专利名称：带有电流检测结构的半导体器件的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及这样的半导体器件，其具有用于对流经该半导体器件的电流大小进行检测(电流检测功能)的结构。具体而言，本发明涉及这样的半导体器件，它设置有电流检测结构以及对抗ESD(静电放电)的措施。
背景技术：
通常，半导体器件设有半导体衬底，衬底中形成有多个开关元件。本说明书中的开关元件表示由这样的半导体区域组成的结构，所述半导体区域具有使电极对之间流动的电流在开/关间切换的不同特性。
已经开发了具有电流检测功能的半导体器件。通常，为了对流经半导体器件的电流大小进行检测，开关元件被划分为两组。具体而言，通过将较低电位一侧的电极划分为两部分，来将开关元件划分为两组。部分开关元件一起电连接到两个电极之一，另一部分开关元件一起电连接到另一个电极。因此，开关元件被划分为两组连接到两个电极之一的组以及连接到另一电极的组。前一电极连接到参考电位，而后一电极经过电流检测器连接到参考电位。在本说明书中，前一电极称为“主电极”，后一电极称为“传感器电极”。此外，将流经主电极的电流打开/关断的开关元件称为“主开关元件”，将流经传感器电极的电流打开/关断的开关元件称为“传感器开关元件”。主开关元件和传感器开关元件一起通过电装置(例如电动机)电连接到高电位一侧的电极。共同的栅极电压施加到主开关元件和传感器开关元件的栅极。
根据这种半导体器件，当向栅极施加栅极开启电压时，主开关元件和传感器开关元件都开启，电流流过主开关元件和传感器开关元件。流经每个开关元件的电流大小对于主开关元件和传感器开关元件是一样的。因此，主开关元件数与传感器开关元件数之间的比例关系就等于流经主电极的电流大小与流经传感器电极的电流大小之间的比例关系。因此，通过检测流经传感器电极的电流大小，就可以导出流经主电极的电流大小。
通过对流经半导体器件的电流大小进行检测，可以检测到异常的大电流流过半导体器件的现象。该现象是在连接到半导体器件的电装置短路时引起的。因此，通过提供传感器开关元件、传感器电极以及迫使半导体器件在检测到的电流超过预定值时关闭的器件，即使在连接到半导体器件的电装置短路时，也可以防止高于预定值的超额电流流经半导体器件。
通常，传感器开关元件的数目比主开关元件的数目小得多。因此，传感器开关元件的传感器电极与栅极之间的栅极输入电容(栅极输入电容与栅极绝缘层的面积有关)小于主开关元件的主电极与栅极之间的栅极输入电容。由于主开关元件的栅极输入电容大，所以主开关元件的主电极与栅极之间的ESD容限较高。另一方面，由于传感器开关元件的栅极输入电容较小，所以传感器开关元件的传感器电极与栅极之间的ESD容限较低。因此，当传感器开关元件的传感器电极与栅极之间施加ESD时，传感器开关元件的栅极绝缘层易被破坏。
为了提高传感器开关元件的传感器电极与栅极之间的ESD容限，已知在传感器电极与栅极之间设置稳压二极管(zener diode)的技术。当在传感器电极与栅极之间施加达到稳压二极管击穿电压的ESD时，稳压二极管被击穿。结果，防止了比稳压二极管击穿电压还高的电压施加到传感器开关元件的栅极绝缘层。因此，可以防止传感器开关元件的栅极绝缘层被破坏。
与这种技术有关的技术在日本早期公开专利申请公开No.1994-85174、日本早期公开专利申请公开No.2001-358568、日本早期公开专利申请公开No.2001-16082以及日本早期公开专利申请公开No.2002-517116中有说明。
发明内容
但是，在传感器电极与栅极之间设置稳压二极管时，不能防止经稳压二极管流动的齐纳漏电流(zener leakage current)。结果，半导体器件的栅极驱动损耗增大。就是说，与不在传感器电极与栅极之间设置稳压二极管的情况相比，必须向栅极供给更大的电流来使半导体器件开启。
本发明的一个目的是提供一种技术，它可以为半导体器件提供对ESD等所引起损害的防护，同时防止栅极驱动损耗增大。
