（微电子学与固体电子学专业论文）高压功率变换用spic中部分单元的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 功率变换用智能功率集成电路s p i c ( s m a r tp o w e ri c ) 是一种将功率器件与 低压逻辑控制电路集成及相关的驱动保护电路集成在一块芯片上的智能化控制 芯片。f s p i c 可广泛应用于电子镇流器、马达驱动、功率电源、汽车电子等领域。 其广泛的应用前景也被有关专家称为“第二次电子革命”。因此，对于s p i c 的研 究也不断发展进步。，一 一 为了将s p i c 应用于实际工作中本文首先对s p i c 的发展历史加以介绍。 比较分析了s p i c 中的关键技术为： 1 隔离技术包括：介质隔离、结隔离、自隔离。 2 横向器件的制造技术，包括各种横向器件，包括采用r e s u r f 技术的 l d m o s 、l i g b t 、l i b t 、s i n f e t 、l m g t 、l e s t 。 由于采用以上技术设计制造的s p i c 成本过高的问题限制了s p i c 的应用和 发展。而采用陈星弼所提出的优化横向变掺杂理论( o p v l d ) ，就可以实现低成 本的高效功率变换用s p i c 。 随后本文介绍了基本的功率变换电路、p w m 的简单原理、主要的开关功率 器件和功率变换与s p i c 相似的发展：之后介绍了s p i c 中的横向器件及o p v l d 在具体高压器件中的设计与应用。发中的独创性工作主要表现为高压功率变换的 部分单元的设计： 、 1 针对s p i c 中没有可集成的高压过压保护，提出了一种利用场限环的分压 特性设计的高压电压探测器。所设计的探测器采用的是常用的结终端技术，工艺 上不增加步骤，且能有效探测主结的高压。使得s p i c 的保护电路更加完善。 2 对于一种实际的电子镇流器电路，设计了应用可集成的场限环高压电压 探测器为主的高压过压保护电路。整个设计的电路都可集成在s p i c 内部，而不 用增加外接元件和工艺步骤。该方法还可用于其它类似电路之中。 3 由于不同工艺条件下，会有不同的氧化层界面电荷。而过高的界面电荷 会严重影响场限环作为电压探测环的设计。针对具体工艺中的界面电荷，可以采 用离子注入的方法来降低界面电荷的影响，并加上用场板、场终止环与场限环结 电子科技大学博士论文 合可以明显改善场限环作为电压探测器的稳定性 4 利用钝化层s i p o s 的稳定性，在加入s i p o s 结构的s p i c 中，利用s i p o s 的分压特性，通过版图设计，选取适当的比例而设计出几乎不受界面电荷影响的 高压电压探测器。该探测器同样可以集成在s p i c 的内部，同样适用于可集成的 高压过压保护电路。 5 由于s p i c 常用于处理的交流电源时的功率因数低问题，对一种应用于电 子镇流器的简易a p f c 电路进行优化，提出了一种既保证了较高的功率因数，又 能将电路的总线电压降低2 0 0 v 的设计方法。该方法通过利用对原s p i c 中的脉 冲进行适当处理，以获得固定占空比较小的脉冲来控制a p f c 的开关，从而起到 了有效降低总线电压，维持较高的功率因数。整个电路设计全部在s p i c 内部。 不用增加外接元件。最后，还将新设计的高压过压保护电路与简易的a p f c 电路 同时设计在s p i c 的内部。该综合设计使得s p i c 的效率更高、性能更好、成本 更低。 6 提出一种具有埋层的l d m o s ，其结构为在普通的l d m o s 的漏极下方引 入适当剂量的埋层结构，就可以明显优化l d m o s 的纵向电场分布，提高l d m o s 的击穿电压。由于优化在器件的漂移区之外，所以，击穿电压的升高而比导通电 阻、开关特性、正向压降等几乎没有变化。通过模拟有埋层的b l d m o s 和普通 l d m o s 相互比较，包括对模拟的电离率积分的提取、电场分布的分析、开关时 间的比较，比导通电阻的模拟，其模拟结果证明了上述的结论。厂r 关键词：s p i c 功率变换器场限环电压探测器s i p o sa p f c i i a b s t r a c t s m a r tp o w e ri c ( s p i c ) ，w h i c hc o m b i n e st h ep o w e rd e v i c e si n t o l o w v o l t a g e c o n t r o lc i r c u i t s ，d r i v ec i r c u i t sa sw e l la sp r o t e c t i o nc i r c u i t si no n ec h i p s p i cc a nb e w i d e l yu s e di n v a r i o u sp o w e re l e c t r o n i c sa p p l i c a t i o n ss u c ha se l e c t r o n i c sb a l l a s t s ， m o t o r - d