專利名稱：具有溫度傳感裝置的mosfet的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場效應(yīng)晶體管(FET)，尤其涉及具有傳感裝置的FET。
技術(shù)背景為保護(hù)器件或電路免出故障，場效應(yīng)晶體管(FET)如金屬氧化物半 導(dǎo)體FET (MOSFET)可包含溫度傳感元件以檢測溫度波動。可將這種溫度傳感元件集成在公共襯底以便更快速地檢測 MOSFET的波動。實事上可集成元件構(gòu)成MOSFET。例如，US 2003/0210507描述了一種MOS電路結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，實現(xiàn)成MOS晶 體管的柵極，其中晶體管的柵極配置成具有柵極輸入和柵極輸出的兩端 網(wǎng)絡(luò)，通過測量柵極兩端的壓降能夠原位確定溫度。此外，使用半導(dǎo)體二極管作為熱耦合的溫度傳感元件是已知技術(shù)。 US-A-5，100,829描述一種包含襯底溫度傳感元件的MOSFET器件。通過 在(柵極)介電區(qū)上構(gòu)成PN結(jié)，可在仍與襯底電隔離的同時提高對襯底溫 度變化的熱響應(yīng)。然而，這種附加的溫度傳感端會使MOSFET難以集成在現(xiàn)有的電 路中。這種MOSFET需要附加電路。發(fā)明內(nèi)容按照本發(fā)明的第一方面，提供一種晶體管電路，包括具有源極、柵極和漏極的場效應(yīng)晶體管器件； 連接在FET的柵極和源極之間的溫度傳感二極管，二極管陰極與 FET的柵極連接，二極管陽極與FET的源極連接；當(dāng)FET斷開時，F(xiàn)ET的柵極驅(qū)動電路被設(shè)置成對FET柵極施加負(fù) 偏置；以及 置時，連接在各個FET的柵極和源極間的 傳感器用以測量表示FET溫度的參數(shù)。當(dāng)FET處于斷開條件時，柵極驅(qū)動電路可包括恒流源以形成流過二 極管的正向電流。從而，傳感器可包括電壓傳感裝置以測量FET的與溫 度相關(guān)的柵極一源極電壓，從而確定FET溫度。溫度傳感二極管可位于各個FET襯底的柵極鍵合焊盤區(qū)內(nèi)部以最 小化犧牲有源區(qū)的需要。在一個實施例中，晶體管電路可包括具有連接在每個FET的柵極和 源極之間的溫度傳感二極管的多個FET，二極管陰極與FET的柵極相連， 同時二極管陽極與FET的源極相連，其中連接在各個FET的柵極和源 極之間的傳感器用以測量表示FET溫度的參數(shù)，當(dāng)FET斷開時柵極驅(qū) 動電路被設(shè)置成對各個FET柵極施加負(fù)偏置。晶體管電路可進(jìn)一步設(shè)置成FET并聯(lián)以驅(qū)動電路負(fù)載，并且柵極驅(qū) 動電路交替地斷開各個FET。按照這種方式，在維持仍然導(dǎo)通的并聯(lián)器 件的總電流流過時，可"選通"("strobed")單個FET柵極驅(qū)動以便監(jiān) 控所有的FET溫度。本發(fā)明還涉及器件本身。按照本發(fā)明的第二方面，提供一種晶體管 器件，包括在襯底上的具有源極、柵極和漏極的場效應(yīng)；襯底第一主表面上的 柵極鍵合焊盤；以及在柵極鍵合焊盤下至少有一個溫度傳感二極管，該溫度傳感二極管 被電連接在FET的柵極和源極之間，該溫度傳感二極管或各個溫度傳感 二極管取向成二極管陰極連接到FET柵極且二極管陽極連接到FET源 極。通過在柵極鍵合焊盤下設(shè)置該二極管，盡管存在二極管，但仍可維 持FET的有源區(qū)。當(dāng)二極管正向偏置時，二極管提供溫度傳感功能。在FET處于斷開 條件時，通過對FET柵極管腳施加負(fù)偏置，連接在FET的柵極和源極 之間的傳感器可測量表示FET溫度的參數(shù)。溫度傳感二極管可以是齊納二極管。這也可以用作靜電釋放(ESD)
