DE10155373A1 - Verfahren zum Erfassen von Strömen in einem Halbleiterbauelement mit einem Multi-Zellen-Stromsensor - Google Patents

Verfahren zum Erfassen von Strömen in einem Halbleiterbauelement mit einem Multi-Zellen-Stromsensor

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DE10155373A1 DE2001155373 DE10155373A DE10155373A1 DE 10155373 A1 DE10155373 A1 DE 10155373A1 DE 2001155373 DE2001155373 DE 2001155373 DE 10155373 A DE10155373 A DE 10155373A DE 10155373 A1 DE10155373 A1 DE 10155373A1
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Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Erfassen von Strömen in einem Halbleiterbauelement (100), wobei mindestens eine Stromsensorzelle (101) in einem aktiven Bereich (102) eines Halbleiterbauelements (100) angeordnet wird, wobei die mindestens eine Stromsensorzelle (101) an vorgebbaren lokalen Stellen in dem Halbleiterbauelement positionierbar ist, eine erste Source-Anschlusseinheit (111) der Stromsensorzelle (101) mit einem Bondanschluss (203) über Leiterbahnen (204) verbunden wird, mindestens ein Strom von einem Substrat (104) des Halbleiterbauelements (100) über die mindestens eine Stromsensorzelle (101), die erste Source-Anschlusseinheit (111) und ein Sensorwiderstandselement (113) zu einem Masseanschluss (116) durchgeleitet wird, und mindestens ein durch die mindestens eine Stromsensorzelle fließender Strom durch Abgreifen eines dem Strom entsprechenden Spannungsabfalls über dem Sensorwiderstandselement (113) erfasst wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Strömen in Halbleiterbauelementen, und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Erfassen von Strömen mit in einem Halbleiterbauelement verteilten Stromsensorzellen.
  • Eine Stromerfassung in Halbleiterbauelementen ist insbesondere bei Leistungsbauelementen wie beispielsweise VDMOS(Vertical Double-MOS)-Bauelementen, Bipolartransistoren oder IGBT-(Insulated Gate Bipolar Transistor-)- Bauelementen erforderlich. Derartige Halbleiterbauelemente weisen in herkömmlicher Weise einen Steueranschluss auf, welcher bei VDMOS-Bauelementen und IGBT-Bauelementen als ein "Gate-Anschluss" und bei Bipolartransistoren als ein "Basis-Anschluss" bezeichnet wird, und über welchen der durch das Bauelement fließende Strom zwischen zwei weiteren Elektroden "Drain-Anschluss" und "Source-Anschluss" bei VDMOS-Bauelementen, bzw. "Kollektor-Anschluss" und "Emitter-Anschluss" bei einem Bipolartransistor bzw. "Anoden- Anschluss" und "Kathoden-Anschluss" bei IGBT-Bauelementen gesteuert wird.
  • In nachteiliger Weise ist der sich einstellende Strom nicht nur von einer vorgebbaren Ansteuerung (beispielsweise über den o. a. Steueranschluss) abhängig, sondern von weiteren externen Einflüssen, wie beispielsweise einer Größe einer angeschlossenen Last bzw. eines angeschlossenen Lastelements, einem sich durch die Eigenschaften des Halbleiterbauelements und der angeschlossenen Last ergebenden Arbeitspunkt, einer Temperatur oder einem dynamischen Verhalten abhängig.
  • Es ist wünschenswert, den durch das Halbleiterbauelement fließenden Strom unabhängig von äußeren Betriebsparametern zu erfassen, um beispielsweise kritische Betriebszustände zu identifizieren und/oder den durch die Last fließenden Strom zu detektieren.
  • In herkömmlicher Weise wird zur Erfassung eines Stroms ein Teil eines aktiven Bereichs eines Halbleiterbauelements als Sensorelement eingesetzt. Eines der Verfahren zur Stromerfassung nach dem Stand der Technik ist in M. Kudoh et al., ISPSD'95 Conference Proc., S. 119 ff. beschrieben.
  • Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Halbleiterbauelement 100 mit einem aktiven Bereich 102, in welchem eine Stromsensorzelle 101 untergebracht ist. Der aktive Bereich 102 besteht aus einer Vielzahl parallel geschalteter identischer aktiver Zellen und einer Stromsensorzelle 101, deren Ausgangssignal über die erste Source-Anschlusseinheit der Stromsensorzelle 101 und eine Leiterbahn 204 zu einem aus Metall bestehenden Bondanschluss 203 geleitet wird, wobei das Ausgangssignal anschließend mittels Bonds abgegriffen werden kann.
  • Die Source-seitige Kontaktierung der parallel geschalteten aktiven Zellen (beispielsweise VDMOS-Zellen) wird über einen Source-Bondbereich 202 der zweiten Source- Anschlusseinheit 112 bereitgestellt, wobei die aktive Zelle (VDMOS-Zelle) über den Gate-Bondbereich 201 angesteuert wird, wobei diese Metallisierung in herkömmlicher Weise mit einer aus Polysilizium bestehenden Gate-Elektrode 110 verbunden ist.
  • Beispielsweise sind die aktiven Zellen bzw. die VDMOS- Zellen gitterartig ausgebildet, wobei die Gate-Elektrode 110 durch ein Dielektrikum 109 vom übrigen Halbleiterbauelement und einer ersten Source-Anschlusseinheit 111 und der zweiten Source-Anschlusseinheit 112 isoliert ist. Ein Bereich 106 dient als p-Bereich, ein Bereich 107 als ein p+-Kontaktdiffusionsbereich und ein Bereich 108 als n+- Source-Bereich. Das Substrat ist als ein n+-Substrat 104 ausgebildet, welches auf der Drain-Elektrode 105 angeordnet ist.
  • Eine externe Beschaltung des Halbleiterbauelements 100 besteht, wie in Fig. 1 gezeigt wird, aus einem Lastelement 114, welches zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss 117 und der Drain-Elektrode 105 geschaltet ist. Die zweite Source-Anschlusseinheit 112 der mindestens einen aktiven Zelle in dem aktiven Bereich 102 ist mit einem Masseanschluss 116 verbunden.
  • Die erste Source-Anschlusseinheit 111 der Stromsensorzelle 101 ist über ein Sensorwiderstandselement 113 mit dem Masseanschluss 116 verbunden. Wird das Halbleiterbauelement über die Gate-Elektrode 110 aktiviert, d. h. es fließt ein Drain-Strom durch das Lastelement 114, die Drain-Elektrode 105, das Substrat 104, ein Driftgebiet 103, die an der Oberseite der p-Bereiche 106 mittels Influenz erzeugten MOS-(Metall-Oxid-Silizium-)-Kanäle, die Source-Bereiche 108 zu der ersten Source-Anschlusseinheit 111 der Stromsensorzelle 101 bzw. zu der zweiten Source-Anschlusseinheit 112 der mindestens einen aktiven Zelle.
  • Ein zu der ersten Source-Anschlusseinheit 111 der Stromsensorzelle 101 fließender Strom entspricht dabei idealerweise einem mit dem Flächenverhältnis zwischen der Stromsensorzelle 101 und allen übrigen aktiven Zellen gewichteten Gesamtstrom, der durch einen über dem Sensorwiderstandselement 113 erzeugten Spannungsabfall 115 erfassbar ist.
  • In nachteiliger Weise gilt eine o. a. Gewichtung mit einem Flächenverhältnis bzw. eine Proportionalität nur, so lange die Betriebsbedingungen für die Stromsensorzelle 101 sehr ähnlich denen sämtlicher anderer Zellen sind.
  • Aufgrund steigender Anforderungen an Durchlassströme und niedrigere Einschaltwiderstände ist es wünschenswert, bei Halbleiter-Leistungsbauelementen größere Chip-Flächen zu realisieren.
  • Hierbei ist es unzweckmäßig, eine einzelne Stromsensorzelle anzuordnen, da aufgrund unterschiedlicher Temperatur- Bedingungen und Prozessschwankungen über der Chip-Fläche der Strom durch eine einzelne Stromsensorzelle keinen zuverlässigen Rückschluss auf den Gesamtstrom durch das Halbleiterbauelement (insbesondere Halbleiter- Leistungsbauelement) zulässt.
