DE102006057041B4

DE102006057041B4 - Halbleitervorrichtungen mit Struktur zum Erfassen von elektrischem Strom

Info

Publication number: DE102006057041B4
Application number: DE102006057041A
Authority: DE
Inventors: Koji Hotta
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: CN1979859B; US20070126070A1; JP4706462B2; US7482659B2; DE102006057041A1; JP2007158134A; DE102006057041B8; CN1979859A

Abstract

Halbleitervorrichtung, mit:
einem Halbleitersubstrat (60), das eine Vielzahl von darin ausgebildeten Schaltelementen (98) aufweist, wobei die Schaltelemente (98) eine gemeinsame Struktur aufweisen und in wenigstens zwei Gruppen unterteilt sind;
einer Hauptelektrode (24), die mit den Schaltelementen (98) verbunden ist, welche zu einer Gruppe der Schaltelemente (98) gehören, und mit einem Bezugspotential verbunden ist;
einer Sensorelektrode (25), die mit den Schaltelementen (98) verbunden ist, die zu der anderen Gruppe der Schaltelemente (98) gehören, und über eine Stromerfassungsvorrichtung (96) mit dem Bezugspotential verbunden ist; und
einer Schutzeinrichtung (30), die auf dem Halbleitersubstrat (60) gebildet ist und eine Vielzahl von Dioden (32, 33, 34, 35) aufweist, die in Reihe zwischen der Hauptelektrode (24) und der Sensorelektrode (25) verbunden sind, worin die Dioden (32, 33, 34, 35) wenigstens einen Satz von Dioden aufweisen, die in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind, wobei
die Schutzeinrichtung (30) die Hauptelektrode (24) und die Sensorelektrode...

