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CN111916447A - 功率半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率半导体装置。根据本发明的实施方式的功率半导体装置，包括：半导体层，其包括主单元区域、传感器区域以及在主单元区域和传感器区域之间的绝缘区域；设置在主单元区域上的多个功率半导体晶体管；设置在传感器区域上的多个电流传感器晶体管；以及保护电阻层，跨绝缘区域设置在半导体层上，从而多个功率半导体晶体管的至少一部分和多个电流传感器晶体管的至少一部分在异常操作条件下彼此连接。

Description

功率半导体装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年5月8日提交的韩国专利申请No.10-2019-0053685的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明在此涉及一种半导体设备，并且更具体地，涉及一种用于切换功率传输的功率半导体装置。
背景技术
功率半导体装置是在高电压和高电流条件下操作的半导体装置。功率半导体装置已经被用于需要高功率切换的领域，例如逆变器装置。例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和功率MOSFET可作为功率半导体装置的代表性实例。功率半导体装置基本上需要相对于高电压的耐压特性，并且近年来还需要高速切换操作。但是，尽管对于高速操作必须降低导通电阻，但是在这种情况下可能会降低耐压特性。
功率半导体装置通过与主操作单元相比以预定的镜像比在传感器区域中形成电流传感器单元来监视主操作单元的电流，以便监视操作电流。但是，由于电流传感器单元的面积远小于主操作单元的面积，因此可能难以在传感器区域中确保适当的ESD电容。
[相关技术文献]
[专利文献]
(专利文献1)韩国专利申请公开第20140057630号(公开日期：2014年5月13日)
发明内容
本发明提供了一种能够改善传感器区域的电容特性的功率半导体装置。然而，这仅是说明性的，因此本发明的实施方式不限于此。
本发明的实施方式提供了一种功率半导体装置，包括：半导体层，其包括主单元区域、传感器区域以及在所述主单元区域与所述传感器区域之间的绝缘区域；设置在所述主单元区域上的多个功率半导体晶体管；设置在所述传感器区域上的多个电流传感器晶体管；和保护电阻层，跨所述绝缘区域设置在所述半导体层上，使得所述多个功率半导体晶体管的至少一部分与所述多个电流传感器晶体管的至少一部分在异常操作条件下彼此连接。
在功率半导体装置中，所述保护电阻层可连接至所述多个功率半导体晶体管的至少一部分的阱区域和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分的阱区域中的每一个。此外，所述保护电阻层可包括具有调节的掺杂浓度的多晶硅层。
在功率半导体装置中，所述多个功率半导体晶体管的至少一部分和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分可共享栅电容。
在功率半导体装置中，所述多个功率半导体晶体管的至少一部分和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分可共享栅电极。
在功率半导体装置中，所述多个功率半导体晶体管的栅电极和所述多个电流传感器晶体管的栅电极可以条纹型的方式布置，并且设置在同一条线上的多个功率半导体晶体管的栅电极和多个电流传感器晶体管的栅电极可跨所述绝缘区域上彼此连接。
在功率半导体装置中，在所述主单元区域和所述传感器区域的所述半导体层中可分别设置有阱区域和源极区域，并且所述阱区域和源极区域可不设置在所述绝缘区域的半导体层中，并且漂移区域可在所述绝缘区域的半导体层中延伸。
在功率半导体装置中，被配置为用作所述多个电流传感器晶体管的输出端的电流传感器端子可设置在所述主单元区域和所述传感器区域之外的所述半导体层上。
在本发明的另一实施方式中，一种功率半导体装置包括：开尔文(Kelvin)发射极端子和发射极端子，分别连接至设置在主单元区域中的多个功率半导体晶体管的发射极电极；栅极端子，连接到所述功率半导体晶体管的栅电极；电流传感器端子，连接到设置在所述传感器区域中的多个电流传感器晶体管，以便监视所述多个电流传感器晶体管的电流；和保护电阻层，设置在跨所述主单元区域和所述传感器区域之间的绝缘区域的半导体层上，使得所述发射极端子和所述电流传感器端子在异常操作条件下彼此连接。
