CN102969225B - 半导体器件、温度传感器和制造半导体器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体器件、温度传感器和制造半导体器件的方法。根据一个实施方式，半导体器件包括半导体基底和半导体基底上的非晶半绝缘层。

Description

半导体器件、温度传感器和制造半导体器件的方法

技术领域

本文所描述的实施方式涉及具有非晶半绝缘层的半导体器件、具有非晶半绝缘层的温度传感器和制造多个半导体器件的方法。

背景技术

快速开关高压电力装置，诸如IGBT（绝缘栅双极晶体管），用于为变速驱动器控制转换器中的电感负载。电感负载为例如电动马达。这些电力装置根据使用目的被设计为截止大约100V直到6.5kV。转换器包括由交替开启和关闭以产生具有所需频率的输出电压信号的电力装置形成的桥接电路。这也被称为脉冲宽度调制（PWM）。可在用于高压和高电流应用的模块中组合多个电力装置以及它们的续流二极管。

由于开关损耗和过载情况，电力装置可能在操作过程中产生热量。对于标准操作，产生的热量可由与电力装置热耦合的散热器消散。另一方面，通常需要温度检测来监测电力装置的温度，并确保该装置不会过热。因此需要温度传感器。

传统上，所谓的PTC或NTC电阻器已被集成到电力装置中。PTC电阻器（正温度系数电阻器）为具有随温度升高而增加的电阻的电阻器。与其不同的是NTC电阻器（负温度系数电阻器），其电阻随温度升高而减小。每种类型的电阻都由其特定的温度系数TC（其为衡量电阻随温度变化的程度）限定。电阻和温度之间的线性关系是理想的。

典型的PTC电阻器，往往也被称为冷导体，是金属。例如铂类温度传感器（Pt100）通常用于诸如熔炉的高温应用。这种传感器表现出良好的线性关系，但只有每°C约3.9‰的较小温度系数。其他材料为半导体多晶硅，诸如BaTiO₃，其在晶界上建立耗尽层。虽然这些材料具有比很多金属的温度系数高的温度系数，但是其线性度是令人满意的。

NTC电阻器例如为纯半导体材料，其载流子密度随温度升高而增大，这会导致在升高的温度下电阻降低。然而，半导体材料的电阻遵从指数温度依赖性。

测量温度的另一个选择是使用向前偏置的pn结，其电阻为温度依赖性的。PN结具有良好的线性度，但仅具有在每°C约-2mV的范围的有限温度分辨率。这通常太小，从而无法获得约5°C的温度分辨率，因为制造变化可能会导致单个温度传感器之间的偏差可能高于10mV。为了避免由通过其中的电流引起的温度传感器的寄生发热，应向pn结提供仅约1mA/mm²的小电流。这甚至会进一步降低温度系数。因此，需要单独的校准。因此，电力装置的更换或交换仅可以在相对于其温度传感器的温度特性经过仔细预选之后而发生。

