一種合成結構的高壓器件的製作方法
2023-10-07 04:28:44 2
專利名稱：一種合成結構的高壓器件的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體器件技術領域，具體而言，本實用新型涉及一種合成結構的高壓器件。
背景技術：
在AC/DC開關電源應用領域中，控制器晶片需要一個啟動電路為其提供開啟所需要的電壓，在傳統應用中，啟動電路是從整流橋輸出端串接大電阻到控制器的電源端，整流橋輸出端通過大電阻給控制器晶片的旁路電容充電，當其達到啟動電壓之後，控制器啟動，系統開始正常工作。當啟動完成之後，電源端所需能量主要是靠輔助繞組給控制器晶片提供。控制器晶片正常工作之後，啟動電路的電阻仍然消耗一定的功率，嚴重的影響了系統的整體效率。解決這個問題的一種方案是降低控制器晶片的啟動電流，加大啟動電阻值。但由於啟動電阻較大，啟動電流相應的減小，從而延長了啟動時間。另外的一個方案是在控制器晶片內部集成啟動電路，在控制器晶片啟動完成，系統正常工作之後，關閉啟動電路，去除啟動電路對開關電源系統整體效率的影響。控制器晶片內部集成啟動電路，其過程要完成從高壓到低壓的轉換才能向控制器晶片供電，其不可避免的加大晶片的面積，如何有效減少控制器晶片面積而又不影響控制器晶片的啟動要求，這是內部集成啟動電路的面臨必須要解決的關鍵問題。在控制器晶片內部也集成高壓功率MOS的電源晶片中，其問題更加突出，晶片的面積很大，導致晶片成本增加。此外，由於現代開關電源對於降低功耗的要求與日俱增，而且綠色開關電源是所有應用所必需的，而不僅是過去所指的手持式和電池供電系統，因此在保護環境生態的大前提下，降低電力線供電系統及電池供電系統的能耗都是必不可少的，對中國來說，這更可以帶來特別的優點:降低燃煤發電站的負荷。這就不僅要求電源晶片控制核心具備低功耗特性，而且還要求它具備一些能進一步降低系統功耗的特性。因此，有必要提出有效的技術方案，解決現有技術中開關電源晶片設計的難題。
實用新型內容本實用新型的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是通過合成的高壓器件結構，有效的節省了晶片的面積，降低晶片的成本。本實用新型實施例提出了 一種合成結構的高壓器件，包括高壓功率MOS管(簡稱HVNMOS 管)和 JFET 管，所述HVNMOS管包括漏極、源極、柵極和襯底，導電溝道為源極和漏極之間的P型阱區 Pwell ；所述JFET管包括漏極、源極、柵極和襯底，導電溝道為源極和漏極之間的N型阱區Nwell ；所述HVNMOS管和所述JFET管共用相同的漏極(也稱漏極端或漏端)。所述漏極採用N型雙擴散工藝。[0012]進一步而言,所述襯底上還包括掩埋層Bury P和深N型講區Deep Nwell,用於提高器件的耐壓值和可靠性。本實用新型實施例還提出了一種採用上述合成結構的高壓器件的啟動電路裝置，所述啟動電路裝置包括負閾值開關管、使能模塊、防倒灌模塊以及電壓檢測模塊，其中，負閾值開關管採用上述合成結構的高壓器件；上述合成結構的高壓器件中的JFET器件的漏極、源極和柵極分別為所述負閾值開關管的輸入端、輸出端和控制端；高壓輸入信號接入所述負閾值開關管的輸入端，負閾值開關管的輸出端接防倒灌模塊的輸入端，負閾值開關管的控制端接使能模塊的輸出端，使能模塊的輸入端接電壓檢測模塊的輸出端，電壓檢測模塊的輸入端和晶片的電源端共接於防倒灌模塊的輸出端；所述高壓輸入信號接入所述負閾值開關管的輸入端，通過負閾值開關管向晶片的電源端VDD提供能量，所述電壓檢測模塊檢測晶片的電源端VDD的電壓值，當電源端VDD的電壓值達到晶片預定工作電壓時，所述晶片啟動，同時所述電壓檢測模塊輸出使能信號EN ；所述使能模塊接收所述使能信號EN，使得所述負閾值開關管截止，關閉所述負閾值開關管；所述防倒灌模塊使得所述負閾值開關管的輸入端與晶片的電源端VDD之間單向導通，防止VDD端的電流倒流回開關管的輸入端。本實用新型實施例提出的上述方案，通過合成的高壓器件結構，有效的節省了晶片的面積，降低晶片的成本。採用本實用新型提出的高壓器件結構，晶片正常工作後啟動電路關閉，這不僅大大降低了低功耗系統實現的難度，提高了電源系統的轉換效率，同時能有效節省電路元件(啟動電阻)，提高了集成度。此外，本實用新型提出的上述方案，對現有的電路系統的改動很小，不會影響系統的兼容性，而且實現簡單、高效。本實用新型附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。
