CN105281730A

CN105281730A - 电子开关元件和集成传感器

Info

Publication number: CN105281730A
Application number: CN201510410610.3A
Authority: CN
Inventors: A.格拉斯曼; G.朗古特; W.勒斯纳; S.维尔科费尔
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2035-07-14
Also published as: US20160013639A1; DE102015111360B4; CN105281730B; US9768766B2; DE102015111360A1

Abstract

电子开关元件和集成传感器。一种电路可包括电子开关元件、集成传感器以及从传感器的端子中的一个到电子开关元件的端子中的一个的低阻抗路径。

Description

电子开关元件和集成传感器

技术领域

本公开的实施例涉及具有附加感测功能的电子开关元件的ESD（静电放电）稳定性。

发明内容

第一实施例涉及一种电路，包括

-电子开关元件，

-集成传感器，

从传感器的端子中的一个到电子开关元件的端子中的一个的低阻抗路径。

附图说明

参考附图而示出并举例说明实施例。附图用于举例说明基本原理，使得仅举例说明理解基本原理所必需的方面。附图并未按比例。在图中，相同的参考字符表示相似特征。

图1示出了包括在单元中与作为温度相关器件的电阻器组合的两个晶体管的示例性电路图；

图2示出了包括与温度传感器一起布置在芯片上的晶体管的示例性电路图；

图3示出了包括晶体管和温度传感器的替换示例性电路图，其中，温度传感器的端子中的至少一个经由附加电路耦合到发射极；

图4示出了包括晶体管、附加晶体管和温度传感器的又一替换示例性电路图；

图5示出了基于图4的具有两个附加晶体管以使得实现用于温度传感器的两个端子的对称情况的另一替换示例性电路图。

具体实施方式

这里所述的示例特别地参考半导体的ESD（静电放电）稳定性（也称为ESD保护或ESD鲁棒性），特别是比如晶体管、IGBT、MOSFET、JFET等半导体开关。

已知IGBT由于其在栅极与发射极或者栅极与集电极之间的高容量（capacity）而被布置成应对高电功率。这可导致人体模型（HBM）中的约8kV的ESD稳定性。

然而，可以为半导体提供附加特征，例如包括电流感测特征和/或温度感测特征。可将每个特征嵌入半导体芯片（例如IGBT芯片）中。基于此类附加特征，半导体变得对ESD效应更加敏感，这可根据HBM将ESD稳定性减小至例如2kV或者甚至500V以下。

这里所述的示例用集成（嵌入式）特征来增加半导体（例如，晶体管）的ESD稳定性。

这里所述的示例特别地建议在没有对晶体管的功能的任何有害影响的情况下针对ESD事件在半导体芯片（包括晶体管和附加感测装置）中提供低阻抗路径（放电路径）。

晶体管可包括以下各项中的至少一个：IGBT、MOSFET、JFET、双极晶体管等。

因此，低阻抗路径可在传感装置的焊盘与晶体管的发射极或地之间。

感测装置可特别地包括温度感测装置或电流感测装置。

电流感测装置可包括与实际晶体管并联的附加晶体管。在以下示例中，将实际晶体管示为IGBTQ2并经由IGBTQ1来实现电流感测装置。

图1示出了包括在单元101中与作为温度相关器件的电阻器R3组合的两个晶体管Q1和Q2的示例性电路图。电阻器R3可具有正（或负）温度系数，并且其可被嵌入有晶体管Q1和Q2。晶体管Q1和Q2可以是部署在同一片硅上的IGBT或MOSFET。晶体管Q1和Q2可共享可布置在公共（例如，发射极）区域上的功能单元。功能单元可包括可根据预定比（例如1:10000）分离的大量功能元件。因此，晶体管Q1可充当电流传感器，其与晶体管Q2相比载送明显更少量的电流。晶体管Q1和Q2可以是分立晶体管，其中，晶体管中的每一个可以具有分离发射极焊盘或分离源极焊盘。晶体管Q1和Q2可特别地部署在单一芯片或管芯上。

功能单元可基于结构、特别是器件上的区域。该区域可包括以下各项中的至少一个：栅极源极区域、基极发射极区域、IGBT单元（IGBTcell）、IGBT条等。并且，还可使用上述的组合作为区域。

