专利名称：晶体管功率开关器件及测量其特性的方法
技术领域：
本发明涉及一种晶体管功率开关器件及测量这种器件的特性的方法。
背景技术：
在晶体管的生产和使用的各种不同的阶段，执行对晶体管功率开关器件的特性的测量。例如，供应商实施晶片和管芯的操作参数和物理特性的非破坏性测试，以检测在生产批次(batches)中的缺陷的风险并控制生产工艺参数的变化，并且其实施管芯样品的潜在的破坏性测试，以测量在样品上的测试结果。在使用期间，所交付的产品的任何故障通常会导致客户将有故障的产品返回给供应商以用于分析，以导致再次对该有故障的产品进行特性测量。可被实施的测量的实例包括半导体水平和垂直掺杂分布(profiles)和尺寸。也可以测量和记录金属层的电阻率。可以通过基准标记和与这种标记相关的测量的结果特征来指导例如包括引线键合位置的制造操作的正确定位。晶体管功率开关器件的特性的另一实例是其对雪崩击穿的抵抗能力，特别是其对大量反复的雪崩击穿发生的抵抗能力。晶体管功率开关的雪崩击穿可以由非钳位感应开关(undamped inductive switching) ( “UIS”)而引发。如金属氧化物硅场效应晶体管 (“M0SFET”)的功率晶体管固有地具有极快的开关速度，并因此尤其被暴露于反复的雪崩击穿。我们的共同待决国际专利申请PCT/IB2008/055655和PCT/IB2008/055656涉及垂直 MOSFET功率开关器件。因为功率开关器件在使用中可能暴露于数亿次的雪崩击穿电流的发生，因而无论在我们的专利申请PCT/IB2008/055655中是否提供雪崩二极管来保护功率开关器件，功率开关器件对反复的高雪崩电流的抵抗能力都是重要的。需要测量一些参数，这些参数是由于雪崩击穿电流的发生而引起产品老化的征兆，或者可能促使过早地发生雪崩击穿电流故障。

发明内容
本发明提供一种如所附权利要求中所述的晶体管功率开关器件和测量晶体管功率开关器件的特性的方法。在从属权利要求中详细地解释本发明的具体实施例。本发明的这些或其它方面将是显而易见并且参考下文所描述的实施例进行解释。


将参考附图，通过仅作为示例的方式描述本发明的更多的细节、方面和实施例。出于简易、清晰的目的示出了图中的元素，并且不需要按比例对其进行绘制。图1是晶体管功率开关器件的一个实例中的功率开关元件的阵列的一部分的平面视图，图2是沿图1的A-A'线截取的图1的实例的截面视图，
图3是沿图1的B-B'线截取的图1的实例的截面视图，图4是用于向晶体管功率开关器件施加一种非钳位感应开关电压的电路的示意性电路图，图5是根据通过示例方式给出的本发明的一个实施例的、用于向包括半导体监测元件的晶体管功率开关器件施加非钳位感应开关电压的电路的示意性电路图，图6是包括半导体监测元件的图5的晶体管功率开关器件的一部分的平面视图，图7是包括半导体监测元件的图5的晶体管功率开关器件的截面视图，图8是根据通过示例方式给出的本发明的另一实施例的、用于向包括不同的半导体监测元件的晶体管功率开关器件施加非钳位感应开关电压的电路的示意性电路图，图9是包括半导体监测元件的图8的晶体管功率开关器件的一部分的平面视图，图10是包括半导体监测元件的图8的晶体管功率开关器件的截面视图，图11是根据通过示例方式给出的本发明的另一实施例的、还包括另一半导体监测元件的另一晶体管功率开关器件的部分平面视图，图12是在包括半导体监测元件的A-A'线上，图11的晶体管功率开关器件的截面视图，图13是在包括半导体监测元件的B-B'线上，图11的晶体管功率开关器件的截面视图，图14是根据通过示例方式给出的本发明的一实施例的、包括图11至13的晶体管功率开关器件的功率开关电路的示意性电路图，图15是根据通过示例方式给出的本发明的一实施例的、用于测量图11至13的晶体管功率开关器件的方块电阻(sheet resistance)的测试电路的示意性截面视图，图16是在测试操作中的，图15的测试电路中的晶体管功率开关器件的一部分的放大平面视图。
具体实施例方式参考附图和下面的描述，其中相同的附图标记用于识别相同或功能相似的元素， 希望通过高度简明的示意性方式来示出示例实施例的主要特征。此外，这些附图不意在描绘出实际实施例的每个特征，也不意在描绘出所描绘的元素的相对尺寸，并且其不是按比例绘制；具体地，为了用作说明的目的，相对于横向尺寸放大地示出了半导体器件中深度的尺寸。图1至3示出了在我们的共同待决国际专利申请号PCT/IB2008/055655和PCT/ IB2008/055656中描述的那种晶体管功率开关器件100，其包括基础单元的阵列，每个基础单元包括可以应用本发明的垂直绝缘栅金属氧化物硅场效应晶体管(“M0SFET”)108。采用每平方厘米的有源半导体衬底具有几十万或甚至几百万单元的高密度单元来制造这种器件，以便降低开态电阻，同时避免击穿和非钳位感应开关电压(“UIS”)雪崩电压的相对退化。应该意识到，附图仅示出了全部数量的单元的非常小的一部分。晶体管功率开关器件100是η型器件，尽管也可能是ρ型器件。晶体管功率开关器件100包括由第一半导体类型的衬底101形成的半导体本体，其呈现相对的第一和第二面104和106，在该实例中第一半导体类型是η型。晶体管功率开关器件100还包括垂直MOSFET元件108的阵列，在操作中，垂直MOSFET元件108在第一和第二面104和106之间输送电流。漏电极112接触由衬底101形成的η型漏区102的第二面106，该漏电极112由晶体管元件108共用，并且沉积在第一面104上的源电极110接触分离的垂直晶体管元件 108的η型源掺杂区114。