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Die
Erfindung betrifft einen Halbleiterchip mit einer Beschädigungs-Detektierschaltung
und ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterchips.
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Bei
der Produktion von Halbleiterbauteilen werden mehrere integrierte
Schaltungen gleichzeitig auf einem Wafer mittels photolithographischer
Prozesse hergestellt. Nach dem Prozessieren des Wafers werden die
integrierten Schaltungen durch Sägen
voneinander getrennt. Die nun getrennten integrierten Schaltungen
werden als Halbleiterchips bezeichnet.
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Beim
Sägeprozess
können
Risse in den Halbleitergebieten des Halbleiterchips entstehen. In der
US 6,686,750 wird eine Detektionsschaltung
für eine
integrierte Schaltung beschrieben, bei der ein Strom in einen Widerstand
eingeprägt
wird. Dieser Widerstand ist ein Diffusionswiderstand, der so ausgelegt
ist, dass er eine zu schützende
Schaltung umschließt.
Entsteht ein Riss in Halbleitergebieten, erhöht sich der Wert des Widerstandes,
wodurch sich auch die an dem Widerstand abfallende Spannung verändert. Diese
Spannungsänderung
wird ausgewertet und führt
zu einem Ausschalten der Schaltung. Nachteilig ist ein hoher Stromverbrauch
bei niederohmigen Diffusionswiderständen aufgrund der Verluste im
Widerstand.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schutzschaltung anzugeben,
mit der Fehlfunktionen eines Halbleiterchips stromsparend erkannt
werden können.
Es ist auch Aufgabe der Erfin dung, ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Halbleiterchips bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein
Halbleiterchip bereitgestellt, der eine Stromquelle, eine Detektierschaltung
und mindestens ein aktives Bauelement enthält. Die Stromquelle und das
aktive Bauelement werden in Reihe geschaltet. Die Stromquelle ist
dabei zwischen einem ersten Potential und einem Verbindungsknoten
und das aktive Bauelement zwischen diesen Verbindungsknoten und
einem zweiten Potential geschaltet. Dadurch ergibt sich ein Stromfluss von
dem ersten Potential durch die Stromquelle und durch das aktive
Bauelement zu dem zweiten Potential. Die Verbindung zwischen dem
Verbindungsknoten und dem Bauelement und/oder die Verbindung zwischen
dem Bauelement und dem zweiten Potential erfolgt über mindestens
eine Verbindungsleiterbahn. Halbleiterchips weisen mindestens eine
Oberseite mit einem zentralen Gebiet und Seitenrändern auf. Leiterbahnen sind
Verbindungen, die bei der Waferherstellung auf der Oberseite eines
Halbleiterchips oberhalb der Halbleitergebiete aufgebracht werden und
beispielsweise Aluminium, Kupfer, Wolfram oder Polysilizium enthalten.
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Der
Verbindungsknoten ist mit einem Eingang der Detektierschaltung gekoppelt.
Die Detektierschaltung detektiert anhand des Potentials des Verbindungsknotens
Beschädigungen
in dem Halbleiterchip und gibt entsprechend eine Fehlermeldung aus.
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Falls
der Halbleiterchip bspw. durch Risse, Brüche oder Korrosion beschädigt wird,
wird auch die Verbindungsleiterbahn von dem Bauelement zu dem zweiten
Potential und/oder zu dem Verbindungsknoten unterbrochen. Dadurch
verändert
sich der Widerstand der Verbindungsleiterbahn und somit auch das Potential
am Verbindungsknoten. Die Detektierschaltung detektiert diese Potentialänderung
und stellt somit eine Beschädigung
des Halbleiterchips fest.
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Viele
Beschädigungen
eines Halbleiterchips erfolgen nicht in den Halbleitergebieten,
sondern in metallischen Leiterbahnschichten sowie in den dielektrischen
Schichten, auf denen die metallischen Leiterbahnschichten angebracht
sind. Solche Beschädigungen
können
mit einem Diffusionswiderstand, der Teil der Halbleitergebiete ist,
nicht detektiert werden.
