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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Leistungshalbleiterschalter mit einem integrierten Temperatursensor
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Leistungstransistoren wie z.B. MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (insulated gate bipolar transistors, IGBTs) oder ähnliche werden häufig als sogenannte „vertikale“ Transistoren implementiert. Der Begriff „vertikal“ bezieht sich auf die Richtung des Laststromflusses durch das Halbleiterplättchen, welche vertikal bezogen auf eine obere Oberfläche des Halbleiterplättchens ist. Des Weiteren sind solche Leistungstransistoren üblicherweise aus einer Vielzahl von Transistorzellen zusammengesetzt, und für jede Zelle ist die Gate-Elektrode in einem sogenannten „Trench“ (Graben) angeordnet, der sich von der oberen Oberfläche vertikal in das Halbleiterplättchen hinein erstreckt. Diese Klasse von Leistungstransistoren wird üblicherweise als Trench-Transistoren bezeichnet.
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Das Halbleiterplättchen (Chip), in dem ein Trench-Transistor integriert ist, kann weitere Schaltungen beinhalten, um neben seiner Hauptfunktion als elektronischer Schalter weitere Funktionen bereitzustellen. Beispielsweise kann der Chip des Weiteren einen Temperatursensor und eine zugehörige Messschaltung beinhalten, um die Temperatur des Transistors zu messen und ein Temperatursignal zu erzeugen (d.h. ein Strom- oder ein Spannungssignal, das die Temperatur am Ort des Temperatursensors repräsentiert). Das Temperatursignal kann beispielsweise in einer Übertemperatur- oder Überlastschutzschaltung verwendet werden, welche nötig sein kann, um den Transistor vor einem thermischen Zusammenbruch zu schützen. Weitere Schaltungen können im Chip enthalten sein, um andere Funktionen bereitzustellen wie z.B. Strommessung, Überstromschutz, eine digitale Busschnittstelle (z.B. Serial Peripheral Interface, SPI), etc. In der Publikation
US 5389813 A wird z.B. ein Leistungshalbleiterbauelement (ein MOSFET) mit einem Temperatursensor beschrieben. Als Temperatursensor dient die Basis-Emitterdiode eines Bipolartransistors. Die Publikation
US 2009/0273027 A1 betrifft ebenfalls Leistungselektronikbauelement (power IC device) mit einem in einem Graben (Trench) angeordneten Leistungs-MOS-Transistor und einem Temperaturmessschaltung zur Detektion einer Überhitzung des Bauelements. Die Publikation
US 2007/0145411 A1 betrifft die Herstellung einer Zener-Diode in einerm mit polykristallinem Silizium gefüllten Trench. Die Zener-Diode dient als Schutzdiode für einen Trench-MOS-Transistor gegen elektrostatische Entladungen.
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Übliche Herstellungstechnologien erlauben zwei Verdrahtungsschichten, die auf der Oberseite des Halbleiterkörpers angeordnet sind, wobei die erste Verdrahtungsschicht üblicherweise aus polykristallinem Silizium und die zweite Verdrahtungsschicht üblicherweise aus Metall (z.B. Aluminium) gebildet ist. Die beiden Verdrahtungsschichten werden verwendet, um die einzelnen Schaltungskomponenten zu verbinden, die in dem Halbleiterplättchen integriert sind, um die gewünschte elektronische Schaltung zu bilden. Auf der Oberseite der Verdrahtungsschichten (und davon isoliert) ist eine weitere Metallschicht vorgesehen, welche vergleichsweise dick ist und manchmal auch als „Leistungsmetallschicht“ (power metal layer) bezeichnet wird. Diese Metallschicht wird als Kontaktschicht verwendet (und dient auch als Bond-Pad), um einen externen Lastanschluss (z.B. einen Source-Anschluss des Leistungstransistors) mit dem Chip zu kontaktieren.
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Die erwähnten Temperatursensoren sind üblicherweise nahe oder in dem Feld (z.B. in dessen Mitte) von Transistorzellen angeordnet, die den Leistungstransistor bilden, und üblicherweise ist der Temperatursensor mit der zugehörigen Messschaltung über Streifenleitungen (Messleitungen) verbunden, die in den erwähnten Verdrahtungsschichten auf dem Halbleiterkörper ausgebildet sind. Da die Messschaltung in dem Halbleiterchip abseits von dem Transistorzellenfeld gebildet sein kann, können die Streifenleitungen zwischen der Messschaltung und dem Temperatursensor vergleichsweise lang sein, z.B. 300 µm oder mehr.