该阵列的晶体管元件108包括在第一面104处的第一半导体类型的第一电流输送晶体管区114的阵列，在该实例中第一半导体类型是η型源掺杂区，以及至少一个与第一类型相反的第二半导体类型的第二电流输送晶体管区122、124、126，在该实例中第二半导体类型是P型区，该第二电流输送晶体管区插在第一半导体源区和第二面 106之间。衬底101中的第二区包括轻掺杂ρ型高压(“PHV”)本体或阱区122，和位于该 PHV区122内的更重掺杂ρ型掺杂(“PSD”)区124，以及插到该PSD区IM和该源区114 之间的硼保护注入(“ΒΡΙ”)区126。而MOSFET基础单元108可包括相互分离的第二本体区，在该实例中，在第一源区114之间和下方，该本体区合并在一起以形成单个的本体区 122。垂直MOSFET基础单元108的阵列还包括用于可开关地控制该本体区122中的所述电流的栅电极116。而且，尽管可提供连接的栅电极的阵列，但是在该实例中，栅电极也可以是单个栅电极层的元件。该电极不必是金属的但是可以由其它导电材料制成，例如多晶硅。然而，典型地，该源电极110由沉积在该面104上的金属制成，如铜或者在该实例中为铝。衬底的漏区102、ρ区122、1对、1沈和源区114在衬底的面104处出现。栅电极116通过绝缘层118而与面104绝缘，并且栅电极116通过具有用于将栅电极边缘绝缘的绝缘间隔物121 的绝缘层120而与源电极110绝缘。下文将由层118、116、120组成的块称作“栅堆叠”。对于生产该晶体管功率开关器件100，很多适当的制造方法都是可用的。美国专利申请公开US2006-0145252描述了一种制造包括垂直绝缘栅“M0SFET”阵列的晶体管功率开关器件的方法，其可适于制造根据本发明的器件。通过在基础单元的臂的端部处和它们的中心处404，在基础单元内的面104处出现的PSD区IM来提供附加的PSD接触402，在这种情况下提供四个至该源电极110的附加的PSD接触402。为了容纳附加的PSD接触，如图1中所示，在分支的端部处修改了栅堆叠和源区形状。这些附加的PSD接触增加了在寄生双极npn晶体管中在没有激活雪崩电流的情况下，FET可能承受的源-漏电压。在晶体管功率开关器件100中，接触导电层110的每个垂直晶体管元件108的源区114包括多个臂，其在第一面104处朝向阵列的邻近的垂直晶体管元件108的源区114 的臂呈放射状延伸。PHV本体区122围绕并在该源区114的所述臂的下方延伸。PHV本体区122通过PSD区IM和BPI区1 连接到导电层110，在每个源区内，BPI区延伸向上通过BPI区上面的层，以在邻接垂直晶体管元件108的源区114的每个臂的端部的接触位置 402处，在第一面104处接触导电层110。PHV本体区122还通过PSD区IM和BPI区126 而连接至导电层110，其在每个源区内向上延伸，以在垂直晶体管元件108的每个源区114 中心的接触位置404处，在第一面104处接触到导电层110。源区114的每个臂的端部在围绕接触位置402的第一面处被扩大。在图1至3的实例中，除去接触栅电极116的区域，源电极110连续覆盖MOSFET 基础单元108的阵列，并且通过栅堆叠116至120中的开口与源区114形成电接触，并且还通过在接触402和404处的BPI区126以及通过PSD区IM而与PHV区IM形成电接触， 以确保即使在交叉形状的基础单元的臂的端部处也没有偏压以触发寄生源-本体-漏双极结型晶体管结构。在面104处，栅电极116与PHV本体区IM重叠，以使在操作中，施加到其上的相对于源电极110的正电压将在本体区122中产生反型层，该反型层在面104处的栅电极下方的PHV区122中形成沟道，当相对于源电极114将正电压施加给漏电极112时， 该沟道传导器件的开态电流。开态电流从漏电极112向上流向邻近位于漏区102和PHV本体区122之间的pn结的面104，并且然后穿过栅电极下方的沟道流向所有M0SFET108的源区114。栅电极可以是所有基础单元108共用的单个层，或者可以包括具有适当电连接的多于一个的横向隔开的层。可以在器件100的边缘提供至栅电极的接触(在图1至3中未示出)。通过将器件100安装至其外壳(在图1至3中未示出)可以形成至漏电极112的接触。通过将电连接引线1 键合至MOSFET 108正上方位置处的源电极110的导电层，可以形成电连接。在该实例中，电连接引线128是键合引线。在操作中，在关闭状态下，栅极保持在与源极相同的电压，漏-源电压对位于衬底 101中的PHV本体区122和漏区102之间的pn结进行反向偏置。当例如由于UIS，而导致漏-源电压增加到在其处，PHV本体区122和漏区102之间的pn结超过阈值电压的值时，由于雪崩效应而导致pn结击穿，如图2和3中的垂直箭头所示。在源区114的臂的端部，通过PSD和BPI区将PHV区122连接至源电极110的电连接402和源区中心处的电连接404 防止了由于例如漏电流而导致在PHV区122中建立沿着源区114的臂的电压梯度，并增加单元的延缓电压(hold-off voltage)。然而，栅堆叠插到源电极110和衬底101之间，并限制了源电极110的与衬底101 密切接触的面积。这种接触面积的限制不仅集中了电流，增加了局部电流密度，并使由于穿过衬底的电阻材料的电流的流动导致产生了局部化的热量，而且另外，栅堆叠的电绝缘同样也是热绝缘，其限制了源电极材料提取所产生的热量的能力。由于对于在一个实例中的 30V的源-漏电压来说，在UIS条件下，穿过器件100的电流可以达到几百安培，因而这种热效应是很重要的。