智能功率集成电路中功率半导体器件的研究

摘要

电力电子技术是目前最先进的电能变换技术，它能高效地将电能从一种方便传输的形式变为另一种符合应用需求的形式，具有高度灵活性和高效率两个显著特点，与当代节能环保的主题密切契合。
　　作为新一代的电力电子技术，智能功率集成电路旨在将所有的高压功率器件与低压电路集成在同一芯片上，这样不仅会提高芯片整体的性能，而且能够降低生产成本，进一步实现电能变换的高效化和智能化。其中，功率器件本身的设计以及如何将它与低压部分集成并隔离是最为核心的技术点。
　　陈星弼教授提出的优化横向变掺杂理论，能够使表面耐压区在尽可能短的距离内实现尽可能大的耐压，从而令功率器件的性价比达到极高的水准。基于该理论，陈教授发明了一种智能功率集成技术，能在与普通CMOS及/或BiCMOS技术兼容的工艺条件下，于同一芯片上集成高侧高压器件、低侧高压器件、高压电平位移电路和所有的低压电路。这一发明打破了过去制作智能芯片必须依赖精良隔离工艺的技术瓶颈，实现了真正把功率做到芯片中去的目标，不仅使智能功率集成电路能在工艺水平较为落后的国内环境下获得研发，而且有力地驱动了它往高性能、低成本的方向发展，对推动电力电子技术的进步具有非凡的意义。
　　为进一步扩大上述发明的优势，本文以理论分析和仿真实验相结合的手段，提出并研究了一系列基于优化横向变掺杂理论的新型功率半导体器件及结边缘终端结构。所取得的成果不仅可为进一步优化智能功率集成电路提供参考，部分也可为改善功率半导体分立器件及结边缘技术提供参考。
　　研究期间所做工作体现在本文的第二至六章，创新性内容为第三至第六章，创新工作的主要内容为：
　　1.研究了图腾柱式功率管组合中，高侧器件使用 P-LDMOS代替 N-LDMOS的利与弊，并基于优化横向变掺杂的三层表面耐压结构进一步开发了一种双通道P-LDMOS。传统的智能功率集成电路一般使用N-LDMOS作为高侧及低侧的功率器件，因此高侧与低侧电路之间的参考电位差值最大可达到最高电压。为匹配它们，常常需要设计许多的配套电路，例如信号延迟电路、高压电平位移电路等。如果高侧器件采用P-LDMOS，高侧与低侧的信号电位水平将一致，上述问题自然不攻自破，不仅低压集成电路的设计难度被减小、芯片的制造成本被降低，而且可靠性还得到加强。但一般 P-LDMOS的导电能力很弱，同耐压下比导通电阻比N-LDMOS的大许多，限制了它作为高侧器件的应用。本研究基于优化横向变掺杂的三层表面耐压结构进一步开发了一种双通道 P-LDMOS，成功地克服了这一障碍，令 P-LDMOS拥有媲美 N-LDMOS的导电能力，适合作为高侧器件应用到功率集成电路中。
　　2.提出并实验了一种基于优化横向变掺杂理论的新型低侧功率器件。传统的低侧功率器件一般仅使用横向MOS，占用较大的芯片面积。如果将低侧功率器件做成纵向MOS与横向MOS的并联，势必能减小低侧功率器件的比导通电阻。而且，此时的横向MOS既是拥有一定导电能力的元器件，亦作为了纵向MOS的结边缘结构，这也为优化功率半导体分立器件提供了参考。
　　3.提出并实验了一种有助于优化横向变掺杂产品抵御剂量偏差的设计手段。横向变掺杂以及结终端扩展等结构，与生俱来地敏感于剂量偏离于设计值的情况，而这一情况即使在现代工艺条件下也无法避免。本文提出的设计手段能够在产品实际剂量与设计值之间存在一定偏差时，仍保证其具有符合要求的耐压，能大幅提高产品的成品率，而又不损害其性价比。
　　4.基于优化横向变掺杂理论，提出了一种新型的结边缘终端技术。它不仅继承了优化横向变掺杂理论高效的特点，即仅需占用极小的结边缘面积就可实现极大的表面耐压，而且可为功率集成电路提供全效的终端保护，即所实现的结边缘耐压能够完全达到同衬底所做的单边突变平行平面结的击穿电压。同时，该技术的制造工艺与普通BiCMOS技术兼容，也能够适用于各种类型和不同尺寸的半导体器件。

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第一章 绪 论

1.1 电力电子技术

1.2 智能功率集成电路

1.3 功率半导体器件

1.4 平面结边缘终端技术和优化横向变掺杂理论

1.5 本章小结

1.6 本文的主要研究工作

第二章 优化横向变掺杂智能功率集成技术

2.1 优化横向变掺杂理论的应用

2.2 实现工艺简介

2.3 发展前景

2.4 本章小结

第三章 一种可用于高侧的新型优化横向变掺杂P-LDMOS

3.1 高侧功率器件使用P-LDMOS的优点

3.2 新型双通道导电的P-LDMOS

3.3 发展前景

3.4 本章小结

第四章 一种新型的优化横向变掺杂低侧功率器件

4.1 结构原理

4.2 仿真结果

4.3 版图设计

4.4 实验结果

4.5 本章小结

第五章 一种提高优化横向变掺杂产品之成品率的手段

5.1 结构原理与仿真结果

5.2 设计方法

5.3 实验结果

5.4 本章小结

第六章 一种基于优化横向变掺杂理论的新型结边缘终端技术

6.1 结构原理

6.2 仿真结果和应用方法

6.3 本章小结

第七章 全文总结

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果