DE102011086034B4 - Halbleitervorrichtung - Google Patents
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Abstract
Halbleitervorrichtung, die umfasst: ein Halbleiterelement (1) mit einer Elektrode (7); eine Leitung (10), die mit der Elektrode (7) elektrisch verbunden ist, über der Elektrode (7) verläuft und zu einer Seite derselben geführt ist; und einen Stromsensor (11), der einen durch die Leitung (10) fließenden Strom erfasst, wobei der Stromsensor (11) ein Magnetwiderstandselement (12) umfasst, und ein Widerstandswert des Magnetwiderstandselements (12) sich gemäß dem durch den Strom erzeugten Magnetfeld linear verändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (10) zumindest teilweise oberhalb und gegenüber der Elektrode (7) verläuft und das Magnetwiderstandselement (12) des Stromsensors (11) zwischen der Elektrode (7) und der Leitung (10) angeordnet ist, und das Magnetwiderstandselement (12) eine langgestreckte Form aufweist und quer zu der Leitung (10) angeordnet ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die mit einem Stromsensor ausgestattet ist. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Halbleitervorrichtung, die die Stromerfassungsgenauigkeit verbessern kann, ohne die Chipfläche zu erweitern.
- Um einen Strom zu erfassen, der durch ein Halbleiterelement fließt, wird ein Stromsensor verwendet. Als Stromsensor wurde eine Halbleitervorrichtung, in der ein Stromerfassungsbereich im gleichen Chip wie das Halbleiterelement ausgebildet ist, vorgeschlagen (siehe beispielsweise
JP 9-162391-A JP 9-127161-A - Bei der Halbleitervorrichtung gemäß
JP 9-162391-A - Im Stromsensor unter Verwendung des AMR-Elements gemäß
JP 9-127161-A 3 inJP 9-127161-A 1 inJP 9-127161-A - Ferner offenbaren die
US 5,990,533 A und dieUS 2009/0295368 A1 - Außerdem offenbaren die
DE 101 07 811 A1 und dieJP 2001-194391 A - Angesichts der vorstehend beschriebenen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die die Stromerfassungsgenauigkeit ohne Erweitern der Chipfläche verbessern kann.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
- Die Halbleitervorrichtung umfasst: ein Halbleiterelement mit einer Elektrode; eine Leitung, die mit der Elektrode elektrisch verbunden ist, über der Elektrode verläuft und zu einer Seite derselben geführt ist; und einen Stromsensor, der einen durch die Leitung fließenden Strom erfasst, wobei der Stromsensor ein Magnetwiderstandselement umfasst, das über der Elektrode und unter der Leitung angeordnet ist, und sich ein Widerstandswert des Magnetwiderstandselements gemäß dem durch den Strom erzeugten Magnetfeld linear verändert. Gemäß der Erfindung verläuft die Leitung zumindest teilweise oberhalb und gegenüber der Elektrode und ist das Magnetwiderstandselement des Stromsensors zwischen der Elektrode und der Leitung angeordnet. Außerdem weist das Magnetwiderstandselement eine langgestreckte Form auf und ist quer zu der Leitung angeordnet.
- Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Stromerfassungsgenauigkeit ohne Erweitern der Chipfläche zu verbessern.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
- Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen vollständiger aus der folgenden Beschreibung hervor.
- Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. -
2 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in1 . -
3 einen Graphen, der die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht und der festen Schicht des Magnetwiderstandselements vom Spinventiltyp zeigt. -
4 einen Graph, der den Widerstandswert eines Magnetwiderstandselements gegenüber einem externen Magnetfeld zeigt. -
5 eine Draufsicht, die eine modifizierte Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. -
6 eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. -
7 eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. -
8 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in7 . -
9 eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform zeigt. -
10 eine Draufsicht, die einen Teil einer Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. -
11 eine Draufsicht, die einen Teil einer modifizierten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. -
12 eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. -
13 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in12 . - Eine Halbleitervorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Dieselben Komponenten werden mit denselben Symbolen bezeichnet und auf deren wiederholte Beschreibung kann verzichtet werden.
