CN107301947B - 带温度检测的功率半导体器件及其制作方法 - Google Patents
带温度检测的功率半导体器件及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种带温度检测的功率半导体器件，通过在第一导电类型衬底的正面形成有相互连接的第一金属区和第二金属区，且所述第一金属区和第二金属区在相同的温度下可以产生不同的感应电势，当需要进行温度检测时，只需要将从第一金属区引出的第一金属电极和从第二金属区引出的第二金属电极与外部电流检测元件连接形成回路，通过检测回路中的电流即可检测功率半导体器件的温度，根据本发明实施例中的功率半导体器件，热量的传递无需通过功率器件到传导介质再到温度检测元件的热传导路径，能够更准确的检测功率半导体器件的温度。
Description
技术领域
本发明属于基本电气元件领域，涉及半导体器件，特别涉及一种带温度检测的功率半导体器件及其制作方法。
背景技术
功率器件具有响应速度快，过大电流，导通压降低，控制简单等特点，但是由于半导体的温度特性限制，只能工作的某一特定的温度区间，超过这一温度区间后很易造成不可逆的失效。现在功率器件的温度检测往往是通过外置在功率器件附近放置热敏电阻，通过检测热敏电阻上的电流来判断热敏电阻的温度，然后再利用热敏电阻的温度近似评估功率器件的温度。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：利用热敏电阻来检测功率器件的温度是一种间接检测的方式，由于热阻及传导环境和功率器件发热功率的差异，热敏电阻与功率器件之间的温度差异并不是固定的，因此，通过附近的热敏电阻来评估功率器件的温度误差往往很大，往往不能及时有效的检测反馈，不能及时的保护功率器件。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种带温度检测的功率半导体器件及其制作方法，该功率半导体器件的温度检测单元内置在功率半导体器件的内部，热量的传递无需通过功率器件到传导介质再到温度检测元件的热传导路径，能够更准确、及时的检测功率半导体器件的温度。
为了实现本发明的目的，一方面，本发明的实施例提供了一种带温度检测的功率半导体器件，第一导电类型衬底的正面形成有相互连接的第一金属区和第二金属区，从所述第一金属区引出有第一金属电极，从所述第二金属区引出有第二金属电极，所述第一金属电极与第二金属电极之间通过绝缘层隔离，且所述第一金属区和第二金属区在相同的温度下可以产生不同的感应电势。
根据本发明的实施例，通过在第一导电类型衬底的正面形成有相互连接的第一金属区和第二金属区，且所述第一金属区和第二金属区在相同的温度下可以产生不同的感应电势，当需要进行温度检测时，只需要将从第一金属区引出的第一金属电极和从第二金属区引出的第二金属电极与外部电流检测元件连接形成回路，通过检测回路中的电流即可检测功率半导体器件的温度。根据本发明实施例中的功率半导体器件，通过将温度检测单元内置在功率半导体器件的内部，热量的传递无需通过功率器件到传导介质再到温度检测元件的热传导路径，能够更准确、及时的检测功率半导体器件的温度。
优选地，所述第一金属区和第二金属区通过高温熔融相互连接。
优选地，所述第一金属区的材质为铂铑合金、镍铬合金或铜。
优选地，所述第一金属区的材质为铂铑合金、所述第二金属区的材质为铂；或者所述第一金属区的材质为镍铬合金、所述第二金属区的材质为镍硅合金；或者所述第一金属区的材质为铜、第二金属区的材质为铜镍合金。
优选地，所述第一金属区的形状为矩形，所述第二金属区的形状为矩形，所述第一金属区的厚度为0.1um-10um，所述第二金属区的厚度为0.1um-10um。
优选地，所述第一金属区和第二金属区被所述绝缘层包绕，且所述绝缘层内第一金属区的上方设置有第一开口，所述绝缘层内第二金属区的上方设置有第二开口，所述第一开口内填充有第一金属电极，所述第二开口内填充有第二金属电极。
优选地，所述绝缘层为半导体氧化物层。
优选地，所述第一金属区和第二金属区与第一导电类型衬底之间形成有隔离层，所述隔离层为绝缘氧化物半导体层。
优选地，还包括形成在所述第一导电类型衬底内的第二导电类型的阱区和形成在所述阱区内的第一导电类型的源区。
