專利名稱：一種合成結(jié)構(gòu)的高壓器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，本實用新型涉及一種合成結(jié)構(gòu)的高壓器件。
背景技術(shù)：
在AC/DC開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域中，控制器芯片需要一個啟動電路為其提供開啟所需要的電壓，在傳統(tǒng)應(yīng)用中，啟動電路是從整流橋輸出端串接大電阻到控制器的電源端，整流橋輸出端通過大電阻給控制器芯片的旁路電容充電，當(dāng)其達(dá)到啟動電壓之后，控制器啟動，系統(tǒng)開始正常工作。當(dāng)啟動完成之后，電源端所需能量主要是靠輔助繞組給控制器芯片提供?？刂破餍酒９ぷ髦螅瑔与娐返碾娮枞匀幌囊欢ǖ墓β?，嚴(yán)重的影響了系統(tǒng)的整體效率。解決這個問題的一種方案是降低控制器芯片的啟動電流，加大啟動電阻值。但由于啟動電阻較大，啟動電流相應(yīng)的減小，從而延長了啟動時間。另外的一個方案是在控制器芯片內(nèi)部集成啟動電路，在控制器芯片啟動完成，系統(tǒng)正常工作之后，關(guān)閉啟動電路，去除啟動電路對開關(guān)電源系統(tǒng)整體效率的影響?？刂破餍酒瑑?nèi)部集成啟動電路，其過程要完成從高壓到低壓的轉(zhuǎn)換才能向控制器芯片供電，其不可避免的加大芯片的面積，如何有效減少控制器芯片面積而又不影響控制器芯片的啟動要求，這是內(nèi)部集成啟動電路的面臨必須要解決的關(guān)鍵問題。在控制器芯片內(nèi)部也集成高壓功率MOS的電源芯片中，其問題更加突出，芯片的面積很大，導(dǎo)致芯片成本增加。此外，由于現(xiàn)代開關(guān)電源對于降低功耗的要求與日俱增，而且綠色開關(guān)電源是所有應(yīng)用所必需的，而不僅是過去所指的手持式和電池供電系統(tǒng)，因此在保護環(huán)境生態(tài)的大前提下，降低電力線供電系統(tǒng)及電池供電系統(tǒng)的能耗都是必不可少的，對中國來說，這更可以帶來特別的優(yōu)點:降低燃煤發(fā)電站的負(fù)荷。這就不僅要求電源芯片控制核心具備低功耗特性，而且還要求它具備一些能進一步降低系統(tǒng)功耗的特性。因此，有必要提出有效的技術(shù)方案，解決現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)電源芯片設(shè)計的難題。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是通過合成的高壓器件結(jié)構(gòu)，有效的節(jié)省了芯片的面積，降低芯片的成本。本實用新型實施例提出了 一種合成結(jié)構(gòu)的高壓器件，包括高壓功率MOS管(簡稱HVNMOS 管)和 JFET 管，所述HVNMOS管包括漏極、源極、柵極和襯底，導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的P型阱區(qū) Pwell ；所述JFET管包括漏極、源極、柵極和襯底，導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的N型阱區(qū)Nwell ；所述HVNMOS管和所述JFET管共用相同的漏極(也稱漏極端或漏端)。所述漏極采用N型雙擴散工藝。[0012]進一步而言,所述襯底上還包括掩埋層Bury P和深N型講區(qū)Deep Nwell,用于提高器件的耐壓值和可靠性。本實用新型實施例還提出了一種采用上述合成結(jié)構(gòu)的高壓器件的啟動電路裝置，所述啟動電路裝置包括負(fù)閾值開關(guān)管、使能模塊、防倒灌模塊以及電壓檢測模塊，其中，負(fù)閾值開關(guān)管采用上述合成結(jié)構(gòu)的高壓器件；上述合成結(jié)構(gòu)的高壓器件中的JFET器件的漏極、源極和柵極分別為所述負(fù)閾值開關(guān)管的輸入端、輸出端和控制端；高壓輸入信號接入所述負(fù)閾值開關(guān)管的輸入端，負(fù)閾值開關(guān)管的輸出端接防倒灌模塊的輸入端，負(fù)閾值開關(guān)管的控制端接使能模塊的輸出端，使能模塊的輸入端接電壓檢測模塊的輸出端，電壓檢測模塊的輸入端和芯片的電源端共接于防倒灌模塊的輸出端；所述高壓輸入信號接入所述負(fù)閾值開關(guān)管的輸入端，通過負(fù)閾值開關(guān)管向芯片的電源端VDD提供能量，所述電壓檢測模塊檢測芯片的電源端VDD的電壓值，當(dāng)電源端VDD的電壓值達(dá)到芯片預(yù)定工作電壓時，所述芯片啟動，同時所述電壓檢測模塊輸出使能信號EN ；所述使能模塊接收所述使能信號EN，使得所述負(fù)閾值開關(guān)管截止，關(guān)閉所述負(fù)閾值開關(guān)管；所述防倒灌模塊使得所述負(fù)閾值開關(guān)管的輸入端與芯片的電源端VDD之間單向?qū)ǎ乐筕DD端的電流倒流回開關(guān)管的輸入端。