Halbleiter-Bauelement
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement mit einem Leistungsschalter, an den eine Last angeschlossen werden kann, und mit einer Senseschaltung und einer Auswerteschaltung zur Erfassung und Auswertung des durch den Leistungs- Schalter fließenden Laststroms.
Der elektrische Zustand eines Halbleiter-Leistungsschalters läßt sich durch Messung des durch diesen Leistungsschalter fließenden Laststroms charakterisieren. Derartige Strommessungen haben in' der Praxis im wesentlichen drei Funktionen. Erstens kann der Leistungsschalter im Fall der Detektion eines zu hohen Laststroms automatisch abgeschaltet werden. Durch Unterbrechung des Laststroms wird sowohl der Leistungsschalter selbst als auch die angeschlossene Last vor schädigenden Überströmen geschützt. Zweitens kann durch Messung des Laststroms und geeignete Rückkopplung des Meßsignals auf den Eingang des Lei- stungsschalters eine Strombegrenzung bzw. -regeiung realisiert werden, die einen konstanten Stromfiuss durch die Last und den Leistungsschalter ermöglicht. Drittens kann das jeweils aktuell gemessene Stromniveau auch als Stromstatussignal ausgegeben werden.
In der Druckschrift Z. J. Shen, S. P. Robb, „Monolithic Integration of the Vertical IGBT and Intelligent Protection Circuits", ISPSD 1996, Proceedings, Seiten 295 bis 298 wird ein Konzept für die Strommessung beschrieben, das sich als besonders geeignet für die monolithische. Integration eines Stromsensors, d. h . die Senseschaltung und die Auswerteschaltung, auf dem Leistungsschalter-Chip erwiesen hat. Die aus dieser Druckschrift bekannten Schaltungsanordnungen mit einem Lowside-Schalter werden in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Als steuerbare Leistungsschalter 402 (Fig. 1) bzw. 401 und 402 (Fig. 2) kommen D OS-Transistoren, Bipolartransistoren und Insulated Gate Bipolar Transistoren
(IGBT) in Betracht. Die mit den gestrichelten Linien umrandeten Strukturen sind jeweils auf einem Chip integriert. Über die Hochspannung führende Elektrode 22 ist eine Last 60 an den Leistungsschalter 402 bzw. 401/402 angeschlossen, die aus einem resistiven und/oder induktiven Element bestehen kann. Der Laststrom fließt von der Versorgungsspannungsquelle Vbat durch die Last 60 über die Hochspannung führende Elektrode 22 durch den Leistungsschalter 402 bzw. 401/402 über einen ohmschen Widerstand 16 und die Niederspannung führende Elektrode 21 zum Massepunkt. Mit Hilfe eines Eingangssignals am Kontakt 201 des Leistungsschalters 402 bzw. 401/402 kann der Laststrom gesteuert werden. Der ohmsche Widerstand 16 soll im folgenden als Sensewiderstand bezeichnet werden. Der Spannungsabfall über dem Sensewiderstand 16 dient hier als Maß für den Laststrom. Die Spannung über dem Sensewiderstand 16 wird an den Punkten 18A und 18B abgegriffen und einer Auswerteschaltung 17 über die Klemmen 101 und 102 zugeführt. Die Auswerteschaltung 17 kann nun ein den voranstehend ge- nannten Zielen der Stromsensierung entsprechendes Eingangssignal an der Elektrode 201 des Leistungsschalters 402 bzw. 401/402 generieren. Im Falle der De- tektion eines zu hohen Laststroms kann der Leistungsschalter 402 bzw. 401/402 abgeschaltet werden oder auch so geregelt werden, dass ein unschädlicher Stromfluss durch die Last 60 und den Leistungsschalter 402 bzw. 401/402 ge- währleistet ist. Schließlich kann die Auswerteschaltung 17 hier auch noch ein Stromstatussignal ausgeben.
Der zusätzliche Spannungsabfall am Sensewiderstand 16 erzeugt im Lastkreis einen erhöhten Energieverlust. Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante wird der Energieveriust dadurch verringert, dass der Leistungsschalter in zwei fiächenmä- ßig unterschiedlich große Teilzellen 401 und 402 aufgeteilt ist. Der Sensewiderstand 16 ist hier lediglich in den Massezweig der flächenmäßig kleineren Teilzelle 401 eingefügt, die im folgenden als Sensezelle bezeichnet wird. Der dadurch bedingte geringere Stromfluss durch den Sensewiderstand erzeugt auch einen ge- ringeren Energieverlust im Leistungsschalter insgesamt.
