專利名稱：帶有電流檢測結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及這樣的半導(dǎo)體器件，其具有用于對流經(jīng)該半導(dǎo)體器件的電流大小進行檢測(電流檢測功能)的結(jié)構(gòu)。具體而言，本發(fā)明涉及這樣的半導(dǎo)體器件，它設(shè)置有電流檢測結(jié)構(gòu)以及對抗ESD(靜電放電)的措施。
背景技術(shù)：
通常，半導(dǎo)體器件設(shè)有半導(dǎo)體襯底，襯底中形成有多個開關(guān)元件。本說明書中的開關(guān)元件表示由這樣的半導(dǎo)體區(qū)域組成的結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體區(qū)域具有使電極對之間流動的電流在開/關(guān)間切換的不同特性。
已經(jīng)開發(fā)了具有電流檢測功能的半導(dǎo)體器件。通常，為了對流經(jīng)半導(dǎo)體器件的電流大小進行檢測，開關(guān)元件被劃分為兩組。具體而言，通過將較低電位一側(cè)的電極劃分為兩部分，來將開關(guān)元件劃分為兩組。部分開關(guān)元件一起電連接到兩個電極之一，另一部分開關(guān)元件一起電連接到另一個電極。因此，開關(guān)元件被劃分為兩組連接到兩個電極之一的組以及連接到另一電極的組。前一電極連接到參考電位，而后一電極經(jīng)過電流檢測器連接到參考電位。在本說明書中，前一電極稱為“主電極”，后一電極稱為“傳感器電極”。此外，將流經(jīng)主電極的電流打開/關(guān)斷的開關(guān)元件稱為“主開關(guān)元件”，將流經(jīng)傳感器電極的電流打開/關(guān)斷的開關(guān)元件稱為“傳感器開關(guān)元件”。主開關(guān)元件和傳感器開關(guān)元件一起通過電裝置(例如電動機)電連接到高電位一側(cè)的電極。共同的柵極電壓施加到主開關(guān)元件和傳感器開關(guān)元件的柵極。
根據(jù)這種半導(dǎo)體器件，當(dāng)向柵極施加?xùn)艠O開啟電壓時，主開關(guān)元件和傳感器開關(guān)元件都開啟，電流流過主開關(guān)元件和傳感器開關(guān)元件。流經(jīng)每個開關(guān)元件的電流大小對于主開關(guān)元件和傳感器開關(guān)元件是一樣的。因此，主開關(guān)元件數(shù)與傳感器開關(guān)元件數(shù)之間的比例關(guān)系就等于流經(jīng)主電極的電流大小與流經(jīng)傳感器電極的電流大小之間的比例關(guān)系。因此，通過檢測流經(jīng)傳感器電極的電流大小，就可以導(dǎo)出流經(jīng)主電極的電流大小。
通過對流經(jīng)半導(dǎo)體器件的電流大小進行檢測，可以檢測到異常的大電流流過半導(dǎo)體器件的現(xiàn)象。該現(xiàn)象是在連接到半導(dǎo)體器件的電裝置短路時引起的。因此，通過提供傳感器開關(guān)元件、傳感器電極以及迫使半導(dǎo)體器件在檢測到的電流超過預(yù)定值時關(guān)閉的器件，即使在連接到半導(dǎo)體器件的電裝置短路時，也可以防止高于預(yù)定值的超額電流流經(jīng)半導(dǎo)體器件。
通常，傳感器開關(guān)元件的數(shù)目比主開關(guān)元件的數(shù)目小得多。因此，傳感器開關(guān)元件的傳感器電極與柵極之間的柵極輸入電容(柵極輸入電容與柵極絕緣層的面積有關(guān))小于主開關(guān)元件的主電極與柵極之間的柵極輸入電容。由于主開關(guān)元件的柵極輸入電容大，所以主開關(guān)元件的主電極與柵極之間的ESD容限較高。另一方面，由于傳感器開關(guān)元件的柵極輸入電容較小，所以傳感器開關(guān)元件的傳感器電極與柵極之間的ESD容限較低。因此，當(dāng)傳感器開關(guān)元件的傳感器電極與柵極之間施加ESD時，傳感器開關(guān)元件的柵極絕緣層易被破壞。
為了提高傳感器開關(guān)元件的傳感器電極與柵極之間的ESD容限，已知在傳感器電極與柵極之間設(shè)置穩(wěn)壓二極管(zener diode)的技術(shù)。當(dāng)在傳感器電極與柵極之間施加達到穩(wěn)壓二極管擊穿電壓的ESD時，穩(wěn)壓二極管被擊穿。結(jié)果，防止了比穩(wěn)壓二極管擊穿電壓還高的電壓施加到傳感器開關(guān)元件的柵極絕緣層。因此，可以防止傳感器開關(guān)元件的柵極絕緣層被破壞。
與這種技術(shù)有關(guān)的技術(shù)在日本早期公開專利申請公開No.1994-85174、日本早期公開專利申請公開No.2001-358568、日本早期公開專利申請公開No.2001-16082以及日本早期公開專利申請公開No.2002-517116中有說明。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在傳感器電極與柵極之間設(shè)置穩(wěn)壓二極管時，不能防止經(jīng)穩(wěn)壓二極管流動的齊納漏電流(zener leakage current)。結(jié)果，半導(dǎo)體器件的柵極驅(qū)動損耗增大。就是說，與不在傳感器電極與柵極之間設(shè)置穩(wěn)壓二極管的情況相比，必須向柵極供給更大的電流來使半導(dǎo)體器件開啟。
本發(fā)明的一個目的是提供一種技術(shù)，它可以為半導(dǎo)體器件提供對ESD等所引起損害的防護，同時防止柵極驅(qū)動損耗增大。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，半導(dǎo)體器件設(shè)有形成于主電極與傳感器電極之間的保護器件用于釋放電荷。當(dāng)超額的電壓(例如ESD)施加在傳感器電極與柵極之間時，保護器件從傳感器電極向主電極放電。由此，可以防止破壞傳感器開關(guān)元件的柵極絕緣層。盡管是向主電極放電的，但是主開關(guān)元件的柵極絕緣層不會被損壞，因為主開關(guān)元件的柵極輸入電容較大。