根据图1，IGBTQ1的栅极与IGBTQ2的栅极相连。IGBTQ1和Q2的集电极被连接且被进一步连接到负载R2。IGBTQ1的发射极经由电阻器R4（感测电阻器）被连接到地。IGBTQ2的发射极被连接到地。经由电压源V1来控制IGBTQ1的栅极，并且电阻器R1和负载R2经由电感器L而进一步连接到电压源V2。电压源V1和V2以及与电感器L相组合的负载R2仅仅是其中可以使用单元101的电路的示例性元件。负载R2和电感器L的组合也称为R-L负载。

可将电阻器R3实现为温度补偿元件，其可随着温度的增加而示出电阻的增加。因此，可以在电阻器R3和R4之间的节点处确定的电压（即如与流过电流感测电阻器R4的电流成比例的跨电阻器R4的电压）由于温度的变化而基本上未偏置。

特别地，可将电阻器R4与单元101分开部署，特别是在包括单元101的芯片外部。

可将电阻器R3连同IGBTQ1和Q2一起集成在单元101中。电阻器R3的温度系数可以是正的、基本上线性的（特别地对应于IGBTQ1的集电极与发射极之间的电压的温度系数）且在某些情况下是大的。

在某些示例中，电阻器的温度系数可至少+60%超过100K（atleast+60%over100K）。例如，电阻器R3可包括例如镍（67%超过100K）。其在25℃的温度下可具有在1欧姆与10欧姆之间的范围内的电阻值。在某些示例中，电阻器R3的准确度可以是尽可能高的，特别是比5%更好。电阻器R3还可包括例如铝、掺杂多晶硅、铍（100%超过100K）、钛、氮化钛、钨、钛钨、钽、氮化钽和/或铜。应注意的是电阻器R3可特别地包括可以用作阻挡层的材料。

当IGBT的温度增加时，集电极发射极饱和电压V_CEsat增加。当MOSFET的温度增加时，漏源电压由于增加的电阻R_DSon而增加。

这个电阻器R3可载送感测电流（例如，达到100mA）。因此，可相应地调整电阻器R3。另外，可例如经由晶体管Q1和Q2的功能单元来调整电流感测比以减小感测电流量并因此避免电阻器R3处的任何过载情形。例如，晶体管Q1和Q2的功能单元可在1:10000的比下不同（其中晶体管Q1具有更小量的功能单元）以便与流过负载和晶体管Q2的电流相比允许小的感测电流。

作为示例，可将电阻器R3实现为电阻元件，例如芯片上的电阻层。电阻元件可包括铝、镍、钨、铁等。电阻元件可非常接近于晶体管Q1。电阻元件可以是局部会聚元件或者略微跨电路分布。

本文所述的示例还为晶体管Q1提供ESD稳定性，其否则可能面临与晶体管Q2相比明显更高的被毁坏的风险，晶体管Q2具有明显更高数目的功能元件。

图1中所示的示例允许温度补偿电流测量。作为选项，可省略经由电阻器R3的温度补偿。

另一方面，可以根据上述电阻器R3的示例来提供温度传感器。作为替换，温度传感器可包括至少一个pn二极管的串联连接，其中可选地与该串联连接反并联地布置另一第二二极管。此反并联二极管可特别地包括具有适当p和n掺杂和金属接触的平坦多晶硅。由于二极管的特性是温度相关的，所以可以使用施加电流来确定电压降Vf，这进一步允许确定温度。

可在具有绝缘性质的热氧化（隔离体）或其它氧化层或层的组合上施加（多个）二极管。基本上，可在针对硅体材料（bulkmaterial）的任何种类的隔离上施加（多个）二极管。

本文所述的示例还为温度传感器提供ESD稳定性，其与晶体管相比可以以其它方式面对明显更高的被毁坏的风险。

图2示出了包括与温度传感器202一起布置在芯片203上的晶体管201的示例性电路图。温度传感器202包括多个二极管205和206的串联链接，其中，二极管205和206的阴极指向端子207（也称为温度传感器202的阴极）。二极管205的阳极连接到端子208，其确定温度传感器202的阳极。二极管204被跨包括二极管205和206的串联连接来连接，其中，二极管204的阴极被连接到二极管205的阳极，并且二极管204的阳极被连接到二极管206的阴极。二极管204因此被与包括二极管205和206的串联连接反并联地布置。

