[發明專利]具有薄柵極氧化層和低柵極電荷的集成MOS功率晶體管

有效

• 申請號: 201210517492.2
• 申請日: 2012-12-05
• 公開（公告）號: CN103151375B
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: J·M·麥格雷戈;V·坎姆卡
• 申請（專利權）人: 馬克西姆綜合產品公司
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/423
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 張偉,王英

相關申請

本專利申請是2009年11月13日提交的標題為“IMPROVED MOSPOWER TRANSISTOR”的美國專利申請(序列號為12/618,515)的部分繼續申請。通過引用將序列號為12/618,515的該美國專利申請的全文并入本申請中。

技術領域

本發明涉及功率晶體管的領域。更具體地，本發明涉及具有減少的柵極電荷的集成MOS功率晶體管的領域。

背景技術

功率供應裝置是將電能或其它類型的能量提供到輸出負載或負載組的設備或系統。術語“功率供應裝置”可以指主功率分配系統和其它初級或次級能量源。開關模式電源、開關電源或SMPS是包括開關調節器的電源。雖然線性調節器使用晶體管(在該晶體管的有源區域中，對該晶體管施加偏置)來指定輸出電壓，但是SMPS以高速率在完全飽和與完全截止之間主動切換晶體管。然后，產生的矩形波形穿過低通濾波器(一般是電感器和電容器(LC)電路)，以獲得近似的輸出電壓。

由于SMPS具有高功率變換效率、小尺寸和輕重量以及低成本，因此SMPS目前是主要形式的電壓變換設備。SMPS從例如電池或墻壁電源插座等源頭獲取輸入功率，并根據耦合到SMPS輸出的電路對功率的要求來將輸入功率變換成短脈沖。

MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)普遍用在SMPS中。MOSFET通常被單獨地制造，作為分立晶體管。然后，將每個MOSFET連接到作為SMPS的部分的其它集成電路。以這種方式使用分立器件增加了整個SMPS的成本和尺寸。

因為MOSFET是SMPS中的一些消耗最多功率的部件，因此高性能MOSFET對SMPS的變換效率是重要的。此外，MOSFET的最大可能的開關頻率指示了包括在SMPS輸出濾波電路中的電感器和電容器的尺寸、成本和功率損耗。在正常SMPS操作下，MOSFET被快速導通和關斷，所以為了有效的操作，MOSFET應具有低電阻值和低柵極電容值。

MOSFET具有柵極、漏極和源極端子以及稱為主體、基底、主體塊或襯底的第四端子。襯底簡單地指柵極、源極和漏極所在的半導體的主體塊。第四端子用于對晶體管施加偏置而使其操作。柵極端子調節穿過襯底中的溝道區域的電子流動，即或者允許電子流過溝道或者阻擋電子流過溝道。當電子被施加的電壓影響時，電子從源極端子穿過溝道流向漏極端子。

MOSFET的溝道被摻雜以制造N型半導體或P型半導體。漏極和源極在增強模式MOSFET的情況下可被摻雜為具有與溝道相反的類型，或如在耗盡模式MOSFET中被摻雜為具有與溝道類似的類型。MOSFET在柵極和襯底之間采用絕緣體，例如二氧化硅。該絕緣體通常稱為柵極氧化層。因此，柵極端子通過柵極氧化層與襯底中的溝道分隔開。

當將電壓施加在柵極和源極端子之間時，所產生的電場穿透柵極氧化層并在半導體-絕緣體界面處產生所謂的“反型層(inversion layer)”或溝道。反型溝道具有與源極和漏極相同的類型，P型或N型，以便提供電流可穿過的溝道。改變柵極和襯底之間的電壓可以調節該層的導電性，這用于控制漏極和源極之間的電流流動。

功率MOSFET是廣泛地用作低電壓開關(例如，小于200V)的特定類型的MOSFET。橫向功率MOSFET指的是漏極和源極都在彼此的側面放置的結構，例如漏極和源極都位于襯底的頂表面處。這與垂直功率MOSFET相反，其中漏極和源極相對于彼此垂直地堆疊，例如源極位于襯底的頂表面處，而漏極位于底表面處。

功率MOSFET可被多快地導通和關斷的一個限制性因素是導通和關斷晶體管所需的柵極電荷量。柵極電荷指的是分別移動到柵極以導通晶體管和從柵極移出以關斷晶體管的電子的數量。所需的柵極電荷越大，導通和關斷晶體管的時間就越長。具有的優點是能夠快速切換開關模式電源中的功率晶體管。頻率越高，SMPS的柵極驅動電路中使用的分立部件的尺寸就越小。較小的部件比較大的部件廉價。