本實用新型實施例提出的上述方案，通過合成的高壓器件結(jié)構(gòu)，有效的節(jié)省了芯片的面積，降低芯片的成本。采用本實用新型提出的高壓器件結(jié)構(gòu)，芯片正常工作后啟動電路關(guān)閉，這不僅大大降低了低功耗系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，提高了電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，同時能有效節(jié)省電路元件(啟動電阻)，提高了集成度。此外，本實用新型提出的上述方案，對現(xiàn)有的電路系統(tǒng)的改動很小，不會影響系統(tǒng)的兼容性，而且實現(xiàn)簡單、高效。本實用新型附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。

本實用新型上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從
以下結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:圖1為高壓功率管HVNMOS的剖面示意圖；圖2為高壓啟動器件JFET的剖面示意圖；圖3為本實用新型實施例合成的高壓器件結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖4為采用本結(jié)構(gòu)前后芯片版圖面積的對比示意圖；圖5為本實用新型實施例啟動電路裝置的功能框圖；圖6為本實用新型實施例具體啟動電路裝置示意圖。
具體實施方式
下面詳細(xì)描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能解釋為對本實用新型的限制。文中及附圖中的P-substrate表示P型襯底層，Pwell表示P型講區(qū)；Bury P表示P型埋層；Deep Nwell表示深N型講區(qū)；Nwell表示N型講區(qū)；LV Nwell表示低壓N型講區(qū)；P+表示P型高濃度注入，N+表示N型高濃度注入，Sub表示襯底連接端，Source表示器件的源端，Drain表示器件的漏端，Gate表示器件的柵極；HVNM0S表示高壓功率MOS管，JFET表示結(jié)型場效應(yīng)管；J-Source表示結(jié)型場效應(yīng)管的源端J-Gate表示結(jié)型場效應(yīng)管的柵極；LV-MOS表示低壓MOS器件。為了實現(xiàn)本實用新型之目的，本實用新型實施例提出了一種合成結(jié)構(gòu)的高壓器件，包括HVNMOS管和JFET管，所述HVNMOS管包括漏極、源極、柵極和襯底，導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的P型阱區(qū) Pwell ；所述JFET管包括漏極、源極、柵極和襯底，導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的N型阱區(qū)Nwell ；所述HVNMOS管和所述JFET管共用相同的漏極，所述漏極采用N型雙擴散工藝。進一步而言,襯底上還包括掩埋層Bury P和深N型講區(qū)Deep Nwell,用于提高器件的耐壓值和可靠性。本實用新型中的HVNMOS管通常指的是耐高壓為700V以上的功率MOS管。
