CN111682071A - 集成反馈mos结构的可控型采样场效应晶体管器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管器件，包括：P型衬底、N型漂移区、P型重掺杂一区、N型半导体漏区、P型Double RESURF区、P型第一体区、P型重掺杂二区、N型重掺杂一区、P型第二体区、N型重掺杂二区、N型重掺杂三区、P型重掺杂三区、第一多晶硅、第二多晶硅、多晶硅栅极、氧化层、漏极金属、金属、导线金属以及衬底金属；本发明将传统高压C‑SenseFET结构与FB‑MOS结构集成，通过FB‑MOS区域的栅极‑漏极短路连接到C‑SenseFET结构的源极从而提供G2栅极的负偏置，实现了高压C‑SenseFET新结构的设计，在线性区内确保了电流感测值的准确性，在饱和区内确保了充电电流的稳定性，有效地抑制了器件的负温效应，改善了C‑SenseFET的温度特性。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及一种集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管(C-SenseFET)器件，即FMC-SenseFET((Feedback-MOS structure with C-SenseFET)。
背景技术
随着智能功率集成电路(Smart Power Integrated Circuit,SPIC)的发展，集成了高压器件、CMOS器件和双极型器件的SPIC，如今已经被广泛应用于各式仪器仪表和通讯设备。与功率驱动相关的高压功率集成电路，需要对电路输入/输出性能和负载情况等进行检测，做到对电路的实时监控和保护，因此对高压功率集成电路的精确的信号采样与控制已经成为了当今研究的热点，其中SPIC的电流采样较其他采样方式有着更快的响应能力、更强的抗干扰能力以及更好的兼容性，所以电流采样得到了更为广泛的应用。
SenseFET(Sense Field Effect Transistor)是一种可以应用于功率转换集成电路的电流采样功率器件。传统的SenseFET采样结构主要包括JFET采样结构，这种结构较为简单，具有较优的采样精度，同时可以作为采样和自供电的复用器件，但JFET采样结构只能实现较低电压下的不可控的电流探测，无法满足在较高电压下对电流的精确探测的要求，不适合应用于高压条件下。因此针对于JFET采样结构在高压应用下的缺陷，为了准确地检测SPIC高压器件的电状态，在JFET采样结构的基础上提出了应用于高压环境的新的结构，即可控型采样场效应晶体管C-SenseFET(Controllable Sense Field EffectTransistor)，该器件可通过结构中的第二栅极G2实现可控的感测比，如图3所示。
可控型采样场效应晶体管C-SenseFET(Controllable Sense Field EffectTransistor)在线性区工作时可对SPIC中高压功率元件的电流进行精确采样，其可通过调节第二栅极电压VG2精确控制电流采样比；在饱和区工作时，可控型采样场效应晶体管C-SenseFET可以通过恒流输出稳定地为SPIC外部旁路电容器充电，从而可以在功率器件关闭时实现芯片的能量存储和自供电。可控型采样场效应晶体管C-SenseFET器件在高压电流采样方面具有优异的表现，但是其在温度特性上较差的表现也带来了器件可靠性问题，进而影响到SPIC芯片的寿命。例如当可控型采样场效应晶体管C-SenseFET器件工作在线性区域中，电流随温度漂移的现象会导致器件无法准确地感测高压设备的电流从而无法进行精确采样，这种感测误差的现象可能会进一步影响到检测电路对主功率器件单元的电状态的确定，从而严重影响高压集成芯片的可靠性。而当可控型采样场效应晶体管C-SenseFET器件工作在饱和区中，由于可控型采样场效应晶体管C-SenseFET器件的负温度特性，当温度发生改变时器件的充电电流将发生漂移，这同样也会影响到器件的长期可靠性。
因此为改善高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET的温度特性从而实现更好地电流采样，提出了如图1所示的集成了反馈MOS结构(FB-MOS)的C-SenseFET结构，即FMC-SenseFET((Feedback-MOS structure with C-SenseFET)，其电路简图如图2所示。该结构的主要改进在于将高压C-SenseFET结构与FB-MOS结构集成，可通过MOS的反馈结构在一定程度上抑制C-SenseFET的负温特性。
