專利名稱：同軸晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同軸晶體管結(jié)構(gòu)(Coaxial-Transistor)，特別是涉及一種使用于 提高集成電路集積度(Integration)的同軸結(jié)構(gòu)金屬_氧化層_半導(dǎo)體場效晶體管，及其 完全對稱的互補(bǔ)型金屬_氧化層_半導(dǎo)體場效晶體管技術(shù)的同軸晶體管結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
晶體管"Transistor"源于Transfer-Resistor,原為"調(diào)動電阻者；移動或轉(zhuǎn) 移電阻者"之意，意譯為"調(diào)阻體"可望字知義。晶體管在現(xiàn)有習(xí)知的電子技術(shù)領(lǐng)域已明 確表現(xiàn)其優(yōu)越的"調(diào)整內(nèi)建電阻(Build inResistor)大小，使通過電流可大可小"的雙 極性接面晶體管(Bipolarjunction Transistor,簡稱BJT)功能；或在現(xiàn)有習(xí)知的積體 數(shù)字邏輯電子技術(shù)領(lǐng)域的"調(diào)整內(nèi)建電阻，極大化使電流阻斷成為斷路(off)或極小化 使電流暢通成為接通(on)"的單極性晶體管(Unipolar Transistor)功能，例如接面場 效晶體管(Junction Field-Effect Transistor,簡稱JFET)、金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體 管(Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor, MESFET)或金屬-氧化層-半導(dǎo) 體場效晶體管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor, MOSFET簡稱金 氧半場效晶體管M0S)。晶體管調(diào)整內(nèi)建電阻的控制能力來自結(jié)構(gòu)內(nèi)pn接面形成內(nèi)建電 場(Built-InPotential)的順偏壓或逆偏壓的起始安排及選擇，是由射極(Emitter, E)、 基極(Base, B)及集極(Collector, C)組成BJT晶體管的基極偏壓來控制電阻大??；或由 源極(Source, S)、閘極(Gate, G)及汲極(Drain, D)組成諸FET的閘極偏壓來控制載子 (Carrier,電子或電洞)的通(ON)與斷(OFF)。之后發(fā)展的M0S為避免電位漂浮(Floating) 另增一基體(Body, B)而成一四端點晶體管。基極或門極正如同水龍頭調(diào)整水流量大小或 通-斷的功能。 在現(xiàn)有習(xí)知集成電路組件制作形態(tài)，上述不論三端點或四端點晶體管各極的材料 單體，皆以擴(kuò)散、沈積、離子植入或磊晶等單元半導(dǎo)體制程，形成具備長寬深度的方形布置
分布形狀來制成，并能以三極并行接口形成上下或左右達(dá)成晶體管調(diào)整電阻作用者。因此
組件與組件區(qū)格，偃然成為馬賽克式方形塊組成的集成電路結(jié)構(gòu)。舉例如圖l-l、l-2所示，
圖1-1為一 CMOS反相器(Inverter)頂視圖，圖1-2為一對照橫截面圖。 1947年W. Shockley、Bardeen及Brattain在美國貝爾實驗室發(fā)明晶體管，其為點
接觸式(Point Contact)鍺接面晶體管。此為美國專利US2， 569， 347 "Circuit Element
Utilizing Semiconductive Material" S印t. 25， 1951公告所記。然于1960年代初期，以
數(shù)字計算機(jī)微小化的需要下，將多數(shù)晶體管密集制造在基板上的想法；卻被發(fā)明晶體管的
貝爾實驗室視為極端可笑的創(chuàng)意。時至今日，微電子技術(shù)已不斷地進(jìn)步；貝爾實驗室的幽默
成為追求不可能任務(wù)研究者背后的創(chuàng)造動力。 現(xiàn)有習(xí)知BJT的電流密度高、反應(yīng)速度快的優(yōu)點，在模擬電路應(yīng)用雖可大量使 用；但應(yīng)用在數(shù)字邏輯電路的反相器、晶體管-晶體管邏輯電路(Transistor-Transistor Logic, TTL)和射極耦合邏輯電路(Emitter-Coupled Logic, ECL)時，則受限于三極的面積，使BJT在集成電路的集積度方面無法和以電場電壓控制通斷的場效應(yīng)(Field-Effect, FET)晶體管相比。因以基極電流控制集射極電流的BJT結(jié)構(gòu)，基極實體層無論如何地薄均 無法減免其做為載子交換體而必須存在的遺憾；而FET卻可將閘極往上方的空間移出，來 以電壓控制源極與汲極間電流的通斷，使得FET在數(shù)字集成電路的集積度勝過BJT。又FET 中現(xiàn)有習(xí)知金屬-氧化層-半導(dǎo)體場效晶體管MOSFET(以下簡稱M0S)，因具有更高集積度、 更低消耗功率、更高輸入阻抗和更低輸入電流等優(yōu)點而成為數(shù)字邏輯電路中最受青睬的組 件結(jié)構(gòu)。但N通道M0S(以下簡稱NM0S)主要導(dǎo)通的N信道載子的電子移動率遠(yuǎn)大于P通 道M0S(以下簡稱PM0S)電洞的移動率，若摻雜濃度相同且閘極寬長比相同時，NMOS的操作 速度遠(yuǎn)比PMOS快速；因此在高N-型摻雜濃度及高精準(zhǔn)摻雜輪廓控制度的離子植入技術(shù)開 發(fā)后，NMOS取代了 PMOS。 