专利名称：具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的制作方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，涉及半导体功率器件技术和功率集成电路技术。
背景技术：
二十世纪80年代，新型功率MOS器件和以其为基础的智能功率集成电路(Smart PowerIntegrated Circuit, SPIC)随着微电子技术的进步迅速发展起来。SPIC是逻辑控制 电路与功率器件，直至调制模式的集成，具有低成本，高效率，高可靠性等优点，成为航空航 天技术、工业自动化、汽车电子、未来家电和其它高新技术工业的基础。单片集成开关电源 作为SPIC的一个重要分支，具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构 成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等特点。目前，在单片集成开关电源电路设计中，为了实现对高压电路和功率器件的保护， 其信号采样主要有两种方式，分别是电压采样和电流采样。选择合适的采样方案，并辅以正 确的电路设计，是开关电源电路设计成败的关键之一。在智能功率集成电路设计中，主要 通过信号采样反馈控制的方式实现对高压电路和功率器件的保护以及对工作状态的监控。 图1为一简化的智能开关电源电路图。AC to DC转换电路11将交流电压10转换成直流 电压。当栅电极15加上5. 8V电压时，功率主开关管14开启，电流流过变压器12的初级线 圈。电流检测与自充电复合器件16将会产生与流过功率主开关管14的导通电流成比例的 电流，并将该电流输入电流检测电路18。电流检测电路18将会产生一控制信号111，该控 制信号111通过主控制电路110来反馈控制主开关器件14。当功率主开关管14关断时，流 过电流检测与自充电复合器件16的电流将通过充电电路17对内部芯片进行充电，同时输 出端的反馈信号112也被送入主控制电路110用以调整占空比。电流检测与自充电器件承 担着对主开关器件电流状态的检测，同时也承担着对内部电路的供电，为更好地设计充电 与检测电路，需要对电流检测与自充电复合器件进行有效的设计。李泽宏，等提出了一种高 压SensorFET器件，专利CN1937257，如图2所示。利用器件漏端为较小电压(主开关器件 导通并处于线性区)时工作在线性区，通过电阻分流的原理，实现采样主开关器件导通电 流的功能；利用漏端为大电压(主开关器件关断)时工作在饱和区，实现提供电源的功能。 但是当流过变压器12初级线圈的电流发生变化时，初级线圈两端有电压V = L*(di/dt)。 功率主开关器件14关断时，初级线圈上的电压会上升到几百伏，初级线圈存储的雪崩能量 会通过电流检测与自充电复合器件16进行泄放。由于SensorFET的器件宽度通常远小于 主开关器件的宽度，所以上述高压SensorFET器件在主开关器件关断时，面临无法有效地 对雪崩能量进行泄放的问题，这时，高压SensorFET被置于高压或/和大电流的条件下，器 件温度会迅速上升。当硅的温度达到1173K或表面温度达到金属-硅共熔温度(铝-硅为 850K)时，器件或芯片就会遭到损坏。
发明内容
本发明提供一种具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，该复合功率器件复合了功率变换器中的主开关管和一个SensorFET器件，其中的SensorFET器 件完成对功率变换器主开关管进行电流采样和对内部控制电路进行充电的功能；而功率变 换器中的主开关管具有电压钳位结构，通过电压钳位，使功率变换器初级线圈电压维持在 SensorFET器件的瞬态安全工作区以内；同时，当功率变换器中的主开关器件关断时，初级 线圈存储的雪崩能量通过SensorFET器件的可控栅区调控泄放，实现对泄放能量和钳位时 间的控制；且部分泄放电流短暂开启主开关器件，为雪崩能量的泄放提供了更多的泄放通 道，从而显著改善初级线圈雪崩能量的泄放能力。本发明技术方案如下具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，如图3所示，包括一个 功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET 器件集成于同一 P型衬底11上。所述SensorFET器件包括一个由第一 P型层9、N_漂移区10和P型衬底11构成 的Double-RESURF结构，其中第一 P型层9位于N—漂移区10中；一个由金属阳电极3所连 接的N+区7、N_漂移区10和金属阴电极5所连接的N+区7构成的充电与电流检测通道，其 中金属阳电极3所连接的N+区7和金属阴电极5所连接的N+区7分别位于第一 P型层9 两侧的N_漂移区10中；一个位于第一 P型层9和金属阴电极5所连接的N+区7之间、且由 金属控制电极4所连接P+区6和包围金属控制电极4所连接P+区6的P型区8构成的可 控栅区；第一 P型层9表面是场氧化层12，场氧化层12和金属阴电极5之间具有一个多晶 硅区131，各金属电极之间是起隔离作用的氧化层14。