DE102007015295A1 - Temperatursensorstruktur für ein Halbleiterbauelement - Google Patents

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Abstract

Eine Temperatursensorstruktur (1) für ein Halbleiterbauelement (50) weist ein Halbleitersubstrat (10) mit dem Halbleiterbauelement (50) auf, wobei sich benachbart zu einer Hauptoberfläche (12) des Halbleitersubstrats ein Dissipationsgebiet (14) des Halbleiterbauelements (50) befindet, eine erste Schichtanordnung, die auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats benachbart zu dem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements angeordnet ist, eine zweite Schichtanordnung (18), die auf der ersten Schichtanordnung (18) mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht (20) zur galvanischen Trennung angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Schichtanordnung und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche (12) oberhalb des Dissipationsgebiets (14) bilden, und einem Scng (18) angeordnet ist, wobei das Schaltungselement eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und mit dem Dissipationsgebiet (14) thermisch gekoppelt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Temperaturerfassung bei Halbleiterbauelementen und insbesondere auf eine Temperatursensorstruktur für ein Halbleiterbauelement, wie z. B. ein Leistungsbauelement.
  • Bei monolithisch integrierten Smart-Power-Schaltungen, wie sie z. B. in der KFZ-Elektronik oder in Schaltkreisen mit Brücken-Treibern Verwendung finden, werden Leistungsbauelemente eingesetzt, welche sich aufgrund der geschalteten Verlustleistung auf Temperaturen von über 150°C oder bei kurzzeitigen und nur auf wenige Schaltvorgänge beschränkten Anwendungen, wie beispielsweise bei der Airbag-Ansteuerung, sogar auf Sperrschichttemperaturen von bis zu 300°C erwärmen können. Diese hohen Temperaturen können zu einer Degradation oder Zerstörung der Bauelemente und der dazugehörigen Schaltkreise führen. Die Erfassung und Überwachung der Temperatur eines Leistungsbauelements, wie z. B. eines Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekt-Transistors (MOSFET) oder eines Isolated-Gate-Bipolar-Transistors (IGBT) und eine entsprechende Bauelementesteuerung und -regelung kann also erforderlich sein, um schädigende Effekte auf die Wirksamkeit des Leistungsbauelements zu verhindern.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung eine Temperatursensorstruktur für ein Halbleiterbauelement in einem Halbleitersubstrat, wobei sich benachbart zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ein Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements befindet. Eine erste Schichtanordnung ist auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats benachbart zu dem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements angeordnet. Eine zweite Schichtanordnung, die auf der ersten Schichtanordnung mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht zur galvanischen Trennung angeordnet ist, bildet zusammen mit der ersten Schichtanordnung und der Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche oberhalb des Dissipationsgebietes. Außerdem ist ein Schaltungselement in der zweiten Schichtanordnung angeordnet, wobei das Schaltungselement eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und mit dem Dissipationsgebiet thermisch gekoppelt ist.
  • Durch die Temperatursensorstruktur kann die Temperatur sehr akkurat bestimmt werden, da der Temperatursensor sehr nahe an dem Bereich der höchsten Erwärmung des Leistungsbauelements platziert werden kann. Dies kann durch die monolithische Integration der Temperatursensorstruktur über dem Dissipationsgebiet beispielsweise eines Leistungstransistors erreicht werden. Der Abstand zwischen der Temperatursensorstruktur und dem Leistungstransistor kann dabei kleiner als die Ausdehnung der Raumladungszone des Transistors, die typischerweise einige Mikrometer, z. B. 2 μm bis 10 μm beträgt, sein. Trotz des relativ kleinen Abstandes kann aber die Funktionsfähigkeit und Genauigkeit des Transistors gewährleistet werden. Um die ordnungsgemäße Funktionsweise des Temperatursensors und des Transistors zu gewährleisten, können beide galvanisch getrennt sein und über eine ausreichende thermische Ankopplung verfügen.
  • Gerade bei schnellen, transienten Schaltvorgängen mit Schaltzeiten von weniger als 3 ms, können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung durch den geringen Abstand zwischen dem temperaturabhängigen Schaltungselement der Temperatursensorstruktur und dem Dissipationsgebiet äußerst geringe Abweichung zwischen dem gemessenen Wert und der tatsächlichen Maximaltemperatur erreichen. Deshalb kann bei der Auslegung der Regelschaltung beispielsweise auf eine große Toleranz verzichtet werden, was sich wiederum vorteilhaft auf wichtige Schaltungskenngrößen, wie z. B. Schaltleistungsfläche, Chipfläche und thermische Impedanz des Gehäuses, auswirken kann.
  • Da die Temperatursensorstruktur über dem Dissipationsgebiet liegen kann, kann der Flächenbedarf der Schaltung und damit auch der Kostenaufwand für die Schaltung niedrig gehalten werden. Gemäß Ausführungsbeispiel kann ein flächenneutraler Temperatursensor erhalten werden, d. h. der spezifische Einschaltwiderstand (= Rds(on) × Fläche) z. B. eines Leistungstransistors vergrößert sich nicht.
