CN102027594B - 回授式组件块与二极管桥式整流器及方法 - Google Patents

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Abstract

整流器组件块具有四个电极：源极、漏极、栅极和探测极。主电流在源极和漏电极之间流动。栅电压控制MOS栅极下的窄沟道的导电性，并且能够在截止和导通状态之间切换RBB。成对地使用RBB，将其构造为三端子的半电桥整流器，其显示出比理想二极管更好的性能，类似于同步整流器，但不需要控制电路。N型和P型对可以被构造为全电桥整流器。可能有其他组合来产生各种装置。

Description

回授式组件块与二极管桥式整流器及方法
相关申请
本申请关联并要求在2008年1月23日提交的美国临时申请61/022968、以及在2008年9月25日提交的美国专利申请12/238308的权益，并通过后者要求在2007年9月26日提交的题为“可调节的场效应整流器(Adjustable Field Effect Rectifier)”的美国临时申请60/975467的权益，且被共同受让。
技术领域
本发明总地涉及半导体整流器，且更具体地涉及用于改进二极管电桥的性能的回授式自动控制结构及用于这种结构的方法。
背景技术
全电桥或半电桥的二极管电桥是非常常见的电路元件，用以执行对振荡输出信号的整流。半电桥由两个二极管构成，并具有三个外部电极。它们通常在开关模式电源电路中用于输出整流，诸如正激、推挽、半电桥和全电桥拓扑结构。对于信号的一种极性，电流流过一个二极管(处于导通状态)，且不流过另一个二极管(处于截止状态)。对于相反的极性，二极管切换它们的状态：导通的二极管变为截止状态，截止的二极管变为导通状态。这种两个二极管之间的电流切换导致整流。
在信号整流期间的能量损耗由各个二极管的性能所决定。对于实际二极管的实现方式，其受理想二极管的公式所限制：
IF/IR≤exp(qVF/kT)
其中，IF是正向电流，VF是正向偏压，IR是漏电流，以及室温T下kT/q＝0.0259V。因此，某些整流比要求正向电压降大于一些限定值
VF＞0.0259ln(1+IF/IR)
例如，对于导电电流为10A漏电流为10μA的二极管，则正向电压降大于0.358。一些二极管接近于该理论限定值，因此给通过常规技术来进行改进的空间非常小。一旦电子器件在较低电压下运行，则该理论限定值将导致二极管效率非常低。例如，如果电源采用3.3V，则在半电桥上的损耗将是大约0.358/3.3＝11％。对现代开关模式电源来说，这种在整流上的高能量损耗是不可接受的。
为了克服整流器电桥在低压应用中的高损耗，采用同步整流。一种方法是采用MOSFET来执行二极管的整流功能。然而，同步整流的电路的实现方式非常复杂。需要控制器来提供栅电压并将MOSFET从导通变到截止状态。需要传感器告知控制器所施加的电压的信号已经变化。这种附加的信号处理降低了由同步整流器构成的半电桥的运行速度。因此，人们需要复杂得多的且昂贵的电路替代两个二极管。
所以，长期以来都存在对一种桥式整流器的需要，该桥式整流器能够在低压下高效工作，而无需复杂电路，且没有常规同步整流器的频率范围限制。
发明内容
提出一种回授式组件块(RBB)作为新的半导体器件，具体地，其被成对用于形成高效的二极管半电桥，该二极管半电桥能够在低压下运行而没有不可接受的损耗。每一RBB具有4个电极：源极、漏极、栅极和探测极。在一实施例中，在每一RBB的源极和漏极之间的电流可以由栅极电压所控制。第一RBB的探测电极为第二RBB的栅电极提供回授信号。来自探测电极的该信号可以被用于在导通和截止状态之间开关邻近的半导体器件，该邻近的半导体器件形成一对中的第二器件。因此，根据本发明用一对RBB构成的半电桥仅仅具有三个外部接点。由两个RBB制成的具有共阳极或共阴极的半电桥实施例显示出比理想二极管性能更好的性能，类似于同步整流器。由于半电桥仅仅有三个接点，避免了常规同步整流器控制信号的复杂性。
附图说明
图1示出了示意性的4-端子回授式组件块(RBB)的结构。源极和漏极之间的电流由栅电极所控制。探测电极可以被用作附加电流控制或作为回授信号的源；