根据本发明的一个方面，半导体器件设有形成于主电极与传感器电极之间的保护器件用于释放电荷。当超额的电压(例如ESD)施加在传感器电极与栅极之间时，保护器件从传感器电极向主电极放电。由此，可以防止破坏传感器开关元件的栅极绝缘层。尽管是向主电极放电的，但是主开关元件的栅极绝缘层不会被损坏，因为主开关元件的栅极输入电容较大。
此外，由于在主电极与传感器电极之间设有本发明的保护器件，所以即使由漏电流经过保护器件在主电极与传感器电极之间流动，也不会增大栅极驱动损耗。
根据本发明的一个方面，半导体器件设有半导体衬底，半导体衬底中形成有多个开关元件。开关元件被分为至少两组。半导体器件还设有连接到一组开关元件(主开关元件)的主电极。主电极将要连接到参考电位。半导体器件还设有连接到另一组开关元件(传感器开关元件)的传感器电极。传感器电极将要经过电流检测器连接到参考电位。半导体器件还设有将主电极与传感器电极耦合的保护器件。当主电极与传感器电极之间的电位差超过预定电压时，保护器件使主电极与传感器电极电连接。
根据上述半导体器件，当在传感器电极与传感器开关元件的栅极之间施加超额的电压例如ESD时，主电极与传感器电极之间产生电位差。当主电极与传感器电极之间的电位差达到预定电压时，可以经过保护器件从传感器电极向主电极释放出超额的电荷。结果，防止了施加在传感器电极与传感器开关元件的栅极之间的电压进一步增大。可以防止破坏传感器开关元件的栅极绝缘层。此外，由于本发明的保护器件设在主电极与传感器电极之间，所以即使有漏电流经过保护器件流过主电极与传感器电极之间，栅极驱动损耗也不会增大。
根据本发明的一个方面，优选为保护器件设有串联在主电极与传感器电极之间的多个二极管。这些二极管包括以相反方向设在主电极与传感器电极之间的至少一组二极管。
通过设置这组二极管，只要主电极与传感器电极之间的电位差不超过二极管的击穿电压，就可以将主电极与传感器电极维持在电隔离的状态。在主电极与传感器电极之间的电位差不超过二极管击穿电压的范围内，流经主电极的电流和流经传感器电极的电流可以分别流动。另一方面，如果主电极与传感器电极之间的电位差超过了二极管的击穿电压，则主电极和传感器电极电连接。
通过设置以相反方向布置的这组二极管，可以根据二极管的击穿电压来使主电极与传感器电极之间的电连接在开/关之间切换。
根据本发明的一个方面，优选为将保护器件设在从主电极向传感器电极伸展的部分半导体层中。优选为使半导体层包括串联布置的第一半导体区域、第二半导体区域和第三半导体区域。第一半导体区域连接到主电极，并含有第一导电类型的杂质。第三半导体区域连接到传感器电极，并含有第一导电类型的杂质。第二半导体区域布置在第一半导体区域与第三半导体区域之间，并含有第二导电类型的杂质。
根据上述保护器件，第一半导体区域与第二半导体区域之间以及第二半导体区域与第三半导体区域之间都形成有pn结。这些pn结的方向面对着主电极与传感器电极之间分别朝向相反方向。由此，这组二极管可以以相反方向布置在主电极与传感器电极之间。
根据本发明的一个方面，优选为把使主电极与传感器电极连接的保护器件预定电压设定为高于开关元件的主电极与栅极之间的最大额定电压。同样优选为使保护器件的预定电压低于传感器开关元件栅极绝缘层的破坏电压(破坏允许电压)。
如果保护器件的预定电压高于主电极与开关元件栅极之间的最大额定电压，就可以防止由于施加到栅极的控制信号而不正确地开启保护器件。
如果保护器件的预定电压低于开关元件栅极绝缘层的破坏电压，就可以在传感器开关元件的栅极绝缘层受到破坏之前开启保护器件。
根据本发明的一个方面，在传感器电极与传感器开关元件的栅极之间施加超额电压例如ESD时，可以经过保护器件从传感器电极向主电极释放超额的电荷。结果，可以防止传感器开关元件的栅极绝缘层受到破坏。此外，由于本发明的保护器件设在主电极与传感器电极之间，所以即使有漏电流经过保护器件在主电极与传感器电极之间流动，也不会增大栅极驱动损耗。