应注意的是包括二极管205和206的串联连接可包括超过两个二极管，其然后可具有与二极管205和206相同的取向。

晶体管201是包括集电极209、栅极210和发射极211的IGBT。温度传感器202的端子207与发射极211相连。因此，图1中所示的电路具有四个端子，因为端子207和发射极211被组合。

通过将温度传感器202的端子中的一个与发射极211连接，温度传感器202的阴极（在端子207与发射极211连接的情况下）或温度传感器202的阳极（在端子208与发射极211连接的情况下—图2中未示出）达到与IGBT201的发射极211的ESD稳定性相对应的ESD稳定性。

IGBT201的发射极被连接到大电容，从而提供高度的ESD稳定性。另外，IGBT201在浮栅的情况下打开，这增加其传导率。

图3示出了包括晶体管201和温度传感器202的替换示例性电路图，其中，温度传感器202的端子207或208中的至少一个经由电路301被耦合到发射极211。

在图3中，端子207（温度传感器的阴极）经由电路301被连接到发射极211。该电路包括n个pn二极管302、303（例如，隔离体上的多晶硅）的串联连接，其中，这些二极管的阴极指向发射极211。跨二极管302、303的串联连接布置反并联二极管304。

在ESD事件的情况下，电荷可以经由二极管302、303而均衡到发射极211。温度传感器202因此获得发射极211的ESD稳定性。

这个解决方案具有优点，即端子207处的电位可不同于发射极211处的电位，至经由n个二极管302、303可调整的程度。在跨二极管302、303中的每一个的0.7V的电压降的（室温的）情况下，可根据下式使用数目n个二极管来调整温度传感器的阴极（端子207）处的电位Vk

Vk=0.7V*n。

使用多晶硅具有不发生显著寄生效应的优点。因此，可以在正常操作期间不显著地增加漏电流的情况下串联地布置相当大量的n个二极管。

应注意的是可以在温度传感器202的端子207与发射极211之间和/或在温度传感器202的端子208与发射极211之间布置电路301。

图4示出了包括IGBT201、晶体管401（例如，包括集电器、发射极和栅极的IGBT）和温度传感器202的另一替换示例性电路图。

IGBT401的集电极被连接到IGBT201的集电极209，IGBT401的发射极被连接到端子208，并且IGBT401的栅极被连接到温度传感器202的端子207。

在某些示例中，IGBT201和IGBT401的栅极在物理上相互分离。

在端子207（温度传感器202的阴极）与其它接触（209至211）中的一个之间的ESD事件的情况下，IGBT201的栅极是浮置的，并且IGBT201在ESD事件期间打开；这导致IGBT401的激活，其允许电荷进行均衡。

在端子207和208之间的ESD事件的情况下，由温度传感器202的串联二极管的链来定义ESD稳定性。

温度传感器202可以包括串联的（至少）四个pn二极管，导致总计2.8V的前向电压Vf。在某些示例中，前向电压可低于IGBT401的阈值电压，其总计例如5.8V。

本示例允许电压的广泛变化，特别是在温度传感器202的输出端子207和208处。

图5示出了基于图4的另一替换示例性电路图。与图4的实施例相反，图5示出了用于温度传感器202的两个端子207和208的对称情况。提供另外的晶体管501作为IGBT，其中IGBT501的集电极被连接到IGBT201的集电极209，IGBT501的栅极被连接到端子208，并且IGBT501的发射极被连接到端子207。

这里提出的示例可特别地基于以下解决方案中的至少一个。特别地，可以利用以下特征的组合以便达到期望的结果。可将该方法的特征与器件、装置或系统的任何的（多个）特征组合或者反之。

提供一种电路，所述电路包括：

-电子开关元件，

-集成传感器，

-从传感器的端子中的一个到电子开关元件的端子中的一个的低阻抗路径。

因此，这种方法具有优点，即不要求或仅要求半导体的最少附加处理步骤和/或不要求或仅要求最小的附加芯片面积。因此，该方法是节省成本的，并且可以被应用于大量的用例场景（use-casescenarios）。