- Erste Ausführungsform
-
1 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in1 . Ein Halbleiterelement1 ist ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), der auf einen Leistungswandler wie z. B. einen Wechselrichter angewendet wird. Ein Potentialtopfbasisbereich3 vom P-Typ ist in der Nähe der Oberfläche eines Halbleitersubstrats2 ausgebildet. Grabengates4 sind so ausgebildet, dass sie den Potentialtopfbasisbereich3 vom P-Typ durchdringen. Schutzring-Potentialtopfbereiche vom P-Typ5 und ein Kanalstopper6 vom N+-Typ sind um den Potentialtopfbasisbereich3 vom P-Typ ausgebildet. Eine Emitterelektrode7 und eine Gateelektrode8 sind auf der Oberflächenseite des Chips ausgebildet. Die Emitterelektrode7 ist mit einem Isolationsfilm9 beschichtet. - Leitungen
10 sind mit der Emitterelektrode7 elektrisch verbunden. Die Leitungen10 verlaufen über der Emitterelektrode7 und sind zur Seite geführt. Im Allgemeinen sind die Leitungen10 Drähte zum Drahtbonden; sie sind jedoch nicht darauf begrenzt und können Frontmetalle sein. Der Stromsensor11 weist ein Magnetwiderstandselement12 auf und erfasst den Strom, der zu den Leitungen10 fließt. Das Magnetwiderstandselement12 ist über der Emitterelektrode7 und unter den Leitungen10 über den Isolationsfilm9 angeordnet. Das Magnetwiderstandselement12 ist mit dem Isolationsfilm13 beschichtet. - Das Magnetwiderstandselement
12 ist ein Magnetwiderstandselement vom Typ mit linearem Ausgang und dessen Widerstandswert variiert linear gemäß dem durch den Strom erzeugten Magnetfeld. Insbesondere ist das Magnetwiderstandselement12 irgendeines von einem Spinventil-TMR-Element (Spinventil-Tunnelmagnetwiderstands-Element), einem Spinventil-GMR-Element (Spinventil-Riesenmagnetwiderstands-Element) und einem AMR-Element (Element mit anisotropem Magnetwiderstand) mit Barberpol-Elektroden. - Als nächstes wird die Operation der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Das Halbleiterelement
1 , das eine Schaltvorrichtung ist, steuert den Strom, der zwischen dem Emitter und dem Kollektor fließt, mit dem Gatepotential. Wenn das Halbleiterelement1 ein Nch-IGBT ist, fließt der Strom von der Emitterelektrode7 durch die Leitungen10 zur Außenseite des Chips. In Abhängigkeit von der Intensität des durch den Strom erzeugten Magnetfeldes wird der Widerstandswert des Magnetwiderstandselements12 , das unmittelbar unter den Leitungen10 angeordnet ist, linear verändert. Durch Messen des im Magnetwiderstandselement12 fließenden Stroms oder der daran angelegten Spannung und Erfassen der Intensität des Magnetfeldes kann daher der in der Leitung10 fließende Strom erfasst werden. - Hier wird die Erfassungsoperation, wenn ein Spinventil-Magnetwiderstandselement als Magnetwiderstandselement
12 verwendet wird, speziell mit Bezug auf ein Diagramm beschrieben.3 ist ein Graph, der die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht und der festen Schicht des Magnetwiderstandselements vom Spinventiltyp zeigt. Der Winkel zwischen der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht und der Magnetisierungsrichtung der festen Schicht ist 90°. Wenn ein externes Magnetfeld in der Orientierung entlang der Magnetisierungsrichtung dieser festen Schicht angelegt wird, wird die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht verändert. Gemäß dem veränderten Winkel θ zwischen der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht und der Magnetisierungsrichtung der festen Schicht wird der Widerstandswert des Magnetwiderstandselements linear verändert. Insbesondere ist der Widerstandswert des Magnetwiderstandselements umgekehrt proportional zu cos θ. - Wenn die freie Schicht ein weichmagnetischer Film mit uniaxialer Anisotropie ist, ist cos θ |Hk|/H. Wenn ein externes Magnetfeld, das höher ist als |Hk| angelegt wird, ist daher die veränderte Magnetisierungsrichtung der freien Schicht parallel oder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der festen Schicht fest und der Widerstand des Elements wird nicht mehr verändert. Insbesondere ist Hk das gesättigte Magnetfeld der freien Schicht.