  • Somit können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung durch die Schichtstruktur der Temperatursensorstruktur direkt oberhalb des aktiven Bereiches eines Halbleiterbauelementes, beispielsweise in einem geringen Abstand von etwa 200 nm, die Temperatur schnell und genau erfassen. Der Temperatursensor benötigt beispielsweise keinen zusätzlichen Flächenbedarf, da die Temperatursensorstruktur über dem aktiven Halbleiterbauelementegebiet angeordnet werden kann. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen, dass beispielsweise die Temperatursensorstruktur praktisch beliebig auf dem Halbleiterbauelementgebiet angeordnet werden und im Rahmen bestehender Halbleiterprozessierungsumgebungen, wie beispielsweise der Flash-Prozessierungsumgebung mit seiner Doppel-Polysilizium-Prozessierung, hergestellt werden kann. Dadurch kann es erreicht werden, dass keine oder kaum zusätzlichen Prozesskosten entstehen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen schematisierten Querschnitt durch eine Temperatursensorstruktur für ein Halbleiterbauelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 einen schematisierten Querschnitt durch eine Temperatursensorstruktur mit einem Transistor als Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematisierte Draufsicht einer Temperatursensorstruktur mit einem Transistor als Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 4 ein schematisiertes Flussdiagramm zu dem Verfahren zur Herstellung einer integrierten Temperatursensorstruktur benachbart zu einem Dissipationsgebiet eines Halbleiterbauelements, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Im Nachfolgenden werden nun bezugnehmend auf die beiliegenden 1 bis 4 Ausführungsbeispiele der Temperatursensorstruktur für ein Halbleiterbauelement sowie zu dem Verfahren zur Herstellung einer integrierten Temperatursensorstruktur benachbart zu einem Dissipationsgebiet eines Halbleiterbauelements detailliert dargelegt.
  • Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren für funktional identische bzw. gleichwirkende oder funktionsgleiche, äquivalente Elemente zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
  • Bezugnehmend auf 1 wird der Aufbau der Temperatursensorstruktur für ein Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Die Temperatursensorstruktur 1 für eine Halbleiterbauelement 50 weist ein Halbleitersubstrat 10 mit einer Hauptoberfläche 12 und einem Dissipationsgebiet 14 auf. Auf der Hauptoberfläche benachbart zu dem Dissipationsgebiet befindet sich eine erste Schichtanordnung 16, über die eine zweite Schichtanordnung 18 mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht 20 angeordnet ist. Zusammen bilden die erste und die zweite Schichtanordnung und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche 12 oberhalb des Dissipationsgebietes aus. In der zweiten Schichtanordnung 18 ist eine Schaltungselement 22 angeordnet, wobei das Schaltungselement eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und mit dem Dissipationsgebiet 14 thermisch gekoppelt ist.
  • Die erste oder die zweite Schichtanordnung der Temperatursensorstruktur 1 kann beispielsweise Polysilizium aufweisen, aber auch andere in der Halbleitertechnik eingesetzte isolierende oder leitfähige Materialien. Die Größe und Form der ersten und zweiten Schichtanordnung können unterschiedlich sein, aber die Schichtstruktur bestehend aus erster und zweiter Schichtanordnung und Isolationsschicht sollte oberhalb des Dissipationsgebietes des Halbleiterbauelementes 50 angeordnet sein. Die Dicke dieser Schichtstruktur und die verwendeten Materialien können die thermische Ankopplung des temperaturabhängigen Schaltungselementes 22 an das Dissipationsgebiet beeinflussen. Die Dicke der Schichtstruktur kann beispielsweise in einem Bereich von 50–500 nm, von 100 bis 300 nm oder in einem Bereich von ungefähr 250 nm liegen.
  • Das Halbleitersubstrat 10 kann z. B. Silizium aufweisen, aber auch andere für die Realisierung des Halbleiterbauelements verwendete und in der Halbleitertechnik eingesetzte Materialien, wie z. B. SiC, SiGe, GaAs, InP.
  • Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich um ein Leistungsbauelement wie z. B. einen Leistungstransistor, einen IGBT, einen MOSFET, eine Leistungsdiode, einen DMOS-Transistor, einen Thyristor oder auch andere Halbleiterbauelemente, wie z. B. eine Gleichrichterdiode handeln, deren Temperaturerfassung und Überwachung von Nutzen ist. Die Temperatursensorstruktur kann auch Teil eines Halbleiterbauelementes sein, wobei die Temperatursensorstruktur monolithisch in dem Halbleiterbauelement integriert sein kann. Dies kann z. B. durch die Verwendung der Smart-Power-Prozesstechnologie oder anderer Leistungstechnologien erzielt werden. Die Herstellung der Temperatursensorstruktur kann beispielsweise auch im Rahmen der CMOS-, BICMOS oder Bipolartechnologie erfolgen und in übliche Halbleiterherstellungsschritte eingebunden werden.