为了实现本发明的目的，另一方面，本发明的实施例提供了一种带温度检测的功率半导体器件的制作方法，包括如下步骤：提供第一导电类型衬底；在所述第一导电类型衬底的正面形成隔离层，再在所述隔离层之上通过淀积、蒸发或溅射的工艺形成第一金属层，然后通过湿法或干法刻蚀形成第一金属区；在所述绝缘层之上通过淀积、蒸发或溅射的工艺形成第二金属层，然后通过湿法或干法刻蚀形成与所述第二金属区；通过高温熔融的工艺将所述第一金属区和第二金属区相互连接，且所述第一金属区和第二金属区在相同的温度下可以产生不同的感应电势；在所述第一金属区和第二金属区之上淀积一层绝缘层，然后用湿法或干法刻蚀工艺在绝缘层内第一金属区的上方形成第一开口，所述绝缘层内第二金属区的上方形成第二开口；在所述绝缘层之上利用蒸镀或溅射等工艺完成淀积第一金属电极层，然后通过湿法或干法等工艺完成引出电极的刻蚀，形成第一金属电极和第二金属电极。
根据本发明实施例的一种带温度检测的功率半导体器件的制作方法，通过将温度检测单元内置在功率半导体器件的内部，热量的传递无需通过功率器件到传导介质再到温度检测元件的热传导路径，能够更准确、及时的检测功率半导体器件的温度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的N型带温度检测的功率半导体器件的剖面示意图；
图2a-2l是本发明实施例的N型带温度检测的功率半导体器件的一系列制作工艺完成后的剖面示意图；
101 衬底层；102多晶硅层；103隔离层；104源区；105P型阱区；106~第一金属层；106第一金属区；107~第二金属层；107第二金属区；108绝缘层；109沉积金属层；110第一金属电极；111第二金属电极；112集电极区。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“正”、“背”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
需要说明的是，本发明以下各实施例均以N型功率半导体器件为例进行说明，对于P型功率半导体器件，可以参照本发明实施例，相应改变掺杂类型即可，在此不再赘述。
图1是本发明一个实施例中N型带温度检测的功率半导体器件的剖面示意图，图中仅仅是示意的给出了各区域的尺寸，具体的尺寸可以根据器件参数的要求进行设计。
从图1中可见，本实施例中N型带温度检测的功率半导体器件包括：N型衬底101，N型衬底101的正面形成有相互连接的第一金属区106和第二金属区107，从第一金属区106引出有第一金属电极110，从第二金属区107引出有第二金属电极111，第一金属电极110与第二金属电极111之间通过绝缘层108隔离以防止第一金属电极110与第二金属电极111相互短接在一起，且第一金属区106和第二金属区107在相同的温度下可以产生不同的感应电势。也就是说，第一金属区106和第二金属区107分别由对温度具有不同感应特性的金属或合金组成，当有一定热量施加在第一金属区106和第二金属区107时，第一金属区106和第二金属区107上会产生不同的感应电势，当第一金属区106和第二金属区107通过引出的电极与外部电流检测元件形成回路时，会在回路中形成感应电流，通过检测感应电流的大小，就可以检测到功率半导体器件上的温度。这种将温度检测单元内置在功率半导体器件的内部，热量的传递无需通过功率器件到传导介质再到温度检测元件的热传导路径，能够更准确、及时的检测功率半导体器件的温度。
作为本实施例的一优选实施方式，第一金属区106和第二金属区107可以通过高温熔融的工艺来相互连接,如图1所示，第一金属区106和第二金属区107部分贴合在一起，通过高温熔融后，第一金属区106和第二金属区107贴合的部位形成为合金，此时，第一金属区106和第二金属区107相互连接在一起。第一金属区106与第二金属区107的材质是任意的，只要在相同的温度下可以产生不同的感应电势即可。优选地，第一金属区106的材质为铂铑合金、镍铬合金或铜；与之对应的第二金属区107的材质为铂、镍硅合金或铜镍合金。也就是说，当第一金属区106为铂铑合金时，第二金属区107为铂，当第一金属区106为镍铬合金时，第二金属区107为镍硅合金，当第一金属区106为铜时，第二金属区107为铜镍合金。当然也可以将第一金属区106和第二金属区107的材质相互调换也是可以的，即当第二金属区107为铂铑合金时，第一金属区106为铂，当第二金属区107为镍铬合金时，第一金属区106为镍硅合金，当第二金属区107为铜时，第一金属区106为铜镍合金。第一金属区106和第二金属区107的形状也可以是任意的，优选地，第一金属区106的形状为矩形，第二金属区107的形状为矩形，第一金属区106的厚度为0.1um-10um，第二金属区107的厚度为0.1um-10um。