Description

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit einer Struktur zum Erfassen der Menge an elektrischem Strom, die durch die Halbleitervorrichtung fließt (Funktion zum Erfassen von elektrischem Strom). Insbesondere bezieht sich die gegenwärtige Erfindung auf eine Halbleitervorrichtung, die mit der Struktur zum Erfassen von elektrischem Strom sowie einer Gegenmaßnahme gegen ESD (Elektrostatische Entladung) versehen ist.
Im Allgemeinen ist eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat versehen, das eine Vielzahl von Schaltelementen aufweist, die in dem Substrat ausgebildet sind. Das Schaltelement in dieser Beschreibung hat die Bedeutung einer Struktur, die aus Halbleiterbereichen besteht, welche verschiedene Eigenschaften aufweisen und die den elektrischen Strom, der zwischen einem Paar von Elektroden fließt, ein- und ausschaltet.
Es wurde eine Halbleitervorrichtung entwickelt, welche die Funktion zum Erfassen von elektrischem Strom aufweist. Um die Menge des elektrischen Stroms zu erfassen, die durch die Halbleitervorrichtung fließt, sind die Schaltelemente typischerweise in zwei Gruppen unterteilt. Insbesondere durch Unterteilen der Elektrode auf der Seite des niedrigen elektrischen Potentials in zwei Elektroden werden die Schaltelemente in zwei Gruppen unterteilt. Ein Teil der Schaltelemente ist gemeinsam mit einer der zwei Elektroden elektrisch verbunden, und der andere Teil der Schaltelemente ist gemeinsam mit der anderen Elektrode elektrisch verbunden. Demgemäß sind die Schaltelemente in zwei Gruppen unterteilt: Eine Gruppe, die mit einer der zwei Elektroden verbunden ist und eine Gruppe, die mit der anderen Elektrode verbunden ist. Die erstere Elektrode ist mit einem Bezugspotential verbunden und die letztere Elektrode ist mit dem Bezugspotential über eine Stromerfassungsvorrichtung verbunden. In der gegenwärtigen Beschreibung werden die erstere Elektrode als „Hauptelektrode” und die letztere Elektrode als „Sensorelektrode” bezeichnet. Darüber hinaus werden die Schaltelemente, welche den elektrischen Strom, der durch die Hauptelektrode fließt, ein- und ausschalten, als „Hauptschaltelemente” bezeichnet, und die Schaltelemente, welche den elektrischen Strom, der durch die Sensorelektrode fließt, ein- und ausschalten, werden als „Sensorschaltelemente” bezeichnet. Die Hauptschaltelemente und die Sensorschaltelemente sind gemeinsam auf der Seite des höheren elektrischen Potentials durch eine elektrische Vorrichtung, wie zum Beispiel einem Motor, mit der Elektrode elektrisch verbunden. An Gate-Elektroden der Hauptschaltelemente und der Sensorschaltelemente wird eine gemeinsame Gate-Spannung angelegt.
Gemäß dieser Halbleitervorrichtung werden die Hauptschaltelemente und die Sensorschaltelemente eingeschaltet, wenn an die Gate-Elektroden eine Gate-Ein-Spannung angelegt wird, und der elektrische Strom fließt sowohl durch die Hauptschaltelemente als auch durch die Sensorschaltelemente. Die Menge des elektrischen Stroms, die durch jedes Schaltelement fließt, ist unter den Hauptschaltelementen und den Sensorschaltelementen die gleiche. Daher wird ein Proportionalitätsverhältnis zwischen der Anzahl der Hauptschaltelemente und der Anzahl der Sensorschaltelemente gleich einem Proportionalitätsverhältnis zwischen der Menge des elektrischen Stroms, die durch die Hauptelektrode fließt, und der Menge des elektrischen Stroms, die durch die Sensorelektrode fließt. Durch Erfassen der Menge des elektrischen Stroms, die durch die Sensorelektrode fließt, kann daher die Menge des elektrischen Stroms, die durch die Hauptelektrode fließt, abgeleitet werden.
Durch Erfassen der Menge des elektrischen Stroms, die durch die Halbleitervorrichtung fließt, kann ein Phänomen erfasst werden, nämlich dass durch die Halbleitervorrichtung ein anormal starker Strom fließt. Dieses Phänomen wird verursacht, wenn die elektrische Vorrichtung, die mit der Halbleitervorrichtung verbunden ist, kurzgeschlossen wird. Durch Vorsehen der Sensorschaltelemente, der Sensorelektrode und einer Vorrichtung zum Bewirken, dass die Halbleitervorrichtung abgeschaltet wird, wenn der erfasste elektrische Strom einen vorgegebenen Wert überschreitet, kann sogar dann, wenn die elektrische Vorrichtung, die mit der Halbleitervorrichtung verbunden ist, kurzgeschlossen wird, verhindert werden, dass durch die Halbleitervorrichtung ein übermäßiger Strom fließt, der höher als der vorgegebene Wert ist.
Im Allgemeinen ist die Anzahl der Sensorschaltelemente viel geringer als die Anzahl der Hauptschaltelemente. Daher ist die Gate-Eingangskapazität (die Gate-Eingangskapazität korreliert mit dem Bereich einer Gate-Isolationsschicht) zwischen der Sensorelektrode und den Gate-Elektroden der Sensorschaltelemente geringer als die Gate-Eingangskapazität zwischen der Hauptelektrode und den Gate-Elektroden der Hauptschaltelemente. Weil die Gate-Eingangskapazität der Hauptschaltelemente hoch ist, ist die ESD-Toleranz zwischen der Hauptelektrode und den Gate-Elektroden der Hauptschaltelemente groß. Weil die Gate-Eingangskapazität der Sensorschaltelemente niedrig ist, ist andererseits die ESD-Toleranz zwischen der Sensorelektrode und den Gate-Elektroden der Sensorschaltelemente gering. Wenn zwischen der Sensorelektrode und den Gate-Elektroden der Sensorschaltelemente ein ESD-Ereignis auftritt, werden die Gate-Isolationsschichten der Sensorschaltelemente leicht zerstört.
Um die ESD-Toleranz zwischen der Sensorelektrode und den Gate-Elektroden der Sensorschaltelemente zu verbessern, ist eine Technik bekannt, bei der zwischen der Sensorelektrode und der Gate-Elektrode eine Zener-Diode vorgesehen ist. Wenn die elektrostatische Entladung, welche die Durchschlagspannung der Zener-Diode erreicht, zwischen der Sensorelektrode und der Gate-Elektrode angelegt wird, erfährt die Zener-Diode einen Durchschlag. Dadurch wird verhindert, dass an die Gate-Isolationsschichten der Sensorschaltelemente eine Spannung angelegt wird, die höher als die Durchschlagspannung der Zener-Diode ist. Deshalb kann verhindert werden, dass die Gate-Isolationsschichten der Sensorschaltelemente zerstört werden.
Die Techniken, die mit diesem Techniktyp in Zusammenhang stehen, sind in der JP 06-085174 A , in der JP 2001-358568 A , in der JP 2001-016082 A und in der JP 2002-517116 A beschrieben.
Wenn zwischen der Sensorelektrode und der Gate-Elektrode die Zener-Diode vorgesehen ist, kann jedoch nicht verhindert werden, dass der Zenerleckstrom erzeugt wird, der durch die Zener-Diode fließt. Dadurch erhöht sich der Gate-Ansteuerungsverlust der Halbleitervorrichtung. Das heißt im Vergleich zu einem Fall, in welchem zwischen der Sensorelektrode und der Gate-Elektrode keine Zener-Diode vorgesehen ist, muss der Gate-Elektrode ein stärkerer elektrischer Strom zugeführt werden, um die Halbleitervorrichtung einzuschalten.
Aus der DE 198 23 768 A1 ist eine Halbleitervorrichtung bekannt mit einem Halbleitersubstrat, das eine Vielzahl von darin ausgebildeten Schaltelementen aufweist, wobei die Schaltelemente in wenigstens zwei Gruppen unterteilt sind, einer Hauptelektrode, die mit den Schaltelementen verbunden ist, welche zu einer Gruppe der Schaltelemente gehören und mit einem Bezugspotential verbunden ist, einer Sensorelektrode, die mit den Schaltelementen verbunden ist, die zu der anderen Gruppe der Schaltelemente gehören und über eine Stromerfassungsvorrichtung mit dem Bezugspotential verbunden ist, und einer Schutzeinrichtung, die zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode ausgebildet ist, wobei die Schutzeinrichtung die Hauptelektrode und die Sensorelektrode elektrisch verbindet, wenn eine Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode eine bestimmte Spannung überschreitet.
Aus der US 5 536 958 A ist eine Halbleitervorrichtung bekannt mit einer Schutzeinrichtung, die eine Vielzahl von Dioden aufweist, die derart in Reihe geschaltet sind, dass Stromflussrichtungen der Dioden entgegen gesetzt sind, wobei die Schutzeinrichtung einen Gate-Anschluss und einen Drain-Anschluss und/oder einen Gate-Anschluss und einen Sourceanschluss der Halbleitervorrichtung elektrisch verbindet, wenn eine Potentialdifferenz zwischen jeweiligen Anschlüssen eine Durchschlagspannung von mindestens einer der Dioden in der Schutzeinrichtung überschreitet.
Die DE 102 47 038 A1 , die den nächst kommenden Stand der Technik bezüglich des Anspruchs 1 bildet, offenbart eine Halbleitervorrichtung mit: einem Halbleitersubstrat, das eine Vielzahl von darin ausgebildeten Schaltelementen aufweist, wobei die Schaltelemente in wenigstens zwei Gruppen unterteilt sind; einer Hauptelektrode, die mit den Schaltelementen, welche zu einer Gruppe der Schaltelemente gehören, und einem Bezugspotential verbunden ist; einer Sensorelektrode, die mit den Schaltelementen verbunden ist, die zu der anderen Gruppe der Schaltelemente gehören, und über eine Stromerfassungsvorrichtung mit dem Bezugspotential verbunden ist; und einer Schutzeinrichtung, die auf dem Halbleitersubstrat gebildet ist und zwei in entgegengesetzten Stromflussrichtungen angeordnete Dioden aufweist, die in Reihe zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode angeschlossen sind; wobei die Schutzeinrichtung die Hauptelektrode und die Sensorelektrode elektrisch leitend verbindet, wenn eine Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode eine bestimmte Spannung überschreitet.
Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die WO 96/12 346 A2 verwiesen.
Es ist Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, eine Anordnung bereitzustellen, die die Halbleitervorrichtung gegen Beschädigungen schützt, die durch eine elektrostatische Entladung und dergleichen verursacht werden, während gleichzeitig verhindert wird, dass sich der Gate-Ansteuerungsverlust erhöht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale von Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Weil die Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode vorgesehen ist, steigt der Gate-Ansteuerungsverlust sogar dann nicht an, wenn zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode durch die Schutzeinrichtung ein Leckstrom fließt.
Gemäß der Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 wird dann, wenn zwischen der Sensorelektrode und den Gate-Elektroden der Sensorschaltelemente eine übermäßige Spannung, wie zum Beispiel eine elektrostatische Entladung, angelegt wird, eine Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode erzeugt. Wenn die Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode die vorgegebene Spannung erreicht, können über die Schutzeinrichtung von der Sensorelektrode zu der Hauptelektrode übermäßige elektrische Ladungen entladen werden. Dadurch wird verhindert, dass eine Spannung, die zwischen der Sensorelektrode und den Gate-Elektroden der Sensorschaltelemente angelegt wird, weiter ansteigt. Die Zerstörung der Gate-Isolationsschichten der Sensorschaltelemente kann verhindert werden.
Durch Vorsehen des Satzes von Dioden können die Hauptelektrode und die Sensorelektrode für den Fall, dass die Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode die Durchschlagspannung der Dioden nicht überschreitet, in einem elektrische isolierten Zustand gehalten werden. In einem Bereich, in welchem die Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode die Durchschlagspannung der Dioden nicht überschreitet, können der elektrische Strom, der durch die Hauptelektrode fließt, und der elektrische Strom, der durch die Sensorelektroden fließt, getrennt fließen. Wenn andererseits die Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode die Durchschlagspannung der Dioden überschreitet, werden die Hauptelektrode und die Sensorelektrode elektrisch verbunden.
Dadurch, dass der Satz von Dioden vorgesehen ist, die in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind, kann die elektrische Verbindung zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode auf der Grundlage der Durchschlagspannung der Dioden ein- und ausgeschalten werden.
Gemäß der Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 ist zwischen dem ersten Halbleiterbereich und dem zweiten Halbleiterbereich sowie zwischen dem zweiten Halbleiterbereich und dem dritten Halbleiterbereich ein pn-Übergang ausgebildet. Die Richtung der pn-Übergänge ist den entgegengesetzten Richtungen zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode zugewandt. So kann der Satz von Dioden in entgegengesetzten Richtungen zwischen der Hauptelektrode und der Sensorelektrode angeordnet werden.
Wenn nach Anspruch 3 die vorgegebene Spannung der Schutzeinrichtung höher ist als die maximale Nennspannung zwischen der Hauptelektrode und den Gate-Elektroden der Schaltelemente, kann verhindert werden, dass die Schutzeinrichtung aufgrund von Steuersignalen, die an die Gate-Elektrode angelegt werden, unpassend eingeschaltet wird.
Wenn nach Anspruch 3 die vorgegebene Spannung der Schutzeinrichtung geringer ist als die Zerstörungsspannung der Gate-Isolationsschichten der Schaltelemente, kann die Schutzeinrichtung eingeschaltet werden, bevor die Gate-Isolationsschichten der Sensorschaltelemente zerstört werden.
