TWI748239B - 高電壓積體電路及其半導體結構 - Google Patents

高電壓積體電路及其半導體結構 Download PDF

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Abstract

一種高電壓積體電路的半導體結構，包括一基底，基底有依序相鄰的高電壓N型井區、N型井區及高電壓P型井區。P型摻雜隔離區域位於該N型井區將該N型井區隔離出第一井區與第二井區，該第二井區與該高電壓N型井區相鄰。高電壓P型電晶體，設置在該高電壓N型井區上，該高電壓P型電晶體有閘極、汲極以及源極，該源極接收一操作高電壓。N型電晶體有一閘極形成在該N型井區及該高電壓P型井區的交界區域上;汲極形成在該N型井區上與該高電壓P型電晶體的該汲極連接;及源極形成在該高電壓P型井區上。電壓箝制元件連接在該高電壓P型電晶體的該汲極與該源極之間。分壓元件，連接在該高電壓P型電晶體的該汲極到接地電壓之間，提供一分壓給該N型電晶體的該閘極。

Description

高電壓積體電路及其半導體結構
本發明是有關半導體製造技術，更是關於高電壓積體電路及其半導體結構。
隨著電子產品的多樣功能，其控制電路需要能同時驅動操作在高電壓的高電壓器件以及操作在低電壓器件。因應高電壓器件以及低電壓器件的操作，其電源模組需要能提供高電壓電源以及低電壓電源。高電壓積體電路在電源模組的控制中扮演這樣的角色。
高電壓積體電路依照電源的需要，其會經常有由高電壓到低電壓的切換，或是由低電壓到高電壓的切換。高電壓積體電路中會包含高電壓驅動電路、低電壓驅動電路、電壓移位器、控制電路及電源選擇單元。
在實際的操作中，雖然電壓切換會隨著操作而切換，但是其仍需要監測是否電壓確實切換。在監測電壓切換的機制包含需要偵測高電壓是否確實啟動，而其涉及高電壓操作狀態的偵測，一 般會利用高電壓P型電晶體與偵測電路連接，對電壓切換的狀態進行偵測。
然而在高電壓積體電路中，切換過程仍有積體電路的漏電流問題，因此，如何將高電壓狀態轉換的問題是產品研發所需要考量與提升的課題，如此能夠有效率偵測高電壓切換的狀態。
本發明提供一種高電壓積體電路及其半導體結構，包含偵測移位電路，可以將高電壓狀態轉換成低電壓操作下的電流狀態，來反映出高電壓啟動與關閉狀態。
於一實施範例，本發明提供一種高電壓積體電路的半導體結構。半導體結構包括一基底，基底有依序相鄰的高電壓N型井區、N型井區及高電壓P型井區。P型摻雜隔離區域位於該N型井區將該N型井區隔離出第一井區與第二井區，該第二井區與該高電壓N型井區相鄰。高電壓P型電晶體，設置在該高電壓N型井區上，該高電壓P型電晶體有閘極、汲極以及源極，該源極接收一操作高電壓。N型電晶體有一閘極形成在該N型井區及該高電壓P型井區的交界區域上；汲極形成在該N型井區上與該高電壓P型電晶體的該汲極連接；及源極形成在該高電壓P型井區上。電壓箝制元件連接在該高電壓P型電晶體的該汲極與該源極之間。分壓元件，連接在該高電壓P型電晶體的該汲極到接地電壓之間，提供一分壓給該N型電晶體的該閘極。
於一實施例，對於前述高電壓積體電路的半導體結構，該 電壓箝制元件是齊納二極體串，用以當該高電壓P型電晶體關閉時，將該高電壓P型電晶體的該源極的一高電壓箝制到較低的一箝制電壓而給該汲極。
於一實施例，對於前述高電壓積體電路的半導體結構，該分壓元件所提供的該分壓是在對應該N型電晶體的操作所允許的操作範圍內，該N型電晶體是閘極操作在低電壓的電晶體。
於一實施例，對於前述高電壓積體電路的半導體結構，其更包括一高電壓應用電路，其中該電壓應用電路包含一高電壓驅動電路，該高電壓驅動電路有第一電壓端與第二電壓端，該第一電壓端是該高電壓P型電晶體的該操作高電壓，該第一電壓端的電壓高於該第二電壓端的電壓，該第一電壓端連接到該高電壓P型電晶體的該源極，該第二電壓端連接到該高電壓P型電晶體的該汲極。
