功率電晶體結構的製作方法
2024-02-21 02:58:15 1
專利名稱：功率電晶體結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電晶體結構，特別涉及一種功率電晶體結構。
背景技術：
雙載子連接電晶體(BJT)為現今最重要的半導體元件之一，這種元件雖然可作為 高功率元件及高速邏輯電路之用，但是在操作的過程之中，其最大的缺點為會消耗大量的 能量。目前，金氧半場效電晶體(M0SFET)的發展，已經逐漸取代了雙載子電晶體的應用。由 於其能節省電能的緣故，金氧半場效電晶體已成為積體電路中最常被使用的半導體元件。
在現有的製作在半導體基板上的N-MOSFET元件結構俯視圖與結構剖視圖，分別 如圖1與圖2所示。此N-M0SFET元件結構包含一 N型重摻雜基板10，以作為漏極，在N型 重摻雜基板10上設有一 N型輕摻雜磊晶層12，在N型輕摻雜磊晶層12中有一 P型摻雜區 14、一N型摻雜區16與一P型重摻雜區18，其中P型摻雜區14與P型重摻雜區18鄰接且 環繞N型摻雜區16，此外在P型重摻雜區18中更設有一作為源極的N型重摻雜區20，在N 型摻雜區16的表面上依序設有一柵極絕緣層22與一柵極電極層24。另外，在N型重摻雜 區20的頂面與N型重摻雜基板10的底面分別設有一源極電極層26與一漏極電極層28。
在圖3此種現有的功率電晶體結構中，其電流可從源極電極層26流入，依序經過N 型重摻雜區20、P型重摻雜區18、N型摻雜區16、N型重摻雜基板IO，最後從漏極電極層28 流出，此電晶體的電流處理能力達數毫安培，且漏極與源極之間的阻隔電壓已是數百伏特， 即使漏極與源極之間的阻隔性夠，若電壓持續加大，則元件溫度會持續升高，造成能源不必 要的浪費，圖1與圖2的先前技術確可達到其節省能源的效果，然而製程步驟重複且繁瑣， 製造或代工皆不易，在製造技術上令人怯步。 因此，本發明針對上述的困擾，提出一種功率電晶體結構，以有效克服現有技術中 所產生的問題。
發明內容
本發明的主要目的，在於提供一種功率電晶體結構，其是在源極與漏極間多增設 絕緣層，以利用絕緣層的特性，提高電晶體耐高壓的程度，進而使電晶體可以有極高功率的 輸出效果。 為達上述目的，本發明提供一種功率電晶體結構，包含一第一型重摻雜基板，其上
依序設有一第一型磊晶層、一具有一開孔的絕緣層，進一步，在第一型磊晶層上設有一磊晶 結構，以填滿上述的開孔，在磊晶結構中有一第一、第二型摻雜區，第二型摻雜區作為源極，
且位於第一型摻雜區的周圍的磊晶結構中，以與第一型摻雜區、絕緣層鄰接，此外，在磊晶 結構上設有一柵極結構，且其位於第一型摻雜區的表面。所述電晶體結構更包含一摻雜 區，其與所述第二型摻雜區同型，並位於所述第一型磊晶層中，以環繞作為中心磊晶區域的 部分的所述第一型磊晶層，並與所述絕緣層鄰接，所述絕緣層是由所述開孔以露出所述中 心磊晶區域與所述摻雜區，且所述絕緣層覆蓋部分的所述摻雜區，使所述中心磊晶區域與所述摻雜區分別與所述第一、第二型摻雜區鄰接。所述電晶體結構更包含一輕摻雜磊晶 層，其與第一型磊晶層同型，並設於所述第一型磊晶層上，以位於所述第一型磊晶層與所述 絕緣層之間，且所述絕緣層是由所述開孔露出部分的所述輕摻雜磊晶層，使其與所述磊晶 結構鄰接；一第一摻雜區，其與所述第一型摻雜區同型，並位於所述輕摻雜磊晶層中，並與 所述第一型磊晶層、所述第一型摻雜區鄰接；以及一第二摻雜區，其與所述第二型摻雜區同 型，並位於所述輕摻雜磊晶層中，以與所述第一型磊晶層、所述絕緣層、所述第二型摻雜區 鄰接，且環繞所述第一型摻雜區，又所述絕緣層覆蓋部分的所述第二摻雜區。