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TWI608611B - 功率元件 - Google Patents

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TWI608611B
TWI608611B TW106100300A TW106100300A TWI608611B TW I608611 B TWI608611 B TW I608611B TW 106100300 A TW106100300 A TW 106100300A TW 106100300 A TW106100300 A TW 106100300A TW I608611 B TWI608611 B TW I608611B
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羅國軒
黃宗義
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Description

功率元件
本發明係有關一種功率元件，特別為其中源極區與漂移區間具有電性連接結構與漂移區所形成肖特基二極體之電性連接之功率元件。
先前技術之功率元件，進行導通與不導通之切換操作時，在導通到不導通間，功率元件內部之衍生二極體(Body diode) 效應造成切換時間較長，進而造成功率損耗。此外，當功率元件應用於包含上下橋開關之交替式穩壓裝置(Alternating regulator)時，下橋開關中功率元件從導通轉換到不導通時，其中之少數載子(Carrier)更會造成一額外電流，造成操作困擾。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種功率元件，其包含：一作用層，包含一本體區以及一漂移區，本體區具有一第一導電型，漂移區具有一第二導電型，本體區與漂移區於一橫向上鄰接，並沿一通道寬度方向形成一PN接面，作用層具有一上表面；一閘極，形成於上表面上，於一縱向上，PN接面位於閘極正下方；一源極區，具有第二導電型，形成於本體區與上表面間之作用層中；一汲極區，具有第二導電型，形成於漂移區與上表面間之作用層中；一第一電性連接結構，形成於上表面上，用以電連接源極區；一導電層，形成於第一電性連接結構上，且藉由第一電性連接結構以電連接源極區；以及一或複數個第二電性連接結構，形成於上表面上，於縱向上，介於漂移區與導電層之間，用以電連接漂移區與導電層，且第二電性連接結構與漂移區形成至少一肖特基二極體；其中，於橫向上，第一電性連接結構與第二電性連接結構位於閘極之兩側。
一實施例中，複數個第二電性連接結構，沿著通道寬度方向分散排列(separately arranged)，使得功率元件於正常操作時(包括導通操作與不導通操作)，沿著通道寬度方向，形成相連不切斷之一空乏區於漂移區中，且空乏區於上表面下包圍環繞複數個第二電性連接結構與漂移區之接面。
一實施例中，閘極於漂移區上具有至少一第一缺口，第一缺口內容置第二電性連接結構。
一實施例中，第二電性連接結構為沿著通道寬度方向上相連不切斷之連續結構。
一實施例中，功率元件又包含一場氧化層，場氧化層於縱向上，位於漂移區以及閘極之間。
一實施例中，場氧化層，具有對應第二電性連接結構之至少一第二缺口，第二缺口位於漂移區上，以容置第二電性連接結構。
一實施例中，功率元件又包含一第一導電型淺摻雜區，位於場氧化層與漂移區之間，且貼接於場氧化層。
一實施例中，部分閘極形成於上表面以及場氧化層上。
一實施例中，功率元件用於一交替式穩壓裝置(Alternating regulator)，根據一輸入電壓以產生一供應電壓，交替式穩壓裝置包含一上橋開關與一下橋開關，下橋開關包含功率元件。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各裝置以及各元件間之功能作用關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。
參照第1、2圖，其中顯示根據本發明一實施例之功率元件10，分別顯示功率元件10之上視圖以及根據第1圖中剖面線AA’之側視剖面圖。如圖所示，功率元件10包含：一作用層11，包含一本體區112以及一漂移區113，本體區112具有一第一導電型，漂移區113具有一第二導電型，本體區112與漂移區113於一橫向上鄰接，並沿一通道寬度方向形成一PN接面，作用層11具有一上表面111；一閘極G，形成於上表面111上，於一縱向上，PN接面位於閘極G正下方；一源極區S，具有第二導電型，形成於本體區112與上表面111間之作用層11中之作用層11中；一汲極區D，具有第二導電型，形成於漂移區113與上表面111間之作用層11中；一第一電性連接結構12，形成於上表面111上，用以電連接源極區S；一導電層14，形成於第一電性連接結構12上，且藉由第一電性連接結構12以電連接源極區S；以及一第二電性連接結構13，形成於上表面111上，於縱向上，介於漂移區113與導電層14之間，用以電連接漂移區113與導電層14，且第二電性連接結構13與漂移區113形成至少一肖特基二極體(第2圖中虛線肖特基二極體符號，顯示第二電性連接結構13與漂移區113之金屬-半導體接面，形成此肖特基二極體)。