於一實施例，對於前述高電壓積體電路的半導體結構，取決於該高電壓P型電晶體的導通或關閉，而產生不同電壓值的該分壓給該N型電晶體的該閘極。
於一實施例，對於前述高電壓積體電路的半導體結構，其更包括一偵測電路，接收該N型電晶體的該源極的電壓，以決定該高電壓P型電晶體的導通或關閉。
於一實施例，對於前述高電壓積體電路的半導體結構，該基底是矽晶圓且該高電壓N型井區、該N型井區及該高電壓P型井區是在該矽晶圓中，或是該基底包含矽晶圓及在該矽晶圓上的 磊晶層，其中該基底是矽晶圓且該高電壓N型井區、該N型井區及該高電壓P型井區是在該磊晶層中。
於一實施例，本發明提供一種高電壓積體電路，包括高電壓應用電路、高電壓P型電晶體、N型電晶體、電壓箝制電路及分壓電路。電壓應用電路包含一高電壓驅動電路，該高電壓驅動電路有第一電壓端與第二電壓端，該第一電壓端是該高電壓P型電晶體的操作高電壓，該第一電壓端的電壓高於該第二電壓端的電壓。高電壓P型電晶體有閘極、汲極以及源極，該源極連接到該高電壓應用電路的該第一電壓端，該汲極連接到該高電壓應用電路的該第二電壓端。N型電晶體，有一閘極、一汲極形以及一源極，其中該源極是輸出端，該汲極連接到該高電壓P型電晶體的該汲極。電壓箝制電路連接在該高電壓P型電晶體的該汲極與該源極之間。分壓電路連接在該高電壓P型電晶體的該汲極到接地電壓之間，提供一分壓給該N型電晶體的該閘極。
於一實施例，對於所述的高電壓積體電路，該電壓箝制電路是齊納二極體串，用以當該高電壓P型電晶體關閉時，將該高電壓P型電晶體的該源極的該操作高電壓箝制到較低的一箝制電壓而給該N型電晶體的該汲極。
於一實施例，對於所述的高電壓積體電路，該分壓電路所提供的該分壓是在對應該N型電晶體的操作所允許的操作範圍內，該N型電晶體是閘極操作在低電壓的電晶體。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉 實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
50:高電壓積體電路
52:高電壓驅動電路
54:低電壓驅動電路
56:電壓移位器
58:控制電路
60:高電壓端選擇器
62:低電壓端選擇器
100:高電壓積體電路
102:低電壓驅動電路
104:高電壓驅動電路
110:高電壓端選擇器
112:低電壓端選擇器
114:P型電晶體
116:偵測電路
120:N型電晶體
122:電壓箝制元件
150:高電壓驅動電路
200:基底
201:磊晶層
202:N型埋入層
204:高電壓N型井區
206:N型井區
208:高電壓P型井區
210:P型摻雜隔離區域
212:氧化物隔離結構
R1、R2:電阻
圖1是依照本發明的一實施例，高電壓積體電路的基本架構示意圖。
圖2是依照本發明的一實施例，高電壓積體電路配置偵測電路的架構示意圖。
圖3是依照本發明的一實施例，偵測移位電路架構示意圖。
圖4是依照本發明的一實施例，高電壓積體電路的半導體結構示意圖。
圖5是依照本發明的一實施例，偵測電路的偵測機制示意圖。
本發明是關於高電壓積體電路的設計，其中本發明提出可以有效且在低電壓操作下能簡易偵測在高電壓積體電路操作中啟動或關閉高電壓源的操作狀態。偵測機制例如可以採用電流鏡機制，而偵測電流狀態即可。
以下舉一些實施例來說明本發明，但是本發明不限於所舉的實施例。
在提出本發明的技術之前，本發明對所要處理的高電壓積體電路進行探究，以期能發現與瞭解其操作上可以提升之處，以 利於能提出有效的解決方案。
圖1是依照本發明的一實施例，高電壓積體電路的基本架構示意圖。參閱圖1，此高電壓積體電路50是在實際應用上的基本架構。高電壓積體電路50會控制高電壓源單元，以提供輸出電壓。高電壓源單元連接在高電壓源HV與接地電壓之間，例如是由高電壓端選擇器60及低電壓端選擇器62串接所構成。