其中所述磊 晶結構覆蓋所述開孔周圍部分的所述絕緣層，且所述柵極結構覆蓋部分的所述第二型摻雜 區。所述電晶體結構更包含一第一重摻雜區，其與所述第一型摻雜區同型，並位於所述第 二型摻雜區中，且所述第一重摻雜區與所述柵極結構的周圍、所述絕緣層鄰接，所述第二型 摻雜區位於所述第一重摻雜區與所述第一型摻雜區之間，又所述柵極結構覆蓋部分的所述 第一重摻雜區；以及一第二重摻雜區，其與所述第二型摻雜區同型，並位於所述第一重摻雜 區中，且與所述第二型摻雜區的周圍、所述絕緣層鄰接，又所述第二重摻雜區覆蓋所述開孔 周圍部分的所述絕緣層。其中所述柵極結構更包含一柵極絕緣層，其設於所述磊晶結構 上，並位於所述第一型摻雜區的表面；以及一重摻雜柵極層，其與所述第一型摻雜區同型， 並設於所述柵極絕緣層上。其中所述重摻雜柵極層的材質為多晶矽，所述第一型重摻雜基 板為第一型重摻雜矽基板。其中所述第一型重摻雜基板、所述第一型磊晶層、所述第一型摻 雜區分別為P型重摻雜基板、P型磊晶層、P型摻雜區，則所述第二型摻雜區為N型摻雜區。 其中所述第一型重摻雜基板、所述第一型磊晶層、所述第一型摻雜區分別為N型重摻雜基 板、N型磊晶層、N型摻雜區，則所述第二型摻雜區為P型摻雜區。其中所述絕緣層的厚度為 0. 1 5微米。
圖1為先前技術的一功率電晶體結構俯視圖； 圖2為圖1的功率電晶體中沿A-A'切線的結構剖視圖； 圖3為先前技術的另一功率電晶體結構剖視圖； 圖4為本發明的第一實施例結構俯視圖； 圖5為圖4沿B-B'切線的結構剖視圖； 圖6為本發明的第二實施例結構俯視圖； 圖7為圖6沿C-C'切線的結構剖視圖； 圖8為本發明的第三實施例結構俯視圖； 圖9為圖8沿D-D'切線的結構剖視圖； 圖10為本發明的第四實施例結構俯視圖。 圖11為圖IO沿E-E'切線的結構剖視圖。 附圖標記說明10-N型重摻雜基板；12-N型輕摻雜磊晶層；14_P型摻雜區；16-N 型摻雜區；18-P型重摻雜區；20-N型重摻雜區；22-柵極絕緣層；24-柵極電極層；26-源 極電極層；28-漏極電極層；32-N型重摻雜矽基板；34-N型磊晶層；36-N型輕摻雜磊晶層；
38-第一 N型摻雜區；40-第一 P型摻雜區；42-絕緣層；41-中心磊晶區域；44-磊晶結構；
46-第二N型摻雜區；48-第二P型摻雜區；50-柵極結構；52-柵極絕緣層；54-重摻雜柵極
5層；56-第一重摻雜區；58-第二重摻雜區。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例，對本發明上述的和另外的技術特徵和優點作更詳細的說明，應該理解的是，這些實施例僅用於例證的目的，決不限制本發明的保護範圍。
本發明主要在電晶體中多增設絕緣層來提高元件的源極與漏極之間的阻隔性，進而提高電晶體耐高壓的程度，以下介紹本發明的第一實施例，請參閱圖4及圖5，圖5為圖4沿B-B'切線的剖視圖。 由於功率電晶體可分為N通道金氧半場效電晶體(N-M0SFET)電晶體或P-M0SFET電晶體，但不管是哪種電晶體，其構造都相同，僅材質有N型或P型的二種差異，以下先介紹N-M0SFET電晶體。 本發明的功率電晶體包含一作為第一型重摻雜基板與第一型重摻雜矽基板的N型重摻雜矽基板32，並以此作為漏極，在N型重摻雜基板32上依序設有一作為第一型磊晶層的N型磊晶層34，與一作為輕摻雜磊晶層的N型輕摻雜磊晶層36， 一作為第一摻雜區的第一 N型摻雜區38，與一作為第二摻雜區的第一 P型摻雜區40是位於N型輕摻雜磊晶層36中，此二摻雜區38、40都與N型磊晶層34鄰接，且第一 P型摻雜區40環繞並鄰接第一 N型摻雜區38。