專利名稱：場效應(yīng)半導(dǎo)體器件中電容元件的動(dòng)態(tài)控制的制作方法
諸如硅基金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的場效應(yīng)器件的各個(gè)元件的電容會(huì)影響器件的性能。例如，各種元件的電容可以影響器件的開關(guān)速度并由此影響器件的瞬態(tài)響應(yīng)。因此，控制該器件的元件的電容是有益處的。
而且，在一些應(yīng)用中，能夠動(dòng)態(tài)地控制場效應(yīng)晶體管的特定元件的電容是有益處的。例如，在高壓(HV)晶體管中，通過改變一個(gè)或兩個(gè)電容元件以動(dòng)態(tài)的方式改變柵-漏電容(CGD)、或漏-源電容(CDS)，或改變它們二者、或改變CGD/CDS的比率(下文通常稱為‘比率’)或許是有益處的。
動(dòng)態(tài)改變?cè)摫嚷视幸娴囊粋€(gè)應(yīng)用是在超聲設(shè)備中，例如基于超聲技術(shù)的成像設(shè)備。該技術(shù)通常在醫(yī)學(xué)測(cè)試設(shè)備中采用。很多基于超聲的成像裝置中存在與電子發(fā)射器和電子接收器耦接的換能器。這些換能器是相對(duì)高壓的器件，并且接收器通常必須非常靈敏以促進(jìn)圖像中的分辨率的改善。
雖然在改善圖像分辨率方面這種靈敏性是有用的，但是它致使接收器對(duì)瞬時(shí)電脈沖敏感。為了處理這種敏感性，有必要保證在相對(duì)高的HV發(fā)射信號(hào)的傳輸期間隔離該接收器。而且，開關(guān)本身必須受到控制使得當(dāng)它‘打開’接收器時(shí)，來自開關(guān)的脈沖不是很大，因此避免了不希望有的圖像。為了實(shí)現(xiàn)此目的，有必要在基于MOSFET的HV開關(guān)的制造期間控制該比率。
已知每個(gè)換能器都具有其自身的電學(xué)特性，并且如果換能器為特定應(yīng)用而改變的話，則該比率也必須改變。在已知技術(shù)中，該比率是靜態(tài)值。不幸地是，在已知的HV場效應(yīng)器件中該比率的值由器件布局決定，幾乎不受或完全不受器件設(shè)計(jì)者的控制。因此，由于該比率是固定的，所以很難為特定換能器優(yōu)化器件的開關(guān)性能，包括它的瞬態(tài)響應(yīng)。
因此，需要能夠動(dòng)態(tài)地改變?cè)摫嚷?CGD/CDS)的場效應(yīng)器件。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，場效應(yīng)器件包括至少一個(gè)分段的場電極，所述至少一個(gè)分段場電極中的每一個(gè)具有多個(gè)段，每個(gè)段形成電容器的極板，其中該場效應(yīng)器件與一電子元件相連，該電子元件與所選段動(dòng)態(tài)地相連以選擇性地設(shè)置柵-漏和漏-源電容。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，超聲裝置包括耦接到開關(guān)器件的換能器，該開關(guān)器件在發(fā)射模式和接收模式開關(guān)器件之間切換換能器，其中開關(guān)器件包括場效應(yīng)器件，該場效應(yīng)器件包括至少一個(gè)分段場電極，所述至少一個(gè)分段場電極中的每一個(gè)具有多個(gè)段，每個(gè)段形成電容器的極板；并且其中該場效應(yīng)器件與一電子元件相連，該電子元件與所選段動(dòng)態(tài)相連以選擇性地設(shè)置柵-漏和漏-源電容。
當(dāng)參考附圖閱讀時(shí)，根據(jù)下面的詳細(xì)描述將更好地理解本發(fā)明。這里強(qiáng)調(diào)各種特征沒有必要按比例畫出。實(shí)際上，為了便于討論，這些尺寸可以任意地?cái)U(kuò)大或縮小。


圖1是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的場效應(yīng)晶體管的剖面圖。
圖2是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的連接圖形的頂視圖。
圖3是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的電路的等效電路圖。
圖4是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的超聲裝置的示意圖。
