具有晶体管单元和热电阻元件的半导体器件制造技术

本发明专利技术涉及具有晶体管单元和热电阻元件的半导体器件。半导体器件（500）包含被电耦合到晶体管单元（TC）的源极区（110）的第一负载端子（L1）。栅极端子（G）被电耦合到栅极电极（155），所述栅极电极（155）被电容地耦合到晶体管单元（TC）的本体区（115）。源极和本体区（110、115）被形成在半导体部分（100）中。热电阻元件（400）被热连接到半导体部分（100）并且被电耦合在栅极端子（G）与第一负载端子（L1）之间。在为半导体器件规定的最大操作温度（TJMax）之上，热电阻元件（400）的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内降低至少两个数量级。

【技术实现步骤摘要】
具有晶体管单元和热电阻元件的半导体器件
技术介绍
在短路的情况下，功率半导体开关器件的负载电流增加到饱和电流Isat（Vge）并且强烈地加热半导体开关器件。典型地，去饱和电路通过比较横跨半导体器件的电压降与阈值电压来探测短路条件。如果电压降超过阈值电压，去饱和电路关闭半导体开关器件的栅极信号以便避免它的热破坏。期望提高功率半导体开关器件在短路时的可靠性。
技术实现思路
用独立权利要求的主题来实现目标。从属权利要求涉及进一步的实施例。根据实施例，半导体器件包含被电耦合到晶体管单元的源极区的第一负载端子。栅极端子被电耦合到栅极电极，所述栅极电极被电容地耦合到晶体管单元的本体区。源极和本体区被形成在半导体部分中。热电阻元件被热连接到半导体部分并且被电连接在栅极端子与第一负载端子之间。在为半导体器件规定的最大操作温度之上，热电阻元件的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内改变至少两个数量级。根据实施例，电气系统包含被电耦合到晶体管单元的源极区的第一负载端子。栅极端子被电耦合到栅极电极，所述栅极电极被电容地耦合到晶体管单元的本体区。源极和本体区被形成在半导体部分中。热电阻元件被热连接到半导体部分并且被电连接在栅极端子与第一负载端子之间。在为半导体器件规定的最大操作温度之上，热电阻元件的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内改变至少两个数量级。本领域中的那些技术人员通过阅读下面的具体描述并且通过浏览附图将认识附加的特征和优点。附图说明附图被包含以提供本专利技术的进一步的理解并且被结合在本说明书中并组成本说明书的一部分。附图图解本专利技术的实施例并且与描述一起用于解释本专利技术的原则。本专利技术的其他实施例和预期的优点将容易被领会到，因为它们通过参考下面的具体描述变得更好理解。图1A是根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关在第一负载端子与栅极端子之间的热电阻元件。图1B是示出根据实施例的图1A的半导体器件中的热电阻元件的电阻/温度特性的示意图。图1C是示出根据进一步的实施例的图1A的半导体器件中的热电阻元件的电阻/温度特性的二阶导数的示意图。图2A是根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关夹在半导体部分的第一表面之上的第一负载电极与栅极导体之间的热电阻元件。图2B是根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关夹在第一负载电极与栅极电极之间的热电阻元件。图2C是根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关夹在栅极电极与源极区之间的热电阻元件。图3A是根据实施例的具有热电阻元件的功率半导体开关器件的栅极电路的示意等效电路图。图3B是示出根据涉及10Ω的栅极电阻的实施例作为热电阻元件的电阻的函数的栅极电压和栅极泄露电流的示意图。图3C是示出根据涉及33Ω的栅极电阻的实施例作为热电阻元件的电阻的函数的栅极电压和栅极泄露电流的示意图。图4是根据有关基于双金属结构的热电阻元件的实施例的半导体器件的部分的示意图。图5是根据实施例的半导体器件的部分的示意图，所述实施例有关基于具有负温度系数的二极管元件的热电阻元件。