Halbleiterbauelement mit einer Mehrzahl von Zellen und Steuergerät für ein Fahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer Mehrzahl von Zellen, bevorzugt ein Leistungshalbleiterbauelement, beispielsweise einen PowerMOSFET. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuergerät für ein Fahrzeug mit zumindest einem solchen Halbleiterbauelement.

Stand der Technik

In den letzten Jahren wurden Halbleiterbauelemente wie MOSFETs (Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor, entl. Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect

Transistor), insbesondere Leistungsbauelemente wie PowerMOSFETs, mit dramatisch verbesserten Eigenschaften entwickelt. So wurden deutliche

Verbesserungen beispielsweise beim Wderstand im eingeschalteten Zustand

DS _OP sowie bei der Schaltgeschwindigkeit gemacht. Auf der einen Seite wurden durch diese Entwicklungen neue Anwendungsgebiete für PowerMOSFETs erschlossen, auf der anderen Seite treten bei den angesprochenen

Leistungsbauelementen aber auch neue, durch die Beeinflussung anderer

Bauteilparameter verursachte Probleme auf.

Beispielsweise zeigen moderne MOSFETs einen sogenannten„Secondary

Breakdown Effect", der nicht ausschließlich an die anliegende Spannung

gekoppelt und somit von der bekannten Durchbruchspannung verschieden ist.

Die folgenden Artikel geben einen Überblick über das Thema des„Secondary Breakdown":

Thermal Instabilities in High Current Power MOS Devices: Experimental

Evidence, Electrothermal Simulations and Analytical Modeling, P.Spirito, G.Breglio, V. d'Alessandro, N. Rinaldi. Proc. 23 rd International Conference on Microelectronics (MIEL2002), Vol 1 , NIS, Yugoslavia, 12-15 May, 2002.

Power MOSFET Thermal Instability Operation Characterization Support, John L.Shue and Henning W. Leidecker. NASA/TM-2010-216684.

Are Trench FETs Too Fragile for Linear Applications?, Jeffrey A. Ely, Delphi. Power Electronics Technology, Jan 2004, pp. 14-24. Der Secondary Breakdown ist ein thermisch verursachter Effekt, der unabhängig von der verwendeten Halbleitertechnik auftreten kann, wenn Wärme mit einer Rate generiert wird, die die maximal mögliche Dissipationsrate übersteigt. Dies lässt sich durch das sogenannte„Spiritokriterium" ausdrücken. Die Bedingung für den Secondary Breakdown ist erfüllt, wenn gilt:

ÖT ^~ ÖT ' ^0CLER ÖT - Z _th (t)

Dabei sind Z _th (t) der von der Zeit abhängige Wärmewiderstand, PG und PD die Wärmeerzeugungs- beziehungsweise Dissipationsraten, T die Temperatur und VDS die Spannung zwischen Source und Drain des Bauelements. Die

Temperaturabhängigkeit des Stroms ID lässt sich wie folgt beschreiben:

O _{T D} ) = ~^τ- ^ατ beschreibt dabei das Verhalten des Stroms bei einer

Temperaturänderung. Wenn ατ positiv ist, so steigt der Strom bei einer Erhöhung der Temperatur an, was einen selbstverstärkenden Effekt hat, da ein größerer Strom zu mehr Verlustleistung und somit zu mehr Abwärme führt, was wiederum eine weitere Temperaturerhöhung des Bauelements zur Folge hat.

Figur 1 zeigt ein Diagramm, in dem für ein beispielhaftes Halbleiterbauelement aus dem Stand der Technik der Strom ID in Abhängigkeit von der Spannung VGS für zwei verschiedene Temperaturen Ti_ ₀ w und Tu eingezeichnet ist. Der Punkt, an dem sich beide Kurven schneiden, ist der sogenannte„Zero Temperature Coefficient Point" ZTC. An diesem Punkt hat der resultierende Strom ID keine Abhängigkeit von der Temperatur. Es ist weiterhin in Figur 1 zu erkennen, dass für die niedrigere Temperatur bereits bei einer niedrigeren Spannung ein Strom zu fließen beginnt, der Strom mit steigender Spannung aber weniger stark steigt, als bei der höheren