在下面的詳細(xì)描述中，為了解釋而不是限制，列出了公開具體細(xì)節(jié)的示例性實(shí)施例，以便提供對(duì)本發(fā)明的全面理解。然而，對(duì)于已知本公開的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯而易見，本發(fā)明可以用脫離了此處所公開的具體細(xì)節(jié)的其它實(shí)施例來實(shí)施。而且，為了不使本發(fā)明的描述難以理解，公知的器件、方法和材料的描述可以省略。
簡要地說，該示例性實(shí)施例涉及一種場效應(yīng)器件及其作為開關(guān)元件的實(shí)現(xiàn)，其具有可動(dòng)態(tài)變化的CGD和CDS，并因而具有可動(dòng)態(tài)變化的比率CGD/CDS。動(dòng)態(tài)可變性通過段與柵極和源極的選擇性連接實(shí)現(xiàn)。這通過使用多路復(fù)用器件或類似器件來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，該開關(guān)元件用于在超聲換能器的發(fā)射功能和接收功能之間切換。其特征在于，該開關(guān)元件可以在兩個(gè)狀態(tài)中使用。在第一狀態(tài)中，比率CGD/CDS可以在開關(guān)元件的導(dǎo)通期間改變以最小化電荷注入，以及在第二個(gè)狀態(tài)中動(dòng)態(tài)地為每個(gè)換能器選擇特定的CGD/CDS以優(yōu)化從換能器接收的信號(hào)的質(zhì)量。隨著示例性實(shí)施例的當(dāng)前描述的繼續(xù)進(jìn)行，這些和其他細(xì)節(jié)將變得更加清楚。
圖1示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的場效應(yīng)器件100。在圖1的示例性實(shí)施例中，該器件是硅基的HV絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)。注意，這僅僅是說明性的，并且其他實(shí)例實(shí)施例可以使用其他材料/技術(shù)。例如，該器件可以是如所示的橫向雙擴(kuò)散MOS(LDMOS)結(jié)構(gòu)?；蛘撸撈骷梢允橇硪活愋偷腍V場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，例如橫向結(jié)型FET或二極管。這些器件的半導(dǎo)體基底可以是硅、硅鍺(Si-Ge)、或III-V族材料，例如GaAs。最后，這些示例性實(shí)施例的概念可以用于擊穿電壓高于大約100V的器件。
對(duì)于半導(dǎo)體器件和制造領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，器件100的很多方面是公知的。因此，除非另外有描述，否則為了不混淆對(duì)本發(fā)明的描述，省略了本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的制造技術(shù)、材料和摻雜水平。
器件100包括襯底101，例如單晶硅。因?yàn)槠骷?00是SOI器件，所以掩埋氧化物層布置在襯底101上，并由標(biāo)準(zhǔn)制造方法形成。體Si層103布置在SOI層102上，并且是所示器件100的n-型漂移區(qū)。場氧化物104布置在該n-漂移層103上。p-型本體105具有形成為與該p-本體105接觸的p+體接觸106。與該p+體接觸106相鄰的是n+源極107，其具有如圖所示的源極金屬化110。n+漏極108如圖所示那樣布置，并在其上具有漏極金屬化112。如上所述場電極109是分段的，具有段114，并且示例性地是金屬，柵極摻雜多晶硅(多晶)場電極111類似地分段，具有段115。最后，介電層113(例如氮化硅)布置在多晶場電極111下。
利用已知的圖形化和刻蝕技術(shù)制造這些段。說明性地，段114和115之間的間距116大約為2.0μm，這允許與源極或柵極接觸連接而不會(huì)使器件工作退化。段114和115的寬度范圍可以為約2.0μm到窄于整體場電極(未分段的)的寬度，整體場電極的寬度在約50μm的量級(jí)。段114和115的數(shù)量決定了電容值的可變性以及CGD和CDS分別的最大值。與柵極電連接的段114將對(duì)CGD有貢獻(xiàn)，而與源極相連的段115將對(duì)CDS有貢獻(xiàn)。
