DE102010028275A1

DE102010028275A1 - Integrierter Seebeck-Differenztemperatursensor

Info

Publication number: DE102010028275A1
Application number: DE102010028275A
Authority: DE
Inventors: Donald Dibra; Christoph Kadow; Markus Zundel
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: US8169045B2; US20140251408A1; US9865792B2; US20100270620A1; DE102010028275B4; US20120175687A1; US8766394B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung aus einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Seebeck-Differenztemperatursensor, der aus zumindest zwei Streifenleitern aufgebaut ist, die auf oder in einem Halbleiterkörper angeordnet sind, wobei zumindest ein Streifenleiter aus einem Halbleitermaterial besteht.

Description

Ein Beispiel der Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Temperaturmessung und entsprechende Verfahren, insbesondere einen in einer integrierten Schaltung angeordneten Seebeck-Differenztemperatursensor.
Leistungshalbleiterbauelemente erden in Leistungselektronik-Applikationen zum Schalten externer Lasten verwendet. Die Leistungshalbleiterbauelemente können entweder als diskrete Komponenten ausgebildet oder in sogenannte ”intelligente” Leistungs-ICs integriert sein (auch ”Smart-Power-ICs”). Während des Betriebs sollen die Leistungshalbleiterbauelemente vor zu hohen Temperaturen sowie vor hohen Temperaturgradienten geschützt werden, um die benötigte Produktzuverlässigkeit sicherzustellen. Defekte aufgrund eines einzelnen (Temperatur-)Pulses werden typischerweise durch eine Tempeaturspitze im Leistungshalbleiterbauelement verursacht. Defekte unter zyklischer Belastung treten üblicherweise in der Metallisierung oder in den Bonddrahtverbindungen auf. In 12 V-Systemen (z. B. im Automobilbereich) ist die Produktzuverlässigkeit bei sich wiederholendem Hochstrombetrieb von spezieller Bedeutung für die Akzeptanz eines Produktes am Markt.
Um temperaturbedingte Defekte bzw. Fehlfunktionen zu reduzieren oder zu vermeiden, wird die lokale Temperatur in einem Leistungshalbleiterbauelement gemessen und der Betrieb des Bauelements kann gestoppt oder verändert werden, wenn die gemessene Temperatur eine Temperaturobergrenze übersteigt. Eine Temperaturmessung in integrierten Halbleiterschaltungen kann unter Verwendung der temperaturabhängigen Charakteristika von in Sperrrichtung oder in Durchlassrichtung betriebenen pn-Übergängen erfolgen, was üblicherweise in den meisten Leis tungshalbleiterbauelementen zu Temperaturmessung herangezogen wird.
Alternativ oder zusätzlich zu einer absoluten Temperaturmessung kann die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen an unterschiedlichen Stellen am Halbleiterchip gemessen werden. Solche Temperaturdifferenzen können z. B. mit Hilfe zweier pn-Übergänge gemessen werden. Alternativ ist die Verwendung eines Seebeck-Differenztemperatursensors möglich.
Der Seebeck-Effekt, der in Seebeck-Differenztemperatursensoren benützt wird, erzeugt in einem Material ein elektrisches Feld in Gegenwart eines räumlichen Temperaturgradienten und kann daher dazu verwendet werden, Temperaturdifferenzen zu messen. Die Größe des Seebeck-Effekts variiert bei unterschiedlichen Materialien. Die Größe des Seebeck-Effekts wird durch den Seebeck-Koeffizient α charakterisiert, der auch als ”Thermokraft” bezeichnet wird. Der Seebeck-Koeffizient α ist in Halbleitern besonders hoch, im Gegensatz zu Metallen, in denen der Koeffizient α verhältnismäßig klein ist. Ein Seebeck-Differenztemperatursensor umfasst typischerweise zwei Leitungen aus Materialien (Material A, Material B) mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten (α_A, α_B). Diese zwei Materialien sind nur im heißen Bereich elektrisch miteinander verbunden. Diese elektrische Verbindung ist idealerweise eine niederohmige Verbindung ohne Nichtlinearitäten. Im kalten Bereich, sind die beiden Leitungen voneinander isoliert und mit einer Sensorschaltung verbunden. In Gegenwart einer Temperaturdifferenz entsteht ein Spannungsabfall entlang jeder Leitung aufgrund des Seebeck-Effekts. Da die Seebeck-Koeffizienten in den beiden Materialien unterschiedlich sind, unterscheiden sich die Spannungsabfälle entlang der beiden Leitungen voneinander. Folglich verschwindet die Summe der beiden Spannungen nicht (die beiden Spannungen überlagern sich vorzeichenrichtig), und die Summe ist proportional zur Temperaturdifferenz. Im kalten Bereich wird die Summe dieser beiden Spannungsabfälle mit Hilfe einer Sensorschaltungsanordnung gemessen. Im Gegensatz zu pn-Übergängen fällt die Seebeck-Spannung entlang der Leitung aus dem entsprechenden Material ab und nicht an dem Übergang zwischen den beiden Materialien. Die Spannung hängt nur von der Temperaturdifferenz ab. Sie ist unabhängig von der Leitungsführung.
Im Vergleich zu pn-Übergängen können Seebeck-Differenztemperatursensoren mit kleinerern und einfacherern Sensorschaltungsanordnungen konstruiert werden. Weil die Ausgangsspannung eines Seebeck-Temperatursensors proportional zu einer Temperaturdifferenz ist, werden keine Stromquellen benötigt, wie dies bei Temperatursensoren der Fall ist, welche pn-Übergänge verwenden.
Integrierte Temperatursensoren sind ein wesentlicher Teil von Strategien zum Schutz von Bauelementen geworden, insbesondere bei Leistungshalbleiterbauelementen. Derartige integrierte Temperatursensoren sollen jedoch zuverlässig in einer Umgebung mit starkem elektrischem Rauschen arbeiten, weil hohe Spannungsgradienten (”dV/dt”) und hohe Stromgradienten (”di/dt”) während des Schaltbetriebs eines Leistungshalbleiterbauelements auftreten können. Leistungshalbleiterbauelemente, die in einer Umgebung mit starkem Rauschen verwendet werden, können die kleinen Signalpegel, die bei Temperatursensoren, die auf dem Seebeck-Effekt basieren, beeinträchtigen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, in einer integrierten Schaltung ein Messsignal für die Temperatur im Halbleiterchip und/oder für die im Halbleiterchip auftretenden Temperaturdifferenzen zur Verfügung zu stellen und auch einen Betrieb in einer verrauschten Umgebung erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch die Halbleiterbauelemente gemäß den Ansprüchen 1, 13, 20 und 24 sowie durch die Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 und 17 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel und einem verwandten Verfahren wird ein Seebeck-Differenztemperatursensor gebildet aus entgegengesetzt dotierten und in einem Sensor-Trench (Trench bedeutet ”Graben”, vgl. Trench-Transistor) geführten Polysilizium-Streifenleitern, wobei der Sensor-Trench in einer Epitaxieschicht eines Halbleiterbauelements angeordnet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die entgegengesetzt dotierten Polysilizium-Streifenleiter durch eine Oxidschicht getrennt, abgesehen von einem Kontaktbereich zwischen den entgegengesetzt dotierten Polysilizium-Streifenleitern. In einem Ausführungsbeispiel ist der Kontaktbereich zwischen dem entgegengesetzt dotierten Polysilizium-Streifenleitern ein ohmscher Kontakt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine elektrostatische Schirmung durch einen weiteren Trench gebildet, der dem Sensortrench benachbart ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine erste Oxidschicht auf einer Wand des Sensor-Trenchs gebildet. Danach wird eine leitende Schirmung auf der ersten Oxidschicht gebildet, und schließlich wird eine weitere Oxidschicht auf der leitenden Schirmung gebildet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Oxidschicht über dem Seebeck-Differenztemperatursensor abgeschieden, worauf über der Oxidschicht eine leitfähige Schirmung ausgebildet wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement, insbesondere ein MOSFET (Metall-Oxid-Feldeffekttransistor) oder ein anderer Leistungshalbleiterschalter wie z. B. ein IGBT.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel und einem korrespondierenden Verfahren wird ein Seebeck-Differenztemperatursensor durch eine Verbindung unterschiedlicher Materialien gebildet, wobei ein Absoluttemperatursensor in Serie zu dem Seebeck-Differenztemperatursensor geschalten ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der Seebeck-Koeffizient des Seebeck-Differenztemperatursensors und der Temperaturkoeffizient des Absoluttemperatursensor im Wesentlich gleich. In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Absoluttemperatursensor einen Widerstand, der durch einen dotierten Halbleiter-Streifen gebildet wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Seebeck-Differenztemperatursensor eine Vielzahl von Verbindungen unähnlicher Materialien. Die unähnlichen Materialien können unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien aufweisen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Schirmung aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, die im Wesentlichen den Seebeck-Temperatursensor und den Absoluttemperatursensor umgibt.
Unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Abbildungen und der folgenden Beschreibung detailliert beschrieben. In den in den Abbildungen gezeigten Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen gleiche oder ähnliche Komponenten in den unterschiedlichen Darstellungen und Ansichten. Zum besseren Verständnis der Erfindung wind in der folgenden Beschreibung auf die folgenden Figuren Bezug genommen:
1A und 1B zeigen typische Layouts von Temperaturmessanordnungen für einen Halbleiterchip mit einem Leistungs-MOSFET, der mit einer Steuer-Logik verbunden ist;
2 bis 5 zeigen einige Konfigurationen von Leistungshalbleiterschaltern mit einem integrierten, geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensor gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen;
6 bis 23 zeigen Darstellungen von Ausführungsbeispielen von geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensoren in Draufsicht sowie im Querschnitt;
24 und 25 zeigen perspektivische Darstellungen eines Halbleiterbauelements mit einem Feld von Trench-Zellen, die in einem Halbleiterchip angeordnet sind, und mit einem Seebeck-Differenztemperatursensor, der in dem Feld von Trench-Zellen entsprechend einem Ausführungsbeispiel eingebettet ist;
26 zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement mit einem Seebeck-Differenztemperatursensor, der in einem Zellen-Trench ausgebildet ist; des Weiteren ist eine Vielzahl von weiteren Zellen-Trenches entsprechend einem Ausführungsbeispiel dargestellt;
27 zeigt eine Draufsicht auf einen Seebeck-Differenztemperatursensor mit einer Schirmung, die in einem benachbarten, ringförmigen Schirmungs-Trench gebildet ist und die entsprechend einem Ausführungsbeispiel eine leitfähige Polysiliziumschicht aufweist;
28 ist eine Querschnittsdarstellung von teilweise verarbeiteten Sensor-Trenches für Seebeck-Differenztemperatursensoren sowie eines MOSFET-Zellen-Trenches entsprechend einem Ausführungsbeispiel;
29 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Sensor-Trenches für einen Seebeck-Differenztemperatursensor und eines Zellen-Trenches für einen MOSFET nach einer weiteren Verarbeitung entsprechend einem Ausführungsbeispiel;
30 zeigt einen Leistungs-MOSFET mit einem eingebetteten Seebeck-Differenztemperatursensor, welcher zusätzlich einen Absoluttemperatursensor umfasst, der gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer integrierten Schaltung eingebettet ist;
31 zeigt in einem Zeitdiagramm generische Temperatursignale, die in einer integrierten Schaltung gemessen wurden und in einem Temperatursensor gemäß 30 auftreten;
32 und 33 zeigen eine Schaltungsanordnung eines Seebeck-Differenztemperatursensors mit einer optionalen Schirmung und einem pn-Dioden-Absoluttemperatursensor; die Schaltungsanordnung ist dazu ausgebildet, eine absolute Temperatur in einem heißen Bereich eines Leistungs-MOSFETs oder eines anderen Halbleiterbauelements entsprechend einem Ausführungsbeispiel zu messen;
34a und 34b zeigen Zeitdiagramme von Spannungssignalen, die in Schaltungen gemäß den 32 und 33 auftreten;
35 und 36 zeigen eine schematische Darstellung eines Seebeck-Differenztemperatursensors, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel mit einem Widerstand gekoppelt ist zur Messung einer Absoluttemperatur T_cold in einer kalten Region eines Halbleiterbauelements;
37 und 38 zeigen eine Draufsicht auf einen Seebeck-Differenztemperatursensor, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel mit einem pn-Dioden-Absoluttemperatursensor gekoppelt ist zur Messung der absoluten Temperatur;
39 zeigt einen Querschnitt entlang der in 38 dargestellten Achse A-A durch ein Halbleiterbauelement mit einem Absoluttemperatursensor;
40 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltung mit einem geschirmten Absoluttemperatursensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel;
41 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil einer integrierten Schaltung umfassend eine Serienschaltungsanordnung von mehreren Streifen, die entsprechend einem Ausführungsbeispiel einen Seebeck-Differenztemperatursensor bilden;
42 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil einer integrierten Schaltung umfassend eine Serienschaltungsanordnung aus einem Seebeck-Differenztemperatursensor, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel aus einem Metallstreifen und einem Streifen aus dotiertem Halbleitermaterial gebildet ist sowie einen Flusstemperatursensor, der aus einem Streifen aus dotiertem Halbleitermaterial gebildet ist;
43 zeigt einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel aus 42 entlang der Achse A-A, in dem ein Streifen aus dotiertem Polysilizium gezeigt ist, der einen temperatursensitiven Teil eines Seebeck-Differenztemperatursensors bildet, wie den Widerstand eines Absoluttemperatursensors;
44 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltung umfassend einen Temperaturdifferenzsensor sowie einen Absoluttemperatursensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel;