此外，由于在主電極與傳感器電極之間設(shè)有本發(fā)明的保護器件，所以即使由漏電流經(jīng)過保護器件在主電極與傳感器電極之間流動，也不會增大柵極驅(qū)動損耗。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，半導(dǎo)體器件設(shè)有半導(dǎo)體襯底，半導(dǎo)體襯底中形成有多個開關(guān)元件。開關(guān)元件被分為至少兩組。半導(dǎo)體器件還設(shè)有連接到一組開關(guān)元件(主開關(guān)元件)的主電極。主電極將要連接到參考電位。半導(dǎo)體器件還設(shè)有連接到另一組開關(guān)元件(傳感器開關(guān)元件)的傳感器電極。傳感器電極將要經(jīng)過電流檢測器連接到參考電位。半導(dǎo)體器件還設(shè)有將主電極與傳感器電極耦合的保護器件。當(dāng)主電極與傳感器電極之間的電位差超過預(yù)定電壓時，保護器件使主電極與傳感器電極電連接。
根據(jù)上述半導(dǎo)體器件，當(dāng)在傳感器電極與傳感器開關(guān)元件的柵極之間施加超額的電壓例如ESD時，主電極與傳感器電極之間產(chǎn)生電位差。當(dāng)主電極與傳感器電極之間的電位差達到預(yù)定電壓時，可以經(jīng)過保護器件從傳感器電極向主電極釋放出超額的電荷。結(jié)果，防止了施加在傳感器電極與傳感器開關(guān)元件的柵極之間的電壓進一步增大?？梢苑乐蛊茐膫鞲衅鏖_關(guān)元件的柵極絕緣層。此外，由于本發(fā)明的保護器件設(shè)在主電極與傳感器電極之間，所以即使有漏電流經(jīng)過保護器件流過主電極與傳感器電極之間，柵極驅(qū)動損耗也不會增大。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，優(yōu)選為保護器件設(shè)有串聯(lián)在主電極與傳感器電極之間的多個二極管。這些二極管包括以相反方向設(shè)在主電極與傳感器電極之間的至少一組二極管。
通過設(shè)置這組二極管，只要主電極與傳感器電極之間的電位差不超過二極管的擊穿電壓，就可以將主電極與傳感器電極維持在電隔離的狀態(tài)。在主電極與傳感器電極之間的電位差不超過二極管擊穿電壓的范圍內(nèi)，流經(jīng)主電極的電流和流經(jīng)傳感器電極的電流可以分別流動。另一方面，如果主電極與傳感器電極之間的電位差超過了二極管的擊穿電壓，則主電極和傳感器電極電連接。
通過設(shè)置以相反方向布置的這組二極管，可以根據(jù)二極管的擊穿電壓來使主電極與傳感器電極之間的電連接在開/關(guān)之間切換。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，優(yōu)選為將保護器件設(shè)在從主電極向傳感器電極伸展的部分半導(dǎo)體層中。優(yōu)選為使半導(dǎo)體層包括串聯(lián)布置的第一半導(dǎo)體區(qū)域、第二半導(dǎo)體區(qū)域和第三半導(dǎo)體區(qū)域。第一半導(dǎo)體區(qū)域連接到主電極，并含有第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)。第三半導(dǎo)體區(qū)域連接到傳感器電極，并含有第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)。第二半導(dǎo)體區(qū)域布置在第一半導(dǎo)體區(qū)域與第三半導(dǎo)體區(qū)域之間，并含有第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)。
根據(jù)上述保護器件，第一半導(dǎo)體區(qū)域與第二半導(dǎo)體區(qū)域之間以及第二半導(dǎo)體區(qū)域與第三半導(dǎo)體區(qū)域之間都形成有pn結(jié)。這些pn結(jié)的方向面對著主電極與傳感器電極之間分別朝向相反方向。由此，這組二極管可以以相反方向布置在主電極與傳感器電極之間。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，優(yōu)選為把使主電極與傳感器電極連接的保護器件預(yù)定電壓設(shè)定為高于開關(guān)元件的主電極與柵極之間的最大額定電壓。同樣優(yōu)選為使保護器件的預(yù)定電壓低于傳感器開關(guān)元件柵極絕緣層的破壞電壓(破壞允許電壓)。
如果保護器件的預(yù)定電壓高于主電極與開關(guān)元件柵極之間的最大額定電壓，就可以防止由于施加到柵極的控制信號而不正確地開啟保護器件。
如果保護器件的預(yù)定電壓低于開關(guān)元件柵極絕緣層的破壞電壓，就可以在傳感器開關(guān)元件的柵極絕緣層受到破壞之前開啟保護器件。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在傳感器電極與傳感器開關(guān)元件的柵極之間施加超額電壓例如ESD時，可以經(jīng)過保護器件從傳感器電極向主電極釋放超額的電荷。結(jié)果，可以防止傳感器開關(guān)元件的柵極絕緣層受到破壞。此外，由于本發(fā)明的保護器件設(shè)在主電極與傳感器電極之間，所以即使有漏電流經(jīng)過保護器件在主電極與傳感器電極之間流動，也不會增大柵極驅(qū)動損耗。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，半導(dǎo)體器件可以為傳感器電極與傳感器開關(guān)元件柵極之間超額電壓提供抵抗措施，同時保持較低的柵極驅(qū)動損耗。


