用于測量集成電路器件中的溫度和電流的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及用于測量集成電路器件中的溫度和電流的系統(tǒng)。實施例涉及半導體器件中的溫度和電流的測量。特別地，實施例涉及單片半導體和傳感器器件，其中所述半導體諸如功率半導體之類，所述傳感器諸如電流或溫度傳感器。在實施例中，溫度和/或電流感測特征被單片集成在半導體器件內。與在實際半導體器件附近或沿著實際半導體器件提供溫度和電流感測但是不被集成在實際半導體器件內的常規(guī)解決方案相比，這些實施例從而可提供溫度和電流的直接測量。例如，在一個實施例中，附加的層結構在后端處理中應用于功率半導體疊層。該單片集成保證了溫度和/或電流的局部測量，即勝過常規(guī)的并列配置的優(yōu)點。
【專利說明】用于測量集成電路器件中的溫度和電流的系統(tǒng)
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明一般地涉及集成電路，并且更特別地涉及測量集成電路器件中的電流和溫度。
【背景技術】
[0002]用于開關或其它應用的諸如功率二極管、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)及功率MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)之類的功率半導體器件，在操作期間可以經歷高電流和高溫度。電流和溫度一般都在功率器件中被測量或監(jiān)控。例如，高電流可能導致散熱問題，而與之相關的高溫度可以導致器件故障、損壞、破壞或減少的壽命。
[0003]用于測量和監(jiān)控電流與溫度的常規(guī)方法包括把諸如二極管或其它電路系統(tǒng)的器件與功率器件集成。由于技術工藝變化以及半導體器件的非線性和不可重復特性，然而，這些方法不是非常精確的，對于溫度以+/-15攝氏度(degree C)或更大來變化，而對于電流以+/-5A或更大來變化。此外，溫度測量器件一般要求附加的校準以及因此的存儲器，因為溫度感測器件感測其相對于功率器件本身在功率器件模塊中定位處的溫度，而這可能不能精確地反映器件或器件的部分正經歷的溫度。
[0004]因此，存在對于用于感測功率半導體器件和其它半導體器件中的電流和溫度的改進的器件、系統(tǒng)和方法的需要。
實用新型內容
[0005]實施例涉及單片半導體和傳感器器件，其中所述半導體諸如功率半導體之類，所述傳感器諸如電流或溫度傳感器。
[0006]在實施例中，單片半導體器件包括:半導體器件部分；以及傳感器部分，所述傳感器部分與半導體器件部分一起單片形成，且被配置為感測半導體器件部分的至少一個特性。
[0007]在實施例中，半導體器件包括:半導體器件部分；感測部分，所述感測部分被配置為感測半導體器件部分的溫度或電流中的至少一個；以及隔離層，所述隔離層被耦合在半導體器件部分與感測部分之間，使得半導體器件部分、隔離層和感測部分形成單片半導體器件。
[0008]在實施例中，方法包括:形成半導體器件；形成傳感器器件，以感測半導體器件的至少一個特性；形成隔離層，以耦合半導體器件和傳感器器件以形成單片結構。
[0009]在實施例中，方法包括:提供單片功率半導體和感測器件；以及由感測器件來感測功率半導體器件的特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]結合附圖，考慮到本發(fā)明的各種實施例的下面的詳細描述，可更完全地理解本發(fā)明，在其中:[0011]圖1是根據(jù)實施例的單片半導體和傳感器件的方框圖；
[0012]圖2是根據(jù)實施例的電路圖；
[0013]圖3A是根據(jù)實施例的電路圖；
[0014]圖3B是根據(jù)實施例的電路圖；
[0015]圖4A是根據(jù)實施例的電路圖；
[0016]圖4B是根據(jù)實施例的電路圖；
[0017]雖然本發(fā)明適合于各種修改和可替換的形式，其細節(jié)已經借助于附圖中的例子被示出，并將被詳細描述。然而，應該理解的是，意圖不是把本發(fā)明限于所述的特定實施例。相反，意圖是，覆蓋落入如由所附權利要求定義的那樣的本發(fā)明的精神和范圍內的所有修改、等同物及可替換物。
【具體實施方式】