  • In nachteiliger Weise sind Anforderungen an eine Genauigkeit einer Strommessung zunehmend höher, was eine Stromerfassung mit einer einzelnen Stromsensorzelle in vielen Fällen ausschließt.
  • Fig. 2 zeigt ein Halbleiterbauelement nach dem Stand der Technik, das unter Bezugnahme auf Fig. 1 obenstehend beschrieben wurde, in einer Draufsicht.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen von Strömen in einem Halbleiterbauelement bereitzustellen, bei welchem die Nachteile des Standes der Technik dadurch vermieden werden, dass eine hochgenaue Strommessung auf der Basis verteilter mehrfacher Stromsensorzellen in dem Halbleiterbauelement durchgeführt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren sowie durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, nicht nur ein einziges Stromsensorelement innerhalb eines aktiven Bereichs eines Halbleiterbauelements einzusetzen, sondern in dem aktiven Bereich des Halbleiterbauelements verteilt angeordnete Bereiche des Halbleiterbauelements als Stromsensorzellen bereitzustellen, welche untereinander und mit einem gemeinsamen Bondanschluss 203 über Metallbahnen verbunden sind. Weiterhin wird eine zweite Source- Anschlusseinheit 112 im Wesentlichen strahlenförmig auf einen Source-Bondbereich zulaufend angeordnet.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff "Source" für andere Halbleiterbauelemente bzw. Halbleiter- Leistungsbauelemente sinngemäß durch beispielsweise "Emitter-Anschluss", "Kathoden-Anschluss" etc. zu ersetzen ist.
  • Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ohne einen wesentlich erhöhten Prozessaufwand ausführbar sind.
  • Es ist weiter zweckmäßig, dass mit den über den aktiven Bereich eines Halbleiterbauelements verteilten Stromsensorzellen über dem Chip variierende Stromdichteverteilungen erfassbar sind.
  • In vorteilhafter Weise kann eine aufwendige Zweilagenmetallisierung vermieden werden.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Halbleiterbauelementen mit großer Chip- Fläche und mehreren Source-Bondbeteichen 202 eingesetzt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen von Strömen in einem Halbleiterbauelement weist im Wesentlichen die folgenden Schritte auf:
    • a) Anordnen von mindestens einer Stromsensorzelle in einem aktiven Bereich eines Halbleiterbauelements, wobei die mindestens eine Stromsensorzelle an vorgebbaren lokalen Stellen in dem Halbleiterbauelement positionierbar ist;
    • b) Verbinden einer ersten Source-Anschlusseinheit der Stromsensorzelle mit einem Bondanschluss über Leiterbahnen;
    • c) Durchleiten mindestens eines Stroms von einem Substrat des Halbleiterbauelements über die mindestens eine Stromsensorzelle, die erste Source-Anschlusseinheit und ein Sensorwiderstandselement zu einem Masseanschluss; und
    • d) Erfassen des mindestens einen, durch die mindestens eine Stromsensorzelle fließenden Stroms durch Abgreifen eines dem Strom entsprechenden Spannungsabfalls über dem Sensorwiderstandselement.