本實用新型上述的和/或附加的方面和優點從
以下結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:圖1為高壓功率管HVNMOS的剖面示意圖；圖2為高壓啟動器件JFET的剖面示意圖；圖3為本實用新型實施例合成的高壓器件結構的剖面示意圖；圖4為採用本結構前後晶片版圖面積的對比示意圖；圖5為本實用新型實施例啟動電路裝置的功能框圖；圖6為本實用新型實施例具體啟動電路裝置示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。文中及附圖中的P-substrate表示P型襯底層，Pwell表示P型講區；Bury P表示P型埋層；Deep Nwell表示深N型講區；Nwell表示N型講區；LV Nwell表示低壓N型講區；P+表示P型高濃度注入，N+表示N型高濃度注入，Sub表示襯底連接端，Source表示器件的源端，Drain表示器件的漏端，Gate表示器件的柵極；HVNM0S表示高壓功率MOS管，JFET表示結型場效應管；J-Source表示結型場效應管的源端J-Gate表示結型場效應管的柵極；LV-MOS表示低壓MOS器件。為了實現本實用新型之目的，本實用新型實施例提出了一種合成結構的高壓器件，包括HVNMOS管和JFET管，所述HVNMOS管包括漏極、源極、柵極和襯底，導電溝道為源極和漏極之間的P型阱區 Pwell ；所述JFET管包括漏極、源極、柵極和襯底，導電溝道為源極和漏極之間的N型阱區Nwell ；所述HVNMOS管和所述JFET管共用相同的漏極，所述漏極採用N型雙擴散工藝。進一步而言,襯底上還包括掩埋層Bury P和深N型講區Deep Nwell,用於提高器件的耐壓值和可靠性。本實用新型中的HVNMOS管通常指的是耐高壓為700V以上的功率MOS管。
以下結合附圖，對本實用新型提出的上述結構作詳細說明。本實用新型依據目前高壓700V工藝的特點，結合高壓功率器件與器件JFET的結構特點，提出一種優化的可行的器件結構，將其應用到小功率的開關電源控制器晶片上，實現了高集成、高性能和低成本的控制器晶片。圖1為高壓功率管HVNMOS的剖面示意圖，包含漏極Drain、源極Source、柵極Gate和襯底Sub共4個埠，導電溝道為源極和漏極之間的P型阱區Pwell。其結構與正常的低壓MOS管結構相似，區別在於漏極採用N型雙擴散工藝，並增加了掩埋層Bury P和深N型阱區Deep Nwell，它們的作用主要是提高器件的耐壓值和可靠性，降低寄生器件對器件的影響。該高壓功率管HVNMOS為增強型結構，即當高壓功率管HVNMOS的柵極與源極之間的電壓Vgs大於某個閾值的時候HVNMOS管導通，電子從源極經導電溝道到達漏極形成電流；當Vgs小於閾值的時候HVNMOS管截止。圖2為高壓啟動器件JFET的剖面示意圖，包含漏極Drain、源極Source、柵極Gate和襯底Sub共4個埠，其結構與高壓功率管HVNMOS結構圖1相似，也有掩埋層Bury P和深N型阱區Deep Nwell，它們的作用主要是提高器件的耐壓值和可靠性，降低寄生器件對器件的影響。區別在於導電溝道為源極和漏極之間的N型阱區Nwell。當初始的柵源電壓差為零時，高壓JFET是導通的，柵源電壓之間需要較大的負閾值電壓才能使其截止。由於高壓JFET具有負閾值關閉和耐高壓的特性，可直接將JFET的漏極與源極分另IJ連接高壓輸入信號和晶片內部的中低壓電路，稍加簡單控制即可實現在晶片內部集成啟動電路，經實驗證明此方案在實際晶片設計中獲得很好的性能，是一種切實可行的方案。通過對比高壓JFET與高壓功率管HVNMOS的工藝結構(圖1和圖2)發現，它們的結構非常的相似，漏極結構相同，因此完全可以共享一個漏極，只需將高壓功率管HVNMOS漏極下面的N阱向外再擴展一下，同時再引出JFET的源極和柵極，即可製造出一個高壓JFET器件。通過前面的深入分析，本實用新型提出的結構的剖面圖如圖3所示，包含兩部分，左邊為高壓功率管HVNMOS結構，右邊為啟動電路所需的JFET結構，它們共享漏端Drain，有效的減少由於啟動電路帶來的晶片面積。