CN113066852A - 感测功率半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种感测功率半导体器件，其中的主晶体管具有第一电流路径，副晶体管具有第二电流路径，用于监测第一电流路径中的电流，感测晶体管具有第三电流路径，用于监测第二电流路径中的电流，最终感测晶体管能够间接监测第一电流路径中的电流；其中的测温二极管具有第四电流路径，用于监测功率半导体的芯片温度，本发明器件将感测晶体管内的电流进一步缩小，以便增大采样电阻，提高精准度，同时还可以减少能量的浪费。

Description

感测功率半导体器件
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，具体地说是一种集成电流监测与温度监测的功率半导体器件。
背景技术
在终端应用中，一些厂商希望能监测流过功率器件的电流，以便故障检测、电流大小控制。用以测量功率器件中的电流的结构通常被称为感测场效应晶体管。感测场效应晶体管是与主功率场效应晶体管分离开的小的场效应晶体管。感测场效应晶体管一般被配置为产生与主场效应晶体管中的电流相对应的电压以便提供电流感测，并且可以被集成到与主场效应晶体管相同的半导体芯片中。
目前，厂商希望能够将监测电流的精度进一步提高。这需要将感测场效应晶体管内的电流进一步缩小，以便增大采样电阻，提高精准度，同时还可以减少能量的浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种可以提高监测电流精度的功率半导体器件。
按照本发明提供的技术方案，一种感测功率半导体器件，包括：
主晶体管，其具有第一电流路径，电流从漏极焊盘流经主晶体管的第一漏极金属、第一源极金属，最后进入第一源极焊盘；
副晶体管，其具有第二电流路径，用于监测第一电流路径中的电流，电流从漏极焊盘流经副晶体管的第二漏极金属、第二源极金属，最后进入第一源极焊盘；
感测晶体管，其具有第三电流路径，用于监测第二电流路径中的电流，电流从漏极焊盘流经感测晶体管的第三漏极金属、第三源极金属，最后进入第二源极焊盘；
测温二极管，其具有第四电流路径，用于监测功率半导体的芯片温度，电流从正极焊盘流经测温二极管的正极金属、负极金属，最后进入漏极焊盘。
进一步地，主晶体管的第一漏极金属、副晶体管的第二漏极金属、感测晶体管的第三漏极金属、测温二极管的负极金属和漏极焊盘彼此电耦合；主晶体管的第一源极金属、副晶体管的第二源极金属和第一源极焊盘彼此电耦合；感测晶体管的第三源极金属通过第一金属连接线和第二源极焊盘彼此电耦合；测温二极管的正极金属通过第二金属连接线和正极焊盘彼此电耦合；主晶体管的第一栅极金属和第一栅极焊盘彼此电耦合；副晶体管的第二栅极金属、感测晶体管的第三栅极金属和第二栅极焊盘彼此电耦合。
进一步地，主晶体管与副晶体管的源极区面积之比为n：1，所述n的范围为1＜n≤1000；副晶体管与感测晶体管的源极区面积之比为m：1，所述m的范围为1＜m≤1000。
进一步地，所述主晶体管、副晶体管与感测晶体管有相同的功率半导体结构。
更进一步地，主晶体管包括：在所述漏极焊盘的上方设有第一导电类型衬底，在所述第一导电类型衬底的上方设有第一导电类型外延层，在所述第一导电类型外延层的表面设有第二导电类型体区，在所述第二导电类型体区的表面设有第一导电类型源区，在所述第二导电类型体区内设有第二导电类型源区，在所述第一导电类型源区的表面设有沟槽，所述沟槽穿透第一导电类型源区与第二导电类型体区，然后进入第一导电类型外延层内，所述沟槽呈条状互相平行且等间距分布，所述沟槽的侧壁与底部设有场氧层，所述场氧层包裹着屏蔽栅多晶硅，在所述屏蔽栅多晶硅顶部的两侧设有栅极多晶硅，所述栅极多晶硅通过栅氧层与第一导电类型源区、第二导电类型体区、第一导电类型外延层互相绝缘，在所述沟槽与第一导电类型源区的上方设有绝缘介质层，在所述绝缘介质层的上方设有第一源极金属，所述第一源极金属穿透绝缘介质层与第一导电类型源区、第二导电类型源区欧姆接触。
更进一步地，对于N型功率半导体器件，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型；对于P型功率半导体器件，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