  • In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden variierende Stromdichteverteilungen mit mindestens zwei Stromsensorzellen erfassbar.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden die Stromsensorzellen zur Erfassung von Stromdichteverteilungen strahlenförmig angeordnet.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung bewirkt ein durch die mindestens eine Stromsensorzelle fließender Strom an dem mindestens einen Sensorwiderstandselement mindestens einen dem Strom proportionalen Spannungsabfall, welcher als ein Ausgangssignal der mindestens einen Stromsensorzelle ausgebbar ist.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird durch ein monolithisch integriertes Sensorwiderstandselement eine Wandlung der Summe der Ströme durch die Stromsensorzellen in einen einem Summenstrom entsprechenden Spannungsabfall bewirkt.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden die durch die Stromsensorzellen fließenden Ströme externen Sensorwiderstandselementen zur Weiterverarbeitung zugeführt.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird jeder einzelnen der verteilten Stromsensorzellen ein entsprechendes Sensorwiderstandselement zugeordnet, wobei in vorteilhafter Weise der entsprechende Strom über den entstehenden Spannungsabfall als ein Ausgangssignal weiterverarbeitbar ist.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird ein Massebezugspotential an einem mit der zweiten Source-Anschlusseinheit verbundenen Bezugspotentialbondanschluss bereitgestellt, so dass ein Massebezugspotential nicht außerhalb mit Hilfe eines Masseanschlusses realisiert werden muss, was schaltungstechnische Vorteile mit sich bringt.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird eine einzige Metallisierungsebene bereitgestellt. In vorteilhafter Weise sind die Stromsensorzellen sternförmig verteilt und untereinander sowie mit einem Bondanschluss mittels Leiterbahnen verbunden, wobei es durch eine strahlenförmige Anordnung ermöglicht wird, die erste Source-Anschlusseinheit, die zweite Source-Anschlusseinheit, die Leiterbahnen und die Bondbereiche in Form einer Einlagenmetalisierung auszuführen.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird ein Massepotentialbezugspunkt bzw. ein Masseanschluss nicht mehr außerhalb des Halbleiterbauelements angelegt, sondern das Bezugspotential für das Sensorsignal wird vielmehr direkt auf dem Halbleiterbauelement mittels einer an die zweite Source- Anschlusseinheit angeschlossenen Bezugspotentialleiterbahn abgegriffen und einem Bezugspotentialbondanschluss zugeführt, wobei in vorteilhafter Weise der Bezugspotentialbondanschluss und die Bezugspotentialleiterbahn nicht von einem durch ein Lastelement fließenden Laststrom durchsetzt werden, so dass Fehler im Bezugspotential, die andernfalls durch Spannungsabfälle über den Source-Bondbereich und einen den Source-Bondbereich kontaktierenden Bond auftreten würden, vermieden werden.
  • Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement weist weiterhin auf:
    • a) ein Substrat;
    • b) einen aktiven Bereich, der aus mindestens einer aktiven Zelle gebildet ist;
    • c) mindestens eine in dem aktiven Bereich angeordnete Stromsensorzelle zur Erfassung von Strömen durch das Halbleiterbauelement; und
    • d) mindestens ein Sensorwiderstandselement zur Wandlung des durch die mindestens eine Stromsensorzelle fließenden Stroms in einen dem Strom proportionalen Spannungsabfall.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement mit einer Stromsensorzelle nach dem Stand der Technik;
  • Fig. 2 eine Draufsicht des in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Halbleiterbauelements;
  • Fig. 3a ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit verteilten Stromsensorzellen in einer Draufsicht;
  • Fig. 3b das in Fig. 3a in einer Draufsicht gezeigte erfindungsgemäße Halbleiterbauelement, wobei die Stromsensorzellen mit Leiterbahnen verbunden gezeigt sind;
  • Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit mehrfachen Stromsensorzellen für große Chip-Flächen, wobei ein Source-Bondbereich geteilt ist; und
  • Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit mehrfachen Stromsensorzellen, wobei ein Massepotentialbezugspunkt direkt auf dem Halbleiterbauelement abgreifbar ist.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
  • Fig. 3a zeigt eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement mit mehrfachen Stromsensorzellen am Beispiel eines VDMOS- Transistors.
  • Ein aktiver Bereich des in Fig. 3a gezeigten Halbleiterbauelements besteht aus einem Bereich mit einer Vielzahl parallel geschalteter, im allgemeinen identischer aktiver Zellen, welche jeweils einen mit einem Source-Bondbereich 202 (Source-Bondpad) aufweisenden zweiten Source- Anschlusseinheit 112 verbunden sind. Weiterhin ist eine Vielzahl von Stromsensorzellen 101 vorhanden, die mittels einer zweiten Metallisierungsebene untereinander und mit einem Bondanschluss 203 verbunden sind.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass eine hier eingesetzte Zweilagenmetallisierung nach dem Stand der Technik ausgeführt ist, so dass eine Beschreibung hierin weggelassen wird. Die aktiven Zellen des aktiven Bereichs sind hierbei in vorteilhafter Weise als parallel angeordnete VDMOS-Zellen ausgebildet. Ferner ist es möglich, die aktiven Zellen des aktiven Bereichs als identische, parallel angeordnete Zellen auszubilden.
