槽型SOI LDMOS集成功率器件及其保护电路

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SOI (Semiconductor-On-Insulator)LDMOS (Lateral-Double-diffusion-MOSFET)具有泄漏电流低、开关速度快、易于集成、驱动电路简单等优点,在智能功率集成电路领域有广泛的运用。但是“硅极限”限制SOI LDMOS的发展。根据摩尔定律,芯片的集成密度不断提高,功率密度也随之增加,这在功率集成电路尤为明显。人为的失误或者意外可能导致负载过载或者输出短路,导致芯片失效。为了保护芯片,电路中集成保护电路势在必行。为缓解SOI LDMOS耐压和比导通电阻的矛盾关系,本文提出一种槽型SOILDMOS功率器件,其具有两个特征:一是漂移区中有介质槽,二是采用延伸到埋层的槽栅。介质槽有以下两个作用:介质槽中的SiO2的低介电系数使其电场高于Si中的电场,提高器件耐压;折叠漂移区,减小器件尺寸。槽栅一方面在其侧面形成积累层而减小导通电阻,另一方面实现高低压器件之间的隔离。文中研究了漂移区长度为3μm槽型SOI LDMOS的比导通电阻Ron.sp(specific on-resistance)、耐压BV(breakdown voltage)和动态特性。相同元胞尺寸下,槽型SOI LDMOS与SOI C-LDMOS (Conventional-LDMOS)相比,BV提高156%,Ron.sp降低35%;在相同的击穿电压下,槽型SOI LDMOS元胞尺寸减少54%,Ron.sp减少74%。本文设计了一种过温保护电路和过流保护电路。利用工作在亚阈值区的MOS的VGS的正温度及阈值电压的负温度系数特性来设计过温保护电路。过流保护电路具有高电源抑制比、大迟滞范围和低功耗的特点。该过温保护电路无需三极管,适用于P阱CMOS (Complementary MOS)工艺。过温保护电路电源抑制比为90dB、上升沿的阈值温度为150℃、下降沿的阈值温度为110℃,有效防止热振荡。本文设计的过流保护电路采用以源端为输入端的单管MOS作为比较器,具有电路简单、采样误差小、适用于低边功率器件的特性。过流保护电路的并联采样管对输出电流进行采样,将采样电流转化为电压信号,其过流阈值电压只有0.1V0.3V,所以电流采样误差小。过流保护电路在输出电流为额定电流的150%时采取过流保护。本文提出一个适合于槽型SOI LDMOS并与常规CMOS兼容的工艺流程。设计了功率集成电路的版图,并进行流片、测试。流片的槽型SOI LDMOS采用3×3微米的介质槽。槽型SOI LDMOS的测试单管耐压为170190V、阈值电压为3V,在栅压为10V时输出电流为22mA。本文还分析了测试中发现的问题、提出解决方案,并改进版图,第二次流片即将完成。
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