專利名稱：一種具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合vdmos器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及VDMOS器件的過(guò)溫保護(hù)技術(shù)。
背景技術(shù)：
VDMOS (垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)器件是功率半導(dǎo)體的主流器件之一，目前已經(jīng)廣泛于各類功率系統(tǒng)。與雙極型晶體管相比，其開(kāi)關(guān)速度快、損耗小、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、頻率特性好。VDMOS器件在工作過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生功率損耗， 這些功率損耗大部分將轉(zhuǎn)化為熱能，引起器件溫升。過(guò)高的溫度對(duì)器件的工作性能和可靠性都有很大的影響，會(huì)造成器件性能的退化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致器件失效。有研究表明，功率器件的工作溫度每升高10°C，其失效率將增加一倍左右，稱之為10°C法則。為了減少功率VDMOS器件的熱失效，提高其可靠性，除了從封裝等方面增強(qiáng)器件的散熱性能，另一條有效的途徑就是利用過(guò)溫保護(hù)模塊對(duì)VDMOS器件采取過(guò)溫保護(hù)當(dāng)VDMOS器件溫度過(guò)高時(shí)，啟動(dòng)過(guò)溫保護(hù)功能對(duì)器件進(jìn)行有效關(guān)斷，防止熱失效的發(fā)生。而溫度采樣是實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)的前提，只有準(zhǔn)確地對(duì)器件溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，才能提供精確的過(guò)溫控制信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)VDMOS器件熱失效的技術(shù)問(wèn)題，提供一種具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件。該復(fù)合VDMOS器件將VDM0S、溫度采樣器件和過(guò)溫保護(hù)電路單片集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)VDMOS器件溫度的精確采樣及過(guò)溫保護(hù)，以防止器件的熱失效和增加器件使用壽命，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采樣精確度高、與VDMOS器件工藝兼容、單片集成等一系列優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件，如

圖1至圖3所示，包括集成于同一襯底基片上的VDMOS器件M0、多晶硅熱敏二極管Dl和過(guò)溫保護(hù)電路；所述多晶硅熱敏二極管Dl制作于VDMOS器件MO表面的絕緣層上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)VDMOS器件MO溫度的采樣； 所述過(guò)溫保護(hù)電路基于多晶硅熱敏二極管Dl的溫度采樣信號(hào)對(duì)整個(gè)復(fù)合VDMOS器件的柵輸入電壓Vin進(jìn)行分壓得到VDMOS器件MO的柵控電壓Ve，進(jìn)而對(duì)VDMOS器件MO實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)即當(dāng)VDMOS器件MO溫度達(dá)到Th時(shí)，關(guān)斷VDMOS器件MO ；當(dāng)VDMOS器件MO關(guān)斷后溫度降到 Υ時(shí)，啟動(dòng)VDMOS器件MO ；其中Th > Υ，Δ T = Th-Tl為溫度回差。上述技術(shù)方案中，所述多晶硅熱敏二極管Dl最好制作于VDMOS器件MO表面中心位置的絕緣層上，以實(shí)現(xiàn)VDMOS器件MO溫度的精確采樣。上述技術(shù)方案中，所述VDMOS器件MO可以是任意結(jié)構(gòu)的VDMOS器件、且表面具有絕緣層14，如圖2所示，至少包括金屬化漏電極1、第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜襯底2、第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜漂移區(qū)3、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基區(qū)4、第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜源區(qū)5、 第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜接觸區(qū)6、金屬化源電極7、多晶硅柵電極8和柵介質(zhì)層9 ；金屬化漏電極1位于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜襯底2的背面，第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜漂移區(qū)3 位于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜襯底2的正面；第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基區(qū)4位于第一導(dǎo)電類
