JP2017092466A

JP2017092466A - 半導体デバイス及び半導体デバイスの製造方法並びに車両用制御装置

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Publication number: JP2017092466A
Application number: JP2016214893A
Authority: JP
Inventors: フォンエムデンヴァルター; Von Emden Walter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2017-05-25
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: DE102015221376A1; CN107068738A; CN107068738B; JP6861498B2

Abstract

【課題】半導体デバイス及びその製造方法並びに車両用制御装置を提供する。
【解決手段】ソースコンタクト１２とドレイン領域１４とフィールドプレート２０とを有する半導体デバイス１０、特にパワーＭＯＳＦＥＴでは、ドレインとフィールドプレートとの間の容量を測定するために、フィールドプレートに電気的に接続されたフィールドプレート端子２６が設けられる。フィールドプレートは、ソースコンタクトには電気的に接続されていない。求められた容量Ｃ_ｄｓを、半導体デバイスを通って流れる電流Ｉ_ｄｓへ変換することにより、電流を測定する。励起及び測定回路２８によって、フィールドプレート端子に対する低い励起電圧のシステム応答から電流強度Ｉ_ｄｓが求められる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体デバイス、好ましくはパワーＭＯＳＦＥＴエレメント及び半導体デバイスの製造方法並びに車両用制御装置に関する。

従来技術
例えば機関制御のためのパワーエレクトロニクスシステムでは、システムを制御する相電流が決定的な意義を有する。スイッチング過程中の過度に高い電流は、エレメントのブレークダウンを引き起こすことがあり、場合によってはエレメントを破壊してしまう。従って、多くの場合、電流が例えば短絡によって測定される。相電流を短絡によって測定する場合、ＤＢＣ（ダイレクトボンデッドカッパー）上又はリードフレーム上にこのための付加的な面積が必要となる。また、短絡にともなって別の素子も必要となり、これも同様にコスト増大の原因となる。

このため、電流輸送が行われる半導体で直接に電流を測定するコンセプトが開発されてきた。米国特許出願第２００８／００８８３５５号明細書（US2008/0088355A1）からは、例えば、機能性の負荷領域から幾つかのトランジスタセルを分割し、これらをいわゆる「センス領域」として専らトランジスタを流れる電流の検出に利用することが公知である。

別の手段として、ゲート電圧及びドレイン電圧を正確に測定することが挙げられる。ここから、デバイスの特性曲線とともに電流も求めることができる。この方法で問題となるのは、例えばはんだ劣化等に起因して時間の経過とともに発生する組立及び接続技術ＡＶＴ上の変化により、チップオン抵抗Ｒ_ｏｎが時間の経過とともに変化することである。この場合、正確な電流測定が不可能となる。

米国特許出願第２００８／００８８３５５号明細書

発明の開示
本発明により、半導体基板を備えた半導体デバイスが提供される。当該半導体デバイスは、少なくとも一つのソースエレメントと、少なくとも一つのドレインエレメントと、少なくとも一つのゲートエレメントと、少なくとも一つのフィールドプレートとを備える。本発明に係る半導体デバイスは、少なくとも一つのフィールドプレートが少なくとも一つのソースエレメントから電気的に絶縁されており、かつ、フィールドプレート端子を介して半導体デバイスの外部から電気的に接続可能であることを特徴とする。

半導体デバイスは、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ即ちMetal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）であり得る。半導体基板は、例えば、シリコン基板もしくは他の半導体基板又はシリコン‐オン‐インシュレータ基板（ＳＯＩ基板）であってよい。

半導体デバイスにおけるフィールドプレート及びその使用は、従来技術から広く公知である。この場合、活性の半導体領域から電気的に絶縁され、通例、ソース電極に短絡されるエレメントは、導電性材料、例えば金属又はポリシリコンから形成されるエレメントである。フィールドプレートは、通例、ドリフトゾーンの、空間的に直接近傍に配置される。フィールドプレートは、ドリフトゾーンでの電荷の補償に用いられ、そのドープによってドリフトゾーンでの電荷担体濃度が制御される。フィールドプレートによりドリフトゾーンでの高濃度のドープが可能となり、デバイスのスイッチオン状態での抵抗が低下するが、同時に半導体デバイスの確実な動作に必要な高いブレークダウン電圧が維持される。