如圖1-1及圖1-2所示，將一現(xiàn)有習(xí)知PMOS 103及一現(xiàn)有習(xí)知NMOS 101兩 者串接以組成現(xiàn)有習(xí)知互補(bǔ)型金屬-氧化層-半導(dǎo)體場效晶體管(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, CMOSFET，以下簡稱CMOS)，其兩 者閘極相接做數(shù)字邏輯電路訊號輸入端102、兩者串接的汲極與源極聯(lián)機(jī)做為訊號輸出端 104，并將兩者各接上VDD高電位105及Vss低電位106的雙態(tài)邏輯準(zhǔn)位。當(dāng)共同閘極輸入高 或低電壓時，則兩者其中一條通道處于導(dǎo)通，而另一通道呈關(guān)閉狀態(tài)。亦即CMOS輸出端將 隨NMOS和PMOS所接的高準(zhǔn)位或低準(zhǔn)位切換。理論上CMOS無靜態(tài)功率消耗，但只有PMOS 和NMOS切換在同時導(dǎo)通的瞬時瞬間，才產(chǎn)生動態(tài)的功率消耗。因此，1980年代后CMOS的發(fā) 明，更成為數(shù)字邏輯電子產(chǎn)品更低耗能及快速運(yùn)算的晶體管結(jié)構(gòu)，貢獻(xiàn)良多；但由于現(xiàn)有習(xí) 知CMOS晶體管結(jié)構(gòu)是由NMOS及PMOS串接組成，不論是由單井或雙井結(jié)構(gòu)所組成的CMOS, 先天上串接連成一個pnpn的閘流體(Thyristor)寄生結(jié)構(gòu)，并將產(chǎn)生閂鎖(Latch-up)效 應(yīng)，使得CMOS電壓控制功能有暫時性或永久失去的可能，甚或電流突增燒毀電路的缺點。
舉一具N型井CMOS反相器結(jié)構(gòu)的閂鎖狀態(tài)說明，如圖2-l、2-2。圖2_1為N_井 CMOS芯片的橫截面圖，圖2-2為其等效電路圖。Q丄為垂直向寄生的PNP雙載子晶體管，是 由PMOS晶體管的P+源極、N型井及P型基板形成。Q〃為橫向寄生的NPN雙載子晶體管， 是由NMOS晶體管的N+源極、P型基板及N型井形成。橫向NPN的集極經(jīng)由N型井連接垂 直PNP的基極。垂直PNP的集極與橫向NPN的基極由P型基板相連?？梢奝型基板兼具 (NPN的)基極、(PNP的)集極和NPN基極至PNP集極的連接介質(zhì)等三種功能；而N井亦兼 具(PNP的)基極、(NPN的)集極和PNP基極至NPN集極的連接線等三種功能，如此的P基 板和N井(如同基板功能)變成重復(fù)的集基極共享方式(載子同源)，構(gòu)成閂鎖主因(根除 方法為徹底切割，將N井不要做在P基板上)。圖中Rw為N井至PMOS的源極P+間的串連 電阻，簡稱N井電阻，Rsub為P型基板至NMOS汲極N+間的串連電阻，簡稱基板電阻。今舉 例閂鎖發(fā)生的某一時刻，其可能來自于電壓的突波如電源開啟、游離事件或某些其它瞬時， 而產(chǎn)生足夠大的電流流經(jīng)NPN晶體管的集極(n井和pnp的基極共享，亦即又當(dāng)npn集極兼 當(dāng)P即的基極 一-可能重復(fù)作用的沖突)，造成流經(jīng)井電阻Rw電流偏壓PNP晶體管Q丄的 基射極。若此偏壓足夠迫使PNP晶體管的集極啟動產(chǎn)生電流流動。則流經(jīng)基板電阻Rsub 的電流能再偏壓NPN晶體管Q〃的基射極，使得Q〃放大更多電流并再流入井電阻Rw以擴(kuò) 大Q丄偏壓，循環(huán)吸造成正回饋電路的作用。除非電源移開；否則將不會關(guān)閉此閂鎖效應(yīng)。
現(xiàn)有習(xí)知避免閂鎖發(fā)生最直接方法，是以(1)增加NMOS及PMOS兩晶體管距離、
5(2)增加基極摻雜濃度、(3)基板上使用磊晶層(Epitaxial Layer)提高橫向電阻產(chǎn)生的 較高觸發(fā)偏壓準(zhǔn)位、(4)縮短基體接點和源極接點距離(Butted Contact) 、 (5)深溝隔絕 (Trench Isolation) 、 (6)使用護(hù)環(huán)(GuardRing)吸收注入電荷以防止雙載子動作、(7) 絕緣層上復(fù)晶(Silicon Onlnsulator， SOI)及(8)使用三維CM0S如3D CMOS的堆棧式 (Stacked CMOS)結(jié)構(gòu)的方法等技術(shù)來防止閂鎖。其中第一至六項方法可從圖1_2等效電 路中所示將Rw及Rsub變大來延緩或避免Q上提早啟動及再阻止Q〃啟動的方法來了解。 但因這六項方法均會降低電路密度(集積度)且降低電路切換速度；其雖可改善閂鎖現(xiàn)象； 但卻一直無法根除，尤其是集積度要求提高時。第七項SOI方法是將MOS完全建立在絕緣 層上，閘流體結(jié)構(gòu)近乎消失，不可能產(chǎn)生耦合電流，可直接有效地解決閂鎖效應(yīng)。絕緣層上 復(fù)晶SOI法雖能防止閂鎖；但其依然是將PMOS及NMOS在平面上并排組成，無法達(dá)到提高集 積度。第八項的3D CMOS是將一個MOS制成后的上方再制作一個MOS，中間隔一氧化層。此 方法可成功克服閂鎖效應(yīng)，但乃需克服立體方塊組件光罩對準(zhǔn)的困難及在氧化層上方再做 硅半導(dǎo)體結(jié)晶技術(shù)的問題。 使用低耗能優(yōu)點CMOS除需克服先天閂鎖效應(yīng)外，隨集成電路集積度提高后所伴
隨如何處理所增加高密度組件數(shù)目的切換速度問題，為一件更值得重視的事。 由此可見，上述現(xiàn)有的晶體管結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而
亟待加以進(jìn)一步改進(jìn)。為了解決上述存在的問題，相關(guān)廠商莫不費(fèi)盡心思來謀求解決之道，