保護(hù)元件，通過設(shè)置一個路徑，將潛在損害的ESD電荷沖擊從靈敏的 FET器件轉(zhuǎn)移離開。柵極鍵合焊盤可以定位在與FET的有源區(qū)緊密熱連接(thermally link)的MOSFET區(qū)域中并緊密熱接觸(thermal contact)。結(jié)構(gòu)的熱慣 性(thermal inertia)可實現(xiàn)快速響應(yīng)。實現(xiàn)該功能的方法是在由FET圍 繞的第一主表面的區(qū)域提供柵極鍵合焊盤，以便于柵極鍵合焊盤與FET 的所有側(cè)面熱連接。該區(qū)域還可以是FET運行時最熱的區(qū)域，以便在最 熱的區(qū)域傳感溫度，從而提高快速檢測過熱的能力。該器件可封裝在具有柵極端、源極端和漏極端正好三端的管殼中。 這種封裝一般用于功率電路，因而按照現(xiàn)有的或新的設(shè)計不需要附加設(shè) 計即可實現(xiàn)晶體管器件?，F(xiàn)有的具有溫度傳感功能的MOSFET器件除了需要標(biāo)準(zhǔn)MOSFET 端子外，還需要單獨的封裝管腳。本發(fā)明提供了只有三個端子的具有溫 度傳感功能的MOSFET器件，因而節(jié)省了成本。按照本發(fā)明的第三方面，提供了一種監(jiān)控FET溫度的方法，該FET 具有連接在FET的柵極和源極之間的溫度傳感二極管，二極管陰極被連 接在FET的柵極，二極管陽極被連接在FET的源極，該方法包括a. 控制FET的柵極以斷開FET;b. 當(dāng)FET斷開時，對FET柵極施加負(fù)偏置；c. 當(dāng)施加負(fù)偏置時，確定表示FET溫度的參數(shù)值；d. 控制已斷開的FET的柵極，再次導(dǎo)通FET。 該方法可能進(jìn)一步包括確定FET溫度是否高于預(yù)定的目標(biāo)值，并且如果高于目標(biāo)值，控制FET的柵極保持FET斷開，直到FET溫度降低 到預(yù)定目標(biāo)值。在實施例中，可將多個FET設(shè)置成并聯(lián)，并且控制FET柵極以交替地 斷開FET。此外，在維持總電流的同時，熱量不均勻的器件可能"停止" ("rest，，)。目前,為了允許并聯(lián)MOSFET之間的變化，必須包括額外的能力以 允許最差的條件，這會導(dǎo)致需要額外的成本和空間。使用集成的溫度傳 感特征以實現(xiàn)主動的(active)熱平衡將會節(jié)省成本。這種主動耗散對于
恒定的過熱風(fēng)險允許節(jié)省有源面積，對于恒定的有源面積則允許降低過 熱的風(fēng)險。


為了更好地理解本發(fā)明，只按照示例的方式，參考

各實施 例，其中-圖1顯示按照本發(fā)明晶體管器件的第一實施例； 圖2顯示第一實施例中晶體管器件的側(cè)視圖； 圖3顯示第一實施例中晶體管器件的頂視圖； 圖4顯示按照本發(fā)明的第二實施例電路的電路圖； 圖5顯示按照本發(fā)明的第三實施例電路的電路圖； 圖6顯示在圖5中所顯示電路的柵極驅(qū)動波形。
具體實施方式
參照圖1-3，圖1示意性地示出具有溫度傳感裝置的晶體管器件。 圖2和3在頂視圖和側(cè)視圖中顯示半導(dǎo)體襯底。場效應(yīng)晶體管(FET) 2晶體管區(qū)域被設(shè)置在半導(dǎo)體襯底3上，已知 定義源極、柵極和漏極區(qū)域的場效應(yīng)晶體管區(qū)域2?？墒褂萌魏芜m當(dāng)?shù)?晶體管FET結(jié)構(gòu)，包括水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)。齊納二極管4電連接在FET 2的柵極和源極之間，二極管陰極與 FET2的柵極連接，同時二極管陽極與FET2的源極連接，如圖1所示。雖然圖中顯示的是單個二極管4，但是可代替使用沿同一方向取向 的串聯(lián)的多個二極管。在圖2和圖3中顯示空間設(shè)置，其中在襯底3上的第一主表面7上 提供柵極鍵合焊盤5和焊線9。為使?fàn)奚性磪^(qū)的需求最小化，溫度傳 感齊納二極管4在FET2的柵極鍵合焊盤5下面?？砂凑諅鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體 工藝技術(shù)用多晶硅成形二極管4并與FET2絕緣。由于二極管4要被連 接在柵極和源極之間，柵極鍵合焊盤下的位置使二極管4的陰極易于連 接?xùn)艠O，并且源極金屬層可形陽極與源極的連接。