In der Praxis erweist sich das voranstehend erörterte Konzept als problematisch, was am Beispiel eines Bipolartransistors in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 nachfolgend erläutert wird. In diesen Figuren werden teilweise die gleichen Be-
zugszeichen verwendet wie in den Figuren 1 und 2, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Schaltungselemente bezeichnen.
Der Stromfluss durch den Sensewiderstand 16 setzt sich aus der Summe des Laststromes durch die Last 60, die Hochspannung führende Elektrode 22 und den Leistungsschalter 402 sowie den Ansteuerstrom über Anschluß 201 des Leistungsschalters 402 zusammen. Somit besteht z. B. für den Fall eines Bipolartransistors keine lineare Beziehung zwischen dem Laststrom und der Spannung am Sensewiderstand 16, so dass die Spannung am Sensewiderstand 16 den Last- ström nicht direkt repräsentiert. Dies erweist sich insbesondere bei Halbleiter- Bauelementen als problematisch, deren Stromfluss sich von der die Hochspannung führenden Elektrode aus im Bauelement in mehrere Strompfade zum Massepunkt hin aufteilt, bei denen aber lediglich ein Pfad für die Strommessung gemäß dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Sensierungskonzept zur Verfügung steht. Die Tatsache, dass der Zusammenhang zwischen Laststrom und Spannung am Sensewiderstand in diesen Fällen nicht linear ist, hat einen gravierenden Ein- fluss auf die Regelbarkeit des Laststroms, was anhand des in Fig. 4 dargestellten Leistungsbauelements mit zwei Strompfaden erläutert werden soll.
Das hier dargestellte Leistungsbauelement umfasst zwei pnp-Bipolartransistoren 601 und 602, deren Emitter 23 und 24 im Kontakt 25 verbunden sind und deren Basen 26 und 27 von einer gemeinsamen Elektronenquelle über Anschluss 19 angesteuert werden. Beide pnp-Bipolartransistoren 601 und 602 zeichnen sich durch verschiedene Verstärkungsfaktoren aus. Die Last 60 ist zwischen die Hoch- Spannung führende Elektrode 22, die den gemeinsamen äußeren Emitteran- schluss bildet, und die Versorgungsspannung Vbat geschaltet. In dem in Fig. 4 dargestellten Fall ist entsprechend dem bekannten Stromsensierungskonzept nur ein Sensewiderstand 16 an den Kollektor 29 des Bipolartransistors 602 gegenüber Masse geschaltet. Da der Kollektor 28 des Transistors 601 die Chip-Rückseite darstellt, kann hier kein Sensewiderstand zwischen den Kollektor 28 und die Masse geschaltet werden. Der Spannungsabfall am Sensewiderstand 16 repräsentiert hier also nur eine Komponente des durch den Leistungsschalter insgesamt fließenden Laststroms. Die zweite Komponente kann mit dem bisherigen Verfahren nicht gemessen oder bestimmt werden. Da es im allgemeinen auch kei-
nen einfachen mathematisch beschreibbaren Zusammenhang zwischen dem Strom durch den Sensewiderstand 16 und dem Laststrom durch den Leistungsschalter insgesamt gibt, kann der Laststrom mit dem bekannten Verfahren nicht zuverlässig bestimmt werden.
Dies wirkt sich insbesondere negativ auf den Entwurf einer Stromregelung aus. Bedingt durch die beiden Transistorpfade mit unterschiedlichen nicht linearen Zusammenhängen zwischen der jeweiligen Stromverstärkung und dem entsprechenden Kollektorstrom kann der Fall eintreten, dass der Strom durch den Sen- sewiderstand 16 abnimmt, während der Laststrom zunimmt. So kann die Stromverstärkung des Bipolartransistors 602 beispielsweise aufgrund der Hochinjektion abnehmen, während die Stromverstärkung des Bipolartransistors 601 mit dem Kollektorstrom noch ansteigt. Die Reduktion des Spannungsabfalls am Sensewiderstand 16 würde in diesem Falle eine Verringerung des Laststroms vortäuschen, obwohl der Laststrom weiterhin ansteigt. Eine sinnvolle Regelung des Laststroms durch den Leistungsschalter allein auf der Grundlage der über dem Sensewiderstand abgegriffenen Spannung ist hier also nicht möglich.
Es wird nun ein Halbleiter-Bauelement mit einem Leistungsschalter vorgeschla- gen, bei dem der durch den Leistungsschalter fließende Laststrom zuverlässig und mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Dies ermöglicht eine zuverlässige Abschaltung des Leistungsschalters im Falle von Überströmen, eine zuverlässige und genaue Regelung des Laststroms sowie die Ausgabe eines zuverlässigen Stromstatussignals.
Vorteile der Erfindung
Eine zuverlässige und genaue Messung des Laststroms durch den Leistungs- Schalter eines Halbleiter-Bauelements wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Senseschaltung hochspannungsseitig an den Leistungsschalter angeschlossen ist, also zwischen Last und Leistungsschalter geschaltet ist.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass auf diese Weise sehr einfach der gesamte Laststrom erfasst werden kann, unabhängig von einer etwaigen Stromaufteilung im Leistungsschalter in mehrere Strompfade. Erfindungsgemäß ist es also möglich, den tatsächlichen Laststrom zu erfassen und einer Stromregelung zu- grundezulegen, auch ohne quantitative Kenntnis der Stromaufteilung im Bauelement.
In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelements umfasst die Senseschaltung einen Sensewiderstand, der in Reihe mit der Last geschaltet ist. Der Laststrom kann dann einfach über den Spannungsabfall am Sensewiderstand ermittelt werden. Dazu wird die Spannung über dem Sensewiderstand als Sensesignal abgegriffen und der Auswerteschaltung des Halbleiter-Bauelements zugeführt. Im Extremfall kann die gesamte Senseschaltung also aus einem einzigen Sensewiderstand bestehen, der in einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelements monolithisch auf dem Chip des Leistungsschalters integriert ist. Der Sensewiderstand könnte in diesem Falle vorteilhafter Weise aus einem halbleitenden Material, vorzugsweise aus Po- lysilizium, gebildet sein. Alternativ könnte der Sensewiderstand aber auch in Form einer Metallisierung realisiert sein.
Im Hinblick auf einen Schutz der Auswerteschaltung vor Überströmen ist es von Vorteil, wenn das Sensesignal der Auswerteschaltung über hochohmige Widerstände zugeführt wird. Im Falle einer induktiven Last steigt das Potential an den Spannungsabgriffen über dem Sensewiderstand beim Abschalten des Leistungs- Schalters dynamisch rapide an, was ohne entsprechende Ausgestaltung der Zuführungen zu einer Zerstörung der Auswerteschaltung führen kann. Vorteilhafterweise sind auch diese hochohmigen Widerstände monolithisch auf dem Chip des Leistungsschalters integriert. Vorteilhafterweise sind die hochohmigen Widerstände in diesem Falle aus einem halbleitenden Material, vorzugweise aus Polysi- lizium, gebildet.
Im Hinblick auf eine Verringerung der Verlustenergie durch den Sensewiderstand ist es vorteilhaft, wenn der Leistungsschalter in einen flächenmäßig kleineren Teil und einen flächenmäßig größeren Teil aufgeteilt ist, wobei der flächenmäßig klei-
nere Teil die Sensezelle und der flächenmäßig größere Teil die Hautzelle des Leistungsschalters bildet. Der Sensewiderstand ist in diesem Falle zwischen die Last und die Sensezelle geschaltet, während die Hauptzelle direkt an die Last angeschlossen ist. Die Hauptzelle und die Sensezelle sollen vorzugweise ähnliche elektrische Arbeitspunkte' haben, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass der Spannungsabfall am Sensewiderstand klein gegenüber der Potentialdifferenz zwischen dem lastseitigen Spannungsabgriff am Sensewiderstand und Masse ist.
Die Sensezelle des erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelements kann z. B. im Fall eines IGBTs als Leistungsschalter grundsätzlich einen beliebigen Teil eines Anodenfingers des Leistungsschalters umfassen, wobei die Anodendiffusion des Anodenfingers zwischen der Sensezelle und der Hauptzelle unterbrochen ist, um die Sensezelle von der Hauptzelle zu trennen und einen Stromfluss parallel zum Sen- sewiderstand zu vermeiden. Im Hinblick auf ein einfaches und übersichtliches Layout ist es von besonderem Vorteil, wenn die Sensezelle die Spitze des Anodenfingers umfasst. Der Sensewiderstand kann dann einfach zwischen der Anodenmetallisierung der Sensezelle und der Anodenmetallisierung der Hauptzelle angeordnet werden.
Im Falle eines Bipolartransistors als Leistungsschalter erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Sensezelle einen Teil des Emitters des Bipolartransistors umfasst und der Sensewiderstand einerseits mit dem Emitter der Sensezelle und andererseits mit dem Emitter der Hauptzelle verbunden ist. Im Falle eines DMOS-Tran- sistors ist es von Vorteil, wenn die Sensezelle einen Teil des Draingebiets des DMOS-Transistors umfasst und der Sensewiderstand einerseits mit dem Draingebiet der Sensezelle und andererseits mit dem Draingebiet der Hauptzelle verbunden ist. Im Falle eines lateralen oder lateralen/vertikalen IGBTs erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Sensezelle einen Teil der Anode des IGBTs umfasst und der Sensewiderstand einerseits mit der Anode der Sensezelle und andererseits mit der Anode der Hauptzelle verbunden ist.
Wie bereits erwähnt, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden . Dazu ist
einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen, insbesondere Figuren 5 bis 9, zu verweisen.
Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Lowside-Schalter.
Fig. 2 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung, bei der der Leistungsschalter in zwei flächenmäßig sehr unterschiedlich große Teilzellen aufgeteilt ist.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 mit dem allgemeinen Fall als Leistungsschalter.
Fig. 4 zeigt die Struktur eines Leistungsbauelements mit zwei Strompfaden.
Fig. 5 zeigt die Schaltungsanordung eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelements.
Fig. 6 zeigt die Schaltungsanordnung eines weiteren erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelements.
Fig. 7 zeigt den Querschnitt durch die Struktur eines erfindungsgemäßen Halblei- ter-Bauelements mit einem IGBT als Leistungsschalter.
Fig. 8 zeigt die Aufsicht auf das in Fig. 7 im Querschnitt dargestellte Halbleiter- Bauelement.
Fig. 9 zeigt den Querschnitt zwischen der Anode und der Sensezelle des in den Figuren 7 und 8 dargestellten Halbleiter-Bauelements.
In den Figuren 5 bis 9 wurden bereits in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Schaltungselemente mit denselben Bezugszeichen versehen, wie in den Figuren 1 bis 4.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Leistungsschalter 503 kann es sich um einen IGBT oder auch einen DMOS-Transistor oder Bipolartransistor handeln. Im Gegensatz zu dem in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4 beschriebenen Stromsensierungs- konzept ist der Sensewiderstand 16 hier hochspannungsseitig an den Leistungsschalter 503 angeschlossen, so dass er in Reihe mit der Last 60 geschaltet ist. Der Laststrom wird über den Spannungsabfall am Sensewiderstand 16 erfässt, unabhängig von einer etwaigen Stromaufteilung im Leistungsschalter in mehrere Strompfade. Dazu sind die Spannungsabgriffe 42 und 301 vorgesehen, die über hochohmige Widerstände 501 und 502 an die Eingänge 101 und 102 der Auswerteschaltung 17 geführt sind. Die Auswerteschaltung 17 ermittelt aus dem den Spannungsabfall über dem Sensewiderstand 16 entsprechenden Sensesignal den tatsächlichen Laststrom und kann im Bedarfsfalle den Laststrom durch Generieren eines entsprechenden Eingangssignals an der Elektrode 201 des Leistungsschalters 503 regeln. Des Weiteren kann die Auswerteschaltung 17 ein Stromstatussignal am Ausgang 18 erzeugen. Durch die gestrichelte Linie wird angedeutet, dass der Leistungsschalter 503 zusammen mit dem Sensewiderstand 16, den hochohmigen Widerständen 501 und 502 und der Auswerteschaltung 17 auf ei- nem Chip monolithisch integriert ist. Der Sensewiderstand 16 und auch die hochohmigen Widerstände 501 und 502 könnten dazu aus Polysilizium hergestellt sein.
Wie bereits voranstehend erläutert, ist es im Hinblick auf die Verringerung der Verlustenergie günstig, den Leistungsschalter, wie in Fig. 6 dargestellt, in einen flächenmäßig kleineren Teil 402 und einen flächenmäßig größeren Teil 401 aufzuteilen, wobei der flächenmäßig kleinere Teil 402 eine Sensezelle bildet und hochspannungsseitig an den Sensewiderstand 16 angeschlossen ist, während der flächenmäßig größere Teil 401 die Hauptzelle des Leistungsschalters bildet und
hochspannungsseitig direkt mit der Last 60 verbunden ist. Dementsprechend fließt der größere Stromanteil durch den Leistungsschalter über den Hauptteil 401 , der lediglich am Knoten 42 mit dem Sensewiderstand 16 verbunden ist. Die Sensezelle 402, d. h. der flächenmäßig kleinere Teil des Leistungsschalters, wird aus einer Anodenfingerspitze gebildet und ist über den in Form eines Polysiliziumwi- derstandes realisierten Sensewiderstand 16 mit der Hauptzelle 401 , d. h. dem flächenmäßig größeren Teil des Leistungsschalters verbunden. Die Hauptzelle 401 und die Sensezelle 402 haben vorzugsweise ähnliche elektrische Arbeitspunkte, was einfach dadurch erreicht werden kann, dass der Spannungsabfall arn Sense- widerstand 16 klein gegenüber der Potentialdifferenz zwischen dem Knoten 42 und Masse ist. Auch im hier dargestellten Fall ist es also ohne quantitave Kenntnis der Stromaufteilung möglich, den Laststrom zu erfassen.
