半导体功率器件及其形成方法与流程

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种半导体功率器件，以及该半导体功率器件的形成方法。

背景技术：

半导体功率器件的过流检测保护，是提升电力电子系统长期可靠性的重要手段。当前主流的半导体功率器件如igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)，mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金氧半场效晶体管)等，过流检测保护一般通过采样阳极和阴极之间压降，反馈给控制驱动单元进行门级控制，从而实现有效的保护。该电流检测保护方案的一个不足在于，电路并不能完全直接探测到功率器件阴极和阳极例如igbt结构中的发射极e和集电极c之间的压降，在检测点和半导体功率器件芯片之间，还存在一定值的寄生电感、寄生电阻，流过器件的大电流在这些寄生电感和寄生电阻上产生额外的压降，尤其是寄生电感，随着电流变化率的不同，产生的额外压降变化范围很大，甚至远远超过功率器件上的压降，从而给检测判断带来极大的误差，甚至导致误保护。

消除寄生参数的影响，一种改进的过流检测保护方案，如图1所示，在半导体功率器件芯片10’内集成电流检测单元，设计两个面积大小不等的阴极例如对于igbt结构设计两个面积大小不等的发射极e1和e2，两个阴极的导电单元呈一定的比例，如图2所示,面积大的阴极e1连接主回路，有大电流通过，面积小的阴极e2连接一个外部检流电阻r’，只有很小的电流通过，检测保护电路通过采样外部检流电阻r’上的压降，来判断通过器件的主要电流值，从而实现过流检测保护功能。由于检测回路的电流一直都不会很大，寄生电感，寄生电阻对检测的压降值影响远小于检流电阻r’上的压降值。

但是，过流检测保护的改进方案，其本质是在功率器件的阴极分一部分小电流做检测保护用，但是在该功率器件内部，两个阴极的两部分电流并没有相互独立，两个阴极在芯片层面紧挨在一起，两部分电流存在相互影响，在器件不同的工作状态下，器件流过不同的电流值时，通过两个阴极的电流比值并不恒定，而是会在一定范围内变化，尤其在器件开关动作的过程中，这种相互影响非常严重，电流比例会有产生极大的偏离。由于器件两个阴极的两部分电流的通路，都必须共用同一个门级，小面积的阴极e2外接检流电阻r’， 产生额外的压降会串联在小面积阴极的门级控制回路，导致小面积阴极部分的有效门级控制信号减小，进一步加大了两部分电流比例的不确定性。而且，小面积阴极部分的门级面积很小，电容参数很小，其静电能力、浪涌承受能力都比较弱，小面积阴极成为功率器件比较脆弱的部分，降低了器件在系统中的可靠性。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明需要提出一种半导体功率器件，该半导体功率器件，便于过流检测，过流检测精度提高。

本发明还提出一种半导体功率器件的形成方法。

为了解决上述问题，本发明一方面提出一种半导体功率器件，该半导体功率器件包括：衬底；位于所述衬底之上的功能结构，所述功能结构包括有源区；导磁环体，所述导磁环体位于所述功能结构之上，且包围所述有源区；导电环路，所述导电环路环绕于所述导磁环体上。

本发明实施例的半导体功率器件，通过在功能结构上形成导磁环体，并环绕该导磁环体设置导电环路，基于电磁感应原理，流经电流时，导磁环体中产生磁通量，该磁通量穿过导电环路而在导电环路内生成感生电势，该感生电势可作为过流检测的采样信号，与相关技术相比，无需在阴极分离一部分电流，在独立的新回路产生感生电势，该感生电势与阴极电流的比例稳定，不受电流大小、开关动作的影响，检测精度高。

为了解决上述问题，本发明又一方面提出一种半导体功率器件的芯片结构的形成方法，该形成方法包括：提供衬底，并在所述衬底上形成功能结构，所述功能结构包括有源区；在所述功能结构之上形成导磁环体，所述导磁环体包围所述有源区；环绕所述导磁环体形成导电环路。

本发明的半导体功率器件的芯片结构的形成方法，通过形成导磁环体以及环绕该导磁环体的导电环路，基于电磁感应原理实现半导体功率器件的电流的检测，无需从阴极分离电流，电流检测更加准确。

附图说明

图1是相关技术中一种采用双阴极设计的半导体功率器件芯片示意图；

图2是相关技术中采用双阴极设计的半导体功率器件电流检测电路示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的半导体功率器件的框图；

