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HINTERGRUND
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Integrierte Schaltungen für Leistungsanwendungen umfassen Leistungstransistorzellen, die einen Laststrom in einem Lastpfad zwischen den Drain- und Sourceanschlüssen der integrierten Schaltung steuern. Die Leistungstransistorzellen sind in Zellanordnungen bzw. -arrays gebildet. Zusätzlich zu Leistungstransistorzellen, die den Laststrom liefern bzw. speisen, können die Zellarrays Sense- bzw. Sensorelemente umfassen, um eine Temperatur in dem Zellarray zu erfassen oder um den Laststrom in dem Lastpfad zu messen. Verbindungsleitungen verbinden Gateelektroden der Leistungstransistorzellen und Sensorelemente, die in den Zellarrays gebildet sind, mit Anschlüssen oder Signalschnittstellen, die außerhalb der Zellarrays gelegen sind.
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Die
US 8 120 135 B2 beschreibt einen Leistungs-MOSFET mit einem Temperatursensor, der in ein Zellenfeld integriert oder durch eine grabenartige Isolationsstruktur vom Zellenfeld getrennt ist. Der Temperatursensor ist durch Vias mit einer von der Source-Metallisierung getrennten Metallstruktur verbunden.
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Die
US 7 897 461 B2 beschreibt einen Leistungs-MOSFET mit einer Drainzone, einer niedrig dotierten Bodyzone, die auf der Drainzone ausgebildet ist, einer Sourcezone, die auf der niedrig dotierten Bodyzone ausgebildet ist, sowie Trench-Gateelektroden. Die Form der Gräben ist konkavo-konvex, wobei ein maximaler Abstand zwischen zwei eine Sourcezone einfassenden benachbarten Gräben größer ist als ein maximaler Abstand zwischen zwei eine Bodyzone einfassenden benachbarten Gräben. Die konkavo-konvexe Form verhindert ein Einrasten eines parasitären Bipolartransistors und erhöht den Widerstand gegenüber einem Durchbruch durch Überspannung.
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Die
US 2007/0207582 A1 beschreibt einen bidirektionalen MOS-Transistor, der aus drei MOS-Transistoren aufgebaut ist. Der bidirektionale MOS-Transistor kann sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung eine Spannung blockieren oder leitend geschaltet werden. Ein erster MOS-Transistor des bidirektionalen MOS-Transistors weist zwei stromführende Elektroden und eine Gateelektrode auf. Die stromführenden Elektroden des ersten MOS-Transistors sind nicht direkt mit einer Bodyzone der parasitären Source-/Draindiode des ersten MOS-Transistors verbunden, sondern selektiv mittels des zweiten und dritten Transistors an die parasitäre Bodyzone so gekoppelt, dass in einem ersten Zustand die zweite stromführende Elektrode als Drain und die erste stromführende Elektrode als Source des ersten bidirektionalen MOS-Transistors, und in einem zweiten Zustand die zweite stromführende Elektrode als Source und die erste stromführende Elektrode als Drain fungiert.
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Die
US 2011/0312166 A1 beschreibt einen Graben-Leistungs-MOSFET, in dem der Sourcekontakt mit dem Gatekontakt mittels mehrerer pn-Übergänge miteinander elektrisch gekoppelt ist. Dies schützt den Graben-Leistungs-MOSFET vor Schäden durch elektrostatische Entladung.
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Die
US 2007/0176212 A1 beschreibt einen integrierten Schaltkreis mit einem widerstandsabhängigen Temperatursensor, der aus einer in einem Graben ausgebildeten ersten Widerstandsstruktur und einer in einem Mesabereich ausgebildeten zweiten Widerstandsstruktur aufgebaut ist. Während solche Widerstandsstrukturen typischerweise in lediglich einem Graben aufgebaut sind und eine Widerstandsmessung von der Breite des Grabens abhängt und somit die Genauigkeit der Widerstandsmessung von der Fluktuation der Breite der Gräben abhängt, wird die Fluktuation der Breite des Grabens durch die Fluktuation der zwischen den Gräben liegenden Mesastrukturen kompensiert und somit die Fluktuation des Widerstandswerts bzw. der Temperaturmessung verringert.
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Die
US 2005/0258464 A1 beschreibt einen Leistungstransistor, in dem in einem Zellarray mit Leistungstransistorzellen ein Temperatursensor integriert ist. Der Temperatursensor ist in einer Sensorzone innerhalb des Zellarrays gebildet. Die Transistorzellen, die direkt angrenzend an die Sensorzone ausgebildet sind, haben, verglichen mit den anderen Transistorzellen des Zellarrays, ein erhöhtes Kanalbreite Kanallänge W/L-Verhältnis. Zellen mit dem erhöhten W/L-Verhältnis splitten eher als solche mit einem regulären W/L-Verhältnis. In einem Lawinendurchbruch schaltet ein parasitärer Bipolartransistor in den Zellen mit erhöhtem W/L-Verhältnis eher durch, so dass in beiden Fällen die schwächsten Zellen direkt neben dem Sensorelement ein Abschalten der Vorrichtung auslösen noch bevor die Zellen mit regulärem W/L-Verhältnis durchbrechen oder splitten.