Temperatur. Bei einer Temperatur unterhalb des ZTC führt eine angelegte Spannung also zu einer größeren Stromstärke, als bei einer Temperatur oberhalb des ZTC. Umgekehrt führt an einem Punkt in Figur 1 links des ZTC eine Erhöhung der Temperatur zu einer höheren Stromstärke, wohingegen an einem rechts des ZTC gelegenen Punkt eine Erhöhung der Temperatur zu einer Abnahme der Stromstärke führt. Es ist also wünschenswert, ein Halbleiterbauteil im Bereich rechts des ZTC zu betreiben, damit keine selbstverstärkenden Effekte auftreten können, die zu einem„Hot Spot" führen würden.

Mit anderen Worten soll das Bauteil in einem Bereich betrieben werden, in dem ατ negativ ist. Ein typischer Graph für die Abhängigkeit von ατ von der

Stromstärke bei einer Temperatur von 25 °C ist in Figur 2 dargestelltem Betrieb als Schalter wird der kritische Bereich im Allgemeinen schnell durchlaufen, so dass hier keine Probleme auftauchen. In anderen Anwendungen, beispielsweise in Verstärkerschaltungen, kann das Bauteil aber im linearen Bereich betrieben werden. Wird hier über einen längeren Zeitraum in einem Bereich gearbeitet, in dem ατ positiv ist, kann es zum angesprochenen Secondary Breakdown kommen.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauelement zur Verfügung gestellt, welche seine Mehrzahl von Zellen aufweist, wobei jede der Zellen einen MOSFET umfasst. Es zeichnet sich dadurch aus, dass Zellen einer ersten Art jeweils einen

MOSFET einer ersten Art mit einer ersten Thresholdspannung aufweisen, und dass Zellen einer zweiten Art jeweils einen MOSFET einer zweiten Art mit einer zweiten Thresholdspannung, die niedriger als die erste Thresholdspannung ist, aufweisen. Ein solches Halbleiterbauelement ist insbesondere zur Realisierung eines Steuergeräts für ein Fahrzeug geeignet.

Vorteile der Erfindung

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement ist es, dass bei einer durch die niedrige zweite Thresholdspannung Vth2 die Zellen zweiter Art bei niedriger Gatespannung den das Bauteil durchfließenden Strom auf sich konzentrieren, so dass sie im Regelfall schnell mit einer Stromdichte betrieben werden, die einem negativen Wert von otT Zur Folge hat, so dass die Zellen zweiter Art schnell im sicheren Bereich betrieben werden. Bei einem weiteren Ansteigen der Gatespannung schalten auch die Zellen erster Art in den leitenden Zustand. Zu diesem Zeitpunkt ist die gesamte durch das Bauteil fließende

Stromstärke aber im Regelfall schon so groß, dass auch die Zellen erster Art im sicheren Bereich betrieben werden. Es entstehen keine Hot Spots und es kommt nicht zum Secondary Breakdown. Beim Betrieb im linearen Bereich sind alle Zellen aktiv und leiten Strom, so dass der resultierende Widerstand RDS _OP des erfindungsgemäßen Bauteils nur unwesentlich von dem Widerstand eines herkömmlichen Bauteils, in dem nur Zellen erster Art vorgesehen sind, abweicht. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass in einem Zustand, in dem nur die Zellen zweiter

Art aktiv sind, die effektive Transkonduktanz niedriger ist. Dies führt wiederum zu einer Verrundung der Wellenformen beim Schaltvorgang, was vorteilhaft für viele Anwendungen ist, bei denen es auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ankommt, bei denen sich technische Geräte also nicht gegenseitig beeinflussen sollen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Halbleiterbauelement eine größere Anzahl von Zellen erster Art als Zellen zweiter Art aufweist. Das Bauteil weist dann nur geringe konstruktive Unterschiede zu einem Bauteil mit nur einer Art von Zellen auf. Da die Zellen zweiter Art nur bei niedrigen Gatespannungen benötigt werden und die Zellen erster Art die

Eigenschaften des Bauelements dominieren, ist eine relativ geringe Anzahl von Zellen zweiter Art im Regelfall ausreichend. Vorzugsweise sind nicht mehr als 25%, äußerst bevorzugt nicht mehr als 10% der Zellen des

Halbleiterbauelements Zellen zweiter Art.