低阻抗路径可以是从传感器的一个端子到电子开关元件的一个端子的任何路径或连接，其可特别地使得电荷能够均衡，例如使ESD事件放电。因此，向还包括集成传感器的电路提供电子开关元件的ESD稳定性。

所述集成传感器特别地可以是连同电子开关元件一起特别地布置在与电子开关元件相同的芯片或管芯上的电流传感器或温度传感器。

电子开关元件可以是（例如，垂直）电源开关，或者其可包括至少一个（例如，垂直）电源开关。

在实施例中，集成传感器是电子开关元件的一部分。

在实施例中，将电子开关元件和集成传感器布置在单一芯片上。

在实施例中，将电子开关元件和集成传感器布置在单一芯片上，并用特别地包括至少一个介电层的至少一个电介质分离。

在实施例中，电子开关元件是垂直元件，包括

-控制端子，

-第一端子，以及

-第二端子，

-其中第一和第二端子经由施加于控制端子的信号被电耦合，并且

-其中控制端子和第一端子被布置在垂直元件的一侧，并且第二端子被布置在垂直元件的相对侧。

还可将垂直元件的相对侧连接到负载。第二端子可以是电子开关、特别是晶体管或IGBT的集电极。第一端子可以是发射极，并且控制端子可对应于IGBT的栅极或双极晶体管的基极。在MOSFET的情况下，源极可对应于第一端子且漏极可对应于第二端子。

在实施例中，电子开关元件包括以下各项中的至少一个：

-晶体管；

-MOSFET；

-IGBT；

-JFET；

-二极管；或

-垂直元件。

在实施例中，集成传感器是集成温度传感器，其被布置在电子开关元件附近。

在实施例中，集成温度传感器包括：

-至少两个二极管的串联连接，以及

-附加二极管，其中附加二极管被跨至少两个二极管的串联连接而反并联连接。

在实施例中，集成温度传感器包括：

-阻挡层，连接至少两个导电元件，

-其中，阻挡层具有正温度系数。

在实施例中，阻挡层包括以下各项中的至少一个

-镍；

-铝；

-铁；

-坡莫合金；

-铍；

-钛；

-氮化钛；

-钨；

-钛钨；

-钽；

-氮化钽；或

-铜。

在实施例中，至少两个导电元件被布置在阻挡层的顶部上。

在实施例中，经由连接到电子开关元件的发射极或源极的集成传感器的一个端子来提供低阻抗路径。

在实施例中，通过经由附加电路连接到电子开关元件的发射极或源极的集成传感器的一个端子来提供低阻抗路径。

在实施例中，附加电路包括：

-至少两个二极管的串联连接，以及

可以根据Vk＝0.7V*n而使用串联连接的数目n个二极管来调整温度传感器的阴极处的电位Vk。

在实施例中，经由欧姆电阻来提供低阻抗路径。

因此，可以提供电阻以将传感器的端子中的至少一个连接到电子开关元件的端子中的一个。

在实施例中，经由至少一个附加电子开关元件来提供低阻抗路径。

在实施例中，

-传感器的端子中的一个被连接到附加电子开关元件的发射极或源极，

-传感器的端子中的其它的被连接到附加电子开关元件的基极或栅极，以及

-附加电子开关元件的集电极或漏极被连接到电子开关元件的集电极或漏极。

在传感器是包括至少两个二极管的串联连接的温度传感器的情况下，可将串联连接的阳极连接到附加开关元件的发射极或源极，并且可将串联连接的阴极连接到附加开关元件的基极或栅极。

在实施例中，

-经由第一附加电子开关元件并经由第二附加电子开关元件来提供低阻抗路径，

-传感器的端子中的一个被连接到第一附加电子开关元件的发射极或源极和第二附加电子开关元件的基极或栅极，

-传感器的端子中的其它的被连接到第一附加电子开关元件的基极或栅极和第二附加开关元件的发射极或源极，以及

-第一附加电子开关元件的集电器或漏极和第二附加开关元件的集电极或漏极被连接到电子开关元件的集电极或漏极。

在传感器是包括至少两个二极管的串联连接的温度传感器的情况下，可将该串联连接的阳极连接到第一附加开关元件的发射极或源极（和第二附加开关元件的基极或栅极），并且可将串联连接的阴极连接到第一附加开关元件的基极或栅极（和第二附加开关元件的发射极或栅极）。