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In
vielen Prozessen schwankt der Wert der Diffusionswiderstände um bis
zu 30% um einen Mittelwert, wodurch die Detektionsschwelle für die Detektierschaltung
nur schwer einstellbar ist.
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Zudem
werden in vielen Herstellverfahren von Halbleiterwafern die Mittelwerte
der Widerstandswerte der Diffusionswiderstände schlecht kontrolliert.
Als Diffusionswiderstände
werden in der Regel Halbleitergebiete verwendet, in die die gleiche Dotierstoffkonzentration
wie in Transistoren eingebracht wird. Wird nun im Lauf der Herstellprozessentwicklung,
um die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren zu verbessern, die
Dotierstoffkonzentration verändert, ändert dies
auch den spezifischen Widerstand der Diffusionswiderstände. Bei
vielen Herstellprozessen werden während der laufenden Kontrolle des
Herstellprozes ses die Eigenschaften der Transistoren fortlaufend
gemessen und überprüft.
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Dagegen
erfolgt keine laufende Überprüfung für den spezifischen
Widerstand der Diffusionswiderstände,
da eine solche zu aufwändig
wäre.
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Der
Strom, der von der Stromquelle bereitgestellt wird und der durch
das aktive Bauelement fließt, sollte
weder zu klein noch zu groß eingestellt
werden. Bei zu großen
Strömen
erhöht
sich unnötigerweise die
Leistungsaufnahme der Detektierschaltung. Ist dagegen der Strom
zu klein eingestellt, beeinflussen kapazitive Kopplungen das Potential
des Verbindungsknotens und können
so zu einem Nicht-Detektieren der Beschädigung führen.
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Soll
nun die Spannung am Verbindungsknoten genau eingestellt werden,
ist es vorteilhaft, wenn das Strom-/Spannungsverhältnis der
Bauelemente zwischen dem Verbindungsknoten und dem zweiten Potential
genau eingestellt werden kann.
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Durch
das aktive Bauelement wird der Strom aus der Stromquelle und somit
auch die Spannung an dem Verbindungsknoten geeignet eingestellt,
da die Kennlinien der aktiven Bauelemente im Herstellprozess ständig kontrolliert
werden und somit vorbestimmte Grenzwerte nicht über- oder unterschreiten.
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Falls
der Strom nicht genau eingestellt werden kann, muss ein Vorhalt
für den
Strom vorgesehen werden, wodurch sich der Strom vergrößern würde. Die
Erfindung ermöglicht
dagegen, die Größe des von
der Stromquelle gelieferten Stroms genau einzustellen, was die Leistungsaufnahme
des Halbleiterchips reduziert.
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Die
Verbindungsleiterbahnen verlaufen in einer Ausführungsform im Bereich der Seitenränder. Viele
Störungen
im Halbleiterchip gehen von den Seitenrändern aus, wenn der Halbleiterchip
mechanisch belastet wird. Dies gilt sowohl für den Herstellprozess als auch
für die
Zeit, in der der Halbleiterchip in einer Anwendung benutzt wird.
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Die
Störungen,
bspw. Risse, die vom Seitenrand ausgehen, bewirken auch eine Beschädigung in der
Verbindungsleiterbahn, was sofort von der Detektierschaltung detektiert
wird.
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In
einer Ausführungsform
werden zwischen dem Verbindungsknoten und dem zweiten Potential mindestens
vier aktive Bauelemente in Reihe geschaltet. Dabei ist an je einem
Seitenrand jeweils ein aktives Bauelement angebracht. Eine solche
Schaltung ist besonders geeignet, wenn die aktiven Bauelemente noch
eine weitere Funktion außer
der des Anzeigens einer Beschädigung
haben. Dies ist bspw. bei Temperatursensoren der Fall, bei denen
jeder Transistor eine Temperatur misst und aus den gemessenen Temperaturen
ein Mittelwert ermittelt wird. Dabei werden die Messtransistoren
auf dem Halbleiterchip verteilt, um die Ortsabhängigkeit der Temperaturverteilung
auszugleichen.