在功率半导体装置中，所述保护电阻层可连接到所述多个功率半导体晶体管的至少一部分的阱区域和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分的阱区域中的每一个。
在功率半导体装置中，所述多个功率半导体晶体管的至少一部分和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分可共享栅电容。
在功率半导体装置中，所述多个功率半导体晶体管的栅电极和所述多个电流传感器晶体管的栅电极可以条纹型的方式布置，并且设置在同一条线上的多个功率半导体晶体管的栅电极和多个电流传感器晶体管的栅电极可跨所述绝缘区域彼此连接。
附图说明
包括附图以提供对发明概念的进一步理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了发明构思的实施方式，并且与说明书一起用于解释发明构思的原理。在附图中：
图1是示出根据本发明的实施方式的功率半导体装置的平面图；
图2是示出根据本发明的实施方式的功率半导体装置的电路图；
图3是示出图2的功率半导体装置的一部分的电路图；
图4是示出根据本发明的实施方式的功率半导体装置的局部区域的示意平面图；
图5是示出图4的主单元区域和传感器区域的一部分的示意性平面图；
图6是沿着图5的VI-VI线截取的截面图；
图7是沿着图5的VII-VII线截取的截面图；和
图8是沿着图5的VIII-VIII线截取的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述实施方式。然而，本公开可以以不同的形式实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本公开将是透彻和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。另外，为了便于描述，元件的尺寸被放大或缩小。附图中相同的附图标记表示相同的元件。
除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。在附图中，为了图示清楚，夸大了层和区域的尺寸。在附图中，相似的附图标记始终指代相似的元件。还应该理解，当诸如层或区域之类的组件被称为在另一组件“上”时，它可直接在另一组件上，或者也可存在中间组件。另一方面，还将理解的是，当一个组件被称为“直接在”另一个组件“上”时，可能不存在中间组件。
图1是示出根据本发明实施方式的功率半导体装置100的示意性平面图；图2是示出根据本发明实施方式的功率半导体装置100的电路图；图3是示出图2的功率半导体装置100的一部分的电路图。
参照图1，可通过使用包括主单元区域MC和传感器区域SA的半导体层105来实现功率半导体装置100。功率半导体装置100可包括晶片、芯片或管芯结构。
例如，可在主单元区域MC中设置多个功率半导体晶体管(图3的PT)。例如，功率半导体晶体管PT可包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率MOSFET。IGBT可包括栅电极、发射极电极和集电极。在图2至图3，将描述IGBT作为功率半导体装置100的实例。
一起参照图1至图3，功率半导体装置100可包括用于外部连接的多个端子。例如，功率半导体装置100可包括：开尔文发射极端子(kelvin emitter terminal)66和发射极端子69，它们连接到每个功率半导体晶体管PT的发射极电极；栅极端子62，连接到每个功率半导体晶体管PT的栅极端子；电流传感器端子64，连接到电流传感器晶体管ST以监视电流；温度传感器端子67和68，连接到用于监视温度的温度传感器TC；和/或集电极端子，连接到电流传感器晶体管ST和功率半导体晶体管PT中的每一个的集电极。在图2中，集电极端子61设置在图1的功率半导体装置100的后表面上。
温度传感器TC可包括连接至温度传感器端子67和68的结二极管(junctiondiode)。结二极管可包括至少一个n型杂质区域和至少一个p型杂质区域的结结构(junction structure)，例如PN结结构、PNP结结构和NPN结结构。尽管在该实施方式中示例性地描述了其中包括温度传感器TC的功率半导体装置100的结构，但是在实施方式的修改实例中可省略温度传感器TC。