  • Die mindestens eine Stromsensorzelle 101 ist zweckmäßigerweise identisch zu den aktiven Zellen in dem aktiven Bereich aufgebaut.
  • Die aktiven Zellen und die Stromsensorzellen 101 in dem aktiven Bereich 102 (beschrieben unter Bezugnahme auf Fig. 1) können in ihrer zur Drain-Elektrode parallelen Schnittansicht quadratisch, kreisförmig, rechteckig oder als ein beliebiges Vieleck ausgebildet sein.
  • Weiterhin ist die mindestens eine Stromsensorzelle 101 in dem aktiven Bereich 102 des Halbleiterbauelements 100 beliebig positionierbar. In Fig. 3a ist eine Darstellung der an die zweite Source-Anschlusseinheit 112 angeschlossenen VDMOS-Zellen, d. h. der aktiven Zellen des aktiven Bereichs 102 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen, so dass nur der Bondanschluss 203, die verteilten Stromsensorzellen 101, der Source-Bondbereich 202 und der Gate-Bondbereich 201 sowie der Rand des Halbleiterbauelements gezeigt sind. Die Summe der durch die Stromsensorzellen 101 fließenden Ströme kann als ein Ausgangssignal über den Bondanschluss 203 abgegriffen werden, wobei die Summe der Ströme über ein externes Sensorwiderstandselement 113 geleitet wird, um einen der Summe der Ströme proportionalen Spannungsabfall 115 zu bewirken, welcher als Ausgangssignal zur Verfügung steht.
  • Weiterhin kann ein monolithisch integriertes Sensorwiderstandselement 113 bereitgestellt werden, mit welchem es möglich ist, die Summe der Ausgangsströme der Stromsensorzellen 101 direkt in einen proportionalen Spannungsabfall 115 zu wandeln, welcher zwischen dem Bondanschluss 203 und dem Source-Bondbereich 202 abgreifbar ist.
  • Insbesondere, jedoch nicht beschränkt darauf, ist das Sensorwiderstandselement 113 als ein ohmscher Widerstand ausgebildet. Weiterhin kann jeder Stromsensorzelle 101 ein eigenes Sensorwiderstandselement 113 zugeordnet werden. Die source-seitige Kontaktierung der mittels der zweiten Source-Anschlusseinheit 112 parallel geschalteten VDMOS-Zellen wird über den Source-Bondbereich 202 sichergestellt.
  • Fig. 3b zeigt das in Fig. 3a dargestellte Halbleiterbauelement in einer Ansicht, bei der die die sternförmig verteilten Stromsensorzellen verbindenden Leiterbahnen 204 sowie beispielhaft ein Sensorwiderstandselement 113 gezeigt sind.
  • Der aktive Bereich 102 des in Fig. 3b dargestellten VDMOS- Halbleiterbauelements mit einer als "Multi-Zellen- Stromsensor" ausgeführten Stromsensorzellenanordnung besteht aus einem Bereich mit einer Vielzahl parallel geschalteter identischer aktiver Zellen, welche sämtlich mit einer zweiten Source-Anschlusseinheit 112 verbunden sind, und einer Vielzahl von (hier sternförmig) angeordneten Stromsensorzellen 101, die mittels der Leiterbahn 204 untereinander und mit dem aus Metall bestehenden Bondanschluss 203 verbunden sind.
  • Wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 3a erläutert, können die Stromsensorzellen 101 sowie die übrigen aktiven Zellen im aktiven Bereich 102 dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform in ihrer zur Drain-Elektrode 105 parallelen Schnittansicht quadratisch, kreisförmig, rechteckig oder beliebig vieleckig ausgebildet sein. Falls ein monolithisch integriertes Sensorwiderstandselement 113, wie unter Bezugnahme auf Fig. 3a beschrieben, vorhanden ist, wandelt dieses die Summe der Ausgangsströme der Stromsensorzellen 101 in einen proportionalen Spannungsabfall 115 um, welcher zwischen dem Bondanschluss 203 und dem Source-Bondbereich 202 abgreifbar ist.