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Da die (strukturieren) Verdrahtungsschichten und die obere Metallschicht, welche die Kontaktschicht für einen externen Lastanschluss bildet, im Wesentlichen parallel (koplanar) und durch vergleichsweise dünne Isolationsschichten getrennt sind, tritt eine signifikante kapazitive Kopplung auf, insbesondere zwischen der Kontaktschicht und der darunterliegenden Verdrahtungsschicht. Diese kapazitive Kopplung (aufgrund parasitärer Kapazitäten zwischen den Verdrahtungsschichten und der Kontaktschicht) hat eine signifikante Empfindlichkeit auf „direkte Leistungsinjektion“ (direct power injection, DPI) zur Folge. Insbesondere wenn der Leistungstransistor ein n-Kanal-Bauelement ist, das als High-Side-Schalter betrieben wird, wird das elektrische Potential (und folglich die Spannung) der (Leistungs-)Kontaktschicht (während eines Schaltvorgangs) rapide von null (Massepotential) auf ungefähr oberes Versorgungspotential wechseln und umgekehrt. Das wird Verschiebungsströme in den Messleitungen verursachen und einen negativen Einfluss auf die Temperaturmessung haben, da Verschiebungsströme Verzerrungen des Temperatursignals zur Folge haben können.
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Angesichts des Obigen kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin gesehen werden, ein verbessertes Halbeiterbauelement mit integriertem Temperatursensor zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche
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Nachstehend wird ein Halbleiterbauelement beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper, zumindest eine auf dem Halbleiterkörper angeordnete Verdrahtungsschicht und einen in den Halbleiterkörper integrierten Feldeffekttransistor. Der Feldeffekttransistor hat eine Vielzahl von Gate-Elektroden, die sich in korrespondierenden Trenches befinden, welche in dem Halbleiterkörper ausgebildet sind. Das Halbleiterbauelement umfasst des Weiteren einen Temperatursensor, der in dem Halbleiterkörper benachbart zu dem Feldeffekttransistor integriert ist. Eine Temperaturmessschaltung ist in dem Halbleiterkörper abseits von dem Temperatursensor integriert, und zumindest ein zusätzlicher Trench ist in dem Halbleiterkörper ausgebildet. Der zumindest eine zusätzliche Trench beinhaltet zumindest eine Messleitung, welche den Temperatursensor und die Temperaturmessschaltung elektrisch verbindet. Zumindest ein leitfähiges Pad ist in der zumindest einen Verdrahtungsschicht ausgebildet, und das zumindest ein leitfähiges Pad ist angeordnet, um den zumindest einen zusätzlichen Trench zumindest teilweise zu bedecken, um eine Schirmung für die Messleitung(en) zu bilden.
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Gemäß einem anderen Beispiel der Erfindung umfasst das Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper, zumindest eine auf dem Halbleiterkörper angeordnete Verdrahtungsschicht und einen in den Halbleiterkörper integrierten Feldeffekttransistor. Der Feldeffekttransistor hat eine Vielzahl von Gate-Elektroden, die sich in korrespondierenden Trenches befinden, welche in dem Halbleiterkörper ausgebildet sind. Eine erste Schaltung ist in dem Halbleiterkörper benachbart zu dem Feldeffekttransistor integriert, und eine zweite Schaltung ist in dem Halbleiterkörper abseits von der ersten Schaltung integriert. Zumindest ein erster zusätzlicher Trench ist in dem Halbleiterkörper gebildet, wobei der erste zusätzliche Trench zumindest eine Verbindungsleitung beinhaltet, welche die erste Schaltung und die zweite Schaltung elektrisch verbindet. Des Weiteren umfasst das Halbleiterbauelement zumindest ein leitfähiges Pad, das in der zumindest einen Verdrahtungsschicht ausgebildet ist. Das zumindest eine leitfähige Pad ist angeordnet, um den ersten zusätzlichen Trench zumindest teilweise zu bedecken, um eine Schirmung für die Verbindungsleitung(en) zu bilden.
