CN109341880B - 一种环形温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形温度传感器，用于测量晶体管的温度，包括：按由内而外顺序依次设置在所述晶体管的有源区的环形P型重掺杂区、环形N型重掺杂区、环形阳极、环形N阱区以及环形P阱区；以及环形阴极，所述环形阴极设置在所述环形N型重掺杂区；其中，所述环形阴极与所述晶体管的源极短路设置。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种环形温度传感器。
背景技术
宽禁带半导体材料SiC是制备高压电力电子器件的理想材料，但是SiC功率器件相对于硅基功率器件而言鲁棒性较差，为了提高SiC功率器件的栅氧化层可靠性，我们需要密切关注器件温度的变化，从而降低栅氧化层的性能退化。
目前，用于采集SiC的温度传感器主要有两类，一类是利用PN结势垒上的压降和温度的线性关系进行测温；第二类是利用肖特基势垒上的压降和温度的线性关系进行测温，此类传感器功耗更低。
但是现报道的利用上述原理测温的温度传感器不能完全解决其与主器件之间的串扰问题，因而无法实时地监测温度。此外这类温度传感器均利用局部温度反映芯片整体温度，不能得到温度最高点的温度。
发明内容
为了解决上述问题的至少一个方面，本发明提供了一种环形温度传感器，用于测量晶体管的温度，包括：
按由内而外顺序依次设置在所述晶体管的有源区的环形P型重掺杂区、环形N型重掺杂区、环形阳极、环形N阱区以及环形P阱区；以及环形阴极，所述环形阴极设置在所述环形N型重掺杂区；
其中，所述环形阴极与所述晶体管的源极短路设置。
进一步地，所述环形阳极采用肖特基接触。
进一步地，所述环形阴极采用欧姆接触。
进一步地，所述环形N阱区通过N离子掺杂形成。
进一步地，所述N离子的掺杂浓度为5E17～1E18cm-3。
进一步地，所述环形P阱区通过Al离子掺杂形成。
进一步地，所述Al离子的掺杂浓度为1E16～2E8cm-3。
进一步地，所述环形P型重掺杂区的环宽为1μm～3μm。
进一步地，所述环形N型重掺杂区的环宽为1μm～3μm。
进一步地，所述传感器还包括与所述环形阳极连接的阳极焊盘，所述阳极焊盘向所述环形P型重掺杂区延伸。
与现有技术相比，本发明具有以下优点之一：
1、本发明提供的温度传感器集成在晶体管有源区的边缘，用于更准确的测温精度。
2、利用P阱区和N阱区形成双重电学隔离，可以将温度传感器与晶体管进行隔离，完全消除了两者之间的串扰。
3、通过温度传感器独立的电极，可以为其不间断地提供工作电流，能够实时监测晶体管的温度，且晶体管的漏极电压对温度传感器的工作状态不会造成任何影响。
4、用于集成温度传感器的工艺兼容度高，其所需要的P阱、N阱、N型重掺杂区和P型重掺杂区均可以在制作晶体管时同时完成掺杂，从而大幅度的减少了工艺步骤。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1为本发明实施例提供的温度传感器的俯视图；
图2为本发明实施例提供的温度传感器的剖视图；
图3为本发明实施例提供的温度传感器在不同电流Id的作用下的V-T特性曲线族以及其线性拟合曲线族；
图4为本发明实施例提供的温度传感器在VDMOS的漏极电压不同时的V-T特性曲线对比图；
图5为VDMOS集成温度传感器前后的击穿特性曲线对比图；
图6为本发明实施例提供的温度传感器的等效电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明实施例提供的温度传感器的工作原理是利用肖特基接触进行测温。通过在温度传感器的阳极加一恒定电流Id，当温度升高时，肖特基势垒降低，肖特基势垒上的正向压降V随温度的升高而下降，这时，利用正向压降V与温度T之间的线性关系，通过正向压降V确定温度T。本发明实施例提供的温度传感器将肖特基接触设置的阳极，并将其设置成环型以包裹有源区，并且将欧姆接触设置的阴极与晶体管的源极短接，这样，形成了许多肖特基二极管的并联。而这些肖特基二极管上的温度的不同导致其压降也各不相同，但是温度传感器上的压降取决于压降最低的肖特基二极管，这样得到是有源区的最高温度。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式做详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
