CN104362149A - 基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件，电阻的第一端和场效应管的漏极连接作为输入端，电阻的第二端、场效应管的栅极、电子开关的第一端和二极管的负极连接，场效用管的源极、反馈控制模块的负极信号输入端与电容的第一端连接作为输出端，反馈控制模块的输出端与电子开关的控制输入端连接，反馈控制模块的正极信号输入端、电容的第二端、电子开关的第二端、稳压二极管的正极均接地。本发明还公开了一种半导体启动器件的制造工艺，用BCD工艺集成场效应管、电阻和稳压二极管。本发明所述半导体启动器件采用集成的场效应管直接对电容充电，因其自身导通时电阻小、功耗小，所以电源效率高、损耗小、发热量低。

Description

基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件及制造工艺

技术领域

本发明涉及一种集成电路启动器件，尤其涉及一种基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件及制造工艺。

背景技术

开关电源启动电路是集成电路中一种常用的启动器件，目前大部分开关电源启动电路的结构(或基本原理)如图1所示，包括电阻R1、电容C1、稳压二极管ZD1、辅助绕组N1、二极管D1和控制IC，其工作原理是：在电源启动瞬间，输入电压Vin通过电阻R1给电容C1充电，电阻R1上流过的电流大于控制IC的启动电流，电容C1的电压上升至控制IC的正常工作电压后，控制IC开始工作，当启动电路的输出电压Vout稳定后，辅助绕组N1产生的电压经二极管D1整流和电容C1滤波后给控制IC供电，控制IC的VCC和输出电压Vout稳定在一定的电压范围，开关电源正常工作。比如，专利号为“201110099831.5”、授权公开号为“CN102158067B”的发明专利，其基本的结构就与上述结构类似。

上述传统的开关电源启动电路的缺陷在于：在输入电压Vin范围较宽时，为了保证能够在最低输入电压时为控制IC提供足够大的启动电流，使开关电源能正常启动，那么电阻R1的阻值不能太大。由于电阻R1一直与输入端相连，所以电阻R1产生的功耗P＝(Vin-VCC)2/R1，显然，如果当开关电源工作在高压输入的情况下，电阻R1上的功耗将会非常大，将会影响电源转换效率、散热和可靠性，降低电源效率，而且，电阻R1必须选用大功率电阻，从而使开关电源的体积大、成本高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种损耗低、效率高的基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件及制造工艺。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件，其电源输入端的输入电压为电容充电，所述电容的两端为电源输出端，N型高浓度衬底上设有N型轻掺杂外延层，N型轻掺杂外延层的其中一半区域内设有P型埋层，P型埋层上设有第一N阱，第一N阱上设有第一N型重掺杂和厚氧化层，厚氧化层上设有螺旋状多晶硅构成电阻；N型轻掺杂外延层的另一半区域内设有第二N阱、第一P阱、第二P阱和第三P阱，第一P阱靠近第一N阱，第三P阱靠近第一P阱，第二N阱靠近第三P阱，第二P阱靠近第二N阱，第一P阱上设有第一P型重掺杂和第二N型重掺杂，第一P型重掺杂构成稳压二极管的正极，第二N型重掺杂构成稳压二极管的负极，第二P阱上设有第二P型重掺杂和第三N型重掺杂，第二P阱和第二N阱相邻位置的上方依次设有栅氧层和多晶硅层，第二P型重掺杂和第三N型重掺杂相互连接引出端线构成场效应管的源极，多晶硅层引出端线构成场效应管的栅极，第二N阱构成场效应管的漏极，场效应管的漏极通过内导线引至N型高浓度衬底，电阻的第一端通过第一N阱连接至N型高浓度衬底，场效应管的源极同时与电容的第一端和反馈控制模块的负极信号输入端连接，反馈控制模块的输出端与电子开关的控制输入端连接，电子开关的第一端同时与场效应管的栅极、稳压二极管的负极和电阻的第二端连接，电容的第二端、反馈控制模块的正极信号输入端、电子开关的第二端、第三P阱和稳压二极管的正极均接地，N型高浓度衬底引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输入端的正极，电容的第一端引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输出端的正极。