  • Das Halbleiterbauelement 50 kann ein Dissipationsgebiet 14 aufweisen, dessen Temperatur durch die Temperatursensorstruktur 1 erfasst und/oder überwacht und geregelt werden kann. In dem Dissipationsgebiet eines Halbleiterbauelementes kann es in dem aktiven Bereich zu einer Erwärmung aufgrund von thermischen Prozessen durch beispielsweise die Rekombination von Ladungsträgern kommen. In dem Dissipationsgebiet kann ein erheblicher Teil der Verlustleistung des betreffenden Halbleiterbauelementes in Form von Wärme abgegeben werden. Oberhalb des Dissipationsgebietes des Halbleiterbauelementes kann die Schichtstruktur aus erster und zweiter Schichtanordnung mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht zur galvanischen Trennung angeordnet sein.
  • In 1 und den weiteren Figuren ist das Schaltungselement 22 als Teilbereich der zweiten Schichtanordnung 18 dargestellt. Es ist jedoch möglich, dass die zweite Schichtanordnung das Schaltungselement teilweise oder auch vollständig ausbildet. In der zweiten Schichtanordnung kann ein Schaltungselement mit einer temperaturabhängigen Charakteristik angeordnet sein, wobei die zweite Schichtanordnung dabei teilweise oder auch vollständig als das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik ausgebildet sein kann. Das heißt nur Abschnitte der zweiten Schichtanordnung bzw. in der zweiten Schichtanordnung oder die gesamte zweite Schichtanordnung sind als das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik wirksam.
  • Bezugnehmend auf 2 wird beispielhaft der Aufbau der Temperatursensorstruktur 1 für ein Halbleiterbauelement 50–hier einen Transistor, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Bei dem Transistor kann es sich z. B. um einen Leistungstransistor handeln. Die Temperatursensorstruktur 1 für den Transistor weist ein Halbleitersubstrat 10 mit einem Dissipationsgebiet 14 eines Transistors auf, eine erste Schichtanordnung 16, die auf der Hauptoberfläche 12 des Halbleitersubstrats 10 benachbart zu dem Dissipationsgebiet 14 des Transistors angeordnet ist, eine zweite Schichtanordnung 18, die auf der ersten Schichtanordnung 16 mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht 20 zur galvanischen Trennung angeordnet ist, einen Source-Anschluss 32 des Transistors, einen Drain-Anschluss 30 des Transistors und einer ersten Schichtstruktur 16, die als Gate-Anschluss für den Transistor ausgebildet ist. Zum Erfassen der Temperatur kann ein Schaltungselement 22, das in der zweiten Schichtanordnung 18 angeordnet ist verwendet werden, wobei das Schaltungselement eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist, und mit dem Dissipationsgebiet 14 thermisch gekoppelt ist. In 2 sind außerdem Bereiche 26a, 26b, 26c dargestellt, die beispielsweise andersartig dotierte Bereiche 26b des Halbleitersubstrats oder auch Isolationsschichten, wie z. B. ein Feldoxid 26a oder das Oxid eines Spacers 26c, darstellen, wie sie in realen Halbleiterbauelementen vorkommen können.
  • Das Schaltungselement 22, das in der zweiten Schichtanordnung 18 angeordnet ist, kann beispielsweise ein resistives Element, eine Diode oder einen Bipolartransistor aufweisen, das ausgebildet ist, um entsprechend seiner temperaturabhängigen Charakteristik auf eine elektrische Anregung hin, ein von der Temperatur des Dissipationsgebiets 14 abhängiges Signal bereitzustellen. Der betreffende Transistor kann bei Überschreiten einer vorgegebenen Maximaltemperatur über eine Auswerteeinheit und einen Regelkreis abgeschaltet werden. Bei einem resistiven Element kann die temperaturabhängige Ände rung des Widerstandeswertes zur Temperaturbestimmung herangezogen werden. Bei der Diode und dem Bipolartransistor kann die Temperaturabhängigkeit des Stromes bzw. der Spannung des Halbleiterbauelementes zur Bestimmung der Temperatur dienen.
  • Bei der ersten Schichtanordnung 16 und der zweiten Schichtanordnung 18, die ein Schaltungselement mit einer temperaturabhängigen Charakteristik aufweist, kann es sich z. B. um Polysiliziummaterial handeln. Dabei kann die erste Schichtanordnung 16 einen Steueranschluss für den Transistor ausbilden.
  • Im Rahmen einer Flash-Prozessierungsumgebung (Flash-Technologie) besteht die Möglichkeit, eine Doppel-Polysiliziumschicht aufzubringen. Die erste Schichtanordnung 16 kann Polysilizium aufweisen und als Gate-Anschluss für den in das Halbleitersubstrat 10 integrierten Transistor mit seinem Dissipationsgebiet 14, seinem Source-Anschluss 32 und seinem Drain-Anschluss 30 dienen. Die zweite Schichtanordnung 16 kann beispielsweise auch Polysilizium aufweisen und durch eine Isolationsschicht 20, die beispielsweise Oxid-Nitrid-Oxid (ONO) aufweist, von der ersten Schichtanordnung getrennt sein, so dass eine galvanische Trennung vorliegt, was eine elektrische Beeinflussung des Transistors durch die Temperatursensorstruktur verhindert.