r i v e r s ，p o w e rs u p p l i e s ，a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sa n ds oo n i tw a ss a i dt h a tt h e t r e n d so ft h ed e v e l o p i n go fs p i cw o u l di n t r o d u c e “as e c o n de l e c t r o n i cr e v o l u t i o n ” s ot h er e s e a r c ho ns p i ci sm o v i n go n s t e a d i l y f i r s t t h es t a t e o f - t h e - a no fs p i ci sp r e s e n t e d 1 1 1 ek e yt e c h n o l o g yp r o b l e m so f t h es p i ca r ea sf o l l o w s ： 1i s o l a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d e s ：d i e l e c t r i ci s o l a t i o n ，j u n c t i o ni s o l a t i o na n d s e l f - i s o l a t i o n 2t h em a n u f a c t u r eo fl a t e r a ld e v i c e s ，w h i c hi n c l u d e s ：r e s u r f t e c h n i q u eo n l d m o s ，l i g b 正l i bfs i n f e t a n ds oo n t h em a n u f a c t u r eo ft h et e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v eb r i n g su pt h a tt h ec o s to f s p i ci st o oh i g ht ob ew i d e l yu s e d i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r yo fo p v l d ( o p t i m u m v a r y l a t e r a l d o p i n g 、i s u s e dt or e d u c et h ec o s ti nm a n u f a c t u r eo fs p i c t h e i m p r o v e df a b r i c a t i o np r o c e s si su s e dt od e s i g nt h es p i ci nh i g he f f e c t i v ee l e c t r o n i c s p o w e r c o n v e r t e l t h e n ，t h eb a s i cp o w e rc o n v e n e rc i r c u i t ，t h eb a s i cp w m t h e o r y , t h ep o w e r s w i t c h i n ga n dt h ed e v e l o p i n go fp o w e rc o n v e r t e ra r ei n t r o d u c e d t h e nt h el a t e r a l d e v i c e si ns p i ca r ei n t r o d u c e da n dt h eo p v l di su s e di nd e s i g ni nh i g hv o l t a g e l a t e r a ld e v i c e s t h ea u t h o r sm a i nw o r ki ns o m eh i g h - - v o l t a g ep o w e rc o n v e r t e r e l e m e n t sa r ep r e s e n t e d ，w h i c hc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h e r ei ss t i l ln o i n t e g r a t e dh i g hv o l t a g eo v e r - v o l t a g ep r o t e c tc i r c u i ti ns p i c a n o v e li n t e g r a t e dh i g hv o l t a g ed e t e c t o ri sp r o p o s e db y u s i n gf f l r t h ef f l r i so f t e n u s e da sa j u n c t i o nt e r m i