45 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltung mit einem resistiven Absoluttemperatursensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel;
46 und 47 zeigen graphische Darstellungen der Seebeck-Koeffizienten in Abhängigkeit der absoluten Temperatur für unterschiedliche Dotierungskonzentrationen für einen Seebeck-Differenztemperatursensor, der aus n-dotierten bzw. p-dotierten Siliziumstreifen gebildet ist;
48 und 49 zeigen eine Draufsicht auf einen temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensor, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel aus einem leicht dotierten Polysiliziumstreifen und einem in Serie dazu geschalteten stark dotierten Polysiliziumstreifen gebildet ist;
50 und 51 zeigen Draufsichten auf einen temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensor, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel durch einen leicht dotierten Polysiliziumstreifen und einen in Serie dazu geschalteten stark dotierten Polysiliziumstreifen des entgegengesetzten Dotierungstyps gebildet ist;
52 zeigt eine Draufsicht auf einen temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensor, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel durch eine Vielzahl von zwei leicht dotierten Polysiliziumstreifen und zwei in Serie dazu geschalteten stark n-dotierten Polysiliziumstreifen gebildet ist mit einem resistiven Absoluttemperatursensor; und
53 bis 56 zeigen anhand von Diagrammen die Seebeck-Koeffizienten von temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensoren, die von einem Paar von hochdotierten Polysiliziumstreifen und leicht dotierten Polysiliziumstreifen gebildet werden in Abhängigkeit der absoluten Temperatur.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten bzw. Signale mit gleicher bzw. ähnlicher Bedeutung.
Unterschiedliche Ausführungsbeispiele sowie deren Herstellung und Verwendung werden im Folgenden im Detail diskutiert. Die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele stellen jedoch nur einzelne illustrative Beispiele dar, die folgende Erfindung zu verwirklichen und zu benutzen, und sollen den Schutzbereich nicht beschränken.
Die folgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem integrierten Temperatursensor. Der integrierte Temperatursensor kann in einem Trench (Graben) gebildet sein und eine integrierte Schirmung umfassen. Der integrierte Temperatursensor kann so aufgebaut sein, dass er in der Lage ist, eine absolute Temperatur dadurch zu erfassen, dass eine Differenztemperatur mit Hilfe eines Seebeck-Differenztemperatursensors gemessen wird, der wiederum an einen Absoluttemperatursensor gekoppelt ist. Der Seebeck-Differenztemperatursensor und der Absoluttemperatursensor können den gleichen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Der Seebeck-Differenztemperatursensor kann einen Seebeck-Koeffizienten aufweisen, der nahezu unabhängig von der (absoluten) Temperatur ist. Gemessene und (durch Signalverarbeitung) berechnete Temperaturwerte können einer Differenztemperatur-Schutzschaltung oder einer Übertemperaturschutzschaltung zugeführt und mit Hilfe dieser ausgewertet werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung kann – ohne Einschränkungen – zusammen mit unterschiedlichsten Leistungsschalt- und Umwandlungsanordnungen verwendet werden, die einen Leistungshalbleiterschalter umfassen, wie z. B. einen Leistungshalbleiterschalter in einer Automotive-Anwendung oder Leistungsumwandlungsanwendung. Eine Temperaturmessanordnung umfassend einen geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensor, der in einen Leistungs-MOSFET oder einen anderen Leistungshalbleiterschalter eingebettet ist (wie z. B. in einen Bipolarschalter), kann auf unterschiedliche erfindungsgemäße Weise entsprechend der folgenden Beschreibung aufgebaut und verwendet werden, wie z. B. zusammen mit einem Leistungshalbleiterschalter, welcher in einer elektrischen Leistungsumwandlungsanwendung, einer Motorsteuerungsanwendung oder einer Leistungsverstärkungsanwendung, Verwendung findet. Eine Temperaturmessungsanordnung wie im Folgenden beschrieben kann in integrierten Schaltungen verwendet werden, die eine signifikante Verlustleistung aufweisen, wie z. B. digitale Signalprozessoren oder Mikroprozessoren, welche für ihren Betrieb oder zu ihrem Schutz ein Temperaturmesssignal benötigen.
1 zeigt ein typisches Layout einer Temperaturmessanordnung auf einem Halbleiterchip 101, in dem ein an eine Steuerlogik 106 gekoppelter Leistungs-MOSFET 105 integriert ist. Die Steuerlogik 106 ist dazu vorgesehen, den Leistungs-MOSFET 105 z. B. bei Überlast oder während eines Kurzschlusses zu schützen. Der Temperatursensor 102 zum Messen eines lokalen ”heißen” Temperaturwertes T_HOT ist innerhalb oder nahe des aktiven Bereichs des Leistungshalbleiterbauelements (wie z. B. eines MOSFETs) angeordnet, und der Temperatursensor 103 zum Messen eines ”kalten” Temperaturwertes T_COLD ist außerhalb des aktiven Bereiches des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet, typischerweise im Bereich der Steuerlogik 106. Eine Diode mit pn-Übergang wird üblicherweise dazu verwendet, eine absolute Temperatur (z. B. T_HOT) in einem Leistungshalbleiterbauelement zu messen.
1b zeigt eine Seebeck-Differenztemperatursensoranordnung, die in einem Leistungshalbleiterbauelement vorgesehen ist, um einen Übertemperaturschutz zu gewährleisten. Der Seebeck-Differenztemperatursensor umfasst eine Verbindung 112 (Kontaktstelle) zweier verschiedener elektrisch leitender Materialien, nämlich ein erstes Material ”A” (Bezugszeichen 120) und ein zweites Material ”B” (Bezugszeichen 130). Die Verbindung 112 (Kontaktstelle) zwischen den beiden Matierialien liegt in dem heißen Bereich des Leistungshalbleiterbauelements, jedoch kann in einer alternativen Anordnung die Verbindung 112 auch in einem kalten Bereich des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet sein. Ein Kontakt 150 des ersten Materials ist im kalten Bereich des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet und mit Hilfe eines dritten Materials C (Bezugszeichen 140) an eine Sensorschaltungsanordnung gekoppelt. Ein Kontakt kann z. B. aus Aluminium, Kupfer, Wolfram oder hochdotiertem Polysilizium bestehen. Ein weiterer Kontakt 160 des zweiten Materials ist ebenfalls im kalten Bereich des Leistungshalbleiterbauelements angeordnet und mit Hilfe des dritten Materials 140 mit der Sensorschaltungsanordnung gekoppelt.
Ein Seebeck-Differenztemperatursensor kann mit Hilfe von Verbindungen aus verschiedenen Materialien, wie z. B. in 1b gezeigt, aufgebaut sein. Beispielsweise kann ein Seebeck-Differenztemperatursensor mit Hilfe einer Verbindung (Kontaktstelle) eines p-Typ-Halbleiters mit einem n-Typ-Halbleiter gebildet werden, durch eine Kontaktieren von unterschiedlichen Metallen wie z. B. Aluminium, Kupfer, oder Gold, oder durch eine Verbindung von einem Metall mit einem Halbleiter. Ohne Verlust der Funktionalität kann die Verbindung Zwischenstrukturen aufweisen wie z. B. zusätzliche Verbindungen (Kontakte), Schichten oder Dotierprofile. Z. B. kann eine Verbindung zwischen einem p-Typ-Halbleiter und einem n-Typ-Halbleiter dadurch gebildet werden, dass beide Halbleiter mit ohmschen Kontakten kontaktiert und diese beiden Kontakte mit einem Metall verbunden werden. Solche Zwischenstrukturen können verwendet werden, um die Produktion einer ohmschen Charakteristik der Verbindung zu vereinfachen. Diese Zwischenstrukturen können im ”heißen” Bereich des Halbleiterchips angeordnet sein. Ein Seebeck-Differenztemperatursensor kann auch durch eine Verbindung zweier gleicher Halbleitermaterialien gebildet werden, die ähnlich oder gleich dotiert sind, jedoch unterschiedliche Dotierungsdichten aufweisen.
Ein geschirmter Seebeck-Differenztemperatursensor, der in einem Leistungshalbleiterbauelement integriert ist, kann zur Messung von Temperaturdifferenzen ΔT zwischen einem ”heißen” Bereich (in oder nahe der aktiven Zone eines Leistungs Halbleiterbauelements) und einem ”kalten” Bereich einer integrierten Schaltung verwendet werden. Ein derart konstruierter geschirmter Seebeck-Differenztemperatursensor kann in einer elektrisch verrauschten Umgebung verwendet werden, wobei die Schirmungsstruktur Sensorsignale mit geringem Spannungspegel vor Rauschen schützt, welches durch hohe Spannungsgradienten in den Leistungshalbleiterbauelementen und von anderen Rauschquellen indiziert werden. Der Temperatursensor umfasst eine oder mehrere Verbindungen, welche aus zumindest zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, welche in dem heißen Bereich eines Halbleiterchips angeordnet sind. Streifen (Streifenleiter, streifenförmige Leistungen) aus unterschiedlichen Materialien, die die Verbindung (die Kontaktstelle) bilden, werden hin zu einer kalten Region des Bauelements geführt. Ein Spannungsabfall entsteht entlang der Streifen aus unterschiedlichen Materialien nach Maßgabe des Seebeck-Effekts. Die Summe (vorzeichenrichtige Überlagerung) dieser Spannungen wird am (offenen) Ende der Streifen, typischerweise im kalten Bereich, gemessen. Da die Materialien unterschiedliche sind, ergibt die Summe der Spannungsabfälle nicht Null. Die Summenspannung ist proportional zu der Temperaturdifferenz ΔT entlang der Streifen zwischen den heißen und den kalten Verbindungen. Die hier beschriebenen Verbindungen (Kontaktstellen) und Streifen können durch eine elektrische Schirmung eingeschlossen sein, welche eine im Wesentlichen komplette oder zumindest teilweise Abschirmung des Sensors bilden. Die Schirmungsstruktur wird aus einem elektrisch leitendfähigen Material gebildet, welches zu dem Sensor elektrisch isoliert ist. In Gegenwart eines elektrischen Feldes außerhalb der Schirmungs-Struktur endet das elektrische Feld an der Abschirmung. Folglich wird das Signal, welches von dem Sen sor erzeugt wird, im Wesentlichen nicht durch das äußere elektrische Feld gestört.
Die hier beschriebene Schirmungsstruktur ermöglicht die Integration eines Seebeck-Differenztemperatursensors in ein Leistungshalbleiterbauelement, weil das Signal, welches durch einen Seebeck-Differenztemperatursensor erzeugt wird, gering, nämlich typischerweise zwischen 10 und 100 mV, ist für eine Temperaturdifferenz von rund 100 K. Das Signal eines Seebeck-Differenztemperatursensors ist daher um einige Größenordnungen kleiner als die in typischen Leistungsanwendungen auftretenden Spannungen, welche üblicherweise im Bereich zwischen 10 V und 10 kV liegen. Während des Schaltens eines Leistungshalbleiterbauelements in einem leistungselektronischen System treten in den Schaltungen große Spannungsänderungen dV/dt sowie große Stromänderungen dI/dt in großer räumlicher Nähe zu einem Seebeck-Differenztemperatursensor auf und würden so ein von dem Sensor erzeugtes Messsignal stören, wenn der Sensor nicht geschirmt wäre. Elektrisches Rauschen verursachende Signaltransienten durch Schaltvorgänge treten in leistungselektronischen Systemen häufig auf sowie auch andere Rauschquellen wie z. B. Motoren, die einen konventionellen mechanischen Kommutator aufweisen.
Die Schirmungs-Struktur kann entweder mit einem festen Potential (wie z. B. mit dem lokalen Massepotential) oder mit einer DC-Versorgungsspannung verbunden sein. Des Weiteren kann sie als Schutzring (guard ring) verwendet werden, wobei die Schirmungsstruktur, z. B. mit Hilfe eines Spannungsfolgers, an das gleiche Potential gekoppelt ist wie die Signalleitung des Sensors. Die Schirmungs-Struktur kann auch erdfrei (d. h. ”floating”) bleiben oder über einen hochohmigen Widerstand mit einem festen Potential verbunden sein.
Im Folgenden wird auf die 2 bis 5 Bezug genommen, in denen unterschiedliche Konfigurationen eines Leistungshalblei terschalters mit einem integrierten, geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensor 208, 308, 408 und 508 gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen dargestellt sind. Die integrierte Halbleiterschaltungsanordnung umfasst einen Leistungs-MOSFET, eine Schirmung, und eine Seebeck-Differenztemperatursensoranordnung.
2A zeigt eine vereinfachte schematische Abbildung eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors 208, der aus einer Verbindung 211 zweier, verschiedener Materialien gebildet wird, die in einem heißen Bereich einer integrierten Schaltung integriert und mit einer Schirmung 207 umgeben sind. Die integrierte Schaltung umfasst weiter einen Leistungs-MOSFET 203, der als High-Side-Schalter ausgebildet ist. Die Verbindung 211 ist in einem Bereich der integrierten Schaltung angeordnet, in der eine hohe lokale Temperatur herrscht. Die Schirmung 207 ist mit einem festen Schirmungs-Potential verbunden, welches von der lokalen Bias-Spannungsquelle 204 bereitgestellt wird. Die Seebeck-Verbindung aus 2a ist als Verbindung zweier Leiter 212 und 213 ausgebildet, welche eine Verbindung (Kontaktstelle) zweier unterschiedlicher Materialien bilden wie oben unter Bezugnahme auf 1b beschrieben wurde.
In den beispielhaft in den 2 bis 5 dargestellten Seebeck-Differenztemperatursensoren ist das Leitungshalbleiterbauelement – ohne Einschränkung – ein MOSFET 203. In dem Beispiel aus 2A ist der Leistungs-MOSFET 203 an die lokale Biasspannungsquelle 204, welche eine Biasspannung 204 bereitstellt, sowie an einen Lastwiderstand R_LOAD 205 gekoppelt. Der Lastwiderstand 205 ist wiederum mit dem lokalen Massepotential der Schaltung verbunden. Der Steueranschluss des Leistungs-MOSFET, d. h. das Gate, ist mit der Gate-Treiberschaltung 202 verbunden, welche wiederum mit der Signalquelle 201 gekoppelt ist, die dazu ausgebildet ist, ein Signal zum schnellen Ein- und Ausschalten des Leistungs-MOSFET 203 zu erzeugen. Das Signal, welches durch den Sensor erzeugt wird, ist einem Instrumentenverstärker 209 zugeführt, um eine Seebeck-Spannung V_SEEBECK (Bezugszeichen 210) zu erzeugen. Ein drittes elektrisch leitfähiges Halbleitermaterial kann dazu verwendet werden, das Signal, welches von dem geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensor in den Streifenleitungen 214 erzeugt wird, dem Instrumentenverstärker 209 zuzuführen.