发明内容

根据一个实施方式，提供了一种具有半导体基底的半导体器件。半导体器件包括半导体基底上的非晶半绝缘层。

根据一个实施方式，提供了一种具有非晶半绝缘层的温度传感器。

根据一个实施方式，提供了一种制造半导体器件的方法。该方法包括提供半导体基底，并且在半导体基底上形成非晶半绝缘层。

本领域的技术人员在阅读了以下详细描述并在查看附图之后会认识到其他特征和优点。

附图说明

图中的组件不一定按比例来绘制，而重点放在了说明本发明的原理上。此外，在图中，相似的附图标记表示相应的部件。在图中：

图1示出了根据一个实施方式的具有非晶半绝缘层作为温度传感元件的半导体器件。

图2示出了根据一个实施方式的具有非晶半绝缘层作为温度传感元件的半导体器件。

图3示出了根据一个实施方式的具有包括非晶半绝缘层的温度元件的半导体器件。

图4示出了根据一个实施方式的具有非晶半绝缘层作为温度传感元件的半导体器件。

图5示出了根据一个实施方式的具有DLC层作为温度传感元件的温度传感器的电流-电压特性。

图6示出了根据一个实施方式的电导率与具有DLC层作为温度传感元件的温度传感器的电场强度的依赖关系。

图7示出了根据一个实施方式的对于不同的电流密度的DLC层上的电压降的温度依赖性。

具体实施方式

在下面的详细说明中，参考附图，所述附图构成本发明的一部分，且在其中，通过可实现本发明的示例性具体实施方式的方式示出。在这方面，方向术语，诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“头”、“尾”等参考所描述的图的方向来使用。因为实施方式的组件可以位于许多不同的方向，方向术语用于说明目的，而不是限制性的。应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他实施方式，且可以进行结构或逻辑的变化。因此不应以限制的意义理解下面的详细描述，且本发明的范围由所附权利要求限定。所描述的实施方式使用特定的语言，这不应该被解释为限制所附权利要求的范围。

应理解本文所描述的各种示例性实施方式的特征可相互组合，除非另有特别注明。例如，作为一个实施方式的一部分说明或描述的特征可与其他实施方式的特征结合来使用，以产生另外的实施方式。本说明书旨在包括这样的修改和变形。

如在本说明书中所使用的术语“横向”旨在描述平行于半导体基底的主表面的方向。

如在本说明书中所使用的术语“垂直”旨在描述配置为垂直于半导体基底的主表面的方向。

在本说明书中，半导体基底的第二表面被认为是由下部或背侧的表面形成，而第一表面被认为是由半导体基底的上、前或主表面形成。因此，本说明书中使用的术语“上”和“下”描述了考虑这样的方向时一个结构特征与另一个结构特征的相对位置。

当提及半导体器件时，至少是指二端子器件，一个实例是二极管。半导体器件也可以是三端子器件，诸如场效应晶体管（FET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、结型场效应晶体管（JFET）和晶闸管，仅举几例。半导体器件还可包括三个以上端子。根据一个实施方式，半导体器件是电力装置。集成电路包括多个集成装置。

参考图1，描述了具有用作温度传感元件的非晶半绝缘层的半导体器件的第一实施方式。半导体器件100包括半导体基底110，其具有第一表面111和与第一表面111相反的第二表面112。半导体基底110可以在例如约10¹⁵/cm³至约10²¹/cm³的范围内高度掺杂。例如，半导体基底110可高度p掺杂。在其他实施方式中，半导体基底110可高度n掺杂。

非晶半绝缘层130形成于半导体基底110的第一表面111上。非晶半绝缘层130电气接触半导体基底110，并与其形成欧姆接触。

半导体基底110可由任何适于制造半导体器件的半导体材料制成。这样的材料的实例包括但不限于单体的半导体材料，诸如硅（Si）或金刚石，IV族化合物半导体材料，诸如碳化硅（SiC）或锗化硅（SiGe），二元、三元或四元III-V半导体材料，诸如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）、氮化铝镓（AlGaN）、磷化镓铟（InGaP）或砷磷化铟镓（InGaAsP），以及二元或三元II-VI半导体材料，诸如碲化镉（CdTe）和碲化镉汞（HgCdTe），仅举几例。上述半导体材料也称为同质结半导体材料。当组合两种不同的半导体材料时，形成异质结半导体材料。异质结半导体材料的实例包括但不限于硅（Si_xC_1-x）和SiGe异质结半导体材料。对于目前的功率半导体应用，主要使用Si、SiC和GaN材料。

第一金属141形成于非晶半绝缘层130上，并与其欧姆接触。第二金属142形成于半导体基底110的第二表面112上，并与其欧姆接触。因此电流可施加至非晶半绝缘层130。电流可以在任何一个方向上流动。在其他实施方式中，接触层可设置在非晶半绝缘层130和第一金属141之间。

第一和第二金属141、142可由金属或金属合金构成。例如Al、Cu、AlCu、AlSiCu、Ti、W、Pt、Au可用作第一和第二金属141、142的材料。

半导体基底110的电导率足够高，以使第一和第二金属141、142之间的电流主要由非晶半绝缘层130的电阻决定。可以考虑半导体基底110的厚度和非晶半绝缘层130的标称电阻，来选择半导体基底110的所需掺杂浓度。

