專利名稱：具位於主動(dòng)胞元陣列外的屏蔽電極和較小閘極－汲極電容的電晶體排列的制作方法
發(fā)明說明本發(fā)明是一種晶體管排列，此種晶體管排列至少具有一個(gè)由設(shè)置在基板內(nèi)的至少一個(gè)晶體管胞元構(gòu)成的主動(dòng)胞元數(shù)組，以及一個(gè)至少是逐段將主動(dòng)胞元數(shù)組環(huán)繞住的邊緣區(qū)，此種晶體管排列具有以下特征--基板具有一個(gè)基板表面，且在基板的背面另有一個(gè)與此基板表面平行的基板背面，--晶體管胞元具有一個(gè)閘極，此閘極與基板之間有一個(gè)絕緣層(12)使二者彼此絕緣，--邊緣區(qū)具有一個(gè)與閘極形成導(dǎo)電連接的可導(dǎo)電的邊緣柵結(jié)構(gòu)，--在基板內(nèi)有一個(gè)與晶體管排列的汲極金屬層形成導(dǎo)電連接的汲極區(qū)。
本發(fā)明之晶體管排列尤其適用于溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管，此種溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管可利用在數(shù)伏特范圍的控制電壓控制電流強(qiáng)度很大(可大至數(shù)十安培)的開關(guān)電流，在接通的負(fù)荷電路內(nèi)的介電強(qiáng)度大至數(shù)百伏特，且開關(guān)時(shí)間通常在1微秒以內(nèi)。
溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管通常是由一個(gè)具有一個(gè)主動(dòng)胞元區(qū)及一個(gè)被動(dòng)邊緣區(qū)的半導(dǎo)體本體構(gòu)成，其中在主動(dòng)胞元區(qū)內(nèi)有多個(gè)以并聯(lián)方式排列在一起的溝槽式晶體管胞元。
利用不同的溝槽式晶體管胞元即可形成如自導(dǎo)電型及自鎖型p溝道-溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管及/或n溝道-溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管。
圖2所示的是一個(gè)自鎖型n溝道-溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(1)的一個(gè)單一的傳統(tǒng)型溝槽式晶體管胞元(3)的簡(jiǎn)化斷面圖。在本例中，溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(1)的半導(dǎo)體基板(6)是由一個(gè)形成汲極區(qū)(16)的強(qiáng)n型摻雜(n++型摻雜)的基底構(gòu)成。在汲極區(qū)(16)之上有一個(gè)以外延法而得的弱n型摻雜(n-型摻雜)的漂移區(qū)(24)。
漂移區(qū)(24)分別與p型摻雜的擴(kuò)散區(qū)及n++型摻雜的擴(kuò)散區(qū)形成導(dǎo)電連接。p型摻雜的擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成溝槽式晶體管胞元(3)的溝道區(qū)(27)，n++型摻雜的擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成溝槽式晶體管胞元(3)的源極區(qū)(26)。在擴(kuò)散區(qū)內(nèi)有一個(gè)內(nèi)表面覆有一層?xùn)艠O氧化物的溝槽(9)，并以構(gòu)成閘極(10)的多晶硅材料將溝槽(9)填滿。
閘極(10)與溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的一條柵極連接線形成導(dǎo)電連接，源極區(qū)(26)與溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的一條源極連接線形成導(dǎo)電連接?；灞砻?7)上有一層使源極區(qū)(26)與門極(10)與位于其上的金屬層絕緣的場(chǎng)氧化層(18)。在位于基板表面(7)背面的基板背面(8)與半導(dǎo)體本體(23)的汲極區(qū)(16)的相接處有一層汲極金屬層(15)。
在無電壓狀態(tài)下，可導(dǎo)電的源極區(qū)(26)被p型摻雜的溝道區(qū)(27)與汲極區(qū)(16)隔開。如果對(duì)閘極(10)施以一正電位偏置，則在溝道區(qū)(27)內(nèi)直接與柵極氧化物(25)相鄰處的少數(shù)載流子(在此狀態(tài)下為電子)的數(shù)量就會(huì)增加。若閘極(10)的正電位偏置升高，則在原來的p型導(dǎo)電溝道區(qū)(27)內(nèi)會(huì)形成一個(gè)n型導(dǎo)電溝道(29)(逆轉(zhuǎn))。
當(dāng)源極區(qū)及汲極區(qū)之間的電流強(qiáng)度變大，半導(dǎo)體本體的溫度會(huì)升高，而溝道區(qū)內(nèi)載流子的活動(dòng)性則會(huì)降低。這個(gè)效應(yīng)可以使溝槽式晶體管胞元能夠以比較簡(jiǎn)單的方式被并聯(lián)接通。例如在接通狀態(tài)下有一較大的電流流經(jīng)并聯(lián)的溝槽式晶體管胞元中的某一個(gè)溝槽式晶體管胞元，導(dǎo)致這個(gè)溝槽式晶體管胞元的溫度升的較高。由于溫度升高，導(dǎo)致溝道區(qū)內(nèi)載流子的活動(dòng)性降低，使溝槽式晶體管胞元的電阻變大(高奧姆性)。因此電流就會(huì)流向其它溫度較低的并聯(lián)溝槽式晶體管胞元。
在溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的半導(dǎo)體本體內(nèi)，溝槽式晶體管胞元通常是由一個(gè)伸得很長(zhǎng)的溝槽構(gòu)成。在前面說明的方式中，可以由多個(gè)排列在一起的溝槽組成一個(gè)主動(dòng)胞元數(shù)組。
可以接通到溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的最大電流強(qiáng)度是由并聯(lián)的溝槽式晶體管胞元的漏源電阻(RDS(ON))決定。最小開關(guān)時(shí)間或最大工作頻率主要是由柵極參數(shù)輸入電阻(RG)及輸入電容(CISS)決定。
輸入電阻主要來自于溝槽內(nèi)閘極的電阻，另外還有一小部分是來自溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的柵極連接線及溝槽內(nèi)閘極之間的電阻。輸入電容(CISS)是由柵源電容(CGS)與門極-汲極電容(CGD)相加而得。
圖2的溝槽式晶體管胞元排列在閘極(10)及漂移區(qū)(24)所屬的汲極連接線之間的電容很高，這是因?yàn)槠茀^(qū)(24)與門極(10)是隔著一層很薄的柵極氧化物(25)相對(duì)而立。
WO98/0295(Franke et al)提出一種在基板表面上方設(shè)有閘極的金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管，這種晶體管的開關(guān)時(shí)間及開關(guān)損耗是由閘極-汲極電容(CGD)的縮小造成的。同時(shí)除了閘極外，還設(shè)有一個(gè)與金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的源極連接線形成導(dǎo)電連接的場(chǎng)電極。這個(gè)場(chǎng)電極的作用是屏蔽閘極上的電荷，使其不受漂移區(qū)的影響，并縮小閘極及漂移區(qū)彼此相對(duì)而立所在的表面的面積。
US 5283201(Tsang et al)提出一種具有設(shè)置在溝槽之半導(dǎo)體基板內(nèi)的閘極的溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管，在這種晶體管的閘極下方另外設(shè)有一個(gè)以閘極的材料制成，并與閘極絕緣的區(qū)域。
利用US 5283201(Tsang et al)提出的設(shè)計(jì)方法，以及進(jìn)一步縮小主動(dòng)胞元數(shù)組內(nèi)的結(jié)構(gòu)，可以縮短金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的開關(guān)時(shí)間，因此在開關(guān)時(shí)間內(nèi)發(fā)生在金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的主動(dòng)胞元數(shù)組內(nèi)的開關(guān)損耗也會(huì)跟著降低。
由于開關(guān)損耗會(huì)使具有金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的電路(例如電機(jī)控制器或變壓器的電路)的效用降低，因此有必要對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管做進(jìn)一步的改良，使其具有更好的開關(guān)特性，及降低其開關(guān)損耗。
本發(fā)明的目的是提出一種經(jīng)過改良的晶體管排列，由于這種晶體管排列具有較低的閘極-汲極電容，因此其開關(guān)特性優(yōu)于傳統(tǒng)型晶體管排列。
具有本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍1的特征的晶體管排列即可達(dá)到本發(fā)明的目的。從屬于申請(qǐng)專利范圍1的其它申請(qǐng)范圍均為本發(fā)明之晶體管排列的其它有利實(shí)施方式。
本發(fā)明的晶體管排列是經(jīng)由一個(gè)屏蔽電極使閘極-汲極電容降低，這個(gè)屏蔽電極至少是設(shè)置在環(huán)繞主動(dòng)胞元數(shù)組的邊緣區(qū)的一個(gè)邊緣柵結(jié)構(gòu)及一個(gè)汲極區(qū)之間的段落上。
邊緣區(qū)的作用是作為晶體管胞元閘極的觸點(diǎn)接通，在新的設(shè)計(jì)方式中亦作為場(chǎng)電極的觸點(diǎn)接通之用。因此有必要將晶體管胞元的長(zhǎng)度延伸至主動(dòng)胞元數(shù)組之外。為了降低柵極輸入電阻，故將邊緣區(qū)內(nèi)通常是以強(qiáng)摻雜的多晶硅材料制成的閘極擴(kuò)大為平面的邊緣柵結(jié)構(gòu)，并經(jīng)由多個(gè)通孔與一個(gè)柵極金屬層形成導(dǎo)電連接。
平面的邊緣柵結(jié)構(gòu)在邊緣區(qū)內(nèi)形成平面閘極-汲極電容(CISS(Rand))的第一個(gè)電極，其對(duì)電極則形成漂移區(qū)。將邊緣區(qū)的閘極-汲極電容(CISS(Rand))加上主動(dòng)胞元數(shù)組內(nèi)晶體管胞元的閘極-汲極電容(CISS(Feld))就可得出總輸入電容(CISS)，寫成計(jì)算式就是CISS＝CISS(Rand)+CISS(Feld)。因此主動(dòng)胞元數(shù)組的閘極-汲極電容占總輸入電容的比例愈低，邊緣區(qū)的閘極-汲極電容占晶體管排列的總閘極-汲極電容的比例就愈高。在經(jīng)過最優(yōu)化的傳輸損耗設(shè)計(jì)的溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管中，由邊緣區(qū)的閘極-汲極電容構(gòu)成的邊緣部分所占的份量通常會(huì)由于主動(dòng)胞元數(shù)組的面積很大而變的很小。但由于在新的設(shè)計(jì)方式中，即使是在主動(dòng)胞元數(shù)組變得小很多的情況下也可以達(dá)到在接通狀態(tài)下同樣的柵源電阻(RDS(ON))，因此這種金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的開關(guān)特性受閘極-汲極電容的邊緣部分的影響會(huì)跟著變大。
