CN102810540B - 一种具有电流采样功能的横向双扩散金属氧化物半导体器件 - Google Patents

一种具有电流采样功能的横向双扩散金属氧化物半导体器件 Download PDF

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Abstract

一种具有电流采样功能的LDMOS器件，属于半导体功率器件技术领域。包括集成于同一半导体芯片的主功率LDMOS器件（100）和电流检测LDMOS器件（101）。本发明通过控制主功率器件和电流检测功率器件的沟道区宽度之比以实现电流采样。通过主功率器件和电流检测功率器件共用漏极结构以达到节省芯片面积的目的；同时通过短接主功率器件和电流采样功率器件各自的P+接触区和N+接触区（与各自的源极金属相连），并且将电流采样功率器件的P型体区做在一个N阱中、使得电流采样功率器件的P型体区与衬底完全隔离，实现了电流检测功率器件的源极电压浮动且消除了衬底去偏置效应，最终使得电流检测功率器件对主功率器件电流进行准确采样的目的。

Description

一种具有电流采样功能的横向双扩散金属氧化物半导体器件
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及横向双扩散金属氧化物半导体器件(LDMOS)，尤其是主功率LDMOS器件和检测LDOMS器件集成在一起的具有电流采样功能的LDMOS器件。
背景技术
智能功率集成电路集控制逻辑、保护电路、功率器件于一体，具有低成本、高效率、高可靠性等优点，在很多领域如DC-DC转换器、开关电源等方面都有应用，而电流检测在功率集成电路中有重要的作用。
电流检测可以应用于电流保护、电流监测设备、电流环***、可编程电流源、线性电源、以及需要掌握流入流出电流比例的充电器或电池电量计量器等。由于流过功率器件的电流比较大，甚至可能会是几个安培大小的电流，通过串联电阻直接检测流过功率器件的电流会造成大的损耗。美国专利U.S.Pat.NO4553084中提供了一种间接检测流过功率器件的电流的方法，如图1所示，将主功率LDMOS器件11与检测器件13并联(检测器件通常与主功率LDMOS器件属于同一类功率器件，且检测器件的电流能力与主功率LDMOS器件电流能力成一固定比例)。该检测器件13的电流能力远小于主功率LDMOS器件11，且与检测电阻14串联以便于检测。通过采集流过检测器件13的电流来间接检测主功率LDMOS器件11的电流，减小损耗且提高可行性，有效解决了功率器件采样困难的问题。
单晶型硅片价格便宜，常被用于高压功率器件的制作。常规单晶型高压LDMOS器件剖面图如图2，一般应用中，体区P-body接触S’和源极接触S是连在一起的。但是，在单晶型横向功率器件和检测器件集成中，存在漏极去偏置效应、衬底去偏置效应和体效应等问题。漏极去偏置问题是当检测电阻较大时，电流流过检测电阻时其两端的压降会比较大，相当于提高了检测器件的源端电压，会使得检测器件的有效栅-源驱动电压变小，导致检测不准确。衬底去偏置效应是指当检测器件源极电位升高，会使得体区P-body和衬底间有电流流过，由于衬底电阻率较大，微弱的电流便会造成较大的电压差，从而产生衬底去偏置效应。衬底去偏置效应不仅对电路中其他器件造成影响，且相当于在检测电阻上并联一个电阻，造成检测不准确。如果将体区P-body接触S’和源极接触S分开，体区P-body接触S’接地，便会有效解决衬底去偏置效应。但是，这样会造成体效应的产生。体效应也叫衬底偏置效应。当检测电阻两端有压降时，检测器件的源极电位升高，造成体区P-body和源极N+形成压差，使得阈值电压变大，也会产生检测不准确的问题。
发明内容
本发明提供一种具有电流采样功能的LDMOS器件，将主功率LDMOS器件、电流检测LDOMS器件集成在一起，将电流检测LDOMS器件源极完全浮动以有效解决衬底去偏置效应和体效应问题，提高检测电流准确性。
本发明技术方案如下：
一种具有电流采样功能的LDMOS器件，包括主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101，所述主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101集成于同一半导体芯片上。
所述电流检测LDMOS器件101的沟道区宽度为W2，所述主功率LDMOS器件100的沟道区宽度为W1，其中W1＞＞W2，电流检测LDMOS器件101的电流能力与主功率LDMOS器件100的电流能力之比为W2/W1。
所述主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101采用共同的漏极结构，即采用同一N+漏极区4和金属化漏极11。
所述电流检测LDMOS器件101的P型体区12做在一个N型阱区3中，使得电流检测LDMOS器件101的P型体区12与半导体衬底1相互隔离，以实现电流检测LDMOS器件101的源极电压浮动。
所述主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101各自的P+接触区5和N+接触区6与各自的源极金属10、13连接。
本发明提供的具有电流采样功能的LDMOS器件，将主功率LDMOS器件和电流检测LDMOS器件集成于同一半导体芯片上，通过控制主功率LDMOS器件和电流检测LDOMS器件的沟道区宽度之比以实现电流采样。在实现电流采样功能的基础上，通过主功率LDMOS器件和电流检测LDOMS器件共用漏极结构以达到节省芯片面积的目的；同时通过短接主功率LDMOS器件和电流检测LDOMS器件各自的P+接触区和N+接触区(与各自的源极金属相连)，并且将电流检测LDOMS器件的P型体区做在一个N阱中、使得电流检测LDOMS器件的P型体区与衬底完全隔离，实现了电流检测LDOMS器件的源极电压浮动且消除了衬底去偏置效应，最终使得电流检测LDOMS器件对主功率LDMOS器件电流进行准确采样的目的。
附图说明
图1是美国专利U.S.Pat.NO4553084的检测电路结构图。
图2是常规单晶型横向LDMOS剖面图。