图1示出了半导体器件100，其中在配置在半导体基底110的相反表面111、112上的第一和第二金属141、142之间具有基本垂直的电流路径。半导体器件100可用作例如独立的半导体元件，诸如独立的温度传感器。

参考图2，描述了具有用作温度传感元件的非晶半绝缘层的半导体器件的另一实施方式。半导体器件200包括半导体基底210，其具有第一表面211和与第一表面211相反的第二表面212。半导体基底210可由任何上述半导体材料构成。

半导体基底210包括第一导电型（在该实施方式中为n型）的高度掺杂第一掺杂区221，其延伸到半导体基底210的第一表面211。第一掺杂区221可具有约10¹⁵/cm³至约10²¹/cm³的范围内的表面掺杂浓度（即在第一表面211的掺杂浓度）。半导体基底210包括延伸到半导体基底210的第二表面212的第二掺杂区222。第二掺杂区222可以是相同的导电类型且可以具有与第一掺杂区221相同的掺杂浓度或可以具有不同于第一掺杂区221的掺杂浓度。在该实施方式中，第一和第二掺杂区的221、222都是n型。第一和第二掺杂区221、222可通过第三掺杂区彼此垂直隔开，其中第三掺杂区223具有与第一和第二掺杂区221、222相同的导电型，但具有比第一和第二掺杂区221、222低的掺杂浓度。第三掺杂区的223可具有在10¹²/cm³和10¹⁶/cm³之间的范围内的掺杂浓度，其可为半导体基底210的背景掺杂浓度。

非晶半绝缘层230形成于半导体基底210的第一表面211上。非晶半绝缘层230与第一掺杂区221电接触，并与其形成欧姆接触。

第一金属241形成于非晶半绝缘层230上，并与其欧姆接触。第二金属242形成于半导体基底210的第二表面212上的第二掺杂区222上，并与其欧姆接触。因此，在第一和第二金属241、242之间流动并流过半导体基底210的电流可施加至非晶半绝缘层230。第一和第二金属241、242可以由上述的金属或金属合金构成。

图2示出了半导体器件，其中在配置在半导体基底210的相反表面上的第一和第二金属241、242之间具有基本垂直的电流路径。半导体器件200的结构适合作为温度传感器集成到集成电路或电力装置中。

图3示出了集成到电力装置300中的温度传感器的实施方式。在这个特定的实施方式中，电力装置300是集成到半导体基底中的二极管。在其他实施方式中，电力装置300为功率MOS-FET或IGBT。图3是具有有源区和有源区周围的***区的电力装置300的平面图。有源区被阳极金属351覆盖。***区包括均围绕有源区的高压终端353和沟道截止区352。在这个特定的实施方式中，沟道截止区352包括形成于半导体基底的顶部或第一表面的高度n掺杂区352。

温度传感器360形成于电力装置300的***区中。在该实施方式中，温度传感器360形成于***区的沟道截止区352中。温度传感器360的位置由圆圈表示。温度传感器360包括非晶半绝缘层330和第一金属341（其设置在非晶半绝缘层330上并与其欧姆接触）。第一金属341和阳极金属351可以一起形成，且可由任何上述金属或金属合金构成。温度传感器360可以具有例如图1所示的结构。图1中所示的第二金属可以形成于半导体基底的整个第二表面上，且用作阴极金属和温度传感器360的第二端子。也可以分别为二极管的阴极和温度传感器360形成分隔开的金属层。

高压终端353可包括非晶半绝缘层353，其可由与用于温度传感器360的非晶半绝缘层330的相同材料构成。

图2所示的结构可以用于在垂直的功率二极管中形成图3所示的温度传感器360。然后，第二掺杂区222为场截止层的一部分，第一掺杂区221为沟道截止区352的一部分，且第三掺杂区223为功率二极管的漂移区的一部分。

参考图4，描述了具有用作温度传感元件的非晶半绝缘层的半导体器件的另一实施方式。半导体器件400包括半导体基底410，其具有第一表面411和与第一表面411相反的第二表面412。半导体基底410可由任何上述半导体材料构成。