因此環(huán)繞主動(dòng)胞元數(shù)組邊緣區(qū)及金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的其它周邊區(qū)域的閘極-汲極電容占總閘極-汲極電容的比重就會(huì)上升。
大功率晶體管的開關(guān)特性通常是由開關(guān)時(shí)間決定，所謂開關(guān)時(shí)間代表的意義是指在多長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)大功率晶體管的漏源段可以從接通狀態(tài)變塑鎖狀態(tài)(或是從閉鎖狀態(tài)變成接通狀態(tài))。開關(guān)時(shí)間決定了大功率晶體管的工作頻率。另一方面，大功率晶體管的開關(guān)特性也可以用切換期間在半導(dǎo)體本體結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生及必須引出的開關(guān)損耗來代表。但這兩者其實(shí)沒有很大的差別，因?yàn)殚_關(guān)損耗主要也是由開關(guān)時(shí)間決定。
開關(guān)時(shí)間是由一個(gè)時(shí)間常數(shù)決定，這個(gè)時(shí)間常數(shù)是由閘極的輸入電阻與門極上的一個(gè)電荷(QG)決定，電荷(QG)的大小會(huì)隨著一個(gè)可變的輸入電容(CISS)而變化。輸入電容(CISS)是由大功率晶體管的柵源電容與門極-汲極電容相加而得。由于在溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的新的設(shè)計(jì)方式中，主動(dòng)胞元數(shù)組內(nèi)的閘極-汲極電容已經(jīng)因場(chǎng)電極的設(shè)置而大幅降低，因此這種溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的閘極-汲極電極在相當(dāng)大的程度上是由邊緣電容來決定，也就是介于設(shè)置在環(huán)繞主動(dòng)胞元數(shù)組的邊緣區(qū)內(nèi)的一個(gè)邊緣柵結(jié)構(gòu)及溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的半導(dǎo)體本體內(nèi)的一個(gè)漂移區(qū)之間的邊緣電容。
光是縮小邊緣柵結(jié)構(gòu)的面積雖然可以降低輸入電容，但是也會(huì)導(dǎo)致輸入電阻變大。如果不是縮小邊緣柵結(jié)構(gòu)的面積，而是在邊緣柵結(jié)構(gòu)及汲極區(qū)之間設(shè)置屏蔽電極，則不但可以降低邊緣區(qū)內(nèi)的閘極-汲極電容，而且也不會(huì)使通往閘極的連接線的電阻變大。
這種屏蔽電極經(jīng)由絕緣層與邊緣柵結(jié)構(gòu)及汲極區(qū)及/或基板絕緣。這個(gè)絕緣層可以是一個(gè)單一的氧化物層，或是由多個(gè)絕緣層構(gòu)成的多層絕緣系統(tǒng)。
屏蔽電極最好是與主動(dòng)胞元數(shù)組內(nèi)的場(chǎng)電極形成導(dǎo)電連接，這樣在主動(dòng)胞元數(shù)組及邊緣區(qū)的屏蔽就會(huì)產(chǎn)生相同的屏蔽電位。
在本發(fā)明的晶體管排列的一種有利的實(shí)施方式中，屏蔽電極至少有一部分與溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的場(chǎng)電極和源極金屬層形成導(dǎo)電連接。這樣邊緣區(qū)的閘極-汲極電容就會(huì)轉(zhuǎn)變成柵源電容和源漏電容。這種實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)在于柵源電容和源漏電容對(duì)于溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的開關(guān)特性的影響遠(yuǎn)小于閘極-汲極電容造成的影響。
在本發(fā)明的晶體管排列的另外一種有利的實(shí)施方式中，屏蔽電極與一個(gè)控制排列形成導(dǎo)電連接。經(jīng)由這個(gè)控制排列可以控制屏蔽電極上的電位，以便支持屏蔽作用或開關(guān)操作過程。這個(gè)控制排列可以設(shè)置在晶體管排列的半導(dǎo)體本體的其它區(qū)域內(nèi)。另外一種可類方式是，將屏蔽電極與晶體管排列上的一條額外增加的接線形成導(dǎo)電連接，以便在必要時(shí)經(jīng)由這條接線傳送一個(gè)能夠使本發(fā)明的晶體管排列的屏蔽特性及/或開關(guān)特性達(dá)到最佳化的適當(dāng)?shù)挠嵦?hào)。
本發(fā)明的晶體管排列最好是具有一個(gè)至少將主動(dòng)胞元數(shù)組環(huán)繞住一部分的柵極環(huán)作為基板表面上方的邊緣柵結(jié)構(gòu)，此柵極環(huán)是以強(qiáng)摻雜的多晶硅材料制成，位于柵極環(huán)下方的是一個(gè)經(jīng)由一個(gè)絕緣層與柵極環(huán)絕緣的屏蔽電極。這種由柵極環(huán)及屏蔽電極構(gòu)成的組合不但可以使輸入電阻降低，也可以使輸入電容降低。