在高電壓積體電路50中包含高電壓驅動電路(HV)52、低電壓驅動電路(LV)54、電壓移位器56及控制電路58。控制電路58電路通過電壓移位單元56對高電壓驅動電路(HV)52控制，可以控制高電壓端選擇器60的導通與斷開。
高電壓積體電路50是一般採用的設計與操作機制，本發明不再詳細描述。以下針對高電壓積體電路50在控制與監測高電壓端選擇器60的狀態的機制來描述。在實際操作中，監測高電壓端選擇器60是有其必要性，以能確保高電壓是否如高電壓驅動電路(HV)52的控制而被啟動或關閉。
圖2是依照本發明的一實施例，高電壓積體電路配置偵測電路的架構示意圖。以圖1的架構為基礎，高電壓驅動電路150例如包括高電壓積體電路100以及移位高電壓P型電晶體114。此移位高電壓P型電晶體114當作偵測移位電路與偵測電路連接。高電壓積體電路100例如是圖1的高電壓積體電路50。所增加的移位高電壓P型電晶體114(偵測移位電路)與高電壓驅動電路(HV)104連接以提供輸出訊號給偵測電路116。移位高電壓P型電 晶體114例如是高電壓移位高電壓P型電晶體。偵測電路116用以偵測高電壓端選擇器110的開啟狀態，如此能確保高電壓端選擇器110是依照高電壓驅動電路(HV)104的控制而開啟或關閉，進而可以防止操作錯誤。
高電壓端選擇器110與低電壓端選擇器112例如也可以是絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的設計。高電壓端選擇器110由高電壓驅動電路(HV)104控制。低電壓端選擇器112由低電壓驅動電路(LV)102控制。
如前述，圖2的偵測移位電路例如是高電壓的移位高電壓P型電晶體114，用以取得高電壓端選擇器110的開啟狀態的結果而提供給偵測電路116。在實際操作的電壓值，高電壓驅動電路(HV)104的輸出端HO與輸出端VS輸出控制電壓給高電壓端選擇器110使其導通或關閉。在導通狀態，輸出端HO的電壓例如是625V，輸出端VS的電壓例如是600V。輸出端HO的電壓連接到移位高電壓P型電晶體114(偵測移位電路)的源極(S)，且輸出端VS的電壓連接到移位高電壓P型電晶體114的閘極(G)，如此可以導通移位高電壓P型電晶體(偵測移位電路)，而將電壓輸入給偵測電路。在關閉狀態時，輸出端HO的電壓改變為600V，而關閉移位高電壓P型電晶體114。
在圖2的高電壓驅動電路150中，偵測機制是使用高電壓的移位高電壓P型電晶體114，而進入偵測電路116的電壓訊號，例如是高電壓值，在製程及電路設計上可以再進一步的改善。
本發明再進一步提出偵測移位電路的設計，其在移位高電壓P型電晶體114的基礎上再做電壓的處理。偵測電路116於一實施例可以採用電流鏡在低電壓的操作，以偵測電流值的狀態來監測高電壓端選擇器110的開啟或關閉的狀態。
圖3是依照本發明的一實施例，偵測移位電路架構示意圖。參閱圖3，圖2的高電壓積體電路150仍維持，但是偵測移位電路300除了包含移位高電壓P型電晶體114以外還包含N型電晶體120、電壓箝制元件122及分壓元件(R1、R2)。偵測電路116會依照偵測移位電路300的輸出訊號對應改變，本發明不限制偵測電路116的設計。
偵測移位電路300的連接結構如下。移位高電壓P型電晶體114有閘極(G)、源極(S)以及汲極(D)。電壓箝制元件122連接在移位高電壓P型電晶體114的源極(S)以及汲極(D)之間，源極(S)連接到輸出端HO，閘極(G)連接到輸出端VS。從連接線路而言，汲極(D)與電壓箝制元件122的低電壓端是連接到節點A。