Wenn zwischen der Sensorelektrode und den Gate-Elektroden der Sensorschaltelemente eine übermäßige Spannung, wie zum Beispiel eine ESD, angelegt wird, können von der Sensorelektrode über die Schutzeinrichtung zu der Hauptelektrode übermäßige elektrische Spannungen entladen werden. Dadurch kann verhindert werden, dass die Gate-Isolationsschichten der Sensorschaltelemente zerstört werden.
Eine Halbleitervorrichtung kann eine Maßnahme gegenüber einer übermäßigen Spannung zwischen der Sensorelektrode und den Gate-Elektroden der Sensorschaltelemente bereitstellen, während gleichzeitig ein geringer Gate-Ansteuerungsverlust beibehalten wird.
Es zeigen:
1 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer Halbleitervorrichtung;
2 einen vereinfachten Querschnitt eines Hauptabschnittes der Halbleitervorrichtung;
3(a) die Menge eines Gate-Leckstroms bei 25°C;
3(b) die Menge eines Gate-Leckstroms bei 150°C; und
4 ein Verhältnis zwischen der Höhe einer Gate-Emitter-Kapazität und einer elektrostatischen Toleranz der Halbleitervorrichtung.
Im Folgenden sind bevorzugte Merkmale zum Ausführen der gegenwärtigen Erfindung beschrieben.
(Erstes Merkmal) Es wird eine Schutzeinrichtung verwendet, die eine pnp-, eine npn-, eine pnpnp- oder eine npnpn-Verbindung aufweist.
(Zweites Merkmal) Der Wert, der durch Teilen der Menge des elektrischen Stroms, die durch den Bereich der Halbleiterschaltelemente fließt, durch die Menge des elektrischen Stroms, die durch die gesamte Halbleitervorrichtung fließt, berechnet wird, ist kleiner oder gleich 0,01.
(Drittes Merkmal) Die Halbleitervorrichtung ist insbesondere wirksam, wenn die Gate-Eingangskapazität der Hauptschaltelemente höher ist als ein Wert, der dadurch berechnet wird, dass die Menge an elektrischen Ladungen, die zwischen Anschlüssen während eines ESD-Toleranztests zugeführt werden, welcher „Maschinenmodus” genannt wird, durch die Zerstörungsspannung der Gate-Isolationsschicht geteilt wird. Das heißt, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist, ist die Halbleitevorrichtung der Erfindung besonders effektiv:
Gate-Eingangskapazität der Hauptschaltelemente > Betrag von elektrischen Ladungen, die zwischen Anschlüssen während eines ESD-Toleranztests zugeführt werden/Zerstörungsspannung der Gate-Isolationsschicht.
Bevorzugte Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird eine Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung detailliert beschrieben.
1 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm der Halbleitervorrichtung 10. 2 zeigt einen vereinfachten Querschnitt eines Hauptabschnitts der Halbleitervorrichtung 10. Gemeinsame Bezugszeichen in den 1 und 2 stellen gemeinsame Bauteilelemente dar. Die Halbleitervorrichtung 10 wird verwendet, um einen elektrischen Strom ein- und auszuschalten, der einem Motor zugeführt werden soll, welcher an einem Hybridfahrzeug, einem Kraftstoff-Batterie-Fahrzeug und dergleichen angebracht ist, um den Motor invertiert zu steuern. Zusätzlich zu der Halbleitervorrichtung 10 zeigt 1 eine Energiezufuhr 92, einen Motor 94, eine Gate-Ansteuerungsvorrichtung 95 und eine Stromerfassungvorrichtung 96, die mit der Halbleitervorrichtung 10 verbunden sind und von dieser verwendet werden.
Gemäß 1 ist die Halbleitervorrichtung 10 mit Schaltelementbauteilen 20 und einer Schutzeinrichtung 30 versehen. Die Schaltelementbauteile 20 bestehen aus einer Vielzahl von Schaltelementen, und sie schalten den elektrischen Strom zeitweilig ein und aus. Durch Schalten des elektrischen Stromes ein und aus durch die Schaltelementbauteile 20 schaltet die Halbleitervorrichtung 10 abwechselnd zwischen einem Zustand, in welchem dem Motor 94 Energie zugeführt wird, und einem Zustand, in welchem dem Motor 94 keine Energie zugeführt wird, um. Die Schaltelementbauteile 20 bestehen aus einer Vielzahl von Schaltelementen, von welchen jedes die Grundstruktur eines IGBT (Isolierschicht-Bipolartransistor) aufweist. Die Schaltelementbauteile 20 sind im Allgemeinen mit einer Kollektorelektrode 22 und einer Gate-Elektrode 23 verbunden. Eine Emitter-Elektrode ist in eine Hauptelektrode 24 und eine Sensorelektrode 25 unterteilt. Die Schaltelementbauteile 20 sind in zwei Gruppen unterteilt: In eine Gruppe, die gemeinsam mit der Hauptelektrode 24 verbunden ist, und in eine Gruppe, die gemeinsam mit der Sensorelektrode 25 verbunden ist. Die Anzahl der Schaltelemente, welche zu der Gruppe gehören, die gemeinsam mit der Hauptelektrode 24 verbunden ist, ist größer als die Anzahl der Schaltelemente, die zu der Gruppe gehören, die gemeinsam mit der Sensorelektrode 25 verbunden ist. Die Schaltelemente, die mit der Hauptelektrode 24 verbunden sind, werden „Hauptschaltelemente” genannt. Die Schaltelemente, die mit der Sensorelektrode 25 verbunden sind, werden als „Sensorschaltelemente” bezeichnet.
Die Kollektorelektrode 22 ist mit einem Kollektoranschluss 41 elektrisch verbunden. Der Kollektoranschluss 41 ist mit einem Motor 94 elektrisch verbunden. Der Motor 94 ist mit der Energiezufuhr 92 elektrisch verbunden, welche dem Motor 94 eine direkte Spannung zuführt, wenn sich die Halbleitervorrichtung 10 einschaltet.
Die Gate-Elektrode 23 ist mit einem Gate-Anschluss 42 elektrisch verbunden. Der Gate-Anschluss 42 ist mit der Gate-Ansteuerungsvorrichtung 95 elektrisch verbunden. Die Gate-Ansteuerungsvorrichtung 95 führt der Gate-Elektrode 23 abwechselnd eine Spannung zum Einschalten der Schaltelementbauteile 20 und eine Spannung zum Ausschalten der Schaltelemente 20 über den Gate-Anschluss 42 zu.
Die Hauptelektrode 24 ist mit einem Hauptanschluss 43 elektrisch verbunden. Der Hauptanschluss 43 ist mit einem Erdungspotential (ein Beispiel für ein Bezugspotential) verbunden.
Die Sensorelektrode 25 ist mit einem Sensoranschluss 44 elektrisch verbunden. Der Sensoranschluss 44 ist mit dem Erdungspotential über die Stromerfassungsvorrichtung 96 verbunden. In der Stromerfassungsvorrichtung 96 wird eine Stromerfassungsschaltung verwendet.
Die Schutzeinrichtung 30 ist mit einer Vielzahl von Dioden 32, 33, 34 und 35 versehen, die in Reihe zwischen einem ersten Verbindungspunkt 36 und einem zweiten Verbindungspunkt 31 verbunden sind. Der erste Verbindungspunkt 36 ist mit der Hauptelektrode 24 elektrisch verbunden und der zweite Verbindungspunkt 31 ist mit der Sensorelektrode 25 elektrisch verbunden. Zwischen dem ersten Verbindungspunkt 36 und dem zweiten Verbindungspunkt 31 sind die Dioden derart angeordnet, dass die Vorwärtsrichtung der Dioden 32 und 34 zu der Rückwärtsrichtung der Dioden 33 bis 35 entgegengesetzt liegt.
Unter Bezugnahme auf 2 wird anschließend der Aufbau der Halbleitervorrichtung 10 beschrieben. Wie im Folgenden erläutert wird, bildet die grafische Darstellung 98 ein Schaltelement 98. Die Halbleitervorrichtung 10 weist eine Vielzahl von Schaltelementen 98 auf.
Die Halbleitervorrichtung 10 ist mit einem Halbleitersubstrat 60 versehen. In dem Halbleitersubstrat 60 ist eine Vielzahl von Schaltelementen 98 ausgebildet. Das Halbleitersubstrat 60 ist in einen Hauptschaltelementebereich 26 und einen Sensorschaltelementebereich 27 unterteilt. Der Hauptschaltelementebereich 26 entspricht dem Bereich, in welchem die Hauptelektrode 24 ausgebildet ist, und der Sensorschaltelementebereich 27 entspricht dem Bereich, in welchem die Sensorelektrode 25 ausgebildet ist. Sowohl an dem Hauptschaltelementebereich 26 als auch an dem Sensorschaltelementebereich 27 ist wiederholt eine Vielzahl von Schalteelementen 98 mit einer gemeinsamen Struktur ausgebildet. Tatsächlich sind die Schaltelemente 98 auch in der Richtung von Links nach Rechts jenseits des Blattraumes ständig ausgebildet. 2 zeigt einen Abschnitt dieser Konfiguration.
Die Halbleitervorrichtung 10 ist mit einer Kollektorelektrode 22, einem Kollektorbereich 61, einem Feldstoppbereich 62 und einem Drift-Bereich 63 versehen. Der Kollektorbereich 61 ist an der Kollektorelektrode 22 ausgebildet und ist vom p⁺-Typ. Der Feldstoppbereich 62 ist an dem Kollektorbereich 61 ausgebildet und ist vom n⁺-Typ. Der Drift-Bereich 63 ist an dem Feldstoppbereich 62 ausgebildet und ist vom n^–-Typ. Der Körperbereich 64 vom p-Typ ist an einer Oberfläche des Driftbereichs 63 ausgebildet. Innerhalb des Körperbereichs 64 ist eine Vielzahl von Emitterbereichen 66 vom n⁺-Typ selektiv ausgebildet. Der Drift-Bereich 63 und der Emitter-Bereich 66 sind durch den Körperbereich 64 getrennt. Eine Vielzahl von Gate-Elektroden 23 vom Grabentyp ist derart ausgeformt, dass sie den Körperbereich 64 an Abschnitten durchdringen, welche den Drift-Bereich 63 und die Emitterbereiche 66 trennen. Die Gate-Elektroden 23 sind Abschnitten des Körperbereichs 64 zugewandt, welche die Emitterbereiche 66 und den Drift-Bereich 63 über die Gate-Isolationsschichten 65 trennen. Die Gate-Elektroden 23 durchdringen den Körperbereich 64 und erstrecken sich zu dem Drift-Bereich 63. Die Gate-Elektroden 23 sind durch ein Zwischenschichtdielektrikum 81 von der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 getrennt. Die Emitterbereiche 66 des Hauptschaltelementebereichs 26 sind mit der Hauptelektrode 24 elektrisch verbunden. Die Emitterbereiche 66 des Sensorschaltelementebereichs 27 sind mit der Sensorelektrode 25 elektrisch verbunden.
Zwischen dem Hauptschaltelementebereich 26 und dem Sensorschaltelementebereich 27 ist ein Halbleiterdiffusionsbereich 67 des p⁺-Typs ausgebildet. Der Halbleiterdiffusionsbereich 67 ist derart eingestellt bzw. festgelegt, dass die Störstellendichte höher ist als in dem Körperbereich 64. Der Halbleiterdiffusionsbereich 67 kann die elektrische Isolation zwischen dem Hauptschaltelementebereich 26 und dem Sensorschaltelementebereich 27 verbessern.
Im Folgenden wird das Schaltelement 98 im Detail beschrieben. Der Kollektorbereich 61, der Feldstoppbereich 62, der Drift-Bereich 63 und der Körperbereich 64, welche einen Teil des Schaltelements 98 bilden, sind zwischen jedem Schaltelement 98 ausgebildet. Andererseits sind die Gate-Elektrode 23, die Gate-Isolationsschicht 65 und der Emitterbereich 66, welche den Rest des Schaltelements 98 bilden, nicht zwischen jedem Schaltelement 98 ausgebildet. Daher wird jedes Schaltelement 98 durch den Gate-Aufbau identifiziert, der eine Kombination aus der Gate-Elektrode 23, der Gate-Isolationsschicht 65 und dem Emitterbereich 66 ist. Insbesondere kennzeichnet ein Gate-Aufbau eine Einheitsstruktur von einem Schaltelement.
Die Hauptelektrode 24 des Hauptschaltelementebereichs 26 und die Sensorelektrode 25 des Sensorschaltelementebereichs 27 sind elektrisch isoliert. Der Hauptschaltelementebereich 26 und der Sensorschaltelementebereich 27 haben die Kollektorelektrode 22 gemein. Die Gate-Elektroden 23 des Hauptschaltelementebereichs 26 und die Gate-Elektroden 23 des Sensorschaltelementebereichs 27 sind miteinander elektrisch verbunden (die Verbindungsabschnitte sind nicht dargestellt). Zu der Vielzahl von Gate-Elektroden 23 wird ein gemeinsames Steuersignal übertragen.
Weil die Hauptelektrode 24 und die Sensorelektrode 25 elektrisch isoliert sind, kann ein Strom, der durch den Sensorschaltelementebereich 27 strömt, von einem Strom, der durch den Hauptschaltelementebereich 26 fließt, getrennt wiedergewonnen werden. Der elektrische Strom, der durch den Sensorschaltelementebereich 27 fließt, fließt durch die Stromerfassungsvorrichtung 96. Daher kann die Menge an elektrischem Strom, die durch den Sensorschaltelementebereich 27 fließt, durch die Stromerfassungsvorrichtung 96 erfasst werden.
Die Menge des elektrischen Stroms, die durch jedes Schaltelement fließt, ist zwischen dem Hauptschaltelementebereich 26 und dem Sensorschaltelementebereich 27 die gleiche. Daher wird ein Proportionalitätsverhältnis zwischen der Anzahl der Schaltelemente in dem Hauptschaltelementebereich 26 und der Anzahl der Schaltelemente in den Sensorschaltelementebereich 27 gleich einem Proportionalitätsverhältnis zwischen der Menge des elektrischen Stroms, die durch die Hauptelektrode 24 fließt, und der Menge des elektrischen Stroms, die durch die Sensorelektrode 25 fließt. Deshalb kann dadurch, dass die Menge des elektrischen Stroms, die durch Sensorelektrode 25 strömt, erfasst wird, die Menge des Stroms, die durch die Hauptelektrode 26 fließt, abgeleitet werden. Die Menge des elektrischen Stroms, die durch den Hauptschaltelementebereich 26 fließt, kann aus der Menge des elektrischen Stroms, die durch den Sensorschaltelementebereich 27 fließt, aus der Anzahl der Schaltelemente in dem Hauptschaltelementebereich 26 und aus der Anzahl der. Schaltelemente in dem Sensorschaltelementebereich 27 berechnet werden. Beispielsweise durch Überwachen der Menge an elektrischem Strom, die durch die Halbleitervorrichtung 10 fließt, wird es daher möglich, ein Phänomen zu erfassen, bei dem durch die Halbleitervorrichtung 10 ein anormaler elektrischer Strom fließt, was verursacht wird, wenn der Motor 94 oder ähnliche Bauteile, die mit der Halbleitervorrichtung 10 verbunden sind, kurzgeschlossen wird. Wenn an dem Motor 94 oder dergleichen ein Kurzschluss auftritt, kann daher die Halbleitervorrichtung 10 obligatorisch abgeschaltet werden, um zu verhindern, dass durch die Halbleitervorrichtung 10 ein übermäßiger Strom fließt.