圖1示出了半導(dǎo)體器件的原理電路圖。
圖2示出了半導(dǎo)體器件主要部分的簡化剖視圖。
圖3(a)示出了25攝氏度時柵極漏電流的大小。
圖3(b)示出了150攝氏度時柵極漏電流的大小。
圖4示出了柵極輸入電容量與半導(dǎo)體器件的靜電容限之間的關(guān)系。
具體實施例方式
下面將對實施本發(fā)明的優(yōu)選特征進行說明。
(第一特征)采用保護器件，該器件具有pnp、npn、pnpnp或npnpn結(jié)。
(第二特征)用流經(jīng)傳感器開關(guān)元件區(qū)域的電流大小除以流經(jīng)整個半導(dǎo)體器件的電流大小計算所得的值小于或等于0.01。
(第三特征)當(dāng)主開關(guān)元件的柵極輸入電容大于下述值時，半導(dǎo)體器件特別有效，所述值是通過在稱為“機器模式”的ESD容限測試期間，端子之間供給的電荷量除以柵極絕緣層的破壞電壓而計算得到的。就是說，當(dāng)滿足下列條件時，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件特別有效主開關(guān)元件的柵極輸入電容＞ESD容限測試期間端子之間供給的電荷量/柵極絕緣層的破壞電壓
(優(yōu)選實施例)下面將參考附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。
圖1示出了半導(dǎo)體器件10的原理電路圖。圖2示出了半導(dǎo)體器件10主要部分的簡化剖視圖。圖1和圖2中共同的標(biāo)號表示共同的元件。半導(dǎo)體器件10用于對安裝至混合動力汽車、燃料電池汽車等的電動機進行控制，具體地講，半導(dǎo)體器件10通過使供給電動機的電流開啟/關(guān)斷，來對電動機進行逆變控制。除了半導(dǎo)體器件10，圖1還示出了電源92、電動機94、柵極驅(qū)動器件95和電流檢測器96，他們都連接到半導(dǎo)體器件10并由半導(dǎo)體器件10使用。
如圖1所示，半導(dǎo)體器件10設(shè)有開關(guān)元件構(gòu)件20和保護器件30。開關(guān)元件構(gòu)件20由多個開關(guān)元件組成并對電流進行暫時的開/關(guān)。通過用開關(guān)元件構(gòu)件20使電流開/關(guān)，半導(dǎo)體器件20可以在向電動機94供給電能的情況與不向電動機94供給電能的情況之間進行二選一的切換。開關(guān)元件構(gòu)件20由多個開關(guān)元件組成，每個開關(guān)元件具有IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的基本結(jié)構(gòu)。開關(guān)元件構(gòu)件20一起連接到集電極22和柵極23。發(fā)射極分為主電極24和傳感器電極25。開關(guān)元件構(gòu)件20分為兩組一起連接到主電極24的組和一起連接到傳感器電極25的組。屬于一起連接到主電極24那組的開關(guān)元件的數(shù)目大于屬于一起連接到傳感器電極25那組的開關(guān)元件的數(shù)目。連接到主電極24的開關(guān)元件稱為“主開關(guān)元件”。連接到傳感器電極25的開關(guān)元件稱為“傳感器開關(guān)元件”。
集電極22電連接到集電極端子41。集電極端子41電連接到電動機94。電動機94電連接到電源92，電源92在半導(dǎo)體器件10開啟時向電動機94供給直流電壓。
柵極23電連接到柵極端子42。柵極端子42電連接到柵極驅(qū)動器件95。柵極驅(qū)動器件95經(jīng)過柵極端子42以二選一的方式向柵極23供給電壓使開關(guān)元件構(gòu)件20開啟或供給電壓使開關(guān)元件構(gòu)件20關(guān)斷。
主電極24電連接到主端子43。主端子43連接到地電位(參考電位的示例)。
傳感器電極25電連接到傳感器端子44。傳感器端子44經(jīng)過電流檢測器96連接到地電位。電流檢測器96中使用了電流檢測電路。
保護器件30設(shè)有多個二極管32、33、34和35，他們串聯(lián)在第一連接點36和第二連接點31之間。第一連接點36電連接到主電極24，第二連接點31電連接到傳感器電極25。在第一連接點36與第二連接點31之間，這些二極管布置為使得二極管32和34的正向與二極管33和35的正向相反。
接下來，將參考圖2對半導(dǎo)體器件10的結(jié)構(gòu)進行說明。如下面將要說明的，圖示98構(gòu)成一個開關(guān)元件98。半導(dǎo)體器件10包括多個開關(guān)元件98。
半導(dǎo)體器件10設(shè)有半導(dǎo)體襯底60。多個開關(guān)元件98形成于半導(dǎo)體襯底60中。半導(dǎo)體襯底60被分為主開關(guān)元件區(qū)域26和傳感器開關(guān)元件區(qū)域27。主開關(guān)元件區(qū)域26對應(yīng)于形成有主電極24的區(qū)域，傳感器開關(guān)元件區(qū)域27對應(yīng)于形成有傳感器電極25的區(qū)域。于主開關(guān)元件區(qū)域26和傳感器開關(guān)元件區(qū)域27兩處均重復(fù)地形成有具有同樣結(jié)構(gòu)的多個開關(guān)元件98。實際上，開關(guān)元件98還在紙面空間外重復(fù)地沿左右方向形成。圖2示出了該結(jié)構(gòu)的一部分。