所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用阳极，但所述功率变换器 的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直(即功率变换器的主开 关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直)。图5为上述多泄放通道可控自 钳位SensorFET复合横向功率器件的俯视图。图3与图4为沿着图5中切线Α-0-Α’方向 的器件剖面展开图。自钳位可控SensorFET器件制作在主开关器件某一分支的尾部，同时 为减小SensorFET器件对主开关器件的影响，SensorFET器件与主开关器件采用垂直布局 的方式，其中O-A方向为SensorFET器件，0-A，方向为主开关器件。所述功率变换器的主开关管可以是横向的MOS复合类器件，也可以是横向的常规 MOS器件。若所述功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件，包括一个由一个第二P型 层9或若干个并排的第二 P型层9、N"漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结 构，其中一个或若干个并排的第二 P型层9位于N—漂移区10中；由金属阳电极3所连接的 P+区6、N_漂移区10、包围与主开关管自身金属阴电极1所连接的N+区7和P+区6的P型 区8、以及与主开关自身金属阴电极1所连接的N+区7和P+区6构成的导电通道；位于主 开关管金属控制电极2与金属阳电极3之间、由若干N型多晶硅131与P型多晶硅132交 替形成的钳位二极管串13，所述钳位二极管串13 —端与主开关管金属控制电极2相连，另 一端与金属阳电极3相连；所述第二 P型层9与所述二极管串之间是场氧化层12，各金属 电极之间是起隔离作用的氧化层14。若所述功率变换器的主开关管是常规横向MOS器件，如图4所示，包括一个 由一个第二 P型层9或若干个并排的第二 P型层9、N—漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构，其中一个或若干个并排的第二 P型层9位于N—漂移区10中；由金属 阳电极3所连接的N+区7、N_漂移区10、包围与主开关管自身金属阴电极1所连接的N+区 7和P+区6的P型区8、以及与主开关自身金属阴电极1所连接的N+区7和P+区6构成的 导电通道；位于主开关管金属控制电极2与金属阳电极3之间、由若干N型多晶硅131与P 型多晶硅132交替形成的钳位二极管串13，所述钳位二极管串13—端与主开关管金属控制 电极2相连，另一端与金属阳电极3相连；所述第二 P型层9与所述二极管串之间是场氧化 层12，各金属电极之间是起隔离作用的氧化层14。本发明提供的具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，应用在 智能功率集成电路中时，能够在为内部电路提供稳定可控的充电电流的同时，起到很好的 能量泄放作用。其中的SensorFET器件完成对功率变换器主开关管进行电流采样和对内部 控制电路进行充电的功能；而功率变换器中的主开关管具有电压钳位结构，通过电压钳位， 使功率变换器初级线圈电压维持在SensorFET器件的瞬态安全工作区以内；同时，当功率 变换器中的主开关器件关断时，初级线圈存储的雪崩能量通过SensorFET器件的可控栅区 调控泄放，实现对泄放能量和钳位时间的控制；且部分泄放电流短暂开启主开关器件，为雪 崩能量的泄放提供了更多的泄放通道，从而显著改善初级线圈雪崩能量的泄放能力。
图1是简化的自充电和电流检测控制电路示意图。其中，10是地电极，11是漏电极，12是栅电极，13是连接线，14是充电控制子电路， 15是电流检测控制子电路，16是电流检测与自充电复合器件，17是功率主开关器件，18是 电阻，19是NMOS器件，110是NMOS器件，111是供电电容，112是NMOS器件，113是电流检 测电阻，114是供电输出端，115是电流比较器的同相输入端，116是电流比较器的反相输入 端，117是电流比较器的输出端，118是电流比较器，119是电流，120是变压器。图2是现有的高压SensorFET器件的结构示意图。其中，21是漏极，22是P (或N)栅区，23是栅极，24是源极，25是N+ (或P+)源区， 26是P (或N)衬底，27是N+(或P+)漏区，28是N(或P)阱或是N(或P)外延层。图3是本发明提供的具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的 剖面结构示意图，其中功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件。图4是本发明提供的具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的 剖面结构示意图，其中功率变换器的主开关管是常规横向MOS器件。图5是本发明提供的具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的 俯视图。