本發明在節點A與偵測電路116之間再引入N型電晶體120。N型電晶體120也是有閘極(G)、源極(S)以及汲極(D)。N型電晶體120的汲極(D)連接到節點A。N型電晶體120的源極(S)，也當作點C，連接到偵測電路116。N型電晶體120的閘極(G)連接到分壓元件(R1、R2)所提供的分壓。分壓元件例如是由串連的電阻器R1與電阻器R2通過節點B所構成，連接在節點A與接地電壓之間。節點B也與N型電晶體120的閘極(G)連接而接收分壓元 件所提供的分壓的控制。
根據圖3的偵測移位電路300在圖2的高電壓積體電路150的操作機制如下。高電壓驅動電路(HV)104的輸出端HO的電壓訊號例如是在625V與600V之間切換以開啟或關閉高電壓端選擇器110。高電壓驅動電路(HV)104的輸出端VS的電壓訊號對應輸出端HO的電壓是固定在例如600V的電壓。如此，當輸出端HO的電壓是625V時會開啟高電壓的輸出，反之輸出端HO的電壓是600V時會關閉高電壓的輸出。此時偵測移位電路300同時用來監測輸出端HO的電壓狀態。
當輸出端HO的電壓是625V且輸出端VS的電壓是600V的狀態時，移位高電壓P型電晶體114會成為導通狀態，如此在節點A的電壓也是625V。此節點A的電壓是連接到N型電晶體120的汲極(D)以及分壓元件的的電壓端。由於N型電晶體120的閘極(G)是設計成低電壓的操作範圍，電阻器R1的電阻值大於電阻器R2的電阻值，使得節點A的電壓可以降到N型電晶體120的閘極(G)的在低電壓的操作範圍。N型電晶體120的電流會隨著閘極(G)的不同電壓而改變。
要因應在輸出端HO的電壓在625V與600V之間的變化，而改變N型電晶體120的閘極(G)的電壓，本發明更設置電壓箝制元件122。電壓箝制元件122例如是多個齊納二極體串連在輸出端HO與節點A之間。當輸出端HO的電壓是600V而關閉移位高電壓P型電晶體114，此600V電壓的電壓會由於電壓箝制元件122 而箝制在較低的電壓。以五個齊納二極體且每一個齊納二極體降壓5.5V為例，在節點A在關閉移位高電壓P型電晶體114時的電壓大約在570V，比600V低，其由電壓箝制元件122所預定的值而定，其藉由電阻器R1與電阻器R2的設定，可以使高電壓下降到低電壓。
根據偵測移位電路300，當輸出端HO的電壓是600V時，N型電晶體120的閘極(G)是電壓V1，例如電壓V1是25V，而輸出端HO的電壓是570V時，N型電晶體120的閘極(G)例如是電壓V2，例如電壓V2是5V。
先參閱圖5，偵測電路116如果採用電流鏡的偵測機制，在N型電晶體120的閘極(G)的電壓VG是VG=V1的條件時，其電流狀態處於較高的準位，對應高電電壓輸出開啟的狀態。在N型電晶體120的閘極(G)的電壓VG是VG=V2的條件時，其電流狀態處於較低的準位，對應高電電壓輸出是關閉的狀態。
前面偵測電路116在監測上的應用僅是本發明的一實施例。偵測電路116可以因應實際上的應用而可以有對應的設計。本發明的偵測電路116不限定所舉的實施例。
根據前述的高電壓積體電路150，通過半導體製造技術，可以製造成半導體結構。圖4是依照本發明的一實施例，高電壓積體電路的半導體結構示意圖。
參閱圖4，就高電壓積體電路的半導體結構而言，其包括一基底200。基底200規劃有依序相鄰的高電壓N型井區204 (HVNW)、N型井區206(N-EPI)及高電壓P型井區208(HVPW)。基底200在高電壓N型井區204下方也可以包含N型埋入層202(NBL)。在製造上，於一實施例，基底200例如是矽晶圓，而在基底200上可以形成磊晶層201。在磊晶層201形成高電壓N型井區204、N型井區206及高電壓P型井區208。另一實例，高電壓N型井區204、N型井區206及高電壓P型井區208也可以在矽晶圓中直接摻雜形成。因此，以下基底200與磊晶層201可以整合視為廣義的基底。也就是磊晶層(N-EPI)201是廣義基底200中的摻雜結構。在磊晶層201的表面上也有氧化物隔離結構212對摻雜區域做適當隔離。