半導(dǎo)體器件10設(shè)有集電極22、集電極區(qū)域61、場阻止區(qū)域(fieldstop region)62以及漂移區(qū)域63。集電極區(qū)域61形成于集電極22上，是p+型的。場阻止區(qū)域62形成于集電極區(qū)域61上，是n+型的。漂移區(qū)域63形成于場阻止區(qū)域62上，是n-型的。P型的主體區(qū)域64形成于漂移區(qū)域63上。多個n+型的發(fā)射極區(qū)域66選擇性地形成于主體區(qū)域64中。漂移區(qū)域63和發(fā)射極區(qū)域66由主體區(qū)域64隔開。多個溝槽式柵極23形成為在將漂移區(qū)域63和發(fā)射極區(qū)域66隔開的部分處穿透主體區(qū)域64。柵極23面向主體64中通過柵極絕緣層65將發(fā)射極區(qū)域66與漂移區(qū)域63隔開的部分。柵極23穿透主體64并延伸到漂移區(qū)域63。柵極23由中間層電介質(zhì)81與主電極24和傳感器電極25隔開。主開關(guān)元件區(qū)域26的發(fā)射極區(qū)域66電連接到主電極24。傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的發(fā)射極區(qū)域66電連接到傳感器電極25。
P型的半導(dǎo)體擴散區(qū)域67形成于主開關(guān)元件區(qū)域26與傳感器開關(guān)元件區(qū)域27之間。半導(dǎo)體擴散區(qū)域67被調(diào)整為使得雜質(zhì)濃度高于主體區(qū)域64。半導(dǎo)體擴散區(qū)域67可以提高主開關(guān)元件區(qū)域26與傳感器開關(guān)元件區(qū)域27之間的電絕緣性。
下面將對開關(guān)元件98進行詳細說明。各個開關(guān)元件98之間形成有組成部分開關(guān)元件98的集電極區(qū)域61、場阻止區(qū)域62、漂移區(qū)域63和主體區(qū)域64。另一方面，組成開關(guān)元件98剩余部分的柵極23、柵極絕緣層65和發(fā)射極區(qū)域66并未形成于各個開關(guān)元件98之間。因此，每個開關(guān)元件98可通過柵極結(jié)構(gòu)來識別，所述柵極結(jié)構(gòu)是柵極23、柵極絕緣層65和發(fā)射極區(qū)域66的組合。具體而言，一個柵極結(jié)構(gòu)識別一個開關(guān)元件的單元結(jié)構(gòu)。
主開關(guān)元件區(qū)域26的主電極24和傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的傳感器電極25是電絕緣的。主開關(guān)元件26和傳感器開關(guān)元件區(qū)域27共用集電極22。主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極23和傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的柵極23彼此電連接(連接部分未示出)。向多個柵極23發(fā)送共同的控制信號。
由于主電極24和傳感器電極25是電隔離開的，所以可以獨立于流經(jīng)主開關(guān)元件區(qū)域26的電流而獲得流經(jīng)傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的電流。流經(jīng)傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的電流流經(jīng)電流檢測器96。因此，可以通過電流檢測器96來檢測流經(jīng)傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的電流量。
對于主開關(guān)元件區(qū)域26和傳感器開關(guān)元件區(qū)域27，流經(jīng)每個開關(guān)元件的電流大小是一樣的。因此，主開關(guān)元件區(qū)域26中開關(guān)元件的數(shù)目與傳感器開關(guān)元件區(qū)域27中開關(guān)元件的數(shù)目之間的比例關(guān)系等于流經(jīng)主電極24的電流大小與流經(jīng)傳感器電極25的電流大小之間的比例關(guān)系。因此，通過檢測流經(jīng)傳感器電極25的電流大小，可以導(dǎo)出流經(jīng)主電極24的電流量。流經(jīng)主開關(guān)元件區(qū)域26的電流大小可以通過流經(jīng)傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的電流大小、主開關(guān)元件區(qū)域26中的開關(guān)元件的數(shù)目以及傳感器開關(guān)元件區(qū)域27中的開關(guān)元件的數(shù)目來計算。結(jié)果，例如，通過對流經(jīng)半導(dǎo)體器件10的電流大小進行監(jiān)視，就可以對連接到半導(dǎo)體器件10的電動機94等元件短路時引起異常電流流過半導(dǎo)體器件10的現(xiàn)象進行檢測。因此，當(dāng)電動機94等發(fā)生短路時，半導(dǎo)體器件10可以被強行關(guān)斷，以防超額電流流經(jīng)半導(dǎo)體器件10。
如圖2所示，半導(dǎo)體器件10設(shè)有保護器件30，保護器件30形成于半導(dǎo)體襯底60表面上。保護器件30設(shè)有由多晶硅制成的半導(dǎo)體層70和由氧化硅制成的絕緣層82、84、86和88。絕緣層82、84、86和88覆蓋半導(dǎo)體層70。半導(dǎo)體層70形成于主電極24和傳感器電極25之間。絕緣層82覆蓋半導(dǎo)體層70的底面。側(cè)面絕緣層84和88覆蓋半導(dǎo)體層70的側(cè)面。上表面絕緣層86覆蓋半導(dǎo)體層70的上表面。底面絕緣層82可以用與中間電介質(zhì)81同樣的制造工藝形成。部分上表面絕緣層86上形成有兩個開口。部分半導(dǎo)體層70通過開口之一(與圖1中第一連接點36對應(yīng))接觸主電極24，另一部分半導(dǎo)體層70通過另一開口(與圖1中第二連接點31對應(yīng))接觸傳感器電極25。