最好是以摻雜的多晶硅材料來制作平面狀的屏蔽電極，并將屏蔽電極設(shè)置在基板表面及邊緣柵結(jié)構(gòu)之間，同時(shí)在邊緣柵結(jié)構(gòu)及屏蔽電極之間至少隔著一層將二者絕緣的絕緣層。就制造上的便利性來看，這種將摻雜的多晶硅材料制成的平面狀屏蔽電極設(shè)置在基板表面上的方式具有很大的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)樵谥圃炀哂袌?chǎng)電極的一般溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管時(shí)，可以一并制造出這個(gè)以多晶硅材料制成的平面層(屏蔽電極)及場(chǎng)電極的觸點(diǎn)接通所需的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的晶體管排列的另外一種有利的實(shí)施方式是經(jīng)由基板的摻雜使屏蔽電極位于邊緣結(jié)構(gòu)下方的一個(gè)區(qū)域。構(gòu)成屏蔽電極的這個(gè)區(qū)域具有一個(gè)導(dǎo)電類型摻雜，這個(gè)導(dǎo)電類型摻雜與其周圍的基板的導(dǎo)電類型摻雜是相反的。溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管邊緣區(qū)的基板摻雜常與漂移區(qū)的摻雜相同。
在n型溝道金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管中，這是一種弱的n-型摻雜。相對(duì)的，屏蔽電極所在的區(qū)域就具有一個(gè)p型摻雜。由于在制造溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的制程中，漂移區(qū)至少在形成溝道區(qū)及源極區(qū)時(shí)均不需進(jìn)行植入步驟，因此利用這種方式制作屏蔽電極在制程上并不會(huì)麻煩。
本發(fā)明的晶體管排列的另外一種有利的實(shí)施方式是將多晶硅材料制的邊緣結(jié)構(gòu)的范圍大幅縮小，并作為柵結(jié)構(gòu)設(shè)置在金屬層內(nèi)。由于構(gòu)成金屬層的金屬(鋁)的比電阻小于摻雜的多晶硅材料的比電阻，因此在相同的電阻下，這些結(jié)構(gòu)的面積可以變得較小。這個(gè)金屬層是設(shè)置在一個(gè)由氧化物構(gòu)成的絕緣層上，同時(shí)基于功能上的考量，這個(gè)絕緣層所在的位置通常與其它的層非?？拷?br> 前面都是以溝槽式晶體管胞元為例來說明本發(fā)明的晶體管排列。其實(shí)本發(fā)明的晶體管排列的應(yīng)用范圍亦可以類似的方式擴(kuò)展至IGBT，也就是具有平面結(jié)構(gòu)及汲極--上結(jié)構(gòu)(Drain-Up-Struktur)的晶體管排列。
此外，本發(fā)明的方式亦可應(yīng)用于自導(dǎo)電型及自鎖型p溝道晶體管胞元及n溝道晶體管胞元。
以下配合圖式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，各圖式中相同的組件均使用相同的標(biāo)號(hào)。


圖1本發(fā)明之第一種實(shí)施方式的晶體管排列的主動(dòng)胞元區(qū)及邊緣區(qū)之間的簡(jiǎn)化斷面示意圖。
圖2一種溝槽式晶體管胞元的簡(jiǎn)化斷面示意圖。
圖3一種溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的簡(jiǎn)化上視示意圖。
圖4一種傳統(tǒng)型晶體管排列的邊緣區(qū)的部分?jǐn)嗝媸疽鈭D。
圖5本發(fā)明之第二種實(shí)施方式的晶體管排列的邊緣區(qū)的簡(jiǎn)化斷面示意圖。
圖6本發(fā)明之第三種實(shí)施方式的晶體管排列的邊緣區(qū)的簡(jiǎn)化斷面示意圖。
圖7柵源電壓(UGS)對(duì)柵電荷(QG)的特性曲線族。
關(guān)于圖2已在本文開頭處說明過。
圖1顯示一種作為溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的晶體管排列(1)，從圖1中可看到此種晶體管排列的源極連接線、汲極連接線、柵極連接線、以及具有垂直雙重?cái)U(kuò)散溝槽結(jié)構(gòu)的n型溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET(VDMOSET垂直雙重?cái)U(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。從圖1中可看出，與汲極連接線形成導(dǎo)電連接的汲極金屬層(15)是設(shè)置在基板(6)的基板背面(8)上。在基板內(nèi)，有一個(gè)n++摻雜的汲極區(qū)(16)與汲極金屬層(15)形成導(dǎo)電連接。n++摻雜的汲極區(qū)(16)的一面與汲極金屬層(15)形成導(dǎo)電連接，另一面則與一個(gè)漂移區(qū)(24)形成導(dǎo)電連接。溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的閉鎖操作會(huì)在漂移區(qū)(24)內(nèi)形成一個(gè)空間電荷區(qū)，這個(gè)空間電荷區(qū)的范圍會(huì)在很大程度上決定溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的最大反向電壓。這個(gè)空間電荷區(qū)具有比汲極區(qū)(16)弱的n型摻雜。