  • Bei dem Leistungstransistor kann es sich um einen MOSFET handeln, wobei die Schichtstruktur eine weitere Isolationsschicht 24 zwischen dem Halbleitersubstrat 10 und der ersten Schichtanordnung 16 aufweist. Die Isolationsschicht 24 kann als Gate-Isolationsschicht und die erste Schichtanordnung 16 als Steuer- bzw. Gate-Anschluss für den MOSFET dienen.
  • Die Schichtstruktur über dem Dissipationsgebiet 14 des Transistors kann eine Dicke in einem Bereich von 50 bis 500 nm, von 100 bis 300 nm oder vorzugsweise in einem Bereich um 250 nm aufweisen. Der thermische Widerstand der Isolationsschicht 24, die z. B. Oxid aufweist, und der Isolationsschicht 20, die z. B. Oxid-Nitrid-Oxid aufweist, kann im Vergleich zu Silizium um einen Faktor 10 größer sein. Der thermische Widerstandsanteil kann jedoch kleiner sein, im Vergleich zu einem beispielsweise mehrere Mikrometer ausgedehnten Siliziumgebiet zur Ausbildung eines neben dem Dissipationsgebiet befindlichen Temperatursensors, wenn die Gesamtdicke der Isolationsschicht 24 und der Isolationsschicht 20 beispielsweise 50 nm beträgt oder die Isolationsschicht 24 z. B. eine Dicke von 26 nm und die Isolationsschicht 20 z. B. eine Dicke von 22 nm aufweist.
  • Der Temperatursensor für einen Leistungstransistor kann in der zweiten Schichtanordnung 18 zwei Bipolartransistoren als temperaturabhängige Schaltungselemente aufweisen. Für eine korrekte Funktionsweise sollten beide gleiche Temperaturen aufweisen, weshalb der Temperaturgradient zwischen den beiden Bipolartransistoren möglichst gering sein sollte und deshalb der Temperatursensor zwar galvanisch getrennt, aber mit guter thermischer Kopplung, möglichst nah, z. B. oberhalb des aktiven Bereiches des Leistungstransistors angeordnet sein.
  • 3 zeigt die Draufsicht auf eine Temperatursensorstruktur 1 für einen Leistungstransistor, mit seinem Source-Anschluss 32, den Drain-Anschluss 30 und der ersten Schichtanordnung 16, die als Gate-Anschluss dienen kann. Eine zweite Schichtanordnung 18, die auf der ersten Schichtanordnung mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht zur galvanischen Trennung angeordnet ist, bildet eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche oberhalb des Dissipationsgebiets des Transistors. In der zweiten Schichtanordnung 18 kann ein Schaltungselement 22 angeordnet sein, wobei das Schaltungselement eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und mit dem Dissipationsgebiet thermisch gekoppelt ist. Das Schaltungselement kann so ausgebildet sein, dass es sich um ein resistives Element, eine Diode oder einen Bipolartransistor handelt, um entsprechend dessen temperaturabhängiger Charakteristik ein von der Temperatur des aktiven Bereichs des Leistungstransistors abhängiges Signal bereitzustellen.
  • Die zweite Schichtanordnung 18 kann auch Messanschlüsse 34 für das in der zweiten Schichtanordnung angeordnete temperaturabhängige Schaltungselement aufweisen. Die Messanschlüsse können beispielsweise in einem Silizierungsprozess. auf der zweiten Schichtanordnung ausgebildet werden. Mit der Strukturierungsoption von Silizid kann ein Kurzschluss zwischen den Messanschlüssen 34 vermieden werden. Die Messanschlüsse 34 können so ausgebildet sein, dass sie die von dem Schaltungselement 22 mit der temperaturabhängigen Charakteristik bereitgestellten Signale, die von der Temperatur des Dissipationsgebiets abhängig sind, an eine Auswerteeinheit koppeln. Die Temperatursensorstruktur kann so ausgebildet sein, dass sie keine zusätzliche Chipfläche benötigt, da die Temperatursensorstruktur über dem Halbleiterbauelement, z. B. dem Dissipationsgebiet eines Leistungstransistors, angeordnet werden kann. Die Größe und Form der ersten und zweiten Schichtstruktur kann dabei unterschiedlich sein.
  • In 4 ist ein Flussdiagramm dargestellt, welches das Verfahren zur Herstellung einer integrierten Temperatursensorstruktur benachbart zu einem Dissipationsgebiet eines Halbleiterbauelements darstellt.
