DE102004021393A1 - Feldeffekt-Leistungstransistor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Feldeffekt-Leistungstransistor, bei dem in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer mitten im Zellenfeld gebildeten Temperatur- und/oder Stromerfassungseinrichtung Gebiete mit Transistorzellen angeordnet sind, deren W/L-Verhältnis ihrer Kanalweite (W) zu ihrer Kanallänge (L) erhöht ist und die somit als Vorwarnstufe dienen und bei Stromfilamentierungseffekten stets eine kurze Zeit früher filamentieren als potenzielle Stromfilamente im Zellenfeld (110).
Description
- Die Erfindung betrifft einen Feldeffekt -Leistungstransistor, der ein Zellfeld aus einer Vielzahl von Transistorzellen mit Gateelektroden und mit Body- und Sourceelektrodenbereichen und wenigstens eine im Halbleiterkörper integrierte Temperatur- und/oder Stromerfassungseinrichtung aufweist.
- Bisherige DMOS-Transistoren weisen ein möglichst homogen ausgebildetes Zellenfeld auf. Da jedoch stets leichte Fertigungsschwankungen vorliegen, sind die Zellen eines großen Zellenfeldes nie perfekt identisch. Dies führt dazu, dass in Betriebszuständen, in denen Stromfilamentierungen auftreten können, wie zum Beispiel in Anwendungen bei Linearreglern (SOA-Bereich) oder bei Avalancheeffekten (Einschalten des parasitären Bipolartransistors bzw. Temperaturerhöhung bis zur Eigenleitung) immer die ungünstigsten (schwächsten) Zellen das Stromfilament sehr lokal begrenzt ausbilden. Dabei ist der genaue Ort des Auftretens der schwächsten Zelle bzw. des Stromfilaments nicht vorhersagbar und somit statistisch zufällig im großen Zellenfeld verteilt.
- Zur Bildung eines Überlastschutzes für Leistungstransistoren sehen bisherige Konzepte Temperatur- oder Stromsensoren vor, die am Rande oder mitten im Zellenfeld des Leistungstransistors platziert werden. Da bei den zumeist planaren Bauelementen, zum Beispiel Dioden oder Bipolartransistoren von Temperaturerfassungseinrichtungen sowohl voll sperrende Randabschlüsse vom Leistungstransistorzellenfeld und der Temperaturerfassungsstruktur als auch ein zusätzlicher Schutzring nötig sind, damit das Transistorzellenfeld und die Temperaturerfassungsstruktur nicht elektrisch sondern nur thermisch gekoppelt sind, liegt die übliche Temperaturerfassungseinrichtung und das Zellenfeld, in dem die Wärme erzeugt wird, meist etwa 70 bis 100 μm entfernt voneinander. Dies hat zur Folge, dass sich über diese Distanz ein großer Temperaturgradient aufbaut und dadurch nicht die wahre Temperatur im Zellenfeld sondern eine deutlich niedrigere Temperatur in der Temperaturerfassungseinrichtung detektiert wird. Dies wiederum führt häufig zu verspätetem Abschalten, so dass das Bauteil entweder schon ganz zerstört ist oder Schädigungen erhält, die zu Zuverlässigkeitsproblemen führen.
-
DE 38 31 012 A1 schlägt zur Verbesserung dieser Situation vor, möglichst mitten im Zellenfeld einen Polysiliziumwiderstand als Temperaturerfassungseinrichtung zu platzieren. Hier ist die Nähe zur Wärmequelle unmittelbar gegeben. Allerdings unterliegt der Polysiliziumwiderstand, wenn er in einem Graben ausgebildet ist, großen Fertigungsschwankungen im Bereich von ca. ±30 %, so dass hier mit einem Referenzpolysiliziumwiderstand im Randbereich des Chips gearbeitet werden muss. Dieser benötigt zusätzlichen Platz, verursacht weitere Kosten und kann auch stets nur relative Temperaturänderungen zwischen Chiprand und Zellenfeld detektieren. Liegen Betriebsbedingungen vor, die das Zellenfeld relativ langsam (zum Beispiel über mehrere 100 μs) aufheizen, so liegt der Chiprand auch nicht mehr auf der kalten Referenztemperatur, sondern ist auch schon in unbekanntem Maße aufgeheizt. Hieraus ergibt sich eine große Unsicherheit bezüglich der "wahren" Temperatur im Zellenfeld. - Durch die oben beschriebenen Stromfilamentierungen hat ein im Zellenfeld platzierter Temperatursensor stets den großen Nachteil, dass er ein irgendwo nicht vorhersagbar im Zellenfeld zufällig auftretendes Stromfilament nur sehr verzögert oder gar nicht detektiert, wodurch das Bauelement nicht mehr rechtzeitig abgeschaltet werden kann und zerstört wird.
