TWI802321B - 橫向雙擴散金氧半導體裝置 - Google Patents
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Abstract
一種橫向雙擴散金氧半導體裝置，包括具有井區的基底、在井區內的體摻雜區、在體摻雜區內的體拾取區、在體拾取區兩側的體摻雜區內的源極區、汲極區、在汲極區與體摻雜區之間的厚氧化層、指狀閘極、導體結構以及閘絕緣層。厚氧化層定義出主動區。指狀閘極分別設置在源極區的外側的主動區上，其中每個指狀閘極包括數個分支部，分支部彼此平行排列並延伸至厚氧化層上。導體結構設置在分支部之間並橫跨主動區與厚氧化層，其中導體結構與指狀閘極電性絕緣。閘絕緣層位於指狀閘極與主動區之間以及位於導體結構與主動區之間。
Description
本發明是有關於一種半導體裝置，且特別是有關於一種橫向雙擴散金氧半導體（LDMOS）裝置。
橫向雙擴散金氧半導體裝置是一種廣泛用於開關穩壓器的裝置，因為其具有在特定導通電阻（Ron_sp）和汲極至源極的崩潰電壓（BVdss）之間取得平衡的性能。一般應用於高壓的橫向雙擴散金氧半導體元件在設計上，需要具備相當高的崩潰電壓，同時在操作時又要具有低導通電阻。
此外，除了直流（DC）特性，橫向雙擴散金氧半導體元件的交流（AC）特性在高頻操作方面也很重要，即其閘汲極電荷（Qgd）。在設計元件時，通常以特定導通電阻（Ron_sp）× 閘汲極電荷（Qgd）的大小為評量指標（Figure of Merit，FOM），此值代表的是元件功率消耗多寡。
因此，目前各界都著眼於如何設計出具有良好AC特性與DC特性的橫向雙擴散金氧半導體元件。
本發明提供一種橫向雙擴散金氧半導體裝置，能根據功率需求達到良好的AC特性與DC特性，亦即本發明可根據功率需求調整FOM且無須調整製程條件。
本發明的橫向雙擴散金氧半導體裝置，包括基底、體摻雜區、體拾取區、數個源極區、數個汲極區、厚氧化層、數個指狀閘極、數個導體結構以及閘絕緣層。基底具有井區，體摻雜區設置在所述井區內，且體拾取區設置在所述體摻雜區內。源極區分別設置在體拾取區兩側的體摻雜區內。汲極區分別設置在與體摻雜區相隔一第一距離的井區內。厚氧化層則設置在汲極區與體摻雜區之間，以定義出主動區，且厚氧化層與體摻雜區相隔一第二距離。指狀閘極分別設置在數個源極區的外側的主動區上，其中每個指狀閘極包括數個分支部，分支部平行排列並延伸至厚氧化層上。導體結構則設置在分支部之間並橫跨主動區與厚氧化層，其中所述導體結構與所述指狀閘極電性絕緣。閘絕緣層則位於指狀閘極與主動區之間以及位於導體結構與主動區之間。
在本發明的一實施例中，設置在兩個分支部之間的上述導體結構的數目為一個或數個。
在本發明的一實施例中，上述導體結構連接至源極電極。
在本發明的一實施例中，上述導體結構是電性浮動的（floating）。
在本發明的一實施例中，上述厚氧化層可由分離的數個區塊構成，且區塊之間的井區被定義為降低表面電場（Reduced Surface Field，RESURF）區，所述降低表面電場區平行排列在分支部與導體結構之間，並延伸至汲極區。
在本發明的一實施例中，上述導體結構與上述指狀閘極是相同材料。
在本發明的一實施例中，上述導體結構可以是n型多晶矽、p型多晶矽或未摻雜的多晶矽。
在本發明的一實施例中，上述源極區與上述汲極區為第一導電型之摻雜區，上述體摻雜區與上述體拾取區為第二導電型之摻雜區。
在本發明的一實施例中，上述基底為第二導電型之基底，且上述井區為第一導電型之井區。
在本發明的一實施例中，上述第一導電型是n型，上述第二導電型是p型。