n a lt e c h n o l o g yi ns p i c ，s ot h i sd e s i g ni sn o to n l ya ne f f e c t i v e h i g hv o l t a g ed e t e c t o r , b u ta l s on e e d n ta d d i t i o n a lt e c h n o l o g y i nn o r m a lp r o c e s s 2 b a s e do na na p p l i e da p f cb a l l a s tc i r c u i t ，an e wm e t h o do ni n t e g r a t e dh i g h v o l t a g eo v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n i s p r e s e n t e d t h e t o t a l d e s i g n i n c l u d e s v o l t a g e 垒王型这盔兰堡主鎏耋 d e t e c t o ra n dc o n t r o lc i r c u i t t h ek e yd e s i g ni st h a t h i g hv o l t a g ed e t e c t o ru s e st h e h o v e jf f l ra st h ed e t e c t o r t h ec o n t r o lc i r c u i ti sa c o m p a r a t o r i ns p i c 3 强ei n t e r f a c ec h a r g ea f f e c t st h ev o l t a g eo ft h er i n g sal o t s ot h ei o ni m p l a n t t e c h n o l o g yi su s e dt oa d j u s tt h es u r f a c ef i e l d ，w i t ht h ef i e l d s t o p p i n gr i n ga n dt h ef i e l d p l a t ea d d e do ne v e r yr i n g ，t h e s et e c h n i q u e si m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h ev o l t a g e d e t e c t o rw i t hf f l r 4 t h es t a b i l i t yo f t h es i p o si su s e da sa ni n t e g r a t e d h i g hv o l t a g ed e t e c t o r , w h i c h h a sa l m o s tn ov o l t a g ec h a n g eu n d e rt h ei n f l u e n c eo fi n t e r f a c ec h a r g e t h i ss i p o s d e t e c t o ri s a c c o m p l i s h e dt h r o u g h o u tt h ed e s i g no fl a y o u t ，a n d c a l lb eu s e di n o v e r - v o l t a g e p r o t e c t i o nm e n t i o n e d a b o v e 5 t h ep o w e rd e l i v e rh a st h ep r o b l e mo nl o w p o w e rf a c t o r an e wa p f c c i r c u i t o fa na p p l i e db a l l a s tc i r c u i ts p i ci sd e r i v e d t ks p i cm a i n t e n a n c e sh i g hp o w e r f a c t o ra n dd e c r e a s e st h eb u sv o l t a g ei na b o u t2 0 0 vt h ek e yo ft h ei d e ai st h a tt h e p u l s e w i d t ho f t h ed r i v e p u l s eo ft h ea p f c s w i t c h i n gi sd e c r e a s e d t h em e t h o do n l y n e e d st oa d da p i nf o rs p i c 。