功率半导体晶体管PT连接在发射极端子69和集电极端子61之间，并且电流传感器晶体管ST通过电流传感器端子64和集电极端子61之间的部分并联连接而连接到功率半导体晶体管PT。电流传感器晶体管ST的栅电极和功率半导体晶体管PT的栅电极通过在它们之间提供预定的电阻器而共同连接到栅极端子62。
电流传感器晶体管ST可具有与功率半导体晶体管PT基本相同的结构。这里，电流传感器晶体管ST可从功率半导体晶体管PT减小预定比例。因此，当监视电流传感器晶体管ST的输出电流时，可间接监视功率半导体晶体管PT的输出电流。
在该实施方式中，发射极端子69和电流传感器端子64可通过预定的保护电阻器Re连接。保护电阻器Re可以是绝缘电阻器，其足够大以在发射极端子69和电流传感器端子64之间绝缘，从而在功率半导体装置100的正常操作期间基本上不流动电流。这里，通过保护电阻器Re连接发射极端子69和电流传感器端子64的特征可表示电连接允许电流在异常操作条件下(例如，静电放电(ESD)条件)流动。
因此，在正常操作条件下，流过功率半导体晶体管PT的发射极端子69的电流或电子与流过电流传感器晶体管ST的电流传感器端子64的电流或电子是不同的。然而，在异常操作条件下，例如在静电电放(electrostatic discharge，ESD)条件下，当施加极大的电压或引入极大的电流时，电流传感器晶体管ST的电流或电子流可通过保护电阻器Re沿朝向功率半导体晶体管PT的方向分布。因此，即使在尺寸小于主单元区域MC的传感器区域SA中，电容也可增加，并且电容特性可改善。即，通过使用通过保护电阻器Re的电流分布，可保护传感器区域SA免受ESD冲击。
图4是示出根据本发明实施方式的功率半导体装置的部分区域的示意性平面图。
参照图4，半导体层105可包括主单元区域MC、传感器区域SA以及设置在主单元区域MC和传感器区域SA之间的绝缘区域IA。此外，半导体层105可进一步包括用于形成用作外部输出端的端子的端子区域。
在该实施方式中，功率半导体晶体管PT设置在主单元区域MC中，电流传感器晶体管ST设置在传感器区域SA中。传感器区域SA可布置在传感器区域SA外部的半导体层105上，而不是布置在电流传感器端子64下方。因此，可用作电流传感器晶体管ST的输出端的电流传感器端子64与通常情况不同可，设置在单独的端子区域中，例如，在主单元区域MC和传感器区域SA外部的半导体层105。在这种情况下，可调节电流传感器端子64的尺寸，而不管传感器区域SA的尺寸如何。
在一些实施方式中，可通过转换主单元区域MC的部分区域来形成传感器区域SA。在这种情况下，绝缘区域IA可设置在主单元区域MC和传感器区域SA之间，以在正常操作条件下将主单元区域MC和传感器区域SA电绝缘。因此，绝缘区域IA可设置为围绕传感器区域SA的至少一部分。如上所述，保护电阻器Re可设置在绝缘区域IA中。
图5是示出主单元区域和传感器区域的一部分的示意性平面图。图6是沿着图5的VI-VI线截取的截面图，图7是沿图5的VII-VII线截取的截面图，图8是沿着图5的VIII-VIII线截取的截面图。
参照图5至图8，功率半导体晶体管PT和电流传感器晶体管ST可设置在半导体层105处。
半导体层105可指一个或多个半导体材料层，例如半导体衬底的一部分和/或一个或多个外延层。例如，半导体层105可包括漂移区域107和阱区110。
在主单元区域MC中，半导体层105还可在阱区域110中包括源极区域112。这里，源极区域112可被称为发射极区域。在下文中，源极区域112可被称为源极区域或发射极区域。
此外，半导体层105还可包括设置在栅电极120之间和下方的浮动区域125。
漂移区域107和源极区域112中的每个可具有第一导电类型，并且阱区域110和浮动区域125中的每个可具有第二导电类型。第一导电类型和第二导电类型可具有彼此相反的导电类型，并且第一导电类型和第二导电类型中的每一个可以是n型和p型中的一种。例如，当第一导电类型是n型时，第二导电类型可是p型，相反也可。
漂移区域107可形成为第一导电类型的外延层，并且阱区域110可通过将第二导电类型的杂质掺杂到外延层而形成或者形成为第二导电类型的外延层。源极区域112可通过在阱区域110中掺杂第一导电类型的杂质或另外形成第一导电类型的外延层来形成。
可在漂移区域107的下方提供集电极区域128，并且可在集电极区域128的下方提供集电极155，以与集电极区域128连接。例如，可在半导体衬底(未示出)上提供漂移区域107，半导体衬底可界定第二导电类型集电极区域128的至少一部分或全部，并且集电极155可提供在半导体衬底的底表面上。对于另一实例，集电极区域128可被提供为在漂移区域107下方的第二导电类型外延层。