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Die Erfindung lässt sich unter Bezugnahme auf die folgenden Abbildungen und Erläuterungen besser verstehen. Die in den Abbildungen dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip zu erläutern. Des Weiteren bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Abbildungen korrespondierende Teile. In den Abbildungen:
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1 ist ein Schaltplan, der den Leistungstransistor und einen Bipolartransistor darstellt, welcher als Temperatursensor verwendet wird;
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2 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterplättchens, das ein Beispiel eines Bipolartransistors zeigt und die Verdrahtungsschichten, welche verwendet werden können, um den Bipolartransistor zu kontaktieren;
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3 ist eine Draufsicht auf das Halbleiterplättchen, welches die Position eines in einem Transistorzellenfeld eingebetteten Temperatursensors darstellt;
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4 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterplättchens, welches beispielhaft darstellt, wie die Messleitungen durch ein Transistorzellenfeld geroutet werden können, um einen Temperatursensor zu kontaktieren;
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5 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels, wie die die Messleitungen in einem einzigen Trench geroutet werden können;
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6 ist ein Schaltplan, der den Bipolartransistor und eine Messschaltung darstellt, welche verwendet wird, um den Bipolartransistor als Temperatursensor zu betreiben, wobei eine Vierleitermesstechnik verwendet wird, um ein Signal von dem Temperatursensor zu erhalten;
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7 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiterplättchens, die ein Beispiels eines Bipolartransistors und der Verdrahtungsschichten zeigt, welche verwendet werden können, um den Bipolartransistor für eine Vierleitermessung zu kontaktieren;
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8 zeigt einen Längsschnitt durch einen Trench, in dem eine Messleitung angeordnet ist; und
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9 ist eine Draufsicht, welche die Struktur einer auf dem Halbleiterkörper angeordneten Verdrahtungsschicht darstellt. 9
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1 ist ein Schaltplan, der – auf Schaltungsebene – ein Beispiel eines Leistungstransistors mit einem Temperatursensor darstellt. Im vorliegenden Beispiel wird ein MOSFET als Leistungstransistor verwendet. Jedoch können auch andere Typen von Transistoren (z.B. ein IGBT) stattdessen verwendet werden. Der Halbleiterchip hat (neben anderen elektrischen Anschlüssen) zwei Lastanschlüsse, welche im vorliegenden Beispiel mit SUP und OUT beschriftet sind. Die zwei Lastanschlüsse SUP und OUT sind über den Laststrompfad (d.h. der Drain-Source-Strompfad im Falle eines MOSFETs) des Leistungstransistors MP gekoppelt, wobei die Drain-Elektrode D des Transistors MP mit dem ersten Lastanschluss SUP verbunden ist und die Source-Elektrode S des Transistors MP mit dem zweiten Lastanschluss OUT verbunden ist. Im vorliegenden Beispiel ist der Transistor MP ein n-Kanal-Transistor, der als High-Side-Schalter betrieben wird, und folglich wird eine Versorgungsspannung VBB an den ersten Lastanschluss SUP angelegt, wobei der zweite Lastanschluss OUT mit einer (nicht gezeigten) Last verbunden ist, welche zwischen den Lastanschluss OUT und ein Massepotential geschaltet werden kann. Im vorliegenden Beispiel wird eine Gate-Spannung VG an die Gate-Elektrode G des Leistungstransistors MP angelegt. Die am Ausgangsanschluss OUT vorhandene Ausgangsspannung wird mit VOUT bezeichnet.
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Wie erwähnt ist der Leistungstransistor MP ein vertikaler n-Kanal-MOSFET, und folglich ist das elektrische Potential, das an der Drain-Elektrode des Transistors MP vorhanden ist, das gleiche wie das in dem Halbleitersubstrat vorhandene Potential. In anderen Worten, es besteht eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen dem Lastanschluss SUP und dem Halbleitersubstrat, und die Substratspannung ist folglich gleich der Versorgungsspannung VBB.
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1 illustriert auch einen Bipolartransistor TS, der zur Temperaturmessung in dem Halbleiterkörper verwendet werden kann. Ein Anschluss des Bipolartransistors TS ist üblicherweise mit dem Substrat elektrisch verbunden. Wie jeder Bipolartransistor hat der Transistor TS eine Basis B, einen Kollektor C und einen Emitter E. Im vorliegenden Beispiel ist der Kollektor C des Bipolartransistors TS mit dem Substrat verbunden, und folglich liegt die Versorgungsspannung VBB auch an dem Kollektor C des Bipolartransistors TS an. Die Basis-Emitter-Diode kann als temperatursensitives Element verwendet werden, da die Flussspannung VBE (forward voltage) der Basis-Emitter-Diode (wenn in Vorwärtsrichtung vorgespannt) sowie der Leckstrom der Basis-Emitter-Diode temperaturabhängig sind. Folglich sind sowohl die Basis B als auch der Emitter E des Bipolartransistors TS über Messleitungen 81 und 82 mit einer Temperaturmessschaltung 40 verbunden. Um die Performance der Temperaturmessung zu verbessern, können die Messleitungen mittels einer Schirmung 50 geschirmt sein, welche – im vorliegenden Beispiel eines n-Kanal-High-Side-Schalters – mit dem Substrat elektrisch verbunden ist. Das heißt, die Substratspannung (im vorliegenden Beispiel gleich der Versorgungsspannung VBB) liegt an der Schirmung an. Der Zweck und die Funktion der Schirmung 50 wird später anhand 4 erläutert.