根据本发明的一个方面，半导体器件可以为传感器电极与传感器开关元件栅极之间超额电压提供抵抗措施，同时保持较低的栅极驱动损耗。
图1示出了半导体器件的原理电路图。
图2示出了半导体器件主要部分的简化剖视图。
图3(a)示出了25摄氏度时栅极漏电流的大小。
图3(b)示出了150摄氏度时栅极漏电流的大小。
图4示出了栅极输入电容量与半导体器件的静电容限之间的关系。
具体实施例方式
下面将对实施本发明的优选特征进行说明。
(第一特征)采用保护器件，该器件具有pnp、npn、pnpnp或npnpn结。
(第二特征)用流经传感器开关元件区域的电流大小除以流经整个半导体器件的电流大小计算所得的值小于或等于0.01。
(第三特征)当主开关元件的栅极输入电容大于下述值时，半导体器件特别有效，所述值是通过在称为“机器模式”的ESD容限测试期间，端子之间供给的电荷量除以栅极绝缘层的破坏电压而计算得到的。就是说，当满足下列条件时，本发明的半导体器件特别有效主开关元件的栅极输入电容＞ESD容限测试期间端子之间供给的电荷量/栅极绝缘层的破坏电压
(优选实施例)下面将参考附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1示出了半导体器件10的原理电路图。图2示出了半导体器件10主要部分的简化剖视图。图1和图2中共同的标号表示共同的元件。半导体器件10用于对安装至混合动力汽车、燃料电池汽车等的电动机进行控制，具体地讲，半导体器件10通过使供给电动机的电流开启/关断，来对电动机进行逆变控制。除了半导体器件10，图1还示出了电源92、电动机94、栅极驱动器件95和电流检测器96，他们都连接到半导体器件10并由半导体器件10使用。
如图1所示，半导体器件10设有开关元件构件20和保护器件30。开关元件构件20由多个开关元件组成并对电流进行暂时的开/关。通过用开关元件构件20使电流开/关，半导体器件20可以在向电动机94供给电能的情况与不向电动机94供给电能的情况之间进行二选一的切换。开关元件构件20由多个开关元件组成，每个开关元件具有IGBT(绝缘栅双极晶体管)的基本结构。开关元件构件20一起连接到集电极22和栅极23。发射极分为主电极24和传感器电极25。开关元件构件20分为两组一起连接到主电极24的组和一起连接到传感器电极25的组。属于一起连接到主电极24那组的开关元件的数目大于属于一起连接到传感器电极25那组的开关元件的数目。连接到主电极24的开关元件称为“主开关元件”。连接到传感器电极25的开关元件称为“传感器开关元件”。
集电极22电连接到集电极端子41。集电极端子41电连接到电动机94。电动机94电连接到电源92，电源92在半导体器件10开启时向电动机94供给直流电压。
栅极23电连接到栅极端子42。栅极端子42电连接到栅极驱动器件95。栅极驱动器件95经过栅极端子42以二选一的方式向栅极23供给电压使开关元件构件20开启或供给电压使开关元件构件20关断。
主电极24电连接到主端子43。主端子43连接到地电位(参考电位的示例)。
传感器电极25电连接到传感器端子44。传感器端子44经过电流检测器96连接到地电位。电流检测器96中使用了电流检测电路。
保护器件30设有多个二极管32、33、34和35，他们串联在第一连接点36和第二连接点31之间。第一连接点36电连接到主电极24，第二连接点31电连接到传感器电极25。在第一连接点36与第二连接点31之间，这些二极管布置为使得二极管32和34的正向与二极管33和35的正向相反。
接下来，将参考图2对半导体器件10的结构进行说明。如下面将要说明的，图示98构成一个开关元件98。半导体器件10包括多个开关元件98。
半导体器件10设有半导体衬底60。多个开关元件98形成于半导体衬底60中。半导体衬底60被分为主开关元件区域26和传感器开关元件区域27。主开关元件区域26对应于形成有主电极24的区域，传感器开关元件区域27对应于形成有传感器电极25的区域。于主开关元件区域26和传感器开关元件区域27两处均重复地形成有具有同样结构的多个开关元件98。实际上，开关元件98还在纸面空间外重复地沿左右方向形成。图2示出了该结构的一部分。
半导体器件10设有集电极22、集电极区域61、场阻止区域(fieldstop region)62以及漂移区域63。集电极区域61形成于集电极22上，是p+型的。场阻止区域62形成于集电极区域61上，是n+型的。漂移区域63形成于场阻止区域62上，是n-型的。P型的主体区域64形成于漂移区域63上。多个n+型的发射极区域66选择性地形成于主体区域64中。漂移区域63和发射极区域66由主体区域64隔开。多个沟槽式栅极23形成为在将漂移区域63和发射极区域66隔开的部分处穿透主体区域64。栅极23面向主体64中通过栅极绝缘层65将发射极区域66与漂移区域63隔开的部分。栅极23穿透主体64并延伸到漂移区域63。栅极23由中间层电介质81与主电极24和传感器电极25隔开。主开关元件区域26的发射极区域66电连接到主电极24。传感器开关元件区域27的发射极区域66电连接到传感器电极25。
P型的半导体扩散区域67形成于主开关元件区域26与传感器开关元件区域27之间。半导体扩散区域67被调整为使得杂质浓度高于主体区域64。半导体扩散区域67可以提高主开关元件区域26与传感器开关元件区域27之间的电绝缘性。
下面将对开关元件98进行详细说明。各个开关元件98之间形成有组成部分开关元件98的集电极区域61、场阻止区域62、漂移区域63和主体区域64。另一方面，组成开关元件98剩余部分的栅极23、栅极绝缘层65和发射极区域66并未形成于各个开关元件98之间。因此，每个开关元件98可通过栅极结构来识别，所述栅极结构是栅极23、栅极绝缘层65和发射极区域66的组合。具体而言，一个栅极结构识别一个开关元件的单元结构。
主开关元件区域26的主电极24和传感器开关元件区域27的传感器电极25是电绝缘的。主开关元件26和传感器开关元件区域27共用集电极22。主开关元件区域26的栅极23和传感器开关元件区域27的栅极23彼此电连接(连接部分未示出)。向多个栅极23发送共同的控制信号。
由于主电极24和传感器电极25是电隔离开的，所以可以独立于流经主开关元件区域26的电流而获得流经传感器开关元件区域27的电流。流经传感器开关元件区域27的电流流经电流检测器96。因此，可以通过电流检测器96来检测流经传感器开关元件区域27的电流量。
对于主开关元件区域26和传感器开关元件区域27，流经每个开关元件的电流大小是一样的。因此，主开关元件区域26中开关元件的数目与传感器开关元件区域27中开关元件的数目之间的比例关系等于流经主电极24的电流大小与流经传感器电极25的电流大小之间的比例关系。因此，通过检测流经传感器电极25的电流大小，可以导出流经主电极24的电流量。流经主开关元件区域26的电流大小可以通过流经传感器开关元件区域27的电流大小、主开关元件区域26中的开关元件的数目以及传感器开关元件区域27中的开关元件的数目来计算。结果，例如，通过对流经半导体器件10的电流大小进行监视，就可以对连接到半导体器件10的电动机94等元件短路时引起异常电流流过半导体器件10的现象进行检测。因此，当电动机94等发生短路时，半导体器件10可以被强行关断，以防超额电流流经半导体器件10。
如图2所示，半导体器件10设有保护器件30，保护器件30形成于半导体衬底60表面上。保护器件30设有由多晶硅制成的半导体层70和由氧化硅制成的绝缘层82、84、86和88。绝缘层82、84、86和88覆盖半导体层70。半导体层70形成于主电极24和传感器电极25之间。绝缘层82覆盖半导体层70的底面。侧面绝缘层84和88覆盖半导体层70的侧面。上表面绝缘层86覆盖半导体层70的上表面。底面绝缘层82可以用与中间电介质81同样的制造工艺形成。部分上表面绝缘层86上形成有两个开口。部分半导体层70通过开口之一(与图1中第一连接点36对应)接触主电极24，另一部分半导体层70通过另一开口(与图1中第二连接点31对应)接触传感器电极25。