上述结构中，第二P阱、第二N阱、第二P型重掺杂、第三N型重掺杂、多晶硅层、栅氧层、N型轻掺杂外延层和N型高浓度衬底共同形成场效应管的元胞结构；场效应管的元胞区与稳压二极管和耐压终端之间通过第三P阱隔离；螺旋状多晶硅构成电阻；第一P型重掺杂和第二N型重掺杂构成稳压二极管；反馈控制模块将输出电压采集后进行判断，在高出设定电压后输出电流控制电子开关接通，从而使场效应管的栅极电流为零，断开场效应管，停止充电。

作为优选，所述反馈控制模块为比较器，所述比较器的负极信号输入端与所述场效应管的源极连接，所述比较器的正极信号输入端与基准电压源的正极连接，所述基准电压源的负极接地，所述比较器的输出端与所述电子开关的控制输入端连接。反馈控制模块也可以直接采用控制芯片。

具体地，所述电子开关为三极管，所述三极管的基极为所述电子开关的控制输入端，所述三极管的集电极为所述电子开关的第一端，所述三极管的发射极为所述电子开关的第二端。电子开关也可以为其它具有三个连接端的电子元件。

一种基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件的制造工艺，包括以下步骤：

(1)在N型高浓度衬底上设置N型轻掺杂外延层，N型高浓度衬底的电阻率为0.0001～0.1欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层的电阻率为10～200欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层作为场效应管的漏极漂移区；

(2)在N型轻掺杂外延层上通过注入P型杂质，注入剂量为1e12atom/cm2～1e15atom/cm2；

(3)通过高温氧化推结，炉管温度为850℃～1200℃，持续时间为30～300分钟，激活P型杂质，形成P型埋层，P型埋层作为耐压终端的横向可变掺杂部分；

(4)通过化学气相淀积生长N型掺杂薄外延层，然后通过高能、双电荷磷注入来形成第一N阱和第二N阱，然后再通过高能B11注入来形成第一P阱、第二P阱和第三P阱，再通过LOCOS生长厚氧化层；

(5)生长栅氧层，厚度为100A～1200A；

(6)生长完栅氧层后，通过低压化学气相淀积生长N型多晶硅层，将螺旋状多晶硅生长在厚氧化层上，将用作场效应管栅极的N型多晶硅层生长在栅氧层上；

(7)若为NMOS场效应管，则通过N型杂质注入形成N+源漏区，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，若为PMOS场效应管，则通过P型杂质注入形成P+源漏区，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2。

本发明的有益效果在于：

本发明所述半导体启动器件采用场效应管直接对电容充电，因其自身导通时电阻小、功耗小，所以在输入电压较小时也能产生较大的充电电流，使输出电压快速达到主电路最低要求的电压，由于通过对场效应管的栅极控制其通、断，所以只需要较小的驱动电流，可降低电阻功耗和发热量；当输出电压到达预定值后，可由反馈控制模块通过自举衬偏的方法使电子开关导通，使场效应管的栅极接地，从而关断场效应管，停止充电，只有很小的漏电电流，达到降低损耗、提高电源效率的目的；本发明所述半导体启动器件电路简单，利用单管或者集成电路里面的场效应管的耐压环区的空余区域制作用于分压的电阻以及稳压二极管，可节约很大部分的芯片面积，不需要额外的电容、二极管等器件，易于集成，占用芯片面积小；而且利用BCD工艺就能实现上述集成结构，不用额外增加工艺步骤，不产生额外的生产成本，且易于生产。