但長久以來一直未見適用的設(shè)計被發(fā)展完成，而一般產(chǎn)品又沒有適切結(jié)構(gòu)能夠解決上述問
題，此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問題。因此如何能創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的同軸晶體管結(jié)構(gòu)，
實屬當(dāng)前重要研發(fā)課題之一，亦成為當(dāng)前業(yè)界極需改進(jìn)的目標(biāo)。 有鑒于上述現(xiàn)有的晶體管結(jié)構(gòu)存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品設(shè)計制造 多年豐富的實務(wù)經(jīng)驗及專業(yè)知識，并配合學(xué)理的運(yùn)用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新 型結(jié)構(gòu)的同軸晶體管結(jié)構(gòu)，能夠改進(jìn)一般現(xiàn)有的晶體管結(jié)構(gòu)，使其更具有實用性。經(jīng)過不斷 的研究、設(shè)計，并經(jīng)過反復(fù)試作樣品及改進(jìn)后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實用價值的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有的晶體管結(jié)構(gòu)存在的缺陷，而提供一種新型結(jié) 構(gòu)的同軸晶體管結(jié)構(gòu)，所要解決的技術(shù)問題是使其克服現(xiàn)有習(xí)知的CMOS閂鎖效應(yīng)，并提高 集積度，非常適于實用。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出 的一種同軸晶體管結(jié)構(gòu)，是一種同軸P通道金屬_氧化層_半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)，為一 n 型基板或基板的n型井上制作加強(qiáng)型或空乏型同軸晶體管結(jié)構(gòu)，其包括一p摻雜圓環(huán)形汲 極半導(dǎo)體區(qū)；及一 P摻雜圓環(huán)形源極半導(dǎo)體區(qū)；及一在同一基板或井上且介于圓環(huán)形源極 和汲極半導(dǎo)體區(qū)之間所形成圓環(huán)形通道區(qū)及此圓環(huán)形通道區(qū)上方且被一氧化層隔絕的圓 環(huán)形多晶硅或?qū)w閘極；及一連接源極并以自身基板或井當(dāng)參考電位的基體；及一連接基 體和圓環(huán)形源極的同軸外環(huán)形供電導(dǎo)體層；及一連接汲極(載子集中處)半導(dǎo)體的內(nèi)軸心 導(dǎo)體；或其它作為必要晶體管功用的圓環(huán)形組件等材料所組成，其特征為同軸P信道金氧 半場效晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)各圓環(huán)形組件及圓環(huán)形各極，是以同軸結(jié)構(gòu)型態(tài)組成，且其環(huán)形閘極 的電壓控制晶體管產(chǎn)生電流流動方向，為各半徑方向地由圓周外環(huán)導(dǎo)體層往軸心導(dǎo)體的半徑向匯集型式所組成的同軸晶體管者。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實現(xiàn)。 前述的同軸晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述的源極連接供電的軸心導(dǎo)體；且汲極連接同軸
的外環(huán)導(dǎo)體并與基體連接做參考電位，該閘極的電壓控制晶體管產(chǎn)生電流流動方向，為各
半徑方向地由軸心導(dǎo)體均勻發(fā)散流出至圓周外環(huán)導(dǎo)體層的半徑向發(fā)散型式所組成的同軸
晶體管者。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的 一種同軸晶體管結(jié)構(gòu)，是一種同軸n通道金屬_氧化層_半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)，為一 p型 基板或基板的P型井上制作加強(qiáng)型或空乏型同軸晶體管結(jié)構(gòu)，其包括一n摻雜圓環(huán)形汲極 半導(dǎo)體區(qū)；及一n摻雜圓環(huán)形源極半導(dǎo)體區(qū)；及一在同一基板或井上且介于圓環(huán)形源極和 汲極半導(dǎo)體區(qū)之間所形成圓環(huán)形通道區(qū)及此圓環(huán)形通道區(qū)上方且被一氧化層隔絕的圓環(huán) 形多晶硅或?qū)w閘極；及一連接源極并以自身基板或井當(dāng)參考電位的基體；及一連接基體 和圓環(huán)形源極的同軸外環(huán)形供電導(dǎo)體層；及一連接汲極(載子集中處)半導(dǎo)體的內(nèi)軸心導(dǎo) 體；或其它作為必要晶體管功用的圓環(huán)形組件等材料所組成，其特征為同軸n信道金氧半 場效晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)各圓環(huán)形組件及圓環(huán)形各極，是以同軸結(jié)構(gòu)型態(tài)組成，且其環(huán)形閘極的 電壓控制晶體管產(chǎn)生電流流動方向，為各半徑方向地由軸心導(dǎo)體均勻發(fā)散流出至圓周外環(huán) 導(dǎo)體層的半徑向發(fā)散型式所組成的同軸晶體管者。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實現(xiàn)。 前述的同軸晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述的源極連接供電的軸心導(dǎo)體；且汲極連接同軸