本発明に係る半導体デバイスは、特に、車両用制御装置を実現するのに適する。

本発明に係る半導体デバイスのソースからドレインへの電流を測定する方法は、基本的に、
ａ．半導体デバイスのフィールドプレートに接続されたフィールドプレート端子に電圧を印加することにより、フィールドプレートを励起するステップと、
ｂ．半導体デバイスのフィールドプレートとソースエレメントとの間の時間依存性の容量Ｃ_ｄｓを求めるステップと、
ｃ．求められた容量Ｃ_ｄｓに基づいて、半導体デバイスのソースエレメントとドレインエレメントとの間を流れる電流Ｉ_ｄｓを求めるステップと、
を含む。

発明の利点
本発明に係る半導体デバイスは、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ等の既存のデバイスに対して高度の互換性を有する。斯かるデバイスでは、必要な総ての構造体が既に設けられていることが多いので、フィールドプレート端子を付加的に形成するだけでよい。適切な励起回路及び評価回路も従来技術から同様に公知である。

さらに、半導体の活性領域に付加的なスペースを設ける必要はない。また、活性のセルの機能をセンサセルの機能へ切り換える必要もない。外部の電流センサ又はシャントも同様に不要である。なお、電流の測定は、組立及び接続技術等の構成に依存しないし、ランダムな要素又は時間的に可変の要素ひいては測定における不正確性がもたらす減損又は劣化にも依存しない。これら総ての点において、本発明に係る半導体デバイス及び本発明に係る製造方法は、従来技術から公知の手段を凌駕する。

さらに、半導体デバイスは、それぞれ並列接続された複数のソースエレメント及び複数のドレインエレメント及び複数のゲートエレメント並びに複数のフィールドプレートを含み得る。斯かる装置により、高電流及び場合により高電圧を切り換え可能なデバイス、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（即ちPower MOSFET）を切り換えることが可能である。

これに代えて、有利には、複数のフィールドプレートのうちの少なくとも幾つかのフィールドプレートはフィールドプレート端子に電気的に接続されているのに対して、残余のフィールドプレートはソースエレメントに電気的に接続されるように構成してもよい。この場合、フィールドプレート端子に対してより少ない数のコンタクトを形成すればよいが、電流を測定する信号の利得は同等にとどまる。なお、電流測定に使用されるフィールドプレートの数が多い方が、測定すべき全体容量が増大するので、信号対雑音比が改善されることになる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、半導体デバイスが垂直構造を有するように構成される。斯かる構造は、パワーデバイスに対して有利である。垂直構造では、ブレークダウン電圧は、チャネル寸法に一義的には依存せず、特にドリフトゾーンのドープ状態及び寸法に依存する。このことは電圧耐性を要するパワーデバイスにとって有利である。

特に好ましくは、半導体デバイスが少なくとも一つのトレンチを備えたトレンチ構造を有し、各トレンチ内に少なくとも一つのゲートエレメントとフィールドプレートとが設けられる。斯かる構成により、スイッチング速度に大きく影響するＭＯＳＦＥＴのミラー容量を著しく低減することができる。

本発明の別の実施形態では、ゲート端子が、ソースエレメントとフィールドプレートとの間の容量を測定する測定回路に接続される。斯かる回路を用いて、デバイスを通って流れる電流、即ち、ソースからドレインへ流れる電流Ｉ_ｄｓを容易に測定することができる。相応の回路は従来技術から公知であり、必要に応じてフレキシブルに補充可能である。

代替的な実施形態では、ソースエレメントとフィールドプレートとの間の容量を測定する測定回路が、半導体デバイスとともに、共通のチップ上に配置される。特に、測定ロジック即ち測定回路を同じ半導体基板上に配置することができる。この場合、電流測定機能部が集積された特にコンパクトな構成が得られる。

有利には、測定回路は、例えば小さなオフセット電圧によってフィールドプレート端子を電気的に励起する活性回路を含む。斯かる活性回路により、求めるべき容量を特に正確に測定することができる。即ち、この場合、フィールドプレート端子に生じる電圧の簡単な測定とは異なり、より高い測定精度が得られるので、本来の関心測定量即ち電流Ｉ_ｄｓもより高精度に求めることができる。

本発明に係る方法の有利な別の実施形態では、電流Ｉ_ｄｓを求めるため、求められた容量Ｃ_ｄｓが比例電圧へ変換されるように構成される。当該電圧は、電流Ｉ_ｄｓの値に対して単純な関係を有するので、この電圧から電流Ｉ_ｄｓを容易に求めることができる。