半导体层70设有第一半导体区域71、第二半导体区域72、第三半导体区域73、第四半导体区域74和第五半导体区域75，它们串联布置在主电极24与传感器电极25之间。
第一半导体区域71通过第一接触点36电连接到主电极24，并含有n型杂质。第二半导体区域72与第一半导体区域71接触，并由第一半导体区域71与主电极24隔开。第二半导体区域72含有p型杂质。第三半导体区域73与第二半导体区域72接触，并由第二半导体区域72与第一半导体区域71隔开。第三半导体区域73含有n型杂质。第四半导体区域74与第三半导体区域73接触，并由第三半导体区域73与第二半导体区域72隔开。第四半导体区域74含有p型杂质。第五半导体区域75接触第四半导体区域74，并由第四半导体区域74与第三半导体区域73隔开。第五半导体区域75含有n型杂质。第五半导体区域75通过第二连接点31电连接到传感器电极25。
如图1所示，第一二极管32由第一半导体区域71与第二半导体区域72之间的pn结形成。第二二极管33由第二半导体区域72与第三半导体区域73之间的pn结形成。第三二极管34由第三半导体区域73与第四半导体区域74之间的pn结形成。第四二极管35由第四半导体区域74与第五半导体区域75之间的pn结形成。第一二极管32和第三二极管34的正向是从主电极24到传感器电极25的方向。第二二极管33和第四二极管35的正向是从传感器电极25到主电极24的方向。
接下来将说明保护器件30的功能。在半导体器件10的制造处理期间，超额电压(例如ESD)可能由于各种原因而施加到半导体器件10。如果像本实施例那样，在半导体器件中布置用于检测电流的传感器开关元件区域27，则存在这样的问题，即传感器开关元件区域27的栅极绝缘层65易被破坏。这个问题是由于下列原因造成的。
传感器开关元件区域27中形成的开关元件98的数目小于主开关元件区域26中形成的开关元件98的数目。因此，传感器开关元件区域27的传感器电极25与栅极23之间的栅极输入电容(与栅极绝缘层65的面积有关)小于主开关元件区域26的主电极24与栅极23之间的栅极输入电容。由于主开关元件区域26的栅极输入电容较大，所以主开关元件区域26的主电极24与栅极23之间的ESD容限较高。另一方面，由于传感器开关元件区域27的栅极输入电容较小，所以传感器开关元件区域27的传感器电极25与栅极23之间的ESD容限较低。因此，当ESD施加在传感器电极25与栅极23之间时，传感器开关元件区域27的栅极绝缘层65易被破坏，除非采取了某些措施。
本实施方式的半导体器件10设有保护器件30。当ESD施加到传感器开关元件区域27的传感器电极25与栅极23之间时，保护器件30可以从传感器电极25向主电极24放电。具体而言，当ESD施加到传感器开关元件区域27的传感器电极25与栅极23之间，并在传感器电极25与主电极24之间造成预定电位差时，保护器件30通过将布置在保护器件30中的二极管32、33、34、35中的一部分短路而使主电极24和传感器电极25电连接。结果，可以防止超额电压施加到传感器开关元件区域27的栅极绝缘层65。这防止了传感器开关元件区域27的栅极绝缘层65受到破坏。此外，即使在从传感器电极25向主电极24放电时，主开关元件区域26的栅极绝缘层65也不会损坏，因为主开关元件区域26的栅极输入电容较大。
在半导体器件10的制造处理期间，实施测试(例如，称为“人工模式”和“机器模式”的ESD容限测试)以评估半导体器件10对ESD的容限，所述测试是在半导体器件10的端子之间强制性地施加电荷。还对传感器电极24和栅极23实施ESD容限测试。如上所述，现有技术中，传感器开关元件区域26的传感器电极和栅极之间的ESD容限较低。因此，当对现有技术的半导体器件实施标准的“人工模式”或“机器模式”ESD容限测试时，传感器开关元件区域的栅极绝缘层经常受到破坏。另一方面，即使对半导体器件10实施了标准的“人工模式”或“机器模式”ESD容限测试，因为本实施方式的半导体器件10设有保护器件30，故也可防止传感器开关元件区域27的栅极绝缘层65受到损坏。