图2示出了将两个图1所示的RBB组合形成的回授式半电桥。每一RBB的探测电极被连接到另一RBB栅电极用于在导通和截止状态之间自动切换。在一实施例中，两个n型(p型)RBB将构成共阳极(共阴极)的回授式半电桥。
图3示意了组合成二极管全电桥的共阳极和共阴极半电桥，电流用箭头指示。
图4图示出正向电压降随所施加电流的变化图。与20μA漏电流的理想二极管(蓝)相比，共阳极(红)和共阴极(绿)半电桥具有更小的电压降。
图5示出了根据本发明的回授式半电桥的示意性I-V曲线。负电阻区对应于栅电压超过阈电压时从截止到导通状态的自动切换。
图6示出回授式半电桥倍流整流设计。
图7示出根据本发明一方面构造的倍流器的电流(绿)和电压(红)波形。正向恢复发生在3μs处，反向恢复在4μs处。中间的正向电压降为0.05V。
图8示出根据本发明的回授式半电桥的反向恢复。第一负峰对应于RBB从导通到截止状态的转换。第二负峰对应于第一RBB上的电压足够大以致能够将其导通时邻近的RBB从截止到导通状态的转换。
图9示出根据本发明的方法的实施例的在利用栅极掩模垂直刻蚀穿过绝缘氧化物、多晶栅极和栅极氧化物(可以留下一些栅极氧化物以降低沟道效应)后的半导体结构。已经完成对源极和探测电极的接点As注入。
图10示出在将探测极掩模放置在栅极掩模上以覆盖探测极接点开口并且已经完成P阱硼注入后的半导体结构。
图11示意了在完成光阻剂的各向同性灰化后以为下一步骤提供自对准掩模的半导体。
图12示意了在完成沟道硼注入后的结果，其应该均匀地影响器件的阈电压。
图13示意了去除两层掩模后的结构。
图14示意了已沉积绝缘氧化物并将绝缘掩模放置于顶部时的结构。
图15示出执行垂直的氧化物刻蚀后的结构。
图16示意了在放置探测极掩模以覆盖探测极接点并且刻蚀出沟槽以提供到P阱的接点后的结构。
图17示意了去除光阻剂后的结构以及结构准备进行多层金属化。
图18示意性示出由两个n型(p型)MOSFET构成的具有共阳极(阴极)的回授式半电桥，被构造为具有施加到栅极的漏电压。该构造在工作期间提供导通和截止状态之间的自动切换。
图19示意性示出采用一个RBB和一个MOSFET形成的回授式半电桥。
具体实施方式
本发明包括可以被认作为回授式组件块(RBB)的新器件，及其制造方法。在一实施例中，该器件尤其适合于构成诸如半电桥和全电桥整流器等器件。尽管本领域普通技术人员可以立刻认识到本发明可以用于产生多种半导体器件，然而出于清晰的目的，本发明将以桥式整流器作为器件以及制造方法在说明书中进行描述。
首先参考图1和图2，示出了总体用100标明的RBB结构的物理结构(图1)和其成对地被构造为半电桥整流器(图2)的示意图。如图1所示，RBB 100具有4个电极：源极105、漏极110、栅极115和探测极120。主电流在源和漏电极之间流动。栅电压控制MOS栅极115下的窄沟道125的导电性，并且能够在截止和导通状态之间切换RBB。在阈电压下发生从导通到截止的转换，该阈电压可以通过调节栅极下的掺杂分布来调节，或通过改变栅极氧化物127的厚度来调节。至少在一些实施例中，探测电极120的主要目的是提取回授信号，其可以用作另一个半导体器件(例如另一个RBB或MOSFET)的栅极控制信号。
当RBB 100处于导通状态时，源极105和漏极110之间的电压降很小，在120处引起小的探测信号。处于截止状态时，耗尽层边界随着施加在源极和漏极之间的电压而变化。对于小的施加电压，耗尽层边界130位于探测极120和源极105之间，并且对于小的施加电压，一般终止在栅极下方。在此状态下，从实际意义上可以将该探测极认为是基本上短接于漏极，探测极电压随着漏电压变化。然而，对于大的施加电压，耗尽层边界135延伸超出探测电极，探测极电压几乎为常数，并且几乎不依赖于漏电压。这可以吸引人们想到将探测极电压作为能够向其他器件指示RBB 100处于导通或截止状态下的回授信号。至少可以通过修改探测极接点120的外形尺寸(例如宽度)或通过改变探测极接点下的掺杂分布来调节最大探测极电压。
转至图2，该图更具体地示出如何将两个RBB 100组合成回授式半电桥。每一RBB的栅电极115由来自另一RBB的探测极接点120(和120’)的回授信号所控制。注意到，得到的回授式半电桥仅仅具有3个外部接点，外部接点位于共源极105(和105’)和每一漏极110和110’，这如同所得回授式半电桥由常规二极管构成一样。这便于基本上引脚对引脚的替代二极管电桥，而没有现有技术中的低电压限制，并且无需现有技术中同步整流器的复杂控制电路特性。
根据对外延层掺杂的选择，RBB 100可以是n型或p型。每一RBB具有固有的体二极管(body diode)，并且在应用于电路中时，通常代替相同极性的二极管。因此，可以将两个N型RBB组合成共阳极半电桥235，并且将两个P型RBB组合成共阴极半电桥240，如图2的底部所示。在半电桥工作期间，其中一个器件保持导通同时另一个器件为截止。来自截止器件的回授信号具有帮助另一个器件保持导通的合适符号。
在一实施例中，小心控制栅极氧化物的厚度以及沟道区中的掺杂，以优化器件的性能。另外，至少在一些实施例中，在探测极开口内，N++掺杂优于P++掺杂。
为了测试图1和2所示设计，对图3所示的全电桥进行了测试，该全电桥由图2所示的共阴极和共阳极的半电桥所构造。测试结果显示在图4中。更具体地，图4是10A、20V电桥的I-V曲线，并示出了二极管上的正向电压(纵轴)与施加到电桥上的电压的关系。通过采用1欧姆的负载电阻，横轴上的电流实际上等于全电桥输入电压。电流为10A(对于n型器件电流密度为200A/cm2，对于p型器件电流密度为67A/cm2)时，二极管上的正向电压小于0.05V。曲线405示出了n型器件(用在全电桥的共阳极部分中)的结果，曲线410示出了p型器件(用在共阴极半电桥中)的结果。具有负微分电阻的区域415对应于器件从截止到导通状态的转换。注意到，在所施加电压为零时，所有4个RBB器件均处于截止状态。在反向偏置期间，它们保持在截止状态，而当正向偏压到达大约0.5V时，它们自动转到导通状态。在截止状态下相应器件的漏电流一般在60μA和160μA的数量级。可以较高的VF为代价通过改变MOS栅极下的掺杂浓度或者通过改变结构的外形参数来降低漏电流。
本发明装置工作时在所有象限的示意性I-V曲线以500示出在图5中。除了由于器件物理结构上导致的负电阻区不同外，该曲线看起来和常规二极管I-V曲线一样。包括负电阻区的曲线形状整体上依赖于RBB部件的外形尺寸和掺杂浓度，并且因此对于单个RBB为可调节的。
因此，可以理解，该电桥的性能特性类似于用同步整流器构成的电桥，但本发明的器件不需要一般同步整流器所要求的控制器或与控制器实现方式相关联的电路。可以通过改变掺杂分布和装置的外形尺寸来优化RBB100的瞬态行为，以通过最小EMI来提供最大工作频率，掺杂分布和装置的外形尺寸具体包括沟道硼的剂量、栅极氧化物厚度以及探测开口的宽度。由于在正向偏压期间载流子在栅极下的积聚，瞬态行为一般受栅极电容的影响。RBB上的栅极氧化物可以是薄的，或，如以下所述，在工艺中移去部分栅极有助于补偿任何电容增加。从以上内容可以理解，本发明的回授式半电桥不需要附加的电路元件，并且由于它们具有相对于现有技术而改进的性能，还可以提高工作频率。
对图6所示的倍流器整流电路测试了共阳极半电桥的动态行为。该电路可以在多个开关模式电源拓扑中用于输出信号整流和滤波。图7示出了一个工作周期的电流705和电压710的典型波形。正向和反向恢复没有显示出显著的尖锋。反向恢复的细节显示在图8中，证明了瞬态时间很小。曲线805示出了电压，曲线810示出了电流。
以下在图9至图17中描述一种制造RBB的可能方法。本领域普通技术人员可以认识到有许多替代方法，因此本发明并不限制于下面所描述的具体制造方法。另外，至少在一些实施例中，期望隔离该器件，并且如果需要，可以根据应用通过采用保护环结构、隔离器或其他结构来实现这种隔离。这些结构在本领域是公知的，因此在此不作描述。进一步地，至少在一些实施例中，期望遍及器件的MOS沟道区是均一的。一种实现这种期望的方法是采用下面所描述的自对准工艺。