  • Wie in Fig. 3b gezeigt, sind die Stromsensorzellen 101 zur Erfassung des Stromes bzw. einer Stromdichteverteilung über der Fläche des Halbleiterbauelements strahlenförmig angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass eine beliebige, geometrisch optimierte Anordnung der Stromsensorzellen 101 über dem aktiven Bereich 102 des Halbleiterbauelements 100 realisierbar ist. Ein Gate-Bondbereich 201 dient einer Ansteuerung des VDMOS-Halbleiterbauelements, wobei diese Metallisierung üblicherweise mit der aus im allgemeinen aus Polysilizium bestehenden Gate-Elektrode 110 (vgl. Fig. 1) verbunden ist.
  • Die unter Bezugnahme auf Fig. 3b beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dahingehend modifizierbar, dass eine einzige Metallisierungsebene - als Einlagenmetallisierung bezeichnet - bereitgestellt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Stromsensorzellen 101 sternförmig verteilt und untereinander sowie mit dem Bondanschluss 203 mittels Leiterbahnen 204 verbunden. Durch die gezeigte strahlenförmige Anordnung ist es möglich, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Anschlusseinheiten, d. h. die erste Source-Anschlusseinheit 111 sowie die zweite Source-Anschlusseinheit 112, die Leiterbahnen 204und die Bondbereiche, d. h. den Gate-Bondbereich 201, den Source-Bondbereich 202 und den Bondanschluss 203 mittels einer einzigen Metallisierungsebene auszuführen. Diese Einlagenmetalisierung weist den Vorteil einer erheblichen prozesstechnischen Vereinfachung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements auf.
  • In einer in Fig. 4 dargestellten, weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ist eine Anordnung von Stromsensorzellen 101 dargestellt, welche zwei getrennte Source-Bondbereiche 202 umfasst. Diese Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Ströme durch Halbleiterbauelemente 100 mit sehr großen Flächen erfasst werden müssen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement nicht auf eine Anordnung mit ein oder zwei Source-Bondbereichen 202 beschränkt ist, sondern dass im allgemeinen beliebig viele Source-Bondbereiche 202 bereitgestellt werden können. In Fig. 4 sind strahlenförmig angeordnete Stromsensorzellen 101 gezeigt, die auf jeweils einen der beiden Source- Bondbereiche 202 zulaufen. Die übrigen Elemente der in Fig. 4 gezeigten Anordnung entsprechen dem in Fig. 3b gezeigten Halbleiterbauelement 100.
  • Die zweite Source-Anschlusseinheit 112 von aktiven Zellen im aktiven Bereich 102 ist mit dem Masseanschluss 116 verbunden, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert. Weiterhin ist die erste Source-Anschlusseinheit 111 der mindestens einen Stromsensorzelle 101 über das Widerstandselement 113 mit dem Masseanschluss 116 verbunden. Eine Auswerteeinheit zur Signalaufbereitung kann monolithisch integriert auf dem Halbleiterbauelement 100 ausgebildet werden.
  • Fig. 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Halbleiterbauelements 100 mit mehrfachen Stromsensorzellen 101 am Beispiel eines VDMOS-Transistors, wobei gegenüber der in Fig. 3b gezeigten Ausführungsform eine weiter erhöhte Genauigkeit bereitgestellt wird. Wie in Fig. 5 gezeigt, liegt ein Massepotentialbezugspunkt bzw. ein Masseanschluss 116 nicht mehr außerhalb des Halbleiterbauelements, sondern das Bezugspotential für das Sensorsignal wird vielmehr direkt auf dem Halbleiterbauelement mittels einer an die zweite Source-Anschlusseinheit angeschlossenen Bezugspotentialleiterbahn 502 abgegriffen und einem Bezugspotentialbondanschluss 501 zugeführt, wobei der Bezugspotentialbondanschluss 501 und die Bezugspotentialleiterbahn 502 nicht von einem durch das Lastelement 114 (siehe Fig. 1) fließenden Laststrom durchflossen werden.