（多个）附加电子开关元件可以具有与开关元件相同的类型或不同的类型。本文提到的开关元件中的每个可特别地包括以下各项中的至少一个：晶体管；MOSFET；IGBT；JFET；二极管；垂直元件。

虽然已公开了本发明的各种示例性实施例，但对于本领域的技术人员而言将显而易见的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行将实现本发明的优点中的某些的各种改变和修改。对于本领域的合理技术人员而言将显而易见的是可适当地代替执行相同功能的其它部件。应提到的是可将参考特定附图所解释的特征与其它附图的特征组合，即使在其中未明确地提到这一点的那些情况下。此外，可在使用适当的处理器指令的所有软件实施方式中或者在利用硬件逻辑和软件逻辑的组合来实现相同结果的混合实施方式中实现本发明的方法。对本发明构思的此类修改意图被所附权利要求覆盖。

Claims

1.一种电路，包括：

-电子开关元件，

-集成传感器，以及

2.根据权利要求1所述的电路，其中集成传感器是电子开关元件的一部分。

3.根据权利要求1所述的电路，其中电子开关元件和集成传感器被布置在单一芯片上。

4.根据权利要求1所述的电路，其中电子开关元件和集成传感器被布置在单一芯片上，并且被特别地包括至少一个介电层的至少一个电介质分离。

5.根据权利要求1所述的电路，其中电子开关元件是垂直元件，包括

-控制端子，

-第一端子，以及

-第二端子，

-其中，第一和第二端子经由施加于控制端子的信号被电耦合，以及

-其中，控制端子和第一端子被布置在垂直元件的一侧，并且第二端子被布置在垂直元件的相对侧。

6.根据权利要求1所述的电路，其中电子开关元件包括以下各项中的至少一个：

-晶体管；

-MOSFET；

-IGBT；

-JFET；

-二极管；或

-垂直元件。

7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述集成传感器是集成温度传感器，其被布置在电子开关元件附近。

8.根据权利要求7所述的电路，其中集成温度传感器包括：

-至少两个二极管的串联连接，以及

-附加二极管，其中附加二极管跨至少两个二极管的串联连接被反并联连接。

9.根据权利要求7所述的电路，其中集成温度传感器包括：

-阻挡层，连接至少两个导电元件，

-其中阻挡层具有正温度系数。

10.根据权利要求9所述的电路，其中阻挡层包括以下各项中的至少一个：

-镍；

-铝；

-铁；

-坡莫合金；

-铍；

-钛；

-氮化钛；

-钨；

-钛钨；

-钽；

-氮化钽；或

-铜。

11.根据权利要求9所述的电路，其中，至少两个导电元件被布置在阻挡层的顶部上。

12.根据权利要求1所述的电路，其中，经由连接到电子开关元件的发射极或源极的集成传感器的一个端子来提供低阻抗路径。

13.根据权利要求1所述的电路，其中，通过经由附加电路连接到电子开关元件的发射极或源极的集成传感器的一个端子来提供低阻抗路径。

14.根据权利要求13所述的电路，其中，所述附加电路包括

-至少两个二极管的串联连接，以及

15.根据权利要求1所述的电路，其中，经由欧姆电阻来提供低阻抗路径。

16.根据权利要求1所述的电路，其中，经由至少一个附加电子开关元件来提供低阻抗路径。

17.根据权利要求16所述的电路，

-其中，传感器的端子中的一个被连接到附加电子开关元件的发射极或源极，

-其中，传感器的端子中的其它的被连接到附加电子开关元件的基极或栅极，以及

-其中，附加电子开关元件的集电极或漏极被连接到电子开关元件的集电极或漏极。

18.根据权利要求1所述的电路，

-其中，经由第一附加电子开关元件并经由第二附加电子开关元件来提供低阻抗路径，

-其中，传感器的端子中的一个被连接到第一附加电子开关元件的发射极或源极并且到第二附加电子开关元件的基极或栅极，

-其中，传感器的端子中的其它的被连接到第一附加电子开关元件的基极或栅极并且到第二附加开关元件的发射极或源极，以及

其中，第一附加电子开关元件的集电器或漏极和第二附加开关元件的集电极或漏极被连接到电子开关元件的集电极或漏极。