在保护器件30中，第一二极管32和第三二极管34的正向与第二二极管33和第四二极管35的正向相反。当传感器电极25的电位高于主电极24的电位、且传感器电极25与主电极24之间的电位差超过第一二极管32和第三二极管34的累积击穿电压时，产生从传感器电极25向主电极24的放电。另一方面，在主电极24的电位高于传感器电极25的电位、且传感器电极25与主电极24之间的电位差超过第二二极管33和第四二极管35的累积击穿电压时，产生从主电极24到传感器电极25的放电。因此，只要传感器电极25与主电极24之间的电位差不超过第一二极管32和第三二极管34总的击穿电压，保护器件30就可以在主电极24与传感器电极25之间维持不导通状态。与之类似，只要主电极24与传感器电极25之间的电位差不超过第二二极管33和第四二极管35总的击穿电压，保护器件30就可以在主电极24与传感器电极25之间维持不导通状态。在正常工作情况下，主电极24与传感器电极25之间维持不导通状态，因为没有在主电极24与传感器电极25之间产生大电位差。因此，在正常工作情况下，可以将流经主电极24的电流和流经传感器电极25的电流隔开。在正常工作情况下，通过将流经主电极24的电流与流经传感器电极25的电流隔开，可以提高电流检测器96检测到的电流值的精度。
此外，可以通过布置在保护器件30中的二极管的数目来调整保护器件30短路的电位差(即预定电压)。优选将保护器件30的预定电压设定为高于主电极24与栅极23之间的最大额定电压(正常动作的额定电压)。这样，由于在开关元件正常动作的情况下，主电极24与栅极23之间的电压不会超过最大额定电压，因此，在开关元件正常动作的情况下，主电极24与栅极23之间的电压不会开启保护器件30。也就是说，保护器件30不会受到开关元件的正常动作电压而误动作。
另外，优选将保护器件30的预定电压设定为低于传感器开关元件的栅极绝缘层的破坏电压(破坏电压)。这样，由于保护器件30的预定电压低于传感器开关元件的栅极绝缘层65的破坏电压，就可以在传感器开关元件的栅极绝缘层65受到破坏之前开启保护器件30。
此外，如本发明背景技术中所述，存在这样的技术，其中在传感器开关元件的发射极与栅极之间布置稳压二极管，以便提高传感器开关元件的发射极与栅极之间的ESD容限。但是，通过布置稳压二极管，就会不可避免地发生齐纳漏电流。因此，采用稳压二极管的现有技术，存在增大栅极漏电流的问题，还会增大半导体器件的栅极驱动损耗。
与之相反，采用本实施例的半导体器件10，即使漏电流流过主电极24与传感器电极25之间，也不会增大栅极漏电流。
图3示出了采用稳压二极管的现有技术半导体器件的栅极漏电流大小以及本实施例的半导体器件10的栅极漏电流大小。图3(a)示出了半导体器件的温度为25摄氏度的情况。图3(b)示出了半导体器件的温度为150摄氏度的情况。
在两种温度下，都可以看到本实施例的半导体器件10的栅极漏电流量级要小得多。此外，在现有技术的半导体器件中，栅极漏电流大小随着半导体器件的温度改变而改变。另一方面，在本实施例的半导体器件10中，无论半导体器件10的温度如何都可抑制栅极泄漏的大小改变。半导体器件10对于温度改变很稳定。不管半导体器件10的温度如何，半导体器件10的栅极泄漏都维持在低水平。
本实施例的半导体器件10因为栅极漏电流的最小化而可以使栅极驱动损耗最小化。采用本实施例的半导体器件10，可以在使栅极驱动损耗最小化的同时解决传感器开关元件区域27的传感器电极25与栅极23之间ESD的问题。
此外，在半导体器件10开启时，即使通过保护器件30的漏电流流过主电极24与传感器电极25之间，流经保护器件30的漏电流的大小也非常小。因此，即使产生漏电流，电流检测器96的检测能力也不会受到不良影响。
下面将说明本实施例的半导体器件10的其他特性。
