CN102044540A

CN102044540A - 半导体元件及其操作方法

Info

Publication number: CN102044540A
Application number: CN 200910207746
Authority: CN
Inventors: 唐松年; 徐尉伦; 李庆民; 吴德源
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: CN102044540B

Abstract

本发明公开了一种半导体元件及其操作方法。该半导体元件包含横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管与内部电路。横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管包含第一源极、共用漏极与第一栅极。结型场效应晶体管，包含第二源极、共用漏极与第二栅极，其中第二源极电连接至第一栅极。而内部电路则与第一源极电连接。

Description

半导体元件及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管，及其操作方法。特别是涉及一种与结型场效应晶体管整合的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管及其操作方法。此等半导体元件可以透过预定的设计，选择性地处于开启与关闭的状态。

背景技术

随着移动通讯时代的来临，各式无线通讯产品，例如手机、全球定位系统(global positioning system，GPS)、基地台等装置，不论是产量与技术，近几年均呈现大幅度的快速成长。横向双扩散金属氧化物半导体(lateral doublediffused metal oxide semiconductor，LDMOS)场效应晶体管这种高压元件，由于其在元件设计及工艺上的特殊考量，使其不仅具有高的操作频宽，同时因为可以耐较高的崩溃电压而具有高的输出功率，因此常被制造设计成射频(900MHz-2.4GHz)电路的控制元件，进而被广泛应用于各种无线通讯系统的功率放大器中。

图1例示传统横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管结构的剖面图。横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管110包含栅极111、源极112与漏极113。当需要调整横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管的阈值电压(threshold voltage)时，就必需要额外的光掩模，并进行离子注入工艺，以注入不同的掺杂剂。众所周知，无论修改一片旧有的光掩模或是建立一片新的光掩模都所费不赀，因此，额外的光掩模会对于制造横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管的厂商产生沉重的成本负担。

其次，由于横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管是一种耗尽模式(depletion mode)的半导体元件，所以还需要控制基材中掺杂剂的浓度来调整横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管的临界电压。也就是，要调整图1中区域1的掺杂剂浓度，来调整临界电压。然而，如果想要调高临界电压，就必需要增加掺杂剂浓度。明显地，掺杂剂浓度一旦增加，基材的电阻即会因此下降，使得区域1一直处于高导通的状态。

由于区域1一直处于高导通的状态，因此此等横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管一直处于开启的状态，而难以关闭。因此既要调高临界电压，又要能关闭横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管，变成了使用横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管一项鱼与熊掌难以兼得的两难。因此亟需一种新颖的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管，一方面，可以无须增加额外的光掩模或是增加掺杂剂浓度就可以调整临界电压。另一方面，又可以选择性地使得横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管处于开启或是关闭的状态，因此还可以得到容易控制的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管。

发明内容

本发明于是提出一种新颖的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管，一方面，本发明的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管可以无须增加额外的光掩模或是增加掺杂剂浓度就可以调整临界电压，另一方面，本发明的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管还可以选择性地处于开启或是关闭的状态。因此，本发明的晶体管还是一种容易控制开启状态或是关闭状态的半导体元件。

本发明首先提出一种半导体元件。本发明的半导体元件，包含横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管与内部电路。横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管包含第一源极、共用漏极与第一栅极。结型场效应晶体管，包含第二源极、共用漏极与第二栅极，其中的第二源极电连接至第一栅极。而内部电路则与第一源极电连接。

本发明其次提出一种半导体元件的操作方法。首先，提供一种半导体元件。此半导体元件，包含横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管与内部电路。横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管包含第一源极、共用漏极与第一栅极。结型场效应晶体管，包含第二源极、共用漏极与第二栅极，其中的第二源极电连接至第一栅极。而内部电路则与第一源极电连接。然后，将共用漏极电连接至漏极电压，使结型场效应晶体管的共用漏极对第二源极充电。再来，当第二源极被充电达到第一栅极电压时，使得第一栅极产生第一栅极电压，以开启横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管。此外，经由开启的横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管，第一源极还会对内部电路提供内部电流以产生内部电压。而当内部电压提升至与第一栅极电压实质上相等时，横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管又会关闭。

附图说明

图1例示传统横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管结构的剖面图。

图2例示本发明半导体元件的剖示图。

图3例示本发明半导体元件的等效电路图。

图4-6例示操作本发明半导体元件方法的优选实施例示意图。

图7例示本发明半导体元件以及传统结型场效应晶体管(JFET)电流对电压的示意图。

附图标记说明

1：区域

110：横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管

111：栅极

112：源极

113：漏极

201：半导体元件

210：横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管

211：第一栅极

212：第一源极

213：共用漏极

220：结型场效应晶体管 222：第二源极

221：第二栅极 230：内部电路

具体实施方式

本发明提供一种半导体元件，其具有可以选择性地处于开启或是关闭的状态的特点。图2例示本发明半导体元件的剖示图。如图2所示，本发明的半导体元件201，包含横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210、结型场效应晶体管220与内部电路230。横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210处于增强模式(enhanced mode)，而结型场效应晶体管220则处于耗尽模式(depletion mode)。如本领域的技术人员所共知，横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210可以包含第一栅极211、第一源极212与共用漏极213。横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210即与结型场效应晶体管220共享此共用漏极213。本发明的半导体元件201可以应用于驱动电路(driver circuit)。图3例示本发明半导体元件的等效电路图。

结型场效应晶体管220，包含第二栅极221、第二源极222与共用漏极213。值得注意的是，第二源极222电连接至第一栅极211，此为本发明半导体元件201的另一项特点。本发明半导体元件201还包含内部电路230，并与第一源极212电连接。内部电路230可以为任何须要与本发明半导体元件201电连接的电路，例如驱动电路，故不多赘述。