半導(dǎo)體層70設(shè)有第一半導(dǎo)體區(qū)域71、第二半導(dǎo)體區(qū)域72、第三半導(dǎo)體區(qū)域73、第四半導(dǎo)體區(qū)域74和第五半導(dǎo)體區(qū)域75，它們串聯(lián)布置在主電極24與傳感器電極25之間。
第一半導(dǎo)體區(qū)域71通過第一接觸點36電連接到主電極24，并含有n型雜質(zhì)。第二半導(dǎo)體區(qū)域72與第一半導(dǎo)體區(qū)域71接觸，并由第一半導(dǎo)體區(qū)域71與主電極24隔開。第二半導(dǎo)體區(qū)域72含有p型雜質(zhì)。第三半導(dǎo)體區(qū)域73與第二半導(dǎo)體區(qū)域72接觸，并由第二半導(dǎo)體區(qū)域72與第一半導(dǎo)體區(qū)域71隔開。第三半導(dǎo)體區(qū)域73含有n型雜質(zhì)。第四半導(dǎo)體區(qū)域74與第三半導(dǎo)體區(qū)域73接觸，并由第三半導(dǎo)體區(qū)域73與第二半導(dǎo)體區(qū)域72隔開。第四半導(dǎo)體區(qū)域74含有p型雜質(zhì)。第五半導(dǎo)體區(qū)域75接觸第四半導(dǎo)體區(qū)域74，并由第四半導(dǎo)體區(qū)域74與第三半導(dǎo)體區(qū)域73隔開。第五半導(dǎo)體區(qū)域75含有n型雜質(zhì)。第五半導(dǎo)體區(qū)域75通過第二連接點31電連接到傳感器電極25。
如圖1所示，第一二極管32由第一半導(dǎo)體區(qū)域71與第二半導(dǎo)體區(qū)域72之間的pn結(jié)形成。第二二極管33由第二半導(dǎo)體區(qū)域72與第三半導(dǎo)體區(qū)域73之間的pn結(jié)形成。第三二極管34由第三半導(dǎo)體區(qū)域73與第四半導(dǎo)體區(qū)域74之間的pn結(jié)形成。第四二極管35由第四半導(dǎo)體區(qū)域74與第五半導(dǎo)體區(qū)域75之間的pn結(jié)形成。第一二極管32和第三二極管34的正向是從主電極24到傳感器電極25的方向。第二二極管33和第四二極管35的正向是從傳感器電極25到主電極24的方向。
接下來將說明保護器件30的功能。在半導(dǎo)體器件10的制造處理期間，超額電壓(例如ESD)可能由于各種原因而施加到半導(dǎo)體器件10。如果像本實施例那樣，在半導(dǎo)體器件中布置用于檢測電流的傳感器開關(guān)元件區(qū)域27，則存在這樣的問題，即傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的柵極絕緣層65易被破壞。這個問題是由于下列原因造成的。
傳感器開關(guān)元件區(qū)域27中形成的開關(guān)元件98的數(shù)目小于主開關(guān)元件區(qū)域26中形成的開關(guān)元件98的數(shù)目。因此，傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的傳感器電極25與柵極23之間的柵極輸入電容(與柵極絕緣層65的面積有關(guān))小于主開關(guān)元件區(qū)域26的主電極24與柵極23之間的柵極輸入電容。由于主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極輸入電容較大，所以主開關(guān)元件區(qū)域26的主電極24與柵極23之間的ESD容限較高。另一方面，由于傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的柵極輸入電容較小，所以傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的傳感器電極25與柵極23之間的ESD容限較低。因此，當(dāng)ESD施加在傳感器電極25與柵極23之間時，傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的柵極絕緣層65易被破壞，除非采取了某些措施。
本實施方式的半導(dǎo)體器件10設(shè)有保護器件30。當(dāng)ESD施加到傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的傳感器電極25與柵極23之間時，保護器件30可以從傳感器電極25向主電極24放電。具體而言，當(dāng)ESD施加到傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的傳感器電極25與柵極23之間，并在傳感器電極25與主電極24之間造成預(yù)定電位差時，保護器件30通過將布置在保護器件30中的二極管32、33、34、35中的一部分短路而使主電極24和傳感器電極25電連接。結(jié)果，可以防止超額電壓施加到傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的柵極絕緣層65。這防止了傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的柵極絕緣層65受到破壞。此外，即使在從傳感器電極25向主電極24放電時，主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極絕緣層65也不會損壞，因為主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極輸入電容較大。