的外環(huán)導(dǎo)體并與基體連接做參考電位，該閘極的電壓控制晶體管產(chǎn)生電流流動方向，為各
半徑方向地由圓周外環(huán)導(dǎo)體層往軸心導(dǎo)體的半徑向匯集型式所組成的同軸晶體管。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題另外還采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提
出的一種同軸晶體管結(jié)構(gòu)，是一種同軸互補(bǔ)型金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)(Coaxial
Complementary Metal_Oxide_SemiconductorField_Effect Transistor, CCMOSFET)，其是
由一個同軸P通道金氧半場效晶體管及一個同軸N通道金氧半場效晶體管等兩者上下顛倒
接合而成，其特征是以兩軸心導(dǎo)體上下串接且閘極共享，各上下半導(dǎo)體組件是完全互補(bǔ)對
稱且各金氧半場效晶體管自身是以軸心同軸共構(gòu)的型態(tài)組合結(jié)構(gòu)者。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實現(xiàn)。 前述的同軸晶體管結(jié)構(gòu)，是一種同軸互補(bǔ)型金氧半場效晶體管反相器結(jié)構(gòu)，其包
括一共享閘極是做為反相器的輸入控制端；及一軸心串接連線做為反相器的上輸出端及下
輸出端，其特征是當(dāng)反相器的輸入控制端輸入低電壓準(zhǔn)位時，共同閘極的低電壓感應(yīng)P信
道接通電流，其源極的正電洞載子源高電壓供電半徑向匯集電流至軸心串接電導(dǎo)體以輸出
高電壓準(zhǔn)位；當(dāng)反相器的輸入控制端輸入高電壓準(zhǔn)位時，共同閘極的高電壓感應(yīng)N信道接
通電流，其源極的電子載子源負(fù)電壓供電半徑向匯集電子流至軸心串接電導(dǎo)體以輸出低電
壓準(zhǔn)位者。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。由以上技術(shù)方案可知，本發(fā) 明的主要技術(shù)內(nèi)容如下 本發(fā)明首先將現(xiàn)有習(xí)知PMOS制成同軸化結(jié)構(gòu)PMOS (簡稱CPM0S)的方法、及現(xiàn)有 習(xí)知NM0S制成同軸化結(jié)構(gòu)NMOS (簡稱CNMOS)的方法及再將兩者上下顛倒接合而成完全對稱的互補(bǔ)型同軸金屬氧化層半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)等方法來徹底解決閂鎖效應(yīng)，并可提 高集積度及反應(yīng)速度的目的。全對稱的同軸互補(bǔ)型金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管簡稱為同 車由互補(bǔ)型金氧半場效晶體管(Coaxial Complementary Metal-Oxide-SemiconductorField -Effect Transistor,以下簡稱CCM0SFET或CCM0S)，本發(fā)明的CCM0S將兩軸心導(dǎo)體上下串 接且閘極共享，各上下半導(dǎo)體組件是兼具自身同軸對稱且上下互補(bǔ)對稱的完全互補(bǔ)對稱結(jié) 構(gòu)。則其上下互補(bǔ)重迭堆棧如同現(xiàn)有習(xí)知堆棧式3D CMOS可提高集積度，且達(dá)到完全防止 閂鎖效應(yīng)并提升邏輯開關(guān)反應(yīng)速度的目的。詳述如下 —、p通道金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)同軸化方法。如圖3-1所示，此為一 n型基板301或基板的n型井上制作同軸p通道加強(qiáng)型金氧半場效晶體管的舉例說明，同軸 晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)容包括一 P摻雜圓環(huán)形汲極半導(dǎo)體區(qū)302、一 p摻雜圓環(huán)形源極半導(dǎo)體區(qū)303 及一在同一基板或井上且介于圓環(huán)形源極和汲極半導(dǎo)體區(qū)之間所形成圓環(huán)形通道區(qū)304 及此圓環(huán)形通道區(qū)304上方且被一氧化層305隔絕的圓環(huán)形多晶硅或?qū)w閘極306、一連接 源極并以自身基板或井當(dāng)參考電位的基體307、一連接基體307和圓環(huán)形源極的同軸外環(huán) 形供電導(dǎo)體層308、一連接汲極(載子集中處)半導(dǎo)體的內(nèi)軸心導(dǎo)體309等組件所組成，此 同軸P通道金氧半場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)各圓環(huán)形組件及圓環(huán)形各極，是以同軸結(jié)構(gòu)型態(tài)組 成，且環(huán)形閘極306的電壓，其控制晶體管產(chǎn)生電流流動的方向，為各半徑方向地由圓周外 環(huán)導(dǎo)體層308往軸心導(dǎo)體309的半徑向內(nèi)匯集型式所組成的同軸晶體管者。