在N型輕摻雜磊晶層36上設有一具有一開孔的絕緣層42，此開孔位於第一 N型摻雜區38與第一 P型摻雜區40上方，以露出第一 N型摻雜區38與第一 P型摻雜區40，且絕緣層42鄰接且覆蓋部分的第一 P型摻雜區40，其中絕緣層42的厚度設計在0. 1 5微米；一磊晶結構44設於第一 N型摻雜區38、第一 P型摻雜區40的表面，以填滿開孔，並覆蓋開孔周圍部分的絕緣層42。在磊晶結構44中，有一與第一 N型摻雜區38同型且作為第一型摻雜區的第二 N型摻雜區46，其與第一 N型摻雜區38鄰接，且在第二 N型摻雜區46的周圍的磊晶結構44中，有一與第一P型摻雜區40同型，且作為源極與第二型摻雜區的第二 P型摻雜區48，以與第一 P型摻雜區40、第二 N型摻雜區46、絕緣層42鄰接。另在磊晶結構44上設有一柵極結構50，並位於第二 N型摻雜區46的表面，且覆蓋部分的第二 P型摻雜區48。 柵極結構50包含一柵極絕緣層52與一重摻雜柵極層54，柵極絕緣層52設於磊晶結構44上，並位於第二 N型摻雜區46的表面，且覆蓋部分的第二 P型摻雜區48，上述的重摻雜柵極層54的材質為多晶矽，且與第一 N型摻雜區38同型，並設於柵極絕緣層52上。
電晶體更包含了一第一重摻雜區56與一第二重摻雜區58，第一重摻雜區56與第一 N型摻雜區38同型，並位於第二 P型摻雜區48中，且第一重摻雜區56與柵極絕緣層52的周圍、絕緣層42鄰接，第二 P型摻雜區48位於第一重摻雜區56與第二 N型摻雜區46之間，柵極絕緣層52覆蓋部分的第一重摻雜區56。另外第二重摻雜區58與第二 P型摻雜區48同型，並位於第一重摻雜區56中，且與第二 P型摻雜區48的周圍、絕緣層42鄰接，又覆蓋開孔周圍的絕緣層42。此二重摻雜區56、58都作為源極電極之用。 當電晶體進行運作時，作為源極電極的第二重摻雜區58接地，且柵極施加正電壓，則電流可從漏極流入，並依序經過N型磊晶層34、第一 N型摻雜區38、第二 N型摻雜區46、第二 P型摻雜區48，從電阻較小的第一重摻雜區56流出。由於絕緣層42的電性阻隔作用，可以提高電晶體耐高壓的程度，並減緩元件溫度上升的程度，使漏極與源極間的阻隔電壓達到數千伏特，且電晶體的電流處理能力也可達到數安培的等級，同時達到節省能源的 效果。因此，此種電晶體可以有數千瓦的極高功率輸出，且可應用在電動鐵門驅動裝置與炸 彈發射器等各種需高功率的產品電路上。 上述電晶體可同時缺少作為源極電極的第一重摻雜區56與第二重摻雜區58，讓 第二 P型摻雜區48覆蓋開孔周圍的部分的絕緣層42，如圖6及圖7的第二實施例所示，則 此電晶體仍可以有極高功率輸出。 至此N-MOSFET電晶體的結構介紹完畢，若要參閱P-M0SFET電晶體的第一、第二實 施例的結構，僅需要將上述的N型重摻雜矽基板32、 N型磊晶層34、 N型輕摻雜磊晶層36、 第一、第二 N型摻雜區38、46與第一、第二 P型摻雜區40、48分別以P型重摻雜矽基板、P型 磊晶層、P型輕摻雜磊晶層、第一、第二 P型摻雜區與第一、第二 N型摻雜區代替即可。而當 電晶體進行運作時，柵極則施加負電壓，電流可從源極流入，並沿與在N-M0SFET的電流流 動方向的相反方向行進，從漏極流出。 以下繼續介紹本發明的第三實施例，請參閱圖8及圖9。同樣地，先介紹N-M0SFET 電晶體。 第三實施例包含一作為第一型重摻雜基板與第一型重摻雜矽基板的N型重摻雜 矽基板32，並以此作為漏極，在N型重摻雜基板32上設有一作為第一型磊晶層的N型磊晶 層34， 一作為摻雜區的第一 P型摻雜區40位於N型磊晶層34中，以環繞作為中心磊晶區域 41的部分的N型磊晶層34。