图3是本发明提供的具有电流采样功能的LDMOS器件表面结构示意图。
图4是沿图3中AA’连线的剖面结构示意图。
图5是本发明提出的具有电流采样功能的LDMOS器件表面结构示意图之二。
图6是沿图5中BB’连线的剖面结构示意图。
图7是本发明提出的具有电流采样功能的LDMOS器件表面结构示意图之三。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述和说明。
一种具有电流采样功能的LDMOS器件，包括主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101，所述主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101集成于同一半导体芯片上。
所述电流检测LDMOS器件101的沟道区宽度为W2，所述主功率LDMOS器件100的沟道区宽度为W1，其中W1＞＞W2，电流检测LDMOS器件(101)的电流能力与主功率LDMOS器件100的电流能力之比为W2/W1。
所述主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101采用共同的漏极结构，即采用同一N+漏极区4和金属化漏极11。
所述电流检测LDMOS器件101的P型体区12做在一个N型阱区3中，使得电流检测LDMOS器件101的P型体区12与半导体衬底1相互隔离，以实现电流检测LDMOS器件101的源极电压浮动。
所述主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101各自的P+接触区5和N+接触区6与各自的源极金属10、13连接。
图3是本发明提出的一种具有采样功能的半导体器件结构的俯视图，图4是沿图3中AA’的剖面图，为使器件功能结构更清楚，俯视图中没有绘制氧化层。其中，100代表主功率LDMOS器件，主要包括衬底1、P型体区2、N阱区3、漏极N+接触区4、源极P+接触区5、源极N+接触区6、多晶硅栅极7、场氧8、多层氧化物9、源极金属10、漏极金属11。101代表检测LDOMS器件，主要包括衬底1、P型体区12、N阱区3、漏极N+接触区4、源极P+接触区5、源极N+接触区6、多晶硅栅极7、场氧8、多层氧化物9、源极金属13、漏极金属11。其中，多层氧化物9是在淀积多晶硅后淀积的氧化物，用于隔离多晶硅并加厚氧化层8。
电流检测LDMOS器件101的沟道区宽度为W2，主功率LDMOS器件100的沟道区宽度为W1，其中W1＞＞W2，电流检测LDMOS器件101的电流能力与主功率LDMOS器件100的电流能力之比为W2/W1。
主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101采用共同的漏极结构，即采用同一N+漏极区4和金属化漏极11。
电流检测LDMOS器件101的P型体区12做在一个N型阱区3中，使得电流检测LDMOS器件101的P型体区12与半导体衬底1相互隔离，以实现电流检测LDMOS器件101的源极电压浮动；
主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101各自的源极P+接触区5和源极N+接触区6与各自的源极金属10、13连接，以消除衬偏效应。
图5是本发明提出的另一种具有电流采样功能的LDMOS器件表面结构示意图。图6是沿图5中BB’连线的剖面结构示意图。为使器件功能结构更清楚，俯视图中没有绘制氧化层。其中，100代表主功率LDMOS器件，包括衬底1、P型体区2、N阱区3、漏极N+接触区4、源极P+接触区5、源极N+接触区6、多晶硅栅极7、场氧8、多层氧化物9、源极金属10、漏极金属11。101代表检测LDOMS器件，包括衬底1、P型体区12、N阱区3、漏极N+接触区4、源极P+接触区5、源极N+接触区6、多晶硅栅极7、场氧8、多层氧化物9、源极金属13、漏极金属11。其中，多层氧化物9是在淀积多晶硅后淀积的氧化物，用于隔离多晶硅并加厚氧化层8。
电流检测LDMOS器件101的沟道区宽度为W2，所述主功率LDMOS器件100的沟道区宽度为W1，其中W1＞＞W2，电流检测LDMOS器件101的电流能力与主功率LDMOS器件100的电流能力之比为W2/W1。
主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101采用共同的漏极结构，即采用同一N+漏极区4和金属化漏极11。
主功率LDMOS器件100的P型体区2和电流检测LDMOS器件101的P型体区12做在同一个N型阱区3中，使得电流检测LDMOS器件101的P型体区12与半导体衬底1相互隔离，以实现电流检测LDMOS器件101的源极电压浮动。
主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101各自的源极P+接触区5和源极N+接触区6与各自的源极金属10、13连接，以消除衬偏效应。
主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101分布于共用漏极结构的同一侧，且二者共用栅极结构，即采用同一多晶硅栅极7；主功率LDMOS器件100的P型体区2和电流检测LDMOS器件101的P型体区12之间间隔安全距离d，以保证主功率LDMOS器件100的P型体区2和电流检测LDMOS器件101的P型体区12不会穿通。
图7是本发明提供的又一种具有电流采样功能的LDMOS器件表面结构示意图。主功率LDMOS器件100和电流检测LDMOS器件101分布于共用漏极结构的两侧，二者共用漏极结构。
电流检测LDMOS器件101的沟道区宽度为W2，主功率LDMOS器件100的沟道区宽度为W1，其中W1＞＞W2，电流检测LDMOS器件101的电流能力与主功率LDMOS器件100的电流能力之比为W2/W1。
电流检测LDMOS器件101的P型体区12做在同一个N型阱区3中，使得电流检测LDMOS器件101的P型体区12与半导体衬底1相互隔离，以实现电流检测LDMOS器件101的源极电压浮动。