发明内容
为了抑制高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET的负温特性，本发明将传统高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET与反馈MOS结构集成实现可抑制负温特性的可控型采样场效应晶体管C-SenseFET的结构。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管器件，包括位于器件最底部的P型衬底1、位于P型衬底1右侧上表面的P型重掺杂一区3以及位于P型重掺杂一区3左侧的N型漂移区2；所述N型漂移区2内部上表面从左到右依次设置N型半导体漏区4、P型双重降低表面电场区(Double RESURF)区5、P型第一体区6、N型重掺杂一区8和P型第二体区9；所述P型第一体区6内部表面下方具有P型重掺杂二区7；所述P型第二体区9内部表面下方从左到右依次设置N型重掺杂二区10、N型重掺杂三区11和P型重掺杂三区12；所述P型Double RESURF区5上表面与氧化层16接触；所述氧化层16中具有第一多晶硅13和第二多晶硅14构成的场板结构以及多晶硅栅极15；所述N型半导体漏区4上表面和第一多晶硅13之间具有漏极金属17连接；所述P型重掺杂二区7上表面、第二多晶硅14上表面、N型重掺杂三区11上表面和P型重掺杂三区12上表面都连接金属18；所述N型重掺杂一区8上表面、N型重掺杂二区10上表面和多晶硅栅极15之间通过导线金属19连接；所述P型重掺杂一区3上表面具有衬底金属20。
作为优选方式，位于P型双重降低表面电场(Double RESURF)区5上方的氧化层16为利用局部氧化工艺实现的场氧化层，位于P型衬底1、N型漂移区2以及利用局部氧化工艺实现的场氧化层的上方的氧化层16为利用硼磷硅玻璃工艺实现的阻挡氧化层。
作为优选方式，金属18既是栅极金属，又是电流感测电极金属。
作为优选方式，N型半导体或P型半导体为单晶硅、或碳化硅或者氮化镓。
本发明中的第一多晶硅13和第二多晶硅14构成的场板结构以及氧化层16下表面的P型双重降低表面电场(Double RESURF)区5均是用于提高可控型采样场效应晶体管C-SenseFET器件的耐压；
本发明中的P型第二体区9以及其表面下方从左至右的N型重掺杂二区10、N型重掺杂三区11和P型重掺杂三区12共同构成了反馈MOS结构，用于抑制可控型采样场效应晶体管C-SenseFET器件的负温特性。
本发明中的高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET与功率器件具有良好的工艺兼容性，可有效优化集成了采样器件与功率器件的版图设计步骤以及芯片占用面积，提高了设计效率。
综上所述，本发明的有益效果如下：本发明将传统高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET结构与反馈MOS结构FB-MOS集成，在温度变化时利用反馈MOS结构FB-MOS亚阈区的正温特性与C-SenseFET的负温特性相互抵消，同时通过调整反馈MOS结构FB-MOS的漏极电压进而影响可控型采样场效应晶体管C-SenseFET的栅压，从而实现有效的电流负反馈，从而有效地抑制了可控型采样场效应晶体管C-SenseFET的负温特性，确保了可控型采样场效应晶体管C-SenseFET工作在线性区域时零电流随温度进行漂移从而实现更高的感测精度，同时确保了器件在饱和区域工作时充电电流的温度稳定性的提高。
附图说明
图1是本发明提供的可抑制负温度特性的集成反馈MOS结构的高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET(FMC-SenseFET)结构的横向截面结构示意图。
图2是本发明FMC-SenseFET的电流简图。
图3是传统的高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET的横向截面结构示意图。
图4是本发明与LDMOS器件集成的FMC-SenseFET的俯视图。
图5是温度为300K、漏极电压约为600V时的传统C-SenseFET的电流线分布和耗尽层分布。
图6是温度为300K、漏极电压约为600V时的本发明FMC-SenseFET的电流线分布和耗尽层分布。
图7是不同温度下的传统C-SenseFET结构的I-V特性曲线。