[0018]實施例涉及半導體器件中的溫度和電流的測量。特別地，實施例涉及諸如功率半導體器件之類的單片半導體器件、及諸如電流或溫度傳感器器件之類的傳感器器件。在實施例中，溫度和/或電流感測特征被單片集成在半導體器件內。與在實際半導體器件附近或沿著實際半導體器件提供溫度和電流感測但是不被集成在實際半導體器件內的常規(guī)解決方案相比，這些實施例從而可提供溫度和電流的直接測量。例如，在一個實施例中，附加的層結構在后端處理中應用于功率半導體疊層(semiconductor stack)。該單片集成保證了溫度和/或電流的局部測量，即勝過常規(guī)的并列配置的優(yōu)點。
[0019]參考圖1，描繪了單片半導體疊層布置100。疊層100包括諸如功率半導體器件或其它半導體器件之類的半導體結構102。雖然被描繪為單層，但是半導體結構102可包括形成特定半導體器件的結構的多個層和/或元件。例如，半導體結構100可包括功率M0SFET，IGBT或一些其它半導體器件。結構102的特定器件不限于本發(fā)明，且在器件內集成溫度和/或電流感測結構和功能的概念可以可應用于大量半導體器件。在這里，功率半導體器件自始至終將被用作給定關于影響那些器件的電流和溫度的特定問題的例子，但這些例子一般關于本發(fā)明的實施例決不被看作限制性的。
[0020]在實施例中，平面化和/或隔離結構104在半導體結構102上被形成。結構104，像結構102—樣，可包括在實施例中的多個單獨的層和/或元件，并且包括主要是隔離半導體結構102與疊層100的其它部分的功能。在實施例中，結構104包括隔離層。
[0021]在實施例中，層106-110形成與半導體器件102及隔離結構104成單片的傳感器器件。在一個實施例中，傳感器器件包括耦合到隔離結構104的薄金屬層106。在實施例中，層106用于半導體結構102的單片集成溫度和/或電流感測，且包括適合于感測疊層100中的溫度和/或電流的傳感器橋配置或其它結構。在實施例中，層106可為例如大約I納米(nm)厚到大約IOOOnm厚。在下面在這里討論的各向異性磁阻(AMR)實施例中,AMR元件在一些實施例中為大約20nm到大約30nm厚，雖然在其它實施例中這可以變化并且是更薄的或更厚的。
[0022]在實施例中，選擇材料以考慮到小的厚度、小的感測區(qū)域覆蓋面積(areafootprint)及對于機械應力的低串擾(crosstalk)。在實施例中，層106可包括鉬、鎳鐵、鎳或其它合適的金屬或合金。在后端或其它處理中用晶圓級上的標準薄膜處理，諸如沉積和結構化(structuring),層106可以來被添加到疊層100,以生成集成器件。還可能的是，從傳感器層結構開始，然后處理功率器件，或混合(intermix)兩個工藝或使用如由本領域技術人員所領會的其它合適的工藝。在其它實施例中，層106可包括諸如磁阻層(xMR)層的磁性薄膜。例如，層106可包括諸如鎳鐵之類的各向異性磁阻(AMR)層、巨磁阻(GMR)、隧穿磁阻(TMR, tunneling magnetoresistive)層或一些其它合適的材料。例如,在一個實施例中，AMR元件可包括大約80%的鎳和大約20%的鐵。如在其它實施例中那樣，這些材料或結構可在后端處理中被添加到疊層100。在實施例中，可以只需要或期望測量溫度，在這種情況下，通過使用專用的設計或退火工藝步驟，可以消除對于電阻改變的磁性貢獻。
[0023]疊層100還包括在層106上形成的接觸層和/或接合焊盤108，其與層106 —起用于測量疊層100中的溫度和/或電流。在實施例中，層108包括鋁、銅或一些其它合適的材料或合金。隔離層Iio在層108上形成。在實施例中，層110包括二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiM)或一些其它合適的材料或合金。
[0024]在其它實施例中，層104-110可以在器件102下或者在器件102內形成。換句話說，器件102可以被形成在底部上、在頂部上，或在其它實施例中，被形成在其間。
[0025]在操作中，并且參考圖2，層106的電阻隨溫度以線性的方式改變，使得可精確測量疊層100內的溫度以及半導體器件102的溫度。在圖2中，層106的電阻被建模為電阻器206，且疊層100外部的測量電阻器212通過確定跨過電阻器212的電壓降Nr,可用來測量那個電阻。在其它實施例中，可以使用電流降。因為層106的電阻(電阻器206)隨溫度的改變而改變，所以溫度可在疊層100內直接測量。例如，層106的電阻(電阻器206)隨著溫度的增加而增加，使得如果電阻對于每100攝氏度的溫度改變以30%增加，那么層106的電阻(電阻器206)將從在O攝氏度的I k歐姆改變到在100攝氏度的1.3 k歐姆。因為電阻是非常線性的，根據(jù)測量到的電阻改變可以容易地確定疊層100的溫度。