以下結(jié)合附圖，對本實用新型提出的上述結(jié)構(gòu)作詳細(xì)說明。本實用新型依據(jù)目前高壓700V工藝的特點，結(jié)合高壓功率器件與器件JFET的結(jié)構(gòu)特點，提出一種優(yōu)化的可行的器件結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到小功率的開關(guān)電源控制器芯片上，實現(xiàn)了高集成、高性能和低成本的控制器芯片。圖1為高壓功率管HVNMOS的剖面示意圖，包含漏極Drain、源極Source、柵極Gate和襯底Sub共4個端口，導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的P型阱區(qū)Pwell。其結(jié)構(gòu)與正常的低壓MOS管結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于漏極采用N型雙擴散工藝，并增加了掩埋層Bury P和深N型阱區(qū)Deep Nwell，它們的作用主要是提高器件的耐壓值和可靠性，降低寄生器件對器件的影響。該高壓功率管HVNMOS為增強型結(jié)構(gòu)，即當(dāng)高壓功率管HVNMOS的柵極與源極之間的電壓Vgs大于某個閾值的時候HVNMOS管導(dǎo)通，電子從源極經(jīng)導(dǎo)電溝道到達(dá)漏極形成電流；當(dāng)Vgs小于閾值的時候HVNMOS管截止。圖2為高壓啟動器件JFET的剖面示意圖，包含漏極Drain、源極Source、柵極Gate和襯底Sub共4個端口，其結(jié)構(gòu)與高壓功率管HVNMOS結(jié)構(gòu)圖1相似，也有掩埋層Bury P和深N型阱區(qū)Deep Nwell，它們的作用主要是提高器件的耐壓值和可靠性，降低寄生器件對器件的影響。區(qū)別在于導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的N型阱區(qū)Nwell。當(dāng)初始的柵源電壓差為零時，高壓JFET是導(dǎo)通的，柵源電壓之間需要較大的負(fù)閾值電壓才能使其截止。由于高壓JFET具有負(fù)閾值關(guān)閉和耐高壓的特性，可直接將JFET的漏極與源極分另IJ連接高壓輸入信號和芯片內(nèi)部的中低壓電路，稍加簡單控制即可實現(xiàn)在芯片內(nèi)部集成啟動電路，經(jīng)實驗證明此方案在實際芯片設(shè)計中獲得很好的性能，是一種切實可行的方案。通過對比高壓JFET與高壓功率管HVNMOS的工藝結(jié)構(gòu)(圖1和圖2)發(fā)現(xiàn)，它們的結(jié)構(gòu)非常的相似，漏極結(jié)構(gòu)相同，因此完全可以共享一個漏極，只需將高壓功率管HVNMOS漏極下面的N阱向外再擴展一下，同時再引出JFET的源極和柵極，即可制造出一個高壓JFET器件。通過前面的深入分析，本實用新型提出的結(jié)構(gòu)的剖面圖如圖3所示，包含兩部分，左邊為高壓功率管HVNMOS結(jié)構(gòu)，右邊為啟動電路所需的JFET結(jié)構(gòu)，它們共享漏端Drain，有效的減少由于啟動電路帶來的芯片面積。在實際運用中，在控制器芯片啟動之前，高壓JFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，給控制器芯片電源端的電容充電，而高壓功率管HVNMOS保持截止；一旦控制器芯片達(dá)到其啟動電壓之后，芯片內(nèi)部邏輯就將高壓JFET截止，此時高壓功率管HVNMOS的導(dǎo)通和截止由控制器芯片根據(jù)工作狀態(tài)決定，因此高壓功率管HVNMOS和高壓JFET的漏極共享對其本身工作互不相影響。同時，由于啟動電路在芯片啟動之后就關(guān)閉，所以還減少了啟動電路對系統(tǒng)效率的影響，有利于提聞系統(tǒng)的工作效率。另外，通常高壓功率管HVNMOS的導(dǎo)通電流較大，版圖面積很大，由多個高壓功率管HVNMOS并聯(lián)而成，由于共用漏極，所以JFET也可以做很大，故啟動電路提供的電流很大，可以快速啟動控制器芯片。圖4顯示了采用本結(jié)構(gòu)前后芯片版圖面積的對比示意圖，若高壓功率管HVNMOS和低壓模塊(簡稱為LV-M0S)保持一致，采用本實用新型的結(jié)構(gòu)使啟動電路部分面積大大的縮減了(即陰影部分面積)，有效的節(jié)省了芯片的面積。在追求芯片高性能、高集成度和低成本的今天，減少芯片面積是降低芯片成本的一個重要因素。本實用新型實施例還提出了一種使用上述合成結(jié)構(gòu)的高壓器件的啟動電路，包括負(fù)閾值開關(guān)管、使能模塊、防倒灌模塊以及電壓檢測模塊，其中，負(fù)閾值開關(guān)管采用上述合成結(jié)構(gòu)的高壓器件。上述合成結(jié)構(gòu)的高壓器件中的JFET器件的漏極、源極和柵極分別為負(fù)閾值開關(guān)管的輸入端、輸出端和控制端。