在主動(dòng)場(chǎng)胞元(2)內(nèi)的基板(6)內(nèi)設(shè)有溝槽(9)。在圖1的實(shí)施方式中，溝槽(9)是向重直于圖1所示之?dāng)嗝娴姆较蜓由?。溝?9)內(nèi)部襯有第一個(gè)絕緣層(12)。絕緣層(12)使設(shè)置在溝槽(9)內(nèi)的閘極(10)和場(chǎng)電極(11)與基板絕緣。閘極(10)和場(chǎng)電極(11)彼此被第二個(gè)絕緣層(13)隔開。位于溝槽(9)之間、大致與閘極(10)對(duì)立的溝道區(qū)(27)連接在基板(6)的漂移區(qū)(24)上。源極區(qū)(26)位于溝道區(qū)(27)及基板表面(7)之間。場(chǎng)電極(11)可以降低閘極(10)和漂移區(qū)(24)之間的電容。源極金屬層(21)經(jīng)由通孔(28)與源極區(qū)(26)形成導(dǎo)電連接，源極金屬層(21)與閘極(10)之間則隔著一個(gè)中間絕緣層(19)。制造閘極(10)和場(chǎng)電極(11)的材料均為強(qiáng)摻雜的多晶硅材料。可以在閘極(10)內(nèi)增設(shè)一個(gè)附加層(例如增設(shè)一個(gè)硅化物層)以提高閘極(10)的導(dǎo)電性。具有閘極(10)和場(chǎng)電極(11)的溝槽(9)與相鄰的基板(6)的摻雜區(qū)共同構(gòu)成一個(gè)延伸至汲極區(qū)(16)的溝槽式晶體管胞元(3)。
如果對(duì)這種溝槽式晶體管胞元(3)的閘極(10)施以一正電位，則在與閘極(10)在柵極氧化物(25)范圍的絕緣層(12)相對(duì)而立的p型摻雜的溝道區(qū)(27)內(nèi)會(huì)自p型摻雜的溝道區(qū)(27)加的少數(shù)載流子(電子)形成一個(gè)n型導(dǎo)電的反向溝道。
在溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(1)的邊緣區(qū)(4)內(nèi)一方面會(huì)形成設(shè)置在溝槽(9)內(nèi)的場(chǎng)電極(11)與源極金屬層(21)的觸點(diǎn)接通，另一方面還會(huì)形成設(shè)置在溝槽(9)內(nèi)的閘極(10)與柵極金屬層(20)的觸點(diǎn)接通。此外，在圖1中的邊緣區(qū)(4)也顯示一種屏蔽電極(17)的實(shí)施方式。
設(shè)置在溝槽(9)內(nèi)的場(chǎng)電極(11)的觸點(diǎn)接通形成于在垂直方向上與第一個(gè)斷面(I)平行的第二個(gè)斷面(II)。如斷面(II)所示，由于在垂直于斷面(I)的溝槽(9)內(nèi)的閘極(10)的長(zhǎng)度并未延伸至整個(gè)溝槽(9)的長(zhǎng)度，因此場(chǎng)電極(11)的觸點(diǎn)接通會(huì)在溝槽(9)的一個(gè)終端區(qū)內(nèi)形成。每一個(gè)突出于基板表面(7)之外的場(chǎng)電極(11)均與源極金屬層(21)形成導(dǎo)電連接，而且還會(huì)形成一個(gè)延伸至基板表面(7)上方的屏蔽電極(17)。
在介于第一個(gè)斷面(I)及第二個(gè)斷面(II)之間的另外一個(gè)斷面(III)內(nèi)，閘極(10)與一個(gè)邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)形成導(dǎo)電連接。邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)與柵極金屬層(20)形成導(dǎo)電連接。在本實(shí)施方式中，邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)及屏蔽電極(17)都是以摻雜的多晶硅材料制成。源極金屬層(21)、柵極金屬層(20)、屏蔽電極(17)、以及基板(6)彼此隔著第一個(gè)絕緣層(場(chǎng)氧化物層，18)、第二個(gè)絕緣層(中間氧化物層，19)、以及另外一個(gè)絕緣層(13)。
在本實(shí)施方式中，溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(1)的閘極-汲極電容經(jīng)由設(shè)置在主動(dòng)胞元數(shù)組(2)內(nèi)的場(chǎng)電極(11)降低至一適當(dāng)?shù)某潭?，使得能夠?jīng)由設(shè)置在溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(1)邊緣區(qū)(4)的汲極區(qū)(16)、漂移區(qū)(24)、以及邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)之間的屏蔽電極(17)明顯改善溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(1)的開關(guān)特性。