[0026]在另一個實施例中，在其中層106包括諸如AMR元件之類的xMR元件，通過使用AMR電阻器，可以測量溫度。參考圖3A，并且與圖2的實施例類似，外部電阻器312可以被耦合到層106的AMR元件306。恒定電壓V+可被輸入到元件306，使得可以測量跨越電阻器312的電壓降，以根據(jù)電阻的改變來確定溫度。
[0027]然而，電壓V+本身可引起影響器件100的溫度改變。因此，在圖3B的實施例中，電壓V+通過復用器316可與電阻器306復用。然后，為確定獨立于電壓V+的溫度，跨越電阻器312的兩個電壓降(在電壓V+直接復用到電阻器312的情況下，以及在電壓V+不直接復用到電阻器312的情況下)可被測量，且兩個值之間的比例被確定以獨立于電壓V+的影響來測量溫度。針對在其中它被期望的特定應用，這可以提供更高的精度。在其它實施例中，可提供恒定電流而不是恒定電壓。
[0028]在這里討論的實施例的模擬測試結果示出了，在大約-40攝氏度到大約160攝氏度的溫度范圍內，實施例的精度在大約+/-4攝氏度內。這是勝過常規(guī)方法的改進。此外，該改進由單片集成在疊層100內而不影響疊層100的熱或操作特性的實施例所實現(xiàn)。除了上述改進的溫度精度之外，因此實現(xiàn)了簡化的結構、較小的器件覆蓋面積等等的附加的優(yōu)點。
[0029]為測量電流，并且參考圖4，包括多個電阻器406的傳感器橋可被形成在層108的接合焊盤408周圍，以經由由那個電流所感應的磁場來測量電流。如果功率器件包括電流在其中流動的多個焊盤408，那么單獨的電流可被測量，且在實施例中那些電流可被單獨地評估或求和。磁場可由例如承載電流的接合線414所生成，且磁場改變了耦合在橋中(參考圖4B)的傳感器406中的電阻，使得電流U可被測量。
[0030]參考圖4B，在實施例中，電阻器406可包括耦合在橋400中的xMR元件，諸如GMR或AMR元件之類。在實施例中,XMR元件406包括曲流(meander),且在一個配置中，接合線414中的電流改變了電阻器406中的兩個的電阻，例如頂部和底部電阻器，但不改變其它兩個電阻器406的電阻，例如如在圖4的頁面上所描繪的那樣在左側和右側。
[0031]因而，傳感器橋406的輸出U與在器件中流動的電流成正比，使得電流可被測量。例如，在一個實施例中，Ua等于該電流I乘以電阻的改變。如果與由電流所感應的磁場相關的電阻的改變是約2% (例如約980歐姆到約1.2k歐姆)并且測量了 Ua，那么根據(jù)那個改變和所測量的Ua可以確定電流。橋400以恒定的電壓或電流驅動，諸如在實施例中Uref=約5mA。在另一個實施例中，Vref約為5V。在實施例中，橋400還可以被用來測量溫度，如上面在這里所討論。
[0032]實施例的應用可變化。例如，在IGBT開關器件中，可能期望的是，在開關階段測量電流。在操作中，這樣的器件中的電流測量可以被同步，以便在那個特定階段收集數(shù)據(jù)，同時避免來自電路的其它部分的假象(artifact)。如同本領域的技術人員所領會的那樣，在實施例的其它特定實施中，可以采取其它方法，無論是針對溫度、電流還是針對兩者。
[0033]從而，實施例通過單片功率和傳感器器件保證了溫度和/或電流的局部測量，其中所述單片功率和傳感器器件提供勝過常規(guī)的并列配置的優(yōu)點。在實施例中，單獨的或與耦合到其的微控制器或其它合適的器件相組合的傳感器器件可以被用來提供信息，所述信息包括瞬時電流值、最大電流值和/或關于時間的電流變化，或者與其相關。該信息可以被用來確定與功率器件相關的當前狀態(tài)信息，以及預測功率器件的操作壽命、擊穿(breakdown )或故障的可能性、或者某其它較長期特性。
[0034]系統(tǒng)、器件及方法的各種實施例已經在這里被描述。僅僅借助于例子給出這些實施例，而不意圖限制本發(fā)明的范圍。應當領會的是，此外，已經被描述的實施例的各種特征可以以各種方式組合，以產生眾多附加的實施例。此外，雖然各種材料、尺寸、形狀、配置和位置等已被描述，供公開的實施例使用，但是除了公開的那些之外的其它實施例可以被利用，而不超過本發(fā)明范圍。