图6A是处于高传导状态的根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关基于包围在电介质壳中的金属颗粒的热电阻元件。图6B是处于低传导状态的图6A的半导体器件部分的示意横截面视图。图7A是处于高传导状态的根据实施例的半导体器件的部分的示意横截面视图，所述实施例有关基于塑弹性金属颗粒的热电阻元件。图7B是处于低传导状态的图7A的半导体器件部分的示意横截面视图。图8A是根据有关过温度探测的实施例的电气系统的示意框图。图8B是根据有关不可自复位热电阻元件的复位的实施例的电气系统的示意框图。图8C是根据实施例的半导体器件的简化电路图，所述实施例与不可自复位热电阻元件的外部复位相关。具体实施方式在下面的具体描述中，参考了形成本文的一部分的附图，并且在所述附图中以图解的方式示出了在其中可以实践本专利技术的特定实施例。将理解的是在不脱离本专利技术的范围的情况下可以利用其他实施例并且可以进行结构的或逻辑的改变。例如，针对一个实施例图解或描述的特征能够被用在其他实施例上或者与其他实施例联合使用以产生又一个实施例。旨在本专利技术包含这样的修改和变化。使用特定的语言描述了示例，这不应该被解释为限制所附的权利要求的范围。附图不是成比例的并且仅仅是为了图解的目的。如果不另外声明，在不同的附图中分别由相同参考符号来指定相应的元件。术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放性的，并且所述术语指示声明的结构、元件或特征的存在但不排除附加的元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包含复数以及单数，除非上下文清楚地另外指示。术语“电连接”描述在电连接的元件之间的永久低欧姆连接，例如在有关元件之间的直接接触或者经由金属和/或高掺杂的半导体的低欧姆连接。术语“电耦合”包含：可以在电耦合元件之间提供适配于信号传输的一个或多个介入元件，例如电阻器或是可控的以暂时提供在第一状态中的低欧姆连接和在第二状态中的高欧姆电去耦合的元件。图1A-1C涉及包含多个同样的绝缘栅场效应晶体管单元TC的半导体器件500。半导体器件500可以是或者可以包含IGFET，例如平常含义中的包含具有金属栅极的FET以及具有非金属栅极的FET的MOSFET（金属氧化物半导体FET）。根据另一个实施例，半导体器件500可以是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。半导体器件500基于来自例如以下各项的单晶半导体材料的半导体部分100：硅（Si）、碳化硅（SiC）、锗（Ge）、锗化硅晶体（SiGe）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）或任何其他AIIIBV半导体。半导体部分100具有在前侧处的第一表面101和在相对的后侧处的第二表面102。与第一和第二表面101、102正交的方向是垂直方向并且与第一和第二表面101、102平行的方向是水平方向。第一和第二表面101、102之间的最小距离取决于为半导体器件500规定的电压阻断能力。例如，针对被规定为大约1200V的阻断电压的半导体器件500，第一和第二表面101、102之间的距离可以在从90μm至200μm的范围中。具有较高阻断能力的半导体器件500可以包含具有数百μm的厚度的半导体部分100，然而具有较低的阻断能力的半导体器件500的半导体部分100可以具有35μm至90μm的厚度。在平行于第一表面101的平面中，半导体部分100可以具有近似的矩形形状或者可以具有圆形形状，所述矩形形状具有在数毫米的范围中的边缘长度，所述圆形形状具有数厘米的直径。在半导体部分100中，晶体管单元TC的本体区115与漂移和后侧结构120形成第一pn结pn1并且与晶体管单元TC的源极区110形成第二pn结pn2。沿着第二表面102，漂移和后侧结构120包含重n掺杂或p掺杂的接触层129，其可以是基底衬底或重掺杂的层。沿着第二表面102，接触层129中的掺杂剂浓度是足够高的以形成与直接邻接第二表面102的金属的欧姆接触。