專利名稱：一種具有溫度采樣和過溫保護功能的復(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器件的過溫保護技術(shù)。
背景技術(shù)：
VDMOS (垂直雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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，其開關(guān)速度快、損耗小、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、頻率特性好。VDMOS器件在工作過程中不可避免的會產(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。過高的溫度對器件的工作性能和可靠性都有很大的影響，會造成器件性能的退化，嚴重時甚至?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器件的散熱性能，另一條有效的途徑就是利用過溫保護模塊對VDMOS器件采取過溫保護當VDMOS器件溫度過高時，啟動過溫保護功能對器件進行有效關(guān)斷，防止熱失效的發(fā)生。而溫度采樣是實現(xiàn)過溫保護的前提，只有準確地對器件溫度進行實時采樣，才能提供精確的過溫控制信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對VDMOS器件熱失效的技術(shù)問題，提供一種具有溫度采樣和過溫保護功能的復(fù)合VDMOS器件。該復(fù)合VDMOS器件將VDM0S、溫度采樣器件和過溫保護電路單片集成，實現(xiàn)對VDMOS器件溫度的精確采樣及過溫保護，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。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種具有溫度采樣和過溫保護功能的復(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和過溫保護電路；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，以實現(xiàn)對VDMOS器件MO溫度的采樣； 所述過溫保護電路基于多晶硅熱敏二極管Dl的溫度采樣信號對整個復(fù)合VDMOS器件的柵輸入電壓Vin進行分壓得到VDMOS器件MO的柵控電壓Ve，進而對VDMOS器件MO實現(xiàn)過溫保護即當VDMOS器件MO溫度達到Th時，關(guān)斷VDMOS器件MO ；當VDMOS器件MO關(guān)斷后溫度降到 Υ時，啟動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，所述過溫保護電路(如圖3所示)包括一個穩(wěn)壓二極管D2、四個 NMOS管(Ml M4)和六個電阻(Rl R6)；柵輸入電壓Vin通過第一電阻Rl和穩(wěn)壓管D2的串聯(lián)電路后接地；第一 NMOS管Ml的漏極通過第二電阻R2接第二 NMOS管M2的柵極的同時通過第三電阻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的柵極的同時通過第四電阻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的柵極的同時通過第五電阻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的柵極通過第六電阻R6接?xùn)泡斎腚妷篤in。所述過溫保護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的連接點接多晶硅熱敏二極管Dl的陽極，多晶硅熱敏二極管Dl的陰極接第二 NMOS管M2的柵極。所述過溫保護電路與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溫度特性(即其正向壓降隨著溫度的升高反而減小)充當溫度傳感器來檢測VDMOS器件內(nèi)部的溫度變化。當VDMOS 器件內(nèi)部溫度發(fā)生變化時，多晶硅二極管的正向壓降將隨之發(fā)生變化，當其溫度超過一定值時將觸發(fā)過溫保護電路工作，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溫保護功能的復(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)和過溫保護電路；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，以實現(xiàn)對VDMOS器件(MO)工作溫度的采樣；所述過溫保護電路基于多晶硅熱敏二極管(Dl)的溫度采樣信號對整個復(fù)合VDMOS器件的柵輸入電壓Vin進行分壓得到VDMOS器件(MO)的柵控電壓Ve，進而對VDMOS器件(MO)實現(xiàn)過溫保護即當VDMOS器件(MO)工作溫度達到Th時，關(guān)斷VDMOS器件(MO)；當VDMOS器件(MO) 關(guān)斷后溫度降到 Υ時，啟動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溫保護功能的復(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溫保護功能的復(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溫保護功能的復(fù)合VDMOS器件，其特征在于，當所述第一導(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，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溫保護功能的復(fù)合VDMOS器件，其特征在于，當所述第一導(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，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溫保護功能的復(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溫保護功能的復(fù)合VDMOS器件，其特征在于，所述過溫保護電路包括一個穩(wěn)壓二極管(D2)、四個NMOS管(Ml M4)和六個電阻(Rl R6)；柵輸入電壓Vin通過第一電阻(Rl)和穩(wěn)壓管(擬)的串聯(lián)電路后接地；第一 NMOS管 (Ml)的漏極通過第二電阻(R2)接第二NMOS管(M2)的柵極的同時通過第三電阻(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)的柵極的同時通過第四電阻(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)的柵極的同時通過第五電阻(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)的柵極通過第六電阻(R6)接?xùn)泡斎腚妷篤in;所述過溫保護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)的連接點接多晶硅熱敏二極管(Dl)的陽極，多晶硅熱敏二極管(Dl)的陰極接第二 NMOS管(M2)的柵極；所述過溫保護電路與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溫保護功能的復(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溫保護電路，利用多晶硅熱敏二極管正向壓降的負溫度特性，將其制作于VDMOS器件表面的絕緣層上以實現(xiàn)VDMOS器件工作溫度的采樣；過溫保護電路基于多晶硅熱敏二極管的溫度采樣信號對整個復(fù)合VDMOS器件的柵輸入電壓Vin進行分壓得到VDMOS器件的柵控電壓VG，進而對VDMOS器件實現(xiàn)過溫保護即當VDMOS器件工作溫度達到TH時，關(guān)斷VDMOS器件；當VDMOS器件關(guān)斷后內(nèi)部溫度降到TL時，啟動VDMOS器件；其中ΔT＝TH-TL為溫度回差。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對VDMOS器件溫度的精確采樣和過溫保護，以防止器件的熱失效和增加器件使用壽命，具有結(jié)構(gòu)簡單、采樣精確度高、與VDMOS器件工藝兼容、單片集成等優(yōu)點。
文檔編號H01L27/02GK102394237SQ20111039990
公開日2012年3月28日 申請日期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 申請人:電子科技大學(xué)