在半導(dǎo)體器件10的制造處理期間，實施測試(例如，稱為“人工模式”和“機器模式”的ESD容限測試)以評估半導(dǎo)體器件10對ESD的容限，所述測試是在半導(dǎo)體器件10的端子之間強制性地施加電荷。還對傳感器電極24和柵極23實施ESD容限測試。如上所述，現(xiàn)有技術(shù)中，傳感器開關(guān)元件區(qū)域26的傳感器電極和柵極之間的ESD容限較低。因此，當(dāng)對現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體器件實施標(biāo)準(zhǔn)的“人工模式”或“機器模式”ESD容限測試時，傳感器開關(guān)元件區(qū)域的柵極絕緣層經(jīng)常受到破壞。另一方面，即使對半導(dǎo)體器件10實施了標(biāo)準(zhǔn)的“人工模式”或“機器模式”ESD容限測試，因為本實施方式的半導(dǎo)體器件10設(shè)有保護器件30，故也可防止傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的柵極絕緣層65受到損壞。
在保護器件30中，第一二極管32和第三二極管34的正向與第二二極管33和第四二極管35的正向相反。當(dāng)傳感器電極25的電位高于主電極24的電位、且傳感器電極25與主電極24之間的電位差超過第一二極管32和第三二極管34的累積擊穿電壓時，產(chǎn)生從傳感器電極25向主電極24的放電。另一方面，在主電極24的電位高于傳感器電極25的電位、且傳感器電極25與主電極24之間的電位差超過第二二極管33和第四二極管35的累積擊穿電壓時，產(chǎn)生從主電極24到傳感器電極25的放電。因此，只要傳感器電極25與主電極24之間的電位差不超過第一二極管32和第三二極管34總的擊穿電壓，保護器件30就可以在主電極24與傳感器電極25之間維持不導(dǎo)通狀態(tài)。與之類似，只要主電極24與傳感器電極25之間的電位差不超過第二二極管33和第四二極管35總的擊穿電壓，保護器件30就可以在主電極24與傳感器電極25之間維持不導(dǎo)通狀態(tài)。在正常工作情況下，主電極24與傳感器電極25之間維持不導(dǎo)通狀態(tài)，因為沒有在主電極24與傳感器電極25之間產(chǎn)生大電位差。因此，在正常工作情況下，可以將流經(jīng)主電極24的電流和流經(jīng)傳感器電極25的電流隔開。在正常工作情況下，通過將流經(jīng)主電極24的電流與流經(jīng)傳感器電極25的電流隔開，可以提高電流檢測器96檢測到的電流值的精度。
此外，可以通過布置在保護器件30中的二極管的數(shù)目來調(diào)整保護器件30短路的電位差(即預(yù)定電壓)。優(yōu)選將保護器件30的預(yù)定電壓設(shè)定為高于主電極24與柵極23之間的最大額定電壓(正常動作的額定電壓)。這樣，由于在開關(guān)元件正常動作的情況下，主電極24與柵極23之間的電壓不會超過最大額定電壓，因此，在開關(guān)元件正常動作的情況下，主電極24與柵極23之間的電壓不會開啟保護器件30。也就是說，保護器件30不會受到開關(guān)元件的正常動作電壓而誤動作。
另外，優(yōu)選將保護器件30的預(yù)定電壓設(shè)定為低于傳感器開關(guān)元件的柵極絕緣層的破壞電壓(破壞電壓)。這樣，由于保護器件30的預(yù)定電壓低于傳感器開關(guān)元件的柵極絕緣層65的破壞電壓，就可以在傳感器開關(guān)元件的柵極絕緣層65受到破壞之前開啟保護器件30。
此外，如本發(fā)明背景技術(shù)中所述，存在這樣的技術(shù)，其中在傳感器開關(guān)元件的發(fā)射極與柵極之間布置穩(wěn)壓二極管，以便提高傳感器開關(guān)元件的發(fā)射極與柵極之間的ESD容限。但是，通過布置穩(wěn)壓二極管，就會不可避免地發(fā)生齊納漏電流。因此，采用穩(wěn)壓二極管的現(xiàn)有技術(shù)，存在增大柵極漏電流的問題，還會增大半導(dǎo)體器件的柵極驅(qū)動損耗。
與之相反，采用本實施例的半導(dǎo)體器件10，即使漏電流流過主電極24與傳感器電極25之間，也不會增大柵極漏電流。
圖3示出了采用穩(wěn)壓二極管的現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體器件的柵極漏電流大小以及本實施例的半導(dǎo)體器件10的柵極漏電流大小。圖3(a)示出了半導(dǎo)體器件的溫度為25攝氏度的情況。圖3(b)示出了半導(dǎo)體器件的溫度為150攝氏度的情況。
在兩種溫度下，都可以看到本實施例的半導(dǎo)體器件10的柵極漏電流量級要小得多。此外，在現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體器件中，柵極漏電流大小隨著半導(dǎo)體器件的溫度改變而改變。另一方面，在本實施例的半導(dǎo)體器件10中，無論半導(dǎo)體器件10的溫度如何都可抑制柵極泄漏的大小改變。半導(dǎo)體器件10對于溫度改變很穩(wěn)定。不管半導(dǎo)體器件10的溫度如何，半導(dǎo)體器件10的柵極泄漏都維持在低水平。
本實施例的半導(dǎo)體器件10因為柵極漏電流的最小化而可以使柵極驅(qū)動損耗最小化。采用本實施例的半導(dǎo)體器件10，可以在使柵極驅(qū)動損耗最小化的同時解決傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的傳感器電極25與柵極23之間ESD的問題。
此外，在半導(dǎo)體器件10開啟時，即使通過保護器件30的漏電流流過主電極24與傳感器電極25之間，流經(jīng)保護器件30的漏電流的大小也非常小。因此，即使產(chǎn)生漏電流，電流檢測器96的檢測能力也不會受到不良影響。