- Nach dem oben Gesagten ist es Aufgabe, einen wirkungsvollen Überlastschutz für Feldeffekt-Leistungstransistoren bereitzustellen, der das Erreichen einer kritischen Temperatur/einer kritischen Stromstärke sehr schnell detektieren kann, so dass der Leistungstransistor rechtzeitig vor seiner thermischen Selbstzerstörung abgeschaltet werden kann, selbst dann, wenn der potenzielle Ort der Überhitzung (Stromfilamentierung) inhomogen ist und statistisch im Zellenfeld auftritt.
- Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
- Gemäß einem wesentlichen Aspekt ist ein erfindungsgemäßer Feldeffekt-Leistungstransistor dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- und/oder Stromerfassungseinrichtung jeweils in einem ausgewählten Sensegebiet innerhalb des Zellenfeldes gebildet ist und dass die in wenigstens einem dem Sensegebiet unmittelbar benachbartem Gebiet des Zellenfeldes liegenden Transistorzellen ein gegenüber den sonstigen Transistorzellen des Zellenfeldes erhöhtes W/L-Verhältnis ihrer Kanalweite zu ihrer Kanallänge aufweisen.
- Somit wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die potenziellen Stromfilamente durch gezielte Layouts – oder Prozesseingriffe direkt in die Nachbarschaft der Temperaturerfassungs- oder Stromerfassungseinrichtung zu platzieren. Dies geschieht durch das gegenüber den sonstigen Transistorzellen des Zellenfeldes erhöhte W/L-Verhältnis der Kanalweite W zur Kanallänge L der Transistorzellen, die sich in wenigstens einem unmittelbar an den die Stromerfassungseinrichtung bzw. Temperaturerfassungseinrichtung aufweisenden ausgewählten Sensegebiet angrenzenden Transistorzellen befinden.
- Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein erfindungsgemäßer Feldeffekt-Leistungstransistor dadurch gekennzeichnet, dass das Zellenfeld in eine Vielzahl von Zellenfeldstreifen gegliedert ist. Bei einem derartigen Feldeffekt-Leistungstransistor sind bevorzugt die Gateelektroden innerhalb von in einem Halbleiterkörper eingebrachten Gräben und die Body- und Sourceelektrodenbereiche in den zwischen den Gräben liegenden Zellenfeldstreifen angeordnet.
- Bevorzugt sind die Temperatur- und/oder Stromerfassungseinrichtungen jeweils in einem ausgewählten Sensegraben oder einer ausgewählten Sensemesa gebildet und die in ihrem W/L-Verhältnis erhöhten Transistorzellen liegen in wenigstens einem dem Sensegraben bzw. der Sensemesa benachbarten Zellenfeldstreifen.
- Wie gesagt ist das W/L-Verhältnis dieser an den Sensegraben angrenzenden Zellenfeldstreifen liegenden Transistorzellen nur leicht erhöht, zum Beispiel um annähernd 5 bis 20 %. Während bei einem üblichen Feldeffekt-Leistungstransistor zum Beispiel ein W/L-Verhältnis von 1,5 zu 1 vorliegt, kann das vergrößerte W/L-Verhältnis zum Beispiel 1,75 zu 1 betragen.
- Im Falle der Anwendung bei Linearreglern (SOA-Fall) filamentieren die Zellen mit erhöhtem W/L früher als diejenigen mit regulärem großflächig ausgebildetem W/L. Auch im Avalanchefall zündet der parasitäre Bipolartransistor bei größerem Bodypinchgebiet unter der n+-Source früher, so dass in beiden Fällen quasi die schwächsten Zellen bewusst erzeugt wurden und bewusst direkt in die Nachbarschaft des die Temperatur- bzw. Stromerfassungseinrichtung enthaltenden Sensegrabens bzw. Sensemesa platziert wurden. Dadurch kann die Temperaturerfassungseinrichtung oder Stromerfassungseinrichtung schnellstmöglich auf potenzielle Filamentierungen reagieren und schon dann abschalten, bevor eine Filamentierung im großen Zellenfeld auftritt. Um die Temperatur- bzw. Stromerfassungseinrichtung im Hinblick auf ihre Reaktionsschnelligkeit optimal zu platzieren, ist die Nähe zum Gateanschlusspad zu bevorzugen. Da jedoch der Chiprand stets auf etwas niedrigerer Temperatur ist als die Mitte des Zellenfelds, ist eine Position, die tendenziell zur Zellenfeldmitte hin liegt, sinnvoll. Um die Reaktionen des großen Zellenfeldes gegenüber dem in seinem W/L-Verhältnis erhöhten Teil etwas zu dämpfen, können optional noch kleine Widerstände in die Gatezuleitungen eingebracht werden.