基於上述，本發明的橫向雙擴散金氧半導體裝置包括指狀閘極與設置在指狀閘極的分支部之間的導體結構，由於導體結構與指狀閘極電性絕緣，所以指狀閘極能維持裝置的低特定導通電阻（Ron_sp），而導體結構能加速充電時間（charging time），因此可以根據操作電壓的範圍，改變導體結構的數目來得到適宜的FOM值。由於導體結構與指狀閘極可以利用相同的製程形成，所以只需改變佈局設計，無須調整製程條件或增加步驟，即可完成本發明的橫向雙擴散金氧半導體裝置的製作。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下實施例中所附的圖式是為了能更完整地描述本發明的實施例，然而本發明仍可使用許多不同的形式來實施，不限於所記載的實施例。此外，為了清楚起見，各個區域或膜層的相對厚度、距離及位置可能縮小或放大。另外，在圖式中使用相似或相同的元件符號表示相似或相同的部位或特徵的存在。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種橫向雙擴散金氧半導體裝置的俯視示意圖。圖2是沿圖1的II-II’線段的橫向雙擴散金氧半導體裝置的剖面示意圖。圖3是沿圖1的III-III’線段的橫向雙擴散金氧半導體裝置的剖面示意圖。
請同時參照圖1至圖3，第一實施例的橫向雙擴散金氧半導體裝置包括基底100、體摻雜區102、體拾取（pick-up）區104、數個源極區106、數個汲極區108、厚氧化層110、數個指狀閘極112、數個導體結構114以及閘絕緣層116。基底100具有井區101，井區101如為第一導電型之井區，基底100則是第二導電型之基底。體摻雜區102設置在井區101內，且體拾取區104設置在體摻雜區102內，其中體摻雜區102與體拾取區104為第二導電型之摻雜區，且體拾取區104的摻雜濃度大於體摻雜區102的摻雜濃度。源極區106分別設置在體拾取區104兩側的體摻雜區102內，且源極區106與汲極區108為第一導電型之摻雜區，源極區106會連接至源極電極（未示出）。在一實施例中，上述第一導電型是n型，上述第二導電型是p型；在另一實施例中，上述第一導電型是p型，上述第二導電型是n型。
請參照圖1，汲極區108分別設置在與體摻雜區102相隔一第一距離d1的井區101內，汲極區108會連接至汲極電極（未示出）。厚氧化層110則設置在汲極區108與體摻雜區102之間，以定義出主動區AA；也就是說，主動區AA包括體摻雜區102、體拾取區104、源極區106、汲極區108以及部分井區101所在的區域。所述厚氧化層110又稱為飄移氧化層（DOX），代表從汲極區108到閘極112之間的氧化層，其中厚氧化層110例如區域氧化（local oxidation of silicon，LOCOS）結構，亦可為淺溝槽絕緣（shallow trench isolation，STI）結構。在第一實施例中，厚氧化層110與體摻雜區102相隔一第二距離d2，亦即第二距離d2小於第一距離d1，且第一距離d1約等於第二距離d2加上厚氧化層110的寬度的總和，其中厚氧化層110的寬度是指厚氧化層110在橫向方向(例如與體拾取區104的延伸方向垂直的方向)上的大小。指狀閘極112則分別設置在源極區106的外側的主動區AA上，其中每個指狀閘極112包括數個分支部112a，這些分支部112a平行排列並延伸至厚氧化層110上。
請參照圖3，由於指狀閘極112(的分支部112a)從源極區106的外側延伸至厚氧化層110上，所以指狀閘極112的存在能使整體裝置具有低特定導通電阻（Ron_sp），且分支部112a覆蓋厚氧化層110的範圍可根據需求增加或減少，並不侷限在本實施例的圖式中。
請繼續參照圖1，導體結構114是設置在兩條分支部112a之間並橫跨主動區AA與厚氧化層110，且導體結構114與指狀閘極112電性絕緣。因此，由圖2的剖面圖來觀察導體結構114，可得到一個類似場板的結構，且在本實施例中，導體結構114連接至源極電極（未示出），但本發明並不限於此；在另一實施例中，導體結構114可為電性浮動的（floating）。若是以縮短充電時間的觀點來看，導體結構114較佳是連接至源極電極，亦即與源極區106等電位。下表1顯示本發明的橫向雙擴散金氧半導體裝置的各種性能的表現。
表1