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Teil eines Halbleiterplättchens, das durch ein Substrat 10 (z.B. den Wafer) und eine (optionale) auf dem Substrat 10 abgeschiedene Epitaxieschicht 11 gebildet wird. 2 zeigt beispielhaft, wie ein Bipolartransistor TS in dem Halbleiterplättchen integriert werden kann und wie dieser Bipolartransistor zur Verwendung als Temperatursensor, wie in 1 gezeigt, kontaktiert werden kann. Für die weitere Diskussion werden das Substrat 10 und die Epitaxieschicht 11 (sofern vorhanden) zusammen als Halbleiterkörper 100 bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel ist der Halbleiterkörper mit Dotierstoffen vom n-Typ dotiert. Eine p-dotierte Basisregion 31 ist in dem Halbleiterkörper ausgebildet, z.B. unter Verwendung von Ionenimplantation oder Dotierstoffdiffusion. Die Basisregion 31 erstreckt sich von der oberen Oberfläche in den Halbleiterkörper 100 hinein. Innerhalb der p-dotierten Basisregion ist eine n-dotierte Emitterregion 32 ausgebildet. Die Emitterregion 32 (Emitterwanne) erstreckt sich von der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 hinein in die Basisregion 31 und ist darin eingebettet. In vertikaler Richtung unterhalb der Basisregion 31 dient die n-dotierte Region des Halbleiterkörpers als Kollektorregion. Wie man anhand von 2 sehen kann, wird durch die n-dotierte Kollektorregion (Halbleiterkörper 100), die p-dotierte Basisregion 31 und die n-dotierte Emitterregion 32 eine npn-Struktur (d.h. ein Bipolartransistor) gebildet. Die Kollektorregion wird durch den n-dotierten Bereich des Halbleiterkörpers (Substrat 10 und Epitaxieschicht 11) gebildet und liegt folglich auf dem gleichen Potential wie das Substrat (siehe auch 1).
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2 zeigt weiter zwei Verdrahtungsschichten 33 und 34, welche auf der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und von den Halbleiterkörper 100 sowie untereinander mittels der Isolationsschichten 36 und 37 isoliert sind. Beide verdrahtungsschichten 33 und 34 sind strukturiert, um Streifenleitungen und ähnliche Strukturen zu bilden. Auch die Isolationsschichten können strukturiert sein, um sogenannte Durchkontaktierungen (vias) zu bilden, welche eine Kontaktierung der Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 oder Verbindungen zwischen den Verdrahtungsschichten ermöglichen. Die untere Verdrahtungsschicht 33 kann aus polykristalinem Silizium (Polysilizium) gebildet werden und ist von der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 durch die Isolationsschicht 36 (z.B. Siliziumoxidschicht) isoliert. Die obere Verdrahtungsschicht 34 kann aus einem Metall (z.B. Aluminium gebildet werden und ist von der unteren Verdrahtungsschicht 33 durch die Isolationsschicht 37 isoliert. Im vorliegenden Beispiel ist die Emitterregion 32 durch eine Leitung in der Verdrahtungsschicht 33 kontaktiert, wohingegen die Basisregion 31 durch eine Leitung in der Verdrahtungsschicht 34 kontaktiert ist. Auf den Verdrahtungsschichten 33, 34 ist eine vergleichsweise dicke Metallschicht als Kontaktschicht 35 angeordnet, welche ein Kontakt-Pad zum Anschluss einer Leistungselektrode (im vorliegenden Beispiele die Source-Elektrode des Leistungs-MOSFET MP, siehe auch 1) bildet. Die Kontaktschicht 35 ist von den Verdrahtungsschichten 33 und 34 durch die Isolationsschicht 38 isoliert, welche aus einer Siliziumoxidschicht, einer Siliziumnitridschicht oder beidem gebildet sein kann. Die Streifenleitungen und andere Strukturen, die in den Verdrahtungsschichten 33 und 34 ausgebildet sind, sowie auch die Kontaktschicht 35 sind kapazitiv gekoppelt. Die Koppelkapazitäten können unerwünschte Effekte haben und können als parasitäre Kapazitäten betrachtet werden. 2 beinhaltet eine schematische Darstellung eines parasitären Kondensators CP zwischen der Kontaktschicht 35 und jenem Bereich der Verdrahtungsschicht 34, welcher mit der Basis des Temperaturmesstransistors TS verbunden ist.
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3 ist eine Draufsicht auf einen Teil des Halbleiterkörpers 100, der den Bipolartransistor enthält, mit einem darauf angeordneten Metallstapel (metal stack, d.h. einem Stapel der Verdrahtungsschichten). Wie oben erwähnt ist der Temperatursensor üblicherweise in einem Feld von Transistorzellen enthalten, welchen den Leistungs-MOS-Transistor MP bilden (siehe 1). Die Position des Transistors TS sowie der Pfad der Messleitungen 81, 82 (vgl. 1) sind mit strichlierten Linien skizziert. Wie man in 3 sehen kann, sind die Messleitungen 81, 82 durch das umliegende Transistorzellenfeld entlang eines vergleichsweise langen Weges von mehreren hundert Mirkometern geroutet.