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Es ist wünschenswert, die Zuverlässigkeit von Verbindungsleitungen zu verbessern, die sich innerhalb der Zellarrays oder zwischen den Zellarrays und Anschlüssen oder Signalschnittstellen außerhalb der Zellarrays erstrecken.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung anzugeben, die die obigen Forderungen erfüllt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine integrierte Schaltung Leistungstransistorzellen, die in einem Zellarray gebildet sind. Eine Metallstruktur ist über dem Zellarray oder oberhalb des Zellarrays gebildet. Eine Verbindungsleitung verbindet elektrisch ein erstes Element, das in dem Zellarray angeordnet ist, und ein zweites Element, das außerhalb des Zellarrays angeordnet ist. Ein Teil der Verbindungsleitung ist zwischen der Metallstruktur und dem Zellarray vorgesehen und verläuft zwischen einer ersten Achse und einer zweiten Achse, die parallel und in einem Abstand zueinander vorgesehen sind. Der Abstand zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse ist größer als eine Breite des Verbindungsleitungsteiles. Der Verbindungsleitungsteil ist tangential zu der ersten Achse und zu der zweiten Achse.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst eine integrierte Schaltung Leistungstransistorzellen, die in einem Zellarray gebildet sind. Eine Metallstruktur ist über dem Zellarray oder oberhalb des Zellarrays gebildet. Eine Verbindungsleitung verbindet elektrisch ein erstes Element, das in dem Zellarray angeordnet ist, und ein zweites Element, das in dem Zellarray angeordnet ist. Die Verbindungsleitung ist zwischen der Metallstruktur und dem Zellarray angeordnet und verläuft zwischen einer ersten Achse und einer zweiten Achse, die parallel und in einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand größer ist als eine Breite des Verbindungsleitungsteiles und der Verbindungsleitungsteil tangential zu der ersten Achse und zu der zweiten Achse ist.
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Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und nach Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsbeispiele der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile werden sofort erkannt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen veranschaulichten Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, wenn sie einander nicht ausschließen.
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1 ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm einer integrierten Schaltung mit Leistungstransistorzellen und einem Stromsensorelement gemäß Ausführungsbeispielen, die ein Abgreifkissen vorsehen.
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2 ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm einer integrierten Schaltung mit Leistungstransistorzellen und einem Stromsensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Sensorstrombewertungseinheit vorsieht.
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3 ist eine schematische Draufsicht eines Halbleiterchips bzw. einer Halbleiterscheibe einer integrierten Schaltung mit verschiedenen Verbindungsleitungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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4A zeigt schematische Draufsichten auf eine Verbindungsleitung, um Effekte, die der Erfindung zugrunde liegen, zu diskutieren.
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4B zeigt schematische Schnittdarstellungen einer Verbindungsleitung, um Effekte, die der Erfindung zugrunde liegen, zu diskutieren.
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5A ist eine vereinfachte Draufsicht einer Verbindungsleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das zwei zusammenhängende oder angrenzende parallele Teile vorsieht.
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5B ist eine vereinfachte Draufsicht einer Verbindungsleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das drei zusammenhängende bzw. angrenzende parallele Teile vorsieht.
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5C ist eine Draufsicht einer Verbindungsleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Mäanderleitung in einer Ebene parallel zu einer Oberfläche eines Halbleiterchips vorsieht.
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5D ist eine Schnittdarstellung eines Halbleiterchips mit einer Verbindungsleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Mäanderleitung in verschiedenen Ebenen vorsieht.
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5E ist eine schematische Draufsicht einer Maänder-Verbindungsleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das bogenförmige Teile vorsieht.
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5F ist eine schematische Draufsicht einer Mäander-Verbindungsleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das schräge oder geneigte Teile vorsieht.
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6A ist eine schematische Schnittdarstellung einer integrierten Schaltung mit Sensorleitungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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6B ist eine schematische Draufsicht eines Teiles der integrierten Schaltung von 6A.
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7A zeigt ein schematisches Layout bzw. eine schematische Anordnung eines Teils einer integrierten Schaltung mit einer Mäander-Sensorleitung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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7B ist ein schematisches Layout eines Teiles einer integrierten Schaltung mit einer gespaltenen Sensorleitung.
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DETAILBESCHREIBUNG
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In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in welchen die Erfindung ausgeführt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie, wie ”über”, ”unter” in Bezug auf die Orientierung der gerade erläuterten Figuren verwendet. Da Komponenten der Ausführungsbeispiele in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie für Veranschaulichungszwecke verwendet und ist in keiner Weise begrenzend.
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Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele in strukturellen oder logischen Veränderungen benutzt werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen einschließt. Die Beispiele sind unter Verwendung einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht so zu verstehen ist, dass sie den Bereich der beigefügten Patentansprüche einschränkt. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt ist.
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Der Ausdruck ”elektrisch verbunden” beschreibt eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den miteinander elektrisch verbundenen Elementen, z. B. eine Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter oder andere niederohmige dazwischen liegende Elemente, wie beispielsweise Vias, Kontaktstrukturen und Metallleitungen als Beispiel.
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Ausdrücke wie ”erste”, ”zweite” und dergleichen dienen zur Beschreibung verschiedener Elemente, Bereiche, Abschnitte usw. und sollen nicht begrenzend sein. Begriffe wie ”umfassen”, ”enthalten”, ”einschließen”, ”aufweisen” sind offene Begriffe, die das Vorhandensein der angegebenen Elemente oder Merkmale feststellen, jedoch nicht das Vorhandensein von zusätzlichen Elementen oder Merkmalen ausschließen. Die unbestimmten Artikel umfassen den Plural sowie den Singular, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
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1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer integrierten Schaltung 900 mit Transistorzellen. Leistungstransistorzellen, die in einem oder mehreren Zellarrays gebildet sind, bilden einen Leistungstransistor 901. Eine oder mehrere der Transistorzellen in den Zellarrays können als Sensortransistorzelle(n) eines Sensortransistors 902 definiert werden. Die Leistungs- und Sensortransistoren 901, 902 können Bipolartransistoren, JFETs (Junction-Feldeffekttransistoren), IGFETs (Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate), beispielsweise MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) in der üblichen Bedeutung der Technik, wobei die Gateelektrode nicht notwendigerweise aus einem Metall besteht, IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) oder Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit sein.