进一步地，所述主晶体管的第一栅极金属环绕在所述功率半导体器件的***；第一栅极金属通过通孔连接栅极多晶硅。
进一步地，所述感测晶体管与测温二极管位于所述功率半导体器件的中心位置。
相较于传统器件不存在副晶体管；本发明公开了一种感测功率半导体器件，其中的主晶体管具有第一电流路径，副晶体管具有第二电流路径，用于监测第一电流路径中的电流，感测晶体管具有第三电流路径，用于监测第二电流路径中的电流，最终感测晶体管能够间接监测第一电流路径中的电流；其中的测温二极管具有第四电流路径，用于监测功率半导体的芯片温度。
本发明具有以下优点：
1、本发明器件工作时流过副晶体管的电流对外工作，不会浪费流过副晶体管的电流。
2、本发明器件的感测晶体管需要的采样电流远小于传统器件，所以在采样上消耗的能量比较少。
3、本发明可以使用阻值更大的采样电阻，提高采样精度。
4、本发明器件集成了测温二极管，能够对器件的核心温度进行监控，保证器件在安全的范围内工作。
附图说明
图1为本发明器件的电路结构示意图。
图2为本发明器件的芯片表面结构示意图。
图3为本发明器件的功率半导体的元胞结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1；
一种感测功率半导体器件，如图1所示，包括：
主晶体管1，其具有第一电流路径11，电流从漏极焊盘5流经主晶体管1的第一漏极金属15、第一源极金属16，最后进入第一源极焊盘8；
副晶体管2，其具有第二电流路径12，用于监测第一电流路径11中的电流，电流从漏极焊盘5流经副晶体管2的第二漏极金属17、第二源极金属18，最后进入第一源极焊盘8；
感测晶体管3，其具有第三电流路径13，用于监测第二电流路径12中的电流，电流从漏极焊盘5流经感测晶体管3的第三漏极金属19、第三源极金属20，最后进入第二源极焊盘9；
测温二极管4，其具有第四电流路径14，用于监测功率半导体的芯片温度，电流从正极焊盘10流经测温二极管4的正极金属22、负极金属21，最后进入漏极焊盘5。
如图2所示，主晶体管1的第一漏极金属15、副晶体管2的第二漏极金属17、感测晶体管3的第三漏极金属19、测温二极管4的负极金属21和漏极焊盘5彼此电耦合；主晶体管1的第一源极金属16、副晶体管2的第二源极金属18和第一源极焊盘8彼此电耦合；感测晶体管3的第三源极金属20通过第一金属连接线25和第二源极焊盘9彼此电耦合；测温二极管4的正极金属22通过第二金属连接线24和正极焊盘10彼此电耦合；主晶体管1的第一栅极金属23和第一栅极焊盘6彼此电耦合；副晶体管2的第二栅极金属27、感测晶体管3的第三栅极金属26和第二栅极焊盘7彼此电耦合。
主晶体管1与副晶体管2的源极区面积之比为100：1；副晶体管2与感测晶体管3的源极区面积之比为100：1。
所述主晶体管1、副晶体管2与感测晶体管3有相同的功率半导体结构，如图3所示，在所述漏极焊盘5的上方设有N型衬底28，在所述N型衬底28的上方设有N型外延层29，在所述N型外延层的表面设有P型体区35，在所述P型体区35的表面设有N型源区37，在所述P型体区35内设有P型源区36，在所述N型源区37的表面设有沟槽30，所述沟槽30穿透N型源区37与P型体区35，然后进入N型外延层29内，所述沟槽30呈条状互相平行且等间距分布，所述沟槽30的侧壁与底部设有场氧层31，所述场氧层31包裹着屏蔽栅多晶硅32，在所述屏蔽栅多晶硅32顶部的两侧设有栅极多晶硅33，所述栅极多晶硅33通过栅氧层34与N型源区37、P型体区35、N型外延层29互相绝缘，在所述沟槽30与N型源区37的上方设有绝缘介质层38，在所述绝缘介质层38的上方设有第一源极金属16，所述第一源极金属16穿透绝缘介质层38与N型源区37、第二导电类型源区36欧姆接触。
所述感测晶体管3与测温二极管4位于所述功率半导体器件的中心位置；由于功率半导体器件中心位置的电流最为均匀，因此感测晶体管3配置于该位置可以提高电流检测精度；测温二极管4位于所述功率半导体器件的中心位置，也可以提高温度检测精度；
所述主晶体管1的第一栅极金属23环绕在所述功率半导体器件的***；以方便实现第一栅极金属23与栅极多晶硅33的连接，第一栅极金属23通过通孔连接栅极多晶硅33。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种感测功率半导体器件，其特征在于，包括：