4型半導(dǎo)體摻雜漂移區(qū)3的頂部，第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基區(qū)4內(nèi)具有分別與金屬化源電極7 相接觸的第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜源區(qū)5和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜接觸區(qū)6 ；柵介質(zhì)層9 位于第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基區(qū)4和第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜漂移區(qū)3的上表面，多晶硅柵電極8位于柵介質(zhì)層9的上表面，多晶硅柵電極8與金屬化源電極7之間填充的是絕緣介質(zhì)層。上述技術(shù)方案中，所述多晶硅熱敏二極管Dl (如圖2所示)，包括P型半導(dǎo)體區(qū)10、 N型半導(dǎo)體區(qū)11、陽(yáng)極電極12和陰極電極13 ；其中P型半導(dǎo)體區(qū)10和N型半導(dǎo)體區(qū)11相接觸并位于VDMOS器件MO表面的絕緣層14中，陽(yáng)極電極12與P型半導(dǎo)體區(qū)10相連并從 VDMOS器件MO表面的絕緣層14中引出，陰極電極13與N型半導(dǎo)體區(qū)11相連并從VDMOS器件MO表面的絕緣層14中引出。上述技術(shù)方案中，所述過(guò)溫保護(hù)電路(如圖3所示)包括一個(gè)穩(wěn)壓二極管D2、四個(gè) NMOS管(Ml M4)和六個(gè)電阻(Rl R6)；柵輸入電壓Vin通過(guò)第一電阻Rl和穩(wěn)壓管D2的串聯(lián)電路后接地；第一 NMOS管Ml的漏極通過(guò)第二電阻R2接第二 NMOS管M2的柵極的同時(shí)通過(guò)第三電阻R3接地，第一 NMOS管Ml的源極接地；第二 NMOS管M2的漏極接第三NMOS管 M3的柵極的同時(shí)通過(guò)第四電阻R4接?xùn)泡斎腚妷篤in，第二 NMOS管M2的源極接地；第三NMOS 管M3的漏極接第四NMOS管M4的柵極的同時(shí)通過(guò)第五電阻R5接?xùn)泡斎腚妷篤in，第三NMOS 管M3的源極接地；第四NMOS管M4的漏極通過(guò)第六電阻R6接?xùn)泡斎腚妷篤in，第四NMOS管 M4的源極接地；第一 NMOS管Ml的柵極通過(guò)第六電阻R6接?xùn)泡斎腚妷篤in。所述過(guò)溫保護(hù)電路與多晶硅熱敏二極管Dl的連接關(guān)系為第一電阻Rl和穩(wěn)壓管D2的連接點(diǎn)接多晶硅熱敏二極管Dl的陽(yáng)極，多晶硅熱敏二極管Dl的陰極接第二 NMOS管M2的柵極。所述過(guò)溫保護(hù)電路與VDMOS器件MO的連接關(guān)系為第一 NMOS管Ml的柵極與VDMOS器件MO的柵極相連。本發(fā)明的核心思想是利用多晶硅二極管的正向壓降的負(fù)溫度特性(即其正向壓降隨著溫度的升高反而減小)充當(dāng)溫度傳感器來(lái)檢測(cè)VDMOS器件內(nèi)部的溫度變化。當(dāng)VDMOS 器件內(nèi)部溫度發(fā)生變化時(shí)，多晶硅二極管的正向壓降將隨之發(fā)生變化，當(dāng)其溫度超過(guò)一定值時(shí)將觸發(fā)過(guò)溫保護(hù)電路工作，關(guān)斷VDMOS器件。理論上，PN結(jié)的伏安特性可表示為
權(quán)利要求
1.一種具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件，包括集成于同一襯底基片上的VDMOS器件(M0)、多晶硅熱敏二極管(Dl)和過(guò)溫保護(hù)電路；所述多晶硅熱敏二極管(Dl) 制作于VDMOS器件(MO)表面的絕緣層上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)VDMOS器件(MO)工作溫度的采樣；所述過(guò)溫保護(hù)電路基于多晶硅熱敏二極管(Dl)的溫度采樣信號(hào)對(duì)整個(gè)復(fù)合VDMOS器件的柵輸入電壓Vin進(jìn)行分壓得到VDMOS器件(MO)的柵控電壓Ve，進(jìn)而對(duì)VDMOS器件(MO)實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)即當(dāng)VDMOS器件(MO)工作溫度達(dá)到Th時(shí)，關(guān)斷VDMOS器件(MO)；當(dāng)VDMOS器件(MO) 關(guān)斷后溫度降到 Υ時(shí)，啟動(dòng)VDMOS器件(MO)；其中Th > IV，且Δ T = Th-Tl為溫度回差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件，其特征在于，所述多晶硅熱敏二極管(Dl)制作于VDMOS器件(MO)表面中心位置的絕緣層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件，其特征在于，所述VDMOS器件(MO)是任意結(jié)構(gòu)的VDMOS器件、且表面具有絕緣層(14)，至少包括金屬化漏電極(1)、第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜襯底O)、第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜漂移區(qū)(3)、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基區(qū)G)、第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜源區(qū)(5)、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜接觸區(qū)(6)、金屬化源電極(7)、多晶硅柵電極(8)和柵介質(zhì)層(9)；金屬化漏電極(1)位于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜襯底O)的背面，第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜漂移區(qū)( 位于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜襯底O)的正面；第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基區(qū)(4)位于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜漂移區(qū)C3)的頂部，第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基區(qū)(4)內(nèi)具有分別與金屬化源電極(7) 