高壓輸入信號接入負(fù)閾值開關(guān)管的輸入端，負(fù)閾值開關(guān)管的輸出端接防倒灌模塊的輸入端，負(fù)閾值開關(guān)管的控制端接使能模塊的輸出端，使能模塊的輸入端接電壓檢測模塊的輸出端，電壓檢測模塊的輸入端和芯片的電源端共接于防倒灌模塊的輸出端。啟動電路的高電壓輸入端通過負(fù)閾值開關(guān)管向芯片的電源端VDD提供能量，電壓檢測模塊檢測芯片的電源端VDD的電壓值，當(dāng)電源端VDD的電壓值達(dá)到芯片預(yù)定工作電壓時，芯片啟動，同時電壓檢測模塊輸出使能信號EN ；使能模塊接收使能信號EN，使得負(fù)閾值開關(guān)管截止，關(guān)閉負(fù)閾值開關(guān)管；防倒灌模塊使得負(fù)閾值開關(guān)管的輸入端與芯片的電源端VDD之間單向?qū)?。如圖5所示，為本實用新型提出的啟動電路裝置的功能框圖。本實用新型電路由一個負(fù)閾值開關(guān)管10、使能模塊13、防倒灌模塊11和電壓檢測模塊12組成。所高電壓輸入信號通過負(fù)閾值開關(guān)管10向芯片的電源端VDD提供能量，電壓檢測模塊12檢測芯片的電源端VDD的電壓值，當(dāng)芯片的電源端VDD的電壓值達(dá)到芯片預(yù)定工作電壓時，芯片啟動，同時電壓檢測模塊12輸出使能信號EN ；使能模塊13接收使能信號EN，使得負(fù)閾值開關(guān)管截止，關(guān)閉負(fù)閾值開關(guān)管10 ；防倒灌模塊11使得負(fù)閾值開關(guān)管的輸入端與芯片的電源端VDD之間單向?qū)ā７乐关?fù)閾值開關(guān)管10輸入端電壓降低時，VDD的電流倒流回負(fù)閾值開關(guān)管的輸入端。進一步而言，圖6是本實用新型的一個具體電路實現(xiàn)的舉例，負(fù)閾值開關(guān)管10包括JFET器件JFETO。高壓輸入信號接入JFETO的漏端，JFETO的源端接防倒灌模塊的輸入端，JFETO的柵極接使能模塊13的輸出端VG。防倒灌模塊11包括二極管Dl，二極管Dl的陽極是防倒灌模塊11的輸入端；二極管Dl的陰極是防倒灌模塊11的輸出端，接控制器芯片的電源端VDD和電壓檢測模塊12的輸入端。電壓檢測模塊12包括電阻R1，電阻R2，遲滯比較器C0M1，帶隙基準(zhǔn)電路BG1。電壓檢測模塊12的輸入端是控制器芯片的電源端VDD，接電阻Rl的第一端，電阻Rl的第二端、電阻R2的第一端共接于遲滯電壓比較器COMl的反相輸入端VC，電阻R2的第二端接地。遲滯電壓比較器COMl的第一正相基準(zhǔn)輸入端VRH、第二正相基準(zhǔn)輸入端VRL電壓可由帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生。遲滯電壓比較器COMl的輸出端為電壓檢測模塊12的輸出端，輸出使能信號EN。使能模塊13包括反相器INV1，反相器INV2，PM0S管M1，NM0S管M2。反相器INVl的輸入端與反相器INV2的輸入端共接，作為使能模塊13的輸入端接電壓檢測模塊12的輸出端。反相器INVl的輸出端接PMOS管Ml的柵極，PMOS管Ml的源端接控制器芯片的電源端VDD，PMOS管Ml的漏端與NMOS管M2的漏端作為使能模塊13的輸出端，其連接到JFET的柵極。反相器INV2的輸出端接NMOS管M2的柵極，NMOS管M2的源端接地?？刂破餍酒瑔又?，芯片電源端VDD電壓值為零電平，電阻Rl，R2和一個電壓比較器形成了芯片的供電電壓檢測模塊12，芯片剛上電時，因為負(fù)閾值開關(guān)管的閾值電壓為負(fù)值，所以負(fù)閾值開關(guān)管JFETO導(dǎo)通，VDD的電壓開始上升，圖中所示的電壓VC也跟隨上升，當(dāng)VC大于>VRH時，遲滯電壓比較器輸出使能信號EN從高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，該使能信號通過反相器INVl和INV2分別打開NMOS管M2，關(guān)閉PMOS管Ml，那么，負(fù)閾值開關(guān)管JFETO的柵極被拉低，JFETO關(guān)閉，此時負(fù)閾值開關(guān)管的柵源電壓為負(fù)，負(fù)閾值開關(guān)管被關(guān)閉。同時由于JFETO與高壓功率HVNMOS管共用了漏極，當(dāng)高壓功率管HVNMOS管作為控制器芯片的開關(guān)器件時，漏極電壓會有高低電平的切換，為了防止JFETO漏端電壓降低時，VDD電流倒流回JFETO漏端，所以電路中加入了防倒灌模塊，當(dāng)負(fù)閾值開關(guān)管JFETO漏端電壓降低時，防止了電源端VDD的電流倒流回負(fù)閾值開關(guān)管JFETO漏端，實現(xiàn)單向?qū)?。