半导体基底410包括第二导电型（在该实施方式中为n型）的高度掺杂第一掺杂区421，其延伸到半导体基底410的第一表面411。第一掺杂区421可具有从约10¹⁵/cm³至约10²¹/cm³的范围内的表面掺杂浓度。半导体基底410包括延伸到半导体基底410的第二表面412的第二掺杂区422。第二掺杂区422是相同的导电型且可以具有与第一掺杂区421相同的掺杂浓度或可以具有在从约10¹⁵/cm³至约10¹⁹/cm³范围内的表面掺杂浓度（即在第二表面412的掺杂浓度）。在该实施方式中，第一和第二掺杂区421、422都是p型。

第三掺杂区423和第四掺杂区的424配置在第一和第二掺杂区421、422之间。第三和第四掺杂区423、424都为n型。第三掺杂区423高度n掺杂，而第四掺杂区424可以具有半导体基底410的背景掺杂浓度，其低于第三掺杂区423的掺杂浓度。

如图4所示的结构适合集成到垂直的IGBT的***部中。然后第一掺杂区421为主体区，第二掺杂区422为发射区的一部分，第三掺杂区423为场截止层的一部分，并且第四掺杂区424为IGBT的漂移区的一部分。

非晶半绝缘层430形成于半导体基底410的第一表面411的第一掺杂区421上并覆盖其一部分。非晶半绝缘层430与第一掺杂区421电接触，并与其形成欧姆接触。

第一金属441形成于非晶半绝缘层430上并与其欧姆接触。第二金属442形成于第一掺杂区421的未由非晶半绝缘层430覆盖的另一部分上，并与其欧姆接触。

第三金属443形成于半导体基底410的第二表面412上并与第二掺杂区422欧姆接触。第一、第二和第三金属441、442、443可由任何上述金属或金属合金构成。

图4示出了半导体器件，其具有在配置在半导体基底410的同一表面上的第一和第二金属441、442之间的横向电流流动路径。

如图4所示，恒流源445与第一和第二金属441、442（它们在这里形成由第一掺杂区421和非晶半绝缘层430形成的温度传感器的各端子）连接。恒流源445可以设计为提供恒定电流。然后通过伏特计446测量第一掺杂区421和非晶半绝缘层430上的电压降。如上所述，第一掺杂区421的电导率通常显着高于非晶半绝缘层430的电导率，以使电压的大小主要由非晶半绝缘层430的电阻限定。由于非晶半绝缘层430的电阻随着温度而改变，所检测到的电压降（其与温度基本上成线性）可以用作确定温度的方法。这将在下文进一步说明。

在上述图1至图4示出的结构中，电流垂直地，即，在非晶半绝缘层的厚度方向上流过非晶半绝缘层。温度传感器可以设计为使电流在非晶半绝缘层的片方向上流动。非晶半绝缘层的厚度方向上的垂直电流是合适的，因为只需要很小的空间。此外，非晶半绝缘的厚度可由沉积条件控制。因此，根据一个实施方式，电连接设置在非晶半绝缘层的相反表面上。电连接可通过一个或多个金属和/或半导体基底的一个或多个掺杂区提供。

上述实施方式的非晶半绝缘层130、230、330、430可由非晶类金刚石碳（DLC）、非晶硅或诸如Si_xC_1-x（其中0<X<1）的非晶碳化硅构成。根据沉积条件，这些层还可含有一定量的氢（高达60%）。所需的温度依赖特性（这使这些材料适合作为温度传感元件）可根据具体需求来定制。

关于图5至图7，将描述包括非晶类金刚石碳层（其用作非晶半绝缘层）的具体实施方式。在下面非晶类金刚石碳层被称为DLC层。

通过材料的形态来界定非晶半绝缘层（诸如DLC层）的电性能，而不希望受理论的约束。非晶层在接近费米能级的所谓的迁移率隙中显示出高密度状态。这不同于单晶硅或多晶硅层。虽然这些状态可以很容易地充电（充满或耗尽），但是由于在费米能级跳跃的有限的可变范围引起的电荷载流子的迁移率降低，所以仅可观察到很小的电流。为此，材料被描述为半绝缘。