由於基底200上後續會形成有高電壓元件與低電壓元件，基底200中也有P型摻雜隔離區域210位於N型井區206中將N型井區206隔離出兩個井區。一個井區與高電壓N型井區204相鄰。高電壓P型電晶體114設置在高電壓N型井區204區上。高電壓P型電晶體114有閘極(G)、汲極(D)以及源極(S)。源極(S)接收一操作高電壓HO。N型電晶體120有一閘極(G)形成在N型井區206及高電壓P型井區208的交界區域上。N型電晶體120的汲極(D)形成在N型井區206上與高電壓P型電晶體114的汲極(D)連接。N型電晶體120的源極(S)形成在高電壓P型井區208上。
於一實施例，電壓箝制元件122連接在高電壓P型電晶體114的汲極(D)與源極(S)之間。分壓元件(R1、R2)，連接在高電 壓P型電晶體114的汲極(D)到接地電壓之間，可以提供一分壓給N型電晶體120的閘極(G)。
於一實施例，電壓箝制元件122例如是齊納二極體串，用以當高電壓P型電晶體114關閉時，將高電壓P型電晶體114的源極(S)的高電壓箝制到較低的箝制電壓，而提供給汲極(D)。
於一實施例，分壓元件(R1、R2)所提供的分壓是在對應N型電晶體120的操作所允許的操作範圍內，且N型電晶體120是閘極操作在低電壓的電晶體。
於一實施例，高電壓積體電路的半導體結構更包括高電壓應用電路，其中電壓應用電路包含例如圖2的高電壓驅動電路100。高電壓驅動電路100有第一電壓端(輸出端HO)與第二電壓端(輸出端VS)。第一電壓端(輸出端HO)是高電壓P型電晶體114的操作高電壓。第一電壓端(輸出端HO)的電壓，例如625V，高於該第二電壓端(輸出端VS)的電壓，例如600V。第一電壓端(輸出端HO)連接到該高電壓P型電晶體114的源極(S)。第二電壓端(輸出端VS)連接到高電壓P型電晶體114的汲極(D)。
於一實施例，取決於高電壓P型電晶體114的導通或關閉，其產生不同電壓值的分壓給N型電晶體120的閘極(G)。
於一實施例，高電壓積體電路的半導體結構更包括一偵測電路116，接收N型電晶體120的源極(S)的電壓，以決定該高電壓P型電晶體114的導通或關閉。
本發明提出高電壓積體電路的半導體結構，基於製造的 方便，電壓箝制元件122與電阻器R1、R2可以一併製造或是分離製造後再通過連接結構達成連接。本發明不限於所舉的實施例。
本發明的高電壓積體電路以及其半導體結構配置偵測移位電路300，可以將高電壓狀態轉換成低電壓操作下的電流狀態，來反映出高電壓是在啟動或關閉的狀態。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
114:P型電晶體
120:N型電晶體
122:電壓箝制元件
200:基底
201:磊晶層
202:N型埋入層
204:高電壓N型井區
206:N型井區
208:高電壓P型井區
210:P型摻雜隔離區域
212:氧化物隔離結構
R1、R2:電阻器

Claims (10)

  1. 一種高電壓積體電路的半導體結構，包括：一基底，有依序相鄰的高電壓N型井區、N型井區及高電壓P型井區；P型摻雜隔離區域，位於該N型井區將該N型井區隔離出第一井區與第二井區，該第二井區與該高電壓N型井區相鄰；高電壓P型電晶體，設置在該高電壓N型井區上，該高電壓P型電晶體有閘極、汲極以及源極，該源極接收一操作高電壓；N型電晶體，有一閘極形成在該N型井區及該高電壓P型井區的交界區域上；一汲極形成在該N型井區的該第一井區上與該高電壓P型電晶體的該汲極連接；以及一源極形成在該高電壓P型井區上；電壓箝制元件，有兩端分別僅並聯連接於該高電壓P型電晶體的該汲極與該源極，沒有與該高電壓P型電晶體的該閘極連接；以及分壓元件，連接在該高電壓P型電晶體的該汲極到接地電壓之間，提供一分壓給該N型電晶體的該閘極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的高電壓積體電路的半導體結構，其中該電壓箝制元件是齊納二極體串，用以當該高電壓P型電晶體關閉時，將該高電壓P型電晶體的該源極的一高電壓箝制到較低的一箝制電壓而給該汲極。