专利名称：一种具有温度采样和过温保护功能的复合vdmos器件的制作方法
技术领域：
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及VDMOS器件的过温保护技术。
背景技术：
VDMOS (垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管)器件是功率半导体的主流器件之一，目前已经广泛于各类功率系统。与双极型晶体管相比，其开关速度快、损耗小、输入阻抗高、驱动功率小、频率特性好。VDMOS器件在工作过程中不可避免的会产生功率损耗， 这些功率损耗大部分将转化为热能，引起器件温升。过高的温度对器件的工作性能和可靠性都有很大的影响，会造成器件性能的退化，严重时甚至会导致器件失效。有研究表明，功率器件的工作温度每升高10°C，其失效率将增加一倍左右，称之为10°C法则。为了减少功率VDMOS器件的热失效，提高其可靠性，除了从封装等方面增强器件的散热性能，另一条有效的途径就是利用过温保护模块对VDMOS器件采取过温保护当VDMOS器件温度过高时，启动过温保护功能对器件进行有效关断，防止热失效的发生。而温度采样是实现过温保护的前提，只有准确地对器件温度进行实时采样，才能提供精确的过温控制信号。
发明内容
本发明针对VDMOS器件热失效的技术问题，提供一种具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件。该复合VDMOS器件将VDM0S、温度采样器件和过温保护电路单片集成，实现对VDMOS器件温度的精确采样及过温保护，以防止器件的热失效和增加器件使用寿命，具有结构简单、采样精确度高、与VDMOS器件工艺兼容、单片集成等一系列优点。本发明的技术方案如下一种具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，如
图1至图3所示，包括集成于同一衬底基片上的VDMOS器件M0、多晶硅热敏二极管Dl和过温保护电路；所述多晶硅热敏二极管Dl制作于VDMOS器件MO表面的绝缘层上，以实现对VDMOS器件MO温度的采样； 所述过温保护电路基于多晶硅热敏二极管Dl的温度采样信号对整个复合VDMOS器件的栅输入电压Vin进行分压得到VDMOS器件MO的栅控电压Ve，进而对VDMOS器件MO实现过温保护即当VDMOS器件MO温度达到Th时，关断VDMOS器件MO ；当VDMOS器件MO关断后温度降到 Υ时，启动VDMOS器件MO ；其中Th > Υ，Δ T = Th-Tl为温度回差。上述技术方案中，所述多晶硅热敏二极管Dl最好制作于VDMOS器件MO表面中心位置的绝缘层上，以实现VDMOS器件MO温度的精确采样。上述技术方案中，所述VDMOS器件MO可以是任意结构的VDMOS器件、且表面具有绝缘层14，如图2所示，至少包括金属化漏电极1、第一导电类型半导体掺杂衬底2、第一导电类型半导体掺杂漂移区3、第二导电类型半导体基区4、第一导电类型半导体掺杂源区5、 第二导电类型半导体掺杂接触区6、金属化源电极7、多晶硅栅电极8和栅介质层9 ；金属化漏电极1位于第一导电类型半导体掺杂衬底2的背面，第一导电类型半导体掺杂漂移区3 位于第一导电类型半导体掺杂衬底2的正面；第二导电类型半导体基区4位于第一导电类
4型半导体掺杂漂移区3的顶部，第二导电类型半导体基区4内具有分别与金属化源电极7 相接触的第一导电类型半导体掺杂源区5和第二导电类型半导体掺杂接触区6 ；栅介质层9 位于第二导电类型半导体基区4和第一导电类型半导体掺杂漂移区3的上表面，多晶硅栅电极8位于栅介质层9的上表面，多晶硅栅电极8与金属化源电极7之间填充的是绝缘介质层。上述技术方案中，所述多晶硅热敏二极管Dl (如图2所示)，包括P型半导体区10、 N型半导体区11、阳极电极12和阴极电极13 ；其中P型半导体区10和N型半导体区11相接触并位于VDMOS器件MO表面的绝缘层14中，阳极电极12与P型半导体区10相连并从 VDMOS器件MO表面的绝缘层14中引出，阴极电极13与N型半导体区11相连并从VDMOS器件MO表面的绝缘层14中引出。