具体实施例方式下面结合附图对具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的具 体实施方式进行详细说明。
具体实施方式
一具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，如图3所示，包括一个 功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET器件集成于同一 P型衬底11上。所述SensorFET器件包括一个由第一 P型层9、N_漂移区10和P型衬底11构成 的Double-RESURF结构，其中第一 P型层9位于N—漂移区10中；一个由金属阳电极3所连 接的N+区7、N_漂移区10和金属阴电极5所连接的N+区7构成的充电与电流检测通道，其 中金属阳电极3所连接的N+区7和金属阴电极5所连接的N+区7分别位于第一 P型层9 两侧的N_漂移区10中；一个位于第一 P型层9和金属阴电极5所连接的N+区7之间、且由 金属控制电极4所连接P+区6和包围金属控制电极4所连接P+区6的P型区8构成的可 控栅区；第一 P型层9表面是场氧化层12，场氧化层12和金属阴电极5之间具有一个多晶 硅区131，各金属电极之间是起隔离作用的氧化层14。所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用阳极，但所述功率变换器 的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直(即功率变换器的主开 关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直)。图5为上述多泄放通道可控自 钳位SensorFET复合横向功率器件的俯视图。图3与图4为沿着图5中切线Α-0-Α’方向 的器件剖面展开图。自钳位可控SensorFET器件制作在主开关器件某一分支的尾部，同时 为减小SensorFET器件对主开关器件的影响，SensorFET器件与主开关器件采用垂直布局 的方式，其中O-A方向为SensorFET器件，0-A，方向为主开关器件。所述功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件，包括一个由一个第二P型层 9或若干个并排的第二 P型层9、N—漂移区10和P型衬底11构成的Double-RESURF结构， 其中一个或若干个并排的第二 P型层9位于N—漂移区10中；由金属阳电极3所连接的P+ 区6、N_漂移区10、包围与主开关管自身金属阴电极1所连接的N+区7和P+区6的P型区 8、以及与主开关自身金属阴电极1所连接的N+区7和P+区6构成的导电通道；位于主开关 管金属控制电极2与金属阳电极3之间、由若干N型多晶硅131与P型多晶硅132交替形 成的钳位二极管串13，所述钳位二极管串13 —端与主开关管金属控制电极2相连，另一端 与金属阳电极3相连；所述第二 P型层9与所述二极管串之间是场氧化层12，各金属电极 之间是起隔离作用的氧化层14。
具体实施方式
二具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，如图3所示，包括一个 功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET 器件集成于同一 P型衬底11上。所述SensorFET器件包括一个由第一 P型层9、N_漂移区10和P型衬底11构成 的Double-RESURF结构，其中第一 P型层9位于N—漂移区10中；一个由金属阳电极3所连 接的N+区7、N_漂移区10和金属阴电极5所连接的N+区7构成的充电与电流检测通道，其 中金属阳电极3所连接的N+区7和金属阴电极5所连接的N+区7分别位于第一 P型层9 两侧的N_漂移区10中；一个位于第一 P型层9和金属阴电极5所连接的N+区7之间、且由 金属控制电极4所连接P+区6和包围金属控制电极4所连接P+区6的P型区8构成的可 控栅区；第一 P型层9表面是场氧化层12，场氧化层12和金属阴电极5之间具有一个多晶 硅区131，各金属电极之间是起隔离作用的氧化层14。