如圖4-2電流 匯集至軸心導(dǎo)體圖所示(其流出或流入是視源極做為內(nèi)部或外部位置視使用需要來決定； 可如同現(xiàn)有習(xí)知PM0S原設(shè)定為上拉式輸出入可變化的安排)，異于現(xiàn)有習(xí)知源極至汲極電 流流動，如圖4-1所示者。本發(fā)明利用本人已申請發(fā)明專利『申請發(fā)明專利案號095146963 號』的專利名稱『折射率分布在半徑上的同軸光導(dǎo)光纖及其同軸半導(dǎo)體光源與檢光器共 構(gòu)的同軸光導(dǎo)系統(tǒng)』中的同軸半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)原理，將現(xiàn)有習(xí)知PM0S制成同軸化結(jié)構(gòu)的CPM0S。 由于軸心對稱的結(jié)構(gòu)所提供均勻內(nèi)建電場下的直接驅(qū)動電流(Drift Current)等距環(huán)向匯 集快速流動；避免擴(kuò)散電流的影響，提高反應(yīng)速度并可減少噪聲。因在同軸供電兩電極提供 電壓形成電場的驅(qū)動下，電洞或電子走最近距離方向移動，也正好為各半徑的電場極化方 向，亦即在其形成最大徑向電場作用中，載子依最大徑向電場推動方向移動可快匯集或發(fā) 散最高電流。 二、n通道金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)同軸化方法。如圖3-2所示，此為一 p型基板311或基板的p型井上制作n通道加強(qiáng)型金氧半場效應(yīng)晶體管的舉例說明，同軸晶 體管結(jié)構(gòu)內(nèi)容包括一N摻雜圓環(huán)形汲極半導(dǎo)體區(qū)312、一N摻雜圓環(huán)形源極半導(dǎo)體區(qū)313及 一在同一基板或井上且介于圓環(huán)形源極313和汲極半導(dǎo)體區(qū)312之間所形成圓環(huán)形通道區(qū) 314及此圓環(huán)形通道區(qū)314上方且被一氧化層315隔絕的圓環(huán)形多晶硅或?qū)w閘極316、一 連接源極并以自身基板或井當(dāng)參考電位的基體317、一連接基體317和圓環(huán)形源極的同軸 外環(huán)形供電導(dǎo)體層318、一連接汲極(載子集中處)半導(dǎo)體的內(nèi)軸心導(dǎo)體319等各組件所 組成，其同軸n通道金氧半場效晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)各圓環(huán)形組件及圓環(huán)形各極，是以同軸結(jié)構(gòu) 型態(tài)組成，且其環(huán)形閘極316的電壓，其控制晶體管產(chǎn)生電流流動方向，為各半徑外向地由 軸心導(dǎo)體319均勻發(fā)散流出至圓周外環(huán)導(dǎo)體層318的半徑向外發(fā)散型式所組成的同軸晶體 管。如圖4-3所示為電流從軸心均勻往外發(fā)散(其流出或流入是視源極做為內(nèi)部或外部位 置視使用需要來決定；可如同現(xiàn)有習(xí)知NM0S原設(shè)定為下拉式輸出入可變化的安排)，異于現(xiàn)有習(xí)知源極至汲極電流流動，如圖4-1所示者。本發(fā)明利用本人已申請發(fā)明專利『申請 發(fā)明專利案號095146963號』的專利名稱『折射率分布在半徑上的同軸光導(dǎo)光纖及其同 軸半導(dǎo)體光源與檢光器共構(gòu)的同軸光導(dǎo)系統(tǒng)』中的同軸半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)原理，將現(xiàn)有習(xí)知NM0S 制成同軸化結(jié)構(gòu)的CNMOS。由于軸心對稱的結(jié)構(gòu)所提供均勻內(nèi)建電場下的直接驅(qū)動電流 (Drift Current)等距環(huán)向匯集快速流動；避免擴(kuò)散電流的影響，提高反應(yīng)速度并可減少噪 聲。因在同軸供電兩電極提供電壓形成電場的驅(qū)動下，電子載子走最近距離方向移動，也正 好為各半徑的電場極化方向，亦即在其形成最大徑向電場作用中，載子依最大徑向電場推 動方向移動可快速發(fā)散或匯集最高電流。 三、上下顛倒接合且完全對稱互補(bǔ)型金氧半場效晶體管結(jié)構(gòu)同軸化的方法。如圖5 所示，此CCM0S為一個由圖3-1的CPM0S顛倒在上及一個由圖3-2的CNM0S在下接合而成。 兩軸心導(dǎo)體309及319上下串接后的聯(lián)機(jī)可構(gòu)成上輸出端501及下輸出端502。其閘極共 享構(gòu)成一電壓輸入控制端503、504為VDD高電位，505為Vss低電位。本發(fā)明的CCMOS將兩 軸心導(dǎo)體上下串接且閘極共享，各上下半導(dǎo)體組件不但兼具自身同軸對稱且上下完全互補(bǔ) 對稱結(jié)構(gòu)可以由圖6表示。由于上面的CPMOS的pnp電晶與下面一個CNMOS的npn晶體管 各組件已擺脫共享互接且徹底分割，可完全解決閂鎖效應(yīng)的發(fā)生。異于現(xiàn)有習(xí)知并排組成 的CMOS結(jié)構(gòu)；本發(fā)明為上下重迭組成而提高集積度。且本發(fā)明同軸化晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)pn接 面形成內(nèi)建電場(Built-in Potential)為同軸對稱均勻分布的內(nèi)建電場，載子流動為環(huán)向 半徑向內(nèi)匯集或向外發(fā)散的半徑向等距離流動方式，可獲得更高反應(yīng)速度并降低噪聲。