当采用高电场强度时，电流可不成比例地高度增加，且可观察到电荷载流子的场致发射。在不希望受理论约束的情况下，电流密度j(E)遵守普尔-法兰克（Poole-Frenkel）定律，如下给出：

$j\left(E\right)\&Proportional;E\&CenterDot;\exp \frac{q(-\mathrm{\&phi;}+\sqrt{\frac{\mathrm{qE}}{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0}})}{\mathrm{kT}}---\left(1\right)$

其中，j为电流密度，E为非晶半绝缘层中的电场强度，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，ε_r为非晶半绝缘层的相对介电常数，ε_o为电场常数，q为基本电荷，且φ为陷阱俘获的电荷载流子的势垒高度。

陷阱的深度（其对应于陷阱的势垒高度）被认为与非晶半绝缘层的光学带隙相关。光学带隙越高，则势垒高度也越高。假设该条件，且引入当σ₀时，可以得到以下关系：

$j\left(E\right)={\mathrm{\&sigma;}}_0\&CenterDot;E\&CenterDot;\exp \frac{q(-\mathrm{\&phi;}+\sqrt{\frac{\mathrm{qE}}{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0}})}{\mathrm{kT}}---\left(2\right)$

非晶半绝缘层中的电场强度由层厚d和跨层厚的电压降U得出，如下给出：

$E=\frac{U}{d}---\left(3\right)$

组合式（3）和（2）定义的关系会以更高场强度（在此强度上，基于可变范围跳跃的电流可忽略）产生非晶半绝缘层的电流电压特性，如下给出：

$j\left(U\right)=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0\&CenterDot;U}{d}\&CenterDot;\exp \frac{q(-\mathrm{\&phi;}+\sqrt{\frac{\mathrm{qU}}{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_{0}d}})}{\mathrm{kT}}---\left(4\right)$

这种关系用于描述如以下将进一步描述的测量的特性。分别当绘制ln(j/U)作为的函数或绘制ln(j/E)作为的函数时，可预期线性关系。应用欧姆定律j＝σ·E，场依赖性的比电导率σ(E)可以通过以下给出：

$\mathrm{\&sigma;}\left(E\right)={\mathrm{\&sigma;}}_0\&CenterDot;\exp \frac{q(-\mathrm{\&phi;}+\sqrt{\frac{\mathrm{qE}}{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0}})}{\mathrm{kT}}---\left(5\right)$

关系式（5）表明存在比电导率根据势垒高度φ增大或减小的电场范围，因为指数的分子可以是正或负。这意味着，非晶半绝缘层可在低电场强度范围内具有负温度系数，且在高电场强度范围内具有正温度系数。在分子变为零的给定点，任何温度依赖性都会消失。该点被定义为：

$E=\frac{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&phi;}}^2}{q}---\left(6\right)$

为了提供具有高工作范围和高温度系数的非晶半绝缘层，用作非晶半绝缘层的材料被设计为具有足够大的势垒高度φ。

例如，假设所需的最大电压降为20V，值ε_r=5且层厚为100nm，则势垒高度φ应该为至少0.48V，以在高达20V的整个电压范围之上获得非晶半绝缘层的恒定NTC性能。根据一个实施方式，非晶半绝缘层具有至少0.3eV的势垒高度。根据一个实施方式，非晶半绝缘层具有从约0.3eV到1eV范围内的势垒高度。根据其他实施方式，非晶半绝缘层具有从约0.5eV至约1eV范围内的势垒高度。根据其他实施方式，非晶半绝缘层具有从约0.5eV至约0.8eV范围内的势垒高度。

例如可以通过当形成非晶半绝缘层时适当选择沉积条件来调节上述所需的材料特性。为了制造，非晶半绝缘层例如沉积在半导体基底或任何其他合适基底（通常是导电的）的表面上。在进一步的处理中，将沉积的非晶半绝缘层退火。典型的退火温度范围例如在300°C和600°C之间。

非晶半绝缘层例如可通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）来沉积。用于定制非晶半绝缘层的电性能的其他参数是压力、沉积过程中所使用的RF功率、所使用的气体的气体流速、等离子体中的DC偏压（其可自我调节）和掺杂浓度。

例如，下面的参数可以选择并用于沉积DLC层。适当的DLC层沉积例如可以在PECVD腔（其中RF功率以13.56MHz的频率电容性耦合）中执行。阳极和阴极面积的比例确定等离子体中的DC偏压。DC偏压分别随着增加的面积比例和RF功率增加而升高，而压力的增加具有相反的效果。任何烃类气体，如甲烷，可以用作合适的前体。在具有6英寸直径的晶片上沉积的典型工艺条件可以为例如150sccm的流量、80毫托（mTorr）的压力和200瓦特的RF功率。等离子体中的自偏压值通常调节约为-350V。DC偏压对DLC层的光学带隙和电阻率具有直接影响，它们会随自偏压的减小而增加。根据一个实施方式，DC偏压被调节为处于从约-100V至约-1000V的范围内，根据一个实施方式，DC偏压被调节为处于从约-200V至约-500V的范围内。根据一个实施方式，RF功率被调节为处于从约50W至约1200W的范围内。根据一个实施方式，RF功率被调节为处于从约100W至约800W的范围内。

层厚的选择取决于所需的电阻值。根据一个实施方式，典型的范围可在10nm和1μm之间。另一方面，沉积参数可以变化，以改变固定层厚上的电阻率。流速的典型范围为从50到300sccm，压力的典型范围为从10至300毫托的压力，功率的典型范围为从50到1200瓦。

这样形成的DLC层具有拥有良好的线性度和高温度系数的电阻，这会使它们适合作为温度传感元件。根据一个实施方式，非晶半绝缘层具有相对于在-40°C和250°C之间的温度范围内的温度基本线性变化的电阻。

根据一个实施方式，非晶半绝缘层的比电导率σ为从约10^-3/Ωcm至约10^-15/Ωcm。根据一个实施方式，非晶半绝缘层的比电导率σ为从约10^-8/Ωcm至约10^-12/Ωcm。

使用在具有约5mΩcm的比电阻的高度p掺杂Si基底的前侧或第一表面上沉积的300nm厚的DLC层的样本来进行下面描述的测量。具有直径为约1mm的金属触点（该金属触点对应于上述第一金属）形成于DLC层上并由Ti/Pt/Au层堆叠构成。较大Al层形成于Si基底的背侧或第二表面上，并用作上述第二金属。用于测量的结构大致对应于图1所示的结构。

提供具有高掺杂浓度的Si基底是理想的，以防止在形成于非晶DLC层和单晶Si基底之间的非晶-晶体结上形成任何势垒或耗尽层。这允许自由选择提供电流的方向。因此可以得到关于电流的对称特性，这有利于用于评价流过DLC层的电流的评价电子设备。此外，高掺杂Si基底仅表现出可忽略的电压降。

可选地，可以使用具有低背景掺杂的半导体基底。为了防止在DLC层和半导体基底之间形成寄生势垒或耗尽层，并提供与背侧金属的良好欧姆连接，具有与半导体基底相同的导电型的高掺杂的掺杂区可形成于半导体基底的前侧和背侧。相应的结构示于图2中。由每周掺杂的半导体基底造成的半导体基底上的电压降通常比DLC层上的电压降小。

由不同温度测量的上述样本的电流-电压特性示于图5。比电导率和势垒高度φ如上所述通过应用沉积条件来定制。具体来说，在约30at%的范围内用Si掺杂DLC层，其中at%是指相对于原子数的比例。所测量出的特性表现了当如图6所示绘制σ作为的函数时的大致线性过程或图形。这表明，DLC层的导电性能由上面提出的普尔-法兰克定律定义。