如這里進(jìn)一步詳細(xì)描述的，場電極109和多晶場電極111被分段成使得能夠?qū)崿F(xiàn)場電極的每個(gè)段與漏極接觸112或源極接觸110的選擇性連接。段114和115的選擇性連接使得能夠分別控制電容分量CGD和CDS。當(dāng)然，這允許通過增加電容器的極板的面積來選擇性地增大這些分量中的一個(gè)或同時(shí)增大兩個(gè)。自然，比率CGD/CDS可以通過這種選擇而改變。
圖2是例如根據(jù)示例性實(shí)施例的器件100的場效應(yīng)器件的接觸圖形200的頂視圖。當(dāng)然實(shí)際上，在單個(gè)芯片上可以有多個(gè)這種器件。為了清楚起見僅詳細(xì)討論一個(gè)。源極接觸201、柵極接觸202和漏極接觸203如圖所示。分段的柵極場電極204示例性地是摻雜的多晶硅，并且分段的場電極205示例性地是半導(dǎo)體器件加工和設(shè)計(jì)領(lǐng)域技術(shù)人員熟知范圍內(nèi)的適當(dāng)?shù)慕佑|金屬。為了獲得CGD或CDS的特定值和/或特定比率值，與分段場電極204和205的所選段的連接分別通過接觸206和207來實(shí)現(xiàn)。這些接觸206和207與控制電路相連，該控制電路在圖2中沒有示出，其實(shí)現(xiàn)選擇性連接。
圖3示出了一個(gè)示例性控制電路300的示意圖，其可用于實(shí)現(xiàn)與場效應(yīng)器件的場電極的特定段的連接，以動(dòng)態(tài)控制電容CGD、CDS和/或特定比率值。柵極301、漏極302和源極303如圖1所示。與柵極的分段場電極(例如分段的場電極115)的接觸的連接通過接觸306(對(duì)應(yīng)于圖2中的接觸206)來實(shí)現(xiàn)，并且與柵極上方的分段場電極(例如分段場電極114)的連接通過接觸307(對(duì)應(yīng)于接觸207)來實(shí)現(xiàn)。接觸306和307通過多路復(fù)用器304(MUX)被選擇性地連接，多路復(fù)用器304從選擇器305接收輸入。MUX 305示例性地包括擊穿電壓高于通常為14V的柵-源電壓的晶體管。
選擇器305接收這樣的連接信息，即MUX 304的多個(gè)開關(guān)元件308中的哪個(gè)應(yīng)該被連接以及連接到哪個(gè)接觸，以便獲得CGD、CDS的所需值和/或特定比率值。在選擇器305的輸入來自超聲裝置的換能器的示例性實(shí)施例中，換能器電子電路適于將該連接信息提供到選擇器305。
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，CGD的值被相當(dāng)大程度地最小化。這在器件100執(zhí)行開關(guān)功能的應(yīng)用中是極其有益的。為此，CGD的值越大，開關(guān)損耗越顯著。已知，開關(guān)損耗可以導(dǎo)致器件和/或芯片發(fā)熱并可能限制電路的性能。由此，減小CGD的值到可接受的水平是有用的，這可以通過連接較少的段114而減少場電極109的面積來實(shí)現(xiàn)。
在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，通過增加CGD且減小CDS來優(yōu)化比率CGD/CDS是有益處的。當(dāng)然，這通過連接相對(duì)較少的段114和較多的段115來實(shí)現(xiàn)。該實(shí)施例示例性地可應(yīng)用于切換到發(fā)射模式和關(guān)斷發(fā)射模式以在發(fā)射器的操作期間保護(hù)接收器。而且，通過該實(shí)施例，由開關(guān)發(fā)射的HV脈沖可以大大減少，由此減少接收器處的錯(cuò)誤接收。
優(yōu)化該比率是有益的一個(gè)實(shí)例是在超聲成像領(lǐng)域中。如上所述，通過控制該比率可以基本避免對(duì)接收器的損壞和錯(cuò)誤圖像。場效應(yīng)器件100可以用在發(fā)射/接收(TR)開關(guān)電路中。因?yàn)槊總€(gè)換能器的頻率響應(yīng)不同，所以根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，比率CGD/CDS針對(duì)每一個(gè)換能器元件而改變，以便為每個(gè)獨(dú)立的換能器選擇基本最佳的比率，以使換能器最佳地工作。最后，這促進(jìn)了在其轉(zhuǎn)到“打開”狀態(tài)時(shí)可能由開關(guān)發(fā)送的錯(cuò)誤HV脈沖的減少，其中當(dāng)希望打開超聲裝置的接收器以接收來自換能器的信號(hào)時(shí)所述開關(guān)轉(zhuǎn)到“打開”狀態(tài)。當(dāng)然，該信號(hào)通過接收器的電子元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并用來形成由換能器探測(cè)的對(duì)象的圖像。