借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明同軸晶體管結(jié)構(gòu)至少具有下列優(yōu)點及有益效果本發(fā) 明將現(xiàn)有習(xí)知PM0S制成同軸化結(jié)構(gòu)CPM0S的方法、及現(xiàn)有習(xí)知NM0S制成同軸化結(jié)構(gòu)CNM0S 的方法及再將兩者上下顛倒接合而成完全對稱的互補(bǔ)型同軸金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體 管CCM0S結(jié)構(gòu)等方法可徹底解決閂鎖效應(yīng)，并可提高集積度及反應(yīng)速度的目的。以如此同 軸結(jié)構(gòu)化的各種金氧半場效晶體管，同樣實現(xiàn)晶體管成為"調(diào)動電阻者；移動或轉(zhuǎn)移電阻 者"的"調(diào)整內(nèi)建電阻，極大化使電流阻斷成為斷路(off)或極小化使電流暢通(on)"目的。 其電流等距匯集和發(fā)散動作，如同花開花謝最省力且符合自然原理所形成積體數(shù)字邏輯電 子技術(shù)，這將使數(shù)字集成電路的應(yīng)用更加完美。 綜上所述，本發(fā)明具有上述諸多優(yōu)點及實用價值，其不論在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或功能上皆 有較大改進(jìn)，在技術(shù)上有顯著的進(jìn)步，并產(chǎn)生了好用及實用的效果，且較現(xiàn)有的晶體管結(jié)構(gòu) 具有增進(jìn)的突出功效，從而更加適于實用，并具有產(chǎn)業(yè)的廣泛利用價值，誠為一新穎、進(jìn)步、 實用的新設(shè)計。 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠 更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。


圖1A為現(xiàn)有習(xí)知CMOS互補(bǔ)型金氧半場效晶體管集成電路反相器單元頂視結(jié)構(gòu)示 意圖。 圖1B為對照圖1A現(xiàn)有習(xí)知CMOS互補(bǔ)型金氧半場效晶體管集成電路單元結(jié)構(gòu)橫 截面示意圖。
圖2A為現(xiàn)有習(xí)知CMOS反相器中產(chǎn)生閂鎖現(xiàn)象的芯片橫截面示意圖。 圖2B為現(xiàn)有習(xí)知CMOS反相器中產(chǎn)生閂鎖現(xiàn)象的等效電路示意圖。 圖3A為同軸p通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)立體剖面示意圖。 圖3B為同軸n通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)組合剖面示意圖。 圖4A為現(xiàn)有習(xí)知頂視源極至汲極電流流動示意圖。 圖4B為電流匯集至軸心導(dǎo)體示意圖。 圖4C為為電流從軸心均勻往外發(fā)散示意圖。 圖5為同軸互補(bǔ)型金氧半場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)剖面示意圖。 圖6為同軸化完全對稱互補(bǔ)型金氧半場效晶體管橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7為同軸互補(bǔ)金氧半場效晶體管組成的反相器實施例圖。
具體實施例方式
為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的同軸晶體管結(jié)構(gòu)其具體實施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其 功效，詳細(xì)說明如后。 有關(guān)本發(fā)明的前述及其他技術(shù)內(nèi)容、特點及功效，在以下配合參考圖式的較佳實 施例的詳細(xì)說明中將可清楚的呈現(xiàn)。為了方便說明，在以下的實施例中，相同的元件以相同 的編號表示。
實施例 CCM0SFET同軸互補(bǔ)金氧半場效晶體管組成的反相器。 請參閱圖7所示，是同軸互補(bǔ)金氧半場效晶體管組成的反相器集成電路，此各反 相器是為一個由圖3-1的CPM0S顛倒在上及一個由圖3-2的CNM0S在下接合而成CCM0S 的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)反相電路作用。兩軸心導(dǎo)體309、319上下串接后的聯(lián)機(jī)可構(gòu)成上輸出端701 及下輸出端702。其閘極共享構(gòu)成一電壓輸入控制端703。每一個CCMOS是將兩軸心導(dǎo)體 309、319上下串接且閘極共享，各上下半導(dǎo)體組件不但兼具自身同軸對稱且上下完全互補(bǔ) 對稱而構(gòu)成的同軸反相器。各反相器間以隔離層706隔離。當(dāng)各反相器的輸入控制端703 輸入低電壓準(zhǔn)位時，共同閘極的低電壓感應(yīng)其上CPMOS的P通道接通電流，其源極704的正 電洞載子源以高電壓VDD供電，半徑向匯集電流至軸心串接電導(dǎo)體，以輸出高電壓準(zhǔn)位至軸 心導(dǎo)體上輸出端701及下輸出端702。亦即原為低電壓或低準(zhǔn)位可上拉輸出高電壓或成高 準(zhǔn)位；當(dāng)反相器的輸入控制端703輸入高電壓準(zhǔn)位時，共同閘極的高電壓感應(yīng)其下CNM0S的 N通道接通電流，其源極705VSS的電子載子源負(fù)電壓供電，半徑向匯集電子流至軸心串接電 導(dǎo)體上輸出端701及下輸出端702，輸出低電壓準(zhǔn)位。亦即原為高電壓或高準(zhǔn)位可下拉輸出 低電壓或成為低準(zhǔn)位。此源極1低電壓若接地，則1視為接地電壓。若為邏輯雙電壓準(zhǔn) 位，則為負(fù)電位。如此則實現(xiàn)反相電路作用，其集成電路組成的結(jié)構(gòu)因同軸化且上下重迭堆 棧式的型式，提高集積度。又因同軸化晶體管內(nèi)均勻電場快速驅(qū)動電流其匯集與發(fā)散的自 然力作用可更節(jié)省所消耗功率。 以上本發(fā)明實施例闡述各種細(xì)節(jié)所引用各參考編號的組件，皆可視為相同或功能 上類似的組件，且意欲以極簡化的圖解方式來圖說實例所表示的主要實施特點；因此，此圖 示并非意欲描繪出實際實施例的所有特點，亦并非意欲描繪所繪組件的相對尺寸及數(shù)量，故所示之圖并非按比例繪成，其是按本發(fā)明的同軸化晶體管結(jié)構(gòu)的基本精神所繪成。