Gemäß 2 ist die Halbleitervorrichtung 10 mit der Schutzeinrichtung 30 versehen, die an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 60 ausgebildet ist. Die Schutzeinrichtung 30 ist mit einer Halbleiterschicht 70, die aus Polysilizium hergestellt ist, und Isolationsschichten 82, 84, 86 und 88, die aus Oxid/Silizium hergestellt sind, versehen. Die Isolationsschichten 82, 84, 86 und 88 bedecken die Halbleiterschicht 70. Die Halbleiterschicht 70 ist zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 ausgeformt. Die Isolationsschicht 82 bedeckt die untere Fläche der Halbleiterschicht 70. Die Seitenflächensiolationsschichten 84 und 88 bedecken die Seitenfläche der Halbleiterschicht 70. Die Oberseitenisolationsschicht 86 bedeckt die obere Seite der Halbleiterschicht 70. Die Unterseitenisolationsschicht 82 kann mit einem gemeinsamen Herstellungsvorgang als Zwischenschichtdielektrikum 81 ausgebildet sein. An einem Abschnitt der Oberseitenisolationsschicht 86 sind zwei Öffnungen ausgeformt. Ein Abschnitt der Halbleiterschicht 70 kontaktiert die Hauptelektrode 24 über eine der Öffnungen (die dem ersten Verbindungspunkt 36 von 1 entspricht) und der andere Abschnitt der Halbleiterschicht 70 kontaktiert die Sensorelektrode 25 über die andere Öffnung (die dem zweiten Verbindungspunkt 31 von 1 entspricht).
Die Halbleiterschicht 70 ist mit einem ersten Halbleiterbereich 71, einem zweiten Halbleiterbereich 72, einem dritten Halbleiterbereich 73, einem vierten Halbleiterbereich 74 und einem fünften Halbleiterbereich 75 versehen, die zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 in Reihe angeordnet sind.
Der erste Halbleiterbereich 71 ist mit der Hauptelektrode 24 über den ersten Verbindungspunkt 36 verbunden und weist Störstellen vom n-Typ auf. Der zweite Halbleiterbereich 72 kontaktiert den ersten Halbleiterbereich 71 und ist durch diesen von Hauptelektrode 24 getrennt. Der zweite Halbleiterbereich 72 weist Störstellen vom p-Typ auf. Der dritte Halbleiterbereich 73 kontaktiert den zweiten Halbleiterbereich 72 und ist durch diesen von dem ersten Halbleiterbereich 72 getrennt. Der dritte Halbleiterbereich 73 weist Störstellen vom n-Typ auf. Der vierte Halbleiterbereich 74 kontaktiert den dritten Halbleiterbereich 73 und ist durch diesen von dem zweiten Halbleiterbereich 72 getrennt. Der vierte Halbleiterbereich 74 weist Störstellen vom p-Typ auf. Der fünfte Halbleiterbereich 75 kontaktiert den vierten Halbleiterbereich 74 und ist durch diesen von dem dritten Halbleiterbereich 73 getrennt. Der fünfte Halbleiterbereich 75 weist Störstellen vom n-Typ auf. Der fünfte Halbleiterbereich 75 ist über den zweiten Verbindungspunkt 31 mit der Sensorelektrode 25 elektrisch verbunden.
Gemäß 1 ist durch einen pn-Übergang zwischen dem ersten Halbleiterbereich 71 und dem zweiten Halbleiterbereich 72 eine erste Diode 32 ausgebildet. Durch einen pn-Übergang zwischen dem zweiten Halbleiterbereich 72 und dem dritten Halbleiterbereich 73 ist eine zweite Diode 33 ausgeformt. Durch einen pn-Übergang zwischen dem dritten Halbleiterbereich 73 und dem vierten Halbleiterbereich 74 ist eine dritte Diode 34 ausgeformt. Durch einen pn-Übergang zwischen dem vierten Halbleiterbereich 74 und dem fünften Halbleiterbereich 75 ist eine vierte Diode 35 ausgeformt. Die Vorwärtsrichtung der ersten Diode 32 und der dritten Diode 34 liegt in der Richtung von der Hauptelektrode 24 zu der Sensorelektrode 25. Die Vorwärtsrichtung der zweiten Diode 33 und der vierten Diode 35 liegt in Richtung von der Sensorelektrode 25 zu der Hauptelektrode 24.
Anschließend wird die Funktion der Schutzeinrichtung 30 erläutert. Während eines Herstellungsvorgangs der Halbleitervorrichtung 10 kann an die Halbleitervorrichtung 10 aus verschiedenen Gründen eine übermäßige Spannung, wie zum Beispiel eine elektrostatische Entladung, angelegt werden. Wenn der Sensorschaltelementebereich 27 zum Erfassen von Strom in der Halbleitervorrichtung angeordnet ist, wie bei der gegenwärtigen Ausführungsform, tritt das Problem auf, dass die Gate-Isolationsschichten 65 des Sensorschaltelementebereichs 27 leicht zerstört werden. Dieses Problem tritt aus dem folgenden Grund auf.
Die Anzahl von Schaltelementen 98, die in dem Sensorschaltelementebereich 27 ausgeformt ist, ist geringer als die Anzahl von Schaltelementen 98, die in dem Hauptschaltelementebereich 26 ausgeformt ist. Daher ist die Gate-Eingangskapazität zwischen der Sensorelektrode 25 und den Gate-Elektroden 23 (die dem Bereich der Gate-Isolationsschicht 65 entspricht) des Sensorschaltelementebereichs 27 geringer als die Gate-Eingangskapazität zwischen der Hauptelektrode 24 und den Gate-Elektroden 23 des Hauptschaltelementebereichs 26. Weil die Gate-Eingangskapazität des Hauptschaltelementebereichs 26 groß ist, ist die ESD-Toleranz zwischen der Hauptelektrode 24 und den Gate-Elektroden 23 des Hauptschaltelementebereichs 26 groß. Weil die Gate-Eingangskapazität des Sensorschaltelementebereichs 27 gering ist, ist andererseits die ESD-Toleranz zwischen der Sensorelektrode 25 und den Gate-Elektroden 23 des Sensorschaltelementebereichs 27 gering. Wenn zwischen der Sensorelektrode 25 und den Gate-Elektroden 23 die elektrostatische Entladung angelegt wird, können daher die Gate-Isolationsschichten 65 des Sensorschaltelementebereichs 27 solange leicht zerstört werden, bis eine Gegenmaßnahme unternommen wird.
Die Halbleitervorrichtung 10 der gegenwärtigen Ausführung ist mit der Schutzeinrichtung 30 versehen. Wenn zwischen der Sensorelektrode 25 und den Gate-Elektroden 23 des Sensorschaltelementebereichs 27 die elektrostatische Entladung angelegt wird, kann die Schutzeinrichtung 30 elektrische Ladungen von der Sensorelektrode 25 zu der Hauptelektrode 24 entladen. Insbesondere wenn zwischen der Sensorelektrode 25 und den Gate-Elektroden 23 des Sensorschaltelementebereichs 27 die die elektrostatische Entladung angelegt wird und wenn zwischen der Sensorelektrode 25 und der Hauptelektrode 24 eine bestimmte Potentialdifferenz resultiert, verbindet die Schutzeinrichtung 30 die Hauptelektrode 24 und die Sensorelektrode 25 elektrisch dadurch, dass ein Abschnitt der Dioden 32, 33, 34 und 35 kurzgeschlossen wird, die in der Schutzeinrichtung 30 angeordnet sind. Dadurch kann verhindert werden, dass an die Gate-Isolationsschichten 65 des Sensorschaltelementebereichs 27 eine übermäßige Spannung angelegt wird. Dies verhindert, dass die Gate-Isolationsschichten 65 des Sensorschaltelementebereichs 27 zerstört werden. Sogar wenn elektrische Ladungen von der Sensorelektrode 25 zu der Hauptelektrode 24 entladen werden, werden darüber hinaus die Gate-Isolationsschichten 65 des Hauptschaltelementebereichs 26 nicht beschädigt, weil die Gate-Eingangskapazität des Hauptschaltelementebereichs 26 groß ist.
Während eines Herstellungsvorgangs der Halbleitervorrichtung 10 wird ein Test durchgeführt, bei dem zwischen den Anschlüssen der Halbleitervorrichtung 10 elektrische Ladungen zwangsweise angelegt werden (beispielsweise ESD-Toleranztests, die als „Mensch-Modus bzw. Mann-Modus” und „Maschinenmodus” bezeichnet werden), um die Toleranz der Halbleitervorrichtung 10 gegenüber der elektrostatischen Entladung zu beurteilen. Der ESD-Toleranztest wird auch für die Sensorelektrode 24 und die Gate-Elektrode 23 durchgeführt. Wie oben beschrieben, ist die ESD-Toleranz zwischen der Sensorelektrode und den Gate-Elektroden des Sensorschaltelementebereichs 26 im Stand der Technik gering. Wenn bei einer Halbleitervorrichtung aus dem Stand der Technik Standard-ESD-Toleranztests vom Typ „Mann-Modus” oder „Maschinenmodus” durchgeführt werden, werden die Gate-Isolationsschichten des Sensorschaltelementebereichs häufig zerstört. Sogar wenn bei der Halbleitervorrichtung 10 ESD-Toleranztests vom Typ „Mann-Modus” oder „Maschinenmodus” durchgeführt werden, kann andererseits verhindert werden, dass die Gate-Isolationsschichten 65 des Sensorschaltelementebereichs 27 beschädigt werden, weil die Halbleitervorrichtung 10 der gegenwärtigen Ausführungsform mit der Schutzeinrichtung 30 versehen ist.
In der Schutzeinrichtung 30 liegt die Vorwärtsrichtung der ersten Diode 32 und der dritten Diode 34 entgegengesetzt zu der Vorwärtsrichtung der zweiten Diode 33 und der vierten Diode 35. Die Entladung von elektrischer Ladung von der Sensorelektrode 25 zu der Hauptelektrode 24 tritt auf, wenn das elektrische Potential an der Sensorelektrode 25 höher ist als das elektrische Potential an der Hauptelektrode 24 und wenn die Potentialdifferenz zwischen der Sensorelektrode 25 und der Hauptelektrode 24 die gesamte Durchschlagspannung der ersten Diode 32 und der dritten Diode 34 überschreitet. Andererseits tritt die Entladung der elektrischen Ladung von der Hauptelektrode 24 zu der Sensorelektrode 25 auf, wenn das elektrische Potential an der Hauptelektrode 24 größer ist als das elektrische Potential an der Sensorelektrode 25 und wenn die Potentialdifferenz zwischen der Sensorelektrode 25 und der Hauptelektrode 24 die gesamte Durchschlagspannung der zweiten Diode 33 und der vierten Diode 35 überschreitet. Daher kann die Schutzeinrichtung 30 zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 einen nicht leitenden Zustand solange aufrechterhalten, bis die Potentialdifferenz zwischen der Sensorelektrode 25 und der Hauptelektrode 24 die gesamte Durchschlagspannung der ersten Diode 32 und der dritten Diode 34 nicht überschreitet. Ebenso kann die Schutzeinrichtung 30 zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 einen nicht leitenden Zustand solange aufrecht erhalten, bis die Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 die gesamte Durchschlagspannung der zweiten Diode 33 und der vierten Diode 35 nicht überschreitet. Bei einem normalen Betrieb wird der nicht leitende Zustand zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 aufrechterhalten, weil zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 keine große Potentialdifferenz erzeugt wird. Bei einem normalen Betrieb können daher der Strom, der durch die Hauptelektrode 24 fließt, und der Strom, der durch die Sensorelektrode 25 fließt, getrennt werden. Bei einem normalen Betrieb kann dadurch, dass der Strom, der durch die Hauptelektrode 24 fließt, und der Strom, der durch die Sensorelektrode 25 fließt, getrennt sind, die Genauigkeit des Stromwertes, der durch die Stromerfassungsvorrichtung 96 erfasst wird, verbessert werden.
Darüber hinaus kann die Potentialdifferenz, bei welcher die Schutzeinrichtung 30 kurzgeschlossen wird, durch die Anzahl von Dioden, die in der Schutzeinrichtung 30 angeordnet sind, eingestellt werden.
Wie in dem Punkt Hintergrund der Erfindung beschrieben worden ist, gibt es ferner ein Verfahren, in welchem zwischen einer Emitterelektrode der Sensorschaltelemente und einer Gate-Elektrode eine Zenerdiode angeordnet ist, um die ESD-Toleranz zwischen der Emitterelektrode der Sensorschaltelemente und der Gate-Elektrode zu verbessern. Durch Anordnen der Zenerdiode wird daher das Auftreten des Zenerleckstroms unvermeidbar. Bei dem Verfahren aus dem Stand der Technik, bei welchem die Zenerdiode verwendet wird, tritt daher das Problem auf, dass der Gate-Leckstrom sich erhöht, was auch den Gate-Ansteuerungsverlust der Halbleitervorrichtung erhöht.
Im Gegensatz dazu erhöht sich mit der Halbleitervorrichtung 10 der gegenwärtigen Ausführungsform der Gate-Leckstrom sogar dann nicht, wenn zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 ein Leckstrom fließt.
3 zeigt die Menge des Gate-Leckstroms der Halbleitervorrichtung aus dem Stand der Technik, welche die Zenerdiode verwendet, und die Menge des Gate-Leckstroms der Halbleitervorrichtung 10 gemäß der gegenwärtigen Ausführungsform. 3(a) zeigt einen Fall, in welchem die Temperatur der Halbleitervorrichtungen 25°C beträgt. 3(b) zeigt einen Fall, in welchem die Temperatur der Halbleitervorrichtungen 150°C beträgt.
Bei beiden Temperaturen ist es ersichtlich, dass die Halbleitervorrichtung 10 der gegenwärtigen Ausführungsform eine beträchtlich geringere Menge an einem Gate-Leckstrom aufweist. Ferner ändert sich bei der Halbleitervorrichtung aus dem Stand der Technik die Menge des Gate-Leckstroms in Bezug auf die Temperaturänderung der Halbleitervorrichtung. Andererseits wird bei der Halbleitervorrichtung 10 gemäß der gegenwärtigen Ausführungsform die Änderung der Menge des Gate-Leckstroms ungeachtet der Temperatur der Halbleitervorrichtung 10 unterdrückt. Die Halbleitervorrichtung 10 ist hinsichtlich einer Temperaturänderung stabil. Der Gate-Leckstrom der Halbleitervorrichtung 10 wird ungeachtet der Temperatur der Halbleitervorrichtung 10 auf einem geringem Niveau gehalten.
Die Halbleitervorrichtung 10 der gegenwärtigen Ausführungsform kann den Gate-Ansteuerungsverlust minimieren, weil der Gate-Leckstrom minimal ist. Mit der Halbleitervorrichtung 10 der gegenwärtigen Ausführungsform kann das Problem der ESD zwischen der Sensorelektrode 25 und der Gate-Elektrode 23 des Sensorschaltelementebereichs 27 gelöst werden, während der Gate-Ansteuerungsverlust minimiert wird.
Wenn die Halbleitervorrichtung 10 eingeschalten wird und sogar wenn zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 durch die Schutzeinrichtung 30 ein Leckstrom fließt, ist darüber hinaus die Menge des Leckstroms, der durch die Schutzeinrichtung 30 fließt, im Wesentlichen gering. Sogar wenn ein Leckstrom auftritt, wird daher die Erfassungsfähigkeit der Stromerfassungsvorrichtung 96 nicht ungünstig beeinflusst.
Im Folgenden sind andere Eigenschaften der Halbleitervorrichtung 10 der gegenwärtigen Ausführungsform beschrieben.