栅电极120可凹入半导体层105中以掩埋形成在半导体层105中的至少一个沟槽。沟槽可形成为距半导体层105的表面预定深度。例如沟槽可穿过源极区域112和阱区域110并延伸直到漂移区域107的一部分。沟槽可具有圆角以限制电场集中。例如，可对沟槽的下端角进行圆形处理。
栅极绝缘层118可设置在沟槽中的栅电极120和半导体层105之间。绝缘层130可设置在栅电极120上。可提供一个或多个栅电极120。可根据所需的操作规范适当地选择栅电极120的数量。然而，本发明的实施方式不限于此。
此外，单元接触电极142可设置在发射极区域或源极区域112上。单层或多层线电极145可设置在单元接触电极142上。层间绝缘层(未示出)可另外提供在半导体层105和线电极145之间
传感器区域SA中的一个电流传感器晶体管ST的结构可与主单元区域MC中的一个功率半导体晶体管PT的结构基本相同。例如，在传感器区域SA和主单元区域MC中，漂移区域107、浮动区域125和栅电极120可连续形成而不是被区分。
然而，阱区域110可在传感器区域SA和主单元区域MC中分别形成。漂移区域107可延伸到传感器区SA和主单元区MC之间的绝缘区IA，而不是形成阱区域和源极区域。因此，可在传感器区域SA的阱区域110与绝缘区域IA的漂移区域107之间以及主单元区域MC的阱区域110与绝缘区域IA的漂移区域107之间形成PN二极管结构。
此外，传感器区域SA中的发射极区域或源极区域112a可形成在阱区域110中，以便与主单元区域MC中的发射极区域或源极区域112分离。而且，单元接触电极142a可设置在发射极区域或源极区域112a上，并且单层或多层线电极145a可设置在单元接触电极142a上。
在该实施方式中，通过提供设置在其间的绝缘区域IA中的保护电阻器Re，在异常操作条件下，功率半导体晶体管PT的至少一部分和电流传感器晶体管ST的至少一部分可彼此连接。例如，在异常操作条件下，功率半导体晶体管PT的至少一部分和电流传感器晶体管ST的至少一部分可通过跨绝缘区域IA设置在半导体层105上的保护电阻层135彼此连接。在这种情况下，保护电阻器Re可包括保护电阻层135。
例如，保护电阻层135可连接到功率半导体晶体管PT的至少一部分的阱区域110和电流传感器晶体管ST的至少一部分的阱区域110中的每一个。例如，保护电阻层135可包括接触电阻层132，并且在这种情况下，保护电阻层135可通过接触电阻层132连接到阱区域110。
保护电阻层135和接触电阻层132可由彼此相同的材料或彼此不同的材料制成。例如，保护电阻层135和接触电阻层132可包括以预定浓度掺杂的多晶硅层(polysiliconlayer)，并且在这种情况下，保护电阻层135和接触电阻层132可彼此不区分。
由于保护电阻层135的电阻比源极区域112的电阻高，因此在正常工作条件下流过保护电阻器Re的电流微不足道。因此，保护电阻层135可包括具有调节的掺杂浓度的多晶硅，使得保护电阻层135由于其高电阻而在功率半导体装置100的正常操作条件下几乎不允许电流流动，但是在异常操作条件下，例如ESD条件下，允许电流流动。
在本实施方式中，由于保护电阻层135与阱区域110分开形成，因此可通过根据异常操作条件下所需的电流量单独设置掺杂浓度来调节其电阻。
在一些实施方式中，功率半导体晶体管PT的至少一部分和电流传感器晶体管ST的至少一部分可共享栅电容。例如，功率半导体晶体管PT的至少一部分和电流传感器晶体管ST的至少一部分可共享栅电极120。
更具体地，功率半导体晶体管PT的栅电极120和电流传感器晶体管ST的栅电极120可如图5所示以条纹型的方式布置。在这种情况下，布置在同一线上的功率半导体晶体管PT的栅电极120和电流传感器晶体管ST的栅电极120可跨绝缘区域IA并且彼此连接。在这种情况下，主单元区域MC的功率半导体晶体管PT和传感器区域SA的电流传感器晶体管ST可共享栅极电容。因此，可获得实质上增加传感器区域SA的电容的效果。
在实施方式的修改实例中，栅电极120可在传感器区域SA和主单元区域MC中分离而不是被共享。在这种情况下，尽管在传感器区域SA和主单元区域MC中不共享栅电容，但是在ESD条件下仍可通过保护电阻器Re进行电流分配。
根据实施方式，可通过将典型的主单元区域MC的部分区域分配给传感器区域SA来简化结构。在这种情况下，可通过分批工艺来制造主单元区域MC、传感器区域SA和绝缘区域IS中的阱区域110、漂移区域107、栅电极120等。