如圖3所示，為了實現(xiàn)較好的熱耦合，柵極鍵合焊盤位于由FET晶體管區(qū)域2圍繞的第一主表面上的區(qū)域中。這樣典型地，在柵極鍵合焊 盤5下面的齊納二極管4可與FET區(qū)域緊密熱連接。二極管結(jié)構(gòu)也優(yōu)選地有較低的熱慣性。注意柵極鍵合焊盤不必在襯 底3的中心。圖3還顯示了進(jìn)一步的接觸，例如FET晶體管區(qū)域的源極 接觸。當(dāng)齊納二極管4處于正向偏置時可提供溫度傳感功能。當(dāng)FET2處 于斷開條件時，通過使恒定的正向電流流過齊納二極管4，可測量連接 在FET的柵極和源極之間的FET傳感器的表示FET溫度的參數(shù)。此外，通過設(shè)置一個路徑，將潛在損害的ESD電荷沖擊轉(zhuǎn)移離開 敏感的FET區(qū)域，所以齊納二極管4可用作靜電釋放(ESD)保護(hù)元件。其中有柵極端6、源極端8和漏極端10正好三個端子的晶體管器件 1可被封裝在管殼ll(圖1中示意性地示出)中。通常使用這種三管腳封 裝，因而按照現(xiàn)有的或新的設(shè)計不需要附加設(shè)計即可實現(xiàn)晶體管器件。 這對于大電流MOSFET尤其有利，因為這種技術(shù)也適用于大電流封裝。參考圖4，顯示根據(jù)本發(fā)明的電路實施例的電路圖。所述電路包括連接在控制器15和晶體管器件1中的柵極端6之間 的柵極驅(qū)動電路12，以及連接在晶體管器件1中的柵極端6和源極端8 之間的偏置電路14。然后，利用連接在柵極端6的電壓傳感器21實現(xiàn) 所述電路。所述電路可以被設(shè)置成低壓或高壓側(cè)結(jié)構(gòu)以驅(qū)動負(fù)載，這樣，源極 端8可以接地或不接地。在該實施例中，源極端8處在接地電位，電路 按低壓側(cè)驅(qū)動結(jié)構(gòu)運行。如圖l顯示晶體管器件l，即，具有連接在FET2中的柵極6和源 極8之間的齊納二極管4的FET 2，該二極管陰極與FET 2的柵極6連 接，二極管陽極與FET2的源極8連接。柵極驅(qū)動電路12可在線路17上連接成從控制器15接收柵極驅(qū)動 信號，并且包括通過電阻器22與柵極端6串聯(lián)連接的并聯(lián)二極管網(wǎng)絡(luò) 16、 18、 20。并聯(lián)電路中的一個支路包括沿同一方向取向的兩個二極管 16、 18 (即，陽極一至一陰極)，以便這兩個二極管使電流通過電阻22 沿柵極端6的方向流動。另一支路中的二極管20沿與另一支路中的二極
管16、 18相反的方向取向。偏置電路14包括被設(shè)置成對FET柵極施加負(fù)偏置并使正向電流流 過溫度傳感齊納二極管4的恒電流源24和恒電壓源26。當(dāng)FET 2斷幵 時，該電路開始運行。可通過其中包含電壓傳感器21的控制器15控制偏置電路14和柵 極驅(qū)動電路12。替代地，偏置電路14可持久地運行，但柵極驅(qū)動電路 將被設(shè)置成支配電路控制小電流用于溫度傳感。對于給定電流，半導(dǎo)體二極管的正向電壓取決于二極管的溫度。這 樣，當(dāng)FET 2斷開時，柵極一源極電壓將是電流24流經(jīng)其中的二極管 的柵極源極正向電壓。該電壓取決于溫度。通過在柵極端6傳感電壓， 傳感器21可因此測量表示FET溫度的參數(shù)。在使用中，通過柵極驅(qū)動電路12使用所述控制器可保持FET2。有 時控制器的柵極驅(qū)動會斷開FET 2。通過二極管4傳送恒電流可導(dǎo)通偏 置電路14。通過提供FET 2溫度測量的電壓傳感器21傳感所述二極管 兩端的電壓。測量溫度后，可進(jìn)行判斷，如果適當(dāng)，可復(fù)位來自控制器15中的 柵極驅(qū)動，并恢復(fù)正常運行。圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的電路實現(xiàn)的替代實施例。晶體管電路包括兩 個晶體管器件l、 30，每個晶體管分別具有溫度傳感二極管4、 34，溫度 傳感二極管連接在相應(yīng)的柵極6、 36和源極8、 38之間，二極管的陰極 與FET的柵極連接，同時二極管的陽極與FET的源極連接。