在N型磊晶層34上設有一具有一開孔的絕緣層42，此開孔位 於中心磊晶區域41與第一 P型摻雜區40上方，以露出中心磊晶區域41與第一 P型摻雜區 40，且絕緣層42鄰接且覆蓋部分的第一 P型摻雜區40，其中絕緣層42的厚度設計在0. 1 5微米；一磊晶結構44設於中心磊晶區域41、第一 P型摻雜區40的表面，以填滿開孔，並覆 蓋開孔周圍部分的絕緣層42。在磊晶結構44中，有一與N型磊晶層34同型且作為第一型 摻雜區的第二 N型摻雜區46，其與中心磊晶區域41鄰接，且在第二 N型摻雜區46的周圍的 磊晶結構44中，有一與第一 P型摻雜區40同型，且作為源極與第二型摻雜區的第二 P型摻 雜區48，以與第一 P型摻雜區40、第二 N型摻雜區46、絕緣層42鄰接。另在磊晶結構44上 設有一柵極結構50，並位於第二 N型摻雜區46的表面，且覆蓋部分的第二 P型摻雜區48。
柵極結構50包含一柵極絕緣層52與一重摻雜柵極層54，柵極絕緣層52設於磊晶 結構44上，並位於第二 N型摻雜區46的表面，且覆蓋部分的第二 P型摻雜區48，上述的重 摻雜柵極層54的材質為多晶矽，且與N型磊晶層34同型，並設於柵極絕緣層52上。
電晶體更包含了一第一重摻雜區56與一第二重摻雜區58，第一重摻雜區56與N 型磊晶層34同型，並位於第二 P型摻雜區48中，且第一重摻雜區56與柵極絕緣層52的周 圍、絕緣層42鄰接，第二 P型摻雜區48位於第一重摻雜區56與第二 N型摻雜區46之間， 柵極絕緣層52覆蓋部分的第一重摻雜區56。另外第二重摻雜區58與第二 P型摻雜區48 同型，並位於第一重摻雜區56中，且與第二 P型摻雜區48的周圍、絕緣層42鄰接，又覆蓋 開孔周圍的絕緣層42。此二重摻雜區56、58都作為源極電極之用。 當電晶體進行運作時，作為源極電極的第二重摻雜區58接地，且柵極施加正電 壓，則電流可從漏極流入，並依序經過N型磊晶層34、第二 N型摻雜區46、第二 P型摻雜區 48，從電阻較小的第一重摻雜區56流出。由於絕緣層42的電性阻隔作用，與第一實施例相 同，可以提高電晶體耐高壓的程度。
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上述第三實施例的電晶體可同時缺少作為源極電極的第一重摻雜區56與第二重摻雜區58，讓第二 P型摻雜區48覆蓋開孔周圍的部分的絕緣層42，如圖10及圖11的第三實施例所示，則此電晶體仍可以有極高功率輸出。 至此N-MOSFET電晶體的結構介紹完畢，若要參閱P-M0SFET電晶體的第三、第四實
施例的結構，僅需要將上述的N型重摻雜矽基板32、 N型磊晶層34、第二 N型摻雜區46與
第一、第二 P型摻雜區40、48分別以P型重摻雜矽基板、P型磊晶層、第二 P型摻雜區與第
一、第二N型摻雜區代替即可。而當電晶體進行運作時，柵極則施加負電壓，電流可從源極
流入，並沿與在N-MOSFET的電流流動方向的相反方向行進，從漏極流出。 上述各種實施例的單一電晶體結構(POWER畫0SFET/PM0SFET)，可複製成多數而
成為一整體的大功率元件，如此更能達到高電流兼高耐壓效果的目的。 綜上所述，本發明利用絕緣層的特性，以提高電晶體耐高壓的程度，進而使電晶體
可以有極高功率的輸出效果，是一相當實用的發明。 以上所述僅為本發明的較佳實施例，對本發明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發明的保護範圍內。
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權利要求