尽管在功率半导体装置是IGBT的情况下描述了以上描述，但这可直接应用于功率MOSFET。例如，在功率MOSFET中，可不提供集电极区域128，并且可提供漏电极代替集电极。
在根据本发明的实施方式的功率半导体装置中，由于在异常操作条件下通过在传感器区域和主单元区域之间提供保护电阻层来连接传感器区域和主单元区域，因此可改善传感器区域的电容特性。上述效果仅是说明性的，并且本发明的实施方式不限于该效果。
尽管已经描述了本发明的实施方式，但是应当理解，本发明不限于这些实施方式，本领域的普通技术人员可在以下要求保护的本发明的精神和范围内进行各种改变和修改。因此，本发明的实际保护范围应由所附权利要求的技术范围来确定。

Claims (12)

1.一种功率半导体装置，包括：
半导体层，包括主单元区域、传感器区域以及在所述主单元区域与所述传感器区域之间的绝缘区域；
多个功率半导体晶体管，设置在所述主单元区域上；
多个电流传感器晶体管，设置在所述传感器区域上；以及
保护电阻层，跨所述绝缘区域设置在所述半导体层上，在异常操作条件下使得所述多个功率半导体晶体管的至少一部分与所述多个电流传感器晶体管的至少一部分彼此连接。
2.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其中，所述保护电阻层连接至所述多个功率半导体晶体管的至少一部分的阱区域和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分的阱区域中的每一个。
3.根据权利要求2所述的功率半导体装置，其中，所述保护电阻层包括具有调节的掺杂浓度的多晶硅层。
4.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其中，所述多个功率半导体晶体管的至少一部分和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分共享栅电容。
5.根据权利要求4所述的功率半导体装置，其中，所述多个功率半导体晶体管的至少一部分和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分共享栅电极。
6.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其中，所述多个功率半导体晶体管的栅电极和所述多个电流传感器晶体管的栅电极以条纹型的方式布置，并且
设置在同一条线上的所述多个功率半导体晶体管的栅电极和所述多个电流传感器晶体管的栅电极跨所述绝缘区域而彼此连接。
7.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其中，在所述主单元区域和所述传感器区域的所述半导体层中分别设置有阱区域和源极区域，并且
所述阱区域和所述源极区域未设置在所述绝缘区域的半导体层中，并且漂移区域在所述绝缘区域的半导体层中延伸。
8.根据权利要求1所述的功率半导体装置，其中，被配置为用作所述多个电流传感器晶体管的输出端的电流传感器端子设置在所述主单元区域和所述传感器区域之外的所述半导体层上。
9.一种功率半导体装置，包括：
开尔文发射极端子和发射极端子，连接至设置在主单元区域中的多个功率半导体晶体管的发射极电极；
栅极端子，连接到所述功率半导体晶体管的栅电极；
电流传感器端子，连接到设置在所述传感器区域中的多个电流传感器晶体管，以便监视所述多个电流传感器晶体管的电流；以及
保护电阻层，设置在跨所述主单元区域和所述传感器区域之间的绝缘区域的半导体层上，在异常操作条件下使得所述发射极端子和所述电流传感器端子彼此连接。
10.根据权利要求9所述的功率半导体装置，其中，所述保护电阻层连接至所述多个功率半导体晶体管的至少一部分的阱区域和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分的阱区域中的每一个。
11.根据权利要求9所述的功率半导体装置，其中，所述多个功率半导体晶体管的至少一部分和所述多个电流传感器晶体管的至少一部分共享栅电容。
12.根据权利要求9所述的功率半导体装置，其中，所述多个功率半导体晶体管的栅电极和所述多个电流传感器晶体管的栅电极以条纹型的方式布置，并且
设置在同一条线上的所述多个功率半导体晶体管的栅电极和所述多个电流传感器晶体管的栅电极跨所述绝缘区域而彼此连接。
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