w i t h o u ta n y o t h e r c o m p o n e n t s t h eo v e rv o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t sa n dt h en e wa p f c c i r c u i t sc a nb ed e s i g n e d i no n ec h i p ，a n dm a k et h ee l e c t r o n i c sb a l l a s ts p i cm o r ee f f e c t i v e ，m o r ec h e a pa n d m o r er e l i a b l e 6 an o v e ll d m o sw i t hb u r i e d l a y e rn a m e db l d m o si sp r o p o s e d t h e s t r u c t u r eo fb l d m o s o n l yd i f f e r e n tf r o mn o r m a ll d m o s i st h a tt h eb l d m o sh a s ab u r i e dl a y e ru n d e rt h ed r a i n t h i sb u r i e dl a y e rc a ni n c r e a s et h eb r e a k d o w nv o l t a g e o ft h el d m o sa l m o s tw i t h o u ti n f l u e n c eo nt h es p e c i f i co n - r e s i s t a n c e ，s w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，f o r w a r dd r o pv o l t a g ea n ds oo n 。弧l es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h e b - l d m o sc a no p t i m i z et h el d m o s k e y w o r d s ：s p i cp o w e r c o n v e r t e rf f l r v o l t a g ed e t e c t o r s i p o sa p f c 玎 _ 独色i j - 生声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也l 不包含为获得电子科技大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：窒壶丝 日期：2 。2 年f 月尹日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：塾氇导师签名：二空至皂殛羔 日期：t 口d 己年s 、月( o 目 第一章绪论 1 1 电力电子技术简介 第一章绪论 电力电子技术( p o w e re l e c t r o n i c s ) 是一门利用电力电子器件对电能进行控制 和变换的学科，它通过对电网功率、电流、电压、频率及相位等参数的控制和处 理，成为为现代社会提供节约电能、降低消耗、提高效率的重要手段，一些先进 国家电能的7 0 都经过其处理【l i 。电力电子技术与其它学科之间的关系如图1 1 所示的倒三角形【”。我国的电力电子学会的会标也与该图基本一致【3 】。从图中可 以看出，电力电子技术是电力、电子和控制三大电器工程技术领域之间的交叉学 科。自1 9 5 6 年霍耳等提出了p n p n 开关晶体管的概念，并于1 9 5 7 年由美国g e 公司制造的第一只晶闸管( s c r ) 以来，电力电子技术得到迅速发展。 通常认为，电力电子技术的发展分 为两个阶段1 2 】：1 9 8 0 以前为传统电力 电子阶段，这期间的器件主要以晶闸管 为核心器件，以频率较低为特征。随着 科学技术的发展，尤其是集成电路的发 展，使得在1 9 8 0 年以后，电力电子器 件与微电子技术相结合而产生的现代 电力电子技术。由于微电子技术的引 入，使得新原理、新结构、新概念的器 件不断出现。同时，将控制论、计算机、 新材料、新工艺上等新技术应用在功率 图卜1 电力电子技术与其它学科的关系2 器件及其集成电路上。尤其是采用了先进的c a d 、e d a 工具，如m e d i c i 、 c a d e n c e 、s u p r e m 、m i n m o s 、s p i c e 等应用软件，使得现代电力电予技术与传 统电力电子技术相比已经有了很大的变化。现代电力电子技术有以下特点： 1 高频化，以v d m o s 为代表的高速开关器件将控制的工作频率上升到 1 m h z 。 t 2 集成化，现代的电力电子器件多数由分立的原胞子器件并联而成。 3 全控化，即可以控制开启和关断。早期的功率器件一晶闸管只能控制开启， 电子科技大学博士论文 而不能控制关断，只能依靠强迫换流电路来关断。 4 智能化，主要以智能功率集成电路为代表。其特点是功率器件与低压逻辑 控制电路集成在一个芯片上。 