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Falls
es sich bei dem aktiven Bauelement um einen als Diode geschalteten
Transistor handelt, wird ein Bauelement verwendet, dessen Prozessparameter
während
eines üblichen
Herstellprozesses genau gemessen und überprüft werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist der Halbleiterchip mindestens eine oberhalb des Halbleitermaterials
liegende dielektrische Schicht auf. An den Seitenrändern ist
jeweils ein Crackstopp angebracht, der die dielektrische Schicht
unterbricht. Die Verbindungsleiterbahn verläuft zwischen den Schaltungen
der zentralen Gebiete des Halbleiterchips und dem Crackstopp und
parallel zu dem Crackstopp. Dadurch wird gewährleistet, dass die Schaltungen des
aktiven Gebietes durch die Verbindungsleiterbahn von dem Crackstopp
getrennt sind, so dass Risse, die vom Seitenrand des Halbleiterchips
ausgehen, auch die Verbindungsleiterbahn betreffen und sogleich
detektiert werden.
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In
einer dritten Ausführungsform
ist der Abstand a zwischen dem Crackstopp und der Verbindungsleiterbahn
kleiner oder gleich 2 μm.
Ein solch kleiner Abstand verkleinert den Platzbedarf, was den Halbleiterchip
billiger macht. In einer Ausführungsform
gilt für
den von der Stromquelle erzeugten Strom I1:
1 μA ≤ |I1| ≤ 20 μA. Dadurch
wird sowohl der Stromverbrauch begrenzt, als auch dafür gesorgt, dass
der Strom groß genug
ist, sodass induktive oder kapazitive Störungen das Detektionsergebnis
nicht verfälschen.
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Die
Stromquelle sorgt für
einen sicheren Stromfluss durch die aktiven Bauelemente. Dies ist gegenüber Anordnungen,
die keine Stromquelle aufweisen, vorzuziehen. Falls in diesen eine
Verbindungsleiterbahn, die mit dem zweiten Potential verbunden ist,
reißt,
wird der Verbindungsknoten hochohmig. Kapazitive und induktive Kopplungen
auf dem Verbindungsknoten würden
das Potential des Verbindungsknotens bestimmen. Dabei kann sich
ein Potential von 0 V auf dem Verbindungsknoten ergeben und ein
Riss in der Verbindungsleiterbahn würde nicht detektiert.
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In
einer vierten Ausführungsform
wird das Ausgangssignal der Detektierschaltung an ein übergeordnetes
System weitergelei tet, falls eine Beschädigung des Halbleiterchips
festgestellt wird. Ein übergeordnetes
System enthält
neben dem Halbleiterchip eine Ansteuerschaltung, an die der Halbleiterchip Ausgabesignale
ausgibt. Dieses Weiterleiten der Fehlermeldung ist besonders bei
sicherheitskritischen Anwendungen wichtig. Wird bspw. der Halbleiterchip
als Sensor für
Airbags verwendet, kann ein unbegründetes Auslösen des Airbags oder ein Nichtauslösen des
Airbags während
eines Unfalls zu schweren Gesundheitsschäden der Autoinsassen führen. In
einem solchen System besteht ein besonderer Bedarf, dass eine Fehlfunktion
eines Sensorchips rechtzeitig gemeldet wird, damit ein Austausch des
Halbleiterchips vorgenommen werden kann. Die Fehlermeldung sollte
bspw. zu einem Aufleuchten einer Warnleuchte im Armaturenbrett des
Fahrzeugs führen.