如在我们的共同待决国际专利申请号PCT/IB2008/055655和PCT/IB2008/055656 中所描述的，器件100另外可包括在半导体本体101中的反向偏置的垂直反复雪崩保护二极管406(在图1至3中未示出)，其与晶体管108的阵列电学并联，以用于在器件的关闭状态下反复地传导器件的面104和106之间的击穿电流，该反复雪崩保护二极管具有与导电源电极层100接触的第一电流输送区(current carrying region)和第二半导体区，该第二半导体区与第二面106电连接并且位于该第一电流输送区下方。反复雪崩保护二极管的第一电流输送区是与MOSFET 108的ρ区122至1 相同的第二导电类型，并且第二半导体区是与MOSFET 108的漏区102相同的第一导电类型，在本实例中其为η型。在功率开关器件的操作中，在MOSFET 108的开启状态下，通过略大于MOSFET 108 的阈值电压Vth的电压，将该栅116相对于源电极110正向偏置，并将该漏电极相对于源电极110正向偏置，在这种情况下反复雪崩保护二极管406则反向偏置。在MOSFET 108的正常操作中，在开启状态下，电流首先从漏区102中的漏电极112垂直向上流向PHV体区122 的周边处的面104，然后横向穿过位于M0SFET108的源区114的周边处的、PHV区122中的栅电极下方的沟道。在MOSFET 108的关闭状态下，由于栅电极116短接于源电极110，穿过反复雪崩保护二极管406的雪崩电流首先垂直流经衬底101中的第二电流输送区，然后穿过该第一
8电流输送区的各层，提供一条短路电流传导路径，并最小化热量的产生。MOSFET 108中的雪崩电流还垂直流经该P区122、IM和126，但是由于插入的栅堆叠116至120而被限制在小于MOSFET 108的阵列的总区域的面104处的合计区域(aggregate area)。导电的源电极层110覆盖该反复雪崩保护二极管和MOSFET 108，并且第一电流输送区与导电电极层 110的电和热接触基本上连续覆盖反复雪崩保护二极管的第一电流输送区在该面104处的整个区域，不会因任何绝缘材料层而受阻。还可以包括用于一个或多个MOSFET 108的阵列的一个或多个反复雪崩保护保护二极管。反复雪崩保护二极管406的面积并且，更具体地，在第一面104处其ρ区和接触源电极导电层110的面积比单独的MOSFET 108的面积大几个数量级。在一个实例中，单独的MOSFET基础单元108的大小为50至IOOym2并且电连接引线1 直径大约为250至380 μ m，然而单独的的反复雪崩保护二极管406的大小为500000 μ m2。然而， 阵列中的MOSFET比二极管多几个数量级。在一个实施方式的实例中，在单个功率开关芯片上具有十个保护二极管406，并且在该实施例中，反复雪崩保护二极管的总面积是 5000000 μ m2且占管芯总面积的5%到30%，该MOSFET基础单元108的阵列的合计有源面积为 56mm2 (56000000 μ m2)。图4示意性地示出了模拟一种实际使用的情况的UIS测试电路400，其中将UIS电流反复施加到器件100上。尽管为了简明在图4中仅示出了一个，但该开关器件100包括大量的MOSFET单元108，并且开关器件100可以包括一个或多个反复雪崩保护二极管406， 在图4中已经用虚线示出了一个所述反复雪崩保护二极管406。电路400包括跨接的直流 (DC)电源，以相应地对横跨其源-漏电极的开关器件100施加正常操作电压，例如在本实例中为15V至30V。开关器件100的栅极保持在与其源极相同的电压上，以使其处于关断状态。测试电路400还包括与开关器件100串联的电感422，以及横跨在电源420和电感422 的串联连接、与开关器件100并联的开关424。在测试电路400工作时，反复开启和关闭该开关424，以使得产生反复施加到开关器件100的源-漏电极之间的UIS电压，典型地为数百万次。附图5至7示出了类似于该晶体管功率开关器件100的晶体管功率开关器件 700，但是该晶体管功率开关器件700还具有额外的垂直监测二极管(vertical monitor diode) 702，该垂直监测二极管702具有位于面104处的衬底102中的阳极区704和接触漏电极112的阴极区706。除了没有类似该单元108的该源区114的源区以外，该阳极和阴极区704和706与MOSFET单元108的阵列同时地，并且通过与MOSFET单元108的阵列相同的制造步骤而形成。因此，监测二极管702的阳极区704和阴极区706的掺杂密度和深度分别与功率开关700的MOSFET单元108的相应的PHV、PSD和BPI区122,124,126和相应的漏区102的类型相同，并作为其代表。监测二极管702的阳极708不同于源电极110， 并且与源电极110隔离并绝缘，而且更容易接近探测器(probe)，但是其以与源电极110相同材料，并通过相同制造步骤而制造，以使其表现出一致的固有特性。穿过栅结构711中的孔710，在衬底101的面104处将阳极708连接到二极管702的阳极区704，该栅结构711 类似于MOSFET元件108的栅堆叠116至120，并且通过相同的制造步骤与其同时形成。阳极708还通过层120中的孔712短接于栅结构711的多晶硅层，该层120将栅结构711的多晶硅层与栅极116和源电极110绝缘。因而，在二极管702的区域中栅元件的电压跟随着二极管的阳极708的电压，消除了栅元件的任何电容效应。