图8是本发明不同温度下的栅氧厚度为0.15μm FMC-SenseFET结构的I-V特性曲线。
图9是本发明不同温度下的栅氧厚度为0.25μmFMC-SenseFET结构的I-V特性曲线。
图10是本发明不同栅氧厚度的FMC-SenseFET结构的饱和电流随温度变化的曲线。
其中，1为P型衬底，2为N型漂移区，3为P型重掺杂一区，4为N型半导体漏区，5为P型双重降低表面电场(Double RESURF)区，6为P型第一体区，7为P型重掺杂二区，8为N型重掺杂一区，9为P型第二体区，10为N型重掺杂二区，11为N型重掺杂三区，12为P型重掺杂三区，13为第一多晶硅，14为第二多晶硅，15为多晶硅栅极，16为氧化层，17为漏极金属，18为金属，19为导线金属，20为衬底金属。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管器件，包括位于器件最底部的P型衬底1、位于P型衬底1右侧上表面的P型重掺杂一区3以及位于P型重掺杂一区3左侧的N型漂移区2；所述N型漂移区2内部上表面从左到右依次设置N型半导体漏区4、P型双重降低表面电场(Double RESURF)区5、P型第一体区6、N型重掺杂一区8和P型第二体区9；所述P型第一体区6内部表面下方具有P型重掺杂二区7；所述P型第二体区9内部表面下方从左到右依次设置N型重掺杂二区10、N型重掺杂三区11和P型重掺杂三区12；所述P型Double RESURF区5上表面与氧化层16接触；所述氧化层16中具有第一多晶硅13和第二多晶硅14构成的场板结构以及多晶硅栅极15；所述N型半导体漏区4上表面和第一多晶硅13之间具有漏极金属17连接；所述P型重掺杂二区7上表面、第二多晶硅14上表面、N型重掺杂三区11上表面和P型重掺杂三区12上表面都连接金属18；所述N型重掺杂一区8上表面、N型重掺杂二区10上表面和多晶硅栅极15之间通过导线金属19连接；所述P型重掺杂一区3上表面具有衬底金属20。
位于P型双重降低表面电场(Double RESURF)区5上方的氧化层16为利用局部氧化工艺实现的场氧化层，位于P型衬底1、N型漂移区2以及利用局部氧化工艺实现的场氧化层的上方的氧化层16为利用硼磷硅玻璃工艺实现的阻挡氧化层。
金属18既是栅极金属，又是电流感测电极金属。
N型半导体或P型半导体为单晶硅、或碳化硅或者氮化镓。
本发明中的第一多晶硅13和第二多晶硅14构成的场板结构以及氧化层16下表面的P型双重降低表面电场(Double RESURF)区5均是用于提高可控型采样场效应晶体管C-SenseFET器件的耐压；
本发明中的P型第二体区9以及其表面下方从左至右的N型重掺杂二区10、N型重掺杂三区11和P型重掺杂三区12共同构成了反馈MOS结构，用于抑制可控型采样场效应晶体管C-SenseFET器件的负温特性。
本发明中的高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET与功率器件具有良好的工艺兼容性，可有效优化集成了采样器件与功率器件的版图设计步骤以及芯片占用面积，提高了设计效率。
本发明中的第一多晶硅和第二多晶硅构成的场板结构以及氧化层下表面的P型双重降低表面电场区(Double RESURF)区均是用于提高可控型采样场效应晶体管C-SenseFET器件的耐压；P型第二体区以及其表面下方从左至右的N型重掺杂二区、N型重掺杂三区和P型重掺杂三区共同构成了反馈MOS结构，用于抑制C-SenseFET器件的负温特性；本发明中的集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管(FMC-SenseFET)与功率器件具有良好的工艺兼容性，可有效优化集成了采样器件与功率器件的版图设计步骤以及芯片占用面积，提高了设计效率。
本发明的原理如下：基于传统的高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET结构，在C-SenseFET结构的栅极和衬底电极之间集成反馈MOS(FB-MOS)结构，将FB-MOS结构的栅极、漏极以及C-SenseFET结构的源极连接，同时将C-SenseFET结构的栅极和电流感测电极连接确保C-SenseFET结构的栅极一直处于地电位。器件在导通状态下，电流从器件的漏极进入，经过N型漂移区，再经过P型第一体区下方的JFET区和P型第二体区内的FB-MOS结构，最后从电流感测电极流出，因此JFET区域和FB-MOS区域的电流是连续的。