  • Das Verfahren zur Herstellung einer integrierten Temperatursensorstruktur benachbart zu einem Dissipationsgebiet eines Halbleiterbauelements weist ein Bereitstellen 40 eines Halbleitersubstrats mit einem integrierten Halbleiterbauelement, ein Aufbringen 42 einer ersten Schichtanordnung auf das Halbleiterbauelement, wobei die erste Schichtanordnung über dem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements liegt, das Aufbringen 44 einer zweiten Schichtanordnung auf die erste Schichtanordnung mit der dazwischen liegenden Isolationsschicht, wobei die erste und zweite Schichtanordnung und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberflä che oberhalb des Dissipationsgebiets des Halbleiterbauelements bilden, und das Anordnen 46 eines Schaltungselements in der zweiten Schichtanordnung, das eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und thermisch mit dem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements gekoppelt ist auf.
  • Bei dem Halbleitersubstrat mit einem integrierten Halbleiterbauelement kann es sich beispielsweise um ein Si-Substrat, um ein SiGe-Substrat, um ein SiC-Substrat, um ein GaAs-Substrat oder auch anderen in der Halbleitertechnik eingesetzten Substratmaterialien handeln. Das integrierte Halbleiterbauelement kann beispielsweise ein Leistungsbauelement, wie z. B. ein Leistungstransistor, ein IGBT, ein Thyristor, eine Leistungsdiode, aber auch ein Bipolartransistor oder ein anderes Halbleiterbauelement, das ein Dissipationsgebiet aufweist sein.
  • Das Aufbringen 42 einer ersten Schichtanordnung auf das Halbleiterbauelement sollte so erfolgen, dass die erste Schichtanordnung, über dem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements angeordnet ist. Bei der Isolationsschicht kann es sich um eine isolierende dielektrische Schicht handeln, die z. B. Oxid oder Nitrid oder eine Kombination von Oxid-Nitrid-Oxid aufweist. Das Aufbringen 44 einer zweiten Schichtanordnung auf die erste Schichtanordnung mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht zur galvanischen Trennung, sollte so erfolgen, dass die erste und zweite Schichtanordnung und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur oberhalb des Dissipationsgebiets des Halbleiterbauelements ausbilden.
  • Das Aufbringen der zweiten Schichtanordnung kann auch so durchgeführt werden, dass die zweite Schichtanordnung teilweise oder auch vollständig als das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik ausgebildet wird. Das heißt das Aufbringen wird so durchgeführt, dass nur Abschnitte der zweiten Schichtanordnung bzw. Abschnitte in der zweiten Schichtanordnung oder auch die gesamte zweite Schichtan- Ordnung als das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik wirksam sind.
  • Die Strukturierung der ersten und zweiten Schichtanordnung und der dazwischen liegenden Isolationsschicht kann mit den in der Halbleitertechnik üblicherweise eingesetzten Verfahren der Beschichtung mit Lack und Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchen durch eine geeignete Maske erfolgen. Durch eine gegebenenfalls mehrmalige Anwendung der aus der Halbleitertechnik bekannten Lithographie-, Ätz-, Ofen- und Dotiertechniken kann so auf dem Halbleitersubstrat die gesamte Strukturierung der Temperatursensorstruktur erreicht werden.
  • Bei dem Anordnen eines Schaltungselements mit einer temperaturabhängigen Charakteristik, die auf eine elektrische Anregung hin ein von der Temperatur des Dissipationsgebietes abhängiges Signal bereitstellen kann, kann es sich beispielsweise um ein resistives Element, eine Diode oder einen Bipolartransistor handeln. Das Schaltungselement der temperaturabhängigen Charakteristik sollte eine leicht interpretierbare eindeutige Temperaturabhängigkeit aufweisen. Handelt es sich bei der zweiten Schichtanordnung um eine Polysilizium aufweisende Schicht, so kann beispielsweise ein Polywiderstand oder eine Polydiode ausgebildet werden. Die Temperaturabhängigkeit der Diodenspannung einer Polydiode kann zur Herleitung der Temperatur verwendet werden. Hierzu sollte das Polysilizium die geeignete n-/p-Dotierung aufweisen. Die Dotierung kann dabei z. B. über thermische Diffusion oder Implantation erreicht werden. Handelt es sich beispielsweise bei der ersten Schichtanordnung um eine Polysiliziumschicht und bei der zweiten Schichtanordnung ebenfalls um eine Polysiliziumschicht, so kann die Herstellung einer integrierten Temperatursensorstruktur benachbart zu einem Dissipationsgebiet eines Halbleiterbauelements im Rahmen einer Flash-Prozessierungsumgebung mit einem Doppel-Polysilizium-Prozess, wie er beispielsweise zur Herstellung monolithisch integrier ter Smart-Power-Schaltungen eingesetzt wird, durchgeführt werden.
  • Die Herstellung der Temperatursensorstruktur bzw. des Halbleiterbauelements mit Temperatursensorstruktur kann auch im Rahmen einer anderen Halbleiterprozessarchitektur, wie z. B. der Bipolar-, der BICMOS- oder der Bipolar/CMOS/DMOS-Technologie durchgeführt werden. Optional kann das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik auch in die erste Schichtanordnung integriert werden, um eine andere Funktionalität des Halbleiterbauelements zu unterstützen.