一種功率電晶體結構，其特徵在於包含一第一型重摻雜基板，其作為漏極；一第一型磊晶層，其設於該第一型重摻雜基板上；一絕緣層，其設於該第一型磊晶層上，並具有一開孔；一磊晶結構，其設於該第一型磊晶層上，以填滿該開孔；一第一型摻雜區，其位於該磊晶結構中；一第二型摻雜區，其作為源極，且位於該第一型摻雜區的周圍的該磊晶結構中，以與該第一型摻雜區、該絕緣層鄰接；以及一柵極結構，其設於該磊晶結構上，並位於該第一型摻雜區的表面。
2. 如權利要求1所述的功率電晶體結構，其特徵在於更包含一摻雜區，其與該第二型 摻雜區同型，並位於該第一型磊晶層中，以環繞作為中心磊晶區域的部分的該第一型磊晶 層，並與該絕緣層鄰接，該絕緣層是由該開孔以露出該中心磊晶區域與該摻雜區，且該絕緣 層覆蓋部分的該摻雜區，使該中心磊晶區域與該摻雜區分別與該第一、第二型摻雜區鄰接。
3. 如權利要求1所述的功率電晶體結構，其特徵在於更包含一輕摻雜磊晶層，其與第一型磊晶層同型，並設於該第一型磊晶層上，以位於該第一型 磊晶層與該絕緣層之間，且該絕緣層是由該開孔露出部分的該輕摻雜磊晶層，使其與該磊 晶結構鄰接；一第一摻雜區，其與該第一型摻雜區同型，並位於該輕摻雜磊晶層中，並與該第一型磊 晶層、該第一型摻雜區鄰接；以及一第二摻雜區，其與該第二型摻雜區同型，並位於該輕摻雜磊晶層中，以與該第一型磊 晶層、該絕緣層、該第二型摻雜區鄰接，且環繞該第一摻雜區，又該絕緣層覆蓋部分的該第 二摻雜區。
4. 如權利要求1所述的功率電晶體結構，其特徵在於該磊晶結構覆蓋該開孔周圍部分 的該絕緣層，且該柵極結構覆蓋部分的該第二型摻雜區。
5. 如權利要求1所述的功率電晶體結構，其特徵在於更包含一第一重摻雜區，其與該第一型摻雜區同型，並位於該第二型摻雜區中，且該第一重摻 雜區與該柵極結構的周圍、該絕緣層鄰接，該第二型摻雜區位於該第一重摻雜區與該第一 型摻雜區之間，又該柵極結構覆蓋部分的該第一重摻雜區；以及一第二重摻雜區，其與該第二型摻雜區同型，並位於該第一重摻雜區中，且與該第二型 摻雜區的周圍、該絕緣層鄰接，又該第二重摻雜區覆蓋該開孔周圍部分的該絕緣層。
6. 如權利要求1所述的功率電晶體結構，其特徵在於該柵極結構更包含 一柵極絕緣層，其設於該磊晶結構上，並位於該第一型摻雜區的表面；以及 一重摻 雜柵極層，其與該第一型摻雜區同型，並設於該柵極絕緣層上。
7. 如權利要求6所述的功率電晶體結構，其特徵在於該重摻雜柵極層的材質為多晶 矽，該第一型重摻雜基板為第一型重摻雜矽基板。
8. 如權利要求1所述的功率電晶體結構，其特徵在於該第一型重摻雜基板、該第一型 磊晶層、該第一型摻雜區分別為P型重摻雜基板、P型磊晶層、P型摻雜區，則該第二型摻雜 區為N型摻雜區。
9. 如權利要求1所述的功率電晶體結構，其特徵在於該第一型重摻雜基板、該第一型磊晶層、該第一型摻雜區分別為N型重摻雜基板、N型磊晶層、N型摻雜區，則該第二型摻雜 區為P型摻雜區。
10.如權利要求1所述的功率電晶體結構，其特徵在於該絕緣層的厚度為0. 1 5微米o
全文摘要
本發明公開一種功率電晶體結構，此結構包含一第一型重摻雜基板，其上依序設有一第一型磊晶層、一具有一開孔的絕緣層，另有一磊晶結構設於第一型磊晶層上，以填滿開孔，在磊晶結構中有一第一、第二型摻雜區，第二型摻雜區作為源極，且位於第一型摻雜區的周圍的磊晶結構中，以與第一型摻雜區、絕緣層鄰接，在磊晶結構上設有一柵極結構，且其位於第一型摻雜區的表面。本發明利用絕緣層的特性，以提高電晶體耐高壓的程度，進而使電晶體可以有極高功率的輸出效果。
文檔編號H01L29/66GK101752422SQ20091025276
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月16日 優先權日2009年12月16日
發明者楊信佳, 郭志盛 申請人:泓廣科技有限公司