克服上述的多個問題。

本發明提供一種電晶體單元，利用環形結構來構成，以節省其電路面積。

本發明提供一種功率電晶體，利用環狀結構來構成的電晶體單元以陣列方式排列組成，進而節省其電路面積。

本發明提供一種電晶體單元，包括第一閘極、第二閘極、第一參雜區以及第二參雜區。其中的閘極以第一環狀結構來構成，其第一參雜區，配置在該上述的第一環狀結構的內側，而其第二參雜區則是圍繞在第一環狀結構的外側，形成第二環狀結構。第二閘極則是圍繞在第二參雜區的外側並形成第三環狀結構。

本發明因採用具有環狀結構的電晶體單元來構成功率電晶體，因此在當需要多個電晶體單元排列在一起時，可以有效的減低電晶體在晶片上所佔去的面積，除有效降低成本外，還具有降低導通電阻以及提升功率電晶體的電流密度、電流均勻度、散熱度及對抗電致遷移等能力。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

以下將針對本發明的電晶體單元及功率電晶體提出多個實施例來加以說明，並佐以圖示，以期本領域據通常知識者更能了解，並得據以實施。

首先請參照圖1A，圖1A繪示本發明的電晶體單元的 一實施例的示意圖。在本實施例中，電晶體單元100為一個金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effective Transistor,MOSFET)。電晶體單元100具有一個環狀結構所構成的閘極110，而這個環狀結構的閘極110所圍繞住的區域，就是電晶體單元100的第一參雜區120。相對的，圍繞在閘極110外圈的另一個環狀結構的區域，就是電晶體單元100的第二參雜區130，而在第二參雜區130的外圍則圍繞著同為環狀結構的閘極140。

如同本領域具通常知識者所熟知的，金氧半場效電晶體的兩個參雜區分別為其汲極及源極，也因此，當第一參雜區120為電晶體單元100的源極時，第二參雜區130為電晶體單元100的汲極。相對的，當第一參雜區120為電晶體單元100的汲極時，第二參雜區130則為電晶體單元100的源極。另外，當電晶體單元100單獨被使用時，閘極110、120可以利用閘極導線LG相互連接，以形成電晶體單元100的共同閘極。

值得注意的是，電晶體單元100中的環形結構(不管是閘極110、150或是第一、第二參雜區120、130)，不但可以是如同圖1A繪示為正圓形外，也可以如同圖1B繪示的本發明的電晶體單元的另一實施例的示意圖的橢圓形結構。

為更仔細說明這種環狀結構的電晶體單元，請參照圖2繪示的本發明的實施例的電晶體單元100的立體剖面圖。由圖2的繪示可以清楚看見，環狀結構的閘極110、 140分別覆蓋在基底140上的閘極氧化層(gate oxide)111、141上，而基底上另形成兩個區域分別為第一參雜區120及第二參雜區130。若電晶體單元100為一個P型的金氧半場效電晶體，則第一參雜區120及第二參雜區130分別為P極性的參雜區，而若是電晶體單元100為一個N型的金氧半場效電晶體，則第一參雜區120及第二參雜區130分別為N極性的參雜區。

而被環狀結構的閘極110覆蓋在基底140上，並同時為第一參雜區120及第二參雜區130所包圍的部分，在當環狀結構的閘極110受到了適當的偏壓時，即會對應產生通道150。上述所謂適當的偏壓即為對N型的金氧半場效電晶體的閘極及基底間加上正極性的偏壓，而針對P型的金氧半場效電晶體的閘極及基底間加上負極性的偏壓。

另外，由於本實施例的電晶體單元100在其閘極110的下方形成通道150，此通道150同樣為環狀結構，因此其通道150的寬度(width)可以其閘極110的內環半徑r2及外環半徑的r1的平均值為半徑，所計算出的圓周長。而其通道150的長度(length)則為閘極110的內環半徑r2及外環半徑的r1的差。