(1) Vorzugsweise ist der Wert, das heißt die Menge des Stroms, die durch den Sensorschaltelementebereich 27 fließt, geteilt durch die Menge des Stroms, die durch die gesamte Halbleitervorrichtung 10 fließt, (was als Stromerfassungsverhältnis bezeichnet wird), kleiner oder gleich 0,01. Um diesen Wert zu realisieren sollte der Wert, das heißt die Anzahl der Schaltelemente 98, die in dem Sensorschaltelementebereich 27 ausgeformt sind, geteilt durch die Gesamtanzahl der Schaltelemente 98, die an der gesamten Halbleitervorrichtung 10 ausgebildet sind, kleiner oder gleich 0,01 sein. Je geringer das Verhältnis ist, desto mehr wird die Erfassungsfähigkeit der Menge an elektrischem Strom, die durch die Halbleitervorrichtung 10 fließt, verbessert. Wenn das zuvor erwähnte Verhältnis erzielt wird, wird die Gate-Eingangskapazität des Sensorschaltelementebereichs 27 kleiner als die Gate-Eingangskapazität des Hauptschaltelementebereichs 26 und die ESD-Toleranz des Sensorschaltelementebereichs 27 wird im Allgemeinen kleiner. In einem solchen Fall kann wie in dem Fall der Halbleitervorrichtung 10 dadurch, dass die Schutzeinrichtung 30 vorgesehen ist, die ESD-Toleranz zwischen der Sensorelektrode 25 und der Gate-Elektrode 23 verbessert werden. Insbesondere wenn das Stromerfassungsverhältnis kleiner oder gleich 0,01 ist, kann die Schutzeinrichtung 30 beträchtlich positive Wirkungen erzielen. Wenn das Stromerfassungsverhältnis kleiner oder gleich 0,01 ist, kann die Halbleitervorrichtung 10 mit der Schutzeinrichtung 30 die Erfassungsfähigkeit der Menge des Stromes sowie die ESD-Toleranz verbessern.
(2) Mit einer Halbleitervorrichtung aus dem Stand der Technik, bei der zwischen einer Sensorelektrode eines Sensorschaltelementebereichs und einer Gate-Elektrode eine Zenerdiode angeordnet ist, könnten Probleme auftreten, wenn ein Gate-Überprüfungstest durchgeführt wird. Ein Gate-Überprüfungstest bezieht sich auf einen Test zum Prüfen von defekten Gate-Strukturen (typischerweise eines Gate-Isolationsfilms), indem alle Anschlüsse einer Halbleitervorrichtung mit Ausnahme der Gate-Anschlüsse geerdet werden und indem an die Gate-Anschlüsse eine bestimmte Spannung angelegt wird. Die bestimmte Spannung, die an die Gate-Anschlüsse angelegt werden soll, ist gewöhnlich 70 bis 80% von der Spannung, die erforderlich sein würde, um den Gate-Isolationsfilm zu zerstören. Wenn jedoch zwischen der Sensorelektrode des Sensorschaltelementebereichs und der Gate-Elektrode eine Zenerdiode angeordnet ist, wie im Stand der Technik, kann an den Gate-Anschluss keine Spannung angelegt werden, die höher als die Durchschlagspannung der Zenerdiode ist. Daher können mit dem Gate-Überprüfungstest defekte Gate-Isolationsfilme nicht überprüft werden.