  • Es ist auch denkbar, dass die Temperatursensorstruktur mit weiteren Temperatursensorstrukturen oder herkömmlichen Temperatursensoren, welche an einer anderen Stelle eine Vergleichstemperatur erfassen und einem Regelschaltkreis so gekoppelt ist, dass sich aus dem Unterschied der räumlich getrennt erfassten Temperaturen und den daraus resultierenden temperaturabhängigen Signalen eine Änderung für die Funktionsweise der Temperatursensorstruktur, wie beispielsweise dem Abschalten des überwachten Halbleiterbauelementes ergibt.
    • 1
    Temperatursensorstruktur
    10
    Halbleitersubstrat
    12
    Hauptoberfläche
    14
    Dissipationsgebiet
    16
    Erste Schichtanordnung
    18
    Zweite Schichtanordnung
    20
    Erste Isolationsschicht
    22
    Temperaturabhängiges Schaltungselement
    24
    Zweite Isolationsschicht
    26
    Feld-Oxid- bzw. dotierte Halbleitersubstratbereiche
    30
    Drain-Anschluss
    32
    Source-Anschluss
    34
    Metall-Silizid-Kontakte
    40
    Bereitstellen eines Halbleitersubstrats mit einem integrierten Halbleiterbauelement
    42
    Aufbringen einer ersten Schichtanordnung
    44
    Aufbringen einer zweiten Schichtanordnung mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht
    46
    Anordnen eines temperaturabhängigen Schaltungselementes
    50
    Halbleiterbauelement

Claims (39)

  1. Temperatursensorstruktur (1) für ein Halbleiterbauelement (50), mit folgenden Merkmalen: einem Halbleitersubstrat (10) mit dem Halbleiterbauelement (50), wobei sich benachbart zu einer Hauptoberfläche (12) des Halbleitersubstrats ein Dissipationsgebiet (14) des Halbleiterbauelements befindet; einer ersten Schichtanordnung (16), die auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats benachbart zu dem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements angeordnet ist; einer zweiten Schichtanordnung (18), die auf der ersten Schichtanordnung mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht (20) zur galvanischen Trennung angeordnet ist, wobei die erste und zweite Schichtanordnung und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche oberhalb des Dissipationsgebiets bilden; und einem Schaltungselement (22), das in der zweiten Schichtanordnung (18) angeordnet ist, wobei das Schaltungselement eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und mit dem Dissipationsgebiet thermisch gekoppelt ist.
  2. Temperatursensorstruktur (1) gemäß Anspruch 1, wobei die erste und/oder die zweite Schichtanordnung ein Polysiliziummaterial aufweist.
  3. Temperatursensorstruktur (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Halbleiterbauelement (50) einen Leistungstransistor aufweist.
  4. Temperatursensorstruktur (1) gemäß Anspruch 3, wobei die erste Schichtanordnung (16) einen Steueranschluss für den Leistungstransistor bildet.
  5. Temperatursensorstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement (50) einen Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor (MOS = Metall-Oxid-Silizium) aufweist, wobei die Schichtstruktur eine weitere Isolationsschicht (24) zwischen dem Halbleitersubstrat und der ersten Schichtanordnung aufweist.
  6. Temperatursensorstruktur (1) gemäß Anspruch 5, wobei die erste Schichtanordnung einen Gate-Anschluss (16) für den Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor bildet, und die zweite Isolationsschicht (24) als Gate-Isolation des Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors ausgebildet ist.
  7. Temperatursensorstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichtstruktur eine Dicke in einem Bereich von 50 bis 500 nm, von 100 bis 300 nm oder in einem Bereich um 250 nm aufweist.
  8. Temperatursensorstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltungselement (22) mit der temperaturabhängigen Charakteristik ein resistives Element, eine Diode oder einen Bipolartransistor aufweist und ausgebildet ist, um entsprechend dessen temperaturabhängiger Charakteristik auf eine elektrische Anregung hin ein von der Temperatur des Dissipationsgebiets (14) abhängiges Signal bereitzustellen.
  9. Temperatursensorstruktur (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Schichtanordnung (18) teilweise oder auch vollständig als das Schaltungselement (22) mit der temperaturabhängigen Charakteristik ausgebildet ist.
  10. Halbleiterbauelement (50) mit einer Temperatursensorstruktur (1), wobei das Halbleiterbauelement in einem Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist und sich benachbart zu ei ner Hauptoberfläche (12) des Halbleitersubstrats ein Dissipationsgebiet (14) des Halbleiterbauelements befindet, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Schichtanordnung (16), die auf der Hauptoberfläche (12) des Halbleitersubstrats benachbart zu dem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements angeordnet ist; einer zweiten Schichtanordnung (18), die auf der ersten Schichtanordnung mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht (20) zur galvanischen Trennung angeordnet ist, wobei die erste und zweite Schichtanordnung und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche oberhalb des Dissipationsgebiets bilden; und einem Schaltungselement (22), das in der zweiten Schichtanordnung angeordnet ist, wobei das Schaltungselement eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und mit dem Dissipationsgebiet thermisch gekoppelt ist.