晶體管器 件l、 30被設(shè)置成并聯(lián)以驅(qū)動電路負(fù)載40，并且傳感器21被連接在每 一個晶體管器件l、 30的柵極端6、 36，以測量表示每一個FET 2、 32 溫度的參數(shù)。根據(jù)驅(qū)動電路負(fù)載40所需要的結(jié)構(gòu)，源極端8、 38可以接地或不 接地。在示出的情形中，源極端8、 38被設(shè)置成接地，F(xiàn)ET作為低壓側(cè) 電路運行驅(qū)動負(fù)載40。相應(yīng)的晶體管器件1、 30的偏置電路14a和14b分別與圖2中的設(shè) 置一致。類似地，驅(qū)動電路12a和12b連接成在線路17a、 17b上分別從 控制器15接收各自的第一和第二柵極驅(qū)動波形42、 44，具有與圖4中 的柵極驅(qū)動電路12相同的設(shè)置。因此，在該圖中未詳細(xì)顯示驅(qū)動電路 12a、 12b和偏置電路14a、 14b。圖6顯示作為時間的函數(shù)，第1晶體管1的在線路17a上的第1柵 極驅(qū)動波形42和第2晶體管30的在線路17b上的第2柵極驅(qū)動波形44。 可以看到，圖5的柵極驅(qū)動電路12a、 12b的輸出交替地斷開FET2、 32。 當(dāng)FET斷開時，可通過相應(yīng)的傳感器21 (圖5)測量其溫度。通過設(shè)置柵極驅(qū)動電路交替地斷開FET2、 32，可在維持通過負(fù)載 的總電流的同時，監(jiān)控FET2、 32的溫度。進(jìn)一步地，如果確定FET2、32中任意一個的溫度超過預(yù)定目標(biāo)值， 那么將控制相應(yīng)的FET2、 32柵極端6、 36，保持FET2、 32斷開，直 到其溫度降低到預(yù)定目標(biāo)值。這樣，在使用其它器件維持電路中流過的 總電流的同時，熱量不均勻的器件可以"停止"("rested")。雖然圖5只顯示并聯(lián)的2個FET，但本發(fā)明適用于并聯(lián)運行的更多 個FET。本發(fā)明不限于上述的實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠在保持本發(fā) 明的教授的同時做出許多變更。圖5中的實施例將負(fù)載連接成使得所述電路用作低壓側(cè)器件。然而 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到所述電路同樣適用于按高壓側(cè)驅(qū)動結(jié)構(gòu)驅(qū)動 負(fù)載。通過閱讀本文的公開內(nèi)容，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明顯可知其他變化 和變更。這種變化和變更可包含在本領(lǐng)域中已知的等同和其它特征，并 可用于代替或附加于在此描述的特征。雖然附加的權(quán)利要求針對特定的特征組合，但是應(yīng)理解，無論是否 涉及與任何權(quán)利要求中所主張相同的發(fā)明，以及無論是否能夠象本發(fā)明 一樣緩和相同技術(shù)問題的任何或所有問題，本發(fā)明的公開范圍還包括在 此明示或暗示公開的任何新特征或特征的新組合，或其任何概括。在獨立的實施例的上下文中描述的特征也可以與單個實施例結(jié)合 提供。相反，在單個實施例的上下文中簡要描述的各種特征也可以獨立 地或按任何合適的子組合的形式提供。申請人特此提請注意，在本申請 或由此進(jìn)行的任何進(jìn)一步的申請審查期間，對于這些特征和/或這些特 征的組合可以提出新的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種晶體管器件(1)，包括襯底(3)上的具有源極、柵極和漏極的場效應(yīng)晶體管(FET)(2)；襯底第一主表面(7)上的柵極鍵合焊盤(5)；以及柵極鍵合焊盤(5)下面的至少一個溫度傳感二極管(4)，所述溫度傳感二極管(4)電連接在FET(2)的柵極和源極之間，該溫度傳感二極管(4)或每一個溫度傳感二極管(4)取向成二極管陰極與FET的柵極連接和二極管陽極與FET的源極連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的晶體管器件，其中所述溫度傳感二極管(4)是齊 納二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的晶體管器件，其中柵極鍵合焊盤(5)位于由 FET(2)圍繞的第一主表面(7)的區(qū)域內(nèi)。
