本實(shí)用新型涉及一種集成在晶體管上縱向PN結(jié)的溫度傳感二極管結(jié)構(gòu)，屬于晶體管技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大電流、大功率的功率半導(dǎo)體模塊越來越多應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，需要對(duì)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)采取過溫、過流、過壓等保護(hù)措施，因此往往需要將IGBT或MOSFET與溫度傳感器集成在一起。通過集成的溫度傳感器可以實(shí)時(shí)、有效檢測(cè)模塊、芯片的溫度，從而及時(shí)對(duì)器件進(jìn)行保護(hù)。目前功率半導(dǎo)體模塊大多是將溫度敏感元件與IGBT或MOSFET芯片封裝于同一模塊中，而該溫度敏感元件是檢測(cè)電路的溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào),這種結(jié)構(gòu)的溫度傳感器無法直接檢測(cè)到芯片內(nèi)部的溫度，在晶體管出現(xiàn)瞬間過溫、過流和過壓時(shí)，溫度敏感元件檢測(cè)無法真正起到保護(hù)作用。

目前先進(jìn)的溫度傳感器采用多晶薄膜結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)功能，一方面該多晶薄膜二極管采用橫向PN結(jié)，其耐壓與面積成正比，需要兼顧。另一方面該多晶薄膜二極管也需要通過內(nèi)部電路與晶體管連接，造成功率半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且與IGBT、MOSFET等晶體管工藝不完全兼容，提高了制作成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)合理，集成在晶體管芯片的有源區(qū)內(nèi)，能夠?qū)崟r(shí)探測(cè)晶體管芯片溫度，并能減少外界電流、電壓及電場(chǎng)變化對(duì)溫度傳感二極管影響，能與晶體管工藝兼容，降低制造成本的一種集成在晶體管上縱向PN結(jié)的溫度傳感二極管結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型為達(dá)到上述目的的技術(shù)方案是：一種集成在晶體管上縱向PN結(jié)的溫度傳感二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于：硅片有源區(qū)內(nèi)依次連接有第一氧化層和其上部的第一多晶硅層，所述第一多晶硅層上部連接有第二氧化層，第二氧化層具有向下穿過第一多晶硅層和第一氧化層并與晶體管連接用以隔離出二極管區(qū)域的隔離部分，隔離部分內(nèi)的第一多晶硅層形成二極管第一摻雜區(qū)，第二氧化層上部連接有二極管區(qū)域處的第二多晶硅層及頂部的絕緣介質(zhì)層，絕緣介質(zhì)層具有向下穿過第二多晶硅層與第二氧化層連接的環(huán)形隔離部分，環(huán)形隔離部分將第二多晶硅層形成不相連接的二極管第二摻雜區(qū)和位于二極管第二摻雜區(qū)外圍的隔離保護(hù)環(huán)，且隔離保護(hù)環(huán)不閉合，第二多晶硅層向下延伸的連接部分穿過第二氧化層與第一多晶硅層上的二極管第一摻雜區(qū)連接形成縱向的PN結(jié)，二極管的第一電極穿過絕緣介質(zhì)層和第二氧化層與第一多晶硅層連接、第二電極穿過絕緣介質(zhì)層與第二多晶硅層上的二極管第二摻雜區(qū)連接，保護(hù)電極穿過絕緣介質(zhì)層與第二多晶硅層上的隔離保護(hù)環(huán)連接，且保護(hù)電極與第二電極連接形成等電位。