- Im Falle einer Stromerfassungseinrichtung befindet sich im Sensegraben bzw. der Sensemesa ein FET-Transistor, und im Falle einer Temperaturerfassungseinrichtung weist der Sensegraben bzw. die Sensemesa eine Diode, einen Bipolartransistor oder einen Widerstand auf.
- Die Erfindung ist auf alle DMOS-Technologien (planar und Trench) anwendbar. Bei Trenchtechnologien mit einzelnen isolierten Trenchstreifen ist die erfindungsgemäße Struktur relativ einfach integrierbar, da hier schnell reagierende Temperatur- oder Stromerfassungseinrichtungen realisiert werden können. Der mit der Temperatur- oder Stromerfassungseinrichtung versehene Sensegraben oder die Sensemesa und die benachbarten Zellen werden auf dem Chip bevorzugt in Gebieten angeordnet, in denen die Erwärmung am größten ist, wie schon erwähnt, annähernd in der Mitte des Zellenfeldes. Die Anzahl der benachbarten Zellen mit erhöhtem W/L-Verhältnis ist prinzipiell beliebig, die Erhöhung des W/L-Verhältnisses kann variieren und so weit erhöht werden, dass sich noch eine sinnvolle (Rest-) Avalanchefestigkeit ergibt (falls dies in der Anwendung überhaupt gefordert wird; einige Anwendungen werden aktiv gezenert und erreichen dadurch den Avalanchefall gar nicht). Das selbe Prinzip ist auch auf Stromerfassungseinrichtungen anwendbar, die zum Abschalten benutzt werden. Der Stromsensor würde einen erhöhten Strom detektieren und ebenfalls früher abschalten.
- Die obigen und weitere vorteilhafte Merkmale werden insbesondere anhand von Ausführungsbeispielen einer Temperaturerfassungseinrichtung in Form von Bipolartransistoren in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, die sich auf die beiliegende Zeichnung bezieht. Die Zeichnungsfiguren zeigen im Einzelnen:
-
1 eine schematische Aufsicht auf ein Zellenfeld eines Feldeffekt-Leistungstransistors mit einer in einem Sensegraben in der Nähe des Gatean schlusspads tendenziell in Richtung zur Chipmitte hin angeordneten Temperatur- oder Stromerfassungseinrichtung, wobei rechts und links dem Sensegraben unmittelbar benachbarte Zellenfeldstreifen mit Transistorzellen mit erhöhten W/L-Verhältnis ausgeführt sind; -
2 schematisch eine Aufsicht auf ein Zellenfeld eines Feldeffekt-Leistungstransistors, bei dem eine Temperatur- oder Stromerfassungseinrichtung in einem annähernd in der Mitte des Zellenfelds befindlichen Sensegraben angeordnet ist und bei dem zwei diesem Graben links und rechts direkt benachbarte Zellenfeldstreifen mit erhöhtem W/L-Verhältnis ausgeführt sind; -
3 eine Detailansicht des umrahmten Bereichs X in1 in schematischer Draufsicht; -
4A eine schematische Schrägaufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines Feldeffekt-Leistungstransistors, bei dem in einem mitten im Zellenfeld liegenden besonderen Sensegraben ein Bipolartransistor als Temperaturerfassungseinrichtung angeordnet ist; -
4B eine schematische Schrägaufsicht auf eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels des Feldeffekt-Leistungstransistors, bei dem ein als Temperaturerfassungseinrichtung dienender Bipolartransistor in einer mitten im Zellenfeld liegenden ausgewählten Sensemesa angeordnet ist; -
5 eine schematische Schrägaufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Feldeffekt-Leistungstransistors mit einer Temperaturerfassungseinrichtung in Form eines Bipolartransistors, der in einem mitten im Zellenfeld liegenden besonderen Sensegraben gebildet ist; -
6 eine schematische Schrägaufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines Feldeffekt-Leistungstransistors einer Temperaturerfassungseinrichtung, die in Form eines Bipolartransistors ausgeführt ist, der in einem besonderen Sensegraben mitten im Zellenfeld gebildet ist; -
7 schematisch einen Querschnitt längs der Schnittebene S-S in5 und -
8 eine schematische Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Feldeffekt-Leistungstransistors einer als Bipolartransistor ausgeführten und in einem besonderen Sensegraben gebildeten Temperaturerfassungseinrichtung. - Die nachstehende Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Feldeffekt-Leistungstransistors bezieht sich beispielhaft auf eine DMOS-Struktur, die ein Zellenfeld aus einer Vielzahl von streifenförmigen Transistorzellen aufweist und bei der in in einen Halbleiterkörper eingebrachten Gräben Gateelektroden und zwischen den Gräben Body- und Sourceelektrodenbereiche der Transistorzellen gebildet sind. Dabei weist wenigstens ein besonderer in oder in der Nähe der Zellenfeldmitte liegender Sensegraben im Halbleiterkörper eine Temperatur- oder Stromerfassungseinrichtung auf. Wie schon erwähnt, umfasst die Erfindung alternativ zur Temperaturerfassungseinrichtung auch eine Stromerfassungseinrichtung, die ebenfalls in einem ausgewählten Sensegraben im Zellenfeld gebildet ist, die aber nicht detailliert dargestellt und beschrieben ist.