具体地，第一金属区106和第二金属区107被绝缘层108包绕，且绝缘层108内第一金属区106的上方设置有第一开口A，绝缘层108内第二金属区107的上方设置有第二开口B，第一开口A内填充有第一金属电极110，第二开口B内填充有第二金属电极111。绝缘层108可以为任意的包含绝缘材料的层，优选地，绝缘层108为半导体氧化物层。
更进一步地，第一金属区106和第二金属区107与N型衬底101之间形成有隔离层103，隔离层103为绝缘氧化物半导体层，在隔离层103之上形成多晶硅层102；在N型衬底101内形成有P型阱区105，在P型阱区105内形成有的N型的源区104；在绝缘层108之形成有第一金属电极层109，第一金属电极层109与第一金属电极110和第二金属电极111均隔离开，其中，发射极可以由第一金属电极层109引出；同时，在N型衬底101的背面形成有集电极区112，集电极可以从集电极区112引出。
根据本发明的实施例，通过在N型衬底101的正面形成相互连接的第一金属区106和第二金属区107，且第一金属区106和第二金属区107在相同的温度下可以产生不同的感应电势，当需要进行温度检测时，只需要将从第一金属区106引出的第一金属电极110和从第二金属区107引出的第二金属电极111与外部电流检测元件连接形成回路，通过检测回路中的电流即可检测功率半导体器件的温度。根据本发明实施例中的功率半导体器件，通过将温度检测单元直接内置在功率半导体器件的内部，热量的传递无需通过功率器件到传导介质再到温度检测元件的热传导路径，能够更准确、及时的检测功率半导体器件的温度。
本发明还提供了一种N型带温度检测的功率半导体器件的制造方法，在本发明的一实施例中，N型带温度检测的功率半导体器件是指衬底101为N型， 下面结合图2a-2l说明N型带温度检测的功率半导体器件的工艺步骤，具体如下：
S11：如图2a所示，提供具有轻掺杂的N型衬底101。
S12：如图2b所示，在N型衬底101的正面形成隔离层103，在隔离层103之上形成多晶硅层102，以及在N型衬底101内通过离子注入的方式形成P型阱区105和在P型阱区105内形成源区104，其中，源区104为N型掺杂。
如图2c所示，再在隔离层103之上通过淀积、蒸发或溅射的工艺形成第一金属层106~，然后通过湿法或干法刻蚀形成第一金属区106，第一金属区106位于隔离层103上方且远离P型阱区105，如图2d所示。本发明所指正面是指N型衬底101的上表面，背面是指N型衬底101的下表面。
S13：同样的，如图2e和2f所示，在隔离层103之上通过淀积、蒸发或溅射的工艺形成第二金属层107~，然后通过湿法或干法刻蚀形成第二金属区107，第一金属区106和第二金属区107紧邻在一起。
S14：如图2g所示，通过高温熔融的工艺将第一金属区106和第二金属区107相互连接，第一金属区106和第二金属区107相互连接的地方形成为合金，且第一金属区106和第二金属区107在相同的温度下可以产生不同的感应电势。优选地，第一金属区106的材质为铂铑合金、镍铬合金或纯铜，第二金属区107的材质为铂、镍硅合金或铜镍合金。
S15：如图2h和2i所示，在第一金属区106和第二金属区107之上淀积一层绝缘层108，然后用湿法或干法刻蚀工艺在绝缘层108内第一金属区106的上方形成第一开口A，绝缘层108内第二金属区107的上方形成第二开口B；
S16：如图2j和2k所示，在绝缘层108之上利用蒸镀或溅射等工艺完成淀积第一金属电极层109，然后通过湿法或干法等工艺完成引出电极的刻蚀，形成第一金属电极110和第二金属电极111。其中，发射极可以由第一金属电极层109引出。