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Alternativ
wird nach dem Detektieren der Beschädigung die eine interne Spannungsversorgung des
Halbleiterchips ausgeschaltet. Beim übergeordneten System muss aber
sichergestellt werden, dass es anhand des Ausschaltens der Spannungsversorgung
detektiert, dass der Halbleiterchip defekt ist. Möglich ist
es auch, im Fehlerfall einen Ausgang des Halbleiterchips permanent
einen festen Wert ausgeben zu lassen und so den Fehler an das übergeordnete
System zu melden.
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In
einer fünften
Ausführungsform
enthält
die Detektierschaltung einen Differenzverstärker, der die Differenz zwischen
der Spannung an dem Verbindungsknoten und einer Referenzspannung
verstärkt. Dadurch
wird die Spannung direkt mit einer Referenzspannung gemessen und
führt zu
einer Fehlermeldung, falls diese Referenzspannung über- oder unterschritten
wird. Es sind auch andere Ausführungsformen
denkbar, bei denen mithilfe des Potentials des Verbindungsknotens
bspw. ein Strom erzeugt wird, der mit einem Referenzstrom verglichen
wird.
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Es
wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips bereitgestellt,
bei dem ein Halbleiterchip zunächst
entworfen und so wie entworfen hergestellt wird. Beim Entwerfen
werden eine Stromquelle und ein aktives Bauelement entworfen. Die Stromquelle
und das aktive Bauelement werden so in Reihe geschaltet, dass die
Stromquelle zwischen einem ersten Potential und einem Verbindungsknoten geschaltet
und das aktive Bauelement zwischen den Verbindungsknoten und ein
aktives Potential geschaltet wird.
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Dabei
ist mindestens eine Verbindungsleiterbahn zwischen dem Verbindungsknoten
und dem Bauelement und/oder zwischen dem Bauelement und dem zweiten
Potential vorgesehen.
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Die
aktiven Bauelemente werden über
Verbindungsleiterbahnen mit einer Stromquelle so in Reihe geschaltet,
dass die Stromquelle zwischen einem ersten Potential und einem Verbindungsknoten und
das aktive Bauelement zwischen dem Verbindungsknoten und einem zweiten
Potential geschaltet sind.
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Eine
Detektierschaltung wird entworfen, wobei der Verbindungsknoten mit
dem Eingang der Detektierschaltung so gekoppelt wird, dass die Detektierschaltung
Beschädigungen
in dem Halbleiterchip anhand des Potentials des Verbindungsknotens
detektiert. Durch das gezeigte Herstellverfahren werden Risse und
Korrosionen in Leiterbahnen entdeckt, was mit Diffusionswiderständen nicht
möglich
ist. Der Spannungsabfall über
das aktive Bauelement ist bekannt, sodass der Strom aus der Stromquelle auch genau
und somit so stromsparend wie möglich
dimensioniert werden kann.
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In
einer sechsten Ausführungsform
der Erfindung werden als Stromquelle und aktive Bauelemente Teile
eines Temperatursensors verwendet. Es werden bestehende Bauelemente
und Verbindungen verwendet. Dadurch braucht keine aufwendige Ringleitung
zusätzlich
gezogen werden, die den Platzbedarf erhöht und somit den Halbleiterchip
teurer macht. Der bestehende Schaltungsblock für den Temperatursensor im Halbleiterchiprandbereich,
der ein durchgeschliffenes Signal hat, wird verwendet, um durch
Auswerten des Spannungspegels am Verbindungsknoten sehr einfach
einen Leitungsabriss zu detektieren. Dies kann mit minimalem zusätzlichen Schaltungs-
und Verdrahtungsaufwand realisiert werden. Zudem wird durch das
Vorsehen der Detektion kein zusätzlicher
Strom verbraucht, da der Strom aus der Stromquelle auch für die Temperaturmessung benötigt wird.
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch einen erfindungsgemäßen Halbleiterchip
in der Draufsicht.
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2 zeigt
Details einer auf dem Halbleiterchip von 1 vorgesehenen
Detektionsschaltung zum Detektieren von Beschädigungen des Halbleiterchips.