- Gemäß
1 , die eine schematische Aufsicht auf ein Zellenfeld110 eines ersten Ausführungsbeispiels eines Feldeffekt- Leistungstransistors, insbesondere DMOS-Transistors zeigt, besteht das Zellenfeld110 aus einer Vielzahl von in parallelen Zellenfeldstreifen102 ,111 ,112 angeordneten Transistorzellen, deren Gateelektroden in ebenfalls parallel laufenden Gräben (Trenches) liegen. Derartige Feldeffekt-Leistungstransistoren mit Grabenstruktur sind im Stand der Technik bekannt. Mindestens ein als Sensegraben bezeichneter besonderer Graben101 enthält keine Gateelektrode sondern weist eine in1 nicht gezeigte Temperaturerfassungseinrichtung oder Stromerfassungseinrichtung auf. Dieser Sensegraben101 liegt gemäß1 in der Nähe des Gatepads120 , jedoch tendenziell zur Chipmitte hin. Je ein links und rechts diesem Sensegraben101 benachbarter Zellenfeldstreifen111 ,112 weist Transistorzellen mit erhöhtem W/L-Verhältnis der Kanalweite W zur Kanallänge L auf, wie nachstehend anhand der den Bereich X darstellenden Detailansicht von3 näher erläutert wird. Um die Reaktion des großen Zellenfeldes gegenüber dem in seinem W/L-Verhältnis erhöhten Abschnitt etwas zu dämpfen, können optional, wie1 zeigt, noch kleine Widerstände122 in wenigstens eine Gatezuleitung der in ihrem W/L-Verhältnis nicht erhöhten Transistorzellen des Zellenfeldes eingebracht werden. - Gemäß
2 , die ebenfalls eine schematische Aufsicht auf das Zellenfeld110 beispielsweise eines DMOS-Leistungstransistors darstellt, befindet sich der Sensegraben101 mit der Temperaturerfassungseinrichtung oder Stromerfassungseinrichtung in der Nähe der Chipmitte. Hier sind zwei links und rechts dem besonderen Graben101 direkt benachbarte Zellenfeldstreifen111 ,112 ,113 und114 mit erhöhtem W/L-Verhältnis ausgeführt, wobei der Sensegraben101 mit der Temperaturerfassungseinrichtung oder der Stromerfassungseinrichtung nicht vollständig durch den Chip läuft und die Zellenfeldstreifen, deren Transistorzellen mit erhöhtem W/L-Verhältnis ausgestattet sind, nach oben hin in normale Zellenfeldstreifen übergehen. -
3 zeigt eine Detailansicht des in1 durch einen Kreis umrandeten kleinen Bereichs X. Wie ersichtlich, befinden sich links und rechts von dem die Temperaturerfassungseinrichtung oder Stromerfassungseinrichtung aufweisenden Sensegraben101 die Zellenfeldstreifen111 und112 , deren Transistorzellen ein gegenüber den normalen Transistorzellen erhöhtes W/L-Verhältnis haben. Die Länge b von n+-Gebieten8 von normalen Transistorzellen in den Zellenfeldstreifen102 ist kleiner als die Länge b' der n+-Gebiete8 in den Zellenfeldstreifen111 und112 , so dass b' > b ist. Nebenbei bemerkt, ändert sich die mit a bezeichnete Länge der p+-Gebiete7 nicht. Je länger das n+-Gebiet8 , das heißt je größer b' ist, desto größer ist das Verhältnis W/L bei konstanter Kanallänge L (nicht gezeigt). Selbstverständlich kann das W/L-Verhältnis auch erhöht werden, wenn die Länge der p+-Gebiete reduziert wird. - Beispielsweise kann das W/L-Verhältnis der unmittelbar dem Sensegraben
101 mit der Temperaturerfassungseinrichtung oder der Stromerfassungseinrichtung benachbarten Transistorzellen zwischen 5 und 20 % erhöht sein. Wenn zum Beispiel ein üblicher Feldeffekt-Leistungstransistor ein W/L-Verhältnis seiner Kanalweite W zu seiner Kanallänge L von 1,5 hat, können die Transistorzellen in den Streifen111 ,112 ,113 ,114 ein W/L-Verhältnis von 1,75 haben. - Bei dem in