Andererseits ist es mit der Halbleitervorrichtung 10 möglich, an den Gate-Anschluss 42 eine ausreichend hohe Spannung anzulegen, weil der Gate-Anschluss 42 von den anderen Anschlüssen isoliert ist. Daher kann an den Gate-Anschluss 42 die für den Gate-Überprüfungstest notwendige Spannung angelegt werden. Dadurch können die defekten Gate-Isolationsfilme 65 überprüft werden.
Um die ESD-Toleranz der Halbleitervorrichtung 10 zu beurteilen wird im Allgemeinen ein ESD-Toleranztest, der als „Maschinenmodus” bezeichnet wird, durchgeführt, bei welchem zwischen Anschlüssen der Halbleitervorrichtung 10 elektrische Ladungen zwangsweise angelegt werden. Vorzugsweise ist die Gate-Eingangskapazität des Hauptschaltelementebereichs 26 der Halbleitervorrichtung 10 größer als ein Wert, der dadurch berechnet wird, dass der Betrag an elektrischen Ladungen, die zwischen Anschlüssen (während des ESD-Toleranztests vom Typ Maschinenmodus) zugeführt werden, durch die Zerstörungstoleranz (die Zerstörungsspannung) der Gate-Isolationsfilme geteilt wird. Die Gate-Eingangskapazität des Hauptschaltelementebereichs 26 kann beispielsweise dadurch effektiv erhöht werden, dass die Anzahl der Schaltelemente erhöht wird, die in dem Hauptschaltelementebereich 26 ausgeformt ist.
Wenn die obigen Bedingungen erfüllt sind, kann während des ESD-Toleranztests vom Typ Maschinenmodus verhindert werden, dass die Gate-Isolationsfilme 65 des Hauptschaltelementebereichs 26 zerstört werden. In einem Standard-ESD-Toleranztest vom Typ Maschinenmodus werden gewöhnlich 200 (V) als Energiequelle verwendet, wenn die elektrischen Ladungen zugeführt werden, und für einen Kondensator, der verwendet wird, um elektrische Ladungen zu sammeln, werden im Allgemeinen 200 (pF) verwendet. Daher wird bevorzugt die Gate-Eingangskapazität des Hauptschaltelementebereichs 26 derart eingestellt, dass sie größer ist als der Wert, der im Folgenden berechnet wird.