上述技术方案中，所述过温保护电路(如图3所示)包括一个稳压二极管D2、四个 NMOS管(Ml M4)和六个电阻(Rl R6)；栅输入电压Vin通过第一电阻Rl和稳压管D2的串联电路后接地；第一 NMOS管Ml的漏极通过第二电阻R2接第二 NMOS管M2的栅极的同时通过第三电阻R3接地，第一 NMOS管Ml的源极接地；第二 NMOS管M2的漏极接第三NMOS管 M3的栅极的同时通过第四电阻R4接栅输入电压Vin，第二 NMOS管M2的源极接地；第三NMOS 管M3的漏极接第四NMOS管M4的栅极的同时通过第五电阻R5接栅输入电压Vin，第三NMOS 管M3的源极接地；第四NMOS管M4的漏极通过第六电阻R6接栅输入电压Vin，第四NMOS管 M4的源极接地；第一 NMOS管Ml的栅极通过第六电阻R6接栅输入电压Vin。所述过温保护电路与多晶硅热敏二极管Dl的连接关系为第一电阻Rl和稳压管D2的连接点接多晶硅热敏二极管Dl的阳极，多晶硅热敏二极管Dl的阴极接第二 NMOS管M2的栅极。所述过温保护电路与VDMOS器件MO的连接关系为第一 NMOS管Ml的栅极与VDMOS器件MO的栅极相连。本发明的核心思想是利用多晶硅二极管的正向压降的负温度特性(即其正向压降随着温度的升高反而减小)充当温度传感器来检测VDMOS器件内部的温度变化。当VDMOS 器件内部温度发生变化时，多晶硅二极管的正向压降将随之发生变化，当其温度超过一定值时将触发过温保护电路工作，关断VDMOS器件。理论上，PN结的伏安特性可表示为
权利要求
1.一种具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，包括集成于同一衬底基片上的VDMOS器件(M0)、多晶硅热敏二极管(Dl)和过温保护电路；所述多晶硅热敏二极管(Dl) 制作于VDMOS器件(MO)表面的绝缘层上，以实现对VDMOS器件(MO)工作温度的采样；所述过温保护电路基于多晶硅热敏二极管(Dl)的温度采样信号对整个复合VDMOS器件的栅输入电压Vin进行分压得到VDMOS器件(MO)的栅控电压Ve，进而对VDMOS器件(MO)实现过温保护即当VDMOS器件(MO)工作温度达到Th时，关断VDMOS器件(MO)；当VDMOS器件(MO) 关断后温度降到 Υ时，启动VDMOS器件(MO)；其中Th > IV，且Δ T = Th-Tl为温度回差。
2.根据权利要求1所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，所述多晶硅热敏二极管(Dl)制作于VDMOS器件(MO)表面中心位置的绝缘层上。
3.根据权利要求1所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，所述VDMOS器件(MO)是任意结构的VDMOS器件、且表面具有绝缘层(14)，至少包括金属化漏电极(1)、第一导电类型半导体掺杂衬底O)、第一导电类型半导体掺杂漂移区(3)、第二导电类型半导体基区G)、第一导电类型半导体掺杂源区(5)、第二导电类型半导体掺杂接触区(6)、金属化源电极(7)、多晶硅栅电极(8)和栅介质层(9)；金属化漏电极(1)位于第一导电类型半导体掺杂衬底O)的背面，第一导电类型半导体掺杂漂移区( 位于第一导电类型半导体掺杂衬底O)的正面；第二导电类型半导体基区(4)位于第一导电类型半导体掺杂漂移区C3)的顶部，第二导电类型半导体基区(4)内具有分别与金属化源电极(7) 相接触的第一导电类型半导体掺杂源区( 和第二导电类型半导体掺杂接触区(6)；栅介质层(9)位于第二导电类型半导体基区(4)和第一导电类型半导体掺杂漂移区C3)的上表面，多晶硅栅电极⑶位于栅介质层(9)的上表面，多晶硅栅电极⑶与金属化源电极(7) 之间填充的是绝缘介质层。
