CN112798126B - 一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器 - Google Patents

一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，属于功率半导体器件技术领域。本发明的温度传感器由于碳化硅的N型和P型半导体上的压降分别是正温度系数和负温度系数，因此两个电极上的压降差随温度的变化率将被放大。本发明的温度传感器具有较大的测温范围，测温灵敏度高，并且可以单片集成于碳化硅功率半导体中，工艺兼容。该温度传感器通过P型区与主器件进行电学隔离，温度传感器和主器件之间的工作状态互相不受到影响。此外，由于P型或N型半导体中的电流较小，因此N型和P型半导体中的电流不会相互影响。

Description

一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器。
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，相对于Si材料，SiC材料具有击穿电场强度高（4×106V/cm）、载流子饱和漂移速度高(2×107cm/s)、热导率高、热稳定性好等优点，因此特别适合用于大功率、高压、高温和抗辐射的电子器件中。
SiC VDMOS是SiC功率器件中较为常用的一种器件，相对于双极型的器件，由于SiCVDMOS没有电荷存储效应，所以其拥有更好的频率特性以及更低的开关损耗。同时SiC材料的宽禁带使得SiC VDMOS的工作温度可以高达300℃。
但是SiC VDMOS存在一个比较突出的问题，即器件表面载流子迁移率很低，这是因为SiC和SiO2的界面处存在大量不饱和键以及其它缺陷，使得SiC和SiO2的界面态严重，这将导致表面电阻（沟道电阻）的增大，在此影响下沟道上产生的功耗甚至可以与漂移区比拟。由于SiC VDMOS常常工作在大电流下，所以器件的发热势必会非常严重，在过高的温度下会使得器件某些性能退化甚至造成功能失效，直到现在，限制SiC VDMOS的主要因素是封装技术和对其安全工作区域温度信息的缺乏，特别是温度对栅氧化层可靠性的影响。
技术人员可以通过测量封装温度来获得器件的温度信息，但是器件内部的温度和器件各部分的电阻紧密相关，这也将导致器件内部温度和封装温度存在差异。在器件温度的监测中可以将温度传感器在封装中和主器件分开集成，但是该方法不能最直接快速的获得器件的温度信息，并且所测得的温度不具备针对性。如果沟道电阻Rch或者JFET区电阻RJFET大，则器件表面的功耗就大，表面温度就高，而表面的高温最容易造成器件栅氧化层可靠性的降低，因此亟需一种新的对器件表面温度进行监测的方式，以便可以获得最快速准确的温度信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，针对功率半导体结温的测试需求，以及在传统温度传感器测温不准确灵敏度较低的背景下，提供一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，包括第一PAD区域1、第二PAD区域2、第三PAD区域3、P型阱区4、N型阱区5、第一金属6、第二金属7、第三金属8、第一欧姆接触区域9、第二欧姆接触区域10和第三欧姆接触区域11；
所述N型阱区5和所述第二欧姆接触区域10间隔位于所述P型阱区4中；所述欧姆接触区域9位于所述N型阱区5中；所述第三欧姆接触区域11位于所述P型阱区4中，且连接所述P型阱区4和N型阱区5；
所述第三欧姆接触区域11由第一金属6引伸到第一PAD区域1，所述第一欧姆接触区域9由第二金属7引伸到第二PAD区域2，所述第二欧姆接触区域10由第三金属8引伸到第三PAD区域3。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述P型阱区4采用铝离子注入形成。
进一步的，所述N型阱区5采用磷离子注入形成。
进一步的，所述P型阱区4的掺杂浓度为1e15cm-3至1e20cm-3，和/或，所述N型阱区5的掺杂浓度为1e15cm-3至1e19cm-3。
进一步的，所述P型阱区4的注入深度高于所述N型阱区5。
进一步的，第二欧姆接触区域10采用和所述P型阱区4相同的离子注入类型形成。
进一步的，第二欧姆接触区域10的掺杂浓度范围为1e18cm-3至1e21cm-3。
进一步的，所述第一欧姆接触区域9采用和所述N型阱区5相同的离子注入类型形成。
进一步的，所述第一欧姆接触区域9的掺杂浓度范围为1e18cm-3至1e22cm-3。