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Die Gateelektroden der Leistungs- und Sensortransistoren 901, 902 können miteinander und mit einem Gateanschluss 930 verbunden sein. Drainbereiche von beiden Transistoren aus dem Leistungstransistor 901 und dem Sensortransistor 902 können mit einem Drainanschluss 920 verbunden sein. Sourcebereiche des Leistungstransistors 901 sind mit einem Sourceanschluss 911 verbunden, wo hingegen der Sourcebereich des Sensortransistors 902 mit einem Sensorsourceanschluss 912 verbunden sein kann. Ein Potential, das über einen Gateanschluss 930 an der Gateelektrode des Leistungstransistors 901 liegt, steuert einen Laststrom zwischen dem Drainanschluss 920 und dem Sourceanschluss 911 durch den Leistungstransistor 901. Der Sensortransistor 902 ist in analoger Weise gesteuert und unter definierten Lastbedingungen betrieben. Eine Potentialdifferenz zwischen einem ersten Potential an den Sourcebereichen des Sensortransistors 902 und einem zweiten Potential an den Sourcebereichen der Leistungstransistorzellen kann verwendet werden, um den Laststrom abzuschätzen, der über den Sourceanschluss 911 gespeist ist. Eine Abgreifleitung 813 kann direkt einen Abgreifanschluss 913 mit ausgewählten Bereichen aus den Sourcebereichen der Leistungstransistorzellen verbinden, so dass die Messung des Sourcepotentials des Leistungstransistors 901 nicht von einem Laststrom abhängt, der entlang einer Verbindungsstruktur zwischen den Sourcebereichen der Leistungstransistorzellen und dem Sourceanschluss 911 fließt.
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Eine Gateleitung 830 verbindet elektrisch den Gateanschluss 930 und die Gateelektroden in dem Zellarray. Die Abgreifleitung 813 verbindet die Sourcebereiche des Leistungstransistors 901 und den Abgreifanschluss 913. Eine Sensorleitung 812 verbindet den Sourcebereich der Sensortransistorzelle oder ein anderes Element, beispielsweise ein Temperatursensorelement, und den Sensoranschluss 912. Wenigstens eine Leitung aus der Gateleitung 830, der Abgreifleitung 813 oder der Sensorleitung 812 verbindet ein erstes Element, das in dem Zellarray angeordnet ist, und ein zweites Element, wobei das erste Element eine Leistungstransistorzelle, eine Sensortransistorzelle oder ein weiteres Sensorelement sein kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das zweite Element außerhalb des Zellarrays angeordnet, wobei das zweite Element ein Anschluss, ein Kissen bzw. Pad oder ein logischer Teil der integrierten Schaltung sein kann. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist das zweite Element innerhalb des Zellarrays angeordnet und kann beispielsweise ein weiteres Sensorelement oder eine Leistungstransistorzelle sein. Die Gateleitung 830, die Abgreifleitung 813 und/oder die Sensorleitung 812 können eine Verbindungsleitung definieren, die verwendet wird, um eher Potentiale abzugreifen oder anzulegen als einen Strom zu transportieren, so dass nur niedrige Ströme längs der jeweiligen Leitungen fließen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen eine Leitung, zwei Leitungen oder alle Leitungen aus der Sensorleitung 812, der Abgreifleitung 813 oder der Gateleitung 830 einen Teil, der zwischen einer ersten Achse und einer zweiten Achse verläuft, welche parallel und in einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand größer ist als eine Breite des Verbindungsleitungsteils in einer Richtung senkrecht zu den ersten und zweiten Achsen. Der Verbindungsleitungsteil ist tangential zu beiden Achsen aus der ersten Achse und der zweiten Achse. Die ersten und zweiten Achsen spannen einen Ziel- bzw. Target-Korridor für die Verbindungsleitung auf, wobei die Verbindungsleitung innerhalb des Korridors verläuft, ohne den Korridor vollständig zu füllen.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 umfasst die integrierte Schaltung eine Sensorstrombewertungseinheit 950, die außerhalb des Zellarrays 100 angeordnet ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Sensorstrombewertungseinheit 950 in einem Bereich vorgesehen sein, der direkt an das Zellarray 100 angrenzt. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Sensorstrombewertungseinheit 950 in einem peripheren Bereich der integrierten Schaltung vorgesehen sein, welcher dichter an dem Rand als an der Mitte eines Halbleiterchips der integrierten Schaltung gelegen ist. Die Abgreifleitung 813 verbindet elektrisch ausgewählte Sourcebereiche des Leistungstransistors 901 mit der Sensorstrombewertungseinheit 950 und erstreckt sich zwischen dem Zellarray und dem peripheren Bereich. Die Sensorleitung 812 verbindet elektrisch den Sourcebereich der Sensortransistorzellen oder ein anderes Sensorelement mit der Sensorstrombewertungseinheit 950 und erstreckt sich zwischen dem Zellarray und dem peripheren Bereich. Die Gateleitung 830 kann die Gateleiterstrukturen der Leistungs- und Sensortransistoren 901, 902 mit der Sensorstrombewertungseinheit 950 verbinden und erstreckt sich zwischen dem Zellarray und dem peripheren Bereich.