[发明专利]一种应用于集成电路高低压隔离的反向电场耦合隔离结构

说明书

本发明涉及功率半导体技术，特别涉及一种应用于集成电路高低压隔离的反向电场耦合隔离结构。相对于传统凹槽隔离结构，本发明在凹槽隔离结构内部设置金属电极，该隔离金属电极连接负电源(或零电位)，通过改变凹槽结构的形状，绝缘层介质在不同位置的厚度和形状，凹槽内形成的金属电极的数目和位置，以及不同金属电极的电位来调整所述隔离结构产生的反向电场，以此影响高压器件与低压器件之间的电场分布，达到抑制高低压器件间串扰现象的作用。本发明的有益效果：有效抑制高低压器件之间的串扰现象，占据面积小，成本较低。

技术领域

本发明属于半导体功率集成电路技术领域，特别涉及一种应用于集成电路高低压隔离的反向电场耦合隔离结构。

背景技术

氮化镓是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场(～3.5×10⁶V/cm)、高电子迁移率 (～2000cm²/V·s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(～10¹³cm^-2)、高的高温工作能力。GaN材料的禁带宽度高达3.4eV，3倍于Si材料的禁带宽度，2.5倍于GaAs 材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。另外，氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。

AlGaN/GaN HEMT器件因其独特的二维电子气结构和材料优势在650V耐压量级的高频开关电源领域具有极大的应用潜力，但由于电路中的寄生参数影响，硅功率驱动的频率限制以及GaN工艺发展尚不成熟等原因，并不能很好的发挥出AlGaN/GaN HEMT器件的性能优势。随着GaN-on-Si工艺的发展，单片集成式的GaN功率电路由于其低寄生参数，高功率密度和高频高效等显著优势而引发关注，全GaN单片集成功率变换器通常包含栅极驱动、PWM控制器和保护电路等功能模块，将功率器件和逻辑器件集成在同一块GaN-on-Si的衬底上可以有效降低寄生效应。但在高速开关状态下，高压器件会影响低压器件产生串扰电压和串扰电流，尤其是对电压电流信号变化敏感的逻辑器件，串扰电流会影响低压逻辑器件的工作点，而串扰电压更是有可能导致低压逻辑器件出现误触发等现象，干扰整个电路的正常工作状态，因此在全GaN单片集成电路中器件隔离或模块隔离都是必须的。

由于在以AlGaN/GaN HEMT为基础器件结构的集成电路较难利用PN结隔离，主要采用槽隔离结构，而为了抑制器件间串扰影响，槽隔离结构的宽度通常被扩大到上百微米，十分不利于高功率密度GaN功率ICs的制作。基于此， GaN-on-SOI结构被提出，该结构的Si衬底上生长了一层氧化层，通过将器件用氧化层半包裹的方式使得器件之间的串扰效应几乎完全被抑制，但GaN-on-SOI 技术尚不成熟，并且会带来热阻上升等副作用影响器件的性能和可靠性。也有人提出通过调整衬底偏压来抑制串扰效应和背栅效应，然而功率器件和逻辑器件对衬底偏压的要求是不同的，因此在含有不同电压量级器件的同一个衬底上采取全局衬底电势调整也是不现实的。

发明内容