Es ist günstig, wenn die Zellen zweiter Art gleichmäßig über eine Fläche des Halbleiterbauelements verteilt sind. Hieran ist vorteilhaft, dass sich in jedem Betriebszustand eine homogene Temperaturverteilung über die Oberfläche des Halbleiterbauelements ergibt. Darunter, dass die Zellen zweiter Art gleichmäßig über die Fläche des Halbleiterbauelements verteilt sind, ist insbesondere zu verstehen, dass makroskopisch gesehen die Anordnung der Zellen erster Art und zweiter Art strukturlos ist. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass das Verhältnis der Anzahl der Zellen erster Art zur Anzahl der Zellen zweiter Art in einem beliebigen Ausschnitt aus dem Halbleiter, der eine Mindestanzahl von Zellen umfasst, nur unwesentlich von dem auf das gesamte

Halbleiterbauelement bezogenen Verhältnis der Anzahl der Zellen erster Art zur Anzahl der Zellen zweiter Art abweicht. Die Mindestzahl kann dabei

beispielsweise 10, 100 oder 1000 betragen. Als unwesentliche Abweichung kann eine Abweichung von 20%, vorzugsweise von 10%, besonders bevorzugt von 5%, angesehen werden. Unter dem Begriff„Fläche des Halbleiterbauelements" wird insbesondere die Ausdehnung des Halbleiterbauelements in der

Substratebene, verstanden. Sie ist also ein Analogon zu der Oberfläche des Wafers, aus dem das Halbleiterbauelement hergestellt wurde. In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Halbleiterbauelement Metazellen auf, in denen jeweils eine erste Anzahl erster Zellen und eine zweite Anzahl zweiter Zellen zusammengefasst sind, und die gleichmäßig über die Fläche des Halbleiterbauelements verteilt sind, wobei die Anordnung der ersten Zellen und der zweiten Zellen innerhalb der Metazellen eine Struktur aufweist. So kann eine Metazelle beispielsweise aus 3 mal 3 Zellen aufgebaut sein und demnach eine im Wesentlichen quadratische Grundstruktur aufweisen. Falls das Format einer einzelnen Zelle nicht quadratisch ist, weicht natürlich auch das Format der Metazelle entsprechend ab. Bei einer aus 9 Zellen bestehenden Metazelle kann, wenn die Zellen in einem 3x3-Raster angeordnet sind, beispielsweise die zentrale Zelle eine Zelle zweiter Art sein, wohingegen die restlichen Zellen Zellen erster Art sind. Identifiziert man die Zellen anhand ihrer x-Position und ihrer y- Position, so ist die zentrale Zelle diejenige, für die x=2 und y=2 gilt. Für alle anderen Kombinationen einer x-Koordinate mit einer y-Koordinate, die jeweils zwischen 1 und 3 liegen, liegt eine Zelle erster Art vor.

Wenn beispielsweise eine Metazelle für ein Halbleiterbauelement, bei dem das Verhältnis von der Anzahl der Zellen erster Art zur Anzahl der Zellen zweiter Art 4:1 beträgt, konstruiert werden soll, so kann z.B. eine Metazelle mit 5 Zeilen und 5 Spalten kreiert werden. Eine mögliche Ausgestaltung wäre es dann, die Zellen zweiter Art bei den Koordinaten x=1 , y=2; x=2, y=4; x=3, y=1 ; x=4, y=3 und x=5, y=5 anzuordnen. Innerhalb der Metazelle weist die Anordnung dann eine gewisse Struktur auf, über das gesamte Bauelement gesehen sind die Zellen zweiter Art aber nahezu gleichmäßig über die Fläche verteilt. Eine Metazelle mit 5 Zeilen und 5 Spalten, die an den Stellen x=1 , y=1 ; x=1 , y=2; x=2, y=1 ; x=2, y=2 und x=3, y=1 Zellen zweiter Ordnung aufweist, würde innerhalb der Metazelle eine noch weiter ausgeprägte Struktur aufweisen, dennoch wären makroskopisch aufgrund der großen Anzahl sich oft wiederholender Metazellen die Zellen zweiter Art gleichmäßig auf der Bauteiloberfläche verteilt. Die Metazellen bieten somit die Möglichkeit, makroskopisch zwar eine strukturlose Verteilung der zweiten Zellen zu erreichen, gleichzeitig die Anzahl von Wiederholungen einer einzelnen Struktur zu verringern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die MOSFETs jeweils eine Grabenstruktur aufweisen. MOSFETs mit