进一步的，所述第一金属6、所述第二金属7和所述第三金属8采用铝。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1. 由于N型注入和P型注入可以和主器件的其它工艺步骤同步完成，因此该温度传感器可以在工艺兼容的情况下集成到功率半导体中；
2．本发明的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器与主器件之间通过P型阱区4充分的电学隔离，彼此的工作状态不会对对方造成影响；
3. 当掺杂浓度一定时，不管是采用N型碳化硅还是P型碳化硅，其灵敏度是固定的；本发明提出了一种利用N型碳化硅和P型碳化硅表面体电阻并联的方法进行测温，当分别对两个电阻区域施加一恒定的电流，N型碳化硅上的压降是正温度系数，而P型碳化硅上的压降是负温度系数，因此若以这两个电阻上的压降之差来表征温度，那么本发明的温度传感器灵敏度为N型碳化硅灵敏度加P型碳化硅灵敏度，其值高于任一单一导电类型的碳化硅体电阻的灵敏度，因此，本发明的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器具有高灵敏度，其灵敏度高于任一现有通过体电阻进行测温的碳化硅温度传感器 。
附图说明
图1 为本发明实施例的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器的结构示意图；
图2 为本发明实施例的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器中阱区的结构示意图；
图3 为沿着图2中的剖面线AA’所绘的阱区的剖面图；
图4 为沿着图2中的剖面线BB’所绘的阱区的剖面图；
图5 为本发明实施例的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器的等效电路示意图即测温原理示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一PAD区域，2、第二PAD区域，3、第三PAD区域，4、P型阱区，5、N型阱区，6、第一金属，7、第二金属，8、第三金属，9、第一欧姆接触区域，10、第二欧姆接触区域，11、第三欧姆接触区域。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-图4所示，本发明第一实施例提供的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，包括第一PAD区域1、第二PAD区域2、第三PAD区域3、P型阱区4、N型阱区5、第一金属6、第二金属7、第三金属8、第一欧姆接触区域9、第二欧姆接触区域10和第三欧姆接触区域11；
所述N型阱区5和所述第二欧姆接触区域10间隔位于所述P型阱区4中；所述欧姆接触区域9位于所述N型阱区5中；所述第三欧姆接触区域11位于所述P型阱区4中，且连接所述P型阱区4和N型阱区5；
所述第三欧姆接触区域11由第一金属6引伸到第一PAD区域1，所述第一欧姆接触区域9由第二金属7引伸到第二PAD区域2，所述第二欧姆接触区域10由第三金属8引伸到第三PAD区域3。
本发明的工作原理为：
该温度传感器的等效电路图如图5所示，通过在第二PAD区域2上施加恒定的小电流I1，N型碳化硅上将产生压降V1；通过在第三PAD区域3上施加恒定的小电流I2，P型碳化硅上将产生压降V2。由于N型碳化硅随着温度升高晶格散射加剧，迁移率降低，导致电阻升高，因此V1将随着温度的升高而升高。
另外，由于P型碳化硅在室温下杂质不完全离化，随着温度上升，电离的杂质使得P型碳化硅的有效掺杂浓度升高，电阻降低，因此V2将随着温度的升高而降低。
若记V1随温度的变化率为S1，则S1=dV1/dT，S1为正；记V2随温度的变化率为S2，则S2=dV2/dT，S2为负。通过测试端口1和端口2两端的电压，得到V=V1-V2，则电势差V与温度T之间呈现近似线性的关系，通过拟合校准后可以通过拟合公式T=a*V+b得到器件的工作温度，其中a和b为拟合参数，而该温度传感器的灵敏度S=dV/dT=S1-S2=|S1|+|S2|，为两个半导体区域灵敏度之和。
可选地，所述P型阱区4采用铝离子注入形成。
可选地，所述N型阱区5采用磷离子注入形成。
可选地，所述P型阱区4的掺杂浓度为1e15cm-3至1e20cm-3，和/或，所述N型阱区5的掺杂浓度为1e15cm-3至1e19cm-3。
可选地，所述P型阱区4的注入深度高于所述N型阱区5。
可选地，第二欧姆接触区域10采用和所述P型阱区4相同的离子注入类型形成。
可选地，第二欧姆接触区域10的掺杂浓度范围为1e18cm-3至1e21cm-3。