在图6中，σ=j/E绘制为函数根据式（5）计算并拟合实线。为清晰起见，在图6中仅展示了对不同温度测量的两个特性。

对不同温度获得的所有曲线图的最佳拟合产生以下参数：σ₀=7.5·10^-6/Ωcm，ε_r＝5.2且φ=0.63V。在低场强下，场强独立跳跃传导的影响，或所谓的声子辅助隧道效应增加，这解释了测量值和低场强下的拟合之间的偏差。然而，在高场强下，可观察到普尔-法兰克定律和测量值之间的良好相关性。因此DLC层应可在由势垒φ定义的适当电场范围内工作，势垒φ可通过适当选择沉积条件来调节。

由于用于拟合的直线会在给定点上相遇，所以当进一步增加电场时，温度系数可能会降低。对于该具体实施方式，当使用式（6）时，交点位于E=3.6·10⁶V/cm。

参照图5，当例如以约30V的电压工作时，比电导率j在25°C和200°C之间以约100的因数变化，这适用于许多应用，诸如监测电力装置的温度。

在图7中，依赖温度的电压降绘制为10^-4A/cm²和10^-2A/cm²的电流密度的温度的函数。两个图都显示了25°C和200°C之间的温度范围的非常良好的线性关系。此外，DLC层的温度系数在此范围内基本上是恒定的，且具有约-120mV/°C的较高的值，这比PT100电阻器或pn结的温度系数高得多。这允许更高的温度分辨率。电压降根据所施加的电流密度分别在约10V和30V之间与约33V和53V之间变化。根据一个实施方式，非晶半绝缘层具有至少10mV/°C的温度系数，特别是至少20mV/°C的温度系数。

上面所述的测量结果示出了不像多晶或单晶DLC层那样，非晶DLC层适合作为温度传感元件。这样生产的非晶DLC层设计为具有较高的势垒高度，以产生大的工作范围内的高温度系数。非晶半绝缘层被特别设计为对于所需的工作范围具有线性NTC性能，并具有高的基本恒定的温度系数。

工作范围也可以通过适当选择DLC层的厚度来定制。当改变DLC层的厚度的同时保持电流密度恒定时，电压降变化，因此温度系数也发生变化。为了说明目的，假设层厚从300nm减小至100nm，此外恒电流为1mA、两个DLC层（100nm厚的层和300nm厚的层）的有源区为约1mm²，则在从约25°C至约200°C范围的温度下，电压降从对于300nm厚的层的约48V至69V的范围至对于100nm厚的层的约16V至23V的范围变化。温度值也降低了约3倍，即从约120mV/°C降低至约40mV/°C。

与使用pn结的正向电压降的温度传感器相比，非晶半绝缘层的温度系数可定制为足够恒定，以使非晶半绝缘层可以具有高出至少10倍的温度检测灵敏度。除此之外，制造的变化可以保持为小。特别地，光学带隙（其与势垒高度、介电常数和厚度关联）可控制在所需范围内。这允许制造温度传感器在独立制造的传感器之间具有小偏差，并允许执行单独校准。

虽然结合Si进行了具体描述，但是以上实施方式也可以采用以上所述的其他半导体材料，诸如SiC、GaAs或GaN。

为了制造独立的温度传感器，非晶半绝缘层可以沉积在半导体基底上，随后在半绝缘层和半导体基底的相反侧上形成金属层，然后分离成单独的器件。另外，以上所述的任何结构可以集成在电力装置或集成电路的芯片设计中。这对于已经包括了用作边缘钝化的DLC层的器件特别有利。温度传感器例如可以置于芯片的无源区中。

应理解本文所述的各种示例实施方式的特征可以相互组合，除非其他地方特别说明。

诸如“在…之下”、“以下”、“较低”、“在…之上”、“较高”等的空间性的相对术语用于方便描述，以解释一个元件相对第二元件的定位。除了不同于图中所示的那些方向，这些术语旨在涵盖装置的不同方向。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用来描述各元件、区域、部分等也并不意欲进行限制。在整个说明书中，类似的术语指类似元件。

如本文所使用，术语“具有”、“包含”、“含有”、“包括”等是开放式的术语，其表明所述的元件或特征的存在，但并不排除其他元件或特征。冠词“一个”、“一”和“该”意欲包括复数以及单数，除非文中其他地方另有清楚地表明。