而电力电子的具体作用在于实现功率变换，w y k 等4 1 认为功率变换实现了电 源与负载之间的联系，其关系如图l 一2 所示： 图1 2 功率变换器连接了电源与负载1 4 1 功率变换在概念上包括了所有的电源与负载之间的电磁能量的传递过程，它 包括以下几部分内容： l 开关功能( 控制能量的流动) 。 2 传输功能( 引导电磁能通过变换器) 。 3 电磁能量的存储功能( 在开关关断时能给负载提供连续的能量) 。 4 控制信息处理功能。( 该功能可以实现以上三种功能之间的互相联系，以 实现高效的功率变换) 。 显然，第四点是智能控制，需要低压控制电路，而将以上四个部分可以完全 集成的就是智能功率集成电路。 功率变换的基础在于电力电子器件( 功率器件) 的飞速发展。器件发展的原 因，也在于微电子技术的引入。采用了微电子的技术使得传统的开关速度慢的器 件在开关速度上有了较大的提高，更诞生了一批新型的电力电子器件，如 v d m o s 、i g b t 、s i t 、m c t 、e s t 等。 电力电子器件主要是以开关方式来处理功率。因此在理想情况下【5 】，开关在 关断时的击穿电压( b v ) 是无穷大，泄漏电流为0 ；在开启时，正向导通电阻 ( r o n ) 为0 ，电流密度为无穷大；在开关速度上，则不需要开关时间且没有开 关损耗，即开关的工作频率为无穷大：在开关的驱动控制上，则驱动开关的功耗 为o ：在负载承受上，负载变化( 包括电感、电容) 对输出特性没有影响。 因此功率器件的研究就以不断接近理想的开关特性而不断进步。对于单极性 器件而言，如开关速度快且工作性能稳定的v d m o s ( m o s f e t ) ，其中最主要 2 第一章绪论 的是击穿电压b v 与比导通电阻r o n 之间的矛盾。为了缓解这个矛盾，通常是采 取在耐压区注入载流子进行电导调制的方法以降低正向导通的电压降，如i g b t 。 但这种方法却带来了开关速度的明显降低，以及容易发生闭锁等使工作性能下降 的问题。直到上世纪末，在s i 极限理论的研究上，陈星弼教授提出的以c b 结 构为代表的新结构大大提高了纵向功率器件的性能，突破了过去所提出的“硅 极限” 6 1 。西门子公司根据这个发明生产出了新一代的功率器件c o o l m o s ，并 称之为功率器件发展的里程碑1 7 】。 1 2 智能功率集成电路( s p i c ) 在电力电子技术中，智能功率集成电路s p i c ( s m a r t p o w e r i c ) 是一门极具 活力的发展方向。这是由于智能功率集成电路是将功率器件、低压逻辑控制电路、 相关的驱动和保护电路集成在一块芯片上。这样集成与分立器件相比的好处是， 显著地提高了电路的性能而降低了成本。主要用于控制高效功率变换。 从应用的角度看，文献【8 】中预测s p i c 集功率控制与逻辑控制于一体，即将进 入每个家庭。对于以前的汽车要负担约1 0 0 多磅的沉重电线，而采用s p i c 后， 就降低到5 0 磅。通信使用的8 0 0 0 磅的电线也会降低到约几百磅。同时，在美国 有5 0 交流电用于马达驱动，而恒速运行的马达会浪费很多能源，因此s p i c 也 将应用于变速马达的驱动，以节约用于洗农机、空调及其它使用马达的机械工具 器件阻断电酸( f ) 图1 3 功率集成电路的应用 电子科技大学博士论文 所浪费的能源。s p i c 正被研究用于功率变换、控制高电压或大电流。将s p i c 用 于电子镇流器、汽车电子、电视和音响设备、家庭用具、机器人技术、飞机、马 达、开关器件、平面场致发光显示器、复印机等方面。其典型的应用领域如图1 3 所示： 图1 3 中，最下部是采用功率变换s p i c 控制的显示驱动，只需要很小的电 流( 小于0 1 a ) ，但耐压要求却为约5 0 v 到7 0 0 v 。在中间的具有控制中等电压 和中等电流的如马达驱动、功率电源、电子镇流器，对于这些需要，电流在约 1 a 到1 0 0 a 之间，耐压在1 0 0 v 到1 0 0 0 v 之间，在应用了智能功率集成电路以 后，使得工作频率提高，产品成本降低，体积缩小，在该领域呈现了高速发展的 趋势，也是现今s p i c 应用最多的领域。同时，对于机车驱动和高压直流输电则 要求功率器件具有更大的电压电流的控制能力。则是将来进一步发展的领域。 从智能功率集成电路本身性能看，功率变换用s p i c 可以实现对功率器件的 过温、过流、过压、欠压保护，使得本来作为设计的提高稳定性的附属电路可以 直接单片集成，既提高了电路的稳定性，也有效地保护了功率器件的工作，同时 也降低了整个电路系统的成本。尤其是将功率驱动器件集成在芯片中，可以明显 降低在频率较高时控制电路与功率器件的连接所产生的引线电感和杂散、耦合电 容对电路设计难度和正常工作的影响1 9 l 。其应用可表示为图1 4 所示： 图1 4 智能功率集成电路组成及功能”1 从图卜4 可以看出，s p i c 相关的电路分为三个部分：功率控制、传感保护 4 和智能接口。在传感保护上，s p i c 将各种参数采用传感器探测及反馈转化为内 部控制电路可以处理的信号以实现对s p i c 的保护。还包括过流及无载保护，从 而可以有效保护s p i c 。在智能接口上，s p i c 可以实现解码编码等逻辑功能，包 括了信息传输和高级指令的实现，也正是由于智能接口，才能不断地推动s p t c 发展成为真正的智能功率集成电路。