在该实例中，监测二极管的阳极708与MOSFET单元108的阵列的源电极110分离并且不在内部连接，以使在监测二极管 702上可以分开地完成测试和测量。以比单元108的阵列或雪崩电流保护二极管406(如果存在的话)的合计面积小至少一个数量级来获得监测二极管702的面积。在本发明实施例的实例中，监测二极管702 的有源面积小于MOSFET单元108的阵列的有源面积的1%。参考上文，在该实例中，其中 MOSFET基础单元108的阵列的合计有源面积为56mm2 (56000000 μ m2)，在该实例中该监测二极管702的有源面积是40000 μ m2，小于MOSFET单元108的阵列的有源面积的0. 1 %。因此在利用较小的总雪崩电流进行测试期间，可以在监测二极管702中获得接近或超过该晶体管功率开关的操作的雪崩电流密度的雪崩电流密度。甚至在晶片或管芯探测期间，由于它们对应的雪崩电流仅有几安培，例如，与晶体管功率开关器件自身中的几百安培相比，因而在监测二极管702中也可以产生这样的雪崩电流密度。在一个实例中，在晶片和管芯探测期间，在监测二极管702中得到了 lkA/cm2的雪崩电流密度。此外，可以在监测二极管702 上测量单脉冲UIS特性，而没有损坏单元108或者甚至没有损坏监测二极管702自身的风险，以使得可以在提供给客户的产品上进行这些测试。在更进一步的，如封装的昂贵生产步骤之前，甚至可以在监测二极管702上反复执行UIS测试，而没有损坏单元108的风险， 并且仅存在有限的监测二极管702损坏的风险，并且可以在晶片或管芯探测中反复执行该 UIS测试。监测二极管702还可以用于正向偏置测量中，以评估在衬底102的面104处的金属-半导体接触电阻。还可以由二极管702的阳极至阴极的电容来评估衬底102的体掺杂分布(volume doping profile)。附图8至10示出了类似于该晶体管功率开关器件100的晶体管功率开关器件 1000，但是该晶体管功率开关器件1000还具有额外的垂直监测M0SFET1002，该垂直监测 MOSFET 1002通过与MOSFET单元108的阵列相同的制造步骤形成在衬底102中面104处， 并且具有类似于该单元108的源区114的源区1003。因此，监测MOSFET 1002的源区1003 和PHV、PSD和BPI区704的掺杂密度和深度由功率开关1000的单元108的相应的源区114 和PHV、PSD和BPI区122、124、126的代表。监测MOSFET 1002具有源电极1004和栅电极 1006，该源电极1004不同于源电极110且与其隔离，并且更容易接近探测器，该栅电极1006 形成在器件1000的多晶硅层中，但不同于功率开关1000的单元108的栅电极116，并且与栅电极116隔离并绝缘。在栅结构1011中形成栅电极1006，该栅结构1011类似于MOSFET 元件108的栅堆叠116至120，并且通过相同的制造步骤与其同时形成。监测M0SFET1002 的源电极1004通过层120中的孔1008短接于其栅极1006，该层120将栅极1006与源电极 110绝缘。类似于二极管702，以比单元108的阵列或雪崩电流保护二极管406(如果存在的话)的合计面积小至少一个数量级来获得监测MOSFET 1002的面积。在本发明实施例的实例中，监测二极管M0SFET1002的有源面积小于MOSFET单元108的阵列的阵列的有源面积的0. 1%。参考上文，在该实例中，其中MOSFET基础单元108的阵列的合计有源面积为 56mm2 (56000000 μ m2)，在该实例中，监测M0SFET1002的有源面积是30000 μ m2,小于MOSFET 单元108的阵列的有源面积的0.1%。因此，在测试期间，在监测MOSFET 1002中可以获得接近或超过该晶体管功率开关的操作的雪崩电流密度的雪崩电流密度。再次，甚至在晶片或管芯探测期间，由于它们对应的雪崩电流例如仅有几安培，因而在监测MOSFET 1002中也可以产生这样的雪崩电流密度。此外，可以在监测MOSFET 1002上测量单脉冲UIS特性， 而没有损坏单元108或者甚至没有损坏监测MOSFET 1002自身的风险，以使得可以在提供给客户的产品上进行这些测试。特别是，由于电流密度相似，因而监测MOSFET 1002的击穿电压代表了整个晶体管功率开关1000的击穿电压BVdss，并且由于在监测MOSFET 1002 中的雪崩电流足够低，因而可以在晶片或管芯测试期间测量该击穿电压。甚至可以在监测 MOSFET 1002上反复执行UIS测试，而没有单元108损坏的风险，并且仅存在有限的监测 MOSFET 1002损坏的风险。还可以由MOSFET 1002的源至漏的电容来评估衬底102的体掺杂分布。由于在面104处的与衬底102的晶格失配以及老化，而导致在晶体管功率开关器件100、700和1000的MOSFET元件108的阵列上的金属源电极110受到热、应力现象的影响。由于这些现象而导致的金属源电极110的方块电阻的变化与温度的反复波动充分地密切相关，所述波动被用于表示在该区域的操作使用中，如100、700或1000的晶体管功率开关器件已经受到金属源的老化的影响。这就需要一种可重复并且可靠的测量与方块电阻相关的参数的方法。可以通过使用范德堡(van der Pauw)法的晶片或管芯探测，来测量如源金属层110的导电层的方块电阻，即，通过在沿着层110的表面处的测试区域的第一边隔开的第一对接触处施加电压，测量在第一对接触之间的结果电流，并测量沿着层110 的表面处的测试区域的第二边隔开的第二对接触之间的电压降，该第二边与该第一边横向隔开，且通常与该第一边平行。