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4 ist eine Querschnittsansicht des in 3 gezeigten Halbleiterkörpers 100. Die Schnittebene des dargestellten Querschnitts verläuft nicht durch den Temperatursensor (Transistor TS), sondern im rechten Winkel durch die in 3 skizzierten Messleitungen 81, 82, welche gemäß dem dargestellten Beispiel (und anders als im vorigen Beispiel aus 2) in Trenches implementiert sind. Einige Trenches 70, 70‘, 70‘‘ sind in dem Halbleiterkörper ausgebildet, wobei die Trenches sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken und in einer Richtung rechtwinklig zu der Schnittebene des dargestellten Querschnitts. Die Messleitungen 81, 82 sind in zwei benachbarten Trenches angeordnet, nämlich die beiden Trenches 70 in der Mitte des Querschnitts in 7. Die Messleitungen 81, 82 können aus Metall oder polykristallinem Silizium gebildet sein und sind von dem umgebenden Halbleitermaterial mittels eine Isolationsschicht 73 (z.B. Siliziumoxid) isoliert. Anders als in dem Beispiel aus 2 werden die Verdrahtungsschichten 33 und 34 nicht für das Routing der Messleitungen 81 und 82 benötigt. Diese Schichten können jedoch zur Verdrahtung anderer Schaltungen verwendet werden. Da die Messleitungen 81, 82 durch ein Transistorzellenfeld geroutet werden, sind die Trenches 70‘ links und rechts von den Messleitungen 81, 82 Teil des Randabschlusses des Leistungs-MOS-Transistors Das heißt, die Trenches 70‘ beinhalten Feldplatten 75, welche elektrisch mit dem Source-Potential verbunden sein können. Ein derartiger Randabschluss ist an sich bekannt und wird folglich hier nicht weiter diskutiert. Die äußeren Trenches 70‘‘ in 4 sind auch Teil des Transistorzellenfeldes. Gate-Elektroden 71 sind in den Trenches 70‘‘ angeordnet und von den angrenzenden Wänden des Trenches mittels der Gate-Oxidschicht 72 isoliert. Feldplatten 75‘ können in den Trenches 70‘‘ unten der n den Gate-Eletroden 71 angeordnet sein. Die Feldplatten 75‘ sind von dem umgebenden Halbleiterkörper mittels einer Oxidschicht 73 isoliert, welche üblicherweise dicker ist als die der Gate-Oxidschicht 72.
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In dem gegenwärtigen Beispiel eines n-Kanal-MOSFETs ist der Halbleiterkörper 100 mit Dotierstoffen vom n-Typ dotiert (z.B. Phosphor, Arsen, Antimon). Sogenannte Bodyregionen 62, welche mit Dotierstoffen vom p-Typ dotiert sind (z.B. Aluminium, Gallium, Indium, Bor), sind in dem Halbleiterkörper 100 benachbart zu den Gate-Elektroden 71 angeordnet. Die Bodyregionen 62 erstrecken sich vertikal von der oberen Oberfläche des Halbleiterkörper 100 hinein in den Halbleiterkörper 100, und bildet folglich eine sogenannte p-dotierte Wanne (p-Wanne). Diese p-Wannen können in inaktiven Regionen des Transistors weggelassen werden, beispielsweise in Regionen, die an die Trenches 70 angrenzen, welche die Messleitungen 81, 82 beinhalten. In aktiven Regionen des Transistors sind Source-Regionen in den Bodyregionen 62 angeordnet, welche an die Trenches 71 angrenzen, die wiederum die Gate-Elektroden 71 enthalten. Die Region 63 unterhalb der Bodyregionen 62 wird als Driftregion bezeichnet. An der (nicht dargestellten) unteren Oberfläche des Hableiterkörpers 100 kontaktierte eine Drain-Elektrode das Substrat 10 (welche das Drain des Leistungstransistors bildet).