本實(shí)用新型的溫度傳感二極管連接在晶體管的硅片有源區(qū)內(nèi)，溫度傳感二極管制作于兩層多晶硅上，其第一多晶硅層與第二多晶硅層之間通過第二氧化層實(shí)現(xiàn)隔離，以保證有良好的電隔離，第一多晶硅層與第二多晶硅層直接接觸區(qū)域通過縱向PN結(jié)連接，使溫度傳感二極管形成多晶硅結(jié)構(gòu)，能與晶體管一起制作，集成在同一顆芯片上，因此能將溫度傳感二極管置于芯片中溫度變化比較敏感的位置來探測(cè)芯片溫度，由于溫度傳感二極管的電壓受溫度變化較明顯并且比較穩(wěn)定，更能夠?qū)崟r(shí)、直接、準(zhǔn)確的探測(cè)、監(jiān)控晶體管的溫度。本實(shí)用新型針對(duì)將溫度傳感二極管置于硅片的有源區(qū)內(nèi)，而在有源區(qū)內(nèi)為晶體管的有效結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置在二極管第二摻雜區(qū)外部的隔離保護(hù)環(huán)，以及二極管區(qū)域內(nèi)的隔離墊，達(dá)到隔離周邊的信號(hào)及主器件的干擾，使溫度傳感二極管不受外界電流電壓及電場(chǎng)變化的影響，故能妥善保護(hù)二極管的工作環(huán)境，為其提供良好安靜的工作條件，保證二極管能夠有效、安全的工作。本實(shí)用新型隔離保護(hù)環(huán)采用非封閉結(jié)構(gòu)，能避免封閉環(huán)繞帶來寄生的電感效應(yīng)，進(jìn)一步提高了其抗干擾能力及可靠性。本實(shí)用新型將連接隔離保護(hù)環(huán)保護(hù)電極與溫度傳感二極管的第二電極連接形成等電位，使得器件特性更加均勻，可靠性更高。

本實(shí)用新型的第一多晶硅層與晶體管的多晶硅柵同時(shí)形成，通過光刻得到所需圖形，且該多晶硅自摻雜形成導(dǎo)電的多晶硅柵和二極管第一摻雜區(qū)，不需要另外的離子注入，簡(jiǎn)化了工藝步驟。本實(shí)用新型只需要增加第二多晶硅層，通過離子注入形成二極管第二摻雜區(qū)，并通過光刻第二多晶硅層得到不相連接的二極管第二摻雜區(qū)和位于二極管第二摻雜區(qū)外部的隔離保護(hù)環(huán)，通過絕緣介質(zhì)層進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)對(duì)二極管的保護(hù)。本實(shí)用新型通過光刻第二氧化層，實(shí)現(xiàn)第一多晶硅層與第二多晶層的PN結(jié)，可使PN結(jié)界面更加平整均勻，因此耐壓較高，電流更加均勻，可靠性更高，從而提高溫度傳感二極管的工作可靠性，同時(shí)也能通過調(diào)整第二多晶硅層的厚度和摻雜濃度，能方便控制二極管耐壓性能，不影響主芯片特性。本實(shí)用新型能與晶體管工藝兼容，降低制造成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1是本實(shí)用新型集成在晶體管上縱向PN結(jié)的溫度傳感二極管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的A向結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實(shí)用新型不同硼劑量下二極管耐壓隨第二多晶硅層厚度的變化曲線圖。

其中：1—硅片，2—第二摻雜區(qū)，3—第一摻雜區(qū)，4—隔離窗口，5—摻雜保護(hù)區(qū)，6—第一氧化層，6-1—隔離墊，6-2—柵氧化層，7—PN結(jié)窗口，8—第一多晶硅層，8-1—二極管第一摻雜區(qū)，8-2—多晶硅柵，9—第二氧化層，9-1—隔離部分，10—有源區(qū)元胞窗口，11—發(fā)射極，12—柵極，13—保護(hù)電極，14—第一電極，15—絕緣介質(zhì)層，15-1—環(huán)形隔離部分，16—第二電極，17—第二多晶硅層，17-1—隔離保護(hù)環(huán)，17-2—二極管第二摻雜區(qū)，17-3—連接部分。