前述之實施例中，於橫向上，第一電性連接結構12與第二電性連接結構13位於閘極G之兩側，並本體區112與漂移區113為沿著通道寬度方向上相連不切斷之連續結構。此第二電性連接結構13之設計，未影響本體區112以及功率元件之通道寬度。
前述之第一導電型，使用者可根據需要，決定第一導電型為P型導電型、或N型導電型。一實施例中，當第一導電型為P型導電型，第二導電型為N型導電型。另一實施例中，當第一導電型為N型導電型，第二導電型為P型。
根據先前技術所述，功率元件從導通到不導通之轉換時間內，其中之少數載子更會造成一額外電流，造成操作困擾。本發明之第二電性連接結構13與漂移區113形成之肖特基二極體，其具有低逆向偏壓之效果，即當功率元件從導通到不導通時，位於衍生二極體之少數載子，可藉由肖特基二極體流回至源極區S，而非如先前技術般經過汲極區流至功率元件外。
根據第1、2圖，功率元件10之第二電性連接結構13於通道寬度方向上為相連不切斷之連續結構。然而，根據本發明，第二電性連接結構13不限於此連續結構，也可依需要而為彼此不相連之複數個第二電性連接結構13。
根據第2圖，功率元件10於正常操作時(包括導通操作與不導通操作)，沿著通道寬度方向，形成相連不切斷之一空乏區於漂移區113中，空乏區於上表面111下包圍環繞複數個第二電性連接結構13與漂移區113之接面。參照第3、4圖，其中顯示根據本發明一實施例之功率元件20，分別顯示功率元件20之上視圖以及根據第3圖中剖面線BB’之側視剖面圖。如圖所示，功率元件20包含複數個第二電性連接結構13，沿著通道寬度方向分散排列(separately arranged)。複數個第二電性連接結構13彼此未直接相連接，複數個第二電性連接結構13於正常操作時(包括導通操作與不導通操作)，沿著通道寬度方向，也形成相連不切斷之一空乏區於漂移區中，且空乏區於上表面下包圍環繞複數個第二電性連接結構13與漂移區113之接面。於一實施例中，第二電性連接結構13與漂移區113，亦可為一第一導電型淺摻雜區所區隔，詳見後續之實施例。
繼續參照第4圖，其中閘極G於漂移區113上具有複數個第一缺口C1，第一缺口C1內容置第二電性連接結構13。參照第5圖，其顯示第4圖中閘極G之上視圖、以及根據其中剖面線CC’的側視剖面圖。其中，第一缺口C1用以容置第二電性連接結構13。根據本發明，閘極G中第一缺口C1之數量，不限於圖式中所顯示，例如可為單一個第一缺口C1(對應單一個第二電性連接結構13)，也可為二個(對應二個第二電性連接結構13)、或高於三個第一缺口C1(對應高於三個第二電性連接結構13)。使用者可依據需要，決定第一缺口C1之數量。
參照第6、7圖顯示一實施例的功率元件30，第7圖為根據第6圖中剖面線DD’之側視剖面圖。其中閘極G於漂移區113上具有複數個第一缺口C1，第一缺口C1內容置第二電性連接結構13。第6、7圖顯示第一缺口C1面於汲極區D之方向具有開放之開口。參照第8圖，其顯示第6、7圖中閘極G之上視圖、以及根據其中剖面線EE’的側視剖面圖。其中，第一缺口C1用以容置第二電性連接結構13。類似地，閘極G中第一缺口C1之數量，不限於圖式中所顯示，例如可為單一個第一缺口C1，也可為二個、或高於三個第一缺口C1。使用者可依據需要，例如第二電性連接結構13之數量，以決定第一缺口C1之數量。
繼續參照第7圖，其中漂移區113於縱向上，位於本體區112上。
參照第9、10、11圖顯示一實施例的功率元件40，第10圖為根據第9圖中剖面線EE’之側視剖面圖，第11圖為根據第9圖中剖面線FF’之側視剖面圖。根據圖式，功率元件40包含一場氧化層(Field oxide)114，場氧化層114於縱向上，位於漂移區113以及閘極G之間。根據本發明，場氧化層114也可換為淺溝槽隔離層(STI，Shallow trench isolation)，使用者可根據需要，而決定所需之設計。
參照第10、11圖，其顯示一實施例中，部分之閘極G形成於上表面111以及場氧化層114上。
第11圖顯示之場氧化層114，具有對應第二電性連接結構13之至少一第二缺口C2，第二缺口C2位於漂移區113上，以容置第二電性連接結構13。場氧化層114中第二缺口C2之數量，不限於圖式中所顯示，例如可為一個第二缺口C2，也可為二個、或高於三個第二缺口C2。使用者可依據需要，例如第二電性連接結構13之數量，以決定第二缺口C2之數量。
根據第11圖，一實施例功率元件40又包含一第一導電型淺摻雜區115，位於場氧化層114與漂移區113之間，且貼接於場氧化層114。此第一導電型淺摻雜區115 為一選擇性之設計，可用以調整功率元件40 之通道長度，使用者可依據需要，決定是否採用此第一導電型淺摻雜區115之設計。而第二電性連接結構13與漂移區113，亦可為一第一導電型淺摻雜區115所區隔。
