CN203414187U - 用于测量集成电路器件中的温度和电流的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于测量集成电路器件中的温度和电流的系统。实施例涉及半导体器件中的温度和电流的测量。特别地，实施例涉及单片半导体和传感器器件，其中所述半导体诸如功率半导体之类，所述传感器诸如电流或温度传感器。在实施例中，温度和/或电流感测特征被单片集成在半导体器件内。与在实际半导体器件附近或沿着实际半导体器件提供温度和电流感测但是不被集成在实际半导体器件内的常规解决方案相比，这些实施例从而可提供温度和电流的直接测量。例如，在一个实施例中，附加的层结构在后端处理中应用于功率半导体叠层。该单片集成保证了温度和/或电流的局部测量，即胜过常规的并列配置的优点。

Description

用于测量集成电路器件中的温度和电流的系统

技术领域

本发明一般地涉及集成电路，并且更特别地涉及测量集成电路器件中的电流和温度。

背景技术

用于开关或其它应用的诸如功率二极管、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）及功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）之类的功率半导体器件，在操作期间可以经历高电流和高温度。电流和温度一般都在功率器件中被测量或监控。例如，高电流可能导致散热问题，而与之相关的高温度可以导致器件故障、损坏、破坏或减少的寿命。

用于测量和监控电流与温度的常规方法包括把诸如二极管或其它电路系统的器件与功率器件集成。由于技术工艺变化以及半导体器件的非线性和不可重复特性，然而，这些方法不是非常精确的，对于温度以+/-15摄氏度（degree C）或更大来变化，而对于电流以+/-5A或更大来变化。此外，温度测量器件一般要求附加的校准以及因此的存储器，因为温度感测器件感测其相对于功率器件本身在功率器件模块中定位处的温度，而这可能不能精确地反映器件或器件的部分正经历的温度。

因此，存在对于用于感测功率半导体器件和其它半导体器件中的电流和温度的改进的器件、系统和方法的需要。

实用新型内容

实施例涉及单片半导体和传感器器件，其中所述半导体诸如功率半导体之类，所述传感器诸如电流或温度传感器。

在实施例中，单片半导体器件包括：半导体器件部分；以及传感器部分，所述传感器部分与半导体器件部分一起单片形成，且被配置为感测半导体器件部分的至少一个特性。

在实施例中，半导体器件包括：半导体器件部分；感测部分，所述感测部分被配置为感测半导体器件部分的温度或电流中的至少一个；以及隔离层，所述隔离层被耦合在半导体器件部分与感测部分之间，使得半导体器件部分、隔离层和感测部分形成单片半导体器件。

在实施例中，方法包括：形成半导体器件；形成传感器器件，以感测半导体器件的至少一个特性；形成隔离层，以耦合半导体器件和传感器器件以形成单片结构。

在实施例中，方法包括：提供单片功率半导体和感测器件；以及由感测器件来感测功率半导体器件的特性。

附图说明

结合附图，考虑到本发明的各种实施例的下面的详细描述，可更完全地理解本发明，在其中：

图1是根据实施例的单片半导体和传感器件的方框图；

图2是根据实施例的电路图；

图3A是根据实施例的电路图；

图3B是根据实施例的电路图；

图4A是根据实施例的电路图；

图4B是根据实施例的电路图；

虽然本发明适合于各种修改和可替换的形式，其细节已经借助于附图中的例子被示出，并将被详细描述。然而，应该理解的是，意图不是把本发明限于所述的特定实施例。相反，意图是，覆盖落入如由所附权利要求定义的那样的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物及可替换物。

具体实施方式

实施例涉及半导体器件中的温度和电流的测量。特别地，实施例涉及诸如功率半导体器件之类的单片半导体器件、及诸如电流或温度传感器器件之类的传感器器件。在实施例中，温度和/或电流感测特征被单片集成在半导体器件内。与在实际半导体器件附近或沿着实际半导体器件提供温度和电流感测但是不被集成在实际半导体器件内的常规解决方案相比，这些实施例从而可提供温度和电流的直接测量。例如，在一个实施例中，附加的层结构在后端处理中应用于功率半导体叠层（semiconductor stack）。该单片集成保证了温度和/或电流的局部测量，即胜过常规的并列配置的优点。