  • Hierbei entfällt in vorteilhafter Weise ein Fehler im Bezugspotential, der andernfalls durch Spannungsabfälle über den Source-Bondbereich 202 und eine den Source-Bondbereich 202 kontaktierenden Bond auftreten würde. Die weiteren Komponenten entsprechen den unter Bezugnahme auf Fig. 3b beschriebenen.
  • Bezüglich dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten, herkömmlichen Halbleiterbauelement mit Stromsensorzellen zur Erfassung von Strömen durch das Halbleiterbauelement wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. BEZUGSZEICHENLISTE In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
    100 Halbleiterbauelement
    101 Stromsensorzelle
    102 Aktiver Bereich
    103 Driftbereich
    104 Substrat
    105 Drain-Elektrode
    106 p-Bereich
    107 p+-Kontaktdiffusionsbereich
    108 Source-Bereich
    109 Dielektrikum
    110 Gate-Elektrode
    111 Erste Source-Anschlusseinheit
    112 Zweite Source-Anschlusseinheit
    113 Sensorwiderstandselement
    114 Lastelement
    115 Spannungsabfall
    116 Masseanschluss
    117 Versorgungsspannungsanschluss
    201 Gate-Bondbereich
    202 Source-Bondbereich
    203 Bondanschluss
    204 Leiterbahn
    501 Bezugspotentialbondanschluss
    502 Bezugspotentialleiterbahn

Claims (30)

1. Verfahren zum Erfassen von Strömen in einem Halbleiterbauelement (100), mit den Schritten:
a) Anordnen von mindestens einer Stromsensorzelle (101) in einem aktiven Bereich (102) eines Halbleiterbauelements (100), wobei die mindestens eine Stromsensorzelle (101) an vorgebbaren lokalen Stellen in dem Halbleiterbauelement (100) positionierbar ist;
b) Verbinden einer ersten Source-Anschlusseinheit (111) der Stromsensorzelle (101) mit einem Bondanschluss (203) über Leiterbahnen (204);
c) Durchleiten mindestens eines Stroms von einem Substrat (104) des Halbleiterbauelements (100) über die mindestens eine Stromsensorzelle (101), die erste Source- Anschlusseinheit (111) und ein Sensorwiderstandelement (113) zu einem Masseanschluss (116); und
d) Erfassen des mindestens einen, durch die mindestens eine Stromsensorzelle (101) fließenden Stroms durch Abgreifen eines dem Strom entsprechenden Spannungsabfalls (115) über dem Sensorwiderstandselement (113).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens zwei Stromsensorzellen (101) variierende Stromdichteverteilungen erfassbar sind.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensorzellen (101) zur Erfassung von Stromdichteverteilungen strahlenförmig angeordnet werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die mindestens eine Stromsensorzelle (101) fließender Strom an dem mindestens einen Sensorwiderstandselement (113) mindestens einen dem Strom proportionalen Spannungsabfall (115) bewirkt, der als ein Ausgangssignal der mindestens einen Stromsensorzelle (101) ausgebbar ist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein monolithisch integriertes Sensorwiderstandselement (113) die Summe der Ströme durch die Stromsensorzellen (101) in einen einem Summenstrom entsprechenden Spannungsabfall (115) wandelt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Stromsensorzellen (101) fließende Ströme externen Sensorwiderstandselementen (113) zur Weiterverarbeitung zugeführt werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Stromsensorzellen (101) ein Sensorwiderstandselement (113) zur Weiterverarbeitung zugeordnet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massebezugspotential nicht außerhalb des Halbleiterbauelements (100), sondern an einem mit der zweiten Source- Anschlusseinheit (202) verbundenen Bezugspotentialbondanschluss (501) bereitgestellt wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Metallisierungsebene bereitgestellt wird, wobei die Stromsensorzellen (101) sternförmig verteilt und untereinander sowie mit einem Bondanschluss (203) mittels Leiterbahnen (204) verbunden sind, wobei durch eine strahlenförmige Anordnung die erste Source-Anschlusseinheit (111), die zweite Source-Anschlusseinheit (112), die Leiterbahnen (204) und die Bondbereiche (201, 202, 203) in Form einer Einlagenmetalisierung ausgebildet werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massepotentialbezugspotential als ein Masseanschluss (116) direkt auf dem Halbleiterbauelement (100) mittels einer an die zweite Source-Anschlusseinheit (112) angeschlossenen Bezugspotentialleiterbahn (502) abgegriffen und einem Bezugspotentialbondanschluss (501) zugeführt wird, wobei der Bezugspotentialbondanschluss (501) und die Bezugspotentialleiterbahn (502) von einem durch ein Lastelement (114) fließenden Laststrom nicht durchflossen werden.