表中的「1」代表與一整塊連續閘極的性能一樣；「↑」代表增加，越多箭號則增加程度越大；「↓」代表降低，越多箭號則降低程度越大。
| 指狀閘極的性能 | 導體結構的性能 | 本發明 | |
| 汲極電流(Ids) | 1 | ↓↓ | ↓ |
| 充電時間 | 1 | ↓↓↓ | ↓↓ |
| Ron_sp | 1 | ↑↑ | ↑ |
| FOM | 1 | ↓↓ | 可調整 |
從表1可得到，導體結構114能大幅降低充電時間，並且可通過改變指狀閘極112(的分支部112a)與導體結構114的數目比例，來調整充電時間與Ron_sp。因此，本發明的橫向雙擴散金氧半導體裝置具有可調整的FOM，詳細將於第二實施例說明。
另外，圖1顯示導體結構114與分支部112a的同一側邊是對齊的，但本發明並不限於此；在另一實施例中，導體結構114的長度可能更長或更短，例如導體結構114比分支部112a更接近汲極區108；或者，分支部112a比導體結構114更接近汲極區108。
若是以簡化製程的觀點來看，導體結構114與指狀閘極112可以是相同材料，採用相同的光罩與蝕刻製程。舉例來說，導體結構114可以是n型多晶矽、p型多晶矽或未摻雜的多晶矽，其中若指狀閘極112是n型多晶矽，則導體結構114也選用n型多晶矽的話，即可與指狀閘極112一起製作。相反地，導體結構114如為p型多晶矽或未摻雜的多晶矽，可能需要另行製作。
請同時參照圖1和圖2，閘絕緣層116是位於指狀閘極112與主動區AA之間以及位於導體結構114與主動區AA之間；亦即，閘絕緣層116是位於指狀閘極112與井區101之間，且閘絕緣層116是位於導體結構114與井區101之間。閘絕緣層116例如氧化矽層。
圖4是依照本發明的第二實施例的一種橫向雙擴散金氧半導體裝置的俯視示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同的部分與構件，且相同的部分與構件的相關內容也可參照第一實施例的內容，不再贅述。
請參照圖4，本實施例與第一實施例的差異在於，設置在兩個分支部112a之間的導體結構400、402的數目不只一個。由於FOM的定義是Ron_sp × 閘汲極電荷（Qgd），其中Qgd與閘極與汲極電容（Cgd）相關，Ron_sp 與指狀閘極112的分支部112a數量相關，所以增加導體結構402的數量能改變Cgd，從而改變Qgd，同時指狀閘極112的分支部112a數量減少會提高Ron_sp，進而達到調整FOM的效果。
圖5是依照本發明的第三實施例的一種橫向雙擴散金氧半導體裝置的俯視示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同的部分與構件，且相同的部分與構件的相關內容也可參照第一實施例的內容，不再贅述。
請參照圖5，本實施例與第一實施例的差異在於，厚氧化層可由分離的數個區塊500構成，且區塊500之間的井區101被定義為降低表面電場（Reduced Surface Field，RESURF）區502。RESURF區502能進一步降低第三實施例的橫向雙擴散金氧半導體裝置的Ron_sp。所述RESURF區502平行排列在分支部112a與導體結構114之間，並且RESURF區502還延伸至汲極區108。每個區塊500的長度可略大於導體結構114的長度，其中前述長度是指區塊500與導體結構114在縱向方向上的大小。
綜上所述，在本發明的橫向雙擴散金氧半導體裝置中，指狀閘極能維持裝置的低特定導通電阻，設置在指狀閘極的分支部之間的至少一個導體結構能加速充電時間，因此可以根據操作電壓的範圍，通過導體結構的數目多寡或者通過分支部與導體結構的數目比例來調整FOM。另外，若是導體結構與指狀閘極採用相同的製程置作，則無須調整製程條件或增加步驟，具有節省製造成本與時間的優勢。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:基底
101:井區
102:體摻雜區
104:體拾取區
106:源極區
108:汲極區