圖3顯示溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(1)的部分表面的上視圖。溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(1)至少具有一個(gè)被邊緣區(qū)(4)環(huán)繞住的主動(dòng)胞元數(shù)組(2)。主動(dòng)胞元數(shù)組(2)具有含溝槽(9)的溝槽式晶體管胞元(3)，這些溝槽(9)依次設(shè)置在主動(dòng)胞元數(shù)組(2)內(nèi)。溝槽(9)延伸至邊緣區(qū)(4)或是經(jīng)由本身的端子板形成導(dǎo)電連接，設(shè)置在溝槽(9)內(nèi)的閘極(10)及/或場(chǎng)電極(11)在這些端子板內(nèi)形成觸點(diǎn)接通。為了降低通往閘極(10)的引線的電阻，邊緣區(qū)(4)具有一個(gè)以摻雜的多晶硅材料制成的邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)，且邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)及設(shè)置在溝槽(9)內(nèi)的閘極(10)之間可接通導(dǎo)電。設(shè)置在溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(1)表面上的柵極金屬層(20)可以經(jīng)由通孔(28)與至少隔著一個(gè)絕緣層的邊緣柵結(jié)構(gòu)形成導(dǎo)電連接。
圖4顯示一種傳統(tǒng)型晶體管排列的邊緣區(qū)(4)的部分?jǐn)嗝媸疽鈭D。從圖4中可看出，在漂移區(qū)(24)上方有一個(gè)場(chǎng)氧化物層(18)。場(chǎng)氧化物層(18)使漂移區(qū)(24)與逐段設(shè)置在場(chǎng)氧化物層(18)上的邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)絕緣。另外一個(gè)絕緣層(中間氧化物層，19)則使邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)與另外一個(gè)可導(dǎo)電的源極金屬層(21)絕緣。柵極金屬層(20)可經(jīng)由通孔(28)與位于其下方、通常是由摻雜的多晶硅材料制成的邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)形成導(dǎo)電連接。
邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)會(huì)經(jīng)由位于其間的場(chǎng)氧化物層(18)及位于下方的漂移層(24)形成一個(gè)會(huì)對(duì)晶體管排列的開關(guān)特性造成不利影0的電容CGD。
圖5顯示一種按照本發(fā)明的第二種實(shí)施方式制作成溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的晶體管排列的一個(gè)邊緣區(qū)(4)。圖5的晶體管排列與圖4的晶體管排列的不同處是，在位于漂區(qū)(24)上方的場(chǎng)氧化物層(18)上逐段設(shè)有一個(gè)與源極金屬層(21)形成導(dǎo)電連接的屏蔽電極(17)。邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)的一邊與屏蔽電極(17)之間隔著一個(gè)絕緣層(13)，另一邊則經(jīng)由通孔(28)與柵極金屬層(20)形成導(dǎo)電連接。在本實(shí)施方式的晶體管排列中，介于邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)及漂移區(qū)(24)之間的電容會(huì)經(jīng)由屏蔽電極(17)被轉(zhuǎn)換為邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)及屏蔽電極(17)之間的電容，也就是被轉(zhuǎn)換成柵極連接線及源極連接線之間的電容。這個(gè)轉(zhuǎn)換后的電容對(duì)溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的開關(guān)特性的影響遠(yuǎn)小于柵極連接線及汲極連接線之間的電容造成的影響。
圖6顯示一種制成溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的晶體管排列的一個(gè)邊緣區(qū)(4)。在邊緣區(qū)(4)內(nèi)設(shè)有按照本發(fā)明的第三種實(shí)施方式制作的屏蔽電極(17，22)。在本實(shí)施方式中，屏蔽電極(17，22)是作為n-型摻雜的漂移區(qū)(24)內(nèi)位于基板表面(7)下方的一個(gè)p型摻雜區(qū)域。
圖7顯示溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的不同種類的邊緣區(qū)的柵源電壓(UGS)對(duì)柵電荷(QG)的特性曲線族。如果以一個(gè)固定不變的充電電流對(duì)一個(gè)未充電的閘極充電，以提高這個(gè)閘極的負(fù)載，則在第一個(gè)階段A，柵極和源極之間的電位會(huì)以近似直線的方式上升。
繼續(xù)充電至第二個(gè)階段B只會(huì)對(duì)柵極和源極之間的電位差造成極微小的改變。在階段B，溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的的源漏段的進(jìn)一步導(dǎo)通會(huì)先被延遲。階段B中走勢(shì)平緩的特性曲線段被稱為密勒高原(Miller-Plateau)，其長(zhǎng)度是MOS晶體管開關(guān)操作過程的時(shí)間的一個(gè)指標(biāo)。
在第三個(gè)階段C，對(duì)閘極的充電與柵極和源極之間的電位之間的關(guān)系又回復(fù)至近似直線的關(guān)系。密勒高原(Miller-Plateau)的長(zhǎng)度會(huì)隨著閘極-汲極電容的大小而變化。閘極-汲極電容愈大，密勒高原(Miller-Plateau)的長(zhǎng)度就愈長(zhǎng)，因此也就必須對(duì)閘極充更多的電。
