具有集成温度传感器的半导体开关的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有集成温度传感器的功率半导体开关领域。
【背景技术】
[0002]诸如功率M0S场效应晶体管(M0SFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)等的功率晶体管通常被实现为所谓的垂直晶体管。术语“垂直”是指负载电流流过半导体管芯的方向，其相对于半导体管芯的顶面垂直。此外，这种功率晶体管通常由多个晶体管单元组成，并且对于每个单元，在所谓的“沟槽”中布置栅电极，沟槽从顶面垂直延伸到半导体管芯中。这类功率晶体管通常被称为“沟槽晶体管”。
[0003]其中集成有沟槽晶体管的半导体管芯(芯片)可以进一步包括除作为电子开关的主要功能之外的其他功能的电路装置。例如，芯片可进一步包括温度传感器和相应的感测电路装置以测量晶体管的温度并生成温度信号(即，表示温度传感器的位置处存在的温度的电流或电压信号)。例如可以在过温度或过载保护电路中使用温度信号，需要该信号以便保护晶体管免受热击穿。可以在芯片中包括其他电路装置以提供其他功能，诸如电流感测、过电流保护、数字总线接口(例如，串行外围结构，SPI)等。
[0004]—般的制造技术允许两个布线层布置在半导体本体顶部上，其中第一布线层通常由多晶硅形成且第二布线层通常由金属(例如，铝)形成。两个布线层被用于互连集成在半导体管芯中的各个电路部件来形成期望的电子电路。在布线层的顶部上(并与其隔离)，设置又一金属层，其相对较厚并且有时被称为“功率金属层”。该金属层被用作接触层(也用作接合焊盘)来将外部负载端(例如，功率晶体管的源极或集电极端)与芯片接触。
[0005]所提到的温度传感器通常被布置为接近组成功率晶体管的晶体管单元的阵列或者布置在晶体管单元的阵列内(例如，在阵列中心)，并且通常温度传感器经由在半导体本体的顶部上形成上述布线层的带线(感测线)连接至相应的感测电路。由于感测电路可以形成在除晶体管单元阵列外的半导体芯片中，所以感测电路和温度传感器之间的带线可以较长，例如300 μ m，或者甚至更长。
[0006]由于(图案化)布线层和形成用于外部负载端的接触层的顶部金属层基本平行(共面)并且通过相对较薄的绝缘层分开，所以发生明显的电容耦合，尤其在接触层和下方的布线层之间。这种电容耦合(由于布线层和接触层之间的寄生电容)导致对“直接功率注入”(DPI)具有显著的敏感度。具体地，当功率晶体管是操作为高侧开关的η沟道器件时，(功率)接触层的电位(电压)将(在切换操作期间)快速地从零(地电位)变为接近上电源电位，反之亦然。这将在感测线中引起位移电流并对温度感测具有负面影响，因为位移电流会导致温度信号的劣化。
[0007]鉴于上述，需要改进的具有集成温度传感器的半导体开关。
【发明内容】
[0008]本文描述了一种半导体器件。根据本发明的一个示例，一种半导体器件包括半导体本体、设置在半导体本体上的至少一个布线层以及集成在半导体本体中的场效应晶体管。场效应晶体管具有位于形成在半导体本体中的对应栅极沟槽中的多个栅电极。半导体器件还包括集成在半导体本体中与场效应晶体管相邻的温度传感器。温度感测电路集成在半导体本体中，与温度传感器远离，并且至少一个附加沟槽形成在半导体本体中。至少一个附加沟槽包括至少一条感测线，其将温度传感器与温度感测电路电连接。至少一个导电焊盘形成在至少一个布线层中，并且至少一个导电焊盘被布置为至少部分地覆盖至少一个附加沟槽以形成感测线的屏蔽。
[0009]根据本发明的另一示例，一种半导体器件包括半导体本体、设置在半导体本体上的至少一个布线层以及集成在半导体本体中的场效应晶体管。场效应晶体管具有位于形成在半导体本体中的对应栅极沟槽中的多个栅电极。第一电路集成在半导体本体中，与场效应晶体管相邻，并且第二电路集成在半导体本体中，与第一电路远离。至少一个第一附加沟槽形成在半导体本体中，其中第一附加沟槽包括至少一条连接线，其将第一电路与第二电路电连接。此外，半导体器件包括至少一个导电焊盘，其形成在至少一个布线层中。至少一个导电焊盘被布置为至少部分地覆盖第一附加沟槽以形成连接线的屏蔽。
【附图说明】