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3 zeigt
einen Schnitt des Halbleiterchips aus 1 entlang
der Linie A-A'.
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1 zeigt
schematisch die Draufsicht auf einen Halbleiterchip 1.
Die Oberseite des Halbleiterchips weist ein zentrales Gebiet 3 und
einen Rand 2 auf. Im zentralen Gebiet 3 sind Bauelemente
des Halbleiterchips, bspw. Transistoren und Dioden im Halbleitergebiet
untergebracht. Oberhalb der Halbleitergebiete verlaufen Leiterbahnen
aus Polysilizium und Metall, die die Bauelemente der Halbleitergebiete
miteinander verbinden.
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Der
Rand 2, der sich aus vier Seitenrändern 20, 21, 22 und 23 zusammensetzt,
bildet auf der aktiven Oberseite den seitlichen Abschluss des Halbleiterchips 1.
Im Bereich des Randes 2 ist ein Crackstop 7 angebracht.
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Das
zentrale Gebiet 3 enthält
neben einer Vielzahl von in der Figur nicht gezeigten zu schützenden
Schaltungen eine Erzeugungsschaltung 5 sowie einen Differenzverstärker OP1.
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Die
Erzeugungsschaltung 5 enthält eine Stromquelle 50,
die an ein erstes Potential VCC angeschlossen ist. Die Stromquelle
und die Verbindungsleiterbahn L0, das aktive Bauelement S1, die Verbindungsleiterbahn
L1, das aktive Bauelement S2, die Verbindungsleiterbahn L2, das
aktive Bauelement S3, die Verbindungsleiterbahn L3, das aktive Bauelement
S4, und die Verbindungsleiterbahn L4 sind in Reihe geschaltet. In
der Erzeugungsschaltung 5 ist ein Anschluss für ein Massepotential
vorgesehen, der mit der Verbindungsleiterbahn L4 verbunden ist.
Die Verbindungsleiterbahnen L0, L1, L2, L3 und L4 verlaufen im Bereich
der Seitenränder 20, 21, 22, 23 bzw. 20.
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Die
Spannungsversorgung für
den Halbleiterchip 1 ist an das erste und zweite Potential
angeschlossen. Das erste Potential VCC liegt auf 5 V und die Masse
auf 0 V. Die Stromquelle er zeugt einen Strom, der auch durch die
Verbindungsleiterbahnen L0 bis L4 und die aktiven Bauelemente S1
bis S4 fließt.
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Die
Spannung an dem Verbindungsknoten vsense, der die Stromquelle 50 mit
der Verbindungsleiterbahn L0 verbindet, wird mittels des Differenzverstärkers OP1
mit einer Referenzspannung vref verglichen. Überschreitet das Potential
am Verbindungsknoten vsense das Potential vref, wird ein Fehlersignal
am Ausgang Reset ausgegeben.
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Durch
die beschriebene Schaltung werden Beschädigungen des Halbleiterchips
erkannt. Reißt bspw.
eine der Verbindungsleiterbahnen L0, L1, L2, L3 oder L4, oder wird
sie durch Korrosion oder durch einen Bruch beschädigt, wird der Stromfluss durch die
Verbindungsleitungen L0 bis L4 unterbrochen. Folglich steigt das
Potential am Knoten vsense auf 5V, was eine Fehlermeldung auslöst.
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Die
meisten Beschädigungen
eines Halbleiterchips entstehen im kritischen Halbleiterchiprandbereich.
Die Bauelemente im zentralen Bereich 3 sollen geschützt werden,
beziehungsweise bei drohender Beschädigung dieser Bauelemente soll
eine Fehlermeldung ausgegeben werden. Die Verbindungsleiterbahnen
L0 bis L4 und die aktiven Bauelemente S1, S2, S3 und S4 umschließen die
zu schützenden Schaltungen
des zentralen Gebiets 3 vollständig. Dadurch werden Beschädigungen,
die auch von nur einem Seitenrand 20, 21, 22 oder 23 ausgehen,
zuverlässig
detektiert, bevor sie die zu schützenden
Schaltungen beschädigen.