特性曲線a描述一個(gè)理想化的溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的行為，這種溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管只具有一個(gè)沒有邊緣區(qū)的主動(dòng)胞元數(shù)組，并在其溝槽式晶體管胞元內(nèi)設(shè)有場(chǎng)電極。
特性曲線b描述一個(gè)傳統(tǒng)式的溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的行為，這種溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管具有一個(gè)與基板隔著一個(gè)場(chǎng)氧化物層(絕緣層)的邊緣柵結(jié)構(gòu)。
特性曲線c描述本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的行為，在這種溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的邊緣柵結(jié)構(gòu)與基板之間設(shè)有一個(gè)以多晶硅材料制成的屏蔽電極。
特性曲線d描述一個(gè)溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管的柵源電壓與柵極負(fù)載之間的關(guān)系，在這種溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管中，邊緣柵結(jié)構(gòu)被縮小成一個(gè)柵極金屬層。這個(gè)柵極金屬層與屏蔽電極之間隔著一個(gè)中間氧化物層(中間絕緣層)，而蔽電極與基板之間隔著一個(gè)場(chǎng)氧化物層(中間絕緣層)。
標(biāo)號(hào)說明1 溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體大功率晶體管(晶體管排列)2 主動(dòng)胞元數(shù)組3 (溝槽式)晶體管胞元4 邊緣區(qū)5 溝道6 基板7 基板表面8 基板背面9 溝槽10 閘極11 場(chǎng)電極12 絕緣層13 場(chǎng)電極上的絕緣層14 邊緣柵結(jié)構(gòu)15 汲極金屬層16 汲極區(qū)17 屏蔽電極18 場(chǎng)氧化物層(FOX)19 中間氧化物層(ZWOX)20 柵極金屬層21 源極金屬層22 槽23 半導(dǎo)體本體24 漂移區(qū)25 柵極氧化物26 源極區(qū)27 溝道區(qū)通孔
權(quán)利要求
1.一種電晶體排列(1)，此種電晶體排列至少具有一個(gè)由設(shè)置在基板(6)內(nèi)的至少一個(gè)電晶體胞元(3)構(gòu)成的主動(dòng)胞元陣列(2)，以及一個(gè)至少是逐段將主動(dòng)胞元陣列(2)環(huán)繞住的邊緣區(qū)(4)，其中--基板(6)具有一個(gè)基板表面(7)，且在基板的背面另有一個(gè)與此基板表面(7)相對(duì)的基板背面(8)，--電晶體胞元(1)具有一個(gè)閘極(10)，此閘極(10)與該基板(6)之間有一個(gè)絕緣層(12)使二者彼此絕緣，--該邊緣區(qū)(4)具有一個(gè)與該閘極(10)形成導(dǎo)電連接的可導(dǎo)電的邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)，以及--該基板內(nèi)(6)設(shè)有一個(gè)汲極區(qū)(16)，其特征為至少具有一個(gè)屏蔽電極(17)，此屏蔽電極(17)至少是逐段設(shè)置在該邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)及該汲極區(qū)(16)之間。
2.如權(quán)利要求1項(xiàng)的電晶體排列，其特征為該電晶體胞元(1)是沿著一個(gè)溝槽(9)伸展，且該閘極(10)是設(shè)置在該溝槽(9)內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2項(xiàng)的電晶體排列，其特征為在該溝槽(9)內(nèi)的該閘極(10)下方設(shè)有一個(gè)方向朝基板背面(8)的該場(chǎng)電極(11)，且該場(chǎng)電極(11)與該閘極(10)和該基板(6)之間隔著絕緣層(12，13)。
4.如權(quán)利要求1-3項(xiàng)中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為該主動(dòng)胞元陣列(2)內(nèi)設(shè)有多個(gè)電晶體胞元(3)。
5.如權(quán)利要求1-4項(xiàng)中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為該電晶體胞元(3)是制作成條帶狀。
6.如權(quán)利要求5項(xiàng)的電晶體排列，其特征為該條帶狀的電晶體胞元(3)是依次平行排列。
7.如權(quán)利要求1-6項(xiàng)中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為所設(shè)置的至少一個(gè)屏蔽電極(17)與場(chǎng)電極(11)形成導(dǎo)電連接。
8.如權(quán)利要求1-7項(xiàng)中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為所設(shè)置的至少一個(gè)屏蔽電極(17)與該電晶體排列(1)的一個(gè)源極金屬層形成導(dǎo)電連接。