[0035]本領域的技術人員將認識到，本發(fā)明可以包括比在任何上述單獨的實施例中圖示的更少的特征。在這里所描述的實施例不意欲是本發(fā)明的各種實施例可以被組合的方式的窮盡的表示。因此，這些實施例不是相互排斥的特征的組合；相反，本發(fā)明可包括從不同單獨的實施例中選擇的不同單獨的特征的組合，如由本領域的技術人員所理解的那樣。此夕卜，關于一個實施例所述的元件可在其它實施例中實施，即使當沒有在這樣的實施例中描述時，除非另外指出。雖然從屬權利要求在權利要求書中可參考與一個或多個其它權利要求的特定組合，但是其它實施例也可包括:從屬權利要求與每個其它從屬權利要求的主題的組合，或者一個或多個特征與其它從屬或獨立權利要求的組合。在這里提出了這樣的組合，除非陳述的是，特定的組合不是意圖的。此外，同樣意圖的是，在任何其它獨立權利要求中包括權利要求的特征，即使該權利要求不直接依賴于該獨立權利要求。
[0036]通過引用上面的文檔的任何并入被限制，使得沒有與在這里的明確公開相反的主題被并入。通過引用上面的文檔的任何并入進一步被限制，使得沒有包括在文檔中的權利要求在這里通過引用被并入。通過引用上面的文檔的任何并入還進一步被限制，使得文檔中提供的任何定義在這里沒有通過引用被并入，除非在這里明確地包括。
[0037]為解釋針對本發(fā)明的權利要求的目的，明確意圖的是，35 U.S.C.的第112節(jié)第6段的規(guī)定不被援引，除非特定的術語“用于…的裝置”或“用于…的步驟”在權利要求中敘述?！?br> 【權利要求】
1.一種單片半導體器件，其包括: 半導體器件部分；以及 傳感器部分，其與半導體器件部分一起單片形成，且被配置為感測半導體器件部分的至少一個特性。
2.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中， 半導體器件部分包括功率半導體器件部分。
3.根據(jù)權利要求2所述的器件，其中， 功率半導體器件部分包括絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)中的一個。
4.根據(jù)權利要求2所述的器件，其中， 至少一個特性包括溫度或電流。
5.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中， 傳感器部分在后端制造工藝中與半導體器件部分一起單片形成。
6.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中， 傳感器部分包括薄金屬層。
7.根據(jù)權利要求6所述的器件，其中， 薄金屬層包括鉬、鎳鐵、鎳或磁阻(xMR)材料中的至少一個。
8.根據(jù)權利要求7所述的器件，其中， 薄金屬層包括xMR傳感器橋。
9.根據(jù)權利要求6所述的器件，進一步包括耦合到薄金屬層的外部電阻器元件，其中，傳感器部分被配置為，通過測量跨越外部電阻器元件的電流降或電壓降中的一個來感測至少一個特性。
10.根據(jù)權利要求6所述的器件，其中， 傳感器部分進一步包括接觸層和隔離層。
11.根據(jù)權利要求1所述的器件，其中， 傳感器部分通過隔離層耦合到半導體器件部分。
12.—種半導體器件，其包括: 半導體器件部分； 感測部分，其被配置為感測半導體器件部分的溫度或電流中的至少一個；以及隔離層，其被耦合在半導體器件部分與感測部分之間，使得半導體器件部分、隔離層和感測部分形成單片半導體器件。
13.根據(jù)權利要求12所述的器件，其中， 半導體器件部分包括功率半導體器件。
14.根據(jù)權利要求13所述的器件，其中， 功率半導體器件包括絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)中的一個。
15.權利要求12所述的器件，其中， 感測部分包括傳感器層和接觸層。
16.權利要求12所述 的器件，其中，感測部分包 括傳感器橋。
【文檔編號】G01K7/01GK203414187SQ201320341988
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年6月14日 優(yōu)先權日:2012年6月15日
【發(fā)明者】F.約斯特 申請人:英飛凌科技股份有限公司