可选地，所述第一欧姆接触区域9采用和所述N型阱区5相同的离子注入类型形成。
可选地，所述第一欧姆接触区域9的掺杂浓度范围为1e18cm-3至1e22cm-3。
可选地，所述第一金属6、所述第二金属7和所述第三金属8采用铝。
本发明的温度传感器存在三个电极，其中由第一PAD区域形成的第一电极同时覆盖P型区和N型区，由第二PAD区域形成的第二电极连接P型区，由第三PAD区域形成的第三电极连接N型区。该温度传感器的第一电极一般与主器件的源极或阴极短接，并且分别在第二电极和第三电极上施加小电流，此时第二电极与第三电极之间的电压差与温度之间满足近似线性的关系，通过拟合校准，可以通过测试第二电极与第三电极之间的电压差来表征器件的工作温度。由于碳化硅的N型半导体上的压降是正温度系数，P型半导体上的压降是负温系数，因此两个电极上的压降差随温度的变化率将被放大。本发明的温度传感器具有较大的测温范围，测温灵敏度高，并且可以单片集成于碳化硅功率半导体中，工艺兼容。该温度传感器通过P型区与主器件进行电学隔离，温度传感器和主器件之间的工作状态互相不受到影响。此外，由于P型或N型半导体中的电流较小，因此N型和P型半导体中的电流不会相互影响。
在本发明的说明书附图中，各部件对应的不同网格线，仅用于区分不同部件，没有结构上的含义。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，包括第一PAD区域（1）、第二PAD区域（2）、第三PAD区域（3）、P型阱区（4）、N型阱区（5）、第一金属（6）、第二金属（7）、第三金属（8）、第一欧姆接触区域（9）、第二欧姆接触区域（10）和第三欧姆接触区域（11）；
所述N型阱区（5）和所述第二欧姆接触区域（10）间隔位于所述P型阱区（4）中；所述欧姆接触区域（9）位于所述N型阱区（5）中；所述第三欧姆接触区域（11）位于所述P型阱区（4）中，且连接所述P型阱区（4）和N型阱区（5）；
所述第三欧姆接触区域（11）由第一金属（6）引伸到第一PAD区域（1），所述第一欧姆接触区域（9）由第二金属（7）引伸到第二PAD区域（2），所述第二欧姆接触区域（10）由第三金属（8）引伸到第三PAD区域（3）；
由第一PAD区域形成的第一电极同时连接P型阱区（4）和N型阱区（5），由第二PAD区域形成的第二电极连接N型阱区（5），由第三PAD区域形成的第三电极连接P型阱区（4）；分别在第二电极和第三电极上施加电流，此时第二电极与第三电极之间的电压差与温度之间满足近似线性的关系，通过拟合校准，可以通过测试第二电极与第三电极之间的电压差来表征器件的工作温度。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，所述P型阱区（4）采用铝离子注入形成。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，所述N型阱区（5）采用磷离子注入形成。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，所述P型阱区（4）的掺杂浓度为1e15cm-3至1e20cm-3，和/或，所述N型阱区（5）的掺杂浓度为1e15cm-3至1e19cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，所述P型阱区（4）的注入深度高于所述N型阱区（5）。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，第二欧姆接触区域（10）采用和所述P型阱区（4）相同的离子注入类型形成。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，第二欧姆接触区域（10）的掺杂浓度范围为1e18cm-3至1e21cm-3。
8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，所述第一欧姆接触区域（9）采用和所述N型阱区（5）相同的离子注入类型形成。
9.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，所述第一欧姆接触区域（9）的掺杂浓度范围为1e18cm-3至1e22cm-3。
10.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的碳化硅可集成温度传感器，其特征在于，所述第一金属（6）、所述第二金属（7）和所述第三金属（8）采用铝。
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