200 (V) × 200 (pF)/Zerstörungstoleranz der Gate-Isolationsfilme 65.
Die Zerstörungstoleranz der Gate-Isolationsfilme 65 beträgt typischerweise ungefähr 80 V. Daher wird vorzugsweise die Gate-Eingangskapazität des Hauptschaltelementebereichs 26, die durch obige Formel berechnet wurde, derart eingestellt, dass sie größer als 500 (pF) ist.
4 zeigt ein Verhältnis zwischen der Gate-Eingangskapazität des Hauptschaltelementebereichs 26 und der elektrostatischen Toleranz der Halbleitervorrichtung 10.
Gemäß 4 wird die elektrostatische Toleranz der Halbleitervorrichtung 10 beträchtlich größer, wenn die Gate-Eingangskapazität 500 pF überschreitet. Wie oben beschrieben kann dann, wenn die Gate-Eingangskapazität größer als 500 pF ist, verhindert werden, dass die Gate-Isolationsschichten 65 des Hauptschaltelementebereichs 26 zerstört werden. Die Halbleitervorrichtung 10 verwendet auch die Schutzeinrichtung 30 und sie verhindert, dass die Gate-Isolationsschichten 65 des Sensorschaltelementebereichs 27 zerstört werden. Sogar wenn durch die Schutzeinrichtung 30 elektrische Ladungen von der Sensorelektrode 25 des Sensorschaltelementebereichs 27 zu der Hauptelektrode 24 des Hauptschaltelementebereichs 26 entladen werden, kann verhindert werden, dass die Gate-Isolationsschichten 65 des Hauptschaltelementebereichs 26 zerstört werden. Daher kann verhindert werden, dass sowohl in dem Hauptschaltelementebereich 26 als auch in dem Sensorschaltelementebereich 27 die Gate-Isolationsschichten 65 zerstört werden. Demgemäß wird die elektrostatische Toleranz der Halbleitervorrichtung 10 beträchtlich größer, wenn die Gate-Eingangskapazität 550 pF überschreitet.