參照第12圖，根據本發明之一實施例中，功率元件可用於一交替式穩壓裝置(Alternating regulator)，根據一輸入電壓以產生一供應電壓，交替式穩壓裝置包含一上橋開關與一下橋開關，下橋開關包含根據本發明之功率元件。圖式中汲極以及源極，可分別耦接於本發明之功率元件的汲極區以及源極區。相較於先前技術，本發明之下橋開關中，功率元件從導通轉換到不導通時，位於衍生二極體之少數載子，可藉由肖特基二極體流回至源極區S，以避免產生前述之額外電流。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。各實施例中圖示直接連接的兩電路或元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或元件，僅需對應修改相關電路或是訊號的意義即可。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。前述之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，例如但不限於將兩實施例併用，或是以其中一個實施例的局部電路代換另一實施例的對應電路。
10、20、30、40‧‧‧功率元件
11‧‧‧作用層
111‧‧‧上表面
112‧‧‧本體區
113‧‧‧漂移區
114‧‧‧場氧化層
115‧‧‧第一導電型淺摻雜區
12‧‧‧第一電性連接結構
13‧‧‧第二電性連接結構
14‧‧‧導電層
AA'、BB'、CC'、EE'、FF'‧‧‧剖面線
C1‧‧‧第一缺口
C2‧‧‧第二缺口
D‧‧‧汲極區
G‧‧‧閘極
S‧‧‧源極區
［第1、2圖］顯示根據本發明一實施例之功率元件之示意圖； ［第3、4圖］顯示根據本發明一實施例之功率元件之示意圖； ［第5圖］顯示根據本發明一實施例之閘極之示意圖；［第6、7圖］根據本發明一實施例之功率元件之示意圖； ［第8圖］顯示根據本發明一實施例之閘極之示意圖；［第9、10、11圖］顯示根據本發明一實施例之功率元件之示意圖； ［第12圖］顯示根據本發明一實施例中，功率元件應用於交替式穩壓裝置之示意圖。
10‧‧‧功率元件
11‧‧‧作用層
111‧‧‧上表面
112‧‧‧本體區
113‧‧‧漂移區
12‧‧‧第一電性連接結構
13‧‧‧第二電性連接結構
14‧‧‧導電層
D‧‧‧汲極區
G‧‧‧閘極
S‧‧‧源極區

Claims (7)

  1. 一種功率元件，其包含：一作用層，包含一本體區以及一漂移區，該本體區具有一第一導電型，該漂移區具有一第二導電型，該本體區與該漂移區於一橫向上鄰接，並沿一通道寬度方向形成一PN接面，該作用層具有一上表面；一閘極，形成於該上表面上，於一縱向上，該PN接面位於該閘極正下方；一源極區，具有該第二導電型，形成於該本體區與該上表面間之該作用層中；一汲極區，具有該第二導電型，形成於該漂移區與該上表面間之該作用層中；一第一電性連接結構，形成於該上表面上，用以電連接該源極區；一導電層，形成於該第一電性連接結構上，且藉由該第一電性連接結構以電連接該源極區；以及複數個第二電性連接結構，形成於該上表面上，於該縱向上，介於該漂移區與該導電層之間，用以電連接該漂移區與該導電層，且該第二電性連接結構與該漂移區形成至少一肖特基二極體，其中該複數個第二電性連接結構，沿著該通道寬度方向分散排列(separately arranged)，使得該功率元件於正常操作時(包括導通操作與不導通操作)，沿著該通道寬度方向，形成相連不切斷之一空乏區於該漂移區中，且該空乏區於該上表面下包圍環繞該複數個第二電性連接結構與該漂移區之接面；其中，於該橫向上，該第一電性連接結構與該複數個第二電性連接結構位於該閘極之兩側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率元件，其中該閘極於該漂移區上具有複數個第一缺口，該複數個第一缺口內分別容置該複數個第二電性連接結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之功率元件，又包含一場氧化層，該場氧化層於該縱向上，位於該漂移區以及該閘極之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之功率元件，其中該場氧化層，具有對應該複數個第二電性連接結構之複數個第二缺口，該複數個第二缺口位於該漂移區上，以容置該複數個第二電性連接結構。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之功率元件，又包含一第一導電型淺摻雜區，位於該場氧化層與該漂移區之間，且貼接於該場氧化層。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之功率元件，其中部分該閘極，形成於該上表面以及該場氧化層上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之功率元件，其中該功率元件用於一交替式穩壓裝置(Alternating regulator)，根據一輸入電壓以產生一供應電壓，該交替式穩壓裝置包含一上橋開關與一下橋開關，該下橋開關包含該功率元件。
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