下面將說明本實施例的半導(dǎo)體器件10的其他特性。
(1)流經(jīng)傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的電流大小除以流經(jīng)整個半導(dǎo)體器件10的電流大小所得的值(稱為電流感知比)優(yōu)選為小于或等于0.01。為了實現(xiàn)這樣的值，傳感器開關(guān)元件區(qū)域27中形成的開關(guān)元件98的數(shù)目除以整個半導(dǎo)體器件10上形成的開關(guān)元件98總數(shù)所得的值應(yīng)當(dāng)小于或等于0.01。這個比例越低，對流經(jīng)半導(dǎo)體器件10的電流大小進行檢測的能力就越強。如果獲得了上述比例，則傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的柵極輸入電容會小于主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極輸入電容，傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的ESD容限通常會更小。在此情況下，通過像半導(dǎo)體器件10的情況中那樣設(shè)置保護器件30，可以提高傳感器電極25與柵極23之間的ESD容限。具體而言，如果電流感知比小于或等于0.01，則保護器件30可以獲得顯著的積極效果。如果電流感知比小于或等于0.01，則帶有保護器件30的半導(dǎo)體器件10可以提高對電流量進行檢測的能力，也可以提高ESD容限。
(2)采用在傳感器開關(guān)元件區(qū)域的傳感器電極與柵極之間布置穩(wěn)壓二極管的現(xiàn)有技術(shù)半導(dǎo)體器件，在實施柵極篩選測試時可能產(chǎn)生問題。柵極篩選測試是指用于篩選有缺陷柵極結(jié)構(gòu)(通常是柵極絕緣膜)的測試，它通過將半導(dǎo)體器件除了柵極端子外的全部端子都接地并向柵極端子施加預(yù)定電壓來進行。要施加到柵極端子的預(yù)定電壓通常是破壞柵極絕緣膜所需電壓的70％-80％。但是，如果像現(xiàn)有技術(shù)中那樣在傳感器開關(guān)元件區(qū)域的傳感器電極與柵極之間布置穩(wěn)壓二極管，就不能將大于穩(wěn)壓二極管擊穿電壓的電壓施加到柵極端子。因此，不能用柵極篩選測試篩選出有缺陷的柵極絕緣膜。
另一方面，采用半導(dǎo)體器件10，因為柵極端子42與其他端子是絕緣的，故可以向柵極端子42施加足夠大的電壓。因此，可以向柵極端子42施加進行柵極篩選測試所需的電壓。結(jié)果，可以屏蔽掉有缺陷的柵極絕緣膜65。
(3)通常，為了評估半導(dǎo)體器件10的ESD容限，要實施稱為“機器模式”的ESD容限測試，其中要在半導(dǎo)體器件10的端子之間強制施加電荷。半導(dǎo)體器件10的主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極輸入電容優(yōu)選為大于用端子之間供給的電荷量(在機器模式ESD容限測試期間)除以柵極絕緣膜的破壞容限(破壞電壓)所計算得到的值?？梢酝ㄟ^增加主開關(guān)元件區(qū)域26中所形成的開關(guān)元件的數(shù)目，來有效地提高主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極輸入電容。
如果滿足上述條件，就可以在機器模式ESD容限測試期間防止主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極絕緣膜65的破壞。在標(biāo)準(zhǔn)的機器模式ESD容限測試中，通常在供給電荷時用200(V)作為電源，通常用200(pF)作為收集電荷所用的電容器。因此，主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極輸入電容優(yōu)選為調(diào)整到大于下面計算所得的值。
200(V)×200(pF)/柵極絕緣膜65的破壞容限柵極絕緣膜65的破壞容限通常約為80V。因此，通過上述公式計算得到的主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極輸入電容優(yōu)選為調(diào)整到大于500(pF)。
圖4示出了主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極輸入電容與半導(dǎo)體器件10的靜電容限之間的關(guān)系。
如圖4所示，當(dāng)柵極輸入電容超過500pF時，半導(dǎo)體器件10的靜電容限大大增加了。如上所述，當(dāng)柵極輸入電容大于500pF時，可以防止主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極絕緣層65受到破壞。半導(dǎo)體器件10也采用了保護器件30，也防止了傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的柵極絕緣層65受到破壞。即使在經(jīng)過保護器件30從傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的傳感器電極25向主開關(guān)元件區(qū)域26的主電極24放電時，也可以防止主開關(guān)元件區(qū)域26的柵極絕緣層65受到破壞。因此，在主開關(guān)元件區(qū)域26和傳感器開關(guān)元件區(qū)域27中都防止了柵極絕緣層65受到破壞。因此，當(dāng)柵極輸入電容超過500pF時，半導(dǎo)體器件10的靜電容限顯著增大了。