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Halbleiterchip bzw. eine Halbleiterscheibe 990 einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Eine Vielzahl von verschiedenen Layouts liegt vor, und 3 dient lediglich zum Veranschaulichen von Beispielen von Verbindungsleitungen. Der Halbleiterchip 990 hat mehrere Zellarrays 100. Die Zellarrays 100 können beispielsweise rechteckförmig sein oder eine L-Gestalt aufweisen. Eine Gateleitung 830 (Gatefinger) erstreckt sich längs wenigstens einem Rand von jedem Zellarray 100. Die Gateleitungen 830 können mit einem Gateanschluss 930 verbunden sein. Jedes Zellarray 100 ist mit einer Metallstruktur verbunden, die eine Sourceelektrode 910 über den Zellarrays 100 vorsieht. Die Metallstruktur kann eine Dicke von wenigstens 1 Mikrometer haben und kann mit Transistorzellen verbunden sein, die das Zellarray 100 bilden. Kontaktstrukturen können sich zwischen der Sourceelektrode 910 und dem Zellarray 100 oder Metallisierungsleitungen, die mit dem Zellarray 100 verbunden sind, erstrecken. Eine Abgreifleitung 813 kann die Sourcebereiche von einer oder einigen der Leistungstransistorzellen der Zellarrays 100 mit einem Abgreifanschluss 913 kontaktieren. Eine Sensorleitung 812 kann den Sourcebereich einer Sensortransistorzelle 902 oder ein anderes Sensorelement in wenigstens einem der Zellarrays 100 mit dem Sensoranschluss 912 verbinden. Der Halbleiterchip 990 kann auch Elemente zum Erfassen der Temperatur, beispielsweise ausgewählte Transistorzellen oder Sensorwiderstände, umfassen.
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Insbesondere sind die Sensortransistorzellen und wenigstens einige der Leistungstransistorzellen, die zum Abgreifen ausgewählt sind, innerhalb der Zellarrays 100 angeordnet, wo während eines Betriebes die höchsten Temperaturen auftreten. Dagegen sind die Anschlüsse 912, 913, 930 oder die Stromsensorbewertungsschaltung 950 von 12 typischerweise außerhalb der Zellarrays 100 vorgesehen. Weiterhin resultiert die Anordnung der Zellarrays 100 darin, dass die Gateleitungen 830, die Sensorleitung 812 und die Abgreifleitung 813 relativ lange gerade Teile ohne Biegungen und Übergänge und ohne Kontakt-Vias bzw. Durchgänge zu anderen leitenden Strukturen haben.
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Wärme, die durch den Laststrom in den Zellarrays 100 erzeugt ist, kann zusammen mit der dicken, starren Metallstruktur oberhalb bzw. über den Zellarrays 100 zu einem signifikanten mechanischen Ausfall in solchen Typen von Verbindungsleitungen führen, die zwischen der Metallstruktur und den Zellarrays 100 angeordnet sind und die nicht mit der Metallstruktur über Kontakt-Vias verbunden sind.
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4A zeigt den Effekt einer Scherspannung, die evtl. in einem mechanischen Ausfall resultiert. Eine gerade Metallleitung 400a ist auf einer starren Unterlage oder Basis, beispielsweise einer Unterlage mit einkristallinem Silizium und Siliziumoxiden, vorgesehen. Die Metallleitung 400a ist aus Aluminium Al, Kupfer Cu, einer auf Aluminium beruhenden Legierung oder einer auf Kupfer beruhenden Legierung, beispielsweise AlCu oder AlSiCu, hergestellt. Unter einer thermischen Spannung resultieren die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium und dem Metallisierungsstapel in einer Scherspannung in der Metallleitung 400a. Die Scherspannung induziert einen Transport von Material längs der Richtung der Scherkraft. Der Transport des Materials führt zu einer Zunahme der Querschnittsfläche in der Richtung der Scherkraft. Wenn die Scherspannung längs der Richtung wirksam ist, in welcher sich die Metallleitung erstreckt, kann die Zunahme der Querschnittsfläche signifikant sein, falls die Metallleitung lang ist, wie dies für die Metallleitung 400b gezeigt ist.
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4B zeigt einen Endteil der Metallleitung 400a von 4A ohne Scherspannung auf der linken Seite und unter Scherspannung auf der rechten Seite. Unter einer Scherspannung neigt eine Oxid- oder Nitridhülle 401 einer Metallleitung 400b, die eine vergrößerte Querschnittsfläche zeigt, zu einem Brechen der Art, dass Material von der Metallleitung 400b zur Außenseite der Oxid- oder Nitridhülle 401 lecken kann.
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Die in den 5A bis 5F veranschaulichten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen geraden Teil einer Verbindungsleitung 800, wie der Gateleitung 830, der Sensorleitung 812 oder Abgreifleitung 813 von 3, die ein erstes Element in einem Zellarray, beispielsweise einer Leistungstransistorzelle, einer Sensortransistorzelle oder einem Sensorelement, und ein zweites Element innerhalb oder außerhalb des Zellarrays, beispielsweise einen Anschluss, ein Kissen bzw. Pad, eine andere Transistorzelle oder eine Sensorstrombewertungseinheit verbindet. Die Verbindungsleitung 800 ist zwischen einer Metallstruktur und dem Zellarray angeordnet. Beispielsweise ist die Verbindungsleitung 800 in einer Schicht zwischen der Metallstruktur und einem Halbleiterkörper mit Source-, Body- und Drainbereichen der Transistorzellen vorgesehen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsleitung 800 längs der Metallstruktur beispielsweise in der gleichen Metallschicht ausgeführt. Eine dielektrische Struktur trennt die Metallstruktur und die Verbindungsleitung 800.
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Wenigstens ein Teil der Verbindungsleitung 800 verläuft zwischen einer ersten und zweiten Achse 891, 892, die parallel angeordnet und in einem Abstand voneinander vorgesehen sind, der größer als eine Mindestbreite des Verbindungsleitungsteils 800 in einer Richtung senkrecht zu den ersten und zweiten Achsen 891, 892 ist. Der Verbindungsleitungsteil 800 ist tangential zu beiden Achsen aus der ersten Achse 891 und der zweiten Achse 892. Die ersten und zweiten Achsen 891, 892 spannen einen Zielkorridor auf, in welchem der Verbindungsleitungsteil 800 verläuft und der jedoch nicht vollständig mit dem Verbindungsleitungsteil 800 gefüllt ist. Die ersten und zweiten Achsen 891, 892 können in einer Ebene, die parallel zu einer Oberfläche eines Halbleiterchips ist, in welcher das Zellarray gebildet ist, oder in verschiedenen Ebenen angeordnet sein.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 5A umfasst die Verbindungsleitung 800 erste Abschnitte 801, die tangential zu der ersten Achse 891 sind, und zweite Abschnitte 802, die tangential zu der zweiten Achse 892 sind. Die ersten Abschnitte 801 bilden eine erste zusammenhängende Leitung, und die zweiten Abschnitte 802 bilden eine zweite zusammenhängende Leitung, wobei eine isolierende Struktur 809 zwischen den ersten und zweiten zusammenhängenden Leitungen gelegen ist. Die isolierende Struktur 809 trennt räumlich die ersten und zweiten zusammenhängenden Leitungen, welche die Verbindungsleitung 800 bilden. Die Verbindungsleitung 800 umfasst weiterhin Teile, wo die ersten und zweiten zusammenhängenden Leitungen miteinander verbunden sind. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können weitere Abschnitte die ersten und zweiten Abschnitte innerhalb des Zellarrays derart verbinden, dass die Verbindungsleitung eine leiterförmige Gestalt hat.
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Mit anderen Worten, die Verbindungsleitung 800 ist in zwei oder mehr gerade zusammenhängende Leitungen gespalten oder aufgeteilt. Obwohl beide Teile der Verbindungsleitung 800 der gleichen Scherspannung begegnen, weisen sie eine geringere Steigerung der Querschnittsfläche als diejenige auf, die man erwarten würde, wenn eine proportionale Näherung angewandt wird. Stattdessen blockieren Korngrenzen in dem Metall wirksamer einen Materialtransport an kleineren Querschnitten, so dass die Korngröße des Metalls in dem Bereich der Breite der Verbindungsleitung ist. Wenn eine Korngrenze sich über einen großen Teil der Querschnittsfläche erstreckt, sperren die Körner einen Transport von Material senkrecht zu dem Querschnitt. Als eine Konsequenz kann ein Reduzieren der Querschnittsfläche eines geraden Teiles der Verbindungsleitung 800 nahezu vollständig jeglichen Materialtransport unterdrücken, und das Aufbrechen von die Verbindungsleitung 800 bedeckenden Isolierschichten kann vermieden werden. Die ersten Abschnitte 801, die die erste zusammenhängende Leitung bilden, können eine andere Breite als die zweiten Abschnitte 802 haben, die die zweite zusammenhängende Leitung bilden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel haben die ersten und zweiten Abschnitte 801, 802 die gleiche Breite. Gewöhnlich ist es nicht durchführbar, willkürlich jeglichen Typ einer Verbindungsleitung unter oder längsseitig der Metallstruktur zu verengen oder aufzuspalten, da Verbindungsleitungen, die mit der Metallstruktur verbunden sind und diese Metallstruktur mit beispielsweise den Sourcebereichen in dem Zellarray verbinden, eine Mindestbreite aufweisen müssen, um eine zuverlässige Anbringung von Kontaktstrukturen an den Sourcebereichen und Vias an der Metallstruktur zu erlauben.
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Gemäß einem anderen, in 5B gezeigten Ausführungsbeispiel können weitere Abschnitte 807 eine weitere zusammenhängende Leitung bilden, die in dem Korridor verläuft, der durch die ersten und zweiten Achsen 891, 892 definiert ist. Andere Ausführungsbeispiele können mehr als drei zusammenhängende Leitungen vorsehen.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 5C sind die ersten Abschnitte 801 angeordnet, um eine erste Strichlinie zu bilden, und die zweiten Abschnitte 802 sind angeordnet, um eine zweite Strichlinie zu bilden, wobei die erste und die zweite Strichlinie zueinander versetzt sind. Dritte Abschnitte 803 der Verbindungsleitung 800 erstrecken sich zwischen den ersten und den zweiten Abschnitten 801, 802, wobei jeder dritte Abschnitt 803 einen ersten Abschnitt 801 und einen zweiten Abschnitt 802 verbindet, um eine zusammenhängende Mäander-Verbindungsleitung 800 zu bilden. Die ersten, zweiten und dritten Abschnitte 801, 802, 803 sind in einer Ebene horizontal zu einer Substratoberfläche des Halbleiterchips bzw. der Halbleiterscheibe gebildet. Die Länge der ersten und zweiten Abschnitte 801, 802 kann sich entlang der Verbindungsleitung 800 verändern.