图4是根据本发明的一个实施例的半导体功率器件的功能结构的示意图；

图5是根据本发明的一个具体实施例的半导体功率器件的框图；

图6是根据本发明的另一个具体实施例的半导体功率器件的截面示意图；

图7是根据本发明的一个具体实施例的半导体功率器件的过流检测等效电路示意图；

图8是根据本发明的再一个具体实施例的半导体功率器件的截面示意图；

图9是根据本发明的一个实施例的半导体功率器件的形成衬底和功能结构的工艺步骤示意图；

图10是根据本发明的另一个实施例的半导体功率器件的沉积第一绝缘介质层的示意图；

图11是根据本发明的另一个实施例的半导体功率器件的形成导电环路的部分结构的示意图；

图12是根据本发明的另一个实施例的半导体功率器件的沉积第二绝缘介质层的示意图；

图13是根据本发明的另一个实施例的半导体功率器件的形成导磁环体的示意图；

图14是根据本发明的另一个实施例的半导体功率器件的沉积第三绝缘介质层的示意图；

图15是根据本发明的另一个实施例的半导体功率器件的形成通孔的示意图；以及

图16是根据本发明的另一个实施例的半导体功率器件的形成导电环路和电极的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为了解决目前半导体功率器件中过流检测保护方案的不足，本发明提供一种新型集成电流检测保护结构的半导体功率器件。如图3所示，本发明实施例的半导体功率器件100包括衬底11、功能结构12、导磁环体13和导电环路14。

其中，功能结构12位于衬底11之上，功能结构12与具体的半导体功率器件有关。以mos型功率器件为例，mos型功率器件包括igbt和mosfet等，其功能区均由大量元包结构并联而成，如图4所示，为mos型功率器件一种常见的元包结构示意图。其中109为阳极，108为阳极区(对于igbt，为p型掺杂，对于mosfet，为n型掺杂)，107为n型掺杂漂移区，106为p型掺杂阱区，105为n型掺杂源区，104和102为绝缘层，103为门极，大量并联与门级电极g相连，110为阴极金属，实际功能区的所有阴极金属都连在一起形成本发明中的e电极。

功能结构12包括有源区，即器件的电流通路，例如图4中的各个电极区。导磁环体13位于功能结构12之上，且包围有源区，换句话说，导磁环体13包围半导体功率器件100的工作时的电流路径区域。具体地，导磁环体13可以为圆形或者方形，可以根据器件的具体情况进行设计，但是，导磁环体13需要为闭合的环体，以使得器件工作时，导磁环体13内可以穿过电流产生的磁感线。根据电磁感应原理，在半导体功率器件100流过电流时，导磁环体13内产生磁通量。导电环路14环绕于导磁环体13上，进而半导体功率器件100流过电流时，导磁环体13产生的磁通量通过导电环路14，在导电环路14内生成一定的感生电势。

导电环路14产生的感生电势与阴极电流的比例稳定，不受电流大小、开关动作的影响，从而可以作为过流检测的采样信号，方便对该半导体功率器件100的过流检测保护控制。具体地，如图5所示，根据本发明的一个实施例的半导体功率器件的过流检测功能框图。结合外围的过流检测电路进行说明，在进行过流检测时，采集模块20可以与导电环路14形成回路并生成采样信号，该回路的阻抗集中在采集模块20上，所以感生电势加在该采集模块20上，采集模块20上的电势值即采样信号对应半导体功率器件100流过的电流值，直接采样该采集模块20上的电势，即可得知流过半导体功率器件100的电流值，控制模块30根据该采集模块20的采样信号控制半导体功率器件100的电流，从而实现准确有效的电流检测与保护。

可以看出，本发明实施例的半导体功率器件100，通过在功能结构12之上形成导磁环体13，并环绕该导磁环体13设置导电环路14，根据电磁感应，流经电流时，导磁环体13中产生磁通量，该磁通量穿过导电环路14而在导电环路14内生成感生电势，该感生电势即可作为过流检测的采样信号以检测电流，从而为半导体功率器件100的过流检测提供基础，与相关技术相比，无需在阴极分离一部分电流，在独立的新回路产生感生电势，检测精度高。

具体地，导磁环体13的材质一般可以包括金属或合金，例如包括铁、钴和镍中的一种，或者其他可以实现该功能的非金属性材料，或者一些合金例如硅钢片、铁和稀土元素材料形成的合金。如图6所示，在半导体功率器件100的的阴极表面周围设计具备一定厚度和宽度的环状磁性膜层例如镍层，即利用镍材料的导磁性能。在本发明的一个实施例中，导磁环体13与功能结构12绝缘，且导磁环体13与导电环路14绝缘，即导磁环体13是孤立体，与半导体功率器件100的其他电气部分通过绝缘介质完全隔离。与主回路之间完全隔离，互不干扰，保证了器件的可靠性。

环绕该环状磁性膜层设计导电环路14，在本发明的一个实施例中，导电环路14包括一个或多个串联的导电线圈，导电线圈环绕导磁环体13至少一匝。一般地，导电线圈环 绕导磁环体13在2-50匝之间。

半导体功率器件100还包括第一采样电极is1和第二采样电极is2，第一采样电极is1与所述导电环路14的一端相连，第二采样电极is2与导电环路14的另一端相连，外围的过流检测电路的采样模块20可以连接第一采样电极is1和第二采样电极is2，来获得采样信号，进而进行过流保护控制，对半导体功率器件100的电流进行调节。

如图7所示为根据本发明的一个实施例的半导体功率器件的电流采集等效电路示意图，半导体功率器件100还包括采样电阻r，采样电阻r与导电环路14并联，采样电阻r的阻抗大于导电环路14的阻抗，从而导电环路14的感生电势基本施加在该采样电阻r上。