圖4中以示意形式示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的超聲成像裝置400。注意，裝置400的發(fā)射、接收和成像的細(xì)節(jié)在很大程度上超出了本公開的范圍。然而，本示例性實(shí)施例的開關(guān)的場效應(yīng)器件的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于通過控制所述比率顯著減少了由場效應(yīng)器件發(fā)射的錯(cuò)誤HV脈沖的能力。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，這通過增加CGD和減小CDS來實(shí)現(xiàn)，而在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，為每個(gè)換能器優(yōu)化該比率。由此，在一個(gè)開關(guān)器件的情況下，可以使用多個(gè)換能器，每個(gè)具有不同的頻率響應(yīng)和對(duì)開關(guān)的比率要求。因此，當(dāng)這些換能器因不同情況而互換時(shí)需要損失接收信號(hào)的質(zhì)量，或不必限制超聲裝置中可以使用的換能器的數(shù)目。
超聲成像裝置400包括超聲電子模塊401、成像顯示器402、換能器403以及鍵盤/輸入裝置405。超聲電子模塊401包括發(fā)射器、接收器、開關(guān)元件和該開關(guān)元件的控制電路。該開元元件可以包括結(jié)合了諸如上述場效應(yīng)器件100的半導(dǎo)體器件的發(fā)射/接收(TR)開關(guān)。該電子模塊的各個(gè)元件是如上面結(jié)合了各個(gè)示例性實(shí)施例所描述的。換能器403是可與示例性實(shí)施例一起使用的多個(gè)可互換的換能器中的一個(gè)。如上面詳細(xì)描述的，每個(gè)換能器403對(duì)所述比率和/或其分量具有特定要求。這些要求輸入到如上所述的控制電路以優(yōu)化換能器和接收器的性能。最后，成像顯示器402是超聲成像中的已知裝置。
已經(jīng)結(jié)合示例性實(shí)施例的討論詳細(xì)描述了本發(fā)明，很明顯，對(duì)于已知本公開的益處的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，本發(fā)明的修改將是顯而易見的。這些修改和變形包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種場效應(yīng)器件(100)，包括至少一個(gè)分段的場電極(111、109)，該至少一個(gè)分段的場電極中的每一個(gè)具有多個(gè)段(115、114)，每個(gè)段形成電容器的極板，其中場效應(yīng)器件(100)與電子裝置(300)相連，該電子裝置動(dòng)態(tài)地連接所選段以選擇性地設(shè)置柵-漏電容(CGD)和漏-源電容(CDS)。
2.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)器件(100)，其中該至少一個(gè)分段的場電極進(jìn)一步包括第一分段場電極(111)和第二分段場電極(109)。
3.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)器件，其中該場效應(yīng)器件(100)是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
4.如權(quán)利要求2所述的場效應(yīng)器件(100)，其中第二場電極(109)至少部分地布置在第一場電極(111)之上。
5.如權(quán)利要求4所述的場效應(yīng)器件(100)，其中在第二場電極與第一場電極部分地交疊的位置，在第一(109)和第二分段場電極(111)之間布置介電層(113)。
6.如權(quán)利要求3所述的場效應(yīng)器件(100)，其中該場效應(yīng)器件是絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)器件(100)，其中該場效應(yīng)器件是半導(dǎo)體晶體管，并且該半導(dǎo)體是硅、硅鍺或III-V族半導(dǎo)體材料中的一種。