在實際運用中，在控制器晶片啟動之前，高壓JFET處於導通狀態，給控制器晶片電源端的電容充電，而高壓功率管HVNMOS保持截止；一旦控制器晶片達到其啟動電壓之後，晶片內部邏輯就將高壓JFET截止，此時高壓功率管HVNMOS的導通和截止由控制器晶片根據工作狀態決定，因此高壓功率管HVNMOS和高壓JFET的漏極共享對其本身工作互不相影響。同時，由於啟動電路在晶片啟動之後就關閉，所以還減少了啟動電路對系統效率的影響，有利於提聞系統的工作效率。另外，通常高壓功率管HVNMOS的導通電流較大，版圖面積很大，由多個高壓功率管HVNMOS並聯而成，由於共用漏極，所以JFET也可以做很大，故啟動電路提供的電流很大，可以快速啟動控制器晶片。圖4顯示了採用本結構前後晶片版圖面積的對比示意圖，若高壓功率管HVNMOS和低壓模塊(簡稱為LV-M0S)保持一致，採用本實用新型的結構使啟動電路部分面積大大的縮減了(即陰影部分面積)，有效的節省了晶片的面積。在追求晶片高性能、高集成度和低成本的今天，減少晶片面積是降低晶片成本的一個重要因素。本實用新型實施例還提出了一種使用上述合成結構的高壓器件的啟動電路，包括負閾值開關管、使能模塊、防倒灌模塊以及電壓檢測模塊，其中，負閾值開關管採用上述合成結構的高壓器件。上述合成結構的高壓器件中的JFET器件的漏極、源極和柵極分別為負閾值開關管的輸入端、輸出端和控制端。高壓輸入信號接入負閾值開關管的輸入端，負閾值開關管的輸出端接防倒灌模塊的輸入端，負閾值開關管的控制端接使能模塊的輸出端，使能模塊的輸入端接電壓檢測模塊的輸出端，電壓檢測模塊的輸入端和晶片的電源端共接於防倒灌模塊的輸出端。啟動電路的高電壓輸入端通過負閾值開關管向晶片的電源端VDD提供能量，電壓檢測模塊檢測晶片的電源端VDD的電壓值，當電源端VDD的電壓值達到晶片預定工作電壓時，晶片啟動，同時電壓檢測模塊輸出使能信號EN ；使能模塊接收使能信號EN，使得負閾值開關管截止，關閉負閾值開關管；防倒灌模塊使得負閾值開關管的輸入端與晶片的電源端VDD之間單向導通。如圖5所示，為本實用新型提出的啟動電路裝置的功能框圖。本實用新型電路由一個負閾值開關管10、使能模塊13、防倒灌模塊11和電壓檢測模塊12組成。所高電壓輸入信號通過負閾值開關管10向晶片的電源端VDD提供能量，電壓檢測模塊12檢測晶片的電源端VDD的電壓值，當晶片的電源端VDD的電壓值達到晶片預定工作電壓時，晶片啟動，同時電壓檢測模塊12輸出使能信號EN ；使能模塊13接收使能信號EN，使得負閾值開關管截止，關閉負閾值開關管10 ；防倒灌模塊11使得負閾值開關管的輸入端與晶片的電源端VDD之間單向導通。防止負閾值開關管10輸入端電壓降低時，VDD的電流倒流回負閾值開關管的輸入端。進一步而言，圖6是本實用新型的一個具體電路實現的舉例，負閾值開關管10包括JFET器件JFETO。高壓輸入信號接入JFETO的漏端，JFETO的源端接防倒灌模塊的輸入端，JFETO的柵極接使能模塊13的輸出端VG。防倒灌模塊11包括二極體Dl，二極體Dl的陽極是防倒灌模塊11的輸入端；二極體Dl的陰極是防倒灌模塊11的輸出端，接控制器晶片的電源端VDD和電壓檢測模塊12的輸入端。電壓檢測模塊12包括電阻R1，電阻R2，遲滯比較器C0M1，帶隙基準電路BG1。電壓檢測模塊12的輸入端是控制器晶片的電源端VDD，接電阻Rl的第一端，電阻Rl的第二端、電阻R2的第一端共接於遲滯電壓比較器COMl的反相輸入端VC，電阻R2的第二端接地。遲滯電壓比較器COMl的第一正相基準輸入端VRH、第二正相基準輸入端VRL電壓可由帶隙基準電路產生。遲滯電壓比較器COMl的輸出端為電壓檢測模塊12的輸出端，輸出使能信號EN。使能模塊13包括反相器INV1，反相器INV2，PM0S管M1，NM0S管M2。反相器INVl的輸入端與反相器INV2的輸入端共接，作為使能模塊13的輸入端接電壓檢測模塊12的輸出端。反相器INVl的輸出端接PMOS管Ml的柵極，PMOS管Ml的源端接控制器晶片的電源端VDD，PMOS管Ml的漏端與NMOS管M2的漏端作為使能模塊13的輸出端，其連接到JFET的柵極。反相器INV2的輸出端接NMOS管M2的柵極，NMOS管M2的源端接地。