Grabenstrukturen, so genannte Trench MOSFETs, dominieren inzwischen den Markt für Leistungshalbleiter, so dass die Kombination der Erfindung mit einem Trench-MOSFET beziehungsweise einem MOSFET mit Grabenstruktur besonders sinnvoll ist. Weiterhin sind MOSFETS mit Grabenstruktur relativ anfällig für den Secondary Breakdown Effekt, so dass eine Verwirklichung der Erfindung an einem Trench MOSFET besonders vorteilhaft ist. Aus dem Stand der Technik bekannte Trench-MOSFETs weisen grundsätzlich eine

Streifenstruktur entlang der Gräben auf, wobei die Streifen nicht in einzelne Zellen unterteilt sind. Die Ausgestaltung eines Halbleiterbauelements mit Trench- MOSFETs mit einer Zellstruktur ist somit bisher aus dem Stand der Technik nicht bekannt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die MOSFETs erster Art und die MOSFETs zweiter Art im Wesentlichen identisch aufgebaut und unterscheiden sich lediglich durch konstruktive Maßnahmen zur Beeinflussung der Thresholdspannung voneinander. Dies hat den Vorteil, dass bestehende Layouts und Produktionsprozesse weitgehend übernommen werden können. Es ist dann während der Produktion in der Regel lediglich ein weiterer Maskenschritt erforderlich, größere Änderungen am Design bestehender Halbleiterbauelemente müssen nicht vorgenommen werden, da die Thresholdspannung ein relativ einfach zu beeinflussender Parameter ist. Bevorzugt unterscheiden sich die MOSFETs erster Art von den MOSFETs zweiter Art lediglich durch eine Dicke eines Gateoxids. Auf diese Art lässt sich besonders einfach die Thresholdspannung des Transistors einstellen.

In einer alternativen Ausführungsform unterscheiden sich die MOSFETs erster Art von den MOSFETs zweiter Art lediglich durch unterschiedliche

Dotierungsprofile, beispielsweise im Body- oder Well-Bereich. Auch auf diese Art lässt sich die Thresholdspannung des Transistors einfach einstellen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Halbleiterbauelement neben den Zellen erster Art und den Zellen zweiter Art eine oder mehrere weitere Arten von Zellen aufweist, deren MOSFET jeweils eine Thresholdspannung V _t hn aufweist, die von der ersten Thresholdspannung V _t hi und von der zweiten Thresholdspannung V _t h2 verschieden ist. Für bestimmte Anwendungen kann es sinnvoll sein, noch weitere Unterteilungen vorzunehmen. Wenn Zellen einer dritten Art oder einer vierten Art zusätzlich vorgesehen werden, lässt sich das Verhalten des Halbleiterbauelements für eine größere Art verschiedener Betriebszustände optimieren.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Zellen außer dem jeweiligen MOSFET keine weiteren Elemente umfassen. Es wird so ein konstruktiv besonders einfaches Bauteil erhalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Strom-Spannungs-Diagramm eines aus dem Stand der Technik bekannten Halbleiterbauelements für verschiedene Temperaturen,

Figur 2 einen Graph zur Abhängigkeit von ατ von der Stromstärke für ein aus dem Stand der Technik bekanntes Halbleiterbauelement, Figur 3 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,