论文“De sign and Application of the Interlayer van der Pauw Resistor Alignment Bridge，， (Fe1dbaumer、Varker、GriswoId and Allen,IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing Vol. 3,No. 4,November 1990)描述了层间范德堡(VDP)电阻器的不同使用，以测量掩模对准、层间对齐、和掩模重叠错误。图11至16示意性示出了晶体管功率开关器件1402的一个实例，该器件1402包括MOSFET单元108的阵列，为了简明，在附图中仅示出一个单元。可以例如，通过在MOSFET 单元108的阵列上的四个位置处探测源电极110来直接测量晶体管功率开关器件1402的源电极110的方块电阻。然而，在该实例中，提供分离的半导体监测元件1404。例如，可以通过探测，在可改变形状的监测元件上进行与方块电阻相关的参数的测量，消除接触电阻的变化性，甚至可以在待封装和提供给客户的已完成的管芯上进行测量。在该实例中，半导体监测元件1404包括垂直监测二极管702，类似于图5中所示， 除了没有类似该单元108的源区114的源区，其与MOSFET单元108的阵列同时，并通过与 MOSFET单元108的阵列相同的制造步骤形成在衬底102中的面104处。因此，监测二极管 702的阳极和阴极区704和706的掺杂密度和深度分别与功率开关700的MOSFET单元108 的相应的区域的类型相同，并且作为其代表。以比单元108的阵列或雪崩电流保护二极管406(如果存在的话)的合计面积小至少一个数量级来获得器件1402的监测二极管702的面积。在本发明实施例的实例中，监测二极管702的有源面积小于MOSFET单元108的阵列的阵列的有源面积的1 %。参考上文，在该实例中，其中MOSFET基础单元108的阵列的合计有源面积为56mm2 (56000000 μ m2)， 在该实例中，监测二极管702的有源面积是40000 μ m2，小于MOSFET单元108的阵列的有源面积的0. 1%。
监测元件1404还包括阳极1406，该阳极1406通过对应于MOSFET元件108的栅堆叠116、118、120的栅结构711中的第一孔710连接到衬底101的面104处的二极管702 的P型阳极区704。监测二极管702的阳极1406不同于且与源电极110分离。阳极1406 通过桥1408永久地连接至源电极110，并且更容易接近探测器，但是其以与源电极110相同材料并通过相同制造步骤而制造，以使其表现出一致的固有特性。在本发明的实施例中， 与源电极110相同材料并且同时制造的监测二极管702的阳极1406通过桥元件1408而连接至源电极110，并且更容易接近探测器。阳极1406还通过栅结构711中的孔712短接于栅极116的多晶硅层。在该实例中，阳极1406提供了细长的条状元件(elongate strip element) 1802，该条状元件1802连接二极管702的有源区上方的两个桥元件1408，并通过栅结构711中的孔710接触阳极区704。监测元件1404还包括将细长的条状元件1802的端部连接到功率MOSFET单元108的源电极层110的两个桥元件1408。更详细地如图16所示，监测元件1404还包括中心的细长的条状元件1802的第一和第二横向延伸部1804和1806，其在中心的细长的条状元件1802相对侧上，横行于中心的细长的条状元件1802的长度而延伸。横向延伸部1804和1806具有与中心的细长的条 1802相同的宽度，以在二极管有源区域和条1802的中间处，通过它们的交叉部1808处的条限定出一个正方形区域。在该实例中，二极管702提供具有类似于延伸部1804和1806的、 如横向延伸部1810、1812、1814和1816的另外四个横向延伸部。横向延伸部1810和1812 在二极管有源区域的一端处，在正方形的交叉区域1818中贯穿中心的细长的条1802，并且横向延伸部1814和1816在二极管有源区域的相对的一端处，在正方形的交叉区域1820中贯穿中心的细长的条1802。布置监测元件1404，以使接下来可用于生产提供给客户的产品的已完成的晶片或已完成的管芯更容易接近探测器。特别地，中心的细长的条1802和横向延伸部的对容易同时接触四个探测器。通过细长形状的中心条1802和通过横向延伸部 1804、1806和1810至1816，可以方便地进行探测操作。如图14所示，在功率开关电路1600中的晶体管功率开关器件1402的正常使用操作中，电路1400中的电源420横跨晶体管功率开关器件1402的功率MOSFET单元元件108 的源和漏电极110和112与负载1410的串联连接，而施加正常操作电压Veiment，并且因为阳极1406的永久的桥连接1408连接到源电极110，所以其还横跨漏电极112和监测元件 1404的阳极1406。控制在功率MOSFET单元元件108的阵列的栅极120处的电压Ve，以将其导通或者关断。如图15和16所示，在测试操作中，为了测量与功率开关器件1402的金属层的方块电阻相关的参数，无论是在新的晶片或管芯上还是在使用后的器件上，器件都包含在包括提供测试电流Itj的电源1702的探测器测试电路1700中。