在功率驱动方面，s p i c 可以设计专门的驱 动电路，以驱动耐压较高但电流一般小于1 0 a 的功率器件，或耐压较低但电流 较大的低压大电流器件。发展和研究智能功率集成电路可以进一步实现功率变换 的智能化、高效化、轻型化、小型化。这种“功能或力量”与“智能”的组合的 优势使得功率集成电路在一开始就被各国专家看好，认为会大力推动电子工业的 进一步发展，因此被有关专家称为“第二次电子革命”。【i o ，4 6 j 1 3 智能功率集成电路的发展 早期的功率集成电路常常被称为：h v i c ( h i g h v o l t a g e i c ) 与p i c ( p o w e r i c ) 其中h v l c 代表功率器件工作在高压小电流的电路，而p i c 则专指功率器件工作 在低压大电流的方式【9 】。但随着电流密度的提高，控制电路的不断发展，因此， 功率集成电路被统称为智能功率集成电路【1 0 s p i c ( s m a r tp o w e ri c ) ，而不再分 类了，本文也采用了这样的称呼。 早在1 9 8 0 年j c c i n i 等人报道了用于汽车电子的功率集成电路。早期的功 率集成电路就已经集成了过温保护，同时为了提高功率三极管的安全工作区，集 成了发射极镇流电阻，以及采用汽车本身的电池作为大的电容来吸收高频脉冲。 同时，该芯片还具有输出短路保护；输出过载保护；对扬声器的保护。其直流击 穿电压为2 8 v ，驱动功率为2 8 w 。这是个比较成功的功率集成电路，采用了 早期b c d 工艺，其隔离技术采用的是结隔离技术。其功率晶体管的集电极通过 n + 埋层以及n 阱连接到表面。由于该芯片明显降低了芯片的成本，提高了电路 的可靠性，其性能也明显优于分立器件。由于这些优点，应用于汽车的s p i c 一 直在进行研究发展【l “】。 1 9 8 5 t 1 5 】年i w a c y k ，等在1 0 v 标准c m o s 工艺线上实现了参数为耐压4 5 0 v ， 工作电流为1 a ，导通电阻为1 5q 的l d m o s 。工作频率为2 0 0 k h z ，c m o s 驱 动电路的驱动电流为o 3 a 的条件下，开关时间为l o o n s ，输入电容为3 5 0 n f 。 c m o s 的1 0 v 电压不仅用于控制电路，同时也用于驱动功率l d m o s 。在电路 中还设计有过流保护，采用的方法是利用l d m o s 并联特性，通过选取一个取样 的单元器件来提取参考电流，将该电流流过的一个取样电阻所产生的电压与电路 电子科技大学博士论文 中电压比较器的所设定的参考电压相比。芯片总面积为1 9 m m 2 ，接近7 5 是功 率器件的面积。其衬底电阻率为7 0 q c r n 的p 型材料，具有p 埋层。并作了p 型 外延层，l d m o s 与c m o s 的栅氧厚度采用了薄氧技术，厚度为5 0 0 a 。工艺上 也采用双阱工艺。从8 5 年开始，人们开始研究是否能够在c m o s 或b i c m o s 工艺上实现低成本的s p i c 。如1 9 8 7 年z p a r p i a m 】等人还专门建立了与c m o s 工艺相兼容的高压器件的的模型，并对其特性进行了分析。高压器件包括击穿电 压在5 0 v 18 0 v 的n 沟器件和p 沟器件，并建立了描述晶体管特性的s p i c e 模 型。 1 9 9 0 年，s p i c 从器件的设计、隔离技术的提高、功率器件的集成都有了进 一步发展。a e l m o z n i n e 1 7 】等采用了深阱的p + 扩散的智能芯片。芯片中包含有高 压器件中的横向与纵向器件，以及低压器件。其结构如图l 一5 所示： 在工艺中实现了器件与电路间的的静态隔离( s t a t i ci s o l a t i o n ) ，其设计主要有 一一1 _ t _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，p - 吲叫甥糊增荆喈一 deep p “十nd o p 、 n + 口r 删哪n 卸 圆d e c pp i 勿p o l y s i l l c 。n 囹n + ，w 储- m 豳l j u 删柚- m 图1 5 智能功率集成的工艺剖面图j 以下一些优点： 1 对p 阱中的n m o s ，p 一包住p + 深阱，以形成p + p n 结，形成类似于j t e ( j u n c t i o n t e r m i n a l e x p a n d i n g ) 的结构以提高其表面的击穿电压。 2 低压的p m o s ，深阱的p + 同时在源、漏扩散，由于其结深一样，且距离 相近，可以屏蔽漏极电压的电场，而使得表面的p m o s 能正常工作。 3 对高压p m o s ，在漏极表面采用氧化层上的斜坡场板以减小漏极附近表面 6 第一章绪论 的电场强度。 4 与n + 扩散区共同构成电路中的所需的起稳压作用的齐纳( z e n e r ) 二极管。 5 与n + 扩散区共同构成集成在芯片中的自举电容。 