9.如權(quán)利要求1-7項(xiàng)中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為所設(shè)置的至少一個(gè)屏蔽電極(17)與一個(gè)控制排列形成導(dǎo)電連接，經(jīng)由這個(gè)控制排列可以控制該屏蔽電極(17)的電位，同 經(jīng)由這個(gè)被控制的該屏蔽電極(17)的電位可以對(duì)該邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)及該汲極區(qū)(16)之間的訊號(hào)串?dāng)_產(chǎn)生消除的作用。
10.如權(quán)利要求1-9項(xiàng)中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為以多晶矽材料制作的柵極環(huán)作為至少將主動(dòng)胞元陣列(2)環(huán)繞住一部分的該邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)。
11.如權(quán)利要求1-10項(xiàng)中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為將以摻雜的多晶矽材料制成的平面層狀的屏蔽電極(17)設(shè)置在基板表面(7)及邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)之間，并經(jīng)由絕緣層(18，19，13)與基板表面(7)及邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)絕緣。
12.如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為基板(6)在邊緣區(qū)(4)具有第一種導(dǎo)電類型摻雜，屏蔽電極(17)是由該基板(6)內(nèi)該邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)下方的一個(gè)槽(22)所構(gòu)成，且槽(22)具有與第一種導(dǎo)電類型摻雜相反的導(dǎo)電類型摻雜。
13.如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為經(jīng)由設(shè)置在該邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)及該屏蔽電極(17)之間厚度很厚的絕緣層(19)降低該邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)及該屏蔽電極(17)之間的電容。
14.如權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為在第二個(gè)金屬層平面內(nèi)具有一高導(dǎo)電性材料的該邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)是設(shè)置在該基板表面(7)及第一個(gè)金屬層之間，此第一個(gè)金屬層具有源極及柵極金屬層。
15.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為以該柵極金屬層(20)作為該邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)。
16.如權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為該邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)的制造材料含有鋁。
17.如權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為在該基板(6)內(nèi)設(shè)有一個(gè)與該基板(6)絕緣的可導(dǎo)電的汲極--上結(jié)構(gòu)(Drain-Up-Struktur)，且該汲極區(qū)(16)與一個(gè)設(shè)置在該基板表面(7)上方的金屬層形成導(dǎo)電連接。
18.如權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為該汲極區(qū)(16)與一個(gè)連接在該汲極區(qū)(16)上的一汲極金屬層形成導(dǎo)電連接。
19.如權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)的電晶體排列，其特征為在相鄰的電晶體胞元(3)的溝槽(9)之間設(shè)置橫向溝槽，這些橫向溝槽與相鄰的電晶體胞元(3)的閘極(10)及/或場(chǎng)電極(11)形成導(dǎo)電連接。
全文摘要
由設(shè)置在至少是逐段將主動(dòng)胞元陣列(2)環(huán)繞住的邊緣區(qū)(4)內(nèi)的屏蔽電極(17)改善電晶體排列(1)的開關(guān)特性，這是因?yàn)樵O(shè)置在邊緣區(qū)(4)內(nèi)的屏蔽電極(17)可以降低邊緣柵結(jié)構(gòu)(14)和汲極區(qū)(16)之間的電容，進(jìn)而使電晶體排列(1)的閘極－汲極電容C
文檔編號(hào)H01L29/06GK1445861SQ0310767
公開日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月19日
發(fā)明者R·亨寧格, F·赫勒, J·克魯雷伊, W·里格, M·波滋爾 申請(qǐng)人:因芬尼昂技術(shù)股份公司