具體實(shí)施方式

見圖1、2所示，本實(shí)用新型集成在晶體管上縱向PN結(jié)的溫度傳感二極管結(jié)構(gòu)，硅片 1有源區(qū)內(nèi)依次連接有第一氧化層6和其上部的第一多晶硅層8，該第一多晶硅層8為晶體管的多晶硅柵8-2，第一氧化層6作為晶體管的柵氧化層6-2，硅片1在有源區(qū)元胞內(nèi)有與硅片1連接的第一摻雜區(qū)3和連接在第一摻雜區(qū)3內(nèi)的第二摻雜區(qū)2，發(fā)射極11與第一摻雜區(qū)3和第二摻雜區(qū)2連接，柵極12與多晶硅柵8-2連接，而第一多晶硅層8同時(shí)作為本實(shí)用新型二極管第一摻雜區(qū)8-1，第一多晶硅層8上部連接有第二氧化層9，通過第二氧化層9實(shí)現(xiàn)對(duì)第一多晶硅層8和第二多晶硅層17有效的電氣隔離，第二氧化層 9具有向下穿過第一多晶硅層8和第一氧化層6并與晶體管連接用以隔離出二極管區(qū)域的隔離部分9-1，將溫度傳感二極管能集成在晶體管內(nèi)，并對(duì)溫度傳感二極管進(jìn)行保護(hù)。見圖1所示，本實(shí)用新型第二氧化層9的隔離部分9-1連接有晶體管的發(fā)射極11，晶體管的發(fā)射極11穿出晶體管的第二摻雜區(qū)2并與晶體管的第一摻雜區(qū)3及外側(cè)的第二摻雜區(qū) 2連接，晶體管的發(fā)射極11能斷開第二摻雜區(qū)2，能保證器件的正常工作。本實(shí)用新型第二氧化層9的隔離部分9-1可為環(huán)狀結(jié)構(gòu)或通槽結(jié)構(gòu)，隔離部分9-1的寬度在5-10μm，如隔離部分9-1的寬度在6-8μm，隔離部分9-1可采用周邊寬度相同，或周邊寬度不相同。

見圖1、2所示，本實(shí)用新型隔離部分9-1內(nèi)第一多晶硅層8形成二極管第一摻雜區(qū) 8-1，其隔離部分9-1內(nèi)的第一氧化層6構(gòu)成二極管的隔離墊6-1，達(dá)到隔離周邊的信號(hào)及主器件的干擾，第二氧化層9上部連接有二極管區(qū)域處的第二多晶硅層17及頂部的絕緣介質(zhì)層15，該第二多晶硅層17僅在二極管區(qū)域處，絕緣介質(zhì)層15具有向下穿過第二多晶硅層17與第二氧化層9連接的環(huán)形隔離部分15-1，環(huán)形隔離部分15-1將第二多晶硅層17形成不相連接的二極管第二摻雜區(qū)17-2和位于二極管第二摻雜區(qū)17-2外圍的隔離保護(hù)環(huán)17-1，通過隔離保護(hù)環(huán)17-1達(dá)到隔離周邊的信號(hào)及主器件的干擾，以保證二極管能夠有效、安全的工作。

見圖2所示，本實(shí)用新型第二多晶硅層17的隔離保護(hù)環(huán)17-1不閉合，第二多晶硅層 17的隔離保護(hù)環(huán)17-1上的開口寬度h在5-15μm，如開口寬度h在8-12μm，由于隔離保護(hù)環(huán)17-1采用非封閉結(jié)構(gòu)，能避免封閉環(huán)繞帶來寄生的電感效應(yīng)，進(jìn)一步提高了其抗干擾能力及可靠性。見圖1所示，本實(shí)用新型第二多晶硅層17向下延伸的連接部分17-3 穿過第二氧化層9與第一多晶硅層8上的二極管第一摻雜區(qū)8-1連接形成縱向的PN結(jié)，本實(shí)用新型第二多晶硅層17的二極管第二摻雜區(qū)17-2的連接部分17-3其外周面為弧形面，如弧形面采用圓形或橢圓形等，避免了傳統(tǒng)四邊形表觀在拐角處容易造成電場(chǎng)集中的風(fēng)險(xiǎn)，提高溫度傳感二極管的可靠性，同時(shí)由于PN結(jié)界面更加平整均勻，耐壓較高，電流更加均勻，可靠性更高。