相接觸的第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜源區(qū)( 和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜接觸區(qū)(6)；柵介質(zhì)層(9)位于第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基區(qū)(4)和第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體摻雜漂移區(qū)C3)的上表面，多晶硅柵電極⑶位于柵介質(zhì)層(9)的上表面，多晶硅柵電極⑶與金屬化源電極(7) 之間填充的是絕緣介質(zhì)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件，其特征在于，當(dāng)所述第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體時(shí)，所述 VDMOS器件(MO)為N溝道VDMOS器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件，其特征在于，當(dāng)所述第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體為P型半導(dǎo)體、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體為N型半導(dǎo)體時(shí)，所述 VDMOS器件(MO)為P溝道VDMOS器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件，其特征在于，所述多晶硅熱敏二極管(Dl)包括P型半導(dǎo)體區(qū)(10)、N型半導(dǎo)體區(qū)(11)、陽(yáng)極電極(12) 和陰極電極(13)；其中P型半導(dǎo)體區(qū)(10)和N型半導(dǎo)體區(qū)(11)相接觸并位于VDMOS器件 (MO)表面的絕緣層(14)中，陽(yáng)極電極(12)與P型半導(dǎo)體區(qū)(10)相連并從VDMOS器件(MO) 表面的絕緣層(14)中引出，陰極電極(13)與N型半導(dǎo)體區(qū)(11)相連并從VDMOS器件(MO) 表面的絕緣層(14)中引出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件，其特征在于，所述過(guò)溫保護(hù)電路包括一個(gè)穩(wěn)壓二極管(D2)、四個(gè)NMOS管(Ml M4)和六個(gè)電阻(Rl R6)；柵輸入電壓Vin通過(guò)第一電阻(Rl)和穩(wěn)壓管(擬)的串聯(lián)電路后接地；第一 NMOS管 (Ml)的漏極通過(guò)第二電阻(R2)接第二NMOS管(M2)的柵極的同時(shí)通過(guò)第三電阻(R3)接地， 第一 NMOS管(Ml)的源極接地；第二 NMOS管(M2)的漏極接第三NMOS管(M3)的柵極的同時(shí)通過(guò)第四電阻(R4)接?xùn)泡斎腚妷篤in，第二 NMOS管(M2)的源極接地；第三NMOS管(M3)的漏極接第四NMOS管(M4)的柵極的同時(shí)通過(guò)第五電阻(R5)接?xùn)泡斎腚妷篤in，第三NMOS 管(Μ； )的源極接地；第四NMOS管(M4)的漏極通過(guò)第六電阻(R6)接?xùn)泡斎腚妷篤in，第四 NMOS管(M4)的源極接地；第一 NMOS管(Ml)的柵極通過(guò)第六電阻(R6)接?xùn)泡斎腚妷篤in;所述過(guò)溫保護(hù)電路與多晶硅熱敏二極管(Dl)的連接關(guān)系為第一電阻(Rl)和穩(wěn)壓管 (D2)的連接點(diǎn)接多晶硅熱敏二極管(Dl)的陽(yáng)極，多晶硅熱敏二極管(Dl)的陰極接第二 NMOS管(M2)的柵極；所述過(guò)溫保護(hù)電路與VDMOS器件(MO)的連接關(guān)系為第一 NMOS管(Ml)的柵極與 VDMOS器件(MO)的柵極相連。
全文摘要
一種具有溫度采樣和過(guò)溫保護(hù)功能的復(fù)合VDMOS器件，屬于功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。本發(fā)明集成了VDMOS器件、多晶硅熱敏二極管和過(guò)溫保護(hù)電路，利用多晶硅熱敏二極管正向壓降的負(fù)溫度特性，將其制作于VDMOS器件表面的絕緣層上以實(shí)現(xiàn)VDMOS器件工作溫度的采樣；過(guò)溫保護(hù)電路基于多晶硅熱敏二極管的溫度采樣信號(hào)對(duì)整個(gè)復(fù)合VDMOS器件的柵輸入電壓Vin進(jìn)行分壓得到VDMOS器件的柵控電壓VG，進(jìn)而對(duì)VDMOS器件實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)即當(dāng)VDMOS器件工作溫度達(dá)到TH時(shí)，關(guān)斷VDMOS器件；當(dāng)VDMOS器件關(guān)斷后內(nèi)部溫度降到TL時(shí)，啟動(dòng)VDMOS器件；其中ΔT＝TH-TL為溫度回差。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)VDMOS器件溫度的精確采樣和過(guò)溫保護(hù)，以防止器件的熱失效和增加器件使用壽命，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采樣精確度高、與VDMOS器件工藝兼容、單片集成等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L27/02GK102394237SQ20111039990
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者任敏, 劉小龍, 張波, 張靈霞, 李婷, 李澤宏, 謝加雄, 鄧光敏 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)