参考图1，描绘了单片半导体叠层布置100。叠层100包括诸如功率半导体器件或其它半导体器件之类的半导体结构102。虽然被描绘为单层，但是半导体结构102可包括形成特定半导体器件的结构的多个层和/或元件。例如，半导体结构100可包括功率MOSFET，IGBT或一些其它半导体器件。结构102的特定器件不限于本发明，且在器件内集成温度和/或电流感测结构和功能的概念可以可应用于大量半导体器件。在这里，功率半导体器件自始至终将被用作给定关于影响那些器件的电流和温度的特定问题的例子，但这些例子一般关于本发明的实施例决不被看作限制性的。

在实施例中，平面化和/或隔离结构104在半导体结构102上被形成。结构104，像结构102一样，可包括在实施例中的多个单独的层和/或元件，并且包括主要是隔离半导体结构102与叠层100的其它部分的功能。在实施例中，结构104包括隔离层。

在实施例中，层106-110形成与半导体器件102及隔离结构104成单片的传感器器件。在一个实施例中，传感器器件包括耦合到隔离结构104的薄金属层106。在实施例中，层106用于半导体结构102的单片集成温度和/或电流感测，且包括适合于感测叠层100中的温度和/或电流的传感器桥配置或其它结构。在实施例中，层106可为例如大约1纳米（nm）厚到大约1000nm厚。在下面在这里讨论的各向异性磁阻（AMR）实施例中，AMR元件在一些实施例中为大约20nm到大约30nm厚，虽然在其它实施例中这可以变化并且是更薄的或更厚的。

在实施例中，选择材料以考虑到小的厚度、小的感测区域覆盖面积（area footprint）及对于机械应力的低串扰（crosstalk）。在实施例中，层106可包括铂、镍铁、镍或其它合适的金属或合金。在后端或其它处理中用晶圆级上的标准薄膜处理，诸如沉积和结构化（structuring），层106可以来被添加到叠层100，以生成集成器件。还可能的是，从传感器层结构开始，然后处理功率器件，或混合（intermix）两个工艺或使用如由本领域技术人员所领会的其它合适的工艺。在其它实施例中，层106可包括诸如磁阻层（xMR）层的磁性薄膜。例如，层106可包括诸如镍铁之类的各向异性磁阻（AMR）层、巨磁阻（GMR）、隧穿磁阻（TMR，tunneling magnetoresistive）层或一些其它合适的材料。例如，在一个实施例中，AMR元件可包括大约80%的镍和大约20%的铁。如在其它实施例中那样，这些材料或结构可在后端处理中被添加到叠层100。在实施例中，可以只需要或期望测量温度，在这种情况下, 通过使用专用的设计或退火工艺步骤，可以消除对于电阻改变的磁性贡献。

叠层100还包括在层106上形成的接触层和/或接合焊盘108，其与层106一起用于测量叠层100中的温度和/或电流。在实施例中，层108包括铝、铜或一些其它合适的材料或合金。隔离层110在层108上形成。在实施例中，层110包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（SiN4）或一些其它合适的材料或合金。

在其它实施例中，层104-110可以在器件102下或者在器件102内形成。换句话说，器件102可以被形成在底部上、在顶部上，或在其它实施例中，被形成在其间。

在操作中，并且参考图2，层106的电阻随温度以线性的方式改变，使得可精确测量叠层100内的温度以及半导体器件102的温度。在图2中，层106的电阻被建模为电阻器206，且叠层100外部的测量电阻器212通过确定跨过电阻器212的电压降Vr，可用来测量那个电阻。在其它实施例中，可以使用电流降。因为层106的电阻（电阻器206）随温度的改变而改变，所以温度可在叠层100内直接测量。例如，层106的电阻（电阻器206）随着温度的增加而增加，使得如果电阻对于每100摄氏度的温度改变以30%增加，那么层106的电阻（电阻器206）将从在0摄氏度的1 k欧姆改变到在100摄氏度的1.3 k欧姆。因为电阻是非常线性的，根据测量到的电阻改变可以容易地确定叠层100的温度。