2B zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors 208 mit einer Vielzahl von heißen Verbindungen 211 und kalten Verbindungen 217. Die Verbindungen sind durch Kontakte elektrisch leitfähiger Streifen 212 bzw. 213 gebildet, die jeweils aus unterschiedlichem Material bestehen.
In 3 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors 308 gezeigt, der in einen Leistungs-MOSFET 203 integriert ist. In diesem Fall ist der MOSFET in einer Low-Side-Konfiguration und die Schirmung 207 mit dem lokalen Massepotential verbunden.
4 zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors 408, der in einem Leistungs-MOSFET 203 integriert ist. Der Leistungs-MOSFET 203 ist im vorliegenden Beispiel als High-Side-Schalter ausgebildet und die Schirmung 207 des Seebeck-Differenztemperatursensors 408 bleibt erdfrei, d. h. ist nicht mit einem festen lokalen Potential verbunden. Die Schirmung 207 kann auch über eine hochohmige Verbindung mit einem lokalen festen Potential verbunden sein wie z. B. über den Widerstand 230, um im Laufe der Zeit die Akkumulation von Ladungsträgern in der Schirmung zu verhindern.
5 zeigt eine weitere vereinfachte schematische Darstellung eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors 508, der in einem Leistungs-MOSFET 203 integriert ist. Der Leistungs-MOSFET ist in diesem Fall als High-Side-Schalter ausgebildet und die Schirmung 207 des Seebeck-Differenztemperatursensors 508 wird als Guard-Ring verwendet, wobei die Schirmung 207 mit dem gleichen Potential gekoppelt ist, wie das Ausgangssignal 210 des geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors. Das Koppeln der Schirmung 207 an das Seebeck-Signal 210 wird durch einen Spannungsfolger mit Verstärkung eins gewährleistet, der z. B. durch den Operationsverstärker 218 gebildet wird, dessen Ausgang an den invertierenden Eingang rückgekoppelt ist.
Der geschirmt Seebeck-Differenztemperatursensor gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen kann vorteilhaft in Leistungshalbleiterbauelementen mit nur geringen zusätzlichen Kosten integriert werden, weil derselbe Herstellungsprozess für die Herstellung des geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors sowie für die Herstellung des Leistungshalbleiterbauelements verwendet werden kann. Die Schirmungs-Struktur kann z. B. aus dotierten Halbleiterschichten, Polysilizium-Streifenleitern und/oder Metallschichten gebildet sein. Weil der Seebeck-Effekt in Halbleitern um einige Größenordnungen höher ist als in Metallen, kann bevorzugt zumindest ein Halbleitermaterial wie z. B. n-dotiertes Silizium, p-dotiertes Silizium, n-dotiertes Polysilizium oder p-dotiertes Polysilizium verwendet werden zur Herstellung von zumindest einem leitfähigen Streifenleiter des Sensors.
Ein geschirmter Seebeck-Differenztemperatursensor gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen zum Messen einer Temperaturdifferenz kann in einer sehr kompakten Struktur und sehr nahe dem aktiven Bereich des Leistungshalbleiterbauelements gebildet werden. Eine erhöhte Performance des Temperatursensors wird erreicht, wenn die Distanz zwischen dem aktiven Bereich des Leistungshalbleiterbauelements und dem Temperatursensor möglichst gering ist, da in diesem Fall die thermische Kopplung zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem ”heißen” Ende des Temperatursensors höher ist.
Der Signalpegel eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors kann vergrößert werden durch eine Kopplung mehrerer Differenztemperatursensoren zu einer Serienschaltung, wie dies z. B. in 2B gezeigt ist. Dabei besteht ein Zielkonflikt zwischen der Sensorperformance und der Höhe des Signalpegels. Bei kleinen Sensoren mit guter thermischer Kopplung verbessert nichtsdestotrotz die Schirmung das Seebeck-Signal in einer rauschbelasteten Umgebung, auch wenn eine Vielzahl von Seebeck-Sensoren vorgesehen wird.
Wie in den 6 bis 23 gezeigt wird, können bestimmte Ausführungsbeispiele eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors durch Verwendung gewöhnlicher Prozessschritte hergestellt werden, die in einem Herstellungsprozess bei der Produktion von integrierten Schaltungen verwendet werden. Diese geschirmten Sensoren sind gut geeignet für fortschrittliche Smart-Power-IC-Technologien, bei denen eine Vielzahl von Metall und Polysiliziumschichten mit feinen Strukturen wie z. B. 0,25 μm oder sogar 0,13 μm oder weniger hergestellt werden.
Die 6 bis 8 sind Darstellungen eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors, der durch Verbindungen (Kontaktstellen) von implantiertem n-dotierten Silizium und einer ersten Metallschicht (z. B. aus Aluminium oder Kupfer) gemäß einem Ausführungsbeispiel gebildet ist. Die Schirmung ist nicht in allen Darstellungen sichtbar, insbesondere sieht man sie in den Draufsichten. Die Streifenleiter 603 und 604 bestehen aus dem gleichen Material nämlich einem Metall wie z. B. Aluminium, Kupfer oder Wolfram. Bei der Verwendung einer Vielzahl von Verbindungen zwischen n-dotiertem Silizium und Metall, die jeweils in Serie geschaltet sind (siehe 6B und 7B) kann im Vergleich zu einem Sensor mit einer einzelnen Verbindung eine ent sprechend höhere Seebeck-Spannung V_SEEBECK erzielt werden. Eine große Zahl von Seebeck-Verbindungen erhöht jedoch die Größe des Sensors und reduziert die thermische Kopplung zwischen dem Sensor und dem heißen Bereich der integrierten Schaltung. Die Dotierstoffkonzentration des implantierten n-dotierten Siliziums beeinflusst den Seebeck-Temperaturkoeffizienten α (α = V_SEEBECK/ΔT), der bei steigender Dotierungskonzentration geringer wird. Des Weiteren wird der Sensorwiderstand beeinflusst, welcher ebenfalls mit steigender Dotierstoffkonzentration sinkt. Folglich besteht ein Zielkonflikt zwischen den Forderungen nach einem möglichst hohen Seebeck-Temperaturkoeffizienten, einem möglichst geringen Sensorwiderstand, einem möglichst großen Signalpegel der erzeugten Seebeck-Spannung sowie einer guten thermischen Kopplung zwischen dem Sensor und dem heißen Bereich der integrierten Schaltung und ein entsprechender Kompromiss muss für eine bestimmte Anwendung ausgewählt werden.
6A ist eine Draufsicht auf den geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensor, der aus zwei Seebeck-Kontakten gebildet ist, die zu einer Serienschaltungsanordnung verbunden sind. Der einer heißen Temperatur ausgesetzte Seebeck-Kontakt 601 befindet sich in der vertikalen Ebene A-A und der der kalten Temperatur ausgesetzte Seebeck-Kontakt 605 in der vertikalen Ebene C-C. Wie oben bereits erwähnt, kann ein Kontakt z. B. aus Aluminium, Kupfer, Wolfram oder hochdotiertem Polysilizium bestehen. Der Sensor ist mit einer externen Schaltung über die metallischen Streifenleiter 604 verbunden, die beispielsweise aus abgeschiedenen Kupfer- oder Aluminiumschichten bestehen. Der Seebeck-Kontakt bzw. der Streifenleiter 602 ist durch n-dotiertes Halbleitermaterial gebildet und der Seebeck-Kontakt bzw. die Streifenleiter 603 aus Metall. Jeder dieser Streifenleiter kann in einem gewöhnlichen Herstellungsprozess für integrierte Schaltungen abgeschieden werden.
6B zeigt eine Draufsicht auf einen geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensor mit acht Seebeck-Kontakten bzw. Verbindungen von unterschiedlichen, elektrisch leitfähigen Materialien, die zu einer Serienschaltung verbunden sind. Der geschirmte Seebeck-Differenztemperatursensor aus 6B ist aus ähnlichen Materialien aufgebaut, wie der in 6A gezeigte.
Die 7A und 7B zeigen jeweils Querschnittsdarstellungen durch geschirmte Seebeck-Differenztemperatursensoren aus den 6A und 6B entlang der Ebene A-A. 8 zeigt einen Querschnitt durch einen der Sensoren aus 6A oder 6B entlang der Ebene B-B. Wie in den 7 und 8 zu sehen ist, ist der Sensor in bzw. auf einer n-dotierten Epitaxieschicht 705 angeordnet, die auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden wurde. Eine p-Wanne 704 ist in der Epitaxieschicht 705 angeordnet. Kontakte wie z. B. der Kontakt 707 koppelt obere Sensorstreifenleiter wie z. B. den metallischen Streifenleiter 603 mit unteren Streifenleitern wie z. B. den n-dotierten Streifenleiter 602. Kontakte können durch Implantation in einer abgeschiedenen Schicht wie z. B. einer Epitaxieschicht gebildet werden. Eine zweite Metallschicht wird auf der Oberfläche abgeschieden und strukturiert, um so die Schirmung 701 zu bilden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann eine dotierte Polysiliziumschicht abgeschieden und strukturiert werden, um die Schirmung 701 zu bilden. Die Schirmung 701 wird durch die p-Wanne 704 zusammen mit der zweiten Metallschicht gebildet, welche die obere Schicht der Schirmung 701 darstellt. Der Metallstreifenleiter 604 gewährleistet einen Kontakt zwischen dem Sensor und einer externen Schaltung.
Die 9 bis 11 betreffen geschirmte Seebeck-Differenztemperatursensoren die mit Hilfe von Verbindungen von Streifenleitern 902 aus n-dotiertem Silizium und Streifenleiteren 903 aus p-dotiertem Silizium entsprechend einem Ausführungsbeispiel gebildet sind. Die Ausführungsbeispiele aus den 9 bis 11 sind ähnlich denen aus den 6 bis 8 abgesehen davon, dass andere Materialien verwendet werden, um die Seebeck-Kontakte der Sensoren zu bilden. Durch die Verbindung von p-dotiertem Polysilizium statt der ersten Metallschicht in dem Beispiel aus den 6 bis 8 ergibt sich eine Seebeck-Spannung des Temperatursensors in der Höhe der Summe der Seebeck-Spannungen der n-dotierten Siliziumimplantation und der Seebeck-Spannung des p-dotierten Polysiliziums. Dies ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Vorzeichen der Seebeck-Spannungen im n-dotierten und p-dotiertem Polysilizium.
9A zeigt eine Draufsicht auf den geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensor mit zwei Seebeck-Verbindungen, welche zu einer Serienschaltung verbunden sind. Ähnlich wie in 6A liegt der der heißen Temperatur ausgesetzte Seebeck-Kontakt 601 in der durch die Achse A-A definierten Ebene und der kalte Seebeck-Kontakt 605 in der durch die Achse C-C definierten Ebene. Der Sensor ist mit Hilfe von Metallstreifenleitern 604 mit einer externen Schaltung verbunden. Diese metallischen Streifenleiter 604 können z. B. aus abgeschiedenem Aluminium oder Kupfer gebildet sein. Der Seebeck-Verbindungsstreifen 902 wird durch ein n-dotiertes Halbleitermaterial gebildet, der Seebeck-Verbindungsstreifen 903 aus p-dotiertem Polysilizium. Jeder dieser Streifenleiter kann z. B. abgeschieden werden entsprechend einem gewöhnlichen Herstellungsprozess für integrierte Schaltungen.
9B zeigt eine Draufsicht auf einen geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensor mit einer Vielzahl von Seebeck-Verbindungen, welche zu einer Serienschaltung verbunden sind. Der Temperatursensor aus 9B ist aus ähnlichen Materialien aufgebaut, wie der Sensor aus 9A und entspricht in seiner Struktur dem Sensor aus 6B.
Die 10 und 11 zeigen jeweils Querschnittsdarstellungen der geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensoren aus den 9A und 9B entlang den durch die Achsen A-A und B-B definierten Ebenen. Wie in den 10 und 11 dargestellt ist, wird der Sensor auf einer n-dotierten Epitaxieschicht 705 ausgebildet, welche auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden wird. Eine p-Wanne 704 wird in der Epitaxieschicht 705 hergestellt. Kontakte, wie z. B. der Kontakt 707 verbinden die p-dotierten Polysiliziumstreifenleiter wie z. B. die Streifenleiter 903 mit den n-dotierten Streifenleitern wie z. B. dem Streifenleiter 902. Eine metallische Schicht wird über dem Sensor abgeschieden, um so die Schirmung 701 zu bilden. Die Schirmung 701 wird durch die p-Wanne 704 zusammen mit der zweiten Metallschicht gebildet, welche als obere Metallschicht der Schirmung 702 abgeschieden wird. Die Metallstreifen 604 ermöglichen einen elektrischen Kontakt zwischen dem Sensor und einer externen Schaltung.
Die 12 bis 14 enthalten Darstellungen eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors, der durch Kontakte von Streifenleiteren aus p-dotierten Silizium (wie z. B. Streifen 1202) und Streifenleitern aus n-dotierten Polysilizium (wie z. B. Streifen 1203) entsprechend einem Ausführungsbeispiel gebildet sind. Das Ausführungsbeispiel des geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors aus den 12 bis 14 ist ähnlich wie das weiter oben beschriebene Beispiel aus den 6 bis 8 abgesehen davon, dass andere Materialien für die Sensorkontakte verwendet werden. Durch die Verwendung von n-dotiertem Polysilizium statt einer ersten Metallschicht in dem Beispiel aus den 6 bis 8 ermöglicht eine Seebeck-Spannung des Sensors, die sich aus der Summe der Seebeck-Spannung des n-dotieren Polysiliziums und der Seebeck-Spannung des p-dotierten Siliziums ergibt. Kontakte wie z. B. der Kontakt 707, verbinden p-dotierte Silizium-Streifenleiter wie z. B. den Streifen 1202 mit n-dotierten Polysilizium-Streifenleitern wie z. B. den Streifen 1203. Die untere Schicht der Schirmung 701 wird in diesem Beispiel durch die n-dotierte Wanne 1304 gebildet, die in einer p-dotierten Epitaxieschicht 1305 angeordnet ist.