在此請特別注意，上述關於圖2中繪示的電晶體單元100的層次關係僅只是一個實施例，並不以此限制本發明。例如圖2繪示的閘極110、140不一定要直接覆蓋在基底170上，也可以覆蓋在所謂的井區(well)(未繪示)上，而關於金氧半場效電晶體的製程結構是為本領域具通常知識 者所能知道的，並不是本發明的重點，在此不多詳述。

關於利用上述實施例的電晶體單元100所建構出的功率電晶體的實施例則請參照圖3，其中圖3繪示本發明之功率電晶體300的一實施例的示意圖。在本實施中，功率電晶體300包括有七個電晶體單元，這些電晶體分別包括閘極3101~3107、閘極3401~3407、第一參雜區3201~3207及第二參雜區3301~3307。其中，六個電晶體單元環繞住一個電晶體單元，位於中央的電晶體單元的第二參雜區3301與周圍的電晶體的第二參雜區3302~3307部份重疊。

另外，關於功率電晶體300的配線方式則請參照圖4，圖4繪示本發明之功率電晶體300實施例的一配線實施方式。由於圖4中的七個電晶體單元是為建構出一個功率電晶體300。因此，所有的電晶體單元的每一個汲極都必需被電性連接起來，在此，以各電晶體單元的第一參雜區作為汲極為例子，在對應要被連接的各電晶體單元的汲極上先形成連接點CON1~CON3，再利用連接點上方的導線層形成導線L1通過各連接的CON1~CON3的上方，即可以將作為汲極的第一參雜區3201~3207連接起來，並形成一個共同汲極。

在上述的說明中，連接點可以形成在半導體製程中用來作為導線連接的contact層或VIA層中，而導線層則可選用對應到連接點CON1~CON3所連接的導電層(一般為金屬層)來形成。相同的，各電晶體單元的源極同樣也可以藉由上述方式來完成電性連接。以連接作為源極的第二參 雜區3304、3305為例，連接點CON4、CON5分別形成在第二參雜區3304、3305上，導線L2則通過連接點CON4、CON5並完成第二參雜區3304、3305的電性連接，形成功率電晶體300的共同源極。

另外，關於各電晶體單元的閘極電性連接的方式，由於每一個電晶體單元內圈的閘極都與相鄰的電晶體單元外區的閘極電性連接，因此，功率電晶體300中的所有電晶體單元的閘極都是直接電性連接在一起。也因此，並不需要另外的導線來做連接。

特別值得一提的是，上述的導線連接方式，是在半導體製程中為該領域具通常知識者都可以輕易實施的。而上述的說明僅只是針對本發明實施例的導線連接方式提出一個範例，並不限制本發明的功率電晶體的導線連接方式的範圍。

再者，本發明實施例中的功率電晶體300並不一定要如圖示中的以七個電晶體單元的排列方式，也有其他不同數目或不同方向的排列方式。請參照圖5A~圖5E，圖5A~圖5E分別繪示本發明實施例中的功率電晶體300不同電晶體單元排列方式的示意圖。若以各電晶體單元的環狀結構的中心點(第一參雜區的中心點)連線的形狀來說明，則可以如圖5A~圖5C排列成直線的結構，也可以如同圖5D或圖5E繪示的網狀的結構。然而，為使每一個電晶體單元在製造時彼此間不會發生過大的變異，每個電晶體單元可以對稱性方式排列。

另外，功率電晶體300的通道寬度長度計算方式，則參考上段關於電晶體單元的通道寬度長度計算方式，再將單一電晶體單元的通道寬度乘以功率電晶體300中的電晶體單元的個數，即可算出功率電晶體300的通道總寬度。

在此補充說明，為使功率電晶體所佔的面積減小，在此提出一個實施例來說明電晶體單元排列的方式。請參照圖6，圖6繪示本發明的功率電晶體中的電晶體單元排列的一實施方式。在圖6的繪示中，各電晶體單元的中心點A1~A5彼此間的距離都是相等的，這種排列方式可以緊密的結合各電晶體單元，以節省電路面積。

綜上所述，本發明利用具有環狀結構的電晶體單元，來排列組合出功率電晶體，有效的緊密排列電晶體單元。進而減低功率電晶體在晶片上所佔去的面積，除有效降低成本外，還具有降低導通電阻以及提升功率電晶體的電流密度、電流均勻度、散熱度及對抗電致遷移等能力。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電晶體單元