在另一个实施例中，在其中层106包括诸如AMR元件之类的xMR元件，通过使用AMR电阻器，可以测量温度。参考图3A，并且与图2的实施例类似，外部电阻器312可以被耦合到层106的AMR元件306。恒定电压V+可被输入到元件306，使得可以测量跨越电阻器312的电压降，以根据电阻的改变来确定温度。

然而，电压V+本身可引起影响器件100的温度改变。因此，在图3B的实施例中，电压V+通过复用器316可与电阻器306复用。然后，为确定独立于电压V+的温度，跨越电阻器312的两个电压降（在电压V+直接复用到电阻器312的情况下，以及在电压V+不直接复用到电阻器312的情况下）可被测量，且两个值之间的比例被确定以独立于电压V+的影响来测量温度。针对在其中它被期望的特定应用，这可以提供更高的精度。在其它实施例中，可提供恒定电流而不是恒定电压。

在这里讨论的实施例的模拟测试结果示出了，在大约-40摄氏度到大约160摄氏度的温度范围内，实施例的精度在大约+/-4摄氏度内。这是胜过常规方法的改进。此外，该改进由单片集成在叠层100内而不影响叠层100的热或操作特性的实施例所实现。除了上述改进的温度精度之外，因此实现了简化的结构、较小的器件覆盖面积等等的附加的优点。

为测量电流，并且参考图4，包括多个电阻器406的传感器桥可被形成在层108的接合焊盘408周围，以经由由那个电流所感应的磁场来测量电流。如果功率器件包括电流在其中流动的多个焊盘408，那么单独的电流可被测量，且在实施例中那些电流可被单独地评估或求和。磁场可由例如承载电流的接合线414所生成，且磁场改变了耦合在桥中（参考图4B）的传感器406中的电阻，使得电流U可被测量。

参考图4B，在实施例中，电阻器406可包括耦合在桥400中的xMR元件，诸如GMR或AMR元件之类。在实施例中，XMR元件406包括曲流（meander），且在一个配置中，接合线414中的电流改变了电阻器406中的两个的电阻，例如顶部和底部电阻器，但不改变其它两个电阻器406的电阻，例如如在图4的页面上所描绘的那样在左侧和右侧。

因而，传感器桥406的输出U与在器件中流动的电流成正比，使得电流可被测量。例如，在一个实施例中，Ua等于该电流I乘以电阻的改变。如果与由电流所感应的磁场相关的电阻的改变是约2%（例如约980欧姆到约1.2k欧姆）并且测量了Ua，那么根据那个改变和所测量的Ua可以确定电流。桥400以恒定的电压或电流驱动，诸如在实施例中Uref=约5mA。在另一个实施例中，Vref约为5V。在实施例中，桥400还可以被用来测量温度，如上面在这里所讨论。

实施例的应用可变化。例如，在IGBT开关器件中，可能期望的是，在开关阶段测量电流。在操作中，这样的器件中的电流测量可以被同步，以便在那个特定阶段收集数据，同时避免来自电路的其它部分的假象（artifact）。如同本领域的技术人员所领会的那样，在实施例的其它特定实施中，可以采取其它方法，无论是针对温度、电流还是针对两者。

从而，实施例通过单片功率和传感器器件保证了温度和/或电流的局部测量，其中所述单片功率和传感器器件提供胜过常规的并列配置的优点。在实施例中，单独的或与耦合到其的微控制器或其它合适的器件相组合的传感器器件可以被用来提供信息，所述信息包括瞬时电流值、最大电流值和/或关于时间的电流变化，或者与其相关。该信息可以被用来确定与功率器件相关的当前状态信息，以及预测功率器件的操作寿命、击穿（breakdown）或故障的可能性、或者某其它较长期特性。