1 9 9 3 年，to h n o 等f 1 8 】采用s i m o x 工艺双氧化层设计了一种s p i c ，其结构 图1 6s i m o x 工艺的s p i c 的结构剖面图”叫 如图1 6 所示： 图中左侧为用s i m o x 工艺制造的u m o s ，采用双层氧化层来隔离功率器件 与低压电路。通过利用氧化层介质隔离很好的隔离特性，采用s i m o x 工艺，将 导通电阻小的大电流的纵向器件u m o s 与横向高压及低压器件集成，利用 u m o s 纵向器件具有大电流的优点。但是，通常漏极所加的高压在芯片的衬底， 会严重影响横向器件，只采用一层氧化层会使得横向器件发生闭锁，因此，采用 双层氧化层隔离，并在两层氧化层之间用n 型硅材料与表面连接来形成对漏极 电场的屏蔽。由于横向器件与纵向器件良好隔离，避免了u m o s 在大电流时的 闭锁。u m o s 的耐压为6 3 v 。其优点是整个s p i c 的稳定性高，将纵向器件与横 向器件很好的集成，但工艺复杂，成本较高。 由于s p i c 成本过高的问题一直限制了它的发展和应用。如何降低成本的工 艺也受到了重视。1 9 9 5 年，m s h i b i b 掣1 9 】人设计一种只有1 0 块光刻版的b i c m o s 工艺实现的介质隔离的智能芯片。其结果使得制造成本降低了5 0 ，设计的高 压器件的击穿电压达到5 0 0 v ，其中，对耐压4 5 0 v 的n m o s ，比导通电阻做到 了1 0 4 f 2 m m z ( 1 0 4 m f 2 c m z ) ，属于性能领先的器件。同时，在设计中降低了低压电 路和功率器件的阈值电压，使设计的整个电路可以工作在5 v 的电源电压下。 1 9 9 6 年陈星弼【2 0 将优化横向变掺杂技术( o p v l do p t i m i z e dv a r i a t i o n a l l a t e r a ld o p i n g ) 应用在s p i c 中，该技术同r e s u r f 技术样，可以应用在各种 电子科技大学博士论文 n i g hs i d e i s i d e i上一j i上 l 1 型 n l p叫n l n p p - s u b s t m t e 图1 7 具有o p v l d 耐压层的高低侧器件j 横向器件中，包括m o s 、b j t 、j f e t 等各种类型的器件。2 0 0 1 年还设计了能广 泛应用的半桥式驱动的可集成的高、低侧功率器件 2 m 3 1 。其结构如图i 一7 所示： 图中左侧为高侧器件，特点是其源极和栅极可以浮动到与漏极电压接近的高 压。右侧为低侧器件，中间是采用的场限环方式的高、低侧隔离区。高侧的驱动 电路可以与高侧器件的源极类似，设计在高侧的p 阱内，随电压的上升而浮动上 升。由于优化了器件的耐压区且与常规的工艺兼容，所以可以明显提高芯片的面 积利用率，有效降低s p i c 工艺的成本，而良好的隔离技术也使得芯片工作更加 稳定。因此，该o p v l d 技术对s p i c 成本的限制是一个较大的突破。 1 4 智能功率集成电路的主要技术 从】9 8 0 年起，早期的功率集成技术就直在发展与常规工艺不同的被称为 “混合”的工艺( m e r g e d ) 2 4 1 ，该工艺主要要实现功率器件与低压控制电路的 有效集成。这就需要采取对高压器件与低压电路的隔离技术和应用于集成电路中 的横向高压功率器件的集成技术。 1 4 1 隔离技术 通常不能直接将高压器件与低压电路集成在一起，这是因为低压的模拟和数 字电路中，基本不会考虑器件的击穿的问题。但是，一旦将高低压电路做在一起， 高压的功率器件的高的电压会直接导致低压电路的击穿，从而造成低压电路的损 坏。同时也可能由于高压使得耗尽层扩展到低压电路，高压信号直接对电压电路 发生作用，从而导致电压电路逻辑混乱，电路工作异常。因此，对于高压功率器 第一章绪论 件与高压电路必须采用专门的技术来隔离，这就是功率集成电路的隔离技术。常 用的有三种隔离技术2 5 2 7 】： 1 4 1 1 介质隔离( d i e l e c t r i ci s o l a t i o n ，d i ) 所谓介质隔离就是应用s i 0 2 等绝缘介质将集成电路中的控制电路与功率元 件隔开。其结构如图l 一8 所示： 口i r - l r d e d s l t - c i _ i d s 图1 8 介质隔离的基本结构剖面图【“j 图1 8 中左侧的介质“盆”内部为高压v d m o s ，采用在氧化层上重掺杂 将漏极连接到表面。右侧的介质“盆”内为低压c m o s 控制电路。电路与高压 器件之间完全隔离，只通过导线实现电路上的连接。由于氧化层的相对介电常数 较低，临界电场远大于硅材料，所以耐压较大，介质隔离的隔离电压可高达 1 0 0 0 v ，绝缘性好，可以忽略高温下的漏泄电流，且不会存在p n p n 结构，无闭 锁效应。介质隔离占用面积小，封装密度高。但背部作为支撑的多晶硅的热导率 和s i 0 2 热导率都比硅低，降低了芯片散热能力，因此，也限制了功率容量。 随着s p i c 的功率器件的高压化和大电流化，由此产生的高压电流噪声也逐 渐增大，这些噪声集中在同一芯片导致其它功率器件的逻辑功能误动作。