110、140、3101~3107、3401~3407‧‧‧閘極

120、3201~3207‧‧‧第一參雜區

130、3301~3307‧‧‧第二參雜區

170‧‧‧基底

150‧‧‧通道

141、111‧‧‧閘極氧化層

300‧‧‧功率電晶體

r1、r2‧‧‧半徑

CON1~CON3‧‧‧連接點

L1、L2、LG‧‧‧導線

A1~A5‧‧‧中心點

圖1A繪示本發明的電晶體單元的一實施例的示意圖。

圖1B繪示的本發明的電晶體單元的另一實施例的示意圖。

圖2繪示的本發明的實施例的電晶體單元100的立體剖面圖。

圖3繪示本發明之功率電晶體300的一實施例的示意圖。

圖4繪示本發明之功率電晶體300實施例的一配線實施方式。

圖5A~圖5E分別繪示本發明實施例中的功率電晶體300不同電晶體單元排列方式的示意圖。

圖6繪示本發明的功率電晶體中的電晶體單元排列的一實施方式。

300‧‧‧功率電晶體

3201~3203‧‧‧第一參雜區

3301~3307‧‧‧第二參雜區

3101~3107、3401~3407‧‧‧閘極

Claims (14)

1. 一種電晶體單元，包括：一第一閘極，以一第一環狀結構來構成；一第一參雜區，配置在該第一環狀結構的內側；一第二參雜區，圍繞該第一環狀結構，形成一第二環狀結構；以及一第二閘極，圍繞在該第二參雜區的外側，形成一第三環狀結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電晶體單元，其中該第一閘極與該第二閘極藉由一閘極導線電性連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電晶體單元，其中該第一參雜區為該電晶體單元的汲極，該第二參雜區為該電晶體單元的源極。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電晶體單元，其中該第一參雜區為該電晶體單元的源極，該第二參雜區為該電晶體單元的汲極。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電晶體單元，其中該第一、第二及第三環狀結構為正圓形或橢圓形。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電晶體單元為一金氧半場效電晶體。
7. 一種功率電晶體，包括：多個電晶體單元，各該電晶體單元包括：一第一閘極，以一第一環狀結構來構成；一第一參雜區，配置在該第一環狀結構的內側；一第二參雜區，圍繞在該第一環狀結構，形成一 第二環狀結構；以及一第二閘極，圍繞在該第二參雜區的外側，形成一第三環狀結構；其中，各該電晶體單元的該第二參雜區與相鄰的各該電晶體單元的該第二參雜區部分重疊，且該些電晶體單元的該第一閘極與相鄰的該些電晶體單元的該第二閘極電性連接以形成一共同閘極，且該些電晶體單元的該第一參雜區相互以一第一導線電性連接。
8. 如申請專利範圍第7項所述之功率電晶體，其中該更包括一第二導線連接該些電晶體單元中的至少一第二參雜區。
9. 如申請專利範圍第8項所述之功率電晶體，其中該第一導線電性連接該些電晶體單元的該第一參雜區以形成該功率電晶體的共同源極，該第二導線連接該些電晶體單元中的至少一第二參雜區以形成該功率電晶體的共同汲極。
10. 如申請專利範圍第8項所述之功率電晶體，其中該第一導線電性連接該些電晶體單元的該第一參雜區以形成該功率電晶體的共同汲極，該第二導線連接該些電晶體單元中的至少一第二參雜區以形成該功率電晶體的共同源極。
11. 如申請專利範圍第7項所述之功率電晶體，其中該些第一參雜區的中心點的連線包括形成直線、曲線或網狀結構。
12. 如申請專利範圍第7項所述之功率電晶體，其中各 該電晶體單元的該第一參雜區的中心點和與其相鄰的該些電晶體單元的該第一參雜區的中心點距離均相等。
13. 如申請專利範圍第7項所述之功率電晶體，其中該些電晶體單元呈對稱性分布。
14. 如申請專利範圍第7項所述之功率電晶體為一金氧半場效電晶體。