控制器晶片啟動之初，晶片電源端VDD電壓值為零電平，電阻Rl，R2和一個電壓比較器形成了晶片的供電電壓檢測模塊12，晶片剛上電時，因為負閾值開關管的閾值電壓為負值，所以負閾值開關管JFETO導通，VDD的電壓開始上升，圖中所示的電壓VC也跟隨上升，當VC大於>VRH時，遲滯電壓比較器輸出使能信號EN從高電平翻轉為低電平，該使能信號通過反相器INVl和INV2分別打開NMOS管M2，關閉PMOS管Ml，那麼，負閾值開關管JFETO的柵極被拉低，JFETO關閉，此時負閾值開關管的柵源電壓為負，負閾值開關管被關閉。同時由於JFETO與高壓功率HVNMOS管共用了漏極，當高壓功率管HVNMOS管作為控制器晶片的開關器件時，漏極電壓會有高低電平的切換，為了防止JFETO漏端電壓降低時，VDD電流倒流回JFETO漏端，所以電路中加入了防倒灌模塊，當負閾值開關管JFETO漏端電壓降低時，防止了電源端VDD的電流倒流回負閾值開關管JFETO漏端，實現單向導通。顯然，上述具體電路中，負閾值開關管包括但不限於耗盡型場效應管、結型場效應管等開啟電壓閾值為負值的N型器件；電壓檢測模塊包括但不限於使用分壓電阻和電壓比較器實現；使能模塊包括但不限於使用反相器和MOS管的電路實現，只要能令負閾值開關管器件的柵源電壓為負，關閉負閾值開關管器件即可。本實用新型實施例提出的上述方案，通過在啟動電路裝置中引入負閾值開關管，使得啟動電路裝置在啟動的過程中才有啟動電流流入，晶片正常工作後啟動電路裝置關閉，這不僅大大降低了低功耗系統實現的難度，提高了電源系統的轉換效率，同時能有效節省電路元件(啟動電阻)。此外，本實用新型提出的上述方案，對現有的電路系統的改動很小，不會影響系統的兼容性，而且實現簡單、高效。雖然關於示例實施例及其優點已經詳細說明，應當理解在不脫離本實用新型的精神和所附權利要求限定的保護範圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對於其他例子，本領域的普通技術人員應當容易理解在保持本實用新型保護範圍內的同時，工藝步驟的次序可以變化。此外，本實用新型的應用範圍不局限於說明書中描述的特定實施例的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方案及步驟。從本實用新型的公開內容，作為本領域的普通技術人員將容易地理解，對於目前已存在或者以後即將開發出的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方案或步驟，其中它們執行與本實用新型描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本實用新型可以對它們進行應用。因此，本實用新型所附權利要求旨在將這些工藝、機構、製造、物質組成、手段、方案或步驟包含在其保護範圍內。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種合成結構的高壓器件，其特徵在於，包括高壓功率管HVNMOS和JFET管， 所述高壓功率管HVNMOS包括漏極、源極、柵極和襯底，導電溝道為源極和漏極之間的P型講區Pwell ； 所述JFET管包括漏極、源極、柵極和襯底，導電溝道為源極和漏極之間的N型阱區Nwell ； 所述高壓功率管HVNMOS和所述JFET管共用相同的漏極，所述漏極採用N型雙擴散工藝。
2.如權利要求1所述的合成結構的高壓器件，其特徵在於，所述襯底上還包括掩埋層Bury P和深N型講區Deep Nwell，用於提高器件的耐壓值和可靠性。
專利摘要本實用新型實施例提出了一種合成結構的高壓器件，包括高壓功率管HVNMOS和JFET管，所述高壓功率管HVNMOS管包括漏極、源極、柵極和襯底，導電溝道為源極和漏極之間的P型阱區Pwell；所述JFET管包括漏極、源極、柵極和襯底，導電溝道為源極和漏極之間的N型阱區Nwell；所述高壓功率管HVNMOS和所述JFET管共用相同的漏極，所述漏極採用N型雙擴散工藝。本實用新型實施例提出的上述方案，通過合成的高壓器件結構，有效的節省了晶片的面積，降低晶片的成本。
文檔編號H01L27/085GK203055909SQ20122063786
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者李照華, 林道明, 趙春波, 胡喬, 戴文芳 申請人:深圳市明微電子股份有限公司