主晶体管（1），其具有第一电流路径（11），电流从漏极焊盘（5）流经主晶体管（1）的第一漏极金属（15）、第一源极金属（16），最后进入第一源极焊盘（8）；
副晶体管（2），其具有第二电流路径（12），用于监测第一电流路径（11）中的电流，电流从漏极焊盘（5）流经副晶体管（2）的第二漏极金属（17）、第二源极金属（18），最后进入第一源极焊盘（8）；
感测晶体管（3），其具有第三电流路径（13），用于监测第二电流路径（12）中的电流，电流从漏极焊盘（5）流经感测晶体管（3）的第三漏极金属（19）、第三源极金属（20），最后进入第二源极焊盘（9）；
测温二极管（4），其具有第四电流路径（14），用于监测功率半导体的芯片温度，电流从正极焊盘（10）流经测温二极管（4）的正极金属（22）、负极金属（21），最后进入漏极焊盘（5）。
2.根据权利要求1所述的一种感测功率半导体器件，其特征在于，主晶体管（1）的第一漏极金属（15）、副晶体管（2）的第二漏极金属（17）、感测晶体管（3）的第三漏极金属（19）、测温二极管（4）的负极金属（21）和漏极焊盘（5）彼此电耦合；主晶体管（1）的第一源极金属（16）、副晶体管（2）的第二源极金属（18）和第一源极焊盘（8）彼此电耦合；感测晶体管（3）的第三源极金属（20）通过第一金属连接线（25）和第二源极焊盘（9）彼此电耦合；测温二极管（4）的正极金属（22）通过第二金属连接线（24）和正极焊盘（10）彼此电耦合；主晶体管（1）的第一栅极金属（23）和第一栅极焊盘（6）彼此电耦合；副晶体管（2）的第二栅极金属（27）、感测晶体管（3）的第三栅极金属（26）和第二栅极焊盘（7）彼此电耦合。
3.根据权利要求1所述的一种感测功率半导体器件，其特征在于，主晶体管（1）与副晶体管（2）的源极区面积之比为n：1，所述n的范围为1＜n≤1000；副晶体管（2）与感测晶体管（3）的源极区面积之比为m：1，所述m的范围为1＜m≤1000。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种感测功率半导体器件，其特征在于，所述主晶体管（1）、副晶体管（2）与感测晶体管（3）有相同的功率半导体结构。
5.根据权利要求4所述的一种感测功率半导体器件，其特征在于，
主晶体管（1）包括：
在所述漏极焊盘（5）的上方设有第一导电类型衬底（28），在所述第一导电类型衬底（28）的上方设有第一导电类型外延层（29），在所述第一导电类型外延层的表面设有第二导电类型体区（35），在所述第二导电类型体区（35）的表面设有第一导电类型源区（37），在所述第二导电类型体区（35）内设有第二导电类型源区（36），在所述第一导电类型源区（37）的表面设有沟槽（30），所述沟槽（30）穿透第一导电类型源区（37）与第二导电类型体区（35），然后进入第一导电类型外延层（29）内，所述沟槽（30）呈条状互相平行且等间距分布，所述沟槽（30）的侧壁与底部设有场氧层（31），所述场氧层（31）包裹着屏蔽栅多晶硅（32），在所述屏蔽栅多晶硅（32）顶部的两侧设有栅极多晶硅（33），所述栅极多晶硅（33）通过栅氧层（34）与第一导电类型源区（37）、第二导电类型体区（35）、第一导电类型外延层（29）互相绝缘，在所述沟槽（30）与第一导电类型源区（37）的上方设有绝缘介质层（38），在所述绝缘介质层（38）的上方设有第一源极金属（16），所述第一源极金属（16）穿透绝缘介质层（38）与第一导电类型源区（37）、第二导电类型源区（36）欧姆接触。
6.根据权利要求5所述的一种感测功率半导体器件，其特征在于，
对于N型功率半导体器件，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型；对于P型功率半导体器件，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
7.根据权利要求5所述的一种感测功率半导体器件，其特征在于，
所述主晶体管（1）的第一栅极金属（23）环绕在所述功率半导体器件的***；第一栅极金属（23）通过通孔连接栅极多晶硅（33）。
8.根据权利要求1所述的一种感测功率半导体器件，其特征在于，
所述感测晶体管（3）与测温二极管（4）位于所述功率半导体器件的中心位置。
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