(1)流经传感器开关元件区域27的电流大小除以流经整个半导体器件10的电流大小所得的值(称为电流感知比)优选为小于或等于0.01。为了实现这样的值，传感器开关元件区域27中形成的开关元件98的数目除以整个半导体器件10上形成的开关元件98总数所得的值应当小于或等于0.01。这个比例越低，对流经半导体器件10的电流大小进行检测的能力就越强。如果获得了上述比例，则传感器开关元件区域27的栅极输入电容会小于主开关元件区域26的栅极输入电容，传感器开关元件区域27的ESD容限通常会更小。在此情况下，通过像半导体器件10的情况中那样设置保护器件30，可以提高传感器电极25与栅极23之间的ESD容限。具体而言，如果电流感知比小于或等于0.01，则保护器件30可以获得显著的积极效果。如果电流感知比小于或等于0.01，则带有保护器件30的半导体器件10可以提高对电流量进行检测的能力，也可以提高ESD容限。
(2)采用在传感器开关元件区域的传感器电极与栅极之间布置稳压二极管的现有技术半导体器件，在实施栅极筛选测试时可能产生问题。栅极筛选测试是指用于筛选有缺陷栅极结构(通常是栅极绝缘膜)的测试，它通过将半导体器件除了栅极端子外的全部端子都接地并向栅极端子施加预定电压来进行。要施加到栅极端子的预定电压通常是破坏栅极绝缘膜所需电压的70％-80％。但是，如果像现有技术中那样在传感器开关元件区域的传感器电极与栅极之间布置稳压二极管，就不能将大于稳压二极管击穿电压的电压施加到栅极端子。因此，不能用栅极筛选测试筛选出有缺陷的栅极绝缘膜。
另一方面，采用半导体器件10，因为栅极端子42与其他端子是绝缘的，故可以向栅极端子42施加足够大的电压。因此，可以向栅极端子42施加进行栅极筛选测试所需的电压。结果，可以屏蔽掉有缺陷的栅极绝缘膜65。
(3)通常，为了评估半导体器件10的ESD容限，要实施称为“机器模式”的ESD容限测试，其中要在半导体器件10的端子之间强制施加电荷。半导体器件10的主开关元件区域26的栅极输入电容优选为大于用端子之间供给的电荷量(在机器模式ESD容限测试期间)除以栅极绝缘膜的破坏容限(破坏电压)所计算得到的值。可以通过增加主开关元件区域26中所形成的开关元件的数目，来有效地提高主开关元件区域26的栅极输入电容。
如果满足上述条件，就可以在机器模式ESD容限测试期间防止主开关元件区域26的栅极绝缘膜65的破坏。在标准的机器模式ESD容限测试中，通常在供给电荷时用200(V)作为电源，通常用200(pF)作为收集电荷所用的电容器。因此，主开关元件区域26的栅极输入电容优选为调整到大于下面计算所得的值。
200(V)×200(pF)/栅极绝缘膜65的破坏容限栅极绝缘膜65的破坏容限通常约为80V。因此，通过上述公式计算得到的主开关元件区域26的栅极输入电容优选为调整到大于500(pF)。
图4示出了主开关元件区域26的栅极输入电容与半导体器件10的静电容限之间的关系。
如图4所示，当栅极输入电容超过500pF时，半导体器件10的静电容限大大增加了。如上所述，当栅极输入电容大于500pF时，可以防止主开关元件区域26的栅极绝缘层65受到破坏。半导体器件10也采用了保护器件30，也防止了传感器开关元件区域27的栅极绝缘层65受到破坏。即使在经过保护器件30从传感器开关元件区域27的传感器电极25向主开关元件区域26的主电极24放电时，也可以防止主开关元件区域26的栅极绝缘层65受到破坏。因此，在主开关元件区域26和传感器开关元件区域27中都防止了栅极绝缘层65受到破坏。因此，当栅极输入电容超过500pF时，半导体器件10的静电容限显著增大了。
(4)可以通过采用制造半导体器件10所用的工艺在半导体衬底60的表面上形成保护器件30。制造保护器件30不会造成制造成本的显著增加。此外，由于保护器件30集成在半导体器件10中，所以尺寸也没有增大。