器件在线性区可以实现对电流的采样，采样电流的大小可以通过P型第一体区上方的G2栅极控制，而通过FB-MOS区域的栅极-漏极短路连接到C-Sense FET结构中JFET结构的源极，在FB-MOS的漏极产生电压从而改变的C-Sense FET结构栅源电压的负偏置。采样器件作为一种常开器件，在饱和区则可以对外接的旁路电容进行恒流充电从而实现芯片的自供电。实现芯片自供电主要依靠采样器件与功率器件的集成。因采样器件FMC-SenseFET与功率器件具有良好的兼容性，故当集成采样器件与功率器件时，既不会改变功率器件的结构参数，也没有在功率器件范围内添加任何额外的注入或其工艺，保持了功率器件的完整性，从而较好地实现芯片内部的自供电功能。如图4所示，以LDMOS为例，FMC-SenseFET器件的漏极、漂移区和终端部分均与LDMOS共用，FB-MOS的各区域均可利用LDMOS器件的各区域注入来形成，而采样Sense端可在FB-MOS的源极区域单独引出作为FMC-SenseFET器件的电流采样端，这种在原有功率器件的元胞基础上寄生的FMC-SenseFET器件可以大大减少芯片的占用面积，优化了设计步骤，提高了设计效率，保证了较好的芯片内部的自供电功能。当温度升高时，由于传统C-SenseFET区域即JFET区域的负温度特性，J-FET区域的电流将下降，因此流入FB-MOS区域的电流也将趋于减小。但由于处于亚阈值区域的FB-MOS的电流具有正温度特性，电阻减小会减缓电流下降的趋势，从而减小温度变化引起的总电流下降。其中，FB-MOS的亚阈区电流越大，对减缓器件电流下降趋势的效果越明显，而影响FB-MOS结构的亚阈区电流的主要因素为FB-MOS的栅氧厚度TOX、沟道长度L2以及FB-MOS整体结构的宽度Z，如图4所示。增大FB-MOS的宽度以及减小FB-MOS的沟道长度和栅氧厚度均可以增大FB-MOS的亚阈区电流从而减小温度变化引起的总电流下降。除此之外，流过FB-MOS的电流的减小的趋势会导致FB-MOS的漏端电压VD2减小，进一步降低了传统C-SenseFET结构的栅极G2端上的负偏压，从而缩小了JFET区域的耗尽层，导致了JFET区域处电流的增大，由此得到的电流反馈机制抑制了C-SenseFET的负温特性。同时FB-MOS在低压下的正温度特性也可能强于高压下的正温度特性，以及FB-MOS的漏端电压对电流具有的更强的可控性会导致反馈机制将更有效地抑制电流随温度变化的趋势，这两个因素可能会使感测电流在不同温度下的充电电流温度漂移减小并在采样器件的线性区产生零温度点。通过对集成MOS的结构参数调整，可以实现零温度点的电压变化，避免因为温度漂移引起的采样值偏差，这可进一步提高整个芯片的可靠性。
为了验证本发明的有益效果，利用MEDICI软件分别对图3所示的传统高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET结构和图1所示的集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管FMC-Sense FET结构进行对比仿真。传统C-SenseFET结构仿真的主要参数为：P型衬底的电阻率为80Ω·cm；N漂移区的注入剂量范围是3e12-4.5e12cm-2，其结深为7.9μm；P型DOUBLE RESURF区的注入剂量范围是1e12-3e13 cm-2，其结深为0.8μm；P型第一体区的注入剂量范围是1e13-5e14 cm-2，其结深为5.2μm。而FMC-SenseFET新结构仅在传统C-SenseFET结构的基础上添加了FB-MOS结构，其中P型第二体区的注入剂量范围是1e13-5e14 cm-2，其结深为5.2μm。
定义电流随温度的漂移系数M：
其中，IH为高温时C-SenseFET饱和区电流，IL为低温时C-SenseFET饱和区电流。
在图5和图6所示的相同温度、相同漏极电压下的传统C-SenseFET和FMC-SenseFET的电流线分布和耗尽层分布图可知，FMC-SenseFET中的FB-MOS结构可以提供一定的负偏压来加宽JFET区域中的耗尽层，从而对比传统C-SenseFET结构，FMC-SenseFET可实现对流过整个单元的电流的更有效的控制。