110:厚氧化層
112:指狀閘極
112a:分支部
114、400、402:導體結構
116:閘絕緣層
500:區塊
502:降低表面電場區
AA:主動區
d1:第一距離
d2:第二距離
圖1是依照本發明的第一實施例的一種橫向雙擴散金氧半導體裝置的俯視示意圖。
圖2是沿圖1的II-II’線段的橫向雙擴散金氧半導體裝置的剖面示意圖。
圖3是沿圖1的III-III’線段的橫向雙擴散金氧半導體裝置的剖面示意圖。
圖4是依照本發明的第二實施例的一種橫向雙擴散金氧半導體裝置的俯視示意圖。
圖5是依照本發明的第三實施例的一種橫向雙擴散金氧半導體裝置的俯視示意圖。
101:井區
102:體摻雜區
104:體拾取區
106:源極區
108:汲極區
110:厚氧化層
112:指狀閘極
112a:分支部
114:導體結構
AA:主動區
d1:第一距離
d2:第二距離
Claims (10)
- 一種橫向雙擴散金氧半導體裝置，包括： 基底，具有井區； 體摻雜區，設置在所述井區內； 體拾取區，設置在所述體摻雜區內； 數個源極區，分別設置在所述體拾取區兩側的所述體摻雜區內； 數個汲極區，分別設置在與所述體摻雜區相隔一第一距離的所述井區內； 厚氧化層，設置在所述數個汲極區與所述體摻雜區之間，以定義出主動區，且所述厚氧化層與所述體摻雜區相隔一第二距離； 數個指狀閘極，分別設置在所述數個源極區的外側的所述主動區上，其中每個所述指狀閘極包括數個分支部，所述數個分支部平行排列並延伸至所述厚氧化層上； 數個導體結構，設置在所述數個分支部之間並橫跨所述主動區與所述厚氧化層，其中所述數個導體結構與所述數個指狀閘極電性絕緣；以及 閘絕緣層，位於所述指狀閘極與所述主動區之間以及位於所述導體結構與所述主動區之間。
- 如請求項1所述的橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中設置在兩個所述分支部之間的所述導體結構的數目為一個或數個。
- 如請求項1所述的橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中所述數個導體結構連接至源極電極。
- 如請求項1所述的橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中所述數個導體結構是電性浮動的。
- 如請求項1所述的橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中所述厚氧化層由分離的數個區塊構成，且所述數個區塊之間的所述井區被定義為數個降低表面電場（RESURF）區，所述數個降低表面電場區平行排列在所述分支部與所述導體結構之間，並延伸至所述數個汲極區。
- 如請求項1所述的橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中所述數個導體結構與所述指狀閘極是相同材料。
- 如請求項1所述的橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中所述數個導體結構為n型、p型或未摻雜的多晶矽。
- 如請求項1所述的橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中所述源極區與所述汲極區為第一導電型之摻雜區，所述體摻雜區與所述體拾取區為第二導電型之摻雜區。
- 如請求項8所述的橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中所述基底為所述第二導電型之基底，且所述井區為所述第一導電型之井區。
- 如請求項8所述的橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中所述第一導電型為n型，所述第二導電型為p型。
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