DE10355585A1

DE10355585A1 - Halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE10355585A1
Application number: DE2003155585
Authority: DE
Inventors: Jenö Dr. Tihanyi
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Ein Halbleiterbauteil (1) weist auf: ein Substrat (2), in/auf dem ein Zellenfeld (5), das mehrere Halbleiter-Funktionselemente (6¶1¶ bis 6¶4¶) aufweist, vorgesehen ist, und eine in das Halbleiterbauteil (1) integrierte Temperatur-Erfassungseinrichtung. Die Temperatur-Erfassungseinrichtung ist in Form von wenigstens einer pn-Halbleiterdiode realisiert, die im/unter dem Zellenfeld (5) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil.
Leistungs-Halbleiterbauteile weisen im Allgemeinen ein Substrat auf, in bzw. auf dem ein Zellenfeld vorgesehen ist. Das Zellenfeld umfasst mehrere Halbleiter-Funktionselemente, beispielsweise Transistoren oder Dioden, die parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sein können.

Um einer Überhitzung des Halbleiterbauteils vorzubeugen, ist es bekannt, eine Temperatur-Erfassungseinrichtung (einen Temperatursensor) in Form eines p/n-Gebiets oder eines Bipolartransistors in das Zellenfeld zu platzieren. Der Temperatursensor wird hierbei durch eine Temperatursensor-Randstruktur umschlossen und damit vom Zellenfeld getrennt. Die Trennung des Temperatursensors vom Zellenfeld hat zum Nachteil, dass das durch den Temperatursensor erzeugte Temperatursignal mit Fehlern behaftet ist, da der Temperatursensor aufgrund der Randstruktur einen gewissen Abstand zum Zellenfeld aufweist und damit kälter als das Zellenfeld ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist, ein Halbleiterbauteil mit integrierter Temperatur-Erfassungseinrichtung anzugeben, die möglichst unverfälschte Temperatursignale liefert.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauteil gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil weist ein Substrat auf, in/auf dem ein Zellenfeld, das mehrere Halbleiter-Funk tionselemente aufweist, vorgesehen ist. Ferner ist in das Halbleiterbauteil eine Temperatur-Erfassungseinrichtung integriert, die in Form von wenigstens einer pn-Halbleiterdiode realisiert ist. Die pn-Halbleiterdioden sind in/unter dem Zellenfeld vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Temperatur-Erfassungseinrichtung ist nicht mehr durch eine Randstruktur vom Zellenfeld getrennt, sondern ist Teil des Zellenfelds selbst bzw. grenzt direkt an das Zellenfeld an. Durch den Verzicht auf die Temperursensor-Randstruktur kann der Abstand der als Temperatursensor dienenden pn-Halbleiterdioden von dem Rest des Zellenfelds so gehalten werden, dass dieser wesentlich kleiner als die Dicke des Halbleiterbauteils ist. Damit wird eine unverfälschte Temperaturmessung ermöglicht.

Vorzugsweise ist der pn-Übergang wenigstens einer Halbleiterdiode durch einen Übergang zwischen einem in das Substrat integrierten p- bzw. n-Gebiet und dem Substrat, das zu diesem Gebiet invers dotiert ist, ausgebildet. Das p- bzw. n-Gebiet dieses pn-Übergangs ist hierbei vorzugsweise ein Teil einer deaktivierten Zelle des Zellenfelds, die zur Temperaturmessung "zweckentfremdet" wird. Das p/n-Gebiet kann eine streifen-, gitter- oder mäanderähnliche Form aufweisen. Die Geometrie bzw. Dotierung des p/n-Gebiets sollte so ausgelegt sein, dass die Feldverteilung eines in dem Halbleiterbauteil ausgebildeten elektrischen Felds nicht oder nur gering beeinflusst wird, wenn das p/n-Gebiet auf ein Potenzial gelegt wird, das in etwa der Sourcespannung eines Transistor-Funktionselements entspricht.

Die zur Ausbildung der Halbleiterdioden dienenden p/n-Gebiete werden vorzugsweise am Rand des Zellenfelds kontaktiert, womit die Geometrie der Metallisierung des Halbleiterbauteils nur geringfügig gestört wird.

Die Temperaturmessung erfolgt durch Ermitteln der Sperrströme der jeweiligen Halbleiterdioden, wobei jeder Sperrstrom ein Maß für die an der zugehörigen Halbleiterdiode vorherrschende Temperatur darstellt.

Die Erfindung kann auf beliebige Halbleiterbauteile angewandt werden, insbesondere auf PROFET-, MOSFET-, CoolMOS- oder Power-IC-Strukturen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils,
2 eine bevorzugte Ausführungsform eines ersten Teils einer Temperatur-Auswerteelektronik gemäß der Erfindung,
3 eine bevorzugte Ausführungsform eines zweiten Teils einer Temperatur-Auswerteelektronik gemäß der Erfindung.
In den Zeichnungen sind identische bzw. einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
Ein Halbleiterbauteil 1 weist ein Substrat 2, das aus einer n⁺-Schicht 3 und einer n-Schicht 4 besteht, sowie ein Zellenfeld 5 auf. In dem Zellenfeld 5 sind mehrere Halbleiter-Funktionselemente 6₁ bis 6₄ , die in diesem Fall Transistoren sind, vorgesehen. Jedes der Halbleiter-Funktionselemente 6₁ bis 6₄ weist zwei der Sourcegebiete 7₁ bis 7₈ , und eines der Körpergebiete 8₁ bis 8₄ auf. Weiterhin sind mehrere Gatebereiche 9₁ bis 9₆ vorgesehen, die miteinander verbunden sind und mittels einer Oxidschicht 10 von den Sourcegebieten 7₁ bis 7₈ elektrisch isoliert sind. Der Vorderseitenkontakt des Halbleiterbauteils 1 wird durch eine Metallschicht 11, vorzugsweise aus Aluminium bestehend, gebildet.
Erfindungsgemäß sind in dem Halbleiterbauteil 1 p-dotierte Gebiete vorgesehen, die zusammen mit dem sie umgebenden Teil des Substrats 2 jeweils eine pn-Halbleiterdiode ausbilden. So ist in die n-Schicht 4 ein erstes p-Gebiet 12 und ein zweites p-Gebiet 13 integriert (vorzugsweise unmittelbar unter dem Zellenfeld). Das erste und zweite p-Gebiet 12, 13 bilden mit dem sie umgebenden Teil der n-Schicht 4 Halbleiterdioden, deren Sperrstrom ein Maß für die an den p-Gebieten 12, 13 vorherrschenden Temperatur ist. Die p-Gebiete 12, 13 sind eigens zum Zweck der Temperaturmessung vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, bereits vorhandene pn-Übergänge zu nutzen, was beispielsweise durch ein drittes p-Gebiet 14 ausgenutzt wird. Dieses p-Gebiet 14 ist eigentlich als p-dotiertes Körpergebiet vorgesehen, wird also zum Zweck der Temperaturmessung "zweckentfremdet". Das dritte p-Gebiet 14 stellt somit einen Teil einer "deaktivierten" Zelle, d.h. ein Teil eines deaktivierten Halbleiter-Funktionselements dar, die sich zwischen aktiven Zellen befindet (Halbleiter-Funktionselemente 6₁ bis 6₄ ). Wie 1 zu entnehmen ist, sind in das dritte p-Gebiet 14 keine Sourcegebiete integriert. Oberhalb des dritten p-Gebiets 14 kann ein Gatebereich vorgesehen sein, der jedoch auch durch eine Oxidschicht ersetzt werden kann.
In 2 ist eine mögliche Ausführungsform eines ersten Teils einer Temperatur-Erfassungselektronik gezeigt. Der Sperrstrom einer Halbleiterdiode wird bezogen auf eine negativere Spannung als die einer Sourcespannung des Halbleiterbauteils 1 gemessen. Hierzu kommt ein Verstärker A zum Einsatz.
In 3 ist eine Schaltung gezeigt, mittels der das durch die in 2 gezeigte Schaltung erfasste Temperatursignal TS ausgewertet werden kann. Hierzu dienen vier MOSFET-Transistoren T₁₁ bis T₁₄, die den Verstärker bilden. Eine Zenderdiode Z₂₂ bestimmt –Δ V. Eine AV-Vorspannung wird durch eine Stromquelle und eine Zenerdiode generiert. Natürlich sind andere Schaltungsausführungsformen ebenso möglich.
Wird die Erfindung auf CoolMOS-Strukturen angewandt, kann beispielsweise ein Temperatursensor-Gitter mit p-Säulen, die getrennt ausgeführt werden, realisiert werden.

1: Halbleiterbauteil
2: Substrat
3: n⁺-Schicht
4: n-Schicht
5: Zellenfeld
6₁ bis 6₄: Halbleiter-Funktionselemente
7₁ bis 7₈: Sourcegebiete
8₁ bis 8₄: Körpergebiete
9₁ bis 9₆: Gatebereiche
10: Oxidschicht
11: Metallschicht
12 bis 14: erstes bis drittes p-Gebiet

Claims

Halbleiterbauteil (1) mit: – einem Substrat (2) in/auf dem ein Zellenfeld (5), das mehrere Halbleiter-Funktionselemente (6₁ bis 6₄ ) aufweist, vorgesehen ist, – einer in das Halbleiterbauteil (1) integrierten Temperatur-Erfassungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Erfassungseinrichtung in Form von wenigstens einer pn-Halbleiterdiode realisiert ist, die in/unter dem Zellenfeld (5) vorgesehen ist.
Halbleiterbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Übergang wenigstens einer Halbleiterdiode durch einen Übergang zwischen einem in das Substrat integrierten p- bzw. n-Gebiet (12, 13, 14) und dem Substrat (2), das zu diesem Gebiet (12, 13, 14) invers dotiert ist, ausgebildet wird.
Halbleiterbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Temperatur-Erfassungseinrichtung Sperrströme der jeweiligen Halbleiterdioden ermittelbar sind und darauf basierend auf die an den Halbleiterdioden vorherrschenden Temperaturen schließbar ist.
Halbleiterbauteil (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das p/n-Gebiet (12, 13, 14) eine streifen-, gitter- oder mäanderähnliche Form aufweist.
Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die p/n-Gebiete (12, 13, 14) am Rand des Zellenfelds (5) kontaktiert werden.
Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) ein PROFET, ein MOSFET, eine CoolMOS-Struktur oder ein Power-IC ist.