Die 15 bis 17 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Seebeck-Differenztemperatursensors, der durch Kontakte von Streifenleitern aus p-dotierten Polysilizium (wie z. B. Streifen 1502) sowie aus n-dotiertem Polysilizium (wie z. B. Streifen 1503) gebildet ist. Das Ausführungsbeispiel des geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors aus den 15 bis 17 ist ähnlich wie das oben beschriebene Beispiel aus den 6 bis 8 abgesehen davon, dass bei der Herstellung des Sensors eine Isolationsschicht durch Abscheidung und Strukturierung einer Oxidschicht 1609 über der p-Wanne 704 entsprechend der Darstellung in den 16 und 17 erzeugt wird. p-dotiertes Polysilizium bildet eine Menge von Sensorstreifen (wie z. B. Sensorstreifen 1502) und n-dotiertes Polysilizium bildet eine weitere Menge von Sensorstreifen (wie z. B. Sensorstreifen 1503). Diese Sensorstreifen aus unterschiedlichem Material werden durch Kontakte, wie z. B. den Kontakt 707, sowie durch metallische Koppelelemente, wie z. B. das metallische Koppelelement 1505, verbunden. Eine p-dotierte Implantationszone bildet die p-Wanne 704. Die Schirmung des Seebeck-Differenztemperatursensors wird durch p-Wanne sowie die zweite Metallschicht gebildet. Die p-Wanne wird in einem n-dotierten Siliziumsubstrat ausgebildet. Die untere Schicht der Schirmung 701 wird durch die implantierte p-dotierte Wanne 704 gebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind Streifenleitungen unterschiedlichen Dotierungstyps im Wesentlichen mit der gleichen Dotierungskonzentration dotiert. In alternativen Beispielen können die Dotierstoffkonzentrationen unterschiedlich sein.
Die 18 bis 20 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors, der aus Kontakten von Streifenleitern aus p-dotiertem Polysilizium (wie z. B. Streifen 1802) sowie aus n-dotiertem Polysilizium (wie z. B. Streifen 1803) gebildet ist. Wie in den 19 und 10 dargestellt ist, wird eine Isolierschicht für den Sensor durch Abscheiden und Strukturieren einer Oxidschicht 1609 über der p-Wanne 704 gebildet. p-dotiertes Polysilizium bildet eine erste Menge von Sensorstreifen (wie z. B. Streifen 1802) und n-dotiertes Polysilizium bildet eine zweite Menge von Sensorstreifen (wie z. B. Sensorstreifen 1803). Diese Sensorstreifen aus unterschiedlichem Material werden verbunden durch Kontakte wie z. B. Kontakt 601. Eine p-dotierte Siliziumimplantationszone bildet die p-Wanne 704. Die Schirmung des Sensors wird gebildet durch die p-Wanne und die zweite Metallschicht. Die p-Wanne wird aus einem n-dotiertem Siliziumsubstrat hergestellt. Die untere Schicht der Schirmung 701 wird durch die implantierte p-dotierte Wanne 704 gebildet.
In den 15 bis 17 sind die n-dotierten Polysiliziumstreifen und die p-dotierten Polysiliziumstreifen in derselben Ebene gebildet, wohingegen in den 18 bis 20 die n-dotierten Polysiliziumstreifen und die p-dotierten Polysiliziumstreifen in übereinanderliegenden Ebenen angeordnet sind.
Die 21 bis 23 betreffen Ausführungsbeispiele bei denen der Seebeck-Differenztemperatursensor in einer nur wenig komplexen Trench-Leistungs-MOSFET-Technologie implementiert ist mit jeweils zwei Metallschichten und zwei unterschiedlichen Polysiliziummaterialien (z. B. Gate-Polysilizium und Füll-Polysilizium, auch ”Filler-Polysilizium” genannt). Die in den 21 bis 23 gezeigten Ausführungsbeispiele sind gut geeignet für wenig komplexe Technologien, die einen Trench-Prozess aufweisen, wie z. B. zur Herstellung eines Trench-Leistungs-MOS-Transistors.
Ein Trench 2103 (Graben) wird in dem Siliziumsubstrat 705 mit Hilfe eines herkömmlichen Herstellungsprozesses bei der Produktion von Leistungs-MOSFETs, deren Temperatur gemessen werden soll, hergestellt. Der Seebeck-Differenztemperatursensor wird durch das Füll-Polysilizium (filler polysilicon) des Trench-Prozesses und der ersten Metallschicht gebildet. Die Schirmung des Sensors wird durch das Gate-Polysilizium des Trench-Prozesses und die zweite Metallschicht gebildet. Wie in den 21 bis 23 dargestellt ist, wird der geschirmte Seebeck-Differenztemperatursensor hergestellt durch die Abscheidung einer dielektrischen Isolationsschicht 2206 in dem Graben, um so eine Isolationsschicht für den Sensor herzustellen. Die untere Schicht der Schirmungsstruktur wird durch das Gate-Polysilizium 2205 gebildet, welches oberhalb der isolierenden dielektrischen Oxidschicht 2206 angeordnet ist. Eine weitere isolierende dielektrische Oxidschicht 2204 wird danach über dem Gate-Polysilizium 2205 abgeschieden, um eine weitere Isolationsschicht für den Sensor zu bilden. Füller-Polysilizium 2113 wird über dieser weiteren Isolationsschicht 5204 abgeschieden, um so den Trench aufzufüllen und einen Seebeck-Sensorstreifen (Streifenleitung) zu bilden. Die externen Metallkontakte des Temperatursensors sind mit den Bezugszeichen 2102 und 2105 bezeichnet.
Der hier beschriebene geschirmte Seebeck-Differenztemperatursensor umfasst n-dotierte und p-dotierte Polysiliziumstreifen sowie einen dazwischenliegenden ohmschen Kontakt, z. B. an jenem Ort, an dem die Temperatur gemessen wird. Ein geschirmter Seebeck-Differenztemperatursensor kann einen dotierten Polysiliziumstreifen und einen Metallstreifen sowie einen zwischenliegenden Ohmschen Kontakt aufweisen, der an jenem Ort angeordnet ist, an dem die Temperatur gemessen werden soll. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Sensor in einem Trench eines Halbleiterchips angeordnet. Der Sensor kann mit Hilfe einer elektrostatischen Schirmung in einem Feld von Leistungs-MOSFET-Trench-Zellen eingeschlossen sein. Idealerweise wird die im Allgemeinen gleichförmige Anordnungen von Leistungs-MOSFET-Trench-Zellen nicht durch das Hinzufügen eines Seebeck-Differenztemperatursensors gestört.
Die direkte Einbettung eines Seebeck-Differenztemperatursensors in ein Leistungs-MOSFET-Zellenfeld ermöglicht die Detektion einer lokalen Wärmequelle in dem Chip mit einer sehr hohen Ansprechgeschwindigkeit, weil die Distanz zwischen dem Punkt der Temperaturmessung (d. h. der Kontaktstelle zwischen den Sensorstreifenleitern) zu der Wärmequelle nur einige wenige Mikrometer beträgt.
Der Sensor muss keinen aktiven Transistor beinhalten, und die externen Anschlusskontakte der Sensorstreifen können am Rande des Chips angeordnet sein. Die Sensorstreifen können an Chip-Anschlusspads am Rande des Chips angeschlossen sein.
Eine derartige Struktur ermöglicht einen geringen Abstand zwischen dem temperaturempfindlichen Punkt (Seebeck-Kontakt) und den aktiven Transistorzellen und verursacht nur eine minimale Veränderung der Transistorcharakteristik. Dies kann eine geringfügig höhere Verlustleistung in dem Chip zur Folge haben, sowie eine geringfügig wärmere lokale Temperatur, welche in einem Endprodukt auftritt. Die geringe Distanz zwischen dem Seebeck-Differenztemperatursensor und der Wärmequelle ermöglicht eine Schutzschaltung, die in der Lage ist, sehr schnell auf Übertemperaturen zu reagieren.
Ein geschirmter Seebeck-Differenztemperatursensor kann in dem selben Chip integriert sein, wie ein Trench-MOSFET und ein Chip, der beides enthält kann mit einem kompatiblen oder nur geringförmig modifizierten Herstellungsprozess erzeugt werden.
24 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterbauelements mit einem Feld von in dem Halbleiterchip angeordne ten Trench-Zellen und einem Seebeck-Differenztemperatursensor, der in dem Feld von Trench-Zellen gemäß einem Ausführungsbeispiel eingebettet ist. Der Seebeck-Differenztemperatursensor ist in dem Trench 2401 eingebettet und eine MOSFET-Zelle in dem Trench 2402. Ein weiterer Zellen-Trench 2420, welche einen weiteren Seebeck-Differenztemperatursensor oder eine weitere MOSFET-Zelle enthalten kann, ist in 24 ebenfalls dargestellt.
Das Feld von Trench-Zellen kann in einer Polysiliziumregion vom n-Typ oder vom p-Typ gebildet werden. Die MOSFET-Gateelektrode 2406 ist in 24 als Elektrode G bezeichnet. Die weitere Elektrode FPE, 2405, kann als sogenannte Feldplattenelektrode ausgebildet sein. Letztere kann an ein lokales Potential, typischerweise an ein MOSFET-Sourcepotential gekoppelt sein. Die Source-Region S, 2410, Body-Region B, 2409, und die Epitaxie- bzw. Drain-Region E/D, 2411, welche zusammen das MOSFET Bauelement bilden, sind ebenfalls in dieser und den folgenden Figuren dargestellt. Die Source- und Epitaxie-/Drain-Region können n-dotierte Polysiliziumregionen sein, wohingegen in diesem Fall die Body-Region üblicherweise aus p-dotiertem Polysilizium besteht, wobei jede dieser Regionen hochdotiert sein kann. Typische Variationen der Dotierstoffkonzentrationen in der darunterliegenden Epitaxieschicht n– (Bezugszeichen 2930) und n+ (Bezugszeichen 2040) ist ebenfalls in den Figuren (siehe 29) dargestellt.
In dem Trench des Seebeck-Differenztemperatursensors sind voneinander durch eine dazwischenliegende Oxidschicht 2408 elektrisch isolierte Polysiliziumstreifenleiter angeordnet. Der obere Polysiliziumstreifen 2403 (siehe 25) ist ein Leiter vom n-Typ und der untere Polysiliziumstreifen 2404 ist ein Leiter vom p-Typ. Die Trench-Zellen können auch mehr als die beiden Polysiliziumbereiche, welche die Sensorstreifen bilden, be inhalten, wie z. B. einen dritten, isolierenden Polysiliziumbereich 2408 zur Isolierung einer Polysilizium-Gateelektrode.
Der Sensor-Trench 2401 aus 24 zeigt eine einfache repräsentative Darstellung mit zwei komplementär zueinander dotierten Polysilizium-Sensorstreifen 2403 und 2404. Weitere Strukturelemente der Polysilizium-Sensorstreifen gemäß einem Ausführungsbeispiel sind in der perspektivischen Darstellung in 25 gezeigt, auf die im Folgenden Bezug genommen wird. Der Seebeck-Sensor umfasst einen ohmschen Kontakt, welche in 25 als Kontakt 2501 zwischen den n-dotierten bzw. p-dotierten Polysiliziumstreifen 2403 und 2404 dargestellt ist. Abgesehen von dem Ohmschen Kontakt trennt und umgibt die Oxidschicht 2408 die n-dotierten bzw. p-dotierten Sensorstreifenleiter. D. h. die dazwischenliegende Oxidschicht 2408 befindet sich nicht an der Kontaktstelle zwischen dem Polysiliziumstreifenleiter, wie dies in der perspektivischen Darstellung der 25 zu entnehmen ist.
26 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements mit einem Zellen-Trench 2401, in dem ein Seebeck-Differenztemperatursensor eingebettet ist, und einer Vielzahl von weiteren Zellen-Trenches wie z. B. die Zellen-Trenches 2402, 2608 und 2610. Das Halbleiterbauelement umfasst einen Zellenfeld-Bereich 2620 und einen Chip-Peripherie-Bereich 2630. Die Trenches 2402 können derart aufgebaut sein, dass ein Leistungs-Halbleiterschalter, wie z. B. ein MOSFET gebildet wird. Alternativ können in jedem Graben auch weitere Seebeck-Differenztemperatursensoren angeordnet sein. Ein benachbart angeordneter U-förmiger Schirmungs-Trench 2610 beinhaltet eine leitfähige Polysiliziumschicht, welche im Wesentlichen zumindest einen Teil des Seebeck-Differenztemperatursensors umgibt. Weitere Trenches, wie z. B. der Trench 2608, welche benachbart zu dem Differenztemperatursensor anordnet sein, können ebenfalls eine leitende Polysiliziumschicht beinhalten und so zur weiteren Abschirmung von Sensorstrukturen verwendet werden. Alternativ können darin auch weitere Transistorzellen des Leistungs-MOSFET-Bauelements angeordnet sein.
Der Seebeck-Differenztemperatursensor ist im vorliegenden Beispiel mit zwei entgegengesetzten Polysilizium-Streifenleitern 2403 und 2404, welche voneinander und von den Wänden des Trenches durch die Oxidschicht 2408 getrennt sind, aufgebaut, wobei an der Stelle des ohmschen Kontakts auf Kontakt 2501, diese Oxidschicht unterbrochen ist. Die beiden entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifenleiter 2403, 2404 sind an der Peripherie des Halbleiterbauelements mit Kontaktflächen 2606, 2607 verbunden, wie z. B. metallische Kontakt-Pads, die an der Oberfläche des Halbleiterchips angeordnet sind, um Verbindungen zu externen Schaltungen zu ermöglichen.
27 zeigt eine Draufsicht auf einen Seebeck-Differenztemperatursensor mit einer elektrostatischen Abschirmung, welche in einem benachbarten, z. B. ringförmigen Abschirm-Trench 2701 angeordnet ist, welcher gemäß einem Ausführungsbeispiel eine leitfähige Polysiliziumschicht beinhaltet.
Ein Abschirm-Trench wie z. B. der in 27 dargestellte Abschirm-Trench 2701 sowie die Abschirm-Trenches 2610 und 2608 aus 26 können tiefer oder breiter ausgebildet sein, als der Sensor-Trench und/oder als die Trenches, welche die MOSFET-Zellen bilden. Die Sensor-Trenches und die Zellenfeld-Trenches können in ihrer Tiefe und Breite (d. h. in ihrer Querschnittsfläche) variieren je nach den Anforderungen der jeweiligen Anwendung und der internen Strukturen. Ein Trench, der einen Seebeck-Differenztemperatursensor enthält, wird üblicherweise größer sein als ein MOSFET-Zellen-Trench, um die größeren Elemente eines Seebeck-Differenztemperatursensors aufzunehmen, wie z. B. die in 25 gezeigten, entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifenleiter.
Eine Kombination von dünnen und dicken Oxidschichten kann bei der Herstellung von Sensor-Trench-Bereichen verwendet werden. Gate-Oxide, welche typischerweise sehr dünn sind, gewährleisten eine gute Wärmeleitung, wohingegen Feld-Oxide, welche dicker sind, dazu geeignet sind, hohen Potentialdifferenzen zu widerstehen und folglich eine gegebenenfalls benötigte Isolation zu gewährleisten. Wenn Polysiliziumschichten mit unterschiedlichen Dicken in den Trenches verwendet werden, können die Gate-Oxide und Feld-Oxide ebenfalls variiert werden. Gate-Oxide können auf (von der Chipoberfläche gesehen) tieferliegende Flächen abgeschieden werden, als Feld-Oxide. Im Bereich der Chip-Peripherie, in den externe Kontakte angeordnet sind, kann die Trench-Weite vergrößert werden, um genügend Platz zu schaffen für ein Kontakt-Loch.
Um eine Abschirmung für die zwei Polysilizium-Streifenleiter, welche den Seebeck-Differenztemperatursensor bilden, zur Verfügung zu stellen, kann eine dritte, auf den Sensor-Trench passende Polysiliziumschicht abgeschieden und eine darüber liegende Metallschicht aufgebracht werden. Zusätzlich oder Alternativ kann eine metallische Schicht in den Abschirm-Trenches abgeschieden werden, um eine laterale Abschirmung für den Seebeck-Sensor zu gewährleisten.
Ein Prozessablauf zur Herstellung eines geschirmten Seebeck-Differenztemperatursensors in einem Halbleiterbauelement wie z. B. einem Leistungs-Halbleiterschalter gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Folgenden näher beschrieben. Details der Prozessschritte wie z. B. das Aufbringen und das Strukturieren von Fotolack gefolgt von einem Ätzschritt sind allgemein bekannt und werden daher nicht näher beschrieben.