  11. Halbleiterbauelement (50) gemäß Anspruch 10, wobei die erste und/oder die zweite Schichtanordnung ein Polysiliziummaterial aufweist.
  12. Halbleiterbauelement (50) gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei das Halbleiterbauelement einen Leistungstransistor aufweist, wobei die erste Schichtanordnung einen Steueranschluss für den Leistungstransistor bildet.
  13. Halbleiterbauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Halbleiterbauelement einen Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor (MOS = Metall-Oxid-Silizium) aufweist, wobei die Schichtstruktur eine weitere Isolationsschicht zwischen dem Halbleitersubstrat und der ersten Schichtanordnung aufweist, wobei die erste Schichtanordnung einen Gate-Anschluss für den Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor bildet, und die zweite Isolationsschicht (24) als Gate-Isolation des Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors ausgebildet ist.
  14. Halbleiterbauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Schichtstruktur eine Dicke in einem Bereich von 50 bis 500 nm, von 100 bis 300 nm oder in einem Bereich um 250 nm aufweist.
  15. Halbleiterbauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik ein resistives Element, eine Diode oder einen Bipolartransistor aufweist und ausgebildet ist, um entsprechend dessen temperaturabhängiger Charakteristik auf eine elektrische Anregung hin ein von der Temperatur des Dissipationsgebiets abhängiges Signal bereitzustellen.
  16. Halbleiterbauelement (50) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die zweite Schichtanordnung (18) teilweise oder auch vollständig als das Schaltungselement (22) mit der temperaturabhängigen Charakteristik ausgebildet ist.
  17. Temperatursensor für einen Leistungstransistor, wobei der Leistungstransistor in dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist und benachbart zu einer Hauptoberfläche (12) des Halbleitersubstrats einen aktiven Bereich aufweist, wobei eine erste Polysiliziumschicht benachbart zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats über dem aktiven Bereich des Leistungstransistors angeordnet ist, und wobei die erste Polysiliziumschicht als Steuerelektrode für den Leistungstransistor wirksam ist, mit folgenden Merkmalen: einer zweiten Polysiliziumschicht (18), die auf der ersten Polysiliziumschicht mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht (20) zur galvanischen Trennung angeordnet ist, wobei die erste und zweite Polysiliziumschicht und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche oberhalb des aktiven Bereichs bilden; und einem Schaltungselement (22), das in der zweiten Polysiliziumschicht angeordnet ist, wobei das Schaltungselement eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und mit dem aktiven Bereich des Leistungstransistors thermisch gekoppelt ist.
  18. Temperatursensor gemäß Anspruch 17, wobei der Leistungstransistor einen Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor (50)(MOS = Metall-Oxid-Silizium) aufweist, wobei die Schichtstruktur eine weitere Isolationsschicht (24) zwischen dem Halbleitersubstrat und der ersten Polysiliziumschicht aufweist.
  19. Temperatursensor gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei die erste Polysiliziumschicht (16) als Gate-Anschluss für den Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor (50) ausgebildet ist, wobei die zweite Isolationsschicht (24) als Gate-Isolation des Leistungs-MOS-Feldeffekttransistors wirksam ist.
  20. Temperatursensor gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Schichtstruktur eine Dicke von 50 bis 500 nm, von 100 bis 300 nm und in einem Bereich um 250 nm aufweist.
  21. Temperatursensor gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei das Schaltungselement ausgebildet ist, um entsprechend dessen temperaturabhängiger Charakteristik ein von der Temperatur des aktiven Bereichs des Leistungstransistors abhängiges Signal bereitzustellen, wobei das Schaltungselement ein resistives Element, eine Diode oder einen Bipolartransistor aufweist.
  22. Temperatursensor gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die zweite Polysiliziumschicht teilweise oder auch vollständig als das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik ausgebildet ist.
  23. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Temperatursensorstruktur benachbart zu einem Dissipationsgebiet eines Halbleiterbauelements, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (40) eines Halbleitersubstrats mit einem integrierten Halbleiterbauelement; Aufbringen (42) einer ersten Schichtanordnung auf das Halbleiterbauelement, wobei die erste Schichtanordnung auf einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats über dem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements liegt; Aufbringen (44) einer zweiten Schichtanordnung auf die erste Schichtanordnung mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht zur galvanischen Trennung, wobei die erste und zweite Schichtanordnung und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche oberhalb des Dissipationsgebietes des Halbleiterbauelements bilden; und Anordnen (46) eines Schaltungselements in der zweiten Schichtanordnung, das eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und thermisch mit dem Dissipationsgebiet gekoppelt ist.
  24. Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei die erste und/oder die zweite Schichtanordnung ein Polysiliziummaterial aufweist.