应用两个探测器以限定在正方形交叉部1808、1818或1820中的一个的相对侧的、沿着阳极1406的中心的细长的条1802 而隔离开的位置，并且再使用两个探测器以限定在相同正方形交叉部1808、1818或1820的相对侧的、在对应的横向延伸部1804和1806、1810和1812或者1814和1816对上的位置。 通过使用测量的测试电流Itj来测量方块电阻参数，期中，该测试电流Itj位于应用于一个横向延伸部上的第一位置的探测器和应用于中心的细长的条1406上的第一位置的探测器之间。在应用于中心的细长的条1406上的第二位置的探测器和一个横向延伸部上的第二位置的探测器之间产生相应的电压Δ V，该第二位置分别位于与第一位置相同的正方形交叉部的相对侧上。该方块电阻正比于该电压Δ V与该电流Itj的比值。在图16中示出的实例中，如箭头I。所示，施加该电流Iq穿过位于交叉部1808和交叉部1820之间的延伸部1804 的第一位置和中心的细长的条1406的第一位置之间的正方形交叉部1808的邻近的侧。如箭头Δ V所示，测量位于交叉部1808和交叉部1818之间的延伸部1806的第二位置和中心的细长的条1406的第二位置之间的电压Μ。用高输入阻抗仪器测量电压ΔΥ以避免通过使电压测量探测器与阳极1406接触而流出任何大量的电流。按照两个值的比例Δν/%计算方块电阻。由于功率MOSFET单元元件108转换为关断，并且二极管702反向偏置，该电流I。基本上仅流过该监测元件1404的阳极1406。由于监测元件1404的阳极1406通过桥元件1408永久地连接到功率MOSFET元件 108的源极110，并且监测元件1404的阴极区706与功率MOSFET元件108的漏电极112永久接触，因此如功率MOSFET元件108 —样，监测元件1404受到使用的相同电压的支配，包括反复UIS电压。由于使用与功率MOSFET元件108相同的制造步骤来制造监测元件1404， 因此监测元件1404的阳极和阴极的掺杂密度和深度和阳极1406的金属层和金属的固有特性代表了 MOSFET单元108的相应元件。二极管中的栅结构711短接于其阳极1406，并处在与功率MOSFET单元108的关断状态下栅电极116相同的电压。因此，当发生UIS电压并且如单元108 —样其具有与雪崩电流情况下相同的特性时，二极管702以与功率MOSFET单元元件108相同的方式经历雪崩电流。因为通过栅结构711的衬底102的相似的热绝缘，二极管702的温度以与功率MOSFET单元元件108相同的方式对雪崩电流作出反应。因此，由于与在面104处的衬底102的晶格失配以及老化，而导致监测元件1404的阳极1406受到与在晶体管功率开关器件100、700和1000的MOSFET元件108的阵列上的金属源电极110 相同的热、应力现象的影响，并且以与源电极110相似方式对这些现象作出反应。接着测量监测元件1404的1406的方块电阻的时间变化，其代表金属源电极110的方块电阻的时间变化。因此，监测晶体管功率开关器件1402受其影响的源金属老化的方法包括记录参数ΔV/%，其代表当该晶体管功率开关器件是新的并将所记录的参数值与相同的功率开关器件1402使用之后的监测元件1404的阳极1406的方块电阻值相比较时的，监测元件1404 的阳极1406的方块电阻。由于阳极1406的细长的条1802中存在三个正方形交叉部1808、1818或1820，因此可以在监测二极管702上方的不同位置处测量方块电阻。可以比较不同位置处的方块电阻以发现例如在二极管的中心和它的端部之间的不同的特性。当对靠近细长的条1802的端部的交叉部1818或1820进行测量时，对于一个探测器的位置可以在细长的条1802自身的端部之外，例如，在桥元件1408或源电极110的邻近部分上。可以计算晶体管功率开关器件1402的生产样品的监测元件1404的阳极1406的方块电阻的初始值，并且将其用于监测生产批次(batches)的金属沉积质量。在一实例中，在探测期间，可以在生产样品上进行反复的雪崩电流测试，比较雪崩电流测试之前和之后的监测元件1404的阳极1406的方块电阻值。在上述说明中，描述了更易于探测的导电元件。对于探测的易接近性是对已设计完成和已确定的器件的监测或测试或测量的一种性能。在很多情况下，对于探测的易接近性意味着被探测的导电元件位于顶(或前)侧，具有标准的顶部金属化。其尺寸适合用于
13标准的探针尺寸，并且在组装之后适于封装单元，可以在接近封装之前，使用显微操作器 (micromanipulator)探测导电元件。在已封装产品的情况下，例如返还件，典型地，需要露出封装以能够探测和进行测试和测量。参考上述的实施例，其中MOSFET基础单元108的阵列的合计有源面积为 56mm2 (56000000 μ m2)，并且监测二极管702的有源面积为40000 μ m2，细长的条状元件1802 和横向延伸部1804、1806、1810、1812、1814和1816的宽度的一个实例是25 μ m。在该实例中，横向延伸部1804、1806、1810、1812、1814和1816的长度是30 μ m，并隔离开30 μ m(在这方面附图并未按比例绘制)。已经描述了监测元件702、1002和1404的各种不同类型的实施例。显而易见的是， 根据本发明实施例的开关器件可包括两个或更多不同类型实施例的监测元件702、1002和 1404。在一实例中，单独地或以不同组合地，在功率开关芯片上存在具有不同类型实施例的监测元件702、1002和1404，且具有其它类型的监测元件的四个监测区域。