8.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)器件(100)，其中CGD與CDS的比率由電子裝置(300)選擇性地并動(dòng)態(tài)地控制。
9.如權(quán)利要求8所述的場效應(yīng)器件(100)，其中該比率的范圍為約0.3到約小于0.9。
10.如權(quán)利要求1所述的場效應(yīng)器件(100)，其中該場效應(yīng)器件是電開關(guān)的部件。
11.一種超聲裝置(400)，包括換能器(403)，耦接到開關(guān)器件(401)，該開關(guān)器件在發(fā)射模式和接收模式之間切換換能器(403)，其中該開關(guān)器件包括場效應(yīng)器件(100)，該場效應(yīng)器件包括至少一個(gè)分段的場電極(109、111)，該至少一個(gè)分段的場電極中的每一個(gè)具有多個(gè)段(115、114)，每個(gè)段形成電容器的極板；并且其中該場效應(yīng)器件與電子裝置(300)相連，該電子裝置動(dòng)態(tài)地連接所選段以選擇性地設(shè)置柵-漏(CGD)電容和漏-源電容(CDS)。
12.如權(quán)利要求11所述的超聲裝置(400)，其中換能器(403)在CGD與CDS的特定比率下最佳地工作，并且電子裝置(300)連接所選段以實(shí)現(xiàn)該特定比率。
13.如權(quán)利要求11所述的超聲裝置(400)，其中該超聲裝置適于連接到多個(gè)換能器中的任一個(gè)或多個(gè)，其每一個(gè)在CGD與CDS的特定比率之一下最佳地工作，并且該電子裝置當(dāng)與該超聲裝置一起使用時(shí)連接所述所選段以便為所述多個(gè)換能器中的一個(gè)實(shí)現(xiàn)該特定比率。
14.如權(quán)利要求11所述的超聲裝置(400)，其中該至少一個(gè)分段場電極(109、111)進(jìn)一步包括第一分段場電極和第二分段場電極。
15.如權(quán)利要求11所述的超聲裝置(400)，其中場效應(yīng)器件(100)是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
16.如權(quán)利要求13所述的超聲裝置(400)，其中第二分段場電極(109)至少部分地布置在第一場電極之上。
17.如權(quán)利要求15所述的超聲裝置(400)，其中在第二場電極與第一場電極部分地交疊的位置，在第一和第二分段場電極(109，111)之間布置介電層(113)。
18.如權(quán)利要求14所述的超聲裝置(400)，其中場效應(yīng)器件(100)是絕緣體上半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求11所述的超聲裝置(400)，其中場效應(yīng)器件(100)是半導(dǎo)體晶體管，并且該半導(dǎo)體是硅、硅鍺或III-V族半導(dǎo)體材料中的一種。
20.如權(quán)利要求11所述的超聲裝置(400)，其中電子裝置(300)包括多路復(fù)用器(304)，其從換能器接收輸入，并基于該輸入實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)選擇。
21.如權(quán)利要求11所述的超聲裝置(400)，其中CGD小于CDS。
全文摘要
一種場效應(yīng)器件，包括至少一個(gè)分段場電極，該至少一個(gè)分段場電極的每一個(gè)具有多個(gè)段，每個(gè)段形成電容器的極板，其中該場效應(yīng)器件與一電子元件相連，該電子元件動(dòng)態(tài)地連接所選段以選擇性地設(shè)置柵－漏和漏－源電容。一種超聲裝置，包括耦接到開關(guān)器件的換能器，該開關(guān)器件在發(fā)射模式和接收模式開關(guān)器件之間切換換能器，其中該開關(guān)器件包括該場效應(yīng)器件。
文檔編號(hào)H01L29/40GK1856880SQ200480027245
公開日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2004年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月22日
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