在半导体部分100基于硅的情况下，在n传导的接触层129中，沿着第二表面102的掺杂剂浓度可以是至少1E18cm-3，例如至少5E19cm-3。在p传导的接触层129中，掺杂剂浓度可以是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，包括：第一负载端子（L1），被电耦合到晶体管单元（TC）的源极区（110）；栅极端子（G），被电耦合到栅极电极（155），所述栅极电极（155）被电容地耦合到晶体管单元（TC）的本体区（115），其中源极和本体区（110、115）被形成在半导体部分（100）中；以及热电阻元件（400），被热连接到半导体部分（100）并且被电耦合在栅极端子（G）与第一负载端子（L1）之间，其中在为半导体器件规定的最大操作温度（TJMax）之上，热电阻元件（400）的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内降低至少两个数量级。

【技术特征摘要】
2014.12.05 DE 102014117954.41.一种半导体器件，包括：第一负载端子（L1），被电耦合到晶体管单元（TC）的源极区（110）；栅极端子（G），被电耦合到栅极电极（155），所述栅极电极（155）被电容地耦合到晶体管单元（TC）的本体区（115），其中源极和本体区（110、115）被形成在半导体部分（100）中；以及热电阻元件（400），被热连接到半导体部分（100）并且被电耦合在栅极端子（G）与第一负载端子（L1）之间，其中在为半导体器件规定的最大操作温度（TJMax）之上，热电阻元件（400）的电阻在至多50开氏温度的临界温度跨度之内降低至少两个数量级。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中在临界温度跨度的开始处的设定温度（TSet）是在最大操作温度（TJMax）之上至多50开氏温度。3.根据权利要求1至2中任一项所述的半导体器件，其中在为半导体器件规定的低于最大操作温度（TJMax）的操作温度范围之内，热电阻元件（400）的电阻值改变少于四个数量级。4.根据权利要求1至2中任一项所述的半导体器件，其中在热电阻元件（400）的电阻/温度特性的二阶导数中的最小值与最大值之间的温度差别少于50开氏温度。5.根据权利要求1至2中任一项所述的半导体器件，其中临界温度跨度是至多30开氏温度。6.根据权利要求1至2中任一项所述的半导体器件，进一步包括：第一负载电极（310），被电连接到第一负载端子（L1）并且以到半导体部分（100）的距离被布置，其中热电阻元件（400）被夹在第一负载电极（310）与栅极电极（150）之间。7.根据权利要求1至2中任一项所述的半导体器件，进一步包括：被电连接到第一负载端子（L1）的第一负载电极（310）以及被电连接到栅极电极（150）的栅极导体（330），第一负载电极（310）和栅极导体（330）以到半导体部分（100）的距离被布置，其中热电阻元件（400）被夹在第一负载电极（310）与栅极导体（330）之间。8.根据权利要求6所述的半导体器件，进一步包括：层间电介质（200），被夹在半导体部分（100）与第一负载电极（310）之间。9.根据权利要求6所述的半导体器件，其中第一负载电极（310）由铜或者含铜的合金制成。10.根据权利要求1至2中任一项所述的半导体器件，其中栅极电极（155）从第一表面（101）延伸到半导体部分（100）中并且热电阻元件（400）被夹在源极区（110）与栅极电极（155）之间。11.根据权利要求1至2中任一项所述的半导体器件，其中热电阻元件（400）是可自复位元件并且当它冷却到低于设定温度（TSet）时热电阻元件（400）的电阻改变到原来的电阻值。12.根据权利要求11所述的半导体器件，其中热电阻元件（400）包括双金属系统（410），所述双金属系统（410）被配置为低于设定温度（TSet）分离栅极端子（G）和第一负载端子（L1）...

【专利技术属性】
技术研发人员：C耶格，JG拉文，J马勒，D佩多内，A普吕克尔，HJ舒尔策，A施瓦格曼，P施瓦茨，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE