DE102014116773A1 - Halbleitervorrichtung und Bipolartransistor mit isoliertem Gate mit Transistorzellen und Sensorzelle - Google Patents

Halbleitervorrichtung und Bipolartransistor mit isoliertem Gate mit Transistorzellen und Sensorzelle Download PDF

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Abstract

Ein Transistorzellbereich (610) einer Halbleitervorrichtung (500) umfasst Transistorzellen (TC), die elektrisch mit einer ersten Lastelektrode (310) verbunden sind. Ein inaktiver Bereich (630) umfasst eine Gateverdrahtungsstruktur (330), die elektrisch mit Gateelektroden (150) der Transistorzellen (TC) verbunden ist. Ein Übergangsbereich (620), der sandwichartig zwischen dem Transistorzellbereich (610) und dem inaktiven Bereich (630) angeordnet ist, umfasst wenigstens eine Sensorzelle (SC), die elektrisch mit einer Sensorelektrode (340) verbunden ist. Die Sensorzelle (SC) leitet in einem Einschaltzustand der Transistorzellen (TC) einen unipolaren Strom ab.

Description

  • HINTERGRUND
  • Halbleiterschaltvorrichtungen für Leistungsanwendungen umfassen Transistorzellarrays bzw. -anordnungen mit einer Vielzahl von Transistorzellen, die elektrisch parallel angeordnet sind. Die Transistorzellen steuern einen Laststrom in einem Lastpfad der Leistungsanwendung. Sensortransistorzellen, die in das Zellarray integriert sind, erfassen einen Strom durch einen Sensorpfad. Die Transistor- und Sensorzellen können gemeinsam angesteuert werden. Auf der Grundlage von Spannungsdifferenzen in den Sensor- und Lastpfaden kann eine Überstromerfassungsschaltung den durch die Transistorzellen fließenden Strom abschätzen und die Halbleiterschaltvorrichtung abschalten, wenn der abgeschätzte Laststrom eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
  • Es ist wünschenswert, einen Laststrom bei geringer Komplexität und geringer Einbuße an Bauteil-Performance genau zu erfassen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere Ausführungsbeispiele.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung einen Transistorzellbereich mit Transistorzellen, wobei die Transistorzellen elektrisch mit einer ersten Lastelektrode verbunden sind. Ein inaktiver bzw. untätiger Bereich umfasst eine Gateverdrahtungsstruktur, die elektrisch mit Gateelektroden der Transistorzellen verbunden ist. Ein Übergangsbereich, der sandwichartig zwischen dem Transistorzellbereich und dem inaktiven Bereich angeordnet ist, umfasst eine Sensorzelle, die elektrisch mit einer Sensorelektrode verbunden ist. Die Sensorzelle leitet während eines Einschaltzustandes der Transistorzellen einen unipolaren Strom ab.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate einen Transistorzellbereich mit Transistorzellen, wobei die Transistorzellen elektrisch mit einer ersten Lastelektrode verbunden sind. Ein inaktiver Bereich umfasst eine Gateverdrahtungsstruktur, die elektrisch mit Gateelektroden der Transistorzellen verbunden ist. Ein Übergangsbereich, der sandwichartig zwischen dem Transistorzellbereich und dem inaktiven Bereich angeordnet ist, umfasst eine Sensorzelle, die elektrisch mit einer Sensorelektrode verbunden ist. Die Sensorzelle führt während eines Einschaltzustandes der Transistorzellen einen unipolaren Strom.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1A ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen, die Sensorzellen betreffen, wobei der Querschnitt durch eine Sensorzelle schneidet.
  • 1B ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsabschnitts von 1A parallel zu dem Querschnitt von 1A, wobei der Querschnitt durch eine Absaugzelle schneidet.
  • 1C ist eine schematische Draufsicht des Halbleitervorrichtungsabschnitts von 1A, 1C.
  • 1D ist ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Leistungsabschnitts der Halbleitervorrichtung von 1A, 1C und 1D.
  • 2A ist ein schematisches Diagramm, das zum Veranschaulichen von Effekten der Ausführungsbeispiele eine Korrelation zwischen einem unipolaren Strom durch eine Sensorzelle und einem bipolaren Laststrom durch Transistorzellen zeigt.
  • 2B ist eine schematische Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel bezüglich eines Bond- bzw. Verbindungsdrahtes, der eine Sensorzelle mit einer Lastelektrode verbindet.
  • 3A ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das sich auf Transistorzellen mit streifenförmigen Zellmesas bezieht.
  • 3B ist eine schematische Draufsicht des Halbleitervorrichtungsabschnitts der 3A.
  • 4A ist eine schematische vertikale Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das sich auf Transistorzellen mit punktförmigen aktiven Zellmesas bezieht.
  • 4B ist eine schematische Draufsicht des Halbleitervorrichtungsabschnitts von 4A.
  • 5 ist ein schematisches Layout bzw. eine schematische Gestaltung einer Halbleitervorrichtung mit Sensorzellen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In 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 denen die Erfindung ausgestaltet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um noch zu einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen einschließt. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen nur für Veranschaulichungszwecke. Entsprechende Elemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Ausdrücke ”haben”, ”enthalten”, ”umfassen”, ”aufweisen” und ähnliche Ausdrücke sind offene Ausdrücke, und diese Ausdrücke geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Ausdruck ”elektrisch verbunden” beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Ausdruck ”elektrisch gekoppelt” umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung angepasst sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorgesehen sein können, beispielsweise Widerstände oder Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
  • Die 1A bis 1D beziehen sich auf eine Halbleitervorrichtung 500, die eine bipolare Vorrichtung umfasst, z. B. einen IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), beispielsweise einen PT-IGBT (Punch-Through-IGBT), einen NPT-IGBT (Nicht-Punch-Through-IGBT), einen RC-IGBT (rückwärts leitender IGBT) oder eine Halbleitervorrichtung, die einen IGBT und eine oder mehrere weitere logische oder analoge Schaltungen integriert, z. B. eine Gateansteuer- bzw. -Treiberschaltung und/oder eine Überstrom-Schutzschaltung.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 beruht auf einem Halbleiterkörper 100 eines kristallinen Halbleitermaterials, beispielsweise Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Germanium (Ge), Silizium-Germanium (SiGe), Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs) oder irgendeinem anderen AIIIBV-Halbleiter. Eine Vorder- bzw. Frontseite des Halbleiterkörpers 100 hat eine erste Oberfläche 101, die planar ist oder die durch koplanare Oberflächenabschnitte aufgespannt ist. Ein Mindestabstand zwischen der ersten Oberfläche 101 und einer planaren zweiten Oberfläche 102 auf einer entgegengesetzten Rückseite und parallel zu der ersten Oberfläche 101 definiert die Spannungssperrfähigkeit der Halbleitervorrichtung 500. Beispielsweise kann der Halbleiterkörper 100 eines IGBT, der für eine Sperrspannung von etwa 1200 V spezifiziert ist, eine Dicke zwischen 90 μm und 110 μm haben. Ausführungsbeispiele, die auf höhere Sperrfähigkeiten bezogen sind, können auf Halbleiterkörpern 100 mit einer Dicke von einigen 100 μm basieren.
  • In einer Ebene senkrecht zur Querschnittsebene kann der Halbleiterkörper 100 eine angenähert rechteckförmige Gestalt mit einer Kantenlänge im Bereich von einigen Millimetern haben. Eine Normale zu der ersten Oberfläche 101 definiert eine vertikale Richtung, und Richtungen orthogonal zu der vertikalen Richtung sind horizontale Richtungen.
  • Der Halbleiterkörper 100 umfasst eine Driftstruktur 120 eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei ein Hauptteil der Driftstruktur 120 eine Driftzone 121 bildet. In der Driftzone 121 kann eine Dotierstoffkonzentration graduell oder in Stufen mit zunehmendem Abstand zu der ersten Oberfläche 101 wenigstens in Teilen ihrer vertikalen Ausdehnung zunehmen oder abnehmen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Dotierstoffkonzentration in der gesamten Driftzone 121 annähernd gleichmäßig sein. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann zwischen 1E12 cm–3 und 1E15 cm–3, beispielsweise in einem Bereich von 5E12 cm–3 bis 5E13 cm–3, liegen.
  • Der Halbleiterkörper 100 umfasst weiterhin eine Kollektorstruktur 130 zwischen der Driftstruktur 120 und der zweiten Oberfläche 102. Die Kollektorstruktur 130 kann eine zusammenhängende Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps sein, der der entgegengesetzte Leitfähigkeitstyp zum ersten Leitfähigkeitstyp ist. Gemäß Ausführungsbeispielen, die sich auf RC-IGBTs beziehen, kann die Kollektorstruktur 130 Zonen von beiden Leitfähigkeitstypen umfassen. Die Dotierstoffkonzentration in der Kollektorstruktur 130 ist ausreichend hoch, um einen niedrigen ohmschen Kontakt mit einer an die zweite Oberfläche 102 angrenzenden Metallstruktur zu gewährleisten. Beispielsweise kann eine maximale Dotierstoffkonzentration in der Kollektorstruktur 130 längs der zweiten Oberfläche 102 wenigstens 1E18 cm–3, beispielsweise wenigstens 5E19 cm–3, sein.
  • Ein Transistorzellbereich 610 des Halbleiterkörpers 100 umfasst Transistorzellen TC, z. B. IGFET-(Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate-)Zellen. Die Transistorzellen TC können vertikale Transistorzellen sein, die planare Gatestrukturen umfassen, die außerhalb des Halbleiterkörpers 100 längs der ersten Oberfläche 101 gebildet sind.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 von 1A beruht auf vertikalen Transistorzellen TC mit Trenchgatestrukturen 150, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken.
  • Die Gatestrukturen 150 umfassen eine leitende Gateelektrode 155 und ein die Gateelektrode 155 von dem Halbleiterkörper 100 trennendes Gatedielektrikum 151. Die Gateelektrode 155 kann eine homogene Struktur sein oder kann eine geschichtete Struktur haben, die eine oder mehrere Metall enthaltende Schichten umfasst. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Gateelektrode 155 eine stark dotierte polykristalline Siliziumschicht umfassen oder aus einer solchen bestehen.
  • Das Gatedielektrikum 151 kann eine gleichmäßige Dicke haben und kann ein Halbleiteroxid, beispielsweise ein thermisch aufgewachsenes oder aufgetragenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, beispielsweise ein aufgetragenes oder thermisch aufgewachsenes Siliziumnitrid, oder ein Halbleiteroxynitrid, beispielsweise Siliziumoxynitrid, umfassen oder aus einem solchen bestehen.
  • Halbleitende Abchnitte der Transistorzellen TC sind in aktiven Zellmesas 170a gebildet, die wenigstens an eine Gatestruktur 150 angrenzen. Die aktiven Mesas 170a umfassen Sourcezonen 110 des ersten Leitfähigkeitstyps und Bodyzonen 115 des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die Bodyzonen 115 die Sourcezonen 110 von der Driftstruktur 120 trennen und erste pn-Übergänge pn1 mit der Driftstruktur 120 und zweite pn-Übergänge pn2 mit den Sourcezonen 110 bilden.
  • Eine Schichtstruktur einschließlich eines Zwischenschichtdielektrikums 210 trennt Elektrodenstrukturen 310, 330, 340 von dem Halbleiterkörper 100. Das Zwischenschichtdielektrikum 210 kann eine oder mehrere dielektrische Schichten aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, dotiertem oder undotiertem Silikatglas, beispielsweise BSG (Borsilikatglas), PSG (Phosphorsilikatglas) oder BPSG (Borphosphorsilikatglas) als Beispiel umfassen. Die Schichtstruktur kann weitere Schichten, z. B. Teile einer Gateelektrode, umfassen.
  • Im Transistorzellbereich 610 verbinden Kontaktstrukturen 315, die sich durch das Zwischenschichtdielektrikum 210 erstrecken, elektrisch eine erste Lastelektrode 310 mit den Sourcezonen 110 und den Bodyzonen 115 der Transistorzellen TC, wobei stark dotierte Bodykontaktzonen 115x niederohmige Kontakte zwischen den Bodyzonen 115 und den Kontaktstrukturen 315 bilden können. Die erste Lastelektrode 310 kann einen Emitteranschluss E bilden oder elektrisch mit einem solchen gekoppelt oder verbunden sein. Eine zweite Lastelektrode 310, die direkt an die zweite Oberfläche 102 und die Kollektorschicht 130 angrenzt, kann einen Kollektoranschluss C bilden oder elektrisch mit einem solchen gekoppelt oder verbunden sein.
  • In einem inaktiven Bereich 630 der Halbleitervorrichtung 500 ist eine Gateverdrahtungsstruktur 330, die elektrisch mit den Gateelektroden 155 der Transistorzellen TC verbunden ist, an der Vorderseite und außerhalb des Halbleiterkörpers 100 angeordnet. Eine Schichtstruktur, die wenigstens das Zwischenschichtdielektrikum 210 umfasst, kann die Gateverdrahtungsstruktur 330 von dem Halbleiterkörper 100 trennen. Die Gateverdrahtungsstruktur 330 kann einen Gateanschluss G bilden oder mit einem Gateanschluss G oder einem Ausgang einer in der Halbleitervorrichtung 500 integrierten internen Gatetreiberschaltung elektrisch gekoppelt oder verbunden sein.
  • Die Gateverdrahtungsstruktur 330 kann wenigstens eines aus einem Gatepad bzw. -kissen, einem Gatefinger und einer Gateschiene bzw. -runner umfassen, wobei ein Gatepad ein Metallpad ist, das als ein Landepad für einen Bonddraht oder eine andere Chip-Leiterrahmen- oder Chip-Chip-Verbindung geeignet ist, wie z. B. eine gelötete Klammer bzw. ein gelöteter Clip. Eine Gateschiene ist eine leitfähige Verbindung, die längs wenigstens eines Randes des Transistorzellgebietes 610 verläuft, wobei die leitfähige Verbindung eine Metallleitung oder eine Verbindungsleitung sein kann, die aus einem stark dotierten Halbleitermaterial besteht oder ein solches umfasst. Ein Gatefinger ist eine leitfähige Verbindung, die einen Transistorzellbereich 610 in getrennte Transistorzellfelder teilt, wobei die leitfähige Verbindung eine Metallleitung oder eine Verbindungsleitung sein kann, die aus einem stark dotierten Halbleitermaterial besteht oder ein solches umfasst.
  • Ein Übergangsbereich 620, der sandwichartig zwischen dem inaktiven Bereich 630 und dem Transistorzellbereich 610 angeordnet ist, umfasst wenigstens eine Sensorzelle SC, wie dies in 1A veranschaulicht ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Transistorbereich 620 exklusiv Sensorzellen SC. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann der Übergangsbereich 620 zusätzlich zu einer oder mehreren Sensorzellen SC Absaugzellen (purge cells) PC, wie in 1B veranschaulicht, umfassen.
  • Die Sensorzelle SC umfasst eine Absaugzone (purge zone) 117 des Leitfähigkeitstyps der Bodyzonen 115. Die Absaugzone 117 ist wenigstens längs eines Randes des Transistorzellbereiches 610 gebildet und kann direkt an eine Gatestruktur 150 der äußersten Transistorzelle TC des Transistorzellbereiches 610 angrenzen. Eine vertikale Ausdehnung der Absaugzonen 117 im Übergangsbereich 620 kann der vertikalen Ausdehnung der Bodyzonen 115 in den aktiven Zellmesas 170a oder einer vertikalen Ausdehnung von anderen dotierten Zonen des gleichen Leitfähigkeitstyps entsprechen, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken.
  • Weitere Kontaktstrukturen 317, die sich durch das Zwischenschichtdielektrikum 210 erstrecken, verbinden elektrisch eine Sensorelektrode 340 mit den Absaugzonen 117 der Sensorzellen SC im Übergangsbereich 620, wobei stark dotierte Absaugkontaktzonen 117x einen niederohmigen Kontakt zwischen den Absaugzonen 117 und den weiteren Kontaktstrukturen 317 bilden können. Die Sensorelektrode 340 kann einen Sensoranschluss SNS, eine interne Sensorlast und/oder eine in die Halbleitervorrichtung 500 integrierte interne Sensorschaltung bilden oder elektrisch mit einem bzw. einer solchen gekoppelt oder verbunden sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine externe Sensorlast oder ein Nebenschluss bzw. Shunt elektrisch mit dem Sensoranschluss SNS verbunden, und eine externe Sensorschaltung erfasst den Spannungsabfall über der externen Sensorlast. Die externe Sensorschaltung kann ein Signal ausgeben, das eine Überstrom- oder Überlastbedingung der Halbleitervorrichtung 500 anzeigt, oder kann direkt ein an dem Gateanschluss G liegendes Signal herunterfahren bzw. abschalten.
  • Die Absaugzellen PC unterscheiden sich von den Sensorzellen SC dadurch, dass die Absaugzonen 117 der Absaugzellen PC nicht direkt elektrisch mit der Sensorelektrode 340, sondern mit einer ersten Lastelektrode 310 verbunden sind.
  • Die folgende Beschreibung der Effekte der Absaugzellen und Sensorzellen PC, SC bezieht sich auf n-Kanal-IGBTs mit p-Typ-Bodyzonen 115. Ähnliche Überlegungen wie unten angedeutet, gelten für Ausführungsbeispiele, bei denen die Bodyzonen 115 vom p-Typ sind.
  • Wenn eine Spannung, die an der Gateverdrahtungsstruktur 330 anliegt, eine voreingestellte Schwellenspannung überschreitet, sammeln sich Elektronen in den Bodyzonen 115 in Kanalabschnitten, die direkt an die Gatedielektrika 151 angrenzen. Die angesammelten Elektronen bilden Inversionskanäle zwischen den Sourcezonen 110 und der Driftstruktur 120. Elektronen, die durch die Inversionskanäle in die Driftstruktur 120 fließen, wirken als ein Basisstrom für eine bipolare Transistorstruktur, die durch die p-Typ-Bodyzonen 115, die n-Typ-Driftstruktur 120 und die p-Typ-Kollektorschicht 130 gebildet wird, so dass zwischen der ersten Lastelektrode 310 und der zweiten Lastelektrode 320 ein bipolarer Strom fließt, der beide Arten von Trägern, d. h. Elektronen und Löcher, einschließt und die Halbleitervorrichtung 500 einschaltet. Ladungsträger beider Typen fluten die Driftstruktur und in dem Halbleiterkörper 100 baut sich ein Ladungsträgerplasma mit hoher Trägerdichte auf.
  • Während des Einschaltzustandes führen die Absaugzellen PC Löcher aus dem Halbleiterkörper 100 ab. Auf diese Weise halten die Absaugzellen PC die Lochdichte in den inaktiven und Übergangsbereichen 630, 620 niedrig und tragen dennoch zum Gesamteinschaltstrom bei.
  • Wenn die Halbleitervorrichtung ausschaltet, wird das Ladungsträgerplasma durch Abführen der Ladungsträger über die Lastelektroden 310, 320 abgebaut. Je weniger Ladungsträger während des Ausschaltzustandes abzuführen sind, desto niedriger sind die Schaltverluste der Halbleitervorrichtung 500. Da noch während des Einschaltzustandes die Absaugzellen PC derartige Löcher abführen, die sonst den inaktiven Bereich 630 im Einschaltzustand des IGBT 501 fluten könnten, ohne zu einem niedrigen Einschaltwiderstand RDSon beizutragen, müssen nur wenige Ladungsträger aus dem inaktiven Bereich 630 entfernt werden. Auf diese Weise reduzieren die Absaugzellen PC signifikant Schaltverluste der Halbleitervorrichtung 500.
  • Eine Sensorzelle SC, die in dem Übergangsbereich 620 angeordnet ist und sich von den Absaugzellen PC lediglich dadurch unterscheidet, dass die Sensorzelle SC elektrisch mit einer Sensorelektrode 340 verbunden ist, während die Absaugzellen PC elektrisch mit der ersten Lastelektrode 310 verbunden sind, kann dazu verwendet werden, ohne Einbuße an Fläche für aktive Transistorzellen TC einen zum Laststrom proportionierten Loch- bzw. Löcherstrom zu erfassen. Die Sensorzellen SC tragen weiterhin dazu bei, das Ladungsträgerplasma in den inaktiven Bereichen 630 niedrig zu halten. Eine Bildung der Sensorzellen erfordert lediglich wenige und gering kritische Modifikationen in bestehenden Prozessabläufen.
  • Wie in 1C veranschaulicht ist, kann ein zur Gateverdrahtungsstruktur 330 ausgerichteter Rand einer ersten Lastelektrode 310 eine oder mehrere Kerben bzw. Aussparungen haben, in denen eine oder mehrere Sensorelektroden 340 gebildet sein können. Die Sensorelektrode 340 kann einen Sensoranschluss SNS der Halbleitervorrichtung 500 bilden oder kann elektrisch mit einem Sensoranschluss SNS oder einem Eingang einer integrierten Sensorschaltung elektrisch gekoppelt oder verbunden sein. Beispielsweise kann ein Bonddraht die Sensorelektrode 340 mit dem Sensoranschluss verbinden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine Verbindungsleitung in der Ebene der Elektroden 310, 330, 340 oder in einer anderen Verdrahtungsschicht elektrisch die Sensorelektrode 340 mit dem Sensoranschluss SNS oder mit einer integrierten Sensorschaltung verbinden.
  • 1D zeigt eine Sensorzelle SC, die elektrisch zwischen einem Kollektoranschluss C und einem Sensoranschluss SNS und/oder einer integrierten Sensorschaltung 510 verbunden ist, die einen definierten Sensorwiderstand zum Erfassen eines Ladungsträgerflusses durch die Sensorzelle SC umfassen kann. Die integrierte Sensorschaltung kann ein Steuersignal ausgeben, das einen Gatetreiber steuert, der elektrisch mit der Gateverdrahtungsstruktur 330 verbunden ist. Wenn die integrierte Sensorschaltung anzeigt, dass der Sensorstrom eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, kann das Steuersignal den Gatetreiber abschalten.
  • In 2A gibt eine Kurve 701 einen Laststrom ITC durch die Transistorzellen TC eines n-Kanal-IGBTs als Funktion einer Gate-Emitter-Spannung VGE wider. Eine Kurve 702 bildet einen entsprechenden unipolaren Ladungsträgerfluss ISC durch die Sensorzellen SC als eine Funktion der Gatespannung VGE ab.
  • Die Transistorzellen TC schalten ein, wenn die Gatespannung VGE eine erste Schwellenspannung Vth1 überschreitet, bei welcher die Inversionskanäle durch die Bodyzonen der Transistorzellen TC gebildet werden. Ein unipolarer Elektronenstrom fließt in den Halbleiterkörper 100 und zunächst sind keine Löcher durch die Sensorzellen SC erfassbar, die nur einen Löcherstrom führen können. Wenn die Gatespannung VGE die zweite Schwellenspannung Vth2 überschreitet, startet eine Löcherinjektion und die Sensorzellen SC beginnen, einen Löcherstrom zu erfassen. Da in dem sich ergebenden Ladungsträgerplasma die Anzahl an Elektronen der Anzahl an Löchern entspricht, kann der Laststrom ITC durch die Transistorzellen TC auf der Grundlage des erfassten Löcherstroms ISC durch die Sensorzellen SC abgeschätzt werden.
  • In 2B kann eine Verbindungsleitung in der Ebene der Elektroden 310, 330, 340 oder in einer anderen Verdrahtungsschicht elektrisch die Sensorelektrode 340 mit einem Sensorpad 390 verbinden, und ein Bonddraht 391 verbindet elektrisch das Sensorpad 390 mit der ersten Lastelektrode 310. Halbleitervorrichtungen mit und ohne Sensorzellen können bis zu einem Verdrahtungsbonden mittels der gleichen Prozesse hergestellt werden.
  • Die 3A und 3B beziehen sich auf eine Halbleitervorrichtung mit streifenförmigen Gatestrukturen 150 in dem Transistorzellbereich, wobei streifenförmige Zellmesas 170 zwischen den Gatestrukturen 150 aktive Zellmesas 170a, die Sourcezonen 110 aufweisen, und passive Zellmesas 170b ohne Sourcezonen 110 umfassen können. Aktive und passive Zellmesas 170a, 170b können sich längs der longitudinalen Ausdehnung der Zellmesas 170 abwechseln oder können sich längs einer horizontalen Richtung orthogonal zu der longitudinalen Ausdehnung der Zellmesas 170 oder längs beider longitudinalen Ausdehnungen abwechseln.
  • Zusätzlich kann der Transistorzellbereich 610 Trenchfeldelektrodenstrukturen umfassen, die sich zwischen benachbarten Gatestrukturen 150 von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken. Die Feldelektrodenstrukturen 160 können eine leitende Feldelektrode 165 und ein die Feldelektrode 165 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 isolierendes Felddielektrikum 161 umfassen. Materialien und Gestaltung bzw. Konfiguration der Feldelektrode 165 können die gleichen wie diejenigen der Gateelektrode 155 sein, und Materialien und Gestaltung bzw. Konfiguration der Felddielektrika 161 können die gleichen wie diejenigen der Gatedielektrika 151 sein. Die Feldelektrode 165 kann elektrisch mit der ersten Lastelektrode 310 oder mit einer anderen Struktur in der Halbleitervorrichtung 500 verbunden sein.
  • Aktive Zellmesas 170a, die direkt an die Gatestrukturen 150 angrenzen, bilden die Transistorzellen TC. Passive Zellmesas 170b ohne jegliche Sourcezonen 110 oder mit Sourcezonen ohne niederohmige Verbindung zu der ersten Lastelektrode 310 bilden inaktive Zellen IC. In den inaktiven Zellen IC kann eine vertikale Ausdehnung der Bodyzonen 115 zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem jeweiligen ersten pn-Übergang pn1 einem Abstand zwischen der ersten Oberfläche 101 und dem ersten pn-Übergang pn1 in einer aktiven Zellmesa 170a entsprechen.
  • Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die vertikale Ausdehnung der Bodyzonen 115 in den inaktiven Zellen IC größer sein als der Abstand zwischen der ersten Oberfläche 101 und den ersten pn-Übergängen pn1 in den aktiven Zellmesas 170a. Beispielsweise kann eine vertikale Ausdehnung der Bodyzonen 115 in den passiven Zellmesas 170b ungefähr gleich der vertikalen Ausdehnung der Gatestrukturen 150 sein.
  • Für RC-IGBTs können die Bodyzonen 115 der inaktiven Zellen IC elektrisch mit der ersten Lastelektrode 310 verbunden sein. Die Bodyzonen 115 von inaktiven Zellen IC in nicht rückwärts leitenden IGBTs können floatende bzw. potentialfreie Bodyzonen sein.
  • Ein weiterer Teil der Driftstruktur 120 zwischen der Driftzone 121 und der Kollektorstruktur 130 kann eine Feldstoppschicht 128 oder eine Pufferschicht bilden, wobei eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 128 wenigstens fünf Mal so hoch wie eine mittlere Nettodotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 ist.
  • Für weitere Einzelheiten wird auf die Beschreibung der 1A bis 1D Bezug genommen.
  • 3B zeigt eine kammähnliche Sensorelektrode 340, die Ausbuchtungsabschnitte 341 aufweist, die sich in Kerben im benachbarten Rand der ersten Lastelektrode 310 erstrecken. Die kammähnliche Sensorelektrode 340 umfasst weiterhin einen die Ausbuchtungsabschnitte 341 verbindenden Verbindungsabschnitt 342. Die kammähnliche Sensorelektrode 340 erlaubt ein Verbinden einer Vielzahl von Sensorzellen SC in der Metallisierungsebene der Gateverdrahtungsstruktur 330 und der ersten Lastelektrode 310.
  • Die 4A und 4B beziehen sich auf eine Halbleitervorrichtung 500 mit Gatestrukturen 150, die ringförmige Trenchabschnitte 150a, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 erstrecken, sowie einen Verbindungsabschnitt 150b, der sich außerhalb des Halbleiterkörpers 100 längs der ersten Oberfläche 101 erstreckt, umfassen.
  • Punkt- bzw. fleckförmige aktive Zellmesas 170a einschließlich Bodyzonen 115 und Sourcezonen 110 sind innerhalb der ringförmigen Trenchabschnitte 150a gebildet. Eine gitterförmige passive Zellmesa 170b ohne Sourcezonen 110 ist außerhalb der ringförmigen Trenchabschnitte 150a gebildet. Eine Bodyzone 115 in der passiven Zellmesa 170b kann floaten bzw. potentialfrei sein und kann eine vertikale Ausdehnung haben, die einen Abstand zwischen der ersten Oberfläche 101 und den ersten pn-Übergängen pn1 in den aktiven Zellmesas 170a überschreitet. Beispielsweise kann die vertikale Ausdehnung der Bodyzone 115 in den passiven Zellmesas 170b gleich wie oder größer als eine vertikale Ausdehnung der ringförmigen Trenchabschnitte 150a sein.
  • Eine vertikale Ausdehnung der Absaugzone 117 im Übergangsbereich 620 kann der vertikalen Ausdehnung der Bodyzone 115 in den passiven Zellmesas 170b oder der vertikalen Ausdehnung der Bodyzonen 115 in den aktiven Zellmesas 170a entsprechen.
  • Der Verbindungsabschnitt 150b der Gatestruktur 150 kann sich durch den Übergangsbereich 620 in den inaktiven Bereich 630 erstrecken. Ein Gatekontakt 313 kann sich durch ein Zwischenschichtdielektrikum 210, dass die Elektrodenstrukturen 310, 330, 340 von dem Verbindungsabschnitt 150b der Gatestruktur 150 trennt, bis zu dem oder in den Verbindungsabschnitt 150b erstrecken.
  • 5 zeigt eine Halbleitervorrichtung 500 mit einer Gateverdrahtungsstruktur 330, die ein Gatepad 330b in der Mitte des Halbleiterkörpers 100 und Gatefinger 330a, die eine erste Lastelektrode 310 in mehrere getrennte Abschnitte trennt, umfasst. Eine Sensorelektrode 340 kann eine Streifenverbindung 340a, beispielsweise eine Aluminiumverbindungsleitung, längs der Ränder der Gateverdrahtungsstruktur 330 umfassen. Die Sensorelektrode 340 kann weiterhin ein Sensorpad 340b umfassen, das mit der Streifenverbindung 340a verbunden ist und das an das Gatepad 330b angrenzt. Das Sensorpad 340b sowie das Gatepad 330b können Landepads für Bonddrähte sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen ist wenigstens eines der Gate- und Sensorpads 330b, 340b nahe zu einer lateralen Seitenoberfläche 103 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims (17)

  1. Halbleitervorrichtung, umfassend: einen Transistorzellbereich (610), der Transistorzellen (TC) aufweist, die elektrisch mit einer ersten Lastelektrode (310) verbunden sind, einen inaktiven Bereich (630), der eine Gateverdrahtungsstruktur (330) aufweist, die elektrisch mit Gateelektroden (150) der Transistorzellen (TC) verbunden ist, und einen Übergangsbereich (620), der sandwichartig zwischen dem Transistorzellbereich (610) und dem inaktiven Bereich (630) angeordnet ist und wenigstens eine Sensorzelle (SC) aufweist, die elektrisch mit einer Sensorelektrode (340) verbunden und gestaltet ist, um während eines Einschaltzustandes der Transistorzellen (TC) einen unipolaren Strom abzuleiten.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Übergangsbereich (620) Absaugzellen (PC) aufweist, die elektrisch mit der ersten Lastelektrode (310) verbunden und gestaltet sind, um während eines Einschaltzustandes der Transistorzellen (TC) einen unipolaren Strom abzuleiten.
  3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Absaugzellen (PC) gestaltet sind, um Ladungsträger von der Driftstruktur abzuführen, wenn die Transistorzellen (TC) in einem Einschaltzustand sind.
  4. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei der die Absaugzellen (PC) und die Sensorzelle (SC) längs einer Linie angeordnet sind, die parallel zu einem Rand der ersten Lastelektrode (310) ist.
  5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Sensorelektrode (340) Ausbuchtungsabschnitte (341), die sich in Kerben eines Randes der ersten Lastelektrode (310) erstrecken, und einen die Ausbuchtungsabschnitte (341) verbindenden Verbindungsabschnitt (342) aufweist.
  6. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei der jede Transistorzelle (TC) in einem Halbleiterkörper (100) eine Bodyzone (115) aufweist, die einen ersten pn-Übergang (pn1) mit einer Driftstruktur (120) und einen zweiten pn-Übergang (pn2) mit einer Sourcestruktur (110) bildet.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Sensorzelle (SC) in dem Halbleiterkörper (100) eine Absaugzone (117) aufweist, die einen weiteren ersten pn-Übergang (pn1) mit der Driftstruktur (120) bildet.
  8. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, bei der die Bodyzonen (115) in aktiven Zellmesas (170a) gebildet sind, die an Gatestrukturen (150) angrenzen, die sich von einer ersten Oberfläche (101a) des Halbleiterkörpers (100) in den Halbleiterkörper (100) erstrecken.
  9. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, bei der der Halbleiterkörper (100) weiterhin floatende Bodyzonen (115) aufweist, die weitere erste pn-Übergänge (pn1) mit der Driftstruktur (120) bilden.
  10. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, weiterhin umfassend: eine Kollektorschicht (130), die längs einer zweiten Oberfläche (102) des Halbleiterkörpers (100) entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche (101) gebildet ist, wobei die Kollektorschicht (130) einen dritten pn-Übergang (pn3) mit der Driftstruktur (120) bildet.
  11. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, weiterhin umfassend: einen Bonddraht, der elektrisch die Sensorelektrode (340) und die erste Lastelektrode (310) verbindet.
  12. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, bei der die Sensorelektrode (340) und die erste Lastelektrode (310) elektrisch getrennt sind.
  13. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12, weiterhin umfassend: einen Sensoranschluss (SNS), der elektrisch mit der Sensorelektrode (340) gekoppelt oder verbunden ist.
  14. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13, weiterhin umfassend: eine Sensorschaltung, die elektrisch mit der Sensorelektrode (340) gekoppelt und gestaltet ist, um ein Steuersignal auszugeben, das anzeigt, dass ein Sensorstrom der Halbleitervorrichtung (500) eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
  15. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14, bei der die Gateverdrahtungsstruktur (330) ein Gatepad (330b) umfasst.
  16. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15, bei der die Gateverdrahtungsstruktur (330) Gatefinger (330a) aufweist, die zwischen Abschnitten der ersten Lastelektrode (310) verlaufen.
  17. Bipolartransistor mit isoliertem Gate, umfassend: einen Transistorzellbereich (610), der Transistorzellen (TC) aufweist, die elektrisch mit einer ersten Lastelektrode (310) verbunden sind, einen inaktiven Bereich (630), der eine Gateverdrahtungsstruktur (330) aufweist, die elektrisch mit Gateelektroden (150) der Transistorzellen (TC) verbunden ist, und einen Übergangsbereich (620), der sandwichartig zwischen dem Transistorzellbereich (610) und dem inaktiven Bereich (630) angeordnet ist und wenigstens eine Sensorzelle (SC) aufweist, die elektrisch mit einer Sensorelektrode (340) verbunden und gestaltet ist, um während eines Einschaltzustandes der Transistorzellen (TC) einen unipolaren Strom abzuleiten.
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