11. Halbleiterbauelement (100) mit:
a) einem Substrat (104);
b) einem aktiven Bereich (102), der aus mindestens einer aktiven Zelle gebildet ist;
c) mindestens einer in dem aktiven Bereich (102) angeordneten Stromsensorzelle (101) zur Erfassung von Strömen durch das Halbleiterbauelement (100); und
d) mindestens einem Sensorwiderstandselement (113) zur Wandlung des durch die mindestens eine Stromsensorzelle (101) fließenden Stroms in einen dem Strom proportionalen Spannungsabfall (115).
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Zellen des aktiven Bereichs (102) als gitterartig parallel angeordnete VDMOS-Zellen ausgebildet sind.
13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Zellen des aktiven Bereichs (102) als identische, parallel angeordnete Zellen ausgebildet sind.
14. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromsensorzelle (101) identisch zu den aktiven Zellen in dem aktiven Bereich (102) aufgebaut ist.
15. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorwiderstandselement (113) als ein ohmscher Widerstand ausgebildet ist.
16. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorwiderstandselement (113) monolithisch integriert auf dem Halbleiterbauelement (100) ausgebildet ist.
17. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lastelement (114) zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss (117) und eine Drain-Elektrode (105) des Halbleiterbauelements (100) geschaltet ist.
18. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastelement (114) als eine induktive Last ausgebildet ist.
19. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Source-Anschlusseinheit (112) von aktiven Zellen im aktiven Bereich (102) mit dem Masseanschluss (116) verbunden ist.
20. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Source-Anschlusseinheit (111) der mindestens einen Stromsensorzelle (101) über das Sensorwiderstandselement (113) mit dem Masseanschluss (116) verbunden ist.
21. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromsensorzelle (101) innerhalb dem aktiven Bereichs (102) des Halbleiterbauelements (100) beliebig positionierbar ist.
22. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromsensorzelle (101) in ihrer zur Drain-Elektrode (105) parallelen Schnittansicht quadratisch ist.
23. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromsensorzelle (101) in ihrer zur Drain-Elektrode (105) parallelen Schnittansicht kreisförmig ist.
24. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromsensorzelle (101) in ihrer zur Drain-Elektrode (105) parallelen Schnittansicht rechteckig ist.
25. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromsensorzelle (101) in ihrer zur Drain-Elektrode (105) parallelen Schnittansicht ein beliebiges Vieleck ausbildet.
26. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Source-Anschlusseinheit (112) strahlenförmig auf einen Source-Bondbereich (202) zulaufend ausgebildet ist.
27. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass für große Halbleiterbauelemente (100) mehrere Source- Bondbereiche (202) mit jeweils mehreren zweiten Source- Anschlusseinheiten (112) angeordnet sind, die jeweils strahlenförmig auf die entsprechenden Source-Bondbereiche (202) zulaufend ausgebildet sind.
28. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit zur Signalaufbereitung monolithisch integriert auf dem Halbleiterbauelement (100) ausgebildet ist.
29. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Source-Anschlusseinheit (111), die zweite Source- Anschlusseinheit (112), die Leiterbahnen (204) und die Bondbereiche (201, 202, 203) in einer einzige Metallisierungsebene ausgeführt sind.
30. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massepotentialbezugspotential als ein Masseanschluss (116) direkt auf dem Halbleiterbauelement (100) mittels einer mit der zweiten Source-Anschlusseinheit (112) verbundenen Bezugspotentialleiterbahn (502) zugeführt ist.
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