-
4 ist ein Graph, der den Widerstandswert eines Magnetwiderstandselements gegenüber einem externen Magnetfeld zeigt. Wenn der Winkel zwischen der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht und der Magnetisierungsrichtung der festen Schicht 90° ist, ist der Widerstandswert R des Magnetwiderstandselements Rm + ΔR/2 × H/|Hk| (wobei –|Hk| ≤ H ≤ |Hk|), wobei Rm der Widerstandswert des Magnetwiderstandselements in einem Nicht-Magnetfeld ist und der Zwischenwert des maximalen Widerstandswerts und des minimalen Widerstandswerts ist, die das Magnetwiderstandselement aufweisen kann. ΔR ist die Änderungsrate des Widerstandswerts des Magnetwiderstandselements. - Da der Widerstandswert R des Magnetwiderstandselements zum externen Magnetfeld proportional ist, wie vorstehend beschrieben, kann, wenn der im Magnetwiderstandselement fließende Strom oder die angelegte Spannung erhalten wird, die Amplitude des externen Magnetfeldes erfasst werden. Das erfasste externe Magnetfeld ist die Orientierungskomponente der Magnetisierungsrichtung der festen Schicht. Der detektierbare Bereich der Richtungskomponente, das heißt, der bewegliche Bereich des Stromsensors ist –|Hk| ≤ H ≤ |Hk|.
- Das Phänomen, bei dem der Widerstandswert des Magnetwiderstandselements in Abhängigkeit von der Intensität des externen Magnetfeldes verändert wird, wird als Magnetwiderstandseffekt bezeichnet. Das Phänomen, bei dem der spezifische Widerstand einer Substanz mit spontaner Magnetisierung wie z. B. von ferromagnetische Materialien in Abhängigkeit vom Magnetisierungszustand, der durch Anlegen eines Magnetfeldes an die Substanz erhalten wird, verändert wird, wird als anomaler Magnetwiderstandseffekt bezeichnet. Unter diesen wird das Phänomen, bei dem der Widerstand eines ferromagnetischen Dünnfilms wie z. B. eines Permalloy-Films in Abhängigkeit von der Richtung der spontanen Magnetisierung verändert wird, spezifisch als anisotroper Magnetwiderstandseffekt (AMR-Effekt) oder Orientierungseffekt bezeichnet. Das Phänomen, bei dem der Widerstand eines F/N/F-Metallgitters oder eines mehrlagigen Dünnfilms, der durch Wiederholen von dessen Laminierung ausgebildet wird, durch Anlegen eines Magnetfeldes, um die Magnetisierung parallel zu machen, verringert wird, wird als Riesenmagnetwiderstandseffekt (GMR-Effekt) bezeichnet. Dieser Effekt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderungsrate im Vergleich zum AMR groß ist. Das Phänomen, bei dem der Tunnelstrom in Abhängigkeit von den relativen Winkeln der Magnetisierung von zwei ferromagnetischen Materialien in der Bindung des Isolationsmaterials, das zwischen die ferromagnetischen Materialien eingefügt ist, verändert wird, wird als Tunnelmagnetwiderstandseffekt (TMR-Effekt) bezeichnet. Sowohl beim GMR-Effekt als auch beim TMR-Effekt wird die Veränderung des Widerstandes in Abhängigkeit vom relativen Winkel der Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht beobachtet. Beim GMR-Effekt wird die Abhängigkeit beobachtet, wenn der parallele Strom in der Laminatoberfläche fließt und der senkrechte Strom in der Laminatoberfläche fließt. Beim TMR-Effekt wird die Abhängigkeit nur dann beobachtet, wenn der senkrechte Strom in der Laminatoberfläche fließt.