本発明に係る有利な実施形態は、各従属請求項に示されており、以下の説明に記載されている。

本発明の実施形態を図示し、以下に詳細に説明する。
従来技術から公知の半導体デバイスの断面図である。本発明に係る半導体デバイスの断面図である。従来技術から公知の半導体デバイスの等価回路図である。本発明に係る半導体デバイスの等価回路図である。従来技術から公知の、容量Ｃ_ｄｓを測定する測定回路を示す図である。従来技術から公知の、容量Ｃ_ｄｓを測定する測定回路を示す図である。Ｕ_ｄｓとＣ_ｄｓとの依存関係を示すグラフである。

発明の実施の形態
図１には、トレンチ構造即ち溝構造を有する従来技術から公知のパワーＭＯＳＦＥＴ（即ちPower MOSFET）の断面が示されている。このデバイスは、ヴァーティカルエレメント、即ち、ソース及びドレインが垂直方向に上下に位置するエレメントであり、これに対して、従来のラテラルエレメントではソース及びドレインが相互に水平方向に間隔を置いて位置する。対応して電流Ｉ_ｄｓも、図示の例では、半導体デバイス１０を通って垂直方向に流れる。

図から分かるように、図の上方領域にソースコンタクト１２、図の下方領域にドレイン領域１４が存在している。また、二つのトレンチ１６が示されており、各トレンチ内にゲート電極１８とフィールドプレート２０とが一つずつ設けられている。任意の数のさらなるトレンチを設けることもできるが、図１では半導体デバイス１０の一部分しか示されていないため、斯かるトレンチは見えない。従来技術から公知の例では、フィールドプレート２０とソースコンタクト１２とが導電性の接続線路２２によって短絡される。二つのフィールドプレート２０は図示されていない接続線路によって同様に相互に導電接続されているので、フィールドプレート２０は双方ともソース電位に置かれる。

図２には、図１の例にほぼ対応する本発明の実施形態が示されている。従って、格別のことわりがない限り、ここで説明する総ての特性は、本発明に係る半導体デバイス１０にも該当する。この場合も、ソースコンタクト１２、ドレイン領域１４、複数のトレンチ１６、複数のゲート電極１８及び複数のフィールドプレート２０が示されている。図１と異なるのは、フィールドプレート２０とソースコンタクト１２とが相互に接続されていない点である。より正確には、フィールドプレート２０は、接続線路２４を介してフィールドプレート端子２６に接続されている。このことが図１との唯一の構造的な相違点である。従って、本発明は、理想的には既存の製造プロセスに組み込み可能であることが明らかである。複数のフィールドプレート２０が設けられる場合、総てのフィールドプレート２０を相互に電気的に接続することができる。これに代えて、複数のフィールドプレートの任意の一部ずつのみを相互に接続してもよい。この場合、第１の一部をソースコンタクト１２に接続し、第２の一部をフィールドプレート電極又はフィールドプレート端子２６に接続することができる。

さらに、測定すべき容量Ｃ_ｄｓと電流測定回路２８とが記号的に示されている。

図３には、図１に示されているのと同様の従来の半導体デバイスの内部の接続状態が示されている。フィールドプレート２０は、ここでもソースコンタクト１２に短絡されている。また、ゲートコンタクト３０及びソースコンタクト３２も示されている。

図４には、比較のために、図２に示されている本発明の実施形態での内部の接続状態が示されている。ソースコンタクト１２とフィールドプレート２０とは接続されていない。その代わりに、フィールドプレート２０は、フィールドプレート端子２６に接続されている。また、励起回路によってフィールドプレート端子２６に印加可能な励起電圧が波線で記号的に示されている。

図５，図６には、容量Ｃ_ｄｓを測定する測定回路２８の二つの例が示されている。図５に示されている回路２８はいわゆる「カウンタベース」回路である。図６には「チャージベース」回路が示されている。これらの回路は双方とも従来技術に属しており、ここでは単に例として挙げられているのみであって、容量Ｃ_ｄｓを求めることができるものであれば他の任意のあらゆる手法又は回路も同様に適する。適切な励起及び測定回路２８は、例えば、１０ｍＶから１００ｍＶまでの範囲、好ましくは３０ｍＶから５０ｍＶまでの範囲の小さな信号での励起をフィールドプレート２０に対して行うことができる。これにより容量の変化を検出可能である。次いで、測定回路２８において、当該容量が比例出力電圧へ変換される。励起電圧はあまり大きくなってはならない。なぜなら、電圧が増大するにつれて、ドリフト領域に対するフィールドプレート２０の効果が低下し、そのためにデバイス１０のブレークダウンが起こり易くなりかねないからである。