同时 p n 结反向漏电流是温度的敏感函数。在高温下，各器件之间干扰加剧，致使器 件耐压降低。采用介质隔离的完全隔离就可以从根本上改善这些特性，因此介质 隔离也是现存工艺中隔离性能最好的方法。但介质隔离工艺需要在氧化层形成的 “盆”内的硅上制作器件。所以结构复杂，成本昂贵。由于成本的原因，它限制 了功率集成的迅速发展。而由于其工艺复杂、成本太高的限制，这种技术一般常 用于通信领域【2 8 l 等对成本要求不高的领域。 1 4 1 2p n 结隔离( j u n c t i o ni s o l a t i o n ，j 1 ) p n 结隔离是双极集成电路中最早，又是最常用的隔离技术，现在多数s p i c 9 电子科技大学博士论文 还是采用这种隔离技术。所谓结隔离是将器件做在p 一衬底的n 一外延层上，器件间 靠反偏的穿通外延层的p + 深结扩散实现隔离2 。由于被隔离的硅岛四周全是反偏 p n 结，因此能起到隔离作用。其结构如图1 9 所示： 矿i s o p e - i l l e rp + i s o p s u b 图1 9p n 结隔离的对通隔离示意刚“1 图1 9 中最左侧和最右侧为p + 深阱扩散的隔离岛。由于通过埋层的p + 与衬 底相接，这样隔离岛就能良好接地，使得隔离岛内部的高压器件与阱外的电路隔 离开来。如果在s p i c 中集成u p d r a i n 的v d m o s 纵向器件，则往往需要较厚 的外延层，这时，通常采用对通结隔离，但耐压往往受到限制，隔离墙的耐压只 能达到1 5 0 v 左右，纵向器件( u p d r a i nv d m o s ) 也只能达到1 0 0 v 。如果采 用薄外延技术集成横向功率器件，则耐压可达5 0 0 v 以上。但是结隔离所采用的 p + 深扩散结往往要占用很大的芯片面积，集成度较底，且有寄生电容和可控硅效 应( 闭锁效应) ，且随着温度的上升，反向p n 结泄漏电流迅速增大。 1 4 1 3 自隔离技术( s e l f - i s o l a t i o n ，s i ) 自隔离技术【2 9 1 ( s i ) 也称为r e s u r f 隔离技术。自隔离在本质上也是一种 p n 结隔离，它主要是依靠m o s 器件的自隔离特性。当其导通时，源区、漏区 和沟道区都被耗尽区所包围，与衬底之间形成隔离。当其截止时，漏区和衬底之 麓盅功车耵l 删略醐r r t b x o sl 如sl 加s ，s u b 图1 1 0 自隔离结构示意图【3 0 】 1 0 第一章绪论 间的p n 结处于反偏状态，漏区上高压被耗尽区隔离。其结构如图1 1 0 所示： 从图l 一1 0 中可以看出，自隔离技术工艺简单，兼容性好，集成度高，且易 得到高的耐压，可以用于集成多个输出功率m o s ，但这种自隔离高压结构的比 导通电阻高，占用的芯片面积大，并且高压器件必须采用共源连接，无法集成桥 式或推挽式功率集成电路。在高温下自隔离结构泄漏电流增大，使同一芯片上元 件之间的绝缘程度降低，导致器件间产生闭锁效应。由于该技术是利用高压横向 器件本身的耐压区满足r e s u r f 条件，来实现高压器件与低压器件的隔离，这 种器件需要设计成环状漏极或集电区。即漏区完全被环状栅和源所包围。这种隔 离技术结构工艺简单，不需专门的隔离区域、隔离工艺和深结扩散。 国外许多公司如s g s 、i r 常用的b c d ( b i p o l a rc m o s d m o s ) 技术就是采 用了这三种隔离技术。但是b c d 在工艺成本较高，而且对工艺精度要求也较高， 在常规的工艺线上需增加工艺步骤，因此不利于s p i c 的发展，尤其在国内落后 的工艺条件下难以完成b c d 工艺的生产，因此，也限制了s p i c 在我国的应用 和发展。同时国外的隔离技术仍然在不断发展完善，更加大了我国发展s p i c 的 难度。 1 4 2s p i c 中的功率器件 与常规的分立器件不同，s p i c 中的功率器件需要考虑与低压的逻辑电路兼 容。因此，s p i c 中的功率器件的电极都作在表面。对于工作电压小于2 0 0 v 的功 率器件可以采用纵向器件完成。这种结构为了满足高耐压的要求，不得不增加外 延层的厚度，这样一方面增加了将漏极引线引到表面的难度。同时也极大的增大 了工艺成本。 因此，在s p i c 中，主要发展了易于集成的漂移区平行于表面的横向器件。 1 4 2 is p i c 中的l d m o s 应用了r e s u r f ( r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ) 技术的横向器件成为s p i c 中 的主流。1 9 8 1 年，c o l a k 将r e s u r f 技术应用到了l d m o s ( l a t e r a ld o u b l e d i f f u s e d m o s t r a n s i s t o r ) 上，在满足耐压的情况下，器件具有导通电阻明显减小的优点。 同时，器件的电极全部做在表面，易于与低压电路集成【3 l 】。其结构如图1 1 1 所示： 同时，o k a b