- Wie vorstehend beschrieben, wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Magnetwiderstandselement vom Typ mit linearem Ausgang verwendet. Daher kann die Stromerfassungsgenauigkeit im Vergleich zu dem Fall, in dem ein Stromerfassungsbereich als Stromsensor verwendet wird, erhöht werden. Ferner wird der Widerstandswert des Magnetwiderstandselements vom Typ mit linearem Ausgang linear verändert. Da das Hinzufügen einer Schaltung zum Linearisieren der Charakteristiken des Magnetwiderstandselements nicht erforderlich ist, wird daher die Chipfläche nicht erweitert.
-
5 ist eine Draufsicht, die eine modifizierte Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Leitungen10a und10b sind in jede von verschiedenen Richtungen verlegt. Unter den Leitungen10a und10b sind Magnetwiderstandselemente12a bzw.12b angeordnet. Dadurch kann das Nebenschlussverhältnis der von jeder der Leitungen10a und10b geteilten Ströme erfasst werden. Daher kann die Gleichmäßigkeit der Stromdichte im Chip und deren Veränderung gesteuert werden. - Das Halbleiterelement
1 ist nicht auf den IGBT begrenzt, sondern kann eine vertikale Leistungsvorrichtung wie z. B. ein Leistungs-MOSFET (Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) oder eine Diode sein. - Zweite Ausführungsform
-
6 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Stromsensor11 umfasst ferner einen ersten und einen zweiten ferromagnetischen Körper14a und14b . Der erste und der zweite ferromagnetische Körper14a und14b erstrecken sich in einem rechten Winkel zur Stromrichtung und sind so angeordnet, dass sie das Magnetwiderstandselement12 einzwängen. Da die Magnetfelder, die erzeugt werden, wenn ein Strom angelegt wird, konvergiert werden können, kann dadurch die Empfindlichkeit des Magnetwiderstandselements12 verbessert werden. - Dritte Ausführungsform
-
7 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.8 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in7 . Ein brückenförmiger Körper15 , der aus einem ferromagnetischen Material besteht, ist mit dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen Körper14a und14b verbunden. Der brückenförmige Körper15 ist vom Magnetwiderstandselement12 und von der Leitung10 isoliert. Da Magnetfelder durch den brückenförmigen Körper15 weiter konvergiert werden können, kann die Empfindlichkeit des Magnetwiderstandselements12 weiter verbessert werden. - Alternativ kann der brückenförmige Körper
15 durch Sputtern nach dem Ausbilden des ersten und des zweiten ferromagnetischen Körpers14a und14b , gefolgt von Ausbilden und Strukturieren des Isolationsfilms, ausgebildet werden oder der brückenförmige Körper15 , der vorher als Gehäuse ausgebildet wurde, kann mit dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen Körper14a und14b verbunden werden. - Alternative Ausführungsform
-
9 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zeigt. Das Magnetwiderstandselement12 weist eine gewundene Form (Kurbelform) auf, die sich mehrere Male vertikal zum Magnetfeld windet. Da das Magnetwiderstandselement12 eine lange Linienlänge zum Empfangen des konvergierten Magnetfeldes aufweist, kann dadurch die Veränderung des Magnetfeldes leicht erfasst werden. - Vierte Ausführungsform
-
10 ist eine Draufsicht, die einen Teil einer Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Feste Widerstände16a bis16c , deren Widerstandswerte durch Magnetismus nicht verändert werden, sind auf einer Emitterelektrode7 angeordnet. Die festen Widerstände16a bis16c sind mit dem Magnetwiderstandselement12 verbunden, um eine Brückenschaltung zu bilden. Elektrodenkontaktstellen17a bis17d sind an jeweiligen Verbindungspunkten in der Brückenschaltung ausgebildet und können mit optionalen externen Schaltungen verbunden sein. Dadurch kann die Veränderung des Widerstandswerts des Magnetwiderstandselements12 genau erfasst werden. -