顯然，上述具體電路中，負(fù)閾值開關(guān)管包括但不限于耗盡型場效應(yīng)管、結(jié)型場效應(yīng)管等開啟電壓閾值為負(fù)值的N型器件；電壓檢測模塊包括但不限于使用分壓電阻和電壓比較器實現(xiàn)；使能模塊包括但不限于使用反相器和MOS管的電路實現(xiàn)，只要能令負(fù)閾值開關(guān)管器件的柵源電壓為負(fù)，關(guān)閉負(fù)閾值開關(guān)管器件即可。本實用新型實施例提出的上述方案，通過在啟動電路裝置中引入負(fù)閾值開關(guān)管，使得啟動電路裝置在啟動的過程中才有啟動電流流入，芯片正常工作后啟動電路裝置關(guān)閉，這不僅大大降低了低功耗系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，提高了電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，同時能有效節(jié)省電路元件(啟動電阻)。此外，本實用新型提出的上述方案，對現(xiàn)有的電路系統(tǒng)的改動很小，不會影響系統(tǒng)的兼容性，而且實現(xiàn)簡單、高效。雖然關(guān)于示例實施例及其優(yōu)點已經(jīng)詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本實用新型的精神和所附權(quán)利要求限定的保護范圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本實用新型保護范圍內(nèi)的同時，工藝步驟的次序可以變化。此外，本實用新型的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方案及步驟。從本實用新型的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方案或步驟，其中它們執(zhí)行與本實用新型描述的對應(yīng)實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本實用新型可以對它們進行應(yīng)用。因此，本實用新型所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方案或步驟包含在其保護范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種合成結(jié)構(gòu)的高壓器件，其特征在于，包括高壓功率管HVNMOS和JFET管， 所述高壓功率管HVNMOS包括漏極、源極、柵極和襯底，導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的P型講區(qū)Pwell ； 所述JFET管包括漏極、源極、柵極和襯底，導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的N型阱區(qū)Nwell ； 所述高壓功率管HVNMOS和所述JFET管共用相同的漏極，所述漏極采用N型雙擴散工藝。
2.如權(quán)利要求1所述的合成結(jié)構(gòu)的高壓器件，其特征在于，所述襯底上還包括掩埋層Bury P和深N型講區(qū)Deep Nwell，用于提高器件的耐壓值和可靠性。
專利摘要本實用新型實施例提出了一種合成結(jié)構(gòu)的高壓器件，包括高壓功率管HVNMOS和JFET管，所述高壓功率管HVNMOS管包括漏極、源極、柵極和襯底，導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的P型阱區(qū)Pwell；所述JFET管包括漏極、源極、柵極和襯底，導(dǎo)電溝道為源極和漏極之間的N型阱區(qū)Nwell；所述高壓功率管HVNMOS和所述JFET管共用相同的漏極，所述漏極采用N型雙擴散工藝。本實用新型實施例提出的上述方案，通過合成的高壓器件結(jié)構(gòu)，有效的節(jié)省了芯片的面積，降低芯片的成本。
文檔編號H01L27/085GK203055909SQ20122063786
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者李照華, 林道明, 趙春波, 胡喬, 戴文芳 申請人:深圳市明微電子股份有限公司