In Verbindung mit den Figuren 7 bis 9 wird nachfolgend ein konkretes Ausfüh- rungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Halbleiter-Bauelement beschrieben, wobei der Leistungsschalter durch einen IGBT mit lateralem und vertikalem Strompfad gebildet ist. Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch die Struktur dieses Bauelements. Der Anodenanschluss 42 des dargestellten IGBTs ist mit einer induktiven Last 60 verbunden, die von einer Versorungsspannungsquelle Vbat ge- speist wird. Der laterale Kathodenkontakt 43 des IGBTs und die Chip-Rückseite sind mit Masse verbunden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der IGBT auf einem p+-Substrat 49 mit einer niederohmigen p"-Epitaxieschicht 48 realisiert, an die sich ein n-RESURF-Gebiet anschließt. Alternativ könnte der IGBT aber auch auf einem p"-Substrat realisiert sein, in das durch eine entsprechende Diffu- sion auf der Waferrückseite eine p+-Schicht eingebracht worden ist und auf dem eine n-RESURF-Schicht an der Waferoberseite erzeugt worden ist. Im hier dargestellten Ausführunsbeispiel ist die Anode in Form einer p-Diffusion 47 und einer diese umschließenden n-Buffer-Diffusion 46 realisiert, um die Sperrfestigkeit des Bauelements zu erhöhen. Die laterale Kathode ist in Form einer p-Diffusion 44 und einem n-Gebiet 45 innerhalb der p-Diffusion 44 gebildet. Durch Anlegen einer positiven Spannung an das Gate 41 des IGBTs über die Leitung 201 bildet sich an der Halbleiteroberfläche unterhalb des Gates 41 in der p-Diffusion 44 eine Inversionsschicht aus, so dass Elektronen in das n-RESURF-Gebiet 50 injiziert werden können. Daraufhin antwortet die Anoden-p-Difffusion 47 mit einer Injektion von Lö-
ehern in das n-RESURF-Gebiet 50 und in die p"-Epitaxieschicht 48, wobei sich durch Hochinjektion eine Leitfähigkeitsmodulation in beiden Gebieten ergibt. Der Laststrom teilt sich dabei im Bauelement in einen vertikalen und einen lateralen Strompfad auf.
Fig. 8 zeigt die Auffsicht auf die in Fig. 7 dargestellte Endstufe und verdeutlicht die geometrische Anordnung des monolithisch in einen Chip integrierten IGBTs mit einer Hauptzelle 401 und einer Sensezelle 402 sowie des in denselben Chip integrierten Sensewiderstandes 16. Die Sensezelle 402 wird hier aus der Spitze eines Anodenfingers gebildet, dessen Metallisierung 403 über den Sensewiderstand 16 mit der Anodenmetallisierung 404 der Hauptzelle 401 verbunden ist. Fig. 9 zeigt den Querschnitt durch das in den Figuren 7 und 8 dargestellte Halbleiter-Bauelement zwischen der Anode der Sensezelle 402 und der Anode der Hauptzelle 401. Die Anordnung der Anodendiffusionen und Halbleiterschichtfolgen wurde bereits in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben. Unterhalb des Sensewiderstandes 16 sind der n-Buffer 46 und die p-Anodendiffusion 47 unterbrochen, was mit den Bezugszeichen 46A und 46B sowie 47A und 47B angedeutet ist. Auf diese Weise werden die Sensezelle 402 und die Hauptzelle 401 voneinander getrennt, um einen parallelen Stromfluss zum Sensewiderstand 16 zu vermeiden. Der Sensewiderstand 16 besteht im hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus Polysilizium, das auf einem Feldoxyd 15 über dem n-RESURF-Gebiet 50 abgeschieden und strukturiert ist. Die Anodenmetallisierungen 403 und 404 werden über Kontaktlöcher 403B und 404B an den Sensewiderstand 16 angeschlossen. Aus Fig. 8 ergibt sich, dass die Anodenmetallisierungen 403 und 404 an ihren Enden Verrundungen aufwei- sen, um die Sperrfähigkeit des Leistungsbauelements nicht zu begrenzen.