[发明专利]具有薄栅极氧化层和低栅极电荷的集成MOS功率晶体管

说明书

相关申请

本专利申请是2009年11月13日提交的标题为“IMPROVED MOSPOWER TRANSISTOR”的美国专利申请(序列号为12/618,515)的部分继续申请。通过引用将序列号为12/618,515的该美国专利申请的全文并入本申请中。

技术领域

本发明涉及功率晶体管的领域。更具体地，本发明涉及具有减少的栅极电荷的集成MOS功率晶体管的领域。

背景技术

功率供应装置是将电能或其它类型的能量提供到输出负载或负载组的设备或系统。术语“功率供应装置”可以指主功率分配系统和其它初级或次级能量源。开关模式电源、开关电源或SMPS是包括开关调节器的电源。虽然线性调节器使用晶体管(在该晶体管的有源区域中，对该晶体管施加偏置)来指定输出电压，但是SMPS以高速率在完全饱和与完全截止之间主动切换晶体管。然后，产生的矩形波形穿过低通滤波器(一般是电感器和电容器(LC)电路)，以获得近似的输出电压。

由于SMPS具有高功率变换效率、小尺寸和轻重量以及低成本，因此SMPS目前是主要形式的电压变换设备。SMPS从例如电池或墙壁电源插座等源头获取输入功率，并根据耦合到SMPS输出的电路对功率的要求来将输入功率变换成短脉冲。

MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)普遍用在SMPS中。MOSFET通常被单独地制造，作为分立晶体管。然后，将每个MOSFET连接到作为SMPS的部分的其它集成电路。以这种方式使用分立器件增加了整个SMPS的成本和尺寸。

因为MOSFET是SMPS中的一些消耗最多功率的部件，因此高性能MOSFET对SMPS的变换效率是重要的。此外，MOSFET的最大可能的开关频率指示了包括在SMPS输出滤波电路中的电感器和电容器的尺寸、成本和功率损耗。在正常SMPS操作下，MOSFET被快速导通和关断，所以为了有效的操作，MOSFET应具有低电阻值和低栅极电容值。

MOSFET具有栅极、漏极和源极端子以及称为主体、基底、主体块或衬底的第四端子。衬底简单地指栅极、源极和漏极所在的半导体的主体块。第四端子用于对晶体管施加偏置而使其操作。栅极端子调节穿过衬底中的沟道区域的电子流动，即或者允许电子流过沟道或者阻挡电子流过沟道。当电子被施加的电压影响时，电子从源极端子穿过沟道流向漏极端子。

MOSFET的沟道被掺杂以制造N型半导体或P型半导体。漏极和源极在增强模式MOSFET的情况下可被掺杂为具有与沟道相反的类型，或如在耗尽模式MOSFET中被掺杂为具有与沟道类似的类型。MOSFET在栅极和衬底之间采用绝缘体，例如二氧化硅。该绝缘体通常称为栅极氧化层。因此，栅极端子通过栅极氧化层与衬底中的沟道分隔开。

当将电压施加在栅极和源极端子之间时，所产生的电场穿透栅极氧化层并在半导体-绝缘体界面处产生所谓的“反型层(inversion layer)”或沟道。反型沟道具有与源极和漏极相同的类型，P型或N型，以便提供电流可穿过的沟道。改变栅极和衬底之间的电压可以调节该层的导电性，这用于控制漏极和源极之间的电流流动。

功率MOSFET是广泛地用作低电压开关(例如，小于200V)的特定类型的MOSFET。横向功率MOSFET指的是漏极和源极都在彼此的侧面放置的结构，例如漏极和源极都位于衬底的顶表面处。这与垂直功率MOSFET相反，其中漏极和源极相对于彼此垂直地堆叠，例如源极位于衬底的顶表面处，而漏极位于底表面处。

功率MOSFET可被多快地导通和关断的一个限制性因素是导通和关断晶体管所需的栅极电荷量。栅极电荷指的是分别移动到栅极以导通晶体管和从栅极移出以关断晶体管的电子的数量。所需的栅极电荷越大，导通和关断晶体管的时间就越长。具有的优点是能够快速切换开关模式电源中的功率晶体管。频率越高，SMPS的栅极驱动电路中使用的分立部件的尺寸就越小。较小的部件比较大的部件廉价。