見圖1、2所示，本實(shí)用新型二極管的第一電極14穿過絕緣介質(zhì)層15和第二氧化層 9與第一多晶硅層8連接、第二電極16穿過絕緣介質(zhì)層15與第二多晶硅層17上的二極管第二摻雜區(qū)17-2連接，保護(hù)電極13穿過絕緣介質(zhì)層15與第二多晶硅層17上的隔離保護(hù)環(huán)17-1連接，且保護(hù)電極13與第二電極16連接形成等電位，使得器件特性更加均勻，可靠性更高。

見圖1所示，本實(shí)用新型硅片1在二極管區(qū)域還具有與晶體管終端區(qū)離子相同雜質(zhì)的摻雜保護(hù)區(qū)5，摻雜保護(hù)區(qū)5與晶體管的第一摻雜區(qū)3相接，在光刻有源區(qū)之前，還可對(duì)形成二極管的區(qū)域的保護(hù)區(qū)窗口進(jìn)行注入離子和推結(jié)，形成與晶體管終端區(qū)離子相同雜質(zhì)的摻雜保護(hù)區(qū)，以使得二極管能夠與晶體管進(jìn)行更好的隔離，該步工藝與晶體管的終端區(qū)同時(shí)形成，不需要增加額外的工藝步驟。

見圖1所示，本實(shí)用新型第一多晶硅層8的二極管第一摻雜區(qū)8-1為多晶硅自摻雜n 型雜質(zhì)，做作二極管的陰極區(qū)，該濃度可為1×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3,第一多晶硅層8的厚度在1-2μm，第二多晶硅層17的二極管第二摻雜區(qū)17-2為多晶硅注入p型雜質(zhì)，在采用本征多晶硅并進(jìn)行硼注入，制作二極管的陽(yáng)極區(qū)，注入劑量1×10¹²cm^-3～1×10¹³cm^-3,且第二多晶硅層17的厚度在2-5μm，該厚度可為3μm或4μm等，可通過調(diào)整硼注入條件及第二多晶硅層17的厚度來調(diào)整二極管耐壓性能。

本實(shí)用新型第一多晶硅層8的二極管第一摻雜區(qū)8-1為多晶硅自摻雜p型雜質(zhì)，第一多晶硅層8的厚度在1-2μm，二極管第一摻雜區(qū)8-1做作二極管的陽(yáng)極區(qū)，而第二多晶硅層17的二極管第二摻雜區(qū)17-2為多晶硅注入n型雜質(zhì)，做作二極管的陰極區(qū)，注入劑量1×10¹²cm^-3～1×10¹³cm^-3,且第二多晶硅層17的厚度在2-5μm，通過控制注入n型雜質(zhì)的注入條件及第二多晶硅層17的厚度來調(diào)整二極管耐壓性能。

見圖3所示是本實(shí)用新型不同硼劑量下二極管耐壓隨第二多晶硅層厚度的變化曲線圖，從圖3中可以看出，當(dāng)?shù)诙嗑Ч鑼?7厚度2-5μm，且硼注入的劑量在1×10¹²cm^-3～ 1×10¹³cm^-3時(shí),溫度傳感二極管耐壓>50V，保證了其不易因外部環(huán)境干擾導(dǎo)致失效，同時(shí)參數(shù)調(diào)整范圍也較寬，其擊穿電壓對(duì)劑量更加敏感。而當(dāng)?shù)诙嗑Ч鑼?7厚度在2-5μm，且硼注入的劑量1×10¹⁴cm^-3時(shí),溫度傳感二極管耐壓＜20V，通過隔離保護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)保證溫度傳感二極管安全可靠工作。