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的高電壓積體電路的半導體結構，其中該分壓元件所提供的該分壓是在對應該N型電晶體的操 作所允許的操作範圍內，該N型電晶體是閘極操作在低電壓的電晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的高電壓積體電路的半導體結構，更包括一高電壓應用電路，其中該電壓應用電路包含一高電壓驅動電路，該高電壓驅動電路有第一電壓端與第二電壓端，該第一電壓端是該高電壓P型電晶體的該操作高電壓，該第一電壓端的電壓高於該第二電壓端的電壓，該第一電壓端連接到該高電壓P型電晶體的該源極，該第二電壓端連接到該高電壓P型電晶體的該閘極。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的高電壓積體電路的半導體結構，其中取決於該高電壓P型電晶體的導通或關閉，而產生不同電壓值的該分壓給該N型電晶體的該閘極。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的高電壓積體電路的半導體結構，更包括一偵測電路，接收該N型電晶體的該源極的電壓，以決定是處於第一電壓狀態或是第二電壓狀態，該第一電壓狀態不同於該第二電壓狀態。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的高電壓積體電路的半導體結構，其中該基底是矽晶圓且該高電壓N型井區、該N型井區及該高電壓P型井區是在該矽晶圓中，或是該基底包含矽晶圓及在該矽晶圓上的磊晶層，其中該基底是矽晶圓且該高電壓N型井區、該N型井區及該高電壓P型井區是在該磊晶層中。
  8. 一種高電壓積體電路，包括：高電壓應用電路，其中該電壓應用電路包含一高電壓驅動電路，該高電壓驅動電路有第一電壓端與第二電壓端，該第一電壓端 是該高電壓P型電晶體的操作高電壓，該第一電壓端的電壓高於該第二電壓端的電壓；高電壓P型電晶體，有閘極、汲極以及源極，該源極連接到該高電壓應用電路的該第一電壓端，該閘極連接到該高電壓應用電路的該第二電壓端；N型電晶體，有一閘極、一汲極以及一源極，其中該源極是輸出端，該汲極連接到該高電壓P型電晶體的該汲極；電壓箝制電路，有兩端分別僅並聯連接於該高電壓P型電晶體的該汲極與該源極，沒有與該高電壓P型電晶體的該閘極連接；以及分壓電路，連接在該高電壓P型電晶體的該汲極到接地電壓之間，提供一分壓給該N型電晶體的該閘極。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的高電壓積體電路，其中該電壓箝制電路是齊納二極體串，用以當該高電壓P型電晶體關閉時，將該高電壓P型電晶體的該源極的該操作高電壓箝制到較低的一箝制電壓而給該N型電晶體的該汲極。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的高電壓積體電路，其中該分壓電路所提供的該分壓是在對應該N型電晶體的操作所允許的操作範圍內，該N型電晶體是閘極操作在低電壓的電晶體。
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