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Analog zu dem vorherigen Beispiel aus 2, sind zwei Verdrahtungsschichten 33 und 34 auf dem Halbleiterkörper 100 angeordnet. Die Verdrahtungsschicht 33 ist vom Halbleiterkörper mittels der Isolationsschicht 36 und von der anderen Verdrahtungsschicht 34 mittels der Isolationsschicht 37 isoliert. Die Isolationsschicht 38 trennt die Kontaktschicht 35 von der oberen Verdrahtungsschicht 34, wobei die Isolationsschicht 38 aus zwei Teilschichten zusammengesetzt sein kann, z.B. einer Oxidschicht und einer Nitridschicht 38‘. Im vorliegenden Beispiel wird die untere Verdrahtungsschicht 33 (Polysilizium-Schicht) nicht zur Kontaktierung der Transistorzellen verwendet. Im vorliegenden Beispiel sind die Body-Regionen 62 und die Source-Regionen 61 elektrisch mit der oberen Verdrahtungsschicht 34 (Metallschicht) mittels Durchkontaktierungen 52 verbunden. Die zugehörigen Metall-Pads in der der Verdrahtungsschicht 24 sind als Pads 51 bezeichnet, welche elektrisch mit der Kontaktschicht 35 mittels Durchkontaktierungen 35‘ und durch die Isolationsschicht 38 hindurch verbunden sind. Wie oben erwähnt sind die Messleitungen 81, 82 in zwei (z.B. benachbarten) Trenches 70 geroutet. Das Platzieren der Messleitungen in die Trenches 70 hat eine starke kapazitive Kopplung zwischen den Messleitungen und dem umgebenden Halbleiterkörper 100 zur Folge (in 4 durch den Kondensator CS symbolisiert) sowie geringere (parasitäre) Kapazitäten zwischen der Kontaktschicht 35 (siehe 1, Anschluss OUT) und den Messleitungen 81, 82. Insbesondere wenn der Leistungs-MOSFET MP als High-Side-Schalter betrieben wird, kann das elektrische Potential der Kontaktschicht 35 (d.h. das Source-Potential des Leistungs-MOSFETs MP) aufgrund des Schaltbetriebs des Leistungs-MOSFET MP rasch zwischen Massepotential (z.B. 0V) und Versorgungspotential VBB (siehe 1) variieren. Die durch die erwähnten parasitären Kapazitäten bewirkte kapazitive Kopplung (ähnlich der in 2 gezeigten Kapazität CP sowie die Kapazität CS) bildet einen kapazitiven Spannungsteiler und hat – vergleichen mit der planaren Verdrahtung aus dem vorhergehenden Beispiel in 2 – geringere Verschiebungsströme zur Folge, die aus dem Laststrompfad (der den Drain-Source-Strompfad des Leistungs-MOSFET MP beinhaltet) in die Messleitungen 81, 82 injiziert werden. Dieser Effekt (Verschiebungsströme), der durch das Schalten des Leistungstransistors MP und durch Direct-Current-Injection (DPI) aufgrund transienter, pulsförmiger Verzerrungen verursacht wird, kann die gemessenen Signale sowie die daraus gewonnenen Messergebnisse verschlechtern. Um die Situation weiter zu verbessern ist in den Verdrahtungsschichten 33 oder 34 (oder in beiden) zumindest ein Metall-Pad 50 (in vertikaler Richtung) zwischen der Kontaktschicht 35 und den Trenches 70, in denen die Messleitungen geroutet sind, vorgesehen. Das Metall-Pad 50 ist mit einer konstanten Spannung wie z.B. mit der Versorgungsspannung VBB (Substratspannung, siehe 1) verbunden und behindert folglich die kapazitive Kopplung zwischen den Messleitungen 81, 82 und der Kontaktschicht 35 (Ausgangs-/Source-Anschluss OUT). Die Kapazitäten zwischen der Schirmung 50 und den Messleitungen 81 und 82 sind in 4 mit CSH bezeichnet.
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In dem Beispiel gemäß 4 sind zwei Messleitungen 81, 82 in separaten Trenches 70 geroutet. Die kapazitive Kopplung (Kapazitäten CS) zwischen den Messleitungen 81, 82 und dem Substrat (das im vorliegenden Beispiel auf Versorgungsspannung VBB liegt, siehe 1) kann durch geeignete Anpassung der Dicke der Isolationsschicht 73‘ (Oxidschicht), welche die Messleitungen von dem umgebenden Halbleiterkörper 100 trennt, eingestellt werden. Das Beispiel gemäß 5 ist im Wesentlichen identisch mit dem vorherigen Beispiel aus 4 abgesehen davon, dass die beiden Messleitungen 81, 82 in einem einzigen Trench 70 geroutet sind, was eine Reduzierung des inaktiven Bereiches in dem Transistorzellenfeld erlaubt. In diesem Beispiel sind die Messleitungen 81, 82 in dem Trench 70 übereinander geroutet. Jedoch können die Messleitungen 81, 82 auch nebeneinander in einem einzigen Trench geroutet sein. Ähnlich zu dem vorhergehenden Beispiel kann die kapazitive Kopplung zwischen dem Halbleiterkörper 10 (unter Substratspannung VBB) und den Messleitungen 81, 82 durch geeignete Dimensionierung der Dicke der Isolationsschicht 73‘, welche die Messleitungen 81, 82 von dem umgebenden Halbleiterkörper 100 trennt, gesteuert werden. Die Dicke der Isolationsschicht 73‘ kann zwischen der Messleitung 81 und dem Halbleiterkörper 100 anders sein als zwischen der Messleitung 82 und dem Halbleiterkörper. Die verbleibenden Komponenten und Merkmale des vorliegenden Beispiels gemäß 5 wurden bereits unter Bezugnahme auf 4 diskutiert und werden daher an dieser Stelle nicht wiederholt.