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Die Länge der ersten und zweiten Abschnitte 801, 802 ist kurz im Vergleich mit dem entsprechenden Teil der Verbindungsleitung 800. Als eine Konsequenz ist ein Materialtransport, der durch Scherspannung bewirkt ist, beträchtlich reduziert. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Isolatorhülle, die die Verbindungsleitung 800 bedeckt, bricht, ist beträchtlich reduziert, und die Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung ist signifikant gesteigert, da eine Scherspannung lediglich auf kurzen Abschnitten der Verbindungsleitung 800 wirksam ist und nur wenig Material unter Scherspannung transportiert werden kann. Die Steigerung der Querschnittsfläche ist begrenzt.
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Gemäß dem in 5D gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine zusammenhängende Mäander-Verbindungsleitung 802 in zwei verschiedenen Ebenen eines Halbleiterchips bzw. einer Halbleiterscheibe realisiert. Beispielsweise sind die ersten Abschnitte 801 in einer ersten Verdrahtungsschicht gebildet, und die zweiten Abschnitte 802 sind in einer zweiten Verdrahtungsschicht gebildet. Die zweiten und dritten Teile 802, 803 können aus einem Metall, einem leitenden Metalloxid, einem leitenden Metallnitrid, einer Metalllegierung oder aus dotiertem Polysilizium oder jeglichem anderen elektrisch leitenden Material gebildet sein. Die dritten Abschnitte 803 können sich durch eine dielektrische Schicht 804 erstrecken, welche die erste Verdrahtungsschicht und die zweite Verdrahtungsschicht trennt.
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5E bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, in welchem die Verbindungsleitung 800 erste Segmente 811 tangential zu der ersten Achse 891 und einer Mittenlinie 895 und zweite Segmente 812 tangential zu der zweiten Achse 892 und der Mittenlinie 895 aufweist. Die Mittenlinie 895 verläuft parallel zu und in der Mitte von der ersten und der zweiten Achse 891, 892. Die ersten Segmente 811 sind in einer Richtung angeordnet, die durch die ersten und zweiten Achsen 891, 892 in einer versetzten bzw. gestaffelten Weise definiert ist. Demgemäß sind die zweiten Segmente 812 entlang der gleichen Richtung und ebenfalls in einer versetzten bzw. gestaffelten Weise so angeordnet, dass die ersten und die zweiten Segmente 811, 812 eine zusammenhängende Mäander-Leitung bilden. Die ersten und die zweiten Segmente 811, 812 können gebogen sein, wobei die Gipfel tangential zu den ersten und zweiten Achsen 891, 892 sind.
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[45] Gemäß dem in 5F gezeigten Ausführungsbeispiel weist jeder der ersten und zweiten Segmente 811, 812 jeweils zwei gerade Unterabschnitte auf, wobei die beiden Unterabschnitte miteinander unter einem vorbestimmten Winkel, der kleiner als 180 Grad ist, verbunden sind, um einen Gipfel bzw. eine Spitze zu bilden. Die Gipfel bzw. Spitzen der ersten Segmente 811 sind tangential zu der ersten Achse 891, und die Spitzen bzw. Gipfel der zweiten Segmente 812 sind tangential zu der zweiten Achse 892.
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Was die Ausführungsbeispiele der 5D und 5E anbelangt, so können die ersten und zweiten Segmente 811, 812 verschiedene Formen oder Gestalten haben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel haben die ersten und zweiten Segmente 811, 812 die gleiche Form und sind axial-symmetrisch bezüglich der Mittenlinie und gestaffelt bzw. versetzt gegeneinander längs der Mittenlinie angeordnet. Die Länge der ersten und zweiten Segmente 811, 812 kann längs der Verbindungsleitung 800 variieren.
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Was die in den 5A bis 5F gezeigten Ausführungsbeispiele anbelangt, so können die ersten und zweiten Abschnitte 801, 802 und die ersten und zweiten Segmente 811, 812 verschiedene Breiten haben. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel haben die ersten und zweiten Abschnitte 801, 802 die gleiche Breite und gemäß anderen Ausführungsbeispielen haben die ersten und zweiten Segmente 811, 812 die gleiche Breite derart, dass Segmentationseffekte und Korngrößeneffekte maximiert werden. Eine beträchtliche Reduzierung eines durch Scherkräfte induzierten Materialtransports ist typischerweise für Querschnittsflächen bis zum 5-fachen der mittleren Kornquerschnittsfläche beobachtbar.
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Typischerweise sperren für auf Aluminium beruhenden Legierungen die Korngrenzen einen Materialtransport bei Breiten unter 2 Mikrometer, beispielsweise bei Breiten von 1,5 Mikrometer oder weniger bei einer Höhe der Verbindungsleitung von 300 bis 500 Nanometer.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsleitung 800 aus einem Material hergestellt, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium Al, auf Aluminium beruhenden Legierungen, Kupfer Cu oder auf Kupfer beruhenden Legierungen, beispielsweise AlCu oder AlSiCu, besteht. Die ersten und zweiten Abschnitte 801, 802 und die ersten und zweiten Segmente 811, 812 können eine Breite haben, die nicht größer als 2 Mikrometer ist und beispielsweise etwa 1,5 Mikrometer beträgt. Die ersten und zweiten Abschnitte 801, 802 und die ersten und zweiten Segmente 811, 812 können eine Höhe haben, die nicht größer als 1 Mikrometer ist und beispielsweise etwa 500 Nanometer beträgt. Die Verbindungsleitung 800 kann weiterhin eine oder mehrere Zwischenlagen bzw. Beschichtungen haben, die beispielsweise Tantal Ta, Titan Ti, eine Tantalverbindung, eine Titanverbindung oder Wolfram enthalten. Die Verbindungsleitung 800 ist mit einem isolierenden bzw. Isoliermaterial, beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einem anderen dielektrischen Material, beispielsweise einem dielektrischen Polymer oder einem Glas bedeckt. Der einschlägige Teil der Verbindungsleitung 800 grenzt nicht an die Kontakt-Vias zu einer Metallstruktur, die oberhalb der Verbindungsleitung 800 angeordnet ist, an. Da die Verbindungsleitung 800 keine hohen Ströme transportiert, sind Elektromigrationseffekte von keiner Relevanz.
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6A zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Zellarray eines Halbleiterchips oder einer Halbleiterscheibe 990 senkrecht zu der Richtung, längs der sich Gate-Trenches und Transistorzellen erstrecken. Der Halbleiterchip 990 umfasst ein Halbleitersubstrat 190, das ein einkristalliner Halbleiter, beispielsweise einkristallines Silizium, sein kann. Direkt neben einer ersten Oberfläche 101 des Halbleitersubstrats 190 sind Sourcebereiche 110 eines ersten Leitungs- bzw. Leitfähigkeitstyps gebildet. Neben einer zweiten Oberfläche, die entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche 101 ist, ist ein Drainbereich 180 des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet. Eine Driftzone 120 des gleichen Leitfähigkeitstyps kann neben dem Drainbereich 180 gebildet sein, wobei eine Dotierungskonzentration in der Driftzone niedriger ist als eine Dotierungskonzentration in dem Drainbereich 180. Zwischen den Sourcebereichen 110 und den Driftzonen 120 sind Bodybereiche 115 eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet, der entgegengesetzt zu dem ersten Leitfähigkeitstyp ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Leitfähigkeitstyp der n-Typ, und der zweite Leitfähigkeitstyp ist der p-Typ.
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Gate-Trenches erstrecken sich von der ersten Oberfläche 101 in das Halbleitersubstrat 190. Die Gate-Trenches erstrecken sich in einer Richtung senkrecht zu der Querschnittsebene. Innerhalb des Zellarrays bilden die Gate-Trenches regelmäßig beabstandete parallele streifenförmige Gräben. In den Gate-Trenches kann eine Gate-Leiterstruktur bei einer Tiefe entsprechend dem Bodybereich 115 gebildet sein. Ein Gate-Dielektrikum trennt die Gate-Leiterstruktur und das Halbleitersubstrat 190. Die Gate-Trenches umfassen weiterhin Feldelektroden oder weitere leitende Teile, die elektrisch von der Gate-Leiterstruktur 112 isoliert sind.
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Eine dielektrische Struktur 116 einschließlich des Gate-Dielektrikums trennt die Gate-Elektrode und weitere leitende Strukturen innerhalb der Gate-Trenches gegeneinander und das Halbleitersubstrat 190. Ein an die Gate-Elektrode 112 angelegtes Potential steuert die Minoritätsladungsträgerverteilung in dem Bodybereich 115. In einem Aus-Zustand der Transistorzellen sperren die Bodybereiche 115 einen Stromfluss zwischen den Sourcebereichen 110 und dem Drainbereich 180. In dem Ein-Zustand kann ein durch ein Potential der Gate-Leiterstruktur 112 erzeugtes elektrisches Feld in einer Ansammlung von Ladungsträgern in Teilen der Bodybereiche 115 längs des Gate-Dielektrikums resultieren, was einen Stromfluss zwischen den Sourcebereichen 110 und dem Drainbereich 180 erlaubt.
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Eine erste dielektrische Schicht 200 kann auf der ersten Oberfläche 101 vorgesehen sein. Die erste dielektrische Schicht 200 kann ein Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, BPSG (Borphosphor-Silikatglas) oder jegliches andere dotierte Siliziumoxid sein. Eine erste Metallisierungsebene umfasst Sourceleitungen 805 und eine Verbindungsleitung 800, die als eine Sensorleitung dient. Kontaktstrukturen 299 verbinden die Verbindungsleitung 800 mit den Body- und Sourcebereichen 115, 110 der Sensortransistorzelle 982 und Sourceleitungen 805 mit Body- und Sourcebereichen 115, 110 der Leistungstransistorzellen 981 auf beiden Seiten der Sensortransistorzelle 982. Die Sourceleitungen 805 verlaufen parallel zueinander und können eine Breite haben, die sich der Breite des Korridors, in welchem die Verbindungsleitung 800 verläuft, annähert oder größer als diese ist. Eine zweite dielektrische Schicht 851 liefert isolierende Strukturen, die benachbarte Sourceleitungen 805 und die Verbindungsleitung 800 jeweils räumlich trennt und elektrisch isoliert.
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Die zweite dielektrische Schicht 851 kann aus einer Schicht bestehen oder kann zwei oder mehr Unterschichten aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die zweite dielektrische Schicht 851 eine erste Unterschicht, die aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder BPSG besteht, und eine zweite Unterschicht, die eine Diffusionsbarrierenschicht umfassen kann, welche eine Diffusion von Metallatomen in die erste Unterschicht 851 sperrt. Eine Metallstruktur, die eine Sourceelektrode 910 bildet, ist auf der zweiten dielektrischen Schicht 851 vorgesehen. Kontakt-Vias 855 erstrecken sich durch Öffnungen der zweiten dielektrischen Schicht 851 und verbinden elektrisch die Sourceelektrode 910 mit den Sourceleitungen 805. Auf der zweiten Oberfläche kann eine Drainelektrode 920 in direktem Kontakt mit dem Drainbereich 180 vorgesehen sein. Die Source- und Drainelektroden 910, 920 können aus Aluminium Al, Kupfer Cu, auf Aluminium beruhenden Legierungen oder auf einer aus Kupfer beruhenden Legierung mit und ohne weiteren Zwischenlagen bzw. Beschichtungen jeweils bestehen oder diese umfassen.
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Die Sensorleitung 800 kann gemäß einem der Ausführungsbeispiele der 5A bis 5F vorgesehen sein, beispielsweise mit ersten und zweiten Abschnitten 801, 802, die zusammenhängende Leitungen derart bilden, dass sie sich von einem Zellarray, das in einem bestimmten Gebiet des Halbleiterchips 990 gebildet ist, bis zu einer Struktur außerhalb des Zellarrays erstrecken. Aufgrund der Konfiguration der Sensorleitung 800 tritt ein signifikanter Materialtransport nicht entlang der Richtung auf, in der sich die Sensorleitung 800 erstreckt. Die ersten und zweiten dielektrischen Schichten 200, 851 sind nicht einer Spannung ausgesetzt, welche auf einem Materialtransport längs der Sensorleitung 800 beruht, und kein Material leckt aus der Sensorleitung 800. Insgesamt kann für Breiten unterhalb 2 μm die Lebensdauer der integrierten Schaltung stark um einen Faktor von 10 oder mehr verbessert werden. Typischerweise ist die Sensorleitung 800 so ähnlich wie möglich zu den Sourceleitungen 805 gebildet, um den Sensorstrom dem Laststrom so eng als möglich folgen zu lassen. Die Sensorleitungen 800 gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen beeinflussen nicht nachteilhaft eine Laststrommaßgabe für die Transistorzellen.
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6B zeigt ein Layout des Zellarrays von 6A. Kontakt-Vias 855 verbinden die Sourceleitungen 805 mit der Sourceelektrode 910 von 6A, welche in 6B nicht gezeigt ist. Erste Abschnitte 801 der Sensorleitung 800 bilden eine erste zusammenhängende Leitung und zweite Abschnitte 802 bilden eine zweite zusammenhängende Leitung. Beide Leitungen erstrecken sich zwischen einer ersten Achse und einer zweiten Achse, wobei die Breite der ersten und zweiten zusammenhängenden Leitungen etwa 1,5 μm beträgt und ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Achse etwa 4,5 μm ist und kleiner sein kann als eine Breite der Sourceleitungen 805, die eine Breite von etwa 5,4 μm haben können. Bei oder nahe dem Ursprung der Sensorleitung 800 in dem Zellarray und außerhalb des Zellarrays können die zwei zusammenhängenden Leitungen miteinander verbunden sein. Sourceleitungen 805 haben eine Breite von etwa 5,4 μm und erstrecken sich parallel zu der Sensorleitung 800. In dem Fall der Sourceleitungen 805 können die Kontakt-Vias 855 eine Scherspannung entlang der Richtung, in der sich die Sourceleitungen erstrecken, begrenzen.
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7A zeigt eine Sensorleitung 800, die als eine zusammenhängende Mäander-Leitung gebildet ist, wobei die Mäander von ersten Abschnitten 801, die tangential zu einer ersten Achse 891 und längs der ersten Achse angeordnet sind, zweiten Abschnitten 802, die tangential zu einer zweiten Achse 892 und längs der zweiten Achse angeordnet sind, und dritten Abschnitten 803, die jeweils die ersten und zweiten Abschnitte 801 und 802 rechtwinklig verbinden, gebildet sind. Hochdotierte Body-Kontaktbereiche 298 sind in die Sourcebereiche eingebettet. Die Body-Kontaktbereiche 298 sind in einer versetzten bzw. gestaffelten Weise angeordnet. Kontaktstrukturen 299 kontaktieren jeweils die Body-Kontaktbereiche 298 und Sourcebereiche zwischen zwei benachbarten Gate-Trenches. Die Kontaktstrukturen 299 sind linienförmig und unter den ersten und zweiten Abschnitten 801, 802 vorgesehen. Die Mäander-Sensorleitung 800 ist über den Kontaktstrukturen 299 gebildet, die den Sourcebereichen auf entgegengesetzten Seiten des Gate-Trenches der Sensortransistorzelle zugewiesen sind.
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7B bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel, das auf dem gleichen Zell-Layout wie 7A beruht. Zusammenhängende Leitungen, die durch erste Abschnitte 801 und zweite Abschnitte 802 gebildet sind, bilden eine erste Sensorleitung 800, die über den oder oberhalb von den zusammenhängenden Kontaktstrukturen 299 zu den Sourcebereichen und den Body-Kontaktbereichen 298 angeordnet ist, wobei die Kontaktstrukturen 299 in direktem Kontakt mit zwei Sourcebereichen auf entgegengesetzten Seiten eines Gate-Trenches sind. Jeder Abschnitt 801, 802 kontaktiert eine der zusammenhängenden Kontaktstrukturen 299.