附图说明

图1是传统开关电源启动电路的电路图；

图2是本发明所述基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件的结构示意图；

图3是本发明所述螺旋状多晶硅的结构示意图；

图4是本发明所述基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2和图3所示，图2中的电源输入端、电源输出端、电阻R1、电容C1分别与图1对应，所以采用了相同的标记符号；本发明所述基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件，其电源输入端的输入电压Vin为电容C1充电，电容C1的两端为电源输出端，其输出电压Vout为主电路(图中未示)供电，N型高浓度衬底1上设有N型轻掺杂外延层2，N型轻掺杂外延层2的其中一半区域内设有P型埋层3，P型埋层3上设有第一N阱4，第一N阱4上设有第一N型重掺杂6和厚氧化层FOX，厚氧化层FOX上设有螺旋状多晶硅11构成电阻R1；N型轻掺杂外延层2的另一半区域内设有第二N阱4’、第一P阱5、第二P阱5’和第三P阱5”，第一P阱5靠近第一N阱4，第三P阱5”靠近第一P阱5，第二N阱4’靠近第三P阱5”，第二P阱5’靠近第二N阱4’，第一P阱5上设有第一P型重掺杂8和第二N型重掺杂7，第一P型重掺杂8构成稳压二极管D1的正极，第二N型重掺杂7构成稳压二极管D1的负极，第二P阱5’上设有第二P型重掺杂10和第三N型重掺杂9，第二P阱5’和第二N阱4’相邻位置的上方依次设有栅氧层13和多晶硅层12，第二P型重掺杂10和第三N型重掺杂9相互连接引出端线构成场效应管Q1的源极，多晶硅层12引出端线构成场效应管Q1的栅极(即图3中的G)，第二N阱4’构成场效应管Q1的漏极，场效应管Q1的漏极通过内导线引至N型高浓度衬底1，电阻R1的第一端通过第一N阱6连接至N型高浓度衬底1，场效应管Q1的源极同时与电容C1的第一端和比较器Comp1的负极信号输入端，比较器Comp1的正极信号输入端与基准电压源Vref的正极连接，比较器Comp1的输出端与电子开关S1的控制输入端连接，电子开关S1的第一端同时与场效应管Q1的栅极、稳压二极管D1的负极和电阻R1的第二端连接，电容C1的第二端、基准电压源Vref的负极、电子开关S1的第二端、第三P阱和稳压二极管D1的正极均接地，N型高浓度衬底1引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输入端的正极，电容C1的第一端引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输出端的正极。电子开关S1可采用三极管或其它具有三个连接端的电子元件。上述比较器Comp1和基准电压源Vref构成反馈控制模块。

图4示出了图2的等效电路，使本半导体启动器件的结构更加简化、清楚。

如图2和图4所示，本半导体启动器件的工作原理如下：

初始状态下，电子开关S1断开，输入电压Vin经过电阻R1降压输出电流到场效应管Q1的栅极，使场效应管Q1导通，输入电压Vin经过场效应管Q1向电容C1充电，输出电压Vout逐渐上升。当输出电压Vout上升到预计值V1的时候，反馈控制模块发出信号使电子开关S1导通，使场效应管Q1的栅极接地而关断，完成启动功能。当本半导体启动器件需要重启，即输出电压Vout下降到设定值时，反馈控制模块发出信号使电子开关S1断开，使场效应管Q1的栅极为高电平，就能使场效应管Q1再次导通，开始对电容C1充电。

本发明所述半导体启动器件的制造工艺主要在于场效应管Q1、电阻R1和稳压二极管D1的制造，其包括以下步骤：

(1)在N型高浓度衬底上设置N型轻掺杂外延层，N型高浓度衬底的电阻率为0.0001～0.1欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层的电阻率为10～200欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层作为场效应管的漏极漂移区；

(2)在N型轻掺杂外延层上通过注入P型杂质，注入剂量为1e12atom/cm2～1e15atom/cm2；

(3)通过高温氧化推结，炉管温度为850℃～1200℃，持续时间为30～300分钟，激活P型杂质，形成P型埋层，P型埋层作为耐压终端的横向可变掺杂部分；

(4)通过化学气相淀积生长N型掺杂薄外延层，然后通过高能、双电荷磷注入来形成第一N阱和第二N阱，然后再通过高能B11注入来形成第一P阱、第二P阱和第三P阱，再通过LOCOS生长厚氧化层；