(5)保护器件30还可以包括紧靠二极管32、33、34和35而串联布置的电阻。这些附加电阻优选地采用制造半导体器件10的工艺来形成。例如，可以通过与保护器件30的半导体层70接触来形成附加电阻，也可以通过形成杂质浓度经调整的区域来获得附加电阻。
通过设置此类附加电阻，可以控制流经保护器件30的电流大小。结果，即使设在保护器件30上的二极管32、33、34和35的pn结面积不够，也可以提高传感器开关元件区域27的传感器电极25与栅极23之间的ESD容限。此外，通过设置附加电阻，可以使半导体器件10更加紧凑，因为可以使二极管32、33、34和35的面积更小。
(6)主开关元件区域26与传感器开关元件区域27之间的DC容限取决于具体设计而变化很大，但是通常在几伏到几十伏之间。因此，可以理解，在主开关元件区域26与传感器开关元件区域27之间嵌入了体效应二极管(bulk diode)。因此，如果主开关元件区域26与传感器开关元件区域27之间的容限低于保护器件30，则看起来是体效应二极管提供了保护功能。但是，实际情况并不是这样。实际上，布置在主开关元件区域26与传感器开关元件区域27之间的体效应二极管的容限是几百伏。因此，不能期望体效应二极管作为抵抗ESD的保护器件提供保护。因此，即使保护器件30用于比主开关元件区域26与传感器开关元件区域27之间的容限更高的容限，只要保护器件30的容限小于或等于栅极绝缘层65的容限，就可以防止由于ESD造成的栅极绝缘层破坏。
上面已经详细说明了本发明具体实施例的示例。但是，上述实施例仅仅是示例，因此不应限制本发明要求保护的范围。对本发明的权利要求范围内的技术可以进行各种修改和调整。
此外，本说明书和/或附图中所述的技术特征可以单独或作为组合物而产生技术效果，不受提交本申请时权利要求中所述组合的限制。此外，本说明书或附图中所述的技术还可以同时实现许多目的，实现这些目的中的任何一个都可以使本发明具有技术实用性。
权利要求
1.一种半导体器件，包括半导体衬底，其中形成有多个开关元件，所述开关元件被分为至少两组；主电极，其连接到属于一组所述开关元件的那些开关元件，并将连接到参考电位；传感器电极，其连接到属于另一组所述开关元件的那些开关元件，并将通过电流检测器连接到所述参考电位；以及保护器件，其形成于所述主电极与所述传感器电极之间，其中，当所述主电极与所述传感器电极之间的电位差超过预定电压时，所述保护器件使所述主电极与所述传感器电极电连接。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述保护器件包括多个二极管，其串联在所述主电极与所述传感电极之间，其中，所述二极管包括以相反的方向布置的至少一组二极管。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述保护器件包括半导体层，其从所述主电极伸展到所述传感器电极，其中，所述半导体层包括第一半导体区域，其连接到所述主电极并含有第一导电类型的杂质；第三半导体区域，其连接到所述传感器电极并含有所述第一导电类型的杂质；以及第二半导体区域，其布置在所述第一半导体区域与所述第三半导体区域之间，并含有第二导电类型的杂质。
4.根据权利要求2或3所述的半导体器件，其中，使所述主电极与所述传感器电极连接的所述保护器件的预定电压设定为高于所述开关元件的所述主电极与栅极之间的最大额定电压，且所述保护器件的所述预定电压低于栅极绝缘层的破坏容限。
全文摘要
本发明公开了一种半导体器件，它设有主开关元件区域的主电极、传感器开关元件区域的传感器电极、以及形成于主电极与传感器电极之间的保护器件。当主电极与传感器电极之间产生预定电位差时，保护器件使主电极与传感器电极电连接。这种半导体器件可以处理超额的电压，例如传感器电极与栅极之间产生的ESD，同时还可以防止栅极驱动损耗增大。
文档编号H01L27/04GK1979859SQ20061016200
公开日2007年6月13日 申请日期2006年12月7日 优先权日2005年12月7日
发明者堀田幸司 申请人:丰田自动车株式会社