Schritt 1: Ätzen der Trenches, um den Seebeck-Sensor-Trench, den Abschirm-Trench sowie die MOSFET-Zellen-Trenches herzustel len. Eine typische Bauelementzelle wie z. B. eine MOSFET-Zelle kann in einem schmalen Trench gebildet werden. Eine Zelle in einem Seebeck-Differenztemperatursensor kann breiter sein als eine MOSFET-Zelle, je nach Prozesscharakteristik.
Schritt 2: Feldoxidation zur Herstellung einer Isolationsschicht an den Wänden der Trenches.

Das Abscheiden von n⁺- bzw. p⁺-Streifenleitern, die durch eine dazwischenliegende Polysiliziumschicht getrennt sind, wird im Allgemeinen in den später folgenden Verfahrensschritten durchgeführt. Die Zellen können mit einer Feld-Opferelektrode oder Polysilizium hergestellt werden. Der Seebeck-Differenztemperatursensor kann benachbart zu einer Abschirmelektrode angeordnet werden.

Schritt 3: Abscheiden einer leitfähigen Polysiliziumschicht in den Abschirm-Trenches und den Sensor-Trenches.
Schritt 4: Oxidieren des Polysiliziums zur Herstellung einer Isolierschicht auf der leitfähigen Polysiliziumschicht (aus Schritt 3) in den Sensor-Trenches.
Schritt 5: Herstellen einer Struktur mit Hilfe von Fotolithografie zur selektiven Entfernung von Polysilizium und Oxidschichten von der Oberfläche des Chips.
Schritt 6: Weiteres Bearbeiten des Bauelements. Der Zellenfeld-Trench sowie der Sensor-Trench sind nun offen mit im Wesentlichen gleicher Weite, so dass Standard-MOSFET-Prozesse angewandt werden können, um die MOSFET-Strukturen herzustellen.

Nach Schritt 6 sind die Öffnungsweiten der Seebeck-Trenches und der Zellenfeld-Trenches im Wesentlichen gleich, was häufig not wendig ist, um die Abscheidung von Polysilizium in den Trenches parallel vorzunehmen.

Schritt 7: Abscheiden einer Polysiliziumschicht, z. B. eine p-dotierte Schicht, in einer Trench-Vertiefung zur Herstellung des unteren Polysiliziumstreifens in dem Sensor-Trench sowie zur Herstellung der Feldplattenelektrode in einem MOSFET-Zellentrench (vgl. 24 und 25).
Schritt 8: Abscheiden von Feld-Oxid und Gate-Oxid mit Hilfe fotolithografischer Techniken um eine darüber liegende Isolierschicht herzustellen. Die MOSFET-Zellen sind jetzt offen, der Seebeck-Sensor hingegen geschlossen.
Schritt 9: Ätzender des Feld-Oxids.
Schritt 10: Gleichzeitiges Ätzen des Gate-Oxids und des Feld-Oxids.
Schritt 11: Herstellen der externen Kontakte für den Sensor, was ebenfalls einen fotolithografischen Prozess umfassen kann. Der Bereich des Seebeck-Trenches enthält zwei entgegengesetzt dotierte Polysiliziumstreifenleiter, deren Enden die Sensorkontakte bilden.
Schritt 12: Abscheiden von Gate-Polysilizium (z. B. vom n-Typ) in den MOSFET-Zellen-Trenches sowie in dem Sensor-Trench zur Herstellung des oberen Polysilizium-Streifenleiters.
Schritt 13: Ausbilden einer Vertiefung im Polysilizium und anschließendes Herstellen einer Oxidschicht über dem Trench, wie z. B. die Oxidschicht 2903 aus 29.
Schritt 14: Herstellung von Kontakten unter Verwendung der übrigen Herstellungstechniken. Dies umfasst die Abscheidung einer obenliegenden Metallisierung wie z. B. die Metallisierungsschicht 2904 und 2905 (vgl. 29), die dazu verwendet werden kann, externe Kontakte für die Polysilizium-Sensorstreifenleiter herzustellen, wie z. B. die Kontakte 2606 und 2607 aus 26.