所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用阳极，但所述功率变换器 的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直(即功率变换器的主开关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直)。图5为上述多泄放通道可控自 钳位SensorFET复合横向功率器件的俯视图。图3与图4为沿着图5中切线Α-0-Α’方向 的器件剖面展开图。自钳位可控SensorFET器件制作在主开关器件某一分支的尾部，同时 为减小SensorFET器件对主开关器件的影响，SensorFET器件与主开关器件采用垂直布局 的方式，其中O-A方向为SensorFET器件，0-A，方向为主开关器件。所述功率变换器的主开关管是常规横向MOS器件，如图4所示，包括一个由 一个第二 P型层9或若干个并排的第二 P型层9、N—漂移区10和P型衬底11构成的 Double-RESURF结构，其中一个或若干个并排的第二 P型层9位于N—漂移区10中；由金属 阳电极3所连接的N+区7、N_漂移区10、包围与主开关管自身金属阴电极1所连接的N+区 7和P+区6的P型区8、以及与主开关自身金属阴电极1所连接的N+区7和P+区6构成的 导电通道；位于主开关管金属控制电极2与金属阳电极3之间、由若干N型多晶硅131与P 型多晶硅132交替形成的钳位二极管串13，所述钳位二极管串13—端与主开关管金属控制 电极2相连，另一端与金属阳电极3相连；所述第二 P型层9与所述二极管串之间是场氧化 层12，各金属电极之间是起隔离作用的氧化层14。本发明提供的具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，应用在 智能功率集成电路中时，能够在为内部电路提供稳定可控的充电电流的同时，起到很好的 能量泄放作用。下面结合附图，并以与横向的MOS复合类主开关器件相集成的自钳位可控 SensorFET器件为例来说明本发明的工作原理。具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件的金属阳电极3接变压 器12的初级线圈，该初级线圈接高达几十伏甚至上百伏的直流输入电压。当5. 8V电压输 送到主开关管金属控制电极2上后，导电沟道开启，电流流过初级线圈，变压器的初级线圈 开始存储能量。一般通过设置主开关器件的宽度使得主开关器件在开启时工作在线性区， 这时大部电流从金属阳电极3经过漂移区10流向主开关管自身金属阴电极1，而一小部 分电流从金属阳电极3经过N_漂移区10流向SensorFET的金属阴电极5。由于阳极端电 压相同，因此，当器件宽度一定时，流向主开关管自身金属阴电极1的电流与SensorFET的 金属阴电极5的电流成比例对应关系，从而利用图1中的电流检测电路18实现对主开关器 件的电流监控。主开关管金属控制电极2上所加栅压被去掉后，主开关器件关断，但是电感 的固有特性使得流过初级线圈的电流不会迅速变为0，同时电流的变化使得初级线圈两端 有电压V = L*(di/dt)。由于金属阳电极3上的电压迅速升高，使得从金属阳电极3经过 N_漂移区10流向SensorFET的金属阴电极5的电流呈现饱和特性，该电流通过充电电路 17向内部电路供电。当金属阳电极3上的电压上升到钳位二级管串的击穿电压时，钳位二 级管串发生击穿，这时金属阳电极3上的电压被钳位在了二极管串的击穿电压。流过金属 阳电极5的电流一方面为充电电容提供充电电流，另一方面为初级线圈泄放能量。钳位二 极管串的泄放电流流经主开关器件的栅电极，在主开关器件的栅电阻上产生一栅电压。当 流过钳位二极管串的泄放能量增加时，在栅电阻上产生的栅压就会随泄放能量的增加而上 升，使得主开关器件开启，让雪崩能量均勻地流过主开关器件，从而一方面有效的对雪崩能 量进行泄放，另一方面防止了高泄放能量对钳位二极管串与SensorFET部分的损坏。由于 在功率集成电路中，功率器件所占面积大约占整个芯片面积的1/3，所以主开关在极短的时 间内便会泄放大量的能量。当能量下降到一定水平时，流过钳位二极管串的泄放电流下降，从而栅电压降低，主开关重新关断。在器件设计时应当确保能量在主开关器件最小关断时 间内能够完全泄放，及应对钳位时间进行合理的调整，使之不会影响主开关器件的正常工 作。 综上所述，本发明所提供的自钳位多泄放通道的充电检流复合功率器件，可在为 内部电路提供稳定充电电流的同时，有效地对雪崩能量进行泄放，使得充电检流复合功率 器件的瞬态安全工作区得到扩展。本发明通过钳位管将阳极区与主开关部分的栅电极相 连，使得雪崩能量能够通过钳位二极管通道，电流检测与充电通道和主开关通道进行泄放， 从而扩展了智能单片集成开关电源在高雪崩能量环境下的应用。