  25. Verfahren gemäß Anspruch 23 oder 24, wobei das Halbleiterbauelement einen Leistungstransistor aufweist, ferner mit folgendem Schritt: Ausbilden der ersten Schichtanordnung als Steueranschluss für den Leistungstransistor.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei das Halbleiterbauelement als Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor (MOS = Metall-Oxid-Silizium) ausgebildet ist, ferner mit folgendem Schritt: Aufbringen einer weiteren Isolationsschicht zwischen der ersten Schichtanordnung und dem Halbleitersubstrat vor dem Schritt des Aufbringens der ersten Schichtanordnung.
  27. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei bei dem Schritt des Anordnens des Schaltungselements ein resistives Element, eine Diode oder ein Bipolartransistor in der zweiten Schichtanordnung erzeugt wird.
  28. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei das Schaltungselement so in der zweiten Schichtanordnung angeordnet wird, dass die zweite Schichtanordnung teilweise oder auch vollständig das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik ausbildet.
  29. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer integrierten Temperatursensorstruktur benachbart zu einem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (40) mit dem integrierten Halbleiterbauelement; Aufbringen einer ersten Schichtanordnung (42) auf das Halbleiterbauelement, wobei die erste Schichtanordnung auf einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats über dem Dissipationsgebiet des Halbleiterbauelements liegt; Aufbringen einer zweiten Schichtanordnung (44) auf die erste Schichtanordnung mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht zur galvanischen Trennung, wobei die erste und zweite Schichtanordnung und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche oberhalb des Dissipationsgebietes des Halbleiterbauelements bilden; und Anordnen eines Schaltungselements (46) in der zweiten Schichtanordnung, das eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und thermisch mit dem Dissipationsgebiet gekoppelt ist.
  30. Verfahren gemäß Anspruch 29, wobei die erste und/oder die zweite Schichtanordnung ein Polysiliziummaterial aufweist.
  31. Verfahren gemäß Anspruch 29 oder 30, wobei das Halbleiterbauelement einen Leistungstransistor aufweist, ferner mit folgendem Schritt: Ausbilden der ersten Schichtanordnung als Steueranschluss für den Leistungstransistor.
  32. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, wobei das Halbleiterbauelement als Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor (MOS = Metall-Oxid-Silizium) ausgebildet ist, ferner mit folgendem Schritt: Aufbringen einer weiteren Isolationsschicht zwischen der ersten Schichtanordnung und dem Halbleitersubstrat vor dem Schritt des Aufbringens der ersten Schichtanordnung.
  33. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei bei dem Schritt des Anordnens des Schaltungselements ein resistives Element, eine Diode oder ein Bipolartransistor in der zweiten Schichtanordnung erzeugt wird.
  34. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 33, wobei das Schaltungselement so in der zweiten Schichtanordnung angeordnet wird, dass die zweite Schichtanordnung teilweise oder auch vollständig das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik ausbildet.
  35. Verfahren zur Herstellung eines integrierten Temperatursensors benachbart zu einem aktiven Gebiet eines Leistungstransistors, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (40) mit dem Leistungstransistor in dem Halbleitersubstrat, wobei das aktive Gebiet benachbart zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, wobei eine erste Polysiliziumschicht benachbart zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats über dem aktiven Bereich des Leistungstransistors angeordnet ist; Aufbringen einer ersten Polysiliziumschicht (42) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats über dem aktiven Gebiet des Halbleiterbauelements; Aufbringen einer zweiten Polysiliziumschicht (44) auf die erste Polysiliziumschicht mit einer dazwischen liegenden Isolationsschicht zur galvanischen Trennung, wobei die erste und zweite Polysiliziumschicht und die Isolationsschicht eine Schichtstruktur auf der Hauptoberfläche oberhalb des aktiven Gebiets des Halbleiterbauelements bilden; und Anordnen eines Schaltungselements (46) in der zweiten Polysiliziumschicht, das eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist und thermisch mit dem aktiven Gebiet des Leitungstransistors gekoppelt ist.
  36. Verfahren gemäß Anspruch 35, ferner mit folgendem Schritt: Ausbilden der ersten Polysiliziumschicht als Steueranschluss für den Leistungstransistor.
  37. Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, wobei das Halbleiterbauelement als Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor (MOS = Metall-Oxid-Silizium) ausgebildet ist, ferner mit folgendem Schritt: Aufbringen einer weiteren Isolationsschicht zwischen der ersten Polysiliziumschicht und dem Halbleitersubstrat vor dem Schritt des Aufbringens der ersten Polysiliziumschicht.
  38. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei bei dem Schritt des Anordnens des Schaltungselements ein resistives Element, eine Diode oder ein Bipolartransistor in der zweiten Polysiliziumschicht erzeugt wird.
  39. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 35 bis 38, wobei das Schaltungselement so in der zweiten Polysiliziumschicht angeordnet wird, dass die zweite Polysiliziumschicht teilweise oder auch vollständig das Schaltungselement mit der temperaturabhängigen Charakteristik ausbildet.
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