[0010]可以参照以下附图和描述来更好地理解本发明。图中的部件没有比例按比例绘制，而是侧重于示出本发明的原理。此外，在附图中，类似的参考标号表示对应的部件。附图中:
[0011]图1是示出用作温度传感器的功率晶体管和双极晶体管的电路图；
[0012]图2是示出双极晶体管和布线层的一个示例的半导体管芯的截面图，其可用于接触双极晶体管；
[0013]图3是示出嵌入到晶体管单元的阵列中的温度传感器的位置的半导体管芯的顶视图。
[0014]图4是示出如何通过晶体管单元的阵列将感测线布局(route)以接触温度传感器的一个示例的半导体管芯的截面图；
[0015]图5是如何在单个沟槽中布置感测线的另一示例的截面图；
[0016]图6是示出双极晶体管和用于将双极晶体管操作为温度传感器的感测电路的电路图，其中四端感测技术被用于从温度传感器获取信号；
[0017]图7是示出双极晶体管和布线层的一个示例的半导体管芯的截面图，其中布线层可用于接触双极晶体管用于四端感测；
[0018]图8示出了穿过布置有感测线的沟槽的纵向截面；以及
[0019]图9是示出布置在半导体本体上的布线层的结构的顶视图。
【具体实施方式】
[0020]图1是在电路层级上示出包括温度传感器的功率晶体管的一个示例。在本示例中，M0SFET被用作功率晶体管。然而，也可以代替使用其他类型的晶体管(例如，IGBT)。在本示例中，半导体芯片(在其他电子端中)具有表示为SUP和OUT的两个负载端。两个负载端SUP和OUT经由功率晶体管MP的负载电流路径(即，在M0SFET的情况下为漏极-源极电流路径)耦合，其中晶体管MP的漏电极D连接至第一负载端SUP，并且晶体管Μ Ρ的源电极S连接至第二负载端OUT。在本示例中，晶体管MP是η沟道晶体管，其被操作为高侧开关，因此电源电压VBB被施加至第一负载端SUP，其中第二负载端OUT与负载(未示出)连接，负载可以连接在负载端OUT和地电位之间。在本示例中，栅极电压V(；被施加给功率晶体管MP的栅电极。在输出端OUT处存在的输出电压被表不为V.。
[0021 ] 如上所述，功率晶体管ΜΡ是垂直η沟道M0SFET，因此晶体管Μ Ρ的漏电极处存在的电位与半导体衬底中存在的电位相同。换句话说，在负载端SUP和半导体衬底之间存在低阻电连接，因此衬底电压等于电源电压VBB。
[0022]图1还示出了双极晶体管Ts (温度感测晶体管)，其可以用于感测半导体本体中的温度。双极晶体管Ts的一端通常电连接至衬底。作为任何双极晶体管，晶体管1\具有基极B、集电极C和发射极E。在本示例中，双极晶体管1的集电极C连接至衬底，因此电源电压VBB也被施加给双极晶体管T 5的集电极C。基极-发射极二极管可用作温度敏感元件，因为基极-发射极二极管的前向电压VBE以及基极-发射极二极管的泄露电流是依赖于温度的。因此，双极晶体管Ts的基极B和发射极E经由感测线81和82连接至温度感测电路40。为了提高温度感测的性能，感测线可以使用屏蔽50来进行屏蔽，在η沟道高侧开关的本示例中，屏蔽50电连接至衬底。即，衬底电压(在本示例中等于电源电压VBB)被施加给屏蔽。稍后将参照图4解释屏蔽50的目的和功能。
[0023]图2示出了穿过部分半导体管芯的截面图，其由半导体衬底10( S卩，晶圆)和(任选的)设置在衬底10上的外延层11形成。图2示出了双极晶体管Ts如何可以集成到半导体管芯中并且该双极晶体管如何可以被连接来用作图1所示温度传感器的一个示例。为了进一步的讨论，衬底10和外延层11 (如果存在的话)被统称为半导体本体100。在本实施例中，半导体本体掺杂有η型掺杂物。ρ掺杂基极区域31形成在半导体本体100中，例如使用离子注入或掺杂物的扩散。基极区域31从顶面延伸到半导体本体100中。在ρ掺杂基极区域31中，形成η掺杂发射极区域32。发射极区域32 (发射极阱)从半导体本体100的顶面延伸到基极区域31中并嵌入其中。垂直位于基极区域31下方的半导体本体的η掺杂区域用作集电极区域。从图2可以看出，通过η掺杂集电极区域(半导体本体100)、ρ掺杂基极区域31和η掺杂发射极区域32形成ηρη结构(S卩，双极晶体管)。通过半导体本体(衬底10和外延层11)的η掺杂部分形成集电极区域，因此与衬底具有相同电位(还参见图1)。
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