对比图7和图8的在相同温度范围下的传统C-SenseFET结构和FMC-SenseFET结构的I-V特性曲线可以看出，线性区域是传统C-SenseFET和FMC-SenseFET的电流感测范围，FMC-SenseFET相较于传统C-SenseFET多了一个零电流漂移点，这意味着FMC-SenseFET在电流采样时其工作点附近的电流感测值不会随温度变化而变化，这确保了控制电路可以收到较为精确的感测信息。图8和图9则反映了在相同温度范围下的具有合适沟道长度和器件宽度的具有不同栅氧厚度的FMC-SenseFET结构的I-V特性曲线，对比两图可发现在线性区域内，固定范围下的栅氧厚度的变化仍可保证FMC-SenseFET存在零电流漂移点且其位置处于电流感测范围内，从而保证了整个芯片的可靠性和稳定性。
读取图7、图8和图9三个结构在相同温度范围下的饱和区电流从而计算出其温度漂移系数，其中传统C-SenseFET结构的温度漂移系数为0.39，栅氧厚度为0.15μmFMC-SenseFET结构的温度漂移系数为0.18，栅氧厚度为0.25μmFMC-SenseFET结构的温度漂移系数为0.33。同时结合图10所示的不同栅氧厚度的FMC-SenseFET结构的饱和电流随温度变化的曲线，可以看出FMC-SenseFET结构仍具有负温特性，但是相较于传统C-SenseFET结构，合适栅氧厚度下的FMC-SenseFET结构的温度漂移系数降低了50％以上，有效地抑制了器件的负温特性，同时保证了饱和区内充电电流的稳定性。
综上所述，在传统高压可控型采样场效应晶体管C-SenseFET结构的基础上，集成了反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管FMC-SenseFET结构可在线性区内产生零电流漂移点有效地确保了电流感测值的准确性，在饱和区内降低了器件的温度漂移系数有效地确保了充电电流的稳定性，从而有效地抑制器件的负温效应改善了器件的温度特性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管器件，其特征在于：包括位于器件最底部的P型衬底(1)、位于P型衬底(1)右侧上表面的P型重掺杂一区(3)以及位于P型重掺杂一区(3)左侧的N型漂移区(2)；所述N型漂移区(2)内部上表面从左到右依次设置N型半导体漏区(4)、P型双重降低表面电场(Double RESURF)区(5)、P型第一体区(6)、N型重掺杂一区(8)和P型第二体区(9)；所述P型第一体区(6)内部表面下方具有P型重掺杂二区(7)；所述P型第二体区(9)内部表面下方从左到右依次设置N型重掺杂二区(10)、N型重掺杂三区(11)和P型重掺杂三区(12)；所述P型Double RESURF区(5)上表面与氧化层(16)接触；所述氧化层(16)中具有第一多晶硅(13)和第二多晶硅(14)构成的场板结构以及多晶硅栅极(15)；所述N型半导体漏区(4)上表面和第一多晶硅(13)之间具有漏极金属(17)连接；所述P型重掺杂二区(7)上表面、第二多晶硅(14)上表面、N型重掺杂三区(11)上表面和P型重掺杂三区(12)上表面都连接金属(18)；所述N型重掺杂一区(8)上表面、N型重掺杂二区(10)上表面和多晶硅栅极(15)之间通过导线金属(19)连接；所述P型重掺杂一区(3)上表面具有衬底金属(20)。
2.如权利要求1所述的一种集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管器件，其特征在于：位于P型双重降低表面电场(Double RESURF)区(5)上方的氧化层(16)为利用局部氧化工艺实现的场氧化层，位于P型衬底(1)、N型漂移区(2)以及利用局部氧化工艺实现的场氧化层的上方的氧化层(16)为利用硼磷硅玻璃工艺实现的阻挡氧化层。
3.如权利要求1所述的一种集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管器件，其特征在于：金属(18)既是栅极金属，又是电流感测电极金属。
4.如权利要求1所述的一种集成反馈MOS结构的可控型采样场效应晶体管器件，其特征在于：N型半导体或P型半导体为单晶硅、或碳化硅或者氮化镓。
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Cited By (1)
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| CN112909094A (zh) * | 2021-01-21 | 2021-06-04 | 杰华特微电子（杭州）有限公司 | 半导体器件 |
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