以上所舉例并圖標(biāo)顯示本發(fā)明的同軸晶體管所制成的同軸金氧半場效晶體管及 同軸互補(bǔ)型金氧半場效晶體管的反相器裝置，僅作為代表本發(fā)明同軸晶體管主要精神的 同軸共構(gòu)的主張，以說明其它可據(jù)以等效發(fā)揮同軸共構(gòu)的晶體管功能及據(jù)以應(yīng)用的各種樣 態(tài)。 實例上所談，本同軸晶體管所組成的各種金氧半場效晶體管及反相器裝置，不但 擁有高集積度、高反應(yīng)速度及完全免除閂鎖效應(yīng)，可用來表現(xiàn)在各種積體數(shù)字邏輯電路應(yīng) 用場合及各種高速且大量信息儲存的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，如同軸化的SRAM、同軸化的DRAM、同軸 化的ROM..等同軸化的各種內(nèi)存。甚或同軸雙異質(zhì)接面雙極性晶體管(Coaxial Double HeterojunctionBipolar Transistor,DHBT)。則此各同軸化晶體管的產(chǎn)品皆可以較低成本 量產(chǎn)，且可以達(dá)到同軸化省電結(jié)構(gòu)達(dá)到節(jié)省能源的目的。 應(yīng)可了解，上述每一組件的功能及其同軸使用電流通斷功能、或兩個或多個組件
的功能及其同軸化上下堆棧量產(chǎn)，皆可單獨或共同有效應(yīng)用在不同于上述類型的其它類型
的同軸共構(gòu)晶體管邏輯運(yùn)算系統(tǒng)及制程系統(tǒng)中，而達(dá)到有益人類的綜效價值。 盡管本文是以同軸金氧半場效晶體管及其組成互補(bǔ)型金氧半場效晶體管和反相
器結(jié)構(gòu)圖解說明并闡述本發(fā)明的同軸晶體管結(jié)構(gòu)；但此并非意欲僅將本發(fā)明局限于此等圖
示細(xì)節(jié)，因為在以不脫離本發(fā)明精神的任何方式的前提下，可對本發(fā)明實施各種修改及結(jié)
構(gòu)的改變。 無需再分析以上說明所全面披露本發(fā)明的要旨，其已可以使人們能夠應(yīng)用現(xiàn)有知 識在合并根據(jù)先前技術(shù)觀點，以合理構(gòu)成本發(fā)明的一般或具體樣態(tài)的基本特征的前提下， 可輕易地將本發(fā)明修改用于各種應(yīng)用或改用其它材料應(yīng)用于本發(fā)明，且因此，此等修改應(yīng) 該且已意欲包含在隨附申請專利范圍的等效意義及范圍內(nèi)。 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖 然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾 為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì) 對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種同軸晶體管結(jié)構(gòu)，是一種同軸p通道金屬-氧化層-半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)，為一n型基板(301)或基板的n型井上制作加強(qiáng)型或空乏型同軸晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于其包括一p摻雜圓環(huán)形汲極半導(dǎo)體區(qū)(302)；及一p摻雜圓環(huán)形源極半導(dǎo)體區(qū)(303)；及一在同一基板或井上且介于圓環(huán)形源極和汲極半導(dǎo)體區(qū)之間所形成圓環(huán)形通道區(qū)(304)及此圓環(huán)形通道區(qū)(304)上方且被一氧化層(305)隔絕的圓環(huán)形多晶硅或?qū)w閘極(306)；及一連接源極并以自身基板或井當(dāng)參考電位的基體(307)；及一連接基體(307)和圓環(huán)形源極的同軸外環(huán)形供電導(dǎo)體層(308)；及一連接汲極“載子集中處”半導(dǎo)體的內(nèi)軸心導(dǎo)體(309)；或其它作為必要晶體管功用的圓環(huán)形組件等材料所組成，其特征為同軸p信道金氧半場效晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)各圓環(huán)形組件及圓環(huán)形各極，是以同軸結(jié)構(gòu)型態(tài)組成，且其環(huán)形閘極(306)的電壓控制晶體管產(chǎn)生電流流動方向，為各半徑方向地由圓周外環(huán)導(dǎo)體層(308)往軸心導(dǎo)體(309)的半徑向匯集型式所組成的同軸晶體管者。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的同軸晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述的源極連接供電的軸心導(dǎo)體 (309);且汲極連接同軸的外環(huán)導(dǎo)體并與基體(307)連接做參考電位，其特征在于閘極的電 壓控制晶體管產(chǎn)生電流流動方向，為各半徑方向地由軸心導(dǎo)體(309)均勻發(fā)散流出至圓周 外環(huán)導(dǎo)體層(308)的半徑向發(fā)散型式所組成的同軸晶體管者。
