[发明专利]一种双向MOS型器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体器件技术领域，具体的说是涉及一种具有双向开关能力的横向功率半导体器件。

背景技术

由于横向功率半导体器件的易集成特性，使其成为功率集成电路中的核心电子器件之一,在中小功率领域获得广泛的应用。电能变换是功率集成电路的基本功能之一，根据负载要求的不同，功率集成电路可以完成交流到直流(AC-DC)，直流到交流(DC-AC)，直流到直流(DC-DC)和交流到交流(AC-AC)的变换。AC-AC的变换可以采用间接变换即AC-DC-AC方式，也可以采用直接变换即AC-AC的方式。在传统的AC-DC-AC间接变换系统中，需要有大容值的连接电容(电压型变换)或大感值的连接电感(电流型变换)将两部分相对独立的变换系统相连，而大容值的电容和大感值的电感在集成电路中的实现是一大难以解决的问题，不仅需要占用较大的芯片面积而且获得的品质因素并不高；而通过外接大容值电容或大感值电感的方式则使功率集成电路的外部连接变的复杂，增加了电路的元器件数量及元器件之间的连线数量，增大了系统的体积和寄生效应，降低了系统的可靠性。AC-AC直接转换系统避免了传统AC-DC-AC系统中大容值连接电容或大感值连接电感的使用，使得系统的单芯片集成成为可能，减小了系统的成本、体积和寄生效应，并提高了系统的可靠性。

AC-AC直接转换的交流特性要求功率开关具有双向导通及双向阻断的能力，就目前来说，主流的功率开关器件大多数是单向型器件，而双向型器件较少。传统上双向晶闸管或两个反并联的晶闸管可作为双向开关应用于AC-AC直接转换，但这两种器件是靠电流控制，驱动电路复杂。为了获得易驱动的MOS型双向开关，可采用以下技术方案：1)两个MOS型开关的背对背串联：将两个相同的MOSFET的漏极和漏极或两个相同的逆导型IGBT(RC-IGBT)的集电极和集电极背对背串连在一起使用以获得双向开关的功能；2)将两个相同的逆阻型IGBT(RB-IGBT)反并联连接以获得双向开关的功能；3)将常规IGBT与二极管串联使用以确保双向阻断功能，将两组上述IGBT与二极管串联的结构反向并联以实现双向导通双向阻断功能。以上的三种技术方案需要使用多个功率器件的组合，增加了功率集成电路中芯片的面积和成本，并增大了器件的损耗，减低了器件的性能。

为了进一步减小集成电路中横向MOS型双向功率开关的面积，减小器件的损耗，提高器件的性能，文献(D.H.Lu,N.Fujishima,A.Sugi,etc.Integrated Bi-directional Trench Lateral Power MOSFETs for One Chip Lithium-ion Battery Protection ICs,ISPSD’05,2005,pp.355-358)和文献(Y.Fu,X.Cheng,Y.Chen,etc.A 20-V CMOS-Based Monol ithic Bidirectional Power Switch,IEEE Electron Devices Letters,2007,pp.174-176)分别通过将两个共用漂移区(阱区)的沟槽栅MOS结构和平面栅MOS结构背对背集成在一起在单一芯片中实现了具有双向导通及双向阻断功能的双向MOS型功率开关，分别如图1(沟槽栅结构)和如图2(平面栅结构)所示。图1和图2结构都是一种四端器件，通过分别控制两个MOS结构的栅电压，可实现对称的导通与关断特性。与两个独立的背对背连接的MOS结构相比，图1和图2双向功率开关通过两个MOS结构共用轻掺杂漂移区(n型阱区)可实现在一定的阻断电压下减小一半的漂移区长度，因此减小了芯片的面积、成本并降低了器件的损耗。然而对于上述两种结构，当器件任一方向阻断时，当轻掺杂漂移区(n型阱区)中的耗尽层从一个MOS结构的p型体区扩展到另一个MOS结构的p型体区时，器件发生横向穿通击穿；同时，当n型漂移区(n型阱区)与背部p型衬底形成的反偏pn结的耗尽层扩展到高压端MOS结构的p型体区时，器件发生纵向穿通击穿。因此上述两种结构均是漂移区(横向和纵向)的非穿通型结构。对于上述两种结构，为了防止器件漂移区的横向穿通击穿，在一定的器件耐压下不得不采用较长的漂移区长度，这增大了器件的面积和漂移区电阻；同时为了防止器件漂移区的纵向穿通击穿，不得不使用较大的漂移区掺杂剂量，这减弱了p型衬底对n型漂移区的衬底辅助耗尽效应(降低表面电场作用)，使器件的横向和纵向雪崩击穿电压降低。因此，上述两种结构仅适用于阻断电压较低的情形，主要工作于双向MOS模式，并且在一定的器件耐压下具有大的器件面积和漂移区电阻，器件的性能不够优化。此外，图1和图2结构均采用CMOS工艺在n型阱区中制备MOS结构，考虑到n型阱区注入对器件的纵向穿通和雪崩击穿电压的限制，该工艺也仅适用于实现较低电压器件的情形。