权利要求
具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，包括一个功率变换器的主开关管和一个SensorFET器件；所述功率变换器的主开关管和SensorFET器件集成于同一P型衬底(11)上；所述SensorFET器件包括一个由第一P型层(9)、N 漂移区(10)和P型衬底(11)构成的Double RESURF结构，其中第一P型层(9)位于N 漂移区(10)中；一个由金属阳电极(3)所连接的N+区(7)、N 漂移区(10)和金属阴电极(5)所连接的N+区(7)构成的充电与电流检测通道，其中金属阳电极(3)所连接的N+区(7)和金属阴电极(5)所连接的N+区(7)分别位于第一P型层(9)两侧的N 漂移区(10)中；一个位于第一P型层(9)和金属阴电极(5)所连接的N+区(7)之间、且由金属控制电极(4)所连接P+区(6)和包围金属控制电极(4)所连接P+区(6)的P型区(8)构成的可控栅区；第一P型层(9)表面是场氧化层(12)，场氧化层(12)和金属阴电极(5)之间具有一个多晶硅区(131)，各金属电极之间是起隔离作用的氧化层(12)；所述功率变换器的主开关管与所述SensorFET器件共用阳极，但所述功率变换器的主开关管中电流方向与所述SensorFET器件中电流方向相互垂直，即功率变换器的主开关管的横向轴线与SensorFET器件的横向轴线相互垂直。
2.根据权利要求1所述的具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器 件，其特征在于，所述功率变换器的主开关管是横向MOS复合类器件，包括一个由一个第二P型层(9)或若干个并排的第二 P型层(9)、N—漂移区(10)和P型衬底(11)构成的 Double-RESURF结构，其中一个或若干个并排的第二 P型层(9)位于N—漂移区(10)中；由 金属阳电极(3)所连接的P+区(6)、N_漂移区(10)、包围与主开关管自身金属阴电极(1) 所连接的N+区(7)和P+区(6)的P型区(8)、以及与主开关自身金属阴电极⑴所连接的 N+区(7)和P+区(6)构成的导电通道；位于主开关管金属控制电极(2)与金属阳电极(3) 之间、由若干N型多晶硅(131)与P型多晶硅(132)交替形成的钳位二极管串(13)，所述钳 位二极管串(13) —端与主开关管金属控制电极(2)相连，另一端与金属阳电极(3)相连； 所述第二 P型层(9)与所述二极管串之间是场氧化层(12)，各金属电极之间是起隔离作用 的氧化层(14)。
3.根据权利要求1所述的具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器 件，其特征在于，所述功率变换器的主开关管是常规横向MOS器件，包括一个由一个第 二 P型层(9)或若干个并排的第二 P型层(9)、N—漂移区(10)和P型衬底(11)构成的 Double-RESURF结构，其中一个或若干个并排的第二 P型层(9)位于N—漂移区(10)中；由 金属阳电极(3)所连接的N+区(7)、N_漂移区(10)、包围与主开关管自身金属阴电极(1) 所连接的N+区(7)和P+区(6)的P型区(8)、以及与主开关自身金属阴电极⑴所连接的 N+区(7)和P+区(6)构成的导电通道；位于主开关管金属控制电极(2)与金属阳电极(3) 之间、由若干N型多晶硅(131)与P型多晶硅(132)交替形成的钳位二极管串(13)，所述钳 位二极管串(13) —端与主开关管金属控制电极(2)相连，另一端与金属阳电极(3)相连； 所述第二 P型层(9)与所述二极管串之间是场氧化层(12)，各金属电极之间是起隔离作用 的氧化层(14)。
全文摘要
具有多泄放通道可控自钳位SensorFET复合横向功率器件，属于半导体功率器件技术和功率集成电路技术领域。本发明将功率变换器的主开关管与SensorFET器件集成于同一P型衬底上，二者采用共用阳极结构；其中的SensorFET器件完成对功率变换器主开关管进行电流采样和对内部控制电路进行充电的功能；而功率变换器中的主开关管具有电压钳位结构，通过电压钳位，使功率变换器初级线圈电压维持在SensorFET器件的瞬态安全工作区以内；同时，当功率变换器中的主开关器件关断时，初级线圈存储的雪崩能量通过SensorFET器件的可控栅区调控泄放，实现对泄放能量和钳位时间的控制；且部分泄放电流短暂开启主开关器件，为雪崩能量的泄放提供了更多的泄放通道，从而显著改善初级线圈雪崩能量的泄放能力。
文档编号H01L29/06GK101976666SQ20101027436
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月7日 优先权日2010年9月7日
发明者张波, 李泽宏, 洪辛, 胡涛, 邓光平, 钱振华 申请人:电子科技大学