4.根据权利要求3所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，当所述第一导电类型半导体为N型半导体、第二导电类型半导体为P型半导体时，所述 VDMOS器件(MO)为N沟道VDMOS器件。
5.根据权利要求3所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，当所述第一导电类型半导体为P型半导体、第二导电类型半导体为N型半导体时，所述 VDMOS器件(MO)为P沟道VDMOS器件。
6.根据权利要求1所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，所述多晶硅热敏二极管(Dl)包括P型半导体区(10)、N型半导体区(11)、阳极电极(12) 和阴极电极(13)；其中P型半导体区(10)和N型半导体区(11)相接触并位于VDMOS器件 (MO)表面的绝缘层(14)中，阳极电极(12)与P型半导体区(10)相连并从VDMOS器件(MO) 表面的绝缘层(14)中引出，阴极电极(13)与N型半导体区(11)相连并从VDMOS器件(MO) 表面的绝缘层(14)中引出。
7.根据权利要求1所述的具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，其特征在于，所述过温保护电路包括一个稳压二极管(D2)、四个NMOS管(Ml M4)和六个电阻(Rl R6)；栅输入电压Vin通过第一电阻(Rl)和稳压管(拟)的串联电路后接地；第一 NMOS管 (Ml)的漏极通过第二电阻(R2)接第二NMOS管(M2)的栅极的同时通过第三电阻(R3)接地， 第一 NMOS管(Ml)的源极接地；第二 NMOS管(M2)的漏极接第三NMOS管(M3)的栅极的同时通过第四电阻(R4)接栅输入电压Vin，第二 NMOS管(M2)的源极接地；第三NMOS管(M3)的漏极接第四NMOS管(M4)的栅极的同时通过第五电阻(R5)接栅输入电压Vin，第三NMOS 管(Μ； )的源极接地；第四NMOS管(M4)的漏极通过第六电阻(R6)接栅输入电压Vin，第四 NMOS管(M4)的源极接地；第一 NMOS管(Ml)的栅极通过第六电阻(R6)接栅输入电压Vin;所述过温保护电路与多晶硅热敏二极管(Dl)的连接关系为第一电阻(Rl)和稳压管 (D2)的连接点接多晶硅热敏二极管(Dl)的阳极，多晶硅热敏二极管(Dl)的阴极接第二 NMOS管(M2)的栅极；所述过温保护电路与VDMOS器件(MO)的连接关系为第一 NMOS管(Ml)的栅极与 VDMOS器件(MO)的栅极相连。
全文摘要
一种具有温度采样和过温保护功能的复合VDMOS器件，属于功率半导体器件领域。本发明集成了VDMOS器件、多晶硅热敏二极管和过温保护电路，利用多晶硅热敏二极管正向压降的负温度特性，将其制作于VDMOS器件表面的绝缘层上以实现VDMOS器件工作温度的采样；过温保护电路基于多晶硅热敏二极管的温度采样信号对整个复合VDMOS器件的栅输入电压Vin进行分压得到VDMOS器件的栅控电压VG，进而对VDMOS器件实现过温保护即当VDMOS器件工作温度达到TH时，关断VDMOS器件；当VDMOS器件关断后内部温度降到TL时，启动VDMOS器件；其中ΔT＝TH-TL为温度回差。本发明能够实现对VDMOS器件温度的精确采样和过温保护，以防止器件的热失效和增加器件使用寿命，具有结构简单、采样精确度高、与VDMOS器件工艺兼容、单片集成等优点。
文档编号H01L27/02GK102394237SQ20111039990
公开日2012年3月28日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者任敏, 刘小龙, 张波, 张灵霞, 李婷, 李泽宏, 谢加雄, 邓光敏 申请人:电子科技大学