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Damit
die aktiven Bauelemente S1 bis S4 und die Verbindungsleiterbahnen
L0 bis L4 die zu schützenden
Schaltungen vollständig
umschließen, ist
die Verbindungsleiterbahn L4 in Höhe der Erzeugungsschaltung 5 mäanderförmig geformt,
wodurch die Verbindungsleitungen L0 und L4 über eine Länge d parallel verlaufen.
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2 zeigt
das Schaltbild der Schutzschaltung des Halbleiterchips 1 von 1.
Die Schaltung 6 enthält
die Transistoren T0, T1, T2, T3 und T4 sowie den Differenzverstärker OP1.
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Der
Transistor T0 ist ein pnp-Transistor, dessen Emitter an dem positiven
Potential VCC einer Spannungsversorgung angeschlossen ist. Das positive
Potential hat im vorliegenden Fall einen Wert von 5 V. Die Basis
des Transistors T0 ist an eine Spannung vbias angeschlossen, die
dafür sorgt,
dass der Kollektorstrom IC einen Wert I1 =
10 μA aufweist,
der auch bei Temperaturschwankungen und Schwankungen der Versorgungsspannung
im wesentlichen konstant ist.
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Der
Kollektor des Transistors T0 ist mit einem Verbindungsknoten vsense
verbunden. Dieser Verbindungsknoten vsense ist auch über die
Verbindungsleiterbahn L0 mit dem Transistor T1 verbunden, der das
aktive Bauelement S1 bildet. Bei dem Transistor T1 handelt es sich
um einen npn-Transistor, dessen Basis und Kollektor kurzgeschlossen sind.
Der Transistor ist somit als Diode geschaltet.
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Der
Emitter des Transistors T1 ist über
die Verbindungsleiterbahn L1 mit der Basis und dem Kollektor des
Transistors T2 verbunden, dessen Emitter seinerseits über die
Verbindungsleiterbahn L2 an den Kollektor und die Basis des Transistors
T3 angeschlossen ist.
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Der
Emitter des Transistors T3 ist über
die Verbindungsleiterbahn L3 mit der Basis und dem Kollektor des
Transistors T4 verbunden, dessen Emitter seinerseits über die
Verbindung L4 mit einem Massepotential verbunden ist. Das Massepotential
hat einen Wert von 0 V.
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Der
mittels der Spannung vbias eingestellte Strom I1 fließt jeweils
durch die Transistoren T1, T2, T3 und T4. Der Transistor T0 bildet
eine Stromquelle, die mit den Verbindungsleiterbahnen L0, L1, L2,
L3, L4 und den Transistoren T1, T2, T3 und T4 in Reihe geschaltet
ist.
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Die
Spannung am Verbindungsknoten vsense wird mittels des Differenzverstärkers OP1
mit der Referenzspannung vref verglichen. An den Transistoren T1,
T2, T3 und T4 fällt
bei 20°C
und dem gegebenen Strom von 10 μA
jeweils zwischen Emitter und Kollektor eine Spannung von 0,6 V ab.
Somit ergibt sich an dem Knoten vsense eine Spannung von 2,4 V gegenüber Masse.
Falls die Verbindungsleiterbahnen L0, L1, L2, L3 und L4 aus Metall
bestehen, resultiert relativ wenig Spannungsabfall über den
Verbindungsleiterbahnen. Dadurch wird die Genauigkeit der Temperaturmessung
verbessert.
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Die
Referenzspannung vref wird mittels eines nicht gezeigten Spannungsteilers
erzeugt, der eine Spannung von 0,92·VCC ausgibt. Bei nominalem
VCC = 5V ergibt sich für
vref = 4,6 V. Sind die Verbindungsbahnen und die aktiven Baulemente nicht
defekt, ist die Spannung kleiner als 4,6 V und der digitale Ausgang
Reset des Differenzverstärkers OP1
gibt eine 0 aus.