容量Ｃ_ｄｓは、電流に応じてドレイン領域に生じるドレイン電圧Ｕ_ｄｓに依存する。図７には、電圧Ｕ_ｄｓと容量Ｃ_ｄｓ（図ではＣＦＰ−Ｄと称されている）との依存関係を明らかにするグラフが示されている。図示のグラフの形状には専ら半導体の特性のみが関係しており、このため、外部影響又は例えばはんだ劣化等の経時変化はほとんど意義を有さない。斯かる依存関係が既知であれば、容易に、測定された容量から発生している電圧を求め、そこから電流Ｉ_ｄｓを求めることができる。

本発明の別の実施形態では、フィールドプレート端子が、ソースエレメントとフィールドプレートとの間の容量を測定する測定回路に接続される。斯かる回路を用いて、デバイスを通って流れる電流、即ち、ソースからドレインへ流れる電流Ｉ_ｄｓを容易に測定することができる。相応の回路は従来技術から公知であり、必要に応じてフレキシブルに補充可能である。

Claims

半導体基板と、少なくとも一つのソースエレメント（１２）と、少なくとも一つのドレインエレメント（１４）と、少なくとも一つのゲートエレメント（１８）と、少なくとも一つのフィールドプレート（２０）とを備えた半導体デバイス（１０）において、
前記少なくとも一つのフィールドプレート（２０）は、前記少なくとも一つのソースエレメント（１２）から電気的に絶縁されており、かつ、フィールドプレート端子（２６）を介して前記半導体デバイス（１０）の外部から電気的に接続可能である、
ことを特徴とする半導体デバイス（１０）。
前記半導体デバイス（１０）は、それぞれ並列接続された複数のソースエレメント（１２）及び複数のドレインエレメント（１４）及び複数のゲートエレメント（１８）並びに複数のフィールドプレート（２０）を含む、
請求項１に記載の半導体デバイス（１０）。
前記複数のフィールドプレート（２０）のうちの少なくとも幾つかのフィールドプレート（２０）は前記フィールドプレート端子（２６）に電気的に接続されているのに対して、残余のフィールドプレート（２０）は前記ソースエレメント（１２）に電気的に接続されている、
請求項２に記載の半導体デバイス（１０）。
前記半導体デバイス（１０）は、垂直構造を有する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体デバイス（１０）。
前記半導体デバイス（１０）は、少なくとも一つのトレンチ（１６）を備えたトレンチ構造を有しており、前記トレンチ（１６）内に前記少なくとも一つのゲートエレメント（１８）及び前記フィールドプレート（２０）が設けられている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体デバイス（１０）。
ゲート端子（２６）は、前記ドレインエレメント（１４）と前記フィールドプレート（２０）との間の容量を測定する測定回路（２８）に接続されている、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体デバイス（１０）。
前記ドレインエレメント（１４）と前記フィールドプレート（２０）との間の容量を測定する前記測定回路（２８）は、前記半導体デバイス（１０）とともに、共通のチップ上に配置されている、
請求項６に記載の半導体デバイス（１０）。
前記測定回路（２８）は、前記フィールドプレート端子（２６）を電気的に励起するための活性回路を含む、
請求項６又は７に記載の半導体デバイス（１０）。
半導体デバイス（１０）のソースからドレインへの電流を測定する方法であって、
ａ．前記半導体デバイス（１０）のフィールドプレート（２０）に接続されたフィールドプレート端子（２６）に電圧を印加することにより、前記フィールドプレート（２０）を励起するステップと、
ｂ．前記半導体デバイス（１０）の前記フィールドプレートとドレインエレメント（１４）との間の時間依存性の容量Ｃ_ｄｓを求めるステップと、
ｃ．求められた容量Ｃ_ｄｓに基づいて、前記半導体デバイスのソースエレメントとドレインエレメントとの間を流れる電流Ｉ_ｄｓを求めるステップと、
を含む、方法。
前記電流Ｉ_ｄｓを求めるために、前記求められた容量Ｃ_ｄｓを比例電圧へ変換する、
請求項９に記載の方法。
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体デバイス（１０）を少なくとも一つ含む、車両用制御装置。