(4)可以通過采用制造半導(dǎo)體器件10所用的工藝在半導(dǎo)體襯底60的表面上形成保護器件30。制造保護器件30不會造成制造成本的顯著增加。此外，由于保護器件30集成在半導(dǎo)體器件10中，所以尺寸也沒有增大。
(5)保護器件30還可以包括緊靠二極管32、33、34和35而串聯(lián)布置的電阻。這些附加電阻優(yōu)選地采用制造半導(dǎo)體器件10的工藝來形成。例如，可以通過與保護器件30的半導(dǎo)體層70接觸來形成附加電阻，也可以通過形成雜質(zhì)濃度經(jīng)調(diào)整的區(qū)域來獲得附加電阻。
通過設(shè)置此類附加電阻，可以控制流經(jīng)保護器件30的電流大小。結(jié)果，即使設(shè)在保護器件30上的二極管32、33、34和35的pn結(jié)面積不夠，也可以提高傳感器開關(guān)元件區(qū)域27的傳感器電極25與柵極23之間的ESD容限。此外，通過設(shè)置附加電阻，可以使半導(dǎo)體器件10更加緊湊，因為可以使二極管32、33、34和35的面積更小。
(6)主開關(guān)元件區(qū)域26與傳感器開關(guān)元件區(qū)域27之間的DC容限取決于具體設(shè)計而變化很大，但是通常在幾伏到幾十伏之間。因此，可以理解，在主開關(guān)元件區(qū)域26與傳感器開關(guān)元件區(qū)域27之間嵌入了體效應(yīng)二極管(bulk diode)。因此，如果主開關(guān)元件區(qū)域26與傳感器開關(guān)元件區(qū)域27之間的容限低于保護器件30，則看起來是體效應(yīng)二極管提供了保護功能。但是，實際情況并不是這樣。實際上，布置在主開關(guān)元件區(qū)域26與傳感器開關(guān)元件區(qū)域27之間的體效應(yīng)二極管的容限是幾百伏。因此，不能期望體效應(yīng)二極管作為抵抗ESD的保護器件提供保護。因此，即使保護器件30用于比主開關(guān)元件區(qū)域26與傳感器開關(guān)元件區(qū)域27之間的容限更高的容限，只要保護器件30的容限小于或等于柵極絕緣層65的容限，就可以防止由于ESD造成的柵極絕緣層破壞。
上面已經(jīng)詳細說明了本發(fā)明具體實施例的示例。但是，上述實施例僅僅是示例，因此不應(yīng)限制本發(fā)明要求保護的范圍。對本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)的技術(shù)可以進行各種修改和調(diào)整。
此外，本說明書和/或附圖中所述的技術(shù)特征可以單獨或作為組合物而產(chǎn)生技術(shù)效果，不受提交本申請時權(quán)利要求中所述組合的限制。此外，本說明書或附圖中所述的技術(shù)還可以同時實現(xiàn)許多目的，實現(xiàn)這些目的中的任何一個都可以使本發(fā)明具有技術(shù)實用性。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底，其中形成有多個開關(guān)元件，所述開關(guān)元件被分為至少兩組；主電極，其連接到屬于一組所述開關(guān)元件的那些開關(guān)元件，并將連接到參考電位；傳感器電極，其連接到屬于另一組所述開關(guān)元件的那些開關(guān)元件，并將通過電流檢測器連接到所述參考電位；以及保護器件，其形成于所述主電極與所述傳感器電極之間，其中，當(dāng)所述主電極與所述傳感器電極之間的電位差超過預(yù)定電壓時，所述保護器件使所述主電極與所述傳感器電極電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述保護器件包括多個二極管，其串聯(lián)在所述主電極與所述傳感電極之間，其中，所述二極管包括以相反的方向布置的至少一組二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述保護器件包括半導(dǎo)體層，其從所述主電極伸展到所述傳感器電極，其中，所述半導(dǎo)體層包括第一半導(dǎo)體區(qū)域，其連接到所述主電極并含有第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)；第三半導(dǎo)體區(qū)域，其連接到所述傳感器電極并含有所述第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)；以及第二半導(dǎo)體區(qū)域，其布置在所述第一半導(dǎo)體區(qū)域與所述第三半導(dǎo)體區(qū)域之間，并含有第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的半導(dǎo)體器件，其中，使所述主電極與所述傳感器電極連接的所述保護器件的預(yù)定電壓設(shè)定為高于所述開關(guān)元件的所述主電極與柵極之間的最大額定電壓，且所述保護器件的所述預(yù)定電壓低于柵極絕緣層的破壞容限。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體器件，它設(shè)有主開關(guān)元件區(qū)域的主電極、傳感器開關(guān)元件區(qū)域的傳感器電極、以及形成于主電極與傳感器電極之間的保護器件。當(dāng)主電極與傳感器電極之間產(chǎn)生預(yù)定電位差時，保護器件使主電極與傳感器電極電連接。這種半導(dǎo)體器件可以處理超額的電壓，例如傳感器電極與柵極之間產(chǎn)生的ESD，同時還可以防止柵極驅(qū)動損耗增大。
文檔編號H01L27/04GK1979859SQ20061016200
公開日2007年6月13日 申請日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者堀田幸司 申請人:豐田自動車株式會社