如图1所示，本发明的实施例提供的温度传感器100可以包括按由内而外顺序依次设置在晶体管的有源区的环形P型重掺杂区7、环形N型重掺杂区6、环形阳极8、环形N阱区5以及环形P阱区4。
在本实施例中，环形P型重掺杂区7、环形N型重掺杂区6、环形阳极8、环形N阱区5以及环形P阱区4可以是如图1所述的矩形环状结构。在其他实施例中，也可以是其他环状结构，例如圆形环状结构。
图1所示的温度传感器100还包括设置在环形N型重掺杂区6的环形阴极9。环形阴极9在本实施例中为矩形环状结构。在其他实施例中，也可以是其他环状结构，例如圆形环状结构。
在本实施例中，环形阴极9与晶体管的源极金属111短路设置。如图1所示，为了使环形阴极9与晶体管的源极金属111能够短接，可以通过一金属片或其他导电材料将晶体管的源极与环形阴极9连接。
优选的，环形阴极9可以采用欧姆接触设置，并且可以采用金属Ni制成环形阴极9，厚度可以是2μm。
优选的，环形阳极8可以采用肖特基接触设置，并且可以采用金属材料Ti或Al制成环形阳极8，厚度为2μm。优选采用功函数为4.33ev的金属Ti。
图1示出的环形N阱区5可以通过N离子补偿掺杂形成箱型分布，掺杂浓度可以为5E17～1E18cm-3。而环形P阱区4则可以通过Al离子注入掺杂形成近高斯分布，掺杂浓度可以为1E16～2E18cm-3，峰值浓度为2E18cm-3，峰值浓度深度为0.5μm。
图1示出的环形P型重掺杂区7，可以采用欧姆接触设置，并通过Al离子注入并形成箱形分布，掺杂浓度可以为2E19cm-3，环形P型重掺杂区7的环宽可以是1μm～3μm。
图1示出的环形N型重掺杂区6，可以采用欧姆接触设置，并通过N离子注入并形成箱形分布，掺杂浓度可以为1E19cm-3。环形N型重掺杂区6的环宽可以是1μm～3μm。
在本实施例中，温度传感器100还包括与环形阳极8连接的阳极焊盘81，阳极焊盘81向环形P型重掺杂区7延伸。由于阳极焊盘81的延伸导致环形P型重掺杂区7和环形N型重掺杂区6无法形成完整的环形结构，即其均存在一个缺口，缺口的宽度与阳极焊盘81的宽度一致。
如图1所示，通过同心设置的环形P型重掺杂区7、环形N型重掺杂区6、环形阳极8、环形N阱区5以及环形P阱区4可以将晶体管的栅极焊盘112、源极金属111、源极焊盘113包裹，并位于终端区内部，这样，使得温度传感器100集成在晶体管有源区的边缘，可以更加准确的测量晶体管的温度。
这样的布局可以等效为如图6所示的多个肖特基二极管(D1-Dn)并联的形式。当温度传感器100施加一恒定工作电流Id时，温度传感器100上的压降取决于诸多并联的肖特基二极管中压降最低的一个，此压降最低的肖特基二极管所反映的温度也恰恰是有源区上最高的温度。
图2示出了温度传感器100的剖视图。如图2所示，温度传感器100可以设置在晶体管的外延层3上，而外延层3可以设置在衬底2上，衬底2可以设置在漏极1上。
在本实施例中，漏极1可以采用金属Ni。衬底2可以为N型掺杂，掺杂浓度可以为2E19cm-3，厚度可以为4μm。外延层3的厚度可以为30.25μm。
如图1所示，环形P型重掺杂区7、环形N型重掺杂区6、环形N阱区5以及环形P阱区4均位于外延层3的内部，而环形阳极8和环形阴极9位于外延层3的上方且二者的其中一部分均向远离外延层3的方向延伸，这样可以在这部分与外延层3之间形成氧化层10。并且环形阴极9与晶体管11的源极接触，以满足短路的设置要求。
如图1所示，环形P型重掺杂区7、环形N型重掺杂区6、环形N阱区5均位于环形P阱区4的内部。
为了得到温度传感器100的V-T特性曲线以及研究晶体管对温度传感器100的影响以及温度传感器100对晶体管的影响，发明人以VDMOS为例做了相应实验，实验结果如图3-图5所示。