Figur 4 ein weiterer Ausschnitt eines erfindungsgemäßen

Halbleiterbauelements,

Figur 5 eine Darstellung einer möglichen Verschaltung der MOSFETs erster Art mit den MOSFETs zweiter Art,

Figur 6 aus dem Stand der Technik bekannte Art von MOSFETs mit

Grabenstruktur,

Figur 7 weitere aus dem Stand der Technik bekannte Art von MOSFETs mit Grabenstruktur, und

Figur 8 weitere aus dem Stand der Technik bekannte Art von MOSFETs mit Grabenstruktur.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Figuren 3 und 4 zeigen Ausschnitte in Draufsicht verschiedener

Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 10. In Figur 3 ist zu erkennen, dass in dem gezeigten Ausschnitt eine sich

wiederholende Struktur vorliegt. Jeder Quadrant der Figur ist mit den anderen drei Quadranten strukturell identisch. In jedem Quadranten sind Zellen erster Art 12 und Zellen zweiter Art 14 angeordnet. Die dargestellten Flächen können dabei von einer Vielzahl von Zellen erster Art 12 beziehungsweise Zellen zweiter Art 14 gebildet werden. Wichtig ist, dass sich die Strukturen in nicht zu kleinem Abstand wiederholen, damit sich eine makroskopisch gesehen gleichmäßige Verteilung der Zellen zweiter Art 14 über die Chipoberfläche ergibt. Es ist weiterhin zu erkennen, dass die Zellen zweiter Art 14 eine kleinere Fläche einnehmen, als die Zellen erster Art 12. Ihre Anzahl ist somit auch geringer als die Anzahl der Zellen erster Art 12. Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 10. Auch hier sind Zellen erster Art 12 und Zellen zweiter Art 14 gezeigt, allerdings in einer von Figur 3a abweichenden Anordnung. Die in jedem Quadranten rechts unten angeordneten Zellen zweiter Ordnung 14 nehmen etwa 25% der Fläche des gesamten Halbleiterbauteils 10 ein. Die einzelnen Metazellen 18 sind rechteckig. Andere Strukturierungen, wie beispielsweise streifenförmige Strukturierungen oder Rechtecke mit

unterschiedlichen Aspektverhältnissen, sind ebenso möglich. Die gesamte in Figur 4 gezeigte Darstellung kann als Darstellung einer Metazelle

16 angesehen werden. Sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung wiederholen sich diese Metazellen viele Male, so dass insgesamt die verschiedenen Zellarten homogen über die Bauteiloberfläche verteilt sind, obwohl innerhalb der

Metazellen eine Struktur mit ungleichmäßiger Verteilung vorliegt. Ebenso kann auch lediglich ein einzelner Quadrant als Metazelle 18 angesehen werden. Auch diese Struktur wiederholt sich offensichtlich im Verlauf der Fläche des

Halbleiterbauelements 10.

Figur 5 zeigt eine Möglichkeit zur Verschaltung der MOSFETs erster Art 20 und der MOSFETs zweiter Art 22. Beide Arten von MOSFETs weisen einen gemeinsamen Sourceanschluss 24, einen gemeinsamen Gateanschluss 26 und einen gemeinsamen Drainanschluss 28 auf und sind somit in einer

Parallelschaltung verschaltet. Die Figuren 6 bis 8 zeigen unterschiedliche Arten von aus dem Stand der

Technik bekannten MOSFETs mit Grabenstruktur, die für die Umsetzung der Erfindung geeignet sind. Figur 6 zeigt einen MOSFET mit einem n-dotiertem Substrat 30, einer darauf aufgewachsenen n-Epitaxieschicht 32, einen Graben 34 mit einer Gateelektrode 36 und einem Gateoxid 37, ein P-Well-Gebiet 38, einem n+ dotierten Sourcebereich 40 und einer Sourceelektrode 42.

Figur 7 unterscheidet sich von Figur 6 lediglich durch eine dickere Schicht Gateoxid 37 unterhalb der Gateelektrode 36. In Figur 8 ist im Graben 34 zusätzlich noch eine Shieldelektrode 44 unterhalb der

Gateelektrode 36 angeordnet.