S17：如图2l所示，减薄N型衬底101，在N型衬底101的背面形成集电极区112，集电极可以从集电极区112引出。形成集电极区112的方法优选为：蒸镀。减薄的方法可以是任何基片减薄技术，具体可以是但不限于研磨、化学机械抛光、干法刻蚀、电化学腐蚀或湿法腐蚀方法，优选采用研磨方法。
根据本发明的实施例的制作方法，通过将温度检测单元内置在功率半导体器件的内部，热量的传递无需通过功率器件到传导介质再到温度检测元件的热传导路径，能够更准确的检测功率半导体器件的温度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种带温度检测的功率半导体器件，其特征在于，第一导电类型衬底的正面形成有相互连接的第一金属区和第二金属区，从所述第一金属区引出有第一金属电极，从所述第二金属区引出有第二金属电极，所述第一金属电极与第二金属电极之间通过绝缘层隔离，且所述第一金属区和第二金属区在相同的温度下产生不同的感应电势，所述第一金属区和第二金属区被所述绝缘层包绕，且所述绝缘层内第一金属区的上方设置有第一开口，所述绝缘层内第二金属区的上方设置有第二开口，所述第一开口内填充有第一金属电极，所述第二开口内填充有第二金属电极，所述第一金属电极和第二金属电极与外部电流检测元件连接形成回路，通过检测所述回路中的电流大小来检测功率半导体器件的温度。
2.如权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一金属区的材质为铂铑合金、镍铬合金或铜。
3.如权利要求2所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一金属区的材质为铂铑合金、所述第二金属区的材质为铂；或者所述第一金属区的材质为镍铬合金、所述第二金属区的材质为镍硅合金；或者所述第一金属区的材质为铜、第二金属区的材质为铜镍合金。
4.如权利要求3所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一金属区和第二金属区通过高温熔融相互连接。
5.如权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一金属区的形状为矩形，所述第二金属区的形状为矩形，所述第一金属区的厚度为0.1um-10um，所述第二金属区的厚度为0.1um-10um。
6.如权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述绝缘层为半导体氧化物层。
7.如权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一金属区和第二金属区与第一导电类型衬底之间形成有隔离层，所述隔离层为绝缘氧化物半导体层。
8.如权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，还包括形成在所述第一导电类型衬底内的第二导电类型的阱区和形成在所述阱区内的第一导电类型的源区。
9.如权利要求1所述的功率半导体器件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供第一导电类型衬底；
在所述第一导电类型衬底的正面形成隔离层，再在所述隔离层之上通过淀积、蒸发或溅射的工艺形成第一金属层，然后通过湿法或干法刻蚀形成第一金属区；
在所述隔离层之上通过淀积、蒸发或溅射的工艺形成第二金属层，然后通过湿法或干法刻蚀形成与所述第二金属区；
通过高温熔融的工艺将所述第一金属区和第二金属区相互连接，且所述第一金属区和第二金属区在相同的温度下产生不同的感应电势；
在所述第一金属区和第二金属区之上淀积一层绝缘层，然后用湿法或干法刻蚀工艺在绝缘层内第一金属区的上方形成第一开口，所述绝缘层内第二金属区的上方形成第二开口；
在所述绝缘层之上利用蒸镀或溅射工艺完成淀积第一金属电极层，然后通过湿法或干法工艺完成引出电极的刻蚀，形成第一金属电极和第二金属电极。
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