在前述的说明书中，已经参考本发明实施例的具体实例描述了本发明。然而，很明显可以在不偏离如所附权利要求中所阐述的本发明更宽的精神和范围内，进行各种修正和变化。例如连接可以是适于将信号从各个节点、单元或器件传输，或将其传输到各个节点、 单元或器件的任何类型的连接，例如通过中间器件。因此，除非暗示或声明否则连接可以是例如直接连接或间接连接。根据上下文，将会理解这里所描述的半导体衬底可以是任意半导体材料或材料的组合，如砷化镓、锗化硅、绝缘体上硅(SOI)、硅、单晶硅等及上述材料的组合。实施本发明的设备包括本领域技术人员已知的电子元件和电路，没有以比用于理解和评价本发明基本原理所需要考虑的更宽范围的任何扩展来说明电路的细节。根据上下文，说明书和权利要求中的术语“前”、“背”、“顶”、“底”、“在……上”、 “在……下”等等(若有的话)，用于描述目的，并不必用于描述固定的相对位置。可以理解所使用的这些术语在适当的情况下可以是可变换的，使得例如，这里描述的本发明的实施例能够以与在此示出的或与在此描述的方面不同的其它定向来进行操作。根据上下文，示出的硬件元件可以是位于单片集成电路上或在同一器件内的电路，或者可以包括多个相互互连的分立的集成电路或分立器件。除此之外，本发明实施例中的硬件元件可以用本发明实施例中的软件或代码表示法来代替。此外，将会意识到，所描述和示出的本发明实施例中的电路元件的功能性和/或操作性之间的界限仅是示例性的。可以将多操作的功能性合并到单操作中，和/或可以将单操作的功能性分配到附加的操作中。此外，可替换的实施例可以包括多个特定操作的实例，并且在多个其它实施例中可以改变操作命令。在权利要求中，位于圆括号之间的任何参考标记不应当解释为对权利要求的限制。根据上下文，术语如“第一”和“第二”用于任意地区分这些术语描述的元件，并且这些术语不一定要表示这些元件的时间性或其它的优先次序。
权利要求
1.一种晶体管功率开关器件(700，1000,1402)，包括 半导体本体(101)，其呈现相对的第一和第二面(104，106)，垂直晶体管元件(108)的阵列，其用于在所述第一和第二面之间输送电流，所述晶体管元件(108)的阵列包括在所述第一面(104)处的第一半导体类型的第一电流输送晶体管区(114)的阵列，和在所述第二面(106)处的所述第一半导体类型的第二电流输送晶体管区(102)， 至少一个与所述第一类型相反的第二半导体类型的第三电流输送晶体管区(122，124， 126)，其插在所述第一半导体区(114)和所述第二电流输送晶体管区(10 之间，至少一个控制电极(116)，其用于可开关地控制穿过所述第三晶体管区(122，124， 126)的所述电流，和电流输送导电层(110)，其在所述第一面(104)处接触所述第一电流输送晶体管区 (114)，所述晶体管功率开关器件(700，1000,1402)还包括至少一个半导体监测元件(702，1002，1404)，其呈现代表所述阵列的所述垂直晶体管元件(108)的半导体属性，由此所述半导体监测元件(702，1002，1404)的固有特性的测量代表所述垂直晶体管元件(108)的固有特性，所述半导体监测元件包括第一和第二半导体监测区(704，706)，其在所述半导体本体(101)中分别与所述第一和第二面(104，106)电接触，和监测导电层(708，1004，1406)，其不同于所述电流输送导电层(110)，并在所述第一面 (104)处接触所述第一半导体监测区(704)。
2.如权利要求1的晶体管功率开关器件，其中，通过与所述阵列的所述垂直晶体管元件(108)的相应的半导体区和所述电流输送导电层(110)相同的制造步骤来制造所述监测元件(702，1002，1404)的所述半导体监测区(704,706)和所述监测导电层(708，1004， 1406)。
3.如权利要求1或2的晶体管功率开关器件，其中，所述半导体监测元件的所述第一半导体监测区(704)占据所述第一面(104)处的有源区，所述有源区比所述阵列的所述第一电流输送晶体管区(114)的合计有源面积小至少一个数量级。
4.如前述任一权利要求的晶体管功率开关器件，其中，所述半导体监测元件(702， 1002,1404)永久地并联连接至晶体管元件(108)的所述阵列，由此，在使用中将经受与所述电流输送导电层(110，112)相同的操作电压。
5.如前述任一权利要求的晶体管功率开关器件，其中，所述半导体监测元件(1002)包括垂直晶体管元件，该垂直晶体管元件呈现代表所述阵列的所述垂直晶体管元件(108)的特性的特性。
6.如前述任一权利要求的晶体管功率开关器件，其中，所述半导体监测元件(702)包括垂直二极管，所述第一半导体监测区(704)是所述第二半导体类型的，并且所述第二半导体监测区(706)是所述第一半导体类型的。
7.如权利要求6的晶体管功率开关器件，其中，所述半导体监测元件(702)包括监测电极和绝缘层结构(711)，所述监测电极和绝缘层结构(711)类似于晶体管元件(108)的所述阵列的所述控制电极(116)和所述至少一个绝缘层(120)的结构，所述监测电极和绝缘层结构(711)插在所述监测导电层(1406)和所述第一面(104)之间。