(4) Die Schutzeinrichtung 30 kann an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 60 dadurch ausgebildet sein, dass ein Vorgang zur Herstellung der Halbleitervorrichtung 10 verwendet wird. Durch das Herstellen der Schutzeinrichtung 30 tritt kein wesentlicher Anstieg der Herstellungskosten auf. Darüber hinaus erfolgt kein Anstieg bei der Abmessung, weil die Schutzeinrichtung 30 in die Halbleitervorrichtung 10 integriert ist.
(5) Die Schutzeinrichtung 30 kann ferner Widerstände aufweisen, die in Reihe entgegen der Dioden 32, 33, 34 und 35 angeordnet sind. Diese zusätzlichen Widerstände sind vorzugsweise dadurch ausgebildet, dass ein Vorgang zum Herstellen der Halbleitervorrichtung 10 verwendet wird. Beispielsweise können die zusätzlichen Widerstände dadurch ausgeformt sein, dass mit der Halbleiterschicht 70 der Schutzeinrichtung 30 ein Kontakt hergestellt wird, und sie können dadurch erzielt werden, dass ein Bereich mit einer eingestellten Störstellendichte ausgebildet wird.

Durch Bereitstellen derartiger zusätzlicher Widerstände kann die Menge des elektrischen Stroms, die durch die Schutzeinrichtung 30 fließt, gesteuert werden. Dadurch kann die ESD-Toleranz zwischen der Sensorelektrode 25 des Sensorschaltelementebereichs 27 und der Gate-Elektrode 23 sogar dann verbessert werden, wenn der pn-Übergangsbereich der Dioden 32, 33, 34 und 35, die an der Schutzeinrichtung 30 vorgesehen sind, nicht ausreichend ist. Durch Vorsehen der zusätzlichen Widerstände kann ferner die Halbleitervorrichtung 10 kompakter gemacht werden, weil der pn-Übergangsbereich der Dioden 32, 33, 34 und 35 kleiner gemacht werden kann.

(6) Die DC-Toleranz bzw. Gleichstromtoleranz zwischen dem Hauptschaltelementebereich 26 und dem Sensorschaltelementebereich 27 schwankt in Abhängigkeit von der Ausgestaltung stark, aber sie liegt gewöhnlich zwischen einigen Volt bis einigen zehn Volt. Daher ist es ersichtlich, dass zwischen dem Hauptschaltelementebereich 26 und dem Sensorschaltelementebereich 27 eine Bulk-Diode eingebettet ist. Wenn die Toleranz zwischen dem Hauptschaltelementebereich 26 und dem Sensorschaltelementebereich 27 geringer ist als die der Schutzeinrichtung 30, kann es den Anschein haben, dass die Bulk-Diode einen Schutz bereitstellt. Das ist jedoch nicht der Fall. Tatsächlich beträgt die Toleranz der Bulk-Diode, die zwischen dem Hauptschaltelementebereich 26 und dem Sensorschaltelementebereich 27 angeordnet ist, einige hundert Volt. Daher kann nicht erwartet werden, dass die Bulk-Diode als Schutzvorrichtung einen Schutz gegen die elektrostatische Entladung bereitstellt. Sogar wenn die Schutzeinrichtung 30 mit einer größeren Toleranz als der Toleranz zwischen dem Hauptschaltelementebereich 26 und dem Sensorschaltelementebereich 27 verwendet wird, kann verhindert werden, dass die Gate-Isolationsschichten aufgrund der elektrostatischen Entladung zerstört werden, solange die Toleranz der Schutzeinrichtung 30 kleiner oder gleich der Toleranz der Gate-Isolationsschichten 65 ist.

Erfindungsgemäß ist eine Halbleitervorrichtung 10 vorgesehen, die eine Hauptelektrode 24 aus einem Hauptschaltelementebereich 26, eine Sensorelektrode 25 aus einem Sensorschaltelementebereich 27 und eine Schutzeinrichtung 30, die zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 ausgeformt ist, aufweist. Die Schutzeinrichtung 30 verbindet die Hauptelektrode 24 und die Sensorelektrode 25 elektrisch, wenn zwischen der Hauptelektrode 24 und der Sensorelektrode 25 eine Potentialdifferenz erzeugt wird. Die Halbleitervorrichtung 10 kann mit einer übermäßigen Spannung, wie zum Beispiel einer elektrostatischen Entladung, die zwischen der Sensorelektrode 25 und der Gate-Elektrode 23 erzeugt wurde, umgehen, während gleichzeitig verhindert wird, dass ein Gate-Ansteuerungsverlust ansteigt.

Claims

Halbleitervorrichtung, mit: einem Halbleitersubstrat (60), das eine Vielzahl von darin ausgebildeten Schaltelementen (98) aufweist, wobei die Schaltelemente (98) eine gemeinsame Struktur aufweisen und in wenigstens zwei Gruppen unterteilt sind; einer Hauptelektrode (24), die mit den Schaltelementen (98) verbunden ist, welche zu einer Gruppe der Schaltelemente (98) gehören, und mit einem Bezugspotential verbunden ist; einer Sensorelektrode (25), die mit den Schaltelementen (98) verbunden ist, die zu der anderen Gruppe der Schaltelemente (98) gehören, und über eine Stromerfassungsvorrichtung (96) mit dem Bezugspotential verbunden ist; und einer Schutzeinrichtung (30), die auf dem Halbleitersubstrat (60) gebildet ist und eine Vielzahl von Dioden (32, 33, 34, 35) aufweist, die in Reihe zwischen der Hauptelektrode (24) und der Sensorelektrode (25) verbunden sind, worin die Dioden (32, 33, 34, 35) wenigstens einen Satz von Dioden aufweisen, die in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind, wobei die Schutzeinrichtung (30) die Hauptelektrode (24) und die Sensorelektrode (25) elektrisch leitend verbindet, wenn eine Potentialdifferenz zwischen der Hauptelektrode (24) und der Sensorelektrode (25) eine bestimmte Spannung überschreitet, wobei das Halbleitersubstrat (60) unterteilt ist in einen Hauptschaltelementebereich (26), in welchem die mit der Hauptelektrode (24) verbundenen Schaltelemente (98) gebildet sind, und einen Sensorschaltelementebereich (27), in welchem die mit der Sensorelektrode (25) verbundenen Schaltelemente (98) gebildet sind, wobei zwischen dem Hauptschaltelementebereich (26) und dem Sensorschaltelementebereich (27) ein isolierender Bereich gebildet ist, und die Schutzeinrichtung (30) innerhalb des isolierenden Bereichs zwischen dem Hauptschaltelementebereich (26) und dem Sensorschaltelementebereich (27) befindlich ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schutzeinrichtung (30) aufweist: eine Halbleiterschicht (70), die sich von der Hauptelektrode (24) zu der Sensorelektrode (25) erstreckt, wobei die Halbleiterschicht (70) aufweist: einen ersten Halbleiterbereich (71), der mit der Hauptelektrode (24) verbunden ist und Störstellen eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist; einen zweiten Halbleiterbereich (73), der mit der Sensorelektrode (25) verbunden ist und Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist; und einen Halbleiter-Zwischenbereich (72), der zwischen dem ersten Halbleiterbereich (71) und dem zweiten Halbleiterbereich (73) angeordnet ist und Störstellen eines zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die bestimmte Spannung der Schutzeinrichtung (30), ab welcher die Hauptelektrode (24) und die Sensorelektrode (25) leitend verbunden sind, derart eingestellt ist, dass sie höher als eine maximale Nennspannung zwischen der Hauptelektrode (24) und einer Gate-Elektrode (23) der Schaltelemente (98) ist, und die bestimmte Spannung der Schutzeinrichtung (30) geringer als eine Zerstörungstoleranz einer Gate-Isolationsschicht (65) ist.