4. 一種晶體管電路，包括晶體管器件(l)，包含具有源極、柵極和漏極的場效應(yīng)晶體管(FET) (2) 和連接在FET的柵極和源極之間的溫度傳感二極管(4)， 二極管(4)陰極 與FET的柵極連接，二極管陽極與FET的源極連接；偏置電路(14)，被設(shè)置成當(dāng)FET(2)斷開時對FET柵極施加負(fù)偏置；以及連接在FET(2)的柵極和源極之間的傳感器(21)，測量表示FET(2) 的溫度的參數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的晶體管電路，其中柵極驅(qū)動電路(12)包括恒 電流源，并且傳感器是電壓傳感器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5的晶體管電路，其中溫度傳感二極管(4)在 FET(2)的柵極鍵合焊盤(5)下面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項的晶體管電路，包括； 多個器件(1，30)，分別具有連接在各自的FET(2)的柵極和源極之間的溫度傳感二極管(4)， 二極管陰極與FET(2)的柵極連接，二極管陽極與 FET(2)的源極連接；與每一個FET的柵極連接的傳感器(21)，測量表示FET溫度的參數(shù)； 其中偏置電路(14)被設(shè)置成當(dāng)各自的FET斷開時對各個FET柵極施 加負(fù)偏置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的晶體管電路，其中FET(2)被設(shè)置成并聯(lián)驅(qū)動電 路負(fù)載(40)，柵極驅(qū)動電路(12)被設(shè)置成交替地斷開FET。
9. 一種監(jiān)控FET(2)溫度的方法，該FET (2)具有連接在FET的柵 極和源極之間的溫度傳感二極管(4)， 二極管陰極與FET的柵極連接，并 且二極管陽極與FET的源極連接，該方法包括以下步驟a. 控制FET柵極以斷開FET(2);b. 當(dāng)FET斷開時，對FET柵極(6)施加負(fù)偏置；c. 確定表示FET(2)溫度的參數(shù)值；d. 控制已斷開的FET的柵極，再次導(dǎo)通FET。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括以下步驟e. 從所述參數(shù)的值確定FET的溫度是否高于預(yù)定目標(biāo)值，然后控制 已斷開的FET的柵極以保持FET斷幵，直到所述溫度降低至預(yù)定目標(biāo) 值。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10的方法，其中多個FET被設(shè)置成并聯(lián)驅(qū) 動連接在源極和漏極之間的電路負(fù)載，每一個FET具有連接在柵極和源 極之間的溫度傳感二極管，二極管陰極與FET的柵極連接，二極管陽極 與FET的源極連接，其中包括以下步驟al.控制FET柵極，交替地斷開多個FET。
全文摘要
一種晶體管(1)，具有集成在晶體管中的FET(2)和溫度傳感二極管(4)。柵極驅(qū)動電路(12)被設(shè)置成斷開FET(2)，因而在這種情形下偏置電路(14)驅(qū)動恒電流流過二極管(4)。通過電壓傳感器(15)測量二極管(4)兩端的電壓，提供對FET溫度值的測量。
文檔編號H01L27/02GK101156243SQ200680008339
公開日2008年4月2日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月15日
發(fā)明者亞當(dāng)·布朗, 伊恩·肯尼迪, 基思·赫彭斯托爾, 艾德里安·高 申請人:Nxp股份有限公司