参照图6和图7所示，在导磁环体13上环绕一个或多个金属线圈，采样电阻r与金属线圈构成回路，采样电阻r的阻抗远远大于金属线圈的阻抗。

具体地，根据电磁感应原理，当半导体功率器件100流经电流i(t)时，在宽度为w，厚度为d，长度为l的导磁环体13内，产生了对应的磁通量φ(t)，该磁通量满足：

ф(t)＝aμrμ0i(t)wd/l，

其中，μr为导磁环体13的相对磁导率，μ0为真空磁导率，a为与导磁环体13的形状和尺寸有关的系数。

磁通量φ(t)又穿过环绕该导磁环体13的一个或者多个串联的金属线圈，在金属线圈与采样电阻r的回路产生一定的感生电势ε，

ε＝n.dф(t)/dt＝naμrμ0i’(t)wd/l，

由于该回路的绝大多数阻抗都集中在采样电阻r上，因此，感生电势也全部施加在该采样电阻r上。该采样电阻r上的电势值与流过半导体功率器件100的阴极如图7中的发射极e的电流值相对应，进行过流检测时可以直接采样该采样电阻r上的电势，即可得知流过器件的电流值，从而实现准确有效的电流检测与保护。

与现有具有集成电流检测保护结构的半导体功率器件相比，本发明实施例的半导体功率器件，完全采用电磁感应效应，与功率器件的阴极、阳极、门级完全隔离，不需要从阴极分走一部分电流，不影响门级控制信号，在独立的新回路产生感生电势，通过检测电势值来判断流过阴极的电流大小，实现过流保护。

在本发明的实施例中，采样电阻r可以设置在芯片结构10外部电路中，以igbt器件为例，参照图6和图7，其中，e为发射极，g为门级，导磁环体13环绕了发射极e和门级g，从而可以保证在半导体器件100流经电流时，在导磁环体13内可以产生磁通量，导电环路14例如导电线圈环绕导磁环体13，is1和is2为导电线圈的两端引出的采样电极，如图7所示，在芯片结构10的外部连接阻抗远远大于导电线圈的阻抗 的采样电阻r，根据采样电阻r的采样信号即产生的电势即可得知流过器件的电流值。

另外，采样电阻r也可以集成在半导体功率器件100的内部，如图8所示，为根据本发明的另一个具体实施例的半导体功率器件示意图，其中，e为发射极，g为门级，导磁环体13环绕了发射极e和门级g，导电环路14例如导电线圈环绕导磁环体13，is1和is2为导电线圈的两端引出的采样电极，其中，导电线圈环绕导磁环体13至少一圈，一般为2到50圈，且在导电线圈两端直接连有集成在内部的采样电阻r。该采样电阻r的阻值在1k欧姆至100k欧姆范围，远远大于导电线圈的阻抗。在半导体功率器件100内部集成采样电阻r，从而外部检测电路可以更加简单，采样更加精确。

基于上述方面对半导体功率器件及其芯片结构的说明，下面参照附图描述根据本发明在一方面实施例的半导体功率器件的芯片结构的形成方法。

参照图9-16所示，该半导体功率器件的芯片结构的形成方法包括以下步骤：

s1,提供衬底，并在衬底上形成功能结构，功能结构包括有源区。

具体地，如图9所示，选用半导体衬底材料11，在半导体材料上表面形成半导体功率器件的功能结构12，该功能结构取决于特定的器件要求例如igbt结构或者mosfet结构。

s2，在功能结构上形成导磁环体，导磁环体包围有源区。

s3，环绕导磁环体形成导电环路。

本发明实施例的半导体功率器件的芯片结构的形成方法，通过形成导磁环体以及环绕该导磁环体的导电环路，基于电磁感应原理实现半导体功率器件的电流的检测，无需从阴极分离电流，电流检测更加准确。

进一步地，环绕导磁环体形成导电环路可以通过以下过程实现：

首先，在功能结构上沉积第一绝缘介质。如图10所示，形成功能结构之后，在表面沉积绝缘介质100，起到隔离作用。

在第一绝缘介质上沉积第一金属层并形成导电环路的部分结构。如图11所示，在绝缘介质100上有选择的形成一层导电金属条，作为环绕在导磁环体下方的导电环路的部分结构110。

在导电环路的部分结构以及该部分结构未覆盖的第一绝缘介质上沉积第二绝缘介质层120，如图12所示。

在第二绝缘介质层上形成导磁环体，导磁环体包围有源区。如图13所示，在第二绝缘介质层120上有选择的淀积磁性薄膜环作为导磁环体13。

在导磁环体以及第二绝缘介质上沉积第三绝缘介质层130，如图14所示，并在第三绝缘介质层130上形成通孔140，如图15所示。

在第三绝缘介质上沉积第二金属层，其中，第二金属层通过一部分的通孔与导电环路 的部分结构连通以形成完整的导电环路。

并且，第二金属层通过另一部分的通孔形成电极。

如图16所示，有选择的沉积一层导电金属，利用通孔140与底部的金属连通以形成完整的导电环路14，且形成发射极e，门级g，以及过流检测端子的电极金属is1(is2)。

最后，完成半导体功率器件的其他保护处理。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。