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Wird
eine der Verbindungsleiterbahnen L0, L1, L2, L3 oder L4 durch einen
Riss, durch einen Bruch oder durch Korrosion be schädigt, erhöht sich der
Widerstand dieser Verbindungsleiterbahn um ein Vielfaches. Das Potential
des Verbindungsknotens vsense steigt auf einen Wert, der gleich
5 V oder nahe 5 V ist. Der digitale Ausgang Reset des Differenzverstärkers OP1
schaltet von 0 nach 1. Die Analog-Digital-Umwandlung erfolgt im
Differenzverstärker
beispielsweise mittels eines Inverters. Der Wert 1 des Signals Reset
zeigt einen Fehler an. Diese Fehlermeldung wird in diesem Ausführungsbeispiel
von dem Halbleiterchip an ein übergeordnetes
System ausgegeben.
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Der
Strom I1 sollte geeignet dimensioniert werden.
Wird er zu groß gewählt, steigt
die Leistungsaufnahme des Halbleiterchips unnötig an. Bei zu kleinen Werten
des Stroms I1 besteht die Gefahr, dass kapazitive
oder induktive Kopplungen auf die Verbindungsleiterbahn L0 eine
große
Spannungsänderung
am Verbindungsknoten vsense bewirken. Dadurch könnte es zu einem Auslösen des
Fehlersignals kommen, auch wenn die Verbindungsleiterbahnen L0,
L1, L2, L3 und L4 gar nicht beschädigt sind.
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Die
gezeigte Schaltung dient auch zur Temperaturmessung. Die Kollektor-Emitter-Spannungen der
Transistoren T1, T2, T3 und T4 hängen
jeweils von der Temperatur ab. Der Halbleiterchip arbeitet in einem
Temperaturbereich von –40 °C bis +90 °C Umgebungstemperatur,
da es sich hier um einen Halbleiterchip für Automobilanwendungen handelt.
Die Spannung vsense hängt
als Summe der Kollektor-Emitter-Spannungen der vier Transistoren
T1, T2, T3 und T4 somit auch von der gemessenen Temperatur ab. Geht
man davon aus, dass die Kollektor-Emitter-Spannung eines jeden Transistors
bei steigender Temperatur um 2m V pro Kelvin abnimmt, beträgt die Spannung
am Knoten vsense 1.92 V bei einer Temperatur von –40 °C und 2,96
V bei einer Temperatur von 90 °C.
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Die
Transistoren T1, T2, T3 und T4 sind, wie in 1 gezeigt,
auf die vier Ecken des Halbleiterchips 1 verteilt. Die
Ecken ergeben sich durch die Schnittpunkte von jeweils zwei Seitenrändern 20, 21, 22, 23.
Durch das Verteilen der Transistoren T1, T2, T3, T4, deren Emitter-Kollektor-Spannungen
linear von der Temperatur abhängen,
wird ein Mittelwert der Temperaturen in den vier Ecken gemessen.
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Der
Verbindungsknoten vsense ist zusätzlich an
einen Eingang eines in 2 nicht gezeigten A/D-Wandlers
für die
Temperaturmessung geführt, der
einen Wert für
die Temperatur ausgibt. In dem Spannungsbereich zwischen 1,8 V und
3,2 V wird eine Temperatur angezeigt. Steigt die Spannung über 0,92·VCC, wird
die Fehlermeldung, dass der Halbleiterchip beschädigt ist, von der Detektierschaltung
OP1 ausgegeben.
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Da
die Transistoren T0, T1, T2, T3 und T4, sowie die Verbindungsleiterbahnen
L0, L1, L2, L3 und L4 für
den Halbleiterchip als Temperatursensoren vorgesehen werden müssen, erübrigt sich
ein zusätzliches
Vorsehen einer zusätzlichen
Leitung um den Halbleiterchip für
die Beschädigungs-Detektion.