Claims (4)

1.一种具有电流采样功能的横向双扩散金属氧化物半导体器件，包括主功率LDMOS器件(100)和电流检测LDMOS器件(101)，所述主功率LDMOS器件(100)和电流检测LDMOS器件(101)集成于同一半导体衬底(1)上；
所述电流检测LDMOS器件(101)的沟道区宽度为W2，所述主功率LDMOS器件(100)的沟道区宽度为W1，其中W1＞＞W2，电流检测LDMOS器件(101)的电流能力与主功率LDMOS器件(100)的电流能力之比为W2/W1；
所述主功率LDMOS器件(100)和电流检测LDMOS器件(101)采用共同的漏极结构，即采用同一N+漏极区(4)和金属化漏极(11)；
所述电流检测LDMOS器件(101)的P型体区(12)做在一个N型阱区(3)中，使得电流检测LDMOS器件(101)的P型体区(12)与半导体衬底(1)相互隔离，以实现电流检测LDMOS器件(101)的源极电压浮动；
所述主功率LDMOS器件(100)和电流检测LDMOS器件(101)各自的源极P+接触区(5)和源极N+接触区(6)与各自的源极金属(10、13)连接，以消除衬偏效应。
2.根据权利要求1所述的具有电流采样功能的横向双扩散金属氧化物半导体器件，其特征在于，所述主功率器件(100)的P型体区(2)与电流检测LDMOS器件(101)的P型体区(12)做在同一个N型阱区(3)中。
3.根据权利要求1或2所述的具有电流采样功能的横向双扩散金属氧化物半导体器件，其特征在于，所述主功率LDMOS器件(100)和电流检测LDMOS器件(101)分布于共用漏极结构的同一侧，且二者共用栅极结构，即采用同一多晶硅栅极(7)；主功率LDMOS器件(100)的P型体区(2)和电流检测LDMOS器件(101)的P型体区(12)之间间隔安全距离d，以保证主功率LDMOS器件(100)的P型体区(2)和电流检测LDMOS器件(101)的P型体区(12)不会穿通。
4.根据权利要求1或2所述的具有电流采样功能的横向双扩散金属氧化物半导体器件，其特征在于，所述主功率LDMOS器件(100)和电流检测LDMOS器件(101)分布于共用漏极结构的两侧。
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