系统、器件及方法的各种实施例已经在这里被描述。仅仅借助于例子给出这些实施例，而不意图限制本发明的范围。应当领会的是，此外，已经被描述的实施例的各种特征可以以各种方式组合，以产生众多附加的实施例。此外，虽然各种材料、尺寸、形状、配置和位置等已被描述，供公开的实施例使用，但是除了公开的那些之外的其它实施例可以被利用，而不超过本发明范围。

本领域的技术人员将认识到，本发明可以包括比在任何上述单独的实施例中图示的更少的特征。在这里所描述的实施例不意欲是本发明的各种实施例可以被组合的方式的穷尽的表示。因此，这些实施例不是相互排斥的特征的组合；相反，本发明可包括从不同单独的实施例中选择的不同单独的特征的组合，如由本领域的技术人员所理解的那样。此外，关于一个实施例所述的元件可在其它实施例中实施，即使当没有在这样的实施例中描述时，除非另外指出。虽然从属权利要求在权利要求书中可参考与一个或多个其它权利要求的特定组合，但是其它实施例也可包括：从属权利要求与每个其它从属权利要求的主题的组合，或者一个或多个特征与其它从属或独立权利要求的组合。在这里提出了这样的组合，除非陈述的是，特定的组合不是意图的。此外，同样意图的是，在任何其它独立权利要求中包括权利要求的特征，即使该权利要求不直接依赖于该独立权利要求。

通过引用上面的文档的任何并入被限制，使得没有与在这里的明确公开相反的主题被并入。通过引用上面的文档的任何并入进一步被限制，使得没有包括在文档中的权利要求在这里通过引用被并入。通过引用上面的文档的任何并入还进一步被限制，使得文档中提供的任何定义在这里没有通过引用被并入，除非在这里明确地包括。

为解释针对本发明的权利要求的目的，明确意图的是，35 U.S.C.的第112节第6段的规定不被援引，除非特定的术语“用于…的装置”或“用于…的步骤”在权利要求中叙述。

Claims (16)

1.一种单片半导体器件，其包括：

半导体器件部分；以及

传感器部分，其与半导体器件部分一起单片形成，且被配置为感测半导体器件部分的至少一个特性。

2.根据权利要求1所述的器件，其中，

半导体器件部分包括功率半导体器件部分。

3.根据权利要求2所述的器件，其中，

功率半导体器件部分包括绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中的一个。

4.根据权利要求2所述的器件，其中，

至少一个特性包括温度或电流。

5.根据权利要求1所述的器件，其中，

传感器部分在后端制造工艺中与半导体器件部分一起单片形成。

6.根据权利要求1所述的器件，其中，

传感器部分包括薄金属层。

7.根据权利要求6所述的器件，其中，

薄金属层包括铂、镍铁、镍或磁阻（xMR）材料中的至少一个。

8.根据权利要求7所述的器件，其中，

薄金属层包括xMR传感器桥。

9.根据权利要求6所述的器件，进一步包括耦合到薄金属层的外部电阻器元件，其中，传感器部分被配置为，通过测量跨越外部电阻器元件的电流降或电压降中的一个来感测至少一个特性。

10.根据权利要求6所述的器件，其中，

传感器部分进一步包括接触层和隔离层。

11.根据权利要求1所述的器件，其中，

传感器部分通过隔离层耦合到半导体器件部分。

12.一种半导体器件，其包括：

半导体器件部分；

感测部分，其被配置为感测半导体器件部分的温度或电流中的至少一个；以及

隔离层，其被耦合在半导体器件部分与感测部分之间，使得半导体器件部分、隔离层和感测部分形成单片半导体器件。

13.根据权利要求12所述的器件，其中，

半导体器件部分包括功率半导体器件。

14.根据权利要求13所述的器件，其中，

功率半导体器件包括绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中的一个。

15.权利要求12所述的器件，其中，

感测部分包括传感器层和接触层。

16.权利要求12所述的器件，其中，

感测部分包括传感器桥。

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