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3 einen
Schnitt des Halbleiterchips aus 1 entlang
der Linie A-A'.
Der Halbleiterchip 1 enthält einen Halbleiterkörper 8,
der Halbleitergebiete, z.B. aus Silizium, enthält. Die Halbleitergebiete sind undotiert
oder als p- oder n-Gebiete
dotiert.
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Oberhalb
der Halbleitergebiete sind dielektrische Schichten und Leiterbahnen
aufgebracht. Die dielektrischen Schichten D0, D1, D2 und D3 sind übereinander
geschichtet. Die Leiterbahnen M0 und M1 befinden sich auf gleicher
Höhe wie
die dielektrischen Schichten D1 bzw. D3.
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Zwischen
den Leiterbahnen M0 und M1 ist die Kontaktschicht C1 angebracht,
mit der eine leitende Verbindung zwischen M0 und M1 hergestellt
wird. Zwischen M0 und den Halbleitergebieten ist die Kontaktschicht
C0 in gleicher Höhe
wie die dielektrische Schicht D0 vorgesehen.
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Die
in 3 rechts gezeigte Kante 210 des Seitenrands 21 kennzeichnet
den seitlichen Abschluss des Halbleiterchips 1. Im Bereich
des Seitenrands 21 ist ein Crackstop 7 vorgesehen,
der aus einem Stapel von C0, M0, C1 und M1 besteht. Dieser Stapel
verläuft
in allen Seitenrändern,
sodass der Crackstop 7 als geschlossener Ring die zentralen Gebiete 3 des
Halbleiterchips 1 vollständig umgibt. Der Crackstop 7 unterbricht
die dielektrischen Schichten D0, D1, D2 und D3, um Risse, die sich vom
Seitenrand her in diesen Schichten ausbreiten, zu stoppen.
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Trotzdem
kann es noch zu Brüchen,
Korrosionen und Rissen kommen, die den Halbleiterchip beschädigen. Aus
diesem Grund ist links des Crackstops 7 die Verbindungsleiterbahn
L1 vorgesehen, die hier in M1 ausgeführt ist. Geht beispielsweise vom
Seitenrand 21 ein Bruch aus, wird auch die Verbindungsleiterbahn
L1 unterbrochen, was von der Detektierschaltung OP1 erkannt wird.
Das zentrale Gebiet 3 mit den zu schützenden Schaltungen befindet
sich links der Verbindungsleiterbahn L1. Bevor die zu schützenden
Schaltungen beschädigt
werden, detektiert die Detektierschaltung bereits den Bruch und
gibt eine Fehlermeldung aus.
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Der
kürzeste
Abstand zwischen dem der Leiterbahn M1 des Crackstops und der Verbindungsleiterbahn
L1 beträgt
a und wird zu a ≤ 2μm gewählt, damit
nicht zuviel Platz für
die Verbindungsleitung vorgesehen werden muss und Beschädigungen
bereits in der Nähe
des Seitenrandes 21 detektiert werden. Die Breite b der
Leiterbahn M1 des Crackstops 7 beträgt im gezeigten Beispiel 1 μm und der
kürzeste
Abstand c zwischen dem Crackstop 7 und der Kante 210 ebenfalls
1 μm.
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- 1
- Halbleiterchip
- 2
- Rand
- 20,
21, 22, 23
- Seitenrand
- 210
- Kante
- 3
- zentrales
Gebiet
- 5
- Erzeugungsschaltung
- 50
- Stromquelle
- 7
- Crackstop
- 8
- Halbleitergebiet
- L0,
L1, L2, L3, L4
- Verbindungsleiterbahnen
- S1,
S2, S3, S4
- aktive
Bauelemente
- T0,
T1, T2, T3, T4
- Transistoren
- R1
- Widerstand
- OP1
- Differenzverstärker