11 ist eine Draufsicht, die einen Teil einer modifizierten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Leitungen10a und10b sind in jede von verschiedenen Richtungen verlegt. Unter den Leitungen10a und10b sind Magnetwiderstandselemente12a bzw.12b angeordnet. Feste Widerstände16a bis16c und16d bis16f sind mit den Magnetwiderstandselementen12a und12b verbunden, um eine Brückenschaltung zu bilden. Elektrodenkontaktstellen17a bis17h sind an jedem Verbindungspunkt in der Brückenschaltung ausgebildet und können mit optionalen externen Schaltungen verbunden sein. - Dadurch kann das Nebenschlussverhältnis des Stroms, der von jeder der Leitungen
10a und10b geteilt wird, erfasst werden. Daher kann die Gleichmäßigkeit der Stromdichte in einem Chip und deren Veränderung gesteuert werden. Außerdem kann die Änderung des Widerstandswerts des Magnetwiderstandselements12 mit hoher Genauigkeit detektiert werden. - Fünfte Ausführungsform
-
12 ist eine Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.13 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' in12 . Eine Magnetwiderstandsleseschaltung18 zum Lesen des Widerstandswerts des Magnetwiderstandselements12 ist im gleichen Chip wie das Halbleiterelement1 unter Verwendung des cmOSIC-Prozesses ausgebildet. Das Magnetwiderstandselement12 erstreckt sich vom IGBT-Hauptelektrodenbereich durch den Schutzringabschnitt zur Magnetwiderstandsleseschaltung18 und ist mit der Magnetwiderstandsleseschaltung18 verbunden. Durch Anordnen der Magnetwiderstandsleseschaltung18 im gleichen Chip wie das Halbleiterelement1 kann eine schnelle und sehr genaue Rückkopplungssteuerung durchgeführt werden.
Claims (6)
- Halbleitervorrichtung, die umfasst: ein Halbleiterelement (
1 ) mit einer Elektrode (7 ); eine Leitung (10 ), die mit der Elektrode (7 ) elektrisch verbunden ist, über der Elektrode (7 ) verläuft und zu einer Seite derselben geführt ist; und einen Stromsensor (11 ), der einen durch die Leitung (10 ) fließenden Strom erfasst, wobei der Stromsensor (11 ) ein Magnetwiderstandselement (12 ) umfasst, und ein Widerstandswert des Magnetwiderstandselements (12 ) sich gemäß dem durch den Strom erzeugten Magnetfeld linear verändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (10 ) zumindest teilweise oberhalb und gegenüber der Elektrode (7 ) verläuft und das Magnetwiderstandselement (12 ) des Stromsensors (11 ) zwischen der Elektrode (7 ) und der Leitung (10 ) angeordnet ist, und das Magnetwiderstandselement (12 ) eine langgestreckte Form aufweist und quer zu der Leitung (10 ) angeordnet ist. - Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetwiderstandselement (
12 ) irgendeines von einem Spinventil-TMR-Element (Spinventil-Tunnelmagnetwiderstands-Element), einem Spinventil-GMR-Element (Spinventil-Riesenmagnetwiderstands-Element) und einem AMR-Element (Element mit anisotropem Magnetwiderstand) mit Barberpol-Elektroden ist. - Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (
11 ) einen ersten und einen zweiten ferromagnetischen Körper (14a ,14b ) umfasst, die in einem rechten Winkel zur Stromrichtung verlaufen und das Magnetwiderstandselement (12 ) einzwängen. - Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (
11 ) einen brückenförmigen Körper (15 ) umfasst, der aus einem ferromagnetischen Material besteht und mit dem ersten und dem zweiten ferromagnetischen Körper (14a ,14b ) verbunden ist. - Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (
11 ) einen festen Widerstand (16a bis16f ) umfasst, der auf der Elektrode (7 ) angeordnet ist und mit dem Magnetwiderstandselement (12 ) verbunden ist, um eine Brückenschaltung zu bilden. - Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (
11 ) eine Schaltung (18 ) im gleichen Chip wie das Halbleiterelement (1 ) umfasst, die einen Widerstandswert des Magnetwiderstandselements (12 ) liest.
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