28 ist eine Querschnittsdarstellung eines halbfertigen Sensor-Trenches 2810 für einen Seebeck-Differenztemperatursensor und eines MOSFET-Zellen-Trenches 2820 entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Nach der Herstellung der Trenches wird die Oxidschicht 2801 an den Wänden der Trenches und auf dem benachbarten Bereich der Chipoberfläche abgeschieden. Danach wird eine leitfähige Polysiliziumschirmung 2802 in dem Graben abgeschieden, in dem der Seebeck-Sensor angeordnet wird. Im Anschluss wird eine zweite Oxidschicht 2408 auf der leitfähigen Polysiliziumschirmung 2802 abgeschieden. Diese zweite Oxidschicht kann in einem anderen Prozess hergestellt werden, als die erste Oxidschicht 2801. Ein weiterer thermischer Oxidationsprozess kann verwendet werden, um das zweite Oxid herzustellen, oder es kann eine Oxidabscheidung durchgeführt werden.
29 ist eine Querschnittsdarstellung des Sensor-Trenches 2810 und des MOSFET-Zellen-Trenches 2820 nach einer weiteren Berarbeitung entsprechend einem Ausführungsbeispiel, das im Folgenden beschrieben wird. Nach der Herstellung der Oxidschicht 2801 auf den Wänden der Trenches wird eine leitende Polysiliziumschicht 2802 in dem Sensor-Trench und auf der oberen Oberfläche des Chips, um so eine elektrostatische Sensorschirmung herzustellen. Danach wird die Oxidschicht 2408 zur Isolation auf der leitfähigen Polysiliziumschicht 2802 abgeschieden. Im Anschluss werden p-dotierte Polysiliziumstreifen abgeschieden, um die Feldplattenelektrode 2405 des MOSFETs sowie den unteren Polysiliziumstreifenleiter 2404 des Seebeck-Differenztemperatursensors herzustellen. Eine Oxidschicht wird dann abgeschieden zur Herstellung der entsprechend Oxidstruktu ren 2901 und 2902 des Seebeck-Sensors bzw. des MOSFETs. Ein Teil dieser Oxidstrukturen wird geöffnet, um den Seebeck-Kontakt zwischen den beiden Polysiliziumstreifen zur ermöglichen. Danach werden n-dotierte Polysiliziumstreifen abgeschieden, um den oberen Polysiliziumstreifen 2403 des Seebeck-Sensors sowie das Gate 2406 des MOSFETs herzustellen. Eine Oxidschicht 2903 wird sowohl über den Seebeck-Sensor, als auch über dem MOSFET abgeschieden und eine Metallisierungsschicht wird auf die Oxidschicht aufgebracht, um einen Teil der Schirmung 2904 des Seebeck-Sensors sowie die Leistungs-Metallisierung für die Source des MOSFET zu bilden.
In einem alternativen Prozess zu dem oben beschriebenen kann der ohmsche Kontakt zwischen den beiden entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifen, welche den Seebeck-Differenztemperatursensor bilden, auch mit Hilfe einer Metallbrücke hergestellt werden. Die Herstellung mit Hilfe einer Metallbrücke hat den Vorteil, dass eine Öffnung einer Oxidschicht vermieden werden kann. Eine Metallbrücke kann dann vorteilhaft sein, wenn die Metallabscheidung genügend fein strukturiert erfolgen kann.
Auf diese Weise kann ein geschirmter Seebeck-Differenztemperatursensor, welcher eine Temperaturdifferenz zwischen einem Kontakt der beiden Polysiliziumstreifenleiter und einem Kontaktpunkt auf den Metallpads messen kann, auf demselben Chip und mit demselben Prozess hergestellt werden wie ein Leistungshalbleiterbauelement. Die Metallpads können an der Peripherie des Chips angeordnet sein. Ein weiterer Temperatursensor kann von einen beliebigen Typ sein, beispielsweise ein siliziumbasierter Absoluttemperatursensor. In diesem Fall wird mit Hilfe einer Steuereinheit die Absoluttemperatur an der Chip-Peripherie gemessen sowie die Temperaturdifferenz zwischen dieser Chip-Peripherie und der oben erwähnten Kontaktstelle (vgl. Kontakt 2501 in 25) der beiden Polysiliziumstreifenlei ter, um so rechnerisch die absolute Temperatur an dieses Kontaktstelle zu bestimmen.
Eine Anordnung mit einem Seebeck-Differenztemperatursensor kann also auch einen Absoluttemperatursensor umfassen, um das gleichzeitige Messen einer Temperaturdifferenz zwischen einer „heißen” Region des Halbleiterbauelements (z. B. eines MOSFETs) und einer „kalten” Region sowie einer absoluten Temperatur in beiden Regionen des Leistungshalbleiterbauelements zu ermöglichen. Ein Seebeck-Differenztemperatursensor und ein Absoluttemperatursensor können so hergestellt werden, dass beide Sensoren den gleichen Temperaturkoeffizienten aufweisen, um das gleichzeitige Messen der Differenztemperatur und der absoluten Temperatur in einer sehr einfacher Weise zu ermöglichen. Der zweite, absolute Temperaturmesswert wie z. B. die absolute Temperatur der heißen Region des Leistungshalbleiterbauelements kann z. B. dadurch ermittelt werden, dass die mit Hilfe des Seebeck-Differenztemperatursensors gemessene Temperaturdifferenz und die absolute Temperatur, welche mit Hilfe des Absoluttemperatursensors gemessen wird, addiert werden. Die gemessenen und berechneten Temperaturwerte können in einer Temperaturdifferenz-Schutzschaltung oder einer Übertemperaturschutzschaltung ausgewertet werden.
30 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leistungs-MOSFETs 105 mit einem eingebetteten Seebeck-Differenztemperatursensors 3020 sowie einem Absoluttemperatursensor 3070 integriert in einer Schaltung 3001. In diesem Beispiel ist der Seebeck-Differenztemperatursensor im Wesentlichen in dem Leistungs-MOSFET (d. h. dem Zellenfeld, welches den Transistor bildet) angeordnet, wohingegen der Absoluttemperatursensor in einem Abstand zu dem Leistungs-MOSFET (z. B. in der Chip-Peripherie) angeordnet ist. Der Seebeck-Differenztemperatursensor misst, wie oben beschrieben, die Temperaturdifferenz ΔT zwischen heißen und kalten Bereichen des Leistung-MOSFET. Der Absoluttempera tursensor misst eine Temperatur T_COLD in einer kalten Region des Leistungs-MOSFET. Als Absoluttemperatursensor kann z. B. ein in Vorwärtsrichtung betriebener pn-Übergang einer Diode oder ein Widerstand verwendet werden. Die absolute Temperatur T_HOT in einem heißen Bereich des Leistungs-MOSFET kann durch Summation des mit dem Seebeck-Sensor gemessenen Temperaturdifferenzwertes ΔT = (T_HOT – T_COLD) und des mit Hilfe des Absoluttemperatursensors gemessenen Temperaturwertes T_COLD ermittelt werden (T_HOT = ΔT + T_COLD). Um die einfache Berechnung des „heißen” Temperaturwertes T_HOT zu ermöglichen, können die Temperaturkoeffizienten des Absoluttemperatursensors sowie des Seebeck-Sensors auf den gleichen Wert eingestellt sein.
31 zeigt in einem Zeitdiagramm generische Temperatursignale, wie sie in einer integrierten Schaltung gemäß 30 auftreten können. Die in dem Leistungs-MOSFET umgesetzte Leistung erzeugt Wärme und folglich einen Temperaturgradienten zwischen heißen Regionen (im aktiven Bereich des MOSFET) und kalten Regionen (an der Chip-Peripherie). Die Temperatur T_AMBIENT (Bezugszeichen 3105) bzeichnet die Umgebungstemperatur, wenn keine Leistung in dem MOSFET umgesetzt wird. Ein Absoluttemperatursensor misst die absolute Temperatur T_COLD (Bezugszeichen 3101). Der Seebeck-Differenztemperatursensor misst die Temperaturdifferenz ΔT (Bezugszeichen 3102). Die Summe der absoluten Temperatur 3101 und der Temperaturdifferenz 3102 ergibt die absolute Temperatur T_HOT in dem Messpunkt innerhalb der heißen Region des Leistungs-MOSFET.
32 zeigt anhand eines Schaltplans eine Schaltungsanordnung mit einem Seebeck-Differenztemperatursensor und einer pn-Diode als Absoluttemperatursensor, die dazu ausgebildet ist, die absolute Temperatur in einem heißen Bereich eines Leistungs-MOSFET oder eines anderen Halbleiterbauelements entsprechend einem Ausführungsbeispiel zu messen. In dem Beispiel aus 32 wird ein in Vorwärtsrichtung betriebener pn-Übergang der Diode 3216, welche einen von der Stromquelle 3215 erzeugten Strom I_REF führt, dazu verwendet, die absolute Temperatur T_COLD im kalten Bereich des Leistungs-MOSFET zu verwenden, wobei die Diodenspannung V_D die Temperaturinformation prägt. Der Seebeck-Sensor wird durch einen Metallstreifenleiter und einen p-dotierten Polysiliziumstreifenleiter gebildet. Der Instrumentenverstärker liefert einen Messwert für die Temperatur T_HOT im heißen Bereich des Leistungs-MOSFET aus den Temperaturmesswerten ΔT und T_COLD um das Signal V_D + V_SEEBECK (Bezugszeichen 3210) zu erzeugen, welches die Temperatur T_HOT repräsentiert. Ein Teil des Polysiliziumstreifenleiters des Seebeck-Sensors kann als Anode oder Kathode der Diode verwendet werden. Andere Elemente der Schaltung können auch anders angeordnet sein als in 32 dargestellt, um z. B. die Polarität der Spannung umzukehren, für den Fall, dass in dem Differenztemperatursensor der umgekehrte Dotierungstyp verwendet wird. Die Schaltungsanordnung aus 32 kann optional die Schirmung 207 umfassen, wie oben bereits beschrieben. Die Schirmung 207 kann für Anwendungen in einer Umgebung mit ausreichend geringem Pegel an elektromagnetischen Störungen weggelassen werden. Die Schirmung kann erdfrei bleiben, wie in 32 dargestellt oder an ein lokales Potential gekoppelt werden.
33 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der der Seebeck-Sensor aus einem, Metallstreifenleiter und einem p-implantierten Polysiliziumleiter besteht und der Seebeck-Sensor mit einer Temperaturmessdiode gekoppelt ist. Die Schaltung kann in einfacher Weise für die Verwendung von n-implantierten Polysiliziumstreifenleitern umgestaltet werden.
Die 34A und 34B sind Zeitdiagramme, in denen die in den Schaltungen aus 32 und 33 auftretenden Spannungen dargestellt sind. In der 34A ist mit dem Bezugszeichen 3402 beispielhaft eine Spannung V_D bezeichnet, welche an einer Diode zur Messung der absoluten Temperatur abgegriffen wird. Die Spannung V_{D_MAX} (Bezugszeichen 3401) ist die Spannung zwischen Anode und Kathode der Messdiode nachdem eine bestimmte Zeit, in der eine bestimmte Menge an Leistung im MOSFET dissipiert wurde, vergangen ist. Die Spannung V_{D_AMBIENT} (Bezugszeichen 3404) repräsentiert die Diodenspannung zu einer Zeit, in der keine Leistung im MOSFET umgesetzt wird. Die Diode misst eine zur Umgebungstemperatur T_AMBIENT korrespondierende Spannung, wenn in der integrierten Schaltung keine Leistung umgesetzt wird. Die Kurve 3406 repräsentiert die Ausgangsspannung des Seebeck-Differenztemperatursensors. Die gestrichelte Linie V_{SEEBECK_MAX} (Bezugszeichen 3407) zeigt die Ausgangsspannung des Seebeck-Differenztemperatursensors nach einer bestimmten Zeit, wenn eine bestimmte Leistung in dem MOSFET umgesetzt wird.
Die Kurve 3404 in 34B repräsentiert eine Spannung, die der Differenz zwischen der Diodenspannung und der Ausgangsspannung des Seebeck-Differenztemperatursensors entspricht. Die gestrichelte Linie 3405 entspricht dem kleinstmöglichen Wert für diese Spannung.
Die 35 und 36 zeigen zwei Ausführungsbeispiele mit jeweils einem Seebeck-Differenztemperatursensor und einem damit gekoppelten Temperaturmesswiderstand zur Messung der absoluten Temperatur T_COLD in einem kalten Bereich des Leistungs-MOSFET oder einem anderen Leistungshalbleiterbauelement. Der – optional geschirmte – Seebeck-Sensor ist aus einem Metallstreifenleiter und einem p-dotierten Polysiliziumstreifenleiter aufgebaut, wie in der 36 dargestellt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Seebeck-Sensor auch aus einem Metall und einem implantierten Polysiliziumstreifen aufgebaut sein. Der Instrumentenverstärker erzeugt ein Signal 3510, das die absolute Temperatur T_HOT im heißen Bereich des Leistungs-MOSFETs repräsentiert. Die Spannung V_R, welche über dem Temperaturmesswiderstand 3546 abfällt repräsentiert die absolute Temperatur T_COLD.
Bei der Verwendung einer Diode als Absoluttemperatursensor kann der Temperaturkoeffizient eingestellt werden durch eine Anpassung des Referenzstromes I_REF oder der aktiven Fläche des pn-Übergangs. Bei der Verwendung eines Widerstandstemperatursensors zur Messung der absoluten Temperatur kann der Temperaturkoeffizient des Widerstands angepasst werden durch eine Veränderung des Referenzstroms I_REF, des Widerstandswertes oder der Dotierungskonzentration des Widerstands. Der Seebeck-Koeffizient des Seebeck-Sensors kann verändert werden durch eine Anpassung der Dotierstoffkonzentration im Halbleitermaterial, welches zum Aufbau des Seebeck-Sensors verwendet wird oder durch Verbinden mehrerer in Serie geschalteter Seebeck-Sensoren.
Die 37 und 38 zeigen eine Draufsicht auf einen Seebeck-Differenztemperatursensor 3720, der mit einer pn-Diode 3730 als Absoluttemperatursensor verbunden ist, um so einen Absoluttemperatursensor entsprechend einem Ausführungsbeispiel zu bilden. Wie in 37 dargestellt, ist der Seebeck-Sensor mit Hilfe eines p-dotierten Polysilizium-Streifenleiters 3705 und eines Metallstreifens 3703 hergestellt. 38 zeigt einen Seebeck-Sensor 3820 mit einem n-dotierten Polysiliziumstreifen 3806 und einem Metallstreifen 3703. Der Absoluttemperatursensor ist in beiden Fällen eine pn-Diode 3710, die am pn-Übergang zwischen den n-dotierten Polysiliziumstreifen 3706 und einem korrespondierenden p-dotierten Polysiliziumstreifen 3705 gebildet ist. In 38 sind die Dotierungstypen der Streifenleiter 3805 und 3806, welche die Diode 3811 bilden, umgekehrt zu den Verhältnissen in 37. In anderen Ausführungsbeispielen können die Streifenleiter abgeschieden und/oder implantiert werden.
39 zeigt einen Querschnitt entlang der in 38 eingezeichneten Achse A-A durch das Halbleiterbauelement mit einem Absoluttemperatursensor. Wie in 39 dargestellt, ist das Bauelement auf einem Substrat 3940 vom n-Typ hergestellt.
Selbstverständlich könnte das Bauelement auch auf einem Substrat vom p-Typ hergestellt werden mit einer entsprechenden Anpassung der Dotierung der anderen Elemente des Bauelements durch eine entsprechende Umkehr der Dotierungstypen. Eine Oxidschicht 1609 ist auf dem Substrat 3940 abgeschieden. Über der Oxidschicht 1609 werden die Polysilizium-Streifenleiter 3806 sowie 3805 aus Polysilizium vom n-Typ bzw. vom p-Typ hergestellt und strukturiert. Der pn-Übergang zwischen diesen Streifen bildet eine pn-Diode, welche als Absoluttemperatursensor 3830 verwendet wird. Die Metallstreifenleiter 3703 und 3704 in Verbindung mit dem Kontakt 707 bilden den Seebeck-Differenztemperatursensor 3820. Die Serienschaltung aus Absoluttemperatursensor und Seebeck-Differenztemperatursensor stellt den vorliegenden Absoluttemperatursensor dar, welcher in einer Schaltung integriert ist, die auch einem Leistungs-MOSFET enthalten kann.
40 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer integrierten Schaltung mit einem geschirmten Temperatursensor gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das unter Bezugnahme auf 39 beschriebene Halbleiterbauelement umfasst eine Schirmung 4050 für die temperatursensitiven Elemente der integrierten Schaltung. Die Schirmung 4050 wird gebildet durch die Metallschicht 4001, den Kontakt 4002 und die p-Wanne 4010. Die p-Wanne 4010, die beispielsweise durch Implantation hergestellt wird, bildet einen unteren Teil der Schirmung 4050. Der obere Teil der Schirmung 4050 wird durch die metallische Schicht 4001 gebildet, welche mit der p-Wanne 4010 über den Kontakt 4002 elektrisch verbunden ist. Wie bereits beschrieben kann die Schirmung 4050 mit einem lokalen Potential (nieder- oder hochohmig) verbunden sein oder erdfrei (floating) bleiben. Die weiteren in 40 dargestellten Elemente sind ähnlich zu denen, die in der Schaltung aus 39 verwendet werden und sind an dieser Stelle der Einfachheit halber nicht noch einmal beschrieben. Die Dotierungstypen der Polysiliziumstreifenleiter 3805 und 3806 aus 40 können auch umgekehrt werden, wie auch die Dotierungstypen der anderen Halbleiterbauelemente in passender Art und Weise.
41 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil einer integrierten Schaltung umfassend eine Serienschaltungsanordnung aus mehreren Streifenleiter-Paaren, welche einen Seebeck-Differenztemperatursensor 4120 bilden, der ein höheres Ausgangssignal für eine gegebene Temperaturdifferenz ermöglicht, als ein einzelner Seebeck-Sensor. Der Seebeck-Sensor wird gebildet durch eine Vielzahl von Metallstreifen und dotierten Halbleiterstreifen, welche in Serie geschaltet und mit einer pn-Diode verbunden sind, welcher als Absoluttemperatursensor eingesetzt wird, wobei die pn-Diode ebenfalls aus dotierten Siliziumstreifenleitern aufgebaut ist. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können die Dotiertypen der Polysiliziumstreifen, durch welche die Diode gebildet wird, invertiert werden so wie auch die Dotierungstypen anderer Halbleiterelemente in passender Weise. Die dotierten Siliziumstreifenleiter können beispielsweise durch Implantation hergestellt werden.
42 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil einer integrierten Schaltung mit einer Serienschaltungsanordnung bestehend aus einem Seebeck-Differenztemperatursensor 3820, der durch einen Metallstreifeleiter 3703 und einen dotierten Halbleiterstreifenleiter 3806 gebildet wird, und einem Widerstand, der als Absoluttemperatursensor 4230 arbeitet und entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls aus einem dotierten Streifenleiter 3806 gebildet ist. Dargestellt ist der Seebeck-Differenztemperatursensor 4220, der in Serie zu dem Widerstand 3506 geschaltet ist. Der Seebeck-Sensor wird durch einen n-dotierten Polysiliziumstreifen und einen Metallstreifen gebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Seebeck-Differenztemperatursensor auch mit Hilfe eines p-dotierten Polysiliziumstreifens und eines Metallstreifens gebildet werden. Die dotierten Streifenleiter können durch Implantation hergestellt werden. Der Absoluttemperatursensor kann durch ein Widerstandselement gebildet werden, welches sowohl aus n-dotierten, als auch aus p-dotierten Polysiliziumstreifen bestehen kann.
43 zeigt einen Querschnitt durch das Beispiel aus 42 entlang der durch die Achse A-A definierten Ebene. 43 zeigt einen dotierten Polysiliziumstreifen 4306, welcher einen temperatursensitiven Teil des Seebeck-Differenztemperatursensors 3820 bildet, und den Widerstand 3546, der als Absoluttemperatursensor 4230 verwendet wird. Die Dotierungstypen der unterschiedlichen Elemente kann in geeigneter Art und Weise umgekehrt werden. Streifenleiter können sowohl durch Implantation, als auch durch Abscheidung hergestellt werden.
44 ist ein Querschnitt durch einen Teil einer integrierten Schaltung mit einem Absoluttemperatursensor gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Querschnitt zeigt ein Halbleiterbauelement umfassend eine Implantationszone 4410 in einem Substrat 4440 vom p-Typ. Eine p-dotierte Implantationszone 4406 (Wanne) wird innerhalb der Implantationszone 4410 gebildet. Auf diese Art und Weise wird eine pn-Diode 4411 an dem pn-Übergang zwischen der p-Typ-Implantationszone 4406 und der n-Typ-Implantationszone 4410 gebildet, welche als Absoluttemperatursensor eingesetzt werden kann. Die Implantationszone 4410 vom n-Typ sowie der darüber geführte Metallstreifenleiter 3703 können zusammen einen Seebeck-Differenztemperatursensor 3820 gemäß einem Ausführungsbeispiel bilden. Andere Dotierungstypen können in geeigneter Weise verwendet werden, um ein Ausführungsbeispiel ähnlich dem aus 44 herzustellen. Eine Schirmung kann über dem temperatursensitiven Teil der Schaltung angeordnet werden wie weiter oben bereits beschrieben, z. B. im Zusammenhang mit 43.
45 zeigt einen Querschnitt eines Teils einer integrierten Halbleiterschaltung mit einem Widerstand als Absoluttemperatur sensor 4230 entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Der Querschnitt zeigt eine Implantationszone 4410 vom n-Typ in einem Substrat 4440 vom p-Typ. Ein Bereich der n-Implantationszone 4410 wird als Widerstand 3546 verwendet, welche dazu benutzt werden kann, die Absoluttemperatur zu messen. Die n-Implantationszone 4410 und der darüber liegende Metallstreifen 3703 bilden einen Seebeck-Differenztemperatursensor 3820 wie bereits weiter oben im Bezug auf 44 beschrieben. Entgegengesetzte Dotierungstypen können in geeigneter Weise verwendet werden, um ein Ausführungsbeispiel herzustellen, welches ähnlich zu dem aus 44 ist. Eine Schirmung kann über dem temperatursensitiven Teil der Schaltung gebildet werden, wie weiter oben beispielsweise im Bezug auf die 43 erläutert.
In einem idealen Fall ist die Ausgangsspannung eines Seebeck-Differenztemperatursensors proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen den heißen und den kalten Kontakten des Seebeck-Sensors, d. h. VSEEBECK = αS(T)·ΔT,wobei α_S(T) der Seebeck-Koeffizient ist, welcher üblicherweise in mV/K angegeben wird und der in der Praxis auch von der absoluten Temperatur T abhängt. Die Temperaturabhängigkeit des Seebeck-Koeffizienten kann die Verwendung eines Seebeck-Differenztemperatursensors in Anwendungen mit hohen Temperaturgradienten wie z. B. in Leistungshalbleiterbauelementen verkomplizieren.
In manchen Anwendungen, in denen die zu messende Temperaturdifferenz lediglich ein paar Kelvin beträgt und die absolute Temperatur im Wesentlichen unveränderlich ist, kann der Seebeck-Koeffizient als konstant angenommen werden.
In Anwendungen, in denen der Seebeck-Differenztemperatursensor in Anwendungen eingebettet ist, in denen sehr hohe Temperatur gradienten auftreten wie z. B. in einem Leistungs-MOSFET, und z. B. in einer automobilen Umgebung verwendet wird, in der die Temperaturen von –40°C bis 175°C schwanken können. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung des Seebeck-Differenztemperatursensors abhängig von der absoluten Temperatur, da der Seebeck-Koeffizient α_S von dieser abhängt.
Insbesondere bei sehr hohen Temperaturdifferenzen wie z. B. bei 60 K Differenz zwischen den beiden Enden des Seebeck-Sensors sind unterschiedliche Bereiche des Seebeck-Sensors unterschiedlichen absoluten Temperaturen ausgesetzt, was einen nicht konstanten Seebeck-Koeffizienten für unterschiedliche Temperaturdifferenzen zur Folge hat.
Wünschenswert wäre es, einen temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensor zu haben, um einen zuverlässigen Betrieb z. B. in Temperaturdifferenz-Schutzschaltungen bei sogenannten „Smart Power MOSFETs” zu haben, welche in einem großen Temperaturbereich und für verschiedene Temperaturgradienten betrieben werden können.
Im Folgenden wird erläutert, wie ein Seebeck-Differenztemperatursensor mit einem temperaturunabhängigen Seebeck-Koeffizienten und folglich mit einer temperaturunabhängigen Ausgangsspannung hergestellt werden kann.
Die folgenden Gleichungen modellieren den temperaturabhängigen Seebeck-Koeffizienten α_S in einem Siliziumstreifenleiter vom n-Typ bzw. vom p-Typ:

wobei

α_{S_n}: Seebeck-Koeffizient eines Siliziumstreifenleiters vom n-Typ,
α_{S_p}: Seebeck-Koeffizient eines Siliziumstreifenleiters vom P-Typ,
N_C(T): temperaturabhängige Zustandsdichte im Leistungsband,
N_V(T): temperaturabhängige Zustandsdichte im Valenzband,
n: Elektronendichte (vorgegeben durch die n-Dotierstoffkonzentration),
p: Löcherdichte (vorgegeben durch die p-Dotierstoffkonzentration 9,
k: Boltzmann-Konstante (1,38·10^–23 J/K), und
q: Elementarladung (1,602·10^–19 As).

In den 46 und 47 sind die Gleichungen (1) und (2) für unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen und unterschiedliche Elektronen bzw. Löcherdichten N_Dn bzw. N_Dp angegeben. Eine starke Abhängigkeit der Seebeck-Koeffizienten von der Temperatur kann diesen Abbildungen entnommen werden.
Seebeck-Differenztemperatursensoren können, wie oben beschrieben, mit Hilfe von Kontakten zwischen einem Metall (Aluminium oder Kupfer) und n-dotiertem bzw. p-dotiertem Polysilizium. Da Kupfer und Aluminium einen sehr geringen Seebeck-Koeffizienten in der Größenordnung von ca. 1,8 μV/K aufweisen, übertrifft der Seebeck-Koeffizient des Polysilizium-streifenleiters den des Metallstreifens.
Um eine hohe Ausgangsspannung des Seebeck-Sensors zu erreichen können eine Vielzahl von n-dotierten oder p-dotierten Polysili ziumstreifen zusammen mit Metall-Streifenleitern in Serie geschaltet werden, wie dies z. B. in 41 dargestellt ist.
Wenn eine Anzahl m von Polysiliziumstreifen in Serie geschaltet werden, erhöht sich die Ausgangsspannung V_SEEBECK des Seebeck-Sensors um den Faktor m. Entsprechend ist der Seebeck-Koeffizient α_S(T) um den Faktor m höher. Nachteilig dabei ist, dass auch die Abhängigkeit der Seebeck-Koeffizienten von der absoluten Temperatur entsprechend höher wird.
Ein wesentlicher Anteil der Temperaturabhängigkeit des Seebeck-Temperaturdifferenzsensors kann, wie im Folgenden beschrieben, durch die Kopplung eines Polysiliziumstreifenleiters mit einer niedrigen Dotierstoffkonzentration (n–) und einem Polysiliziumstreifen mit einer hohen Dotierungskonzentration (n+) in Serie eliminiert wird, so dass die Temperaturabhängigkeit des Seebeck-Koeffizienten im Wesentlichen eliminiert wird und die Beträge der Seebeck-Spannungen der einzelnen Streifenleiter voneinander subtrahiert werden. Derartige Anordnungen ersetzen die bekannte Anordnung mit jeweils zwei Polysiliziumstreifen der gleichen Dotierstoffkonzentration (n-dotiert bzw. p-dotiert).
48 ist eine Draufsicht auf einen temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensor, der mit Hilfe eines leicht n-dotierten Polysiliziumstreifenleiters 4802 und einem stark n-dotierten Polysiliziumstreifenleiters 4803 aufgebaut ist, wobei die beiden Siliziumstreifenleiter 4802 und 4803 über einen Metallstreifen 1803 in Serie geschaltet sind. Der Seebeck-Sensor erzeugt ein temperaturunabhängiges Ausgangssignal V_n––V_n+.
Die schwach bzw. stark dotierten Polysiliziumstreifen aus 48 können entsprechend durch p-dotierte Streifenleiter ersetzt werden, um einen komplementären Typ von temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensoren zu erzeugen. 49 ist eine Draufsicht auf einen temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensor, der aus einem leicht p-dotierten Polysiliziumstreifen 4902 und einem stark p-dotierten Polysiliziumstreifen 4903 aufgebaut ist, wobei die beiden Polysiliziumstreifenleiter über einen Metallstreifen 1803 verbunden sind. Der Seebeck-Sensor erzeugt eine temperaturunabhängige Ausgangsspannung V_p––V_p+.
Auf diese Art und Weise kann ein Seebeck-Differenztemperatursensor hergestellt werden, wobei die von der Absoluttemperatur abhängigen Anteile der Seebeck-Spannungen über den einzelnen Streifenleitern voneinander subtrahiert werden, so dass in Summe eine von der absoluten Temperatur unabhängige Ausgangsspannung entsteht.
50 zeigt eine Draufsicht auf einen temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensor, der aus einem leicht p-dotierten Polysiliziumstreifen 4902 und einem stark n-dotierten Polysiliziumstreifen 4803 aufgebaut ist, wobei die beiden Polysiliziumstreifenleiter über dem Metallstreifen 1803 in Serie geschaltet sind. Der Seebeck-Sensor erzeugt in diesem Fall eine temperaturunabhängige Ausgangsspannung V_n––V_n+.
Die stark und schwach dotierten Polysiliziumstreifenleiter aus 50 können auch entgegengesetzt dotiert sein, um einen entsprechend komplementären temperaturunabhängigen Seebeck-Koeffizienten zu erzielen. 51 ist eine Draufsicht auf einen temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensor, der auf einem leicht n-dotierten Polysiliziumstreifenleiter 4802 sowie einen stark p-dotierten Polysiliziumstreifenleiter 4903 aufgebaut ist, wobei beide Streifenleiter über einem Metallstreifen 1803 in Serie geschaltet sind. Der Seebeck-Sensor erzeugt ein temperaturunabhängiges Messsignal V_p––V_p+.
52 ist eine Draufsicht auf einen temperaturunabhängigen Seebeck-Differenztemperatursensor, der einer Vielzahl von jeweils zwei leicht n-dotierten Polysiliziumstreifenleitern und jeweils aus zwei stark n-dotierten Polysiliziumstreifenleitern aufgebaut ist, die jeweils über Metallstreifen in Serie geschaltet sind, so dass die in 52 gezeigte meanderförmige Struktur entsteht. Wie in 52 dargestellt ist, ist ein leicht n-dotierter Polysiliziumstreifenleiter wie z. B. der Streifen 4802 in Serie zu dem stark n-dotierten Polysiliziumstreifenleiter 4803 geschaltet. Selbstverständlich können mehr als zwei Paare oder auch nur ein Paar von dotierten Polysiliziumstreifen verwendet werden, um einen Seebeck-Differenztemperatursensor herzustellen, wobei unterschiedliche Signalpegel unterschiedliche Temperaturdifferenzen anzeigen. Für den dargestellten Fall von zwei Streifenleiter-Paaren beträgt die temperaturabhängige Sensorausgangsspannung 2 (V_n––V_n+). Des Weiteren kann der Polysilizium-Streifenleiter 3546 in Serie zu dem leicht n-dotierten Polysiliziumstreifenleiter 4802 geschaltet sein, um (als temperaturabhängiger Widerstand) einen Absoluttemperatursensor zu bilden. Der dotierte Polysiliziumstreifen 3546 ist im vorliegenden Fall ein meanderförmig ausgestalteter Streifenleiter, um einen entsprechend höheren Widerstandswert zu erzielen. Ein solcher kann wünschenswert oder erforderlich sein, um ein entsprechendes höheres Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen, welches die absolute Temperatur repräsentiert. In einem Ausführungsbeispiel können die stark bzw. schwach dotierten Polysiliziumstreifen auch p-dotiert sein, um einen Seebeck-Koeffizienten mit umgekehrten Umzeichen zu erzeugen. Auf diese Weise wird ein Temperaturdifferenzsensor einer temperaturunabhängigen Ausgangsspannung erzeugt, wobei die Beträge der Seebeck-Spannungen der einzelnen Streifenleiter voneinander subtrahiert werden.
Die 53 bis 56 zeigen in entsprechenden Diagrammen die temperaturunabhängigen Seebeck-Koeffizienten eines Seebeck- Differenztemperatursensors, der aus einem Paar von Polysiliziumstreifen gebildet wird, von dem einer hochdotiert und der andere schwach dotiert ist. 53 zeigt ein Diagramm für eine schwache n-Dotierstoffkonzentration von 10¹⁵ cm^–3 und eine hohe Dotierstoffkonzentration zwischen 10¹⁷ cm^–3 bis 10¹⁹ cm^–3. 54 zeigt ein Diagramm für eine geringe p-Dotierstoffkonzentration in der Höhe von 10¹⁵ cm^–3 und eine hohe p-Dotierstoffkonzentration im Bereich zwischen 10¹⁷ cm^–3 bis 10¹⁹ cm^–3 55 zeigt ein Diagramm für eine schwache p-Dotierstoffkonzentration von 10¹⁵ cm^–3 und eine hohe n-Dotierstoffkonzentration im Bereich zwischen 10¹⁷ cm^–3 bis 10¹⁹ cm^–3. 56 zeigt ein Diagramm für eine geringe n-Dotierstoffkonzentration von 10¹⁵ cm^–3 und eine hohe p-Dotierstoffkonzentration im Bereich von 10¹⁷ cm^–3 bis 10¹⁹ cm^–3. Diese vier Diagramme zeigen die im Wesentlichen temperaturunabhängigen Seebeck-Koeffizienten. Sie zeigen weiter, dass der temperaturunabhängige Seebeck-Koeffizient umso höher ist, je höher die Dotierstoffkonzentration ist.
Entsprechend dem hier vorgestellten Konzept kann ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem Seebeck-Differenztemperatursensor hergestellt werden, der aus entgegengesetzt dotierten und in einem Sensor-Trench angeordneten Polysiliziumstreifen aufgebaut ist. Der Sensor-Trench kann in einer Epitaxieschicht des Halbleiterbauelements angeordnet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifenleiter durch eine Oxidschicht getrennt mit Ausnahme eines Kontaktpunkts zwischen den beiden entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifenleitern. Der Kontaktpunkt zwischen den beiden Polysiliziumstreifenleitern kann dabei ein Ohmscher Kontakt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleiterbauelement des Weiteren eine elektrostatische Schirmung, die in einem weiteren, benachbart zu dem Sensor-Trench liegenden Schirmungs-Trench angeordnet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleiterbauelement des Weiteren eine erste Oxidschicht, die an einer Wand des Sensor-Trenchs gebildet wird, eine leitfähige Schirmung, die auch der ersten Oxidschicht gebildet wird, und eine zweite Oxidschicht, die über der leitfähigen Schirmung angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleiterbauelement eine Oxidschicht, welche über dem Seebeck-Differenztemperatursensor abgeschieden wird, sowie eine leitfähige Schirmung, welche auf dieser Oxidschicht angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die auf der Oxidschicht angeordnete leitfähige Schirmung eine metallische Schirmung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement. Dieses kann ein MOSFET, in IGBT oder ähnliches sein.
Ein anderes Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einem Seebeck-Differenztemperatursensor. Gemäß einem Beispiel umfasst das Verfahren die Herstellung des Seebeck-Differenztemperatursensors aus entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifen in einem Sensor-Trench in einer Epitaxieschicht des Halbleiterbauelements. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren weiter das Herstellen einer Oxidschicht als Isolation zwischen den beiden entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifen, wobei diese Oxidschicht in einem Kontaktpunkt zwischen den beiden Polysiliziumstreifen ausgespart bzw. unterbrochen ist. Dieser Kontakt kann ein Ohmscher Kontakt sein. Gegebenenfalls kann in der Metallschicht vorgesehen sein, zur Verbindung der beiden entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren die Herstellung einer elektrostatischen Schirmung in einem weiteren, dem Sensor-Trench benachbarten Schirmungs-Trench. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren die Herstellung einer ersten Oxidschicht auf einer Wand des Sensor-Trenchs, die Herstellung einer leitfähigen Schirmung auf der ersten Oxidschicht und die Herstellung einer zweiten Oxidschicht auf dieser leitfähigen Schirmung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel um fasst das Verfahren weiter die Abscheidung einer Oxidschicht über dem Seebeck-Differenztemperatursensor und die Herstellung einer leitfähigen Schirmung auf dieser Oxidschicht. Insbesondere kann diese leitfähige Schirmung auf dem Oxid eine metallische Schirmung sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Seebeck-Differenztemperatursensor in einer Halbleiterschaltung angeordnet mit einer darüber angeordneten leitfähigen Schirmung. In einem Ausführungsbeispiel besteht der Seebeck-Differenztemperatursensor aus einer Verbindung von verschiedenen Materialien und Schild ist aus im Wesentlichen elektrisch leitfähigen Materialien gebildet, so, dass dieser den Seebeck-Differenztemperatursensor umgibt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht der Seebeck-Differenztemperatursensor aus einer Vielzahl von jeweils verschiedenen Materialien. Die Verbindungen können jeweils aus einer Verbindung eines Halbleitermaterials mit einem Metall bestehen oder aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schirmung elektrisch mit dem lokalen Massepotential verbunden. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Schirmung durch einen Widerstand mit einem lokalen Potential verbunden. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel kann die Schirmung erdfrei bleiben („floating”). Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schirmung eine dotierte Wanne in einem Halbleitersubstrat. Die Schirmung kann des Weiteren eine Metallschicht umfassen, die im Wesentlichen über dem Seebeck-Differenztemperatursensor angeordnet ist. Diese Schirmung ist dabei elektrisch von dem Seebeck-Differenztemperatursensor isoliert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Schirmung zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht, die in einem Trench angeordnet ist. Wie bereits erwähnt, kann das Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement wie z. B. ein MOSFET, ein IGBT und dergleichen sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zum Schirmen eines Seebeck-Differenztemperatursensors, der in einem Halbleiterbauelement angeordnet ist und eine elektrisch leitfähige Schirmung auf dem Halbleiterbauelement aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren das Herstellen eines Seebeck-Differenztemperatursensors als Verbindung zweier unterschiedlicher leitfähiger Materialien sowie die Herstellung einer Schirmung, die den Seebeck-Differenztemperatursensor im Wesentlichen umgibt, aus einem leitfähigen Material, welches auf dem Leistungshalbleiterbauelement angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet das Verfahren die Herstellung des Seebeck-Differenztemperatursensors als eine Vielzahl von Verbindungen von unterschiedlichen Materialien. Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht jeweils eine Verbindung aus einem Halbleitermaterial und einem Metall. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Verbindung jeweils aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien bestehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Schirmung elektrisch an ein lokales Potential gekoppelt. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Schirmung über einen Widerstand elektrisch an ein lokales Potential gekoppelt. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel bleibt die Schirmung erdfrei, d. h. floatend. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren die Herstellung einer Schirmung in einer dotierten Wanne in einem Halbleitersubstrat, in dem auch das Leistungshalbleiterbauelement angeordnet wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren die Herstellung von zumindest einem Teil der Schirmung als Metallschicht, die über dem Seebeck-Differenztemperatursensor abgeschieden wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren die Herstellung einer Isolation zwischen der Schirmung und dem Seebeck-Differenztemperatursensor. Wie oben erwähnt kann das Leistungshalbleiterbauelement ein MOSFET, ein IGBT und dergleichen sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Seebeck-Differenztemperatursensor, der eine elektrische Verbindung zweier unterschiedlicher Materialien (Seebeck-Kontakt) umfasst, sowie mit einem Absoluttemperatursensor. Ein weiteres Beispiel betrifft ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Absoluttemperatursensor in Serie zu dem Seebeck-Differenztemperatursensor geschaltet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind der Seebeck-Koeffizient des Seebeck-Differenztemperatursensors und der Temperaturkoeffizient des Absoluttemperatursensors im Wesentlichen gleich. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Absoluttemperatursensor einen Temperaturmesswiderstand, der als dotierter Halbleiterstreifenleiter ausgebildet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Seebeck-Differenztemperatursensor eine Vielzahl von aus unterschiedlichen Materialien gebildeten Seebeck-Kontakten. Diese unterschiedlichen Materialien können z. B. unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien sein. In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleiterbauelement eine Schirmung aus elektrisch leitendem Material, welche den. Seebeck-Differenztemperatursensor sowie den Absoluttemperatursensor im Wesentlichen umgibt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist diese Schirmung an ein lokales Massepotential gekoppelt. Ein Teil der Schirmung kann eine dotierte Wanne, die in einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, umfassen. Die Schirmung kann des Weiteren eine Metallschicht umfassen, welche über dem Seebeck-Differenztemperatursensor angeordnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Seebeck-Differenztemperatursensor sowie ein korrespondierendes Herstellungsverfahren. Der Seebeck-Differenztemperatursensor umfasst eine erste Verbindung (Seebeck-Kontakt) zwischen einem ersten Streifenleiter aus einem Halbleitermaterial und einem zweiten Streifenleiter aus einem Halbleitermaterial, wobei der erste und der zweite Streifenleiter über ein elektrisch leitfähiges Material gekoppelt sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel bestehen der erste und der zweite Streifenleiter aus einem Halbleitermaterial desselben Dotierungstyps. Beide Streifenleiter können dabei mit demselben Dotierstoff dotiert sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Seebeck-Differenztemperatursensor eine zweite Verbindung (Seebeck-Kontakt) eines dritten Streifenleiters sowie eines vierten Streifenleiters, wobei beide Streifenleiter jeweils aus Halbleitermaterial bestehen, jedoch unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen aufweisen. Der dritte und der vierte Streifenleiter können über einen zweiten Kontakt aus elektrisch leitfähigem Material gekoppelt sein. Des Weiteren sind der zweite und der dritte Streifenleiter ebenfalls über einen dritten Kontakt aus elektrisch leitfähigem Material verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleiterbauelement eine elektrisch leitfähige Schirmung, welche einen wesentlichen Teil des Seebeck-Differenztemperatursensors umgibt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der elektrisch leitfähige Schirm eine dotierte Wanne, welche in einem Substrat des Halbleiterbauelements angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Schirmung eine Metallschicht, welche über dem Seebeck-Differenztemperatursensor angeordnet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die elektrisch leitfähige Schirmung zumindest eine elektrisch leitfähige, in einem Trench angeordnete Schicht. Die elektrisch leitfähige Schirmung ist von dem Seebeck-Differenztemperatursensor elektrisch isoliert. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleiterbauelement einen Absoluttemperatursensor, der in Serie zu dem Seebeck-Differenztemperatursensor geschaltet ist. Wie bereits erwähnt, kann das Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement wie z. B. ein Leistungs-MOSFET, ein IGBT oder dergleichen sein.
Ausführungsbeispiele eines Seebeck-Differenztemperatursensors sowie verwandte Verfahren wurden im Zusammenhang mit einem Leistungshalbleiterschalter, wie z. B. einem Leistungs-MOSFET beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Anwendungen übertragbar, wie z. B. Bipolarschalter, sowie andere wärmeerzeugende Halbleiterstrukturen, wie z. B. High Performance-Mikroprozessoren usw. Des weiteren soll betont werden, dass die in Bezug auf einzelne Beispiele beschriebenen Konzepte zur Abschirmung der Sensoren auf sämtliche Beispiele verallgemeinerbar sind. Diese Verallgemeinerbarkeit gilt auch für die im Zusammenhang mit manchen Beispielen beschriebene Kopplung von Seebeck-Sensor und Absoluttemperatursensor.