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6 illustriert – ähnlich wie 1 – den Bipolartransistor TS, der mit einer Messschaltung 40 zur Vierleitermessung von Temperatur verbunden ist. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird die Basis-Emitter-Diode des Bipolartransistors TS mit einem Betriebsstrom iSENSE (force current) über ein Paar sogenannter Treiberleitungen 81‘, 82‘ (force lines, Sensorversorgungsleitungen) versorgt, wohingegen die resultierende Basis-Emitter-Spannung VBE (d.h. das Signal, welches die Temperaturinformation trägt) über ein separates Paar Messleitungen 81, 82 gemessen wird. Der Betriebsstrom iSENSE (manchmal auch als „force current“ bezeichnet) wird mittels einer Stromquelle Qi bereitgestellt, welche in der Messschaltung 40 enthalten ist. Die Stromquelle kann eine stabilisierte Konstantstromquelle sein. Die Spannung VBE wird unter Verwendung separater Leitungen 81, 82 gemessen, welche keinen (oder nur einen vernachlässigbaren) Strom führen). Die Stromquelle Qi kann zwischen den Emitter des Bipolartransistors TS und ein referenzpotential VREF geschaltet sein. Abhängig von der tatsächlichen Implementierung kann die Stromquelle Qi auch an die Basis des Bipolartransistors TS gekoppelt sein. Im vorliegenden Beispiel ist eine Spannungsquelle Qv (die einen Spannungsabfall VX bereitstellt) zwischen das Referenzpotential VREF und die Basis des Bipolartransistors TS gekoppelt, um die Basis-Emitter-Diode des Transistors TS in Vorwärtsrichtung vorzuspannen. Das Referenzpotential VREF und die Spannung VX müssen nicht notwendigerweise konstant sein und sind so ausgelegt, dass eine ausreichende Vorspannung der Basis-Emitter-Diode des Transistors TS erreicht wird. Im Ergebnis ist der Spannungsabfall über den Messleitungen 81, 82 null (d.h. vernachlässigbar im Vergleich zur gemessenen Spannung), obwohl die Messleitungen einen nennenswerten ohmschen Widerstand aufweisen. Die Temperaturmessung wird in 6 durch die Messschaltung M symbolisiert, welche die Spannung VBE empfängt und aus dieser ein Signal STEMP ableitet, welches die Temperatur repräsentiert. Die Messschaltung M kann beispielsweise einen Operationsverstärker und weitere Signalverarbeitungsschaltungen beinhalten.
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7 ist eine Querschnittsansicht des Halbleiterkörpers 100 ähnlich dem vorhergehenden Beispiel aus 4. Das vorliegenden Beispiel gemäß 7 ist im Wesentlichen identisch mit dem vorherigen Beispiel aus 4 abgesehen davon, dass die Treiberleitungen (force lines) 81‘, 82‘ zusätzlich zu den Messleitungen 81, 82 in den Trenches 70 geroutet sind. Im vorliegenden Beispiel ist die Treiberleitung 81‘ (verbunden mit der Basis des Bipolartransistors TS) über der korrespondierenden Messleitung 81 in dem gleichen Trench 70 angeordnet. In analoger Weise ist die Treiberleitung 82‘ (verbunden mit dem Emitter des Bipolartransistors TS) über der korrespondierenden Messleitung 82 in dem benachbarten Trench angeordnet. Ähnlich zu den vorhergehenden Beispielen kann die Dicke der Isolationsschicht 73‘ zwischen den Mess- und Treiberleitungen 81, 81‘, 82, 82‘ so ausgelegt werden, dass eine gewünschte kapazitive Kopplung mit dem umgebenden Halbleiterkörper erreicht wird.