3. —種同軸晶體管結(jié)構(gòu)，是一種同軸n通道金屬-氧化層-半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)，為 一P型基板(311)或基板的p型井上制作加強(qiáng)型或空乏型同軸晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于其 包括一n摻雜圓環(huán)形汲極半導(dǎo)體區(qū)(312);及 一n摻雜圓環(huán)形源極半導(dǎo)體區(qū)(313);及一在同一基板或井上且介于圓環(huán)形源極(313)和汲極半導(dǎo)體區(qū)(312)之間所形成圓環(huán) 形通道區(qū)(314)及此圓環(huán)形通道區(qū)(314)上方且被一氧化層(315)隔絕的圓環(huán)形多晶硅或 導(dǎo)體閘極(316);及一連接源極并以自身基板或井當(dāng)參考電位的基體(317);及一連接基體(317)和圓環(huán)形源極的同軸外環(huán)形供電導(dǎo)體層(318);及一連接汲極"載子集中處"半導(dǎo)體的內(nèi)軸心導(dǎo)體(319);或其它作為必要晶體管功用的圓環(huán)形組件等材料所組成，其特征為同軸n信道金氧半場 效晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)各圓環(huán)形組件及圓環(huán)形各極，是以同軸結(jié)構(gòu)型態(tài)組成，且其環(huán)形閘極(316) 的電壓控制晶體管產(chǎn)生電流流動方向，為各半徑方向地由軸心導(dǎo)體(319)均勻發(fā)散流出至 圓周外環(huán)導(dǎo)體層(318)的半徑向發(fā)散型式所組成的同軸晶體管者。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的同軸晶體管結(jié)構(gòu)，其中所述的源極連接供電的軸心導(dǎo)體 (319);且汲極連接同軸的外環(huán)導(dǎo)體并與基體(317)連接做參考電位，其特征在于閘極的 電壓控制晶體管產(chǎn)生電流流動方向，為各半徑方向地由圓周外環(huán)導(dǎo)體層(318)往軸心導(dǎo)體 (319)的半徑向匯集型式所組成的同軸晶體管。
5. —種同軸晶體管結(jié)構(gòu)，是一種同軸互補(bǔ)型金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管結(jié)構(gòu)(Coaxial Complementary Metal_Oxide_SemiconductorField_Effect Transistor, CCMOSFET)，是由一個同軸P通道金氧半場效晶體管及一個同軸N通道金氧半場效晶體管等 兩者上下顛倒接合而成，其特征是以兩軸心導(dǎo)體(309)、 (319)上下串接且閘極共享，各上 下半導(dǎo)體組件是完全互補(bǔ)對稱且各金氧半場效晶體管自身是以軸心同軸共構(gòu)的型態(tài)組合 結(jié)構(gòu)者。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的同軸晶體管結(jié)構(gòu)，是一種同軸互補(bǔ)型金氧半場效晶體管反相 器結(jié)構(gòu)，其特征在于其包括一共享閘極是做為反相器的輸入控制端(703);及一軸心串接連線做為反相器的上輸出端(701)及下輸出端(702)，其特征是當(dāng)反相器 的輸入控制端(703)輸入低電壓準(zhǔn)位時，共同閘極的低電壓感應(yīng)P信道接通電流，其源極 (704)的正電洞載子源高電壓供電半徑向匯集電流至軸心串接電導(dǎo)體以輸出高電壓準(zhǔn)位； 當(dāng)反相器的輸入控制端(703)輸入高電壓準(zhǔn)位時，共同閘極的高電壓感應(yīng)N信道接通電流， 其源極(705)的電子載子源負(fù)電壓供電半徑向匯集電子流至軸心串接電導(dǎo)體以輸出低電 壓準(zhǔn)位者。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種同軸晶體管結(jié)構(gòu)，揭示了一種在基板上的同軸晶體管，尤其是同軸結(jié)構(gòu)的金屬-氧化層-半導(dǎo)體場效晶體管，并可以堆棧芯片或基板(Wafer Bonding)及軸心通孔貫串連接制成更高集積度、無閂鎖效應(yīng)的同軸全對稱互補(bǔ)型金屬-氧化層-半導(dǎo)體場效晶體管集成電路。本發(fā)明將現(xiàn)有習(xí)知PMOS制成同軸化結(jié)構(gòu)CPMOS的方法、及現(xiàn)有習(xí)知NMOS制成同軸化結(jié)構(gòu)CNMOS的方法及再將兩者上下顛倒接合而成完全對稱的互補(bǔ)型同軸金屬氧化層半導(dǎo)體場效晶體管CCMOS結(jié)構(gòu)等方法可徹底解決閂鎖效應(yīng)，并可提高集積度及反應(yīng)速度的目的。
文檔編號H03K19/20GK101728431SQ20081017119
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月22日
發(fā)明者楊春足 申請人:楊春足