考虑到上述的变形和应用范围，应该理解本发明不受上述描述的限制，也不受所附图的限制。相反，本发明仅受所述权利要求和其法律等同物的限制。

Claims (20)

1.一种半导体器件，包括：

半导体基底；

有源区和所述有源区周围的***区；

形成在所述***区中的边缘钝化；以及

所述半导体基底上的非晶半绝缘层，其中，所述非晶半绝缘层具有包含负温度系数的电阻，并具有10^-8/Ωcm至10^-15/Ωcm的比电导率；

其中，所述非晶半绝缘层形成在所述***区中。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述非晶半绝缘层具有关于-40℃和250℃之间的温度范围内的温度线性变化的电阻。

3.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述非晶半绝缘层具有0.3eV至1.0eV范围内的势垒高度φ。

4.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：

形成于所述半导体基底中的掺杂区，其中，所述非晶半绝缘层与所述掺杂区欧姆接触；以及

与所述非晶半绝缘层欧姆接触的金属，其中，所述非晶半绝缘层提供了所述金属和所述掺杂区之间的电连接。

5.根据权利要求4所述的半导体器件，其中，所述掺杂区具有至少1·10¹⁵/cm³的掺杂浓度。

6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述非晶半绝缘层是类金刚石碳层。

7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中：

所述边缘钝化包括由类金刚石碳构成的层；并且

所述非晶半绝缘层由类金刚石碳构成。

8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述非晶半绝缘层与所述边缘钝化隔开。

9.一种温度传感器，包括非晶半绝缘层，所述非晶半绝缘层由非晶类金刚石碳或非晶Si_xC_1-x组成，其中，0<x<1，并且所述非晶半绝缘层具有包含负温度系数的电阻，且具有10^-8/Ωcm至10^-15/Ωcm的比电导率。

10.根据权利要求9所述的温度传感器，还包括：

半导体基底，包括第一表面和配置在所述第一表面的第一掺杂区，所述非晶半绝缘层配置在所述第一掺杂区上并与其欧姆接触；以及

第一金属，位于所述非晶半绝缘层上并与其欧姆接触。

11.根据权利要求10所述的温度传感器，其中，所述第一掺杂区具有至少1·10¹⁵/cm³的掺杂浓度。

12.根据权利要求10所述的温度传感器，还包括位于所述第一掺杂区上并与其欧姆接触的第二金属，所述第一金属和所述第二金属彼此隔开。

13.根据权利要求10所述的温度传感器，还包括位于所述半导体基底的第二表面上并与其电连接的第二金属。

14.一种制造半导体器件的方法，包括：

提供半导体基底；以及

在所述半导体基底上形成非晶半绝缘层，所述非晶半绝缘层由非晶类金刚石碳或非晶Si_xC_1-x组成，其中，0<x<1，并且所述非晶半绝缘层具有包含负温度系数的电阻，且具有10^-8/Ωcm至10^-15/Ωcm的比电导率。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述非晶半绝缘层沉积在所述半导体基底上。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述非晶半绝缘层通过等离子体沉积、利用在-100V至-1000V的范围内的DC偏压而沉积在所述半导体基底上。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述非晶半绝缘层通过等离子体沉积、利用在50W至1200W的范围内的RF功率而沉积在所述半导体基底上。

18.根据权利要求14所述的方法，还包括对所述非晶半绝缘层退火。

19.根据权利要求14所述的方法，还包括：

在所述半导体基底中形成第一掺杂区；

在所述第一掺杂区的一部分上形成所述非晶半绝缘层；

形成位于所述非晶半绝缘层上并与其欧姆接触的第一金属；以及

形成位于所述第一掺杂区上并与其欧姆接触的第二金属。

20.根据权利要求14所述的方法，还包括：

在所述半导体基底的第一表面形成第一掺杂区；

在所述第一掺杂区上形成所述非晶半绝缘层；

形成位于所述非晶半绝缘层上并与其欧姆接触的第一金属；

在所述非晶半绝缘层的第二表面形成第二掺杂区；以及

形成位于所述第二掺杂区上并与其欧姆接触的第二金属。