3 gezeigten Beispiel ist in den Transistorzellen in den Zellenfeldstreifen111 und112 die Länge b' der n+-Gebiete8 um etwa 20 % größer als die Länge b der n+-Gebiete8 in den normalen Zellenfeldstreifen102 .3 zeigt auch, dass die in den Gräben (mit Ausnahme des Sensegrabens101 ) liegenden nicht gezeigten Gateelektroden durch Gateanschlüsse121 mit dem Gateanschlusspad120 kontaktiert sind. Selbstverständlich können auch mehr als ein Sensegraben101 mit den unmittelbar anschließenden Zellenfeldstreifen111 ,112 ,113 ,114 vorgesehen sein. - Die Grundidee des oben anhand der
1 bis3 dargestellten Feldeffekt-Leistungstransistors ist in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem die Temperaturerfassungseinrichtung oder die Stromerfassungseinrichtung aufweisenden Sensegraben eine Kette von Transistorzellen mit erhöhtem W/L-Verhältnis sozusagen als "Vorwarnstufe" anzuordnen, die bei Stromfilamentierungseffekten stets eine kurze Zeit früher filamentieren als potenzielle Stromfilamente im Zellenfeld. Dadurch wird die im direkt benachbarten Sensegraben liegende Temperatur- oder Stromerfassungseinrichtung früher erwärmt und kann deshalb auch früher den Feldeffekt-Leistungstransistor abschalten, noch bevor eine Schädigung im Zellenfeld auftritt. - Nachfolgend werden anhand der
4A ,4B und5 bis8 mehrere Ausführungsbeispiele einer in Form eines Bipolartransistors im Sensegraben gebildeten Temperaturerfassungseinrichtung erläutert. In4A , die eine Schrägaufsicht auf einen Abschnitt eines mit10 bezeichneten Zellenfeldes zeigt, ist in der Tiefe eines Sensegrabens11 ein Bipolartransistor1 gebildet, von dem ein Kollektor18 , ein Kollektoranschluss13 , eine Basis14 und ein Emitter15 mit Emitteranschluss16 dargestellt sind. Kollektor18 , Basis14 und Emitter15 liegen in dieser Reihenfolge in Längsrichtung des Sensegrabens11 und ragen in die Tiefe des Sensegrabens11 . Abgesehen vom Kollektoranschluss13 und Emitteranschluss16 und einem optional möglichen Basisanschluss sind alle Bereiche des Bipolartransistors1 im Sensegraben durch ein sie allseits umgebendes Oxid17 beliebiger Dicke gegenüber der Umgebung des Sensegrabens11 isoliert. - In den „normalen" Gräben
12 im Zellenfeld10 sind Gateelektroden6 der Transistorzellen gebildet. Body- und Sourceelektrodenbereiche7 ,8 des normalen Zellenfeldes sind wie in3 streifenförmig aneinandergereiht. Die Transistorzellen der an den ausgewählten Sensegraben links und rechts anschließenden Zellenfeldstreifen weisen, wie schon ausgeführt, ein erhöhtes W/L-Verhältnis auf. Der den Bipolartransistor1 enthaltende Graben11 kann, wie bereits ausgeführt, in der Mitte des Zellenfeldes10 angeordnet sein. Selbstverständlich können statt einem Sensegraben11 auch mehrere Sensegräben11 im Zellenfeld10 vorgesehen sein. - Der ausgewählte Sensegraben
11 kann zur Kontaktierung der Emitter/Kollektorgebiete an einem oder an beiden Enden verlängert und/oder verbreitert ausgeführt sein, wobei dann für die Kontaktierung und Verdrahtung mit Metall mehr Platz zur Verfügung steht. Wenn der die Temperaturerfassungseinrichtung bildende Bipolartransistor1 ein n-p-n-Transistor ist, wird eine erste n-Kollektorschicht zunächst im gesamten Graben11 ausgebildet. Mittels einer Lackabdeckung vor der Schnittlinie r-r wird das Kollektorgebiet bei der nachfolgenden p-Basis-Implantation, zum Beispiel mit Bor, unter 30° Neigung (nach vorne gerichtet, also unter die Lackflanke) und anschließender Emitterimplantation, zum Beispiel As, unter –30° Neigung (nach hinten gerichtet) geschützt. Ebenso kann mit derselben Lackfototechnik bei Bedarf das Zellenfeld geschützt werden (falls MOSFET-Body = Basis und MOSFET-Source = Emitter-Dotierungen brauchbar sind, muss nur der Kollektorteil im Graben abgedeckt werden). Eine anschließende Temperung würde durch die schnellere Diffusion des Bors zusätzliche Basisweite ermöglichen. Der Kollektorteil kann optional im Chiprand an MOSFET-Drainpotenzial angeschlossen werden. - In