图3示出了温度传感器100在施加的恒定工作电流Id分别为10μA、50μA、0.1mA、0.5mA、1mA、2mA、3mA时的V-T特性曲线族以及其线性拟合曲线族，从图中可以看出，本发明实施例提供的温度传感器100在此工作电流跨度内的测温线性度R2均大于0.995。
图4示出了温度传感器100在VDMOS的漏极1电压Vd分别为5V、1200V、3300V，工作电流Id为10μA时的V-T特性曲线对比图，在此条件下对温度传感器100阳极施加10uA工作电流，并得到其V-T特性曲线族。从图4可以看出，VDMOS的漏极1电压Vd并未对温度传感器100的测温线性度造成任何影响。
图5示出了VDMOS在集成温度传感器100前后的击穿特性曲线，从图5可以看出，温度传感器100在集成到VDMOS后，并未对VDMOS的击穿特性造成任何影响。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下一个或多个优点：
1、本发明提供的温度传感器集成在晶体管有源区的边缘，用于更准确的测温精度。
2、利用P阱区和N阱区形成双重电学隔离，可以将温度传感器与晶体管进行隔离，完全消除了两者之间的串扰。
3、通过温度传感器独立的电极，可以为其不间断地提供工作电流，能够实时监测晶体管的温度，且晶体管的漏极电压对温度传感器的工作状态不会造成任何影响。
4、用于集成温度传感器的工艺兼容度高，其所需要的P阱、N阱、N型重掺杂区和P型重掺杂区均可以在制作晶体管时同时，完成掺杂，从而大幅度的减少了工艺步骤。
对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种环形温度传感器，用于测量晶体管的温度，包括：
按由内而外顺序依次设置在所述晶体管的有源区的环形P型重掺杂区、环形N型重掺杂区、环形阳极、环形N阱区以及环形P阱区；
环形阴极，所述环形阴极设置在所述环形N型重掺杂区，所述环形阴极与所述晶体管的源极短路设置；以及
阳极焊盘，所述阳极焊盘与所述环形阳极连接，所述阳极焊盘向所述环形P型重掺杂区延伸；
其中，环形P型重掺杂区和环形N型重掺杂区均存在一个缺口，缺口的宽度与阳极焊盘的宽度一致；环形P型重掺杂区、环形N型重掺杂区、环形阳极、环形N阱区以及环形P阱区同心设置，将所述晶体管的栅极焊盘、源极金属、源极焊盘包裹，使得温度传感器集成在所述晶体管有源区的边缘；
所述温度传感器设置在晶体管的外延层上，而外延层设置在衬底上，衬底设置在漏极上；环形P型重掺杂区、环形N型重掺杂区、环形N阱区以及环形P阱区均位于外延层的内部，而环形阳极和环形阴极位于外延层的上方且二者的其中一部分均向远离外延层的方向延伸；环形P型重掺杂区、环形N型重掺杂区、环形N阱区均位于环形P阱区的内部。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述环形阳极采用肖特基接触。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述环形阴极采用欧姆接触。
4.如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于，所述环形N阱区通过N离子掺杂形成。
5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述N离子的掺杂浓度为5E17～1E18cm-3。
6.如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于，所述环形P阱区通过Al离子掺杂形成。
7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述Al离子的掺杂浓度为1E16～2E18cm-3。
8.如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于，所述环形P型重掺杂区的环宽为1μm～3μm。
9.如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于，所述环形N型重掺杂区的环宽为1μm～3μm。
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