(5)生长栅氧层，厚度为100A～1200A；

(6)生长完栅氧层后，通过低压化学气相淀积生长N型多晶硅层，将螺旋状多晶硅生长在厚氧化层上，将用作场效应管栅极的N型多晶硅层生长在栅氧层上；

(7)若为NMOS场效应管，则通过N型杂质注入形成N+源漏区，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，若为PMOS场效应管，则通过P型杂质注入形成P+源漏区，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件，其电源输入端的输入电压为电容充电，所述电容的两端为电源输出端，其特征在于：N型高浓度衬底上设有N型轻掺杂外延层，N型轻掺杂外延层的其中一半区域内设有P型埋层，P型埋层上设有第一N阱，第一N阱上设有第一N型重掺杂和厚氧化层，厚氧化层上设有螺旋状多晶硅构成电阻；N型轻掺杂外延层的另一半区域内设有第二N阱、第一P阱、第二P阱和第三P阱，第一P阱靠近第一N阱，第三P阱靠近第一P阱，第二N阱靠近第三P阱，第二P阱靠近第二N阱，第一P阱上设有第一P型重掺杂和第二N型重掺杂，第一P型重掺杂构成稳压二极管的正极，第二N型重掺杂构成稳压二极管的负极，第二P阱上设有第二P型重掺杂和第三N型重掺杂，第二P阱和第二N阱相邻位置的上方依次设有栅氧层和多晶硅层，第二P型重掺杂和第三N型重掺杂相互连接引出端线构成场效应管的源极，多晶硅层引出端线构成场效应管的栅极，第二N阱构成场效应管的漏极，场效应管的漏极通过内导线引至N型高浓度衬底，电阻的第一端通过第一N阱连接至N型高浓度衬底，场效应管的源极同时与电容的第一端和反馈控制模块的负极信号输入端连接，反馈控制模块的输出端与电子开关的控制输入端连接，电子开关的第一端同时与场效应管的栅极、稳压二极管的负极和电阻的第二端连接，电容的第二端、反馈控制模块的正极信号输入端、电子开关的第二端、第三P阱和稳压二极管的正极均接地，N型高浓度衬底引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输入端的正极，电容的第一端引出接线端作为所述半导体启动器件的电源输出端的正极。

2.根据权利要求1所述的基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件，其特征在于：所述反馈控制模块为比较器，所述比较器的负极信号输入端与所述场效应管的源极连接，所述比较器的正极信号输入端与基准电压源的正极连接，所述基准电压源的负极接地，所述比较器的输出端与所述电子开关的控制输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件，其特征在于：所述电子开关为三极管，所述三极管的基极为所述电子开关的控制输入端，所述三极管的集电极为所述电子开关的第一端，所述三极管的发射极为所述电子开关的第二端。

4.一种如权利要求1所述的基于螺旋状多晶硅式场效应管充电的半导体启动器件的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在N型高浓度衬底上设置N型轻掺杂外延层，N型高浓度衬底的电阻率为0.0001～0.1欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层的电阻率为10～200欧姆·厘米，N型轻掺杂外延层作为场效应管的漏极漂移区；

(2)在N型轻掺杂外延层上通过注入P型杂质，注入剂量为1e12atom/cm2～1e15atom/cm2；

(3)通过高温氧化推结，炉管温度为850℃～1200℃，持续时间为30～300分钟，激活P型杂质，形成P型埋层，P型埋层作为耐压终端的横向可变掺杂部分；

(4)通过化学气相淀积生长N型掺杂薄外延层，然后通过高能、双电荷磷注入来形成第一N阱和第二N阱，然后再通过高能B11注入来形成第一P阱、第二P阱和第三P阱，再通过LOCOS生长厚氧化层；

(5)生长栅氧层，厚度为100A～1200A；

(6)生长完栅氧层后，通过低压化学气相淀积生长N型多晶硅层，将螺旋状多晶硅生长在厚氧化层上，将用作场效应管栅极的N型多晶硅层生长在栅氧层上；

(7)若为NMOS场效应管，则通过N型杂质注入形成N+源漏区，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2，若为PMOS场效应管，则通过P型杂质注入形成P+源漏区，注入剂量为1e12atom/cm2～5e15atom/cm2。