Claims

Ein Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Seebeck-Differenztemperatursensor, der aus entgegengesetzt dotierten Polysilizium-Streifenleitern (2403, 2404) gebildet ist, die in einem in einer Epitaxieschicht (2930) angeordneten Sensor-Trench (2401) angeordnet sind.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, wobei die entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifenleiter (2403, 2404) durch eine Oxidschicht (2408) getrennt sind mit Ausnahme einer Kontaktstelle (2501) zwischen den beiden Polysiliziumstreifenleitern (2403, 2404).
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 2, wobei die Kontaktstelle (2501) zwischen dem entgegengesetzt dotierten Polysiliziumstreifenleiter (2403, 2404) ein ohmscher Kontakt ist.
Das Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das weiter eine elektrostatische Schirmung aufweist, die in eifern weiteren, zu dem Sensor-Trench (2401) benachbarten Trench (2610, 2608) angeordnet ist.
Das Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, das weiter aufweist: eine erste Oxidschicht (2801), die an der Wand des Sensor-Trenchs (2810) angeordnet ist; eine leitfähige Schirmung (2802), die auf der ersten Oxidschicht (2801) angeordnet ist; und eine zweite Oxidschicht (2408), die auf der leitfähigen Schirmung angeordnet (2802) ist.
Das Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das weiter aufweist: eine dritte Oxidschicht (2903), die über dem Seebeck-Differenztemperatursensor angeordnet ist; und eine leitfähige Schirmung (2904) auf dieser Oxidschicht (2903).
Das Halbleiterbauelement gern Anspruch 6, wobei die auf der dritten Oxidschicht (2903) angeordnete leitfähige Schirmung (2904) eine metallische Schirmung ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, das aufweist: Erzeugen von entgegengesetzt dotierten Polysilizium-Streifenleitern (2403, 2404) in einem in einer Epitaxieschicht angeordneten Sensor-Trench (2401), um einen Seebeck-Differenztemperatursensor zu bilden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, das weiter aufweist: Aufbringen einer Oxidschicht (2408) auf einem der dotierten Polysiliziumstreifen, um eine Isolation zwischen den beiden dotierten Polysiliziumstreifen herzustellen mit Ausnahme einer zwischen den beiden Polysiliziumstreifen liegenden Kontaktstelle (2501).
Das Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, das weiter aufweist: Herstellen einer elektrostatischen Schirmung in einem weiteren Trench (2610, 2608), der zu dem Sensor-Trench (2401) benachbart liegt.
Das Verfahren gemäß einem einer Ansprüche 8 bis 10, das weiter aufweist: Herstellen einer ersten Oxidschicht auf einer Wand des Sensor-Trenches; Herstellen einer leitfähigen Schirmung auf der ersten Oxidschicht; und Herstellen einer zweiten Oxidschicht auf der leitfähigen Schirmung.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, das weiter aufweist: Abscheiden einer Oxidschicht über dem Seebeck-Differenztemperatursensor; und Herstellen einer leitfähigen Schirmung auf der Oxidschicht.
Ein Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Seebeck-Differenztemperatursensor (3720, 3820, 4120) umfassend eine Verbindungsstelle (601) aus unterschiedlichen Materialien; und einen Absoluttemperatursensor (3710, 3811, 3546), der in Serie zu dem Seebeck-Differenztemperatursensor geschaltet ist.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 13, wobei der Absoluttemperatursensor einen Widerstand (3546) umfasst, der aus einem Streifenleiter aus dotierten Halbleitermaterial besteht.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die unterschiedlichen Materialien unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien sind.
Das Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, das weiter eine Schirmung (4050) umfasst, welche aus elektrisch leitfähigem Material besteht und den Seebeck-Differenztemperatursensor sowie den Absoluttemperatursensor im Wesentlichen umgibt.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, das aufweist: Erzeugen einer Verbindungsstelle (601) aus unterschiedlichen Materialien, um einen Seebeck-Differenztemperatursensor zu bilden; und Koppeln eines Absoluttemperatursensor in Serie zu dem Seebeck-Differenztemperatursensor.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Absoluttemperatursensor einen Widerstand aufweist, der aus einem Streifenleiter aus dotiertem Halbleitermaterial besteht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, das weiter aufweist: Herstellen einer Schirmung (4050) aus elektrisch leitfähigem Material, derart, dass diese im Wesentlichen den Seebeck-Differenztemperatursensor sowie den Absoluttemperatursensor umgibt.
Ein Halbleiterbauelement, das aufweist: einen Seebeck-Differenztemperatursensor (4220) umfassend eine erste Verbindungsstelle (601) zwischen einem ersten Streifenleiter (4802) aus Halbleitermaterial und einem zweiten Streifenleiter (4803) aus Halbleitermaterial, wobei der erste Streifenleiter und der zweite Streifenleiter (4802, 4803) unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen aufweisen, und wobei der erste Streifenleiter und der zweite Streifenleiter (4802, 4803) über ein elektrisch leitfähiges Material (1803) verbunden sind.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 20, wobei der erste und der zweite Streifenleiter denselben Dotierungstyp aufweisen.
Das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 20 oder 21, wobei der erste und der zweite Streifenleiter mit demselben Dotierstoff dotiert sind.
Das Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, das weiter eine elektrisch leitende Schirmung (4050) aufweist, welche einen wesentlichen Teil des Seebeck-Differenztemperatursensors umgibt.
Halbleiteranordnung aus einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Seebeck-Differenztemperatursensor, der aus zumindest zwei Streifenleitern aufgebaut ist, die auf oder in einem Halbleiterkörper angeordnet sind, wobei zumindest ein Streifenleiter aus einem Halbleitermaterial besteht.
Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 24, bei dem zumindest ein erster Streifenleiter des Seebeck-Differenztemperatursensors in einem Trench angeordnet ist und bei dem das Leistungshalbleiterbauelement eine in einem weiteren Trench angeordnete Steuerelektrode aufweist.
Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 24, bei dem zumindest ein erster Streifenleiter des Seebeck-Differenztemperatursensors in den Halbleiterkörper implantiert ist.
Halbleiteranordnung gemäß Anspruch 24, bei dem zumindest ein erster Streifenleiter des Seebeck-Differenztemperatursensors aus auf dem Halbleiterkörper abgeschiedenem Polysilizium oder Metall besteht.
Halbleiteranordnung gemäß einem der Ansprüche 24 bis 27, die weiter ein Absoluttemperatursensor umfasst, der abseits von dem Leistungshalbleiterbauelement auf dem Halbleiterchip angeordnet ist.