专利名称：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。例如钼类温度传感器(PtlOO)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%0的较小温度系数。其他材料为半导体多晶娃，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ImA/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。
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I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。
具体实施例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IO1Vcm3至约IO2Vcm3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，诸如碳化娃(SiC)或锗化娃(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(Six(Vx)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I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IO1Vcm3至约IO2Vcm3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IO1Vcm3和IOlfVcm3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外围区的电力装置300的平面图。有源区被阳极金属351覆盖。外围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的外围区中。在该实施方式中，温度传感器360形成于外围区的沟道截止区352中。温度传感器360的位置由圆圈表不。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I所示的结构。图I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IO1Vcm3至约IO2Vcm3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IO1Vcm3至约IO1Vcm3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的外围部中。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I至图4示出的结构中，电流垂直地，S卩，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SixCh (其中0〈x〈l)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
权利要求
1.一种半导体器件，包括 半导体基底； 所述半导体基底上的非晶半绝缘层。
2.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述非晶半绝缘层具有电阻，所述电阻具有负温度系数。
3.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述非晶半绝缘层具有关于-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。
4.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述非晶半绝缘层具有约0.SeV至约3eV的光学带隙。
5.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述非晶半绝缘层具有约0.3eV至I. OeV范围内的势垒高度小。
6.根据权利要求I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。
7.根据权利要求6所述的半导体器件，其中，所述掺杂区具有至少I IO1Vcm3的掺杂浓度。
8.根据权利要求I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。
9.根据权利要求I所述的半导体器件，还包括 有源区和所述有源区周围的外围区； 形成于所述外围区中的边缘钝化，其中，所述非晶半绝缘层形成于所述外围区中。
10.根据权利要求9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。
11.根据权利要求9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。
12.一种温度传感器，包括非晶半绝缘层。
13.根据权利要求12所述的温度传感器，其中，所述非晶半绝缘层由类金刚石碳构成。
14.根据权利要求12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。
15.根据权利要求14所述的温度传感器，其中，所述第一掺杂区具有至少I IO1Vcm3的掺杂浓度。
16.根据权利要求14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。
17.根据权利要求14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。
18.—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。
19.根据权利要求18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。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述非晶半绝缘层通过等离子体沉积、利用在约-100V至约-1000V的范围内的DC偏压而沉积在所述半导体基底上。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述非晶半绝缘层通过等离子体沉积、利用在约50W至约1200W的范围内的RF功率而沉积在所述半导体基底上。
22.根据权利要求18所述的方法，还包括对所述非晶半绝缘层退火。
23.根据权利要求18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。
24.根据权利要求18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。
全文摘要
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。
文档编号G01K7/18GK102969225SQ20121032088
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者格哈德·施密特 申请人:英飞凌科技股份有限公司