4B , die eine Schrägaufsicht auf einen Abschnitt eines Zellenfeldes einer Variation des in4A gezeigten Ausführungsbeispiels zeigt, ist ein als Temperaturerfassungseinrichtung dienender Bipolartransistor1b in der Tiefe einer zwischen zwei "normalen" Gräben12 liegenden Mesa, einer so genannten Sensemesa111a gebildet. In dem in4B gezeigten Beispiel besteht der Bipolartransistor1b aus einer p-Basiselektrode14 , n+-Emitterelektrode15 und n+-Kollektorelektrode18 . Diese Basis-Emitter- und Kollektorelektroden14 ,15 und18 sind in der Sensemesa111a durch eine p+-Abschirmwanne9 gegenüber der Umgebung isoliert. Der Kollektor18 weist einen Kollektoranschluss13 , der Emitter15 einen Emitteranschluss16 und die Basis14 einen Basisanschluss19 auf. Ähnlich wie bei dem in4A gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich links und rechts neben der Sensemesa jedoch von dieser getrennt durch die Gräben12 Zellenfeldstreifen mit Transistorzellen mit erhöhtem W/L-Verhältnis, während die in den weiter außen liegenden Zellenfeldstreifen gebildeten Transistorzellen ein "normales" W/L-Verhältnis haben. - Gemäß der in
5 schematisch gezeigten Schrägaufsicht auf ein mit20 bezeichnetes Zellenfeld ist in einem ausgewählten Sensegraben21 ein zweites Ausführungsbeispiel B eines Bipolartransistors, zum Beispiel ebenfalls ein npn-Transistor gebildet, dessen Kollektor-Basis- und Emitterelektroden jeweils mit28 ,24 und25 , dessen Kollektoranschluss mit23 und dessen Emitteranschluss mit26 bezeichnet sind. Die Gateelektroden6 aufweisenden Gräben des Zellenfeldes20 sind mit 22 bezeichnet. - Den näheren Aufbau des Bipolartransistors
2 im Sensegraben21 zeigt die Querschnittsdarstellung in7 , die die Struktur der Temperaturerfassungseinrichtung längs der Schnittebene S-S' von5 veranschaulicht. Der Kollektor28 , die Basis24 und der Emitter25 im verbreiterten Abschnitt des Sensegrabens21 sind in dieser Reihenfolge ineinander und von unten nach oben des Sensegrabens21 übereinander gestapelt. Dieser Stapel aus Kollektor28 , Basis24 und Emitter25 ist in den Sensegraben21 möglichst konform einzubringen. Die Verbreiterung des Sensegrabens21 lässt dann die Möglichkeit offen, wie weit in Längsrichtung des Sensegrabens die jeweiligen Kollektor-, Basis- und Emittergebiete ausgebildet sind. - Bei einem in
6 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel eines als Temperaturerfassungseinrichtung dienenden Bipolartransistors3 , sind dessen Kollektor38 , Basis34 und Emitter35 im verbreiterten Abschnitt des Sensegrabens31 ebenfalls gemäß7 ineinander und von unten nach oben übereinander gestapelt. Der Sensegraben31 ist zur Kontaktierung36 des Emitters35 zum Grabenende hin in seiner Breite oder auch Länge nochmals deutlich vergrößert, um eine sichere Kontaktierung zu ermöglichen. Das Zellenfeld ist hier mit30 , die isolierende Oxidschicht mit37 und der Kollektoranschluss mit38 bezeichnet. Die die Gateelektroden aufweisenden Gräben sind mit32 bezeichnet. - Ein viertes Ausführungsbeispiel eines in einen Sensegraben
41 eingebrachten Bipolartransistors4 zeigt die Querschnittansicht in8 . Hier sind die verschiedenen Dotiergebiete jeweils des Kollektors48 , der Basis44 und des Emitters45 im Sensegraben41 übereinander angeordnet. Die einzelnen Elektrodengebiete können durch Herausziehen aus dem Sensegraben41 bzw. wiederum durch Variation der Grabenweite (vgl. mit den5 und6 ) an den Grabenenden optional mit einem Polysilizium oder Wolframplug46 kontaktiert werden. - Zu erwähnen ist noch, dass außer den Elektrodenkontakten