值得注意的是，若要调整本发明横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210的阈值电压(threshold voltage，V_th)，本发明利用调整结型场效应晶体管220的第二源极222的宽度，使得第二源极222具有微米(μm)尺度左右的宽度。例如，第二源极222可以具有7-8微米左右的宽度。而且第二源极222的宽度越大，本发明横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210的阈值电压就会越高。

由于在制作过程中，第二源极222的宽度是由建立第二源极222的光掩模设计所决定的。所以在制作上，只须依据需求，设计所需第二源极222的宽度，即可任意增加或是减小横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210的阈值电压。至于制造横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210或是结型场效应晶体管220的方法，皆为本领域的技术人员所共知的一般常识，故在此不多赘述。

接下来，将介绍本发明半导体元件201的操作方法。图4-6例示操作本发明半导体元件方法的优选实施例示意图。一开始，如图4所示，提供半导体元件201。半导体元件201包含横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210、结型场效应晶体管220与内部电路230。横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210处于增强模式(enhanced mode)，而结型场效应晶体管220则处于耗尽模式(depletion mode)。如本领域的技术人员所共知，横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210可以包含第一栅极211、第一源极212与共用漏极213。横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管210即与结型场效应晶体管220共享此共用漏极213。本发明的半导体元件201可以应用于驱动电路(driver circuit)。

结型场效应晶体管220，包含第二栅极221、第二源极222与共用漏极213。值得注意的是，第二源极222电连接至第一栅极211。本发明半导体元件201还包含内部电路230，并与第一源极212电连接。内部电路230可以为任何须要与本发明半导体元件201电连接的电路，例如驱动电路，故不多赘述。

接下来，如图5所示，将共用漏极213电连接至漏极电压(Vd)，使得结型场效应晶体管220的共用漏极213对第二源极222充电。此等漏极电压视操作所需而定，例如，漏极电压可以介于0V～700V之间。然后，如图6所示，当第二源极222被充电达到第一栅极电压，又第一栅极211产生第一栅极电压，即开启了横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管210。值得注意的是，由于第二源极222电连接至第一栅极211，因此第一栅极211开始具有第一栅极电压。而当第一栅极电压足够高的时，横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管210即进入开启的状态。

另一方面，由于内部电路230与第一源极212电连接，因此在开启状态的横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管210，其第一源极212即会对内部电路230提供内部电流而产生对应的内部电压。随着开启状态持续，内部电压就会不断升高。而当内部电压提升至与第一栅极211电压实质上相等时，第一栅极211与第一源极212间便不再具有电位差，因此横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管210即会自动关闭。

本发明半导体元件201的特征之一，是横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管210十分灵敏。图7例示本发明半导体元件201以及传统结型场效应晶体管(JFET)电流对电压的示意图。一旦内部电压提升至与第一栅极211电压实质上相等时，横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管210即会立刻自动关闭(电流最小)，然而传统结型场效应晶体管却无法达到。所以横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管210对于内部电压改变的响应既快速又灵敏。

本发明半导体元件201在自动关闭后，还会在特定情况下再次自动进入开启的状态。由于内部电路230与第一源极212电连接，当内部电压因为某些原因而下降时，就代表内部电压又再度小于第一栅极电压。因为内部电压小于第一栅极电压，横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管210于是又再度开启。换言之，横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管210会随着内部电压的高低，即内部电路230的影响或是控制，选择性地处在开启或是关闭的状态。进而能有效解决已知横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管恒处于开启的状态且难以关闭的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种半导体元件，包含：

横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管，包含第一源极、共用漏极与第一栅极；

结型场效应晶体管，包含第二源极、该共用漏极与第二栅极，其中该第二源极电连接至该第一栅极；以及

内部电路，与该第一源极电连接。

2.如权利要求1的半导体元件，其中调整该第二源极的宽度以控制该横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管的阈值电压。

3.如权利要求1的半导体元件，其中该横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管与该结型场效应晶体管共享该共用漏极。

4.如权利要求1的半导体元件，其用于驱动电路中。

5.如权利要求1的半导体元件，其中该横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管处于增强模式。

6.如权利要求1的半导体元件，其中该结型场效应晶体管处于耗尽模式。

7.一种半导体元件的操作方法，包含：

提供半导体元件，包含：

横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管，包含第一源极、共用漏极与第一栅极；

内部电路，与该第一源极电连接；

将该共用漏极电连接至漏极电压；以及

该共用漏极对该第二源极充电使得该第二源极被充电达到第一栅极电压与该第一栅极产生该第一栅极电压，以开启该横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管，其中，经由该开启横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管，该第一源极对该内部电路提供内部电流以产生内部电压，以及当该内部电压提升至与该第一栅极电压实质上相等时，该横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管关闭。

8.如权利要求7的方法，还包含：

降低该内部电压，使得该内部电压小于该第一栅极电压时，该横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管开启。

9.如权利要求7的方法，其中该漏极电压介于0-700伏特之间。

10.如权利要求7的方法，其中调整该第二源极的宽度，以控制该横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管的阈值电压。

11.如权利要求10的方法，其中该第二源极的宽度具有微米的尺度。

12.如权利要求7的方法，其中该横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管与该结型场效应晶体管共享该共用漏极。

13.如权利要求7的方法，其中该横向双扩散的金属氧化物半导体场效应晶体管处于增强模式。

14.如权利要求7的方法，其中该结型场效应晶体管处于耗尽模式。