首先，在衬底910上生长外延层900。该外延层的掺杂浓度(N或P型)和厚度依赖于击穿电压和所期望的器件类型。为了清楚起见，下面的讨论描述的工艺针对N型器件，其与P型的工艺互补。
生长外延层900后，制备30～200A数量级的栅极氧化物935，接着制备600～1200A数量级的多晶硅层940。然后，覆上厚度在50～1500A数量级的绝缘氧化物层945。随后得到栅极掩模950，接着垂直刻蚀绝缘氧化物、多晶硅和栅极氧化物。采用穿过开口925的As注入制造源极和探测极930电极的接点。图9示出了在该阶段的结构。
如图10所示，随后采用任何适合的方法，例如用氮化硅或其他材料，将第二探测极掩模1005制备在栅极掩模的顶部。该掩模的布置提供了自对准并在MOS沟道区中得到了均一的势垒层高度。还注入了P阱硼1010。对于至少一些实施例，P阱硼的剂量优选为足够高以限制主电流流过该沟道区。
如图11的1105所示，栅极掩模被各向同性地刻蚀。这提供了对于沟道硼注入1205的自对准掩模，如图12所示。在此阶段中，还对探测极掩模进行刻蚀，并且一般覆盖1210所指处的调节区。
接下来，如图13所示，去除栅极掩模和探测极掩模，沉积绝缘氧化物1405，并将绝缘掩模1410放置在顶部，如图14所示。然后，如图15所示，在1505所指处刻蚀绝缘氧化物以提供到探测极和源电极的接点。
随后，将探测极掩模1600放置在绝缘掩模顶部上。在硅中垂直刻蚀出图16所示的沟槽1605，以提供到P阱的接点，并且执行P型注入1610以提供对源电极的欧姆接触。或者，在一些实施例中，通过穿过保护环结构的P阱流到阳极的空穴电流来改变P阱中的电荷。除非到保护环的P阱的距离足够短，否则这将降低器件的运行速度。注意到，由于大部分电子电流流过栅极下的狭窄沟道，对于电子流动来说仍具有很好的欧姆接触。
参考图17，去除光阻剂就结束了有源区的工艺。随后，以MOSFET器件的常规方式执行多层金属化，这在此未示出，以使在芯片的顶面产生三个接触区，从而结束了RBB制造方法，并得到图1所示的器件。
原则上并不总需要用RBB制造回授式半电桥或二极管。例如，对于低击穿电压的器件，整个漏电压可以用作探测电压。那么，可以由2个MOSFET构成回授式半电桥(图18)或由RBB和MOSFET的组合构成回授式半电桥(图19)。注意，为了在低电压下工作，MOSFET应该具有小的阈电压，并因此具有小的栅极氧化物厚度。由此，对于为操作大功率而设计的实施例，实际上人们不能施加全部漏电压到低阈值的栅极，因为可能损伤该薄的栅极氧化物并破坏了该器件。对于诸如那些包括在集成电路中的较低功率的器件，通常其三个端子都位于顶面上，在许多实施例中可以将全部漏电压施加到栅极。
尽管已经对本发明优选的实施例和多种变型作了充分描述，但在此处的教导下，本领域普通技术人员可以认识到还具有许多不背离本发明的变型和等同替换。因此，本发明并不受限于以上描述，而仅仅通过附后的权利要求书所限制。

Claims (2)

1.一种可用作半电桥的半导体器件，包括：
第一漏极接点，可操作地耦合到第一栅极区、第一源极区和第一探测极区，
第二漏极接点，可操作地耦合到第二栅极区、第二源极区和第二探测极区，其中所述第一探测极区和所述第二探测极区用于提取回授信号，
第一源极接点，
所述第一探测极区连接到所述第二栅极区，
所述第一栅极区连接到所述第二探测极区，
所述第一源极区连接到所述第二源极区，并连接到所述第一源极接点。
2.一种用于制造可用作半电桥的半导体器件的方法，包括：
根据如下制造步骤制造第一以及第二半导体器件：
在衬底中沉积第一和第二源极结构；
在衬底上沉积栅极结构；
在衬底上接出漏极接点；以及
在所述第一和第二源极结构之间沉积探测极结构，用于控制所述源极和漏极结构之间的电流；以及
将如上制造的第一半导体器件和第二半导体器件连接成可用作半电桥的半导体器件，其中
所述第一半导体器件的探测极结构连接到所述第二半导体器件的栅极结构，
所述第一半导体器件的栅极结构连接到所述第二半导体器件的探测极结构，
所述第一半导体器件的源极结构连接到所述第二半导体器件的源极结构，并连接到源极接点。
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