13 ,16 in4 ,23 ,26 in5 ,33 und36 in6 und46 in8 und der optional möglichen Basiselektrodenkontakten alle Elektroden der Bipolartransistoren1 ,2 ,3 und4 im Sensegraben11 ,21 ,31 ,41 durch Oxid17 ,27 ,37 ,47 beliebiger Dicke gegenüber der Umgebung des Sensegrabens isoliert sind. - Die den oben anhand der
4 bis8 beschriebenen Ausführungsbeispielen zugrunde liegende Idee besteht darin, eine (nicht gezeigte) Diodenstruktur oder einen Bipolartransistor als Temperaturerfassungseinrichtung in einem Sensegraben zu schaffen, der bevorzugt mitten durch das Zellenfeld eines Feldeffekt-Leistungstransistors verläuft. Dabei kann, wie beschrieben, die Implementierung des Bipolartransistors und die Form, Breite und Länge des Sensegrabens variieren. Ebenfalls kann mehr als ein Sensegraben im Zellenfeld vorgesehen sein. - In den unmittelbar an den ausgewählten Sensegraben
11 ,21 ,31 ,41 angrenzenden Zellenfeldstreifen befinden sich bei den in den4 bis6 gezeigten Ausführungsbeispielen, wie anhand der1 bis3 beschrieben, Transistorzellen mit erhöhtem W/L-Verhältnis. -
- 1,2, 3, 4
- erstes, zweites, drittes, viertes
- Ausführungsbeispiel eines als Tempera
- turerfassungseinrichtung dienenden Bi
- polartransistors
- 6
- Gateelektrode im Graben
- 7
- p+-Gebiet
- 8
- n+-Gebiet
- 9
- p+-Abschirmwanne
- 10, 20, 30, 110
- Zellenfeld
- 11, 21, 31, 41, 101
- Sensegraben
- 12, 22, 32
- normale Gräben
- 102
- Zellenfeldstreifen
- 111, 112, 113, 114
- Zellenfeldstreifen mit Transistorzel
- len mit erhöhtem W/L-Verhältnis
- 13, 23, 33
- Kollektoranschluss
- 14, 24, 34, 44
- Basis
- 15, 25, 35, 45
- Emitter
- 16, 26, 36, 46
- Emitteranschluss
- 17, 27, 37, 47
- Oxid
- 18, 28, 38, 48
- Kollektor
- 19
- Basisanschluss
- 120
- Gateanschlusspad
- 121
- Kontaktieranschlüsse am Ga
- teanschlusspad
- 122
- Widerstand in der Gateleitung
- a
- Länge des p+-Gebiets
- b
- Länge des n+-Gebiets
- b'
- Länge des n+-Gebiets bei erhöhtem W/L-
- Verhältnis
Claims (22)
- Feldeffekt-Leistungstransistor, der ein Zellfeld (
110 ) aus einer Vielzahl von Transistorzellen mit Gateelektroden (6 ) und mit Body- und Sourceelektrodenbereichen (7 ,8 ) und wenigstens eine im Halbleiterkörper integrierte Temperatur- und/oder Stromerfassungseinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- und/oder Stromerfassungseinrichtung jeweils in einem ausgewählten Sensegebiet (101 ) innerhalb des Zellenfeldes (110 ) gebildet ist und dass die in wenigstens einem dem Sensegebiet (101 ) unmittelbar benachbartem Gebiet (111 ,112 ,113 ,114 ) des Zellenfeldes (110 ) liegenden Transistorzellen ein gegenüber den sonstigen Transistorzellen des Zellenfeldes (110 ) erhöhtes W/L-Verhältnis ihrer Kanalweite (W) zu ihrer Kanallänge (L) aufweisen. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellenfeld (
110 ) in eine Vielzahl von Zellenfeldstreifen gegliedert ist. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektroden (
6 ) innerhalb von in einen Halbleiterkörper eingebrachten Gräben und die Body- und Sourceelektrodenbereiche (7 ,8 ) in den zwischen den Gräben liegenden Zellenfeldstreifen angeordnet sind. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- und/oder Stromerfassungseinrichtung jeweils in einem ausgewählten Sensegraben (
101 ) oder einer ausgewählten Sensemesa (111a ) gebildet ist und dass die in ihrem W/L-Verhältnis erhöhten Transistorzellen in wenigstens einem dem Sensegraben (101 ) bzw. der Sensemesa (111a ) benachbarten Zellenfeldstreifen (111 ,112 ,113 ,114 ) liegen. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das W/L-Verhältnis um annähernd 5–20 % erhöht ist.
- Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensegraben (
101 ) bzw. die wenigstens eine Sensemesa (111a ) in der Nähe eines Gateanschlusspads (120 ) platziert ist. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Sensegraben bzw. die wenigstens eine Sensemesa (
111a ) annähernd in der Mitte des Zellenfeldes platziert ist. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Gatezuleitung der Transistorzellen ein Widerstand (
122 ) vorgesehen ist, um die Reaktionszeit der Temperatur- und/oder Stromerfassungseinrichtung gegenüber derjenigen der Transistorzellen einzustellen. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassungseinrichtung einen FET-Transistor aufweist.
- Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungseinrichtung eine Diode aufweist.
- Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungseinrichtung einen Bipolartransistor (
1 ,2 ,3 ,4 ) aufweist. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungseinrichtung einen Widerstand aufweist.
- Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturerfassungstransistor (
1 ) in der Längsrichtung des Sensegrabens (11 ) bzw. der Sensemesa (111a ) aufeinander folgend einen Kollektor (18 ), ein Basisgebiet (14 ) und einen Emitter (15 ) aufweist, die jeweils in die Tiefe des Sensegrabens (11 ) bzw. der Sensemesa (111a ) ragen (4 ). - Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensegraben (
21 ,31 ) zumindest über einen in der Nähe seines einen Endes liegenden Abschnitt breiter als die Breite der die Gateelektroden (6 ) des FET-Leistungstransistors aufweisenden Gräben (22 ,32 ) ausgeführt und der Temperaturerfassungstransistor (2 ,3 ) innerhalb und in Längsrichtung des verbreiterten Abschnitts des Sensegrabens (21 ,31 ) einen Kollektor (28 ,38 ), ein Basisgebiet (24 ,34 ) und einen Emitter (25 ,35 ) aufweist, die in dieser Reihenfolge ineinander und von unten nach oben des Sensegrabens (21 ,31 ) übereinander gestapelt sind (5 und6 ). - Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der verbreiterte Abschnitt am Ende des Sensegrabens (
21 ,31 ) nochmals verbreitert ist. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturerfassungstransistor (
4 ) einen Kollektorelektrodenstreifen (48 ), einen Basiselektrodenstreifen (44 ) und einen Emitterelektrodenstreifen (45 ) aufweist, die in Längsrichtung des Sensegrabens (41 ) liegen und in dieser Reihenfolge übereinander gestapelt sind. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des Temperaturerfassungstransistors durch ein sie allseits umgebendes im Sensegraben (
11 ,21 ,31 ,41 ) gebildetes Oxid (17 ,27 ,37 ,47 ) beliebiger Dicke gegenüber der Umgebung des Sensegrabens (11 ,21 ,31 ,41 ) isoliert sind. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des Temperaturerfassungstransistors einen das isolierende Oxid (
17 ,27 ,37 ,47 ) im Sensegraben (11 ,21 ,31 ,41 ) durchsetzenden Emitteranschluss (16 ,26 ,36 ,46 ) aufweist, der an einem Ende des Sensegrabens (11 ,21 ,31 ,41 ) bzw. an dem nochmals verbreiterten Abschnitt des Sensegrabens (11 ,21 ,31 ,41 ) vorgesehen ist. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kollektoranschluss (
13 ,23 ,33 ) das isolierende Oxid (17 ,27 ,37 ,47 ) am anderen Ende des Sensegrabens (11 ,21 ,31 ,41 ) durchsetzt. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter- und Kollektoranschluss jeweils aus hochdotiertem Halbleitermaterial bestehen.
- Feldeffekt-Leistungstransistor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter- und Kollektoranschluss jeweils aus einem Polysilizium- oder einem Wolframplug (
46 ) bestehen. - Feldeffekt-Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturerfassungstransistor einen n-p-n-Transistor bildet.
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