8.如前述任一权利要求的晶体管功率开关器件，其中，所述监测导电层(1406)包括 细长的条状元件(180 ；和到所述细长的条状元件(1802)的至少一对横向延伸部(1804,1806 ；1810，1812 ；1814， 1816)，其在中心的细长的条状元件(180 的相对侧上，横向于中心的细长的条状元件 (1802)的长度而延伸，并限定与所述细长的条状元件(180 的交叉部，由此，可以在横向延伸部的所述对的一个上的第一位置和所述细长的条状元件(1802) 上的第一位置之间施加测试电流(I0)，以便在横向延伸部的所述对的另一个上的第二位置和所述细长的条状元件(180 上的第二位置之间产生相应电压(Δν)，所述第二位置分别位于所述交叉部的与所述第一位置相对的侧上，并且可以测量所述测试电流(Itj)和所述相应电压(AV)0
9.如权利要求8的晶体管功率开关器件，其中，所述半导体监测元件(1002)包括横向延伸部的多个所述对(1804,1806 ；1810,1812 ；1814，1816)，多个所述对限定沿着所述细长的条状元件(1802)的、所述第一面(104)的横向隔开的、与所述细长的条状元件(1802)的多个所述交叉部。
10.一种测量前述任一权利要求的晶体管功率开关器件(700，1000，1402)的特性的方法，该方法包括测量所述半导体监测元件(702，1002，1404)的特性。
11.一种测量如权利要求8的晶体管功率开关器件(700，1000，1402)的参数的方法，该方法包括在横向延伸部的所述对(1804,1806 ；1810,1812 ；1814,1816)的一个上的所述第一位置和所述细长的条状元件(180 上的所述第一位置之间施加电流(Itj)，以便在横向延伸部的所述对的另一个上的所述第二位置和所述细长的条状元件(180 上的所述第二位置之间产生相应电压(Δν)；测量在所述第一位置之间流动的所述电流(I0)；和测量所述相应电压(△￥)。
12.—种监测使晶体管功率开关器件(140 受到了其影响的源金属老化的方法， 所述晶体管功率开关器件(1402)包括半导体本体(101)，其呈现相对的第一和第二面(104，106)，垂直晶体管元件(108)的阵列，其用于在所述第一和第二面之间输送电流，在所述第一面处，电流输送导电层(110)接触所述垂直晶体管元件(108)，至少一个半导体监测元件(1404)，其包括在所述半导体本体(101)中的第一和第二半导体监测区(704，706)，所述第一和第二半导体监测区(704，706)分别与所述第一和第二面(104，106)电接触；和监测导电层(1406)，其不同于所述电流输送导电层(110)，并在所述第一面(104)处接触所述第一半导体监测区(704)， 该方法包括当晶体管功率开关器件是新的时，测量并记录参数，所述参数是所述监测导电层 (1406)的方块电阻的函数；以及将所记录的所述参数的值与相同功率开关器件(140 操作之后的所述参数的值进行比较。
13.如权利要求12的监测使晶体管功率开关器件(1402)受到了其影响的源金属老化的方法，其中所述监测导电层(1406)包括细长的条状元件(180 和到所述细长的条状元件(1802) 的至少一对横向延伸部(1804,1806 ；1810,1812 ； 1814，1816)，所述至少一对横向延伸部 (1804,1806 ；1810,1812 ；1814，1816)在中心的细长的条状元件(1802)的相对侧上，横向于所述中心的细长的条状元件(180 的长度而延伸，并限定与所述细长的条状元件(1802) 出交叉部；并且所述方法包括在横向延伸部的所述对的一个上的第一位置和所述细长的条状元件(180 上的第一位置之间施加测试电流(Itj)，以便在横向延伸部的所述对的另一个上的第二位置和所述细长的条状元件(180 上的第二位置之间产生相应电压(Δν)，所述第二位置分别位于所述交叉部的与所述第一位置相对的侧上；并且测量所述测试电流(Itj)和所述相应电压 (AV)。
14.如权利要求12或13的监测使晶体管功率开关器件(1402)受到了其影响的源金属老化的方法，其中，所述半导体监测元件(100 包括横向延伸部的多个所述对(1804,1806 ；1810,1812 ； 1814，1816)，其限定沿着所述细长的条状元件(1802)的、所述第一面(104)的横向隔开的、与所述细长的条状元件(1802)的多个所述交叉部。
全文摘要
晶体管功率开关器件(700，1000，1402)包括用于在半导体本体(101)的第一和第二面之间输送电流的垂直晶体管元件(108)的阵列。该器件还包括半导体监测元件(702，1002，1404)，该监测元件包括位于半导体本体(101)中的第一和第二半导体监测区域(704，706)和不同于晶体管阵列的电流传送导电层(110)的监测导电层(708，1004，1406)。半导体监测元件(702，1002，1404)提供了代表该晶体管阵列的半导体属性。测量半导体监测元件(702，1002，1404)的特性以作为晶体管阵列的特性的表示。通过测量并记录当晶体管功率开关器件是新的时的参数并且将其与器件(1402)操作之后的数值进行比较，来监测晶体管功率开关器件(1402)的源金属老化，其中该参数是监测导电层(1406)的方块电阻的函数。将测量的电流(IO)施加到监测导电层(1406)的细长的条状元件(1802)上的第一位置和条的一对横向延伸部的一个上的第一位置之间，并且测量在该细长的条状元件(1802)和所述的一对横向延伸部的另一个上的第二位置之间产生的相应的电压(ΔV)。
文档编号G01R31/28GK102473724SQ200980160430
公开日2012年5月23日 申请日期2009年8月18日 优先权日2009年8月18日
发明者勒内·埃斯科菲耶, 比阿特丽斯·贝尔努, 让·米切尔·雷内斯 申请人:飞思卡尔半导体公司