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8 illustriert einen Längsschnitt, der mit dem Querschnitt aus 7 korrespondiert. Demnach zeigt 8 den Trench 70, in dem sich die Messleitung 81 und die korrespondierende Treiberleitung 81‘ befinden. An einem Ende (rechts in 8) sind die Messleitung 81 und die Treiberleitung 81‘ elektrisch mittels Durchkontaktierungen 91 bzw. 91‘‘ mit den Pads 54 und 55 verbunden, die in der Verdrahtungsschicht 34 ausgebildet sind. An dem anderen Ende (links in 8) sind die Messleitung 81 und die Treiberleitung 81‘ elektrisch mittels Durchkontaktierungen 91‘‘ und 91‘‘‘ mit dem Pad 56 verbunden, das in der Verdrahtungsschicht 34 ausgebildet ist. Der Trench 70, die Pads 54, 55 und 56 sowie die Durchkontaktierungen 91, 91‘, 91‘‘ und 91‘‘‘ sind auch in der korrespondierenden Draufsicht in 9 gezeigt, welche die Struktur der Verdrahtungsschicht 34 darstellt, die auf dem Halbleiterkörper 100 (siehe auch 7) angeordnet ist. Die Kontakt-Pads 54 und 55 sind mit der Messschaltung 40 (siehe 6) verdrahtet, wohingegen der Kontakt-Pad 56 mit der Basis des Bipolartransistors TS verdrahtet ist. 8 illustriert auch das Pad 50, welches die Mess- und Treiberleitungen 81, 81‘ schirmt und eine kapazitive Kopplung zwischen den Mess- und Treiberleitungen 81, 81‘ und der Kontaktschicht 35 behindert, die elektrisch mit dem Source-Potential des Leistungs-MOSFETs MP verbunden ist. Die verbleibenden in 8 gezeigten Komponenten sind auch in den vorhergehenden Querschnittsansichten in den 4 und 7 vorhanden und werden daher an dieser Stelle nicht wiederholt.
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Im Folgenden wird auf 9 Bezug genommen, die eine Draufsicht ist, in der das Layout der auf dem Halbleiterkörper angeordneten Verdrahtungsschicht 34 dargestellt ist. Die Schnittebene A-A‘, die den Schnitt der vorhergehenden 8 definiert, ist auch in 8 gezeigt. 9 umfasst (gestrichelte Linien) zwei benachbarte Trenches 70, in denen Messleitungen 81, 82 und korrespondierende Treiberleitungen 81‘, 82‘ geroutet sind. Die oben erwähnten Durchkontaktierungen 91, 91‘, 91‘‘ und 91‘‘‘ sowie korrespondierende Durchkontaktierungen 92, 92‘, 92‘‘ und 92‘‘‘, die zur elektrischen Kontaktierung der Mess- und Treiberleitungen 82, 82‘ im benachbarten Trench verwendet werden, sind ebenfalls mittels gestrichelter Linien eingezeichnet. Unten in 9 ist ein weiterer Trench 80 gezeigt, der den Bipolartransistor TS einschließt. Weitere Durchkontaktierungen werden zur elektrischen Kontaktierung des Emitters E und er Basis B des Bipolartransistors TS verwendet. Die Kontakt-Pads 54 und 54‘, die elektrisch mit den Messleitungen 81 bzw. 82 verbunden sind, sind zu der Messschaltung 40 hin geroutet. In analoger Weise sind die Kontakt-Pads 55 und 55‘, die elektrisch mit den Treiberleitungen 81‘ bzw. 82‘ verbunden sind, auch zu der Messschaltung 40 hin geroutet, wie in 6 gezeigt. Die Kontakt-Pads 56 und 56‘ sind sehr nahe beim Transistors TS elektrisch mit der Basis B bzw. dem Emitter E des Bipolartransistors TS verbunden. Das leitfähige Pad 50, das eine Schirmung 50 zwischen der Kontaktschicht 35 und den Messleitungen 81, 82 und (sofern vorhanden) den Treiberleitungen 81‘, 82‘ (siehe 4, 5 und 7) bildet, ist in 9 auch gezeigt. Die Schirmung 50 kann als ein einzelnes leitfähiges Pad implementiert sein. Jedoch können auch zwei oder mehr separate Pads für denselben Zweck verwendet werden.
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Die hier beschriebenen Beispiele beziehen sich auf eine Temperaturmessanwendung, in der Messleitungen (z.B. Leitungen 81, 82) – die einen Temperatursensor (z.B. einen Temperatursensor TS) und eine Messschaltung verbinden, die dazu ausgebildet ist, ein an dem Sensor abgegriffenes Sensorsignal zu verarbeiten – durch zumindest einen Trench (z.B. Trench 70) geroutet werden und mittels eines leitfähigen Pads (z.B. Schirmung 50), das in einer Verdrahtungsschicht (z.B. Schicht 34) angeordnet ist, geschirmt werden. Es versteht sich, dass dieses Konzept jedoch auch verallgemeinert und für andere Zwecke als für die Temperaturmessung angewendet werden kann. Allgemein kann der Temperatursensor als erste Schaltung und die Messschaltung als zweite Schaltung aufgefasst werde, wobei erste Schaltung und zweite Schaltung mittels Verbindungsleitungen verbunden sind, welche in zumindest einem Trench angeordnet sind (analog zu den Mess- und Treiberleitungen, die unter Bezugnahme auf die hier diskutierten Ausführungsbeispiele beschrieben wurden) und mittels eines leitfähigen Pads, das die jeweiligen Trench(es) bedeckt, geschirmt sind.
