專利名稱：具有集成霍爾傳感器的半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種具有諸如晶體管的半導(dǎo)體器件和電流測(cè)量器件的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
晶體管廣泛地用作用于開關(guān)提供給負(fù)載的電流的開關(guān)。在許多應(yīng)用中期望測(cè)量通過負(fù)載的電流。已知若干不同的用于測(cè)量分別通過晶體管和負(fù)載的電流的概念。根據(jù)第一概念，分流電阻器與晶體管串聯(lián)連接，并且測(cè)量跨越電阻器的電壓。根據(jù) 歐姆定律，該電壓與通過晶體管的電流成比例。然而，分流電阻器引起功率損失。根據(jù)另一概念，提供在與負(fù)載串聯(lián)連接的負(fù)載晶體管相同的操作點(diǎn)中操作的測(cè)量晶體管，使得通過測(cè)量晶體管的測(cè)量電流與通過負(fù)載的負(fù)載電流成比例。盡管負(fù)載晶體管和測(cè)量晶體管可以被配置成使得測(cè)量電流比負(fù)載電流小得多，但是結(jié)合電流測(cè)量仍出現(xiàn)損失。需要一種包括被配置成與負(fù)載串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件和測(cè)量器件的半導(dǎo)體裝置，其中測(cè)量器件具有極低的損失并且可以在公共的半導(dǎo)體本體中與半導(dǎo)體器件集成。

發(fā)明內(nèi)容
一個(gè)實(shí)施例涉及一種半導(dǎo)體裝置。該半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體本體、半導(dǎo)體器件以及至少一個(gè)霍爾傳感器。該半導(dǎo)體器件包括在半導(dǎo)體本體的第一方向上彼此遠(yuǎn)離布置的第一和第二負(fù)載端子以及在第一和第二負(fù)載端子之間的半導(dǎo)體本體中布置的負(fù)載路徑。至少一個(gè)霍爾傳感器在與第一方向垂直的第二方向上布置在遠(yuǎn)離半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體本體中并且包括兩個(gè)電流提供端子和兩個(gè)測(cè)量端子。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀以下詳細(xì)描述之后并且在查看附圖之后，將認(rèn)識(shí)到另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。


現(xiàn)將參照

示例。附圖用于說明基本原理，使得僅圖示對(duì)理解基本原理所需的方面。附圖未依比例繪制。在附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的特征。圖1包括圖1A至1C，圖示了包括被實(shí)現(xiàn)為晶體管的半導(dǎo)體器件和霍爾傳感器的半導(dǎo)體裝置的第一實(shí)施例。圖2包括圖2A至2C，圖示了包括被實(shí)現(xiàn)為晶體管的半導(dǎo)體器件和霍爾傳感器的半導(dǎo)體裝置的第二實(shí)施例。圖3圖示了包括晶體管和霍爾傳感器的半導(dǎo)體裝置的電路圖。圖4圖示了被實(shí)現(xiàn)為二極管的半導(dǎo)體器件的實(shí)施例。圖5包括圖5A至5C，圖示了包括被實(shí)現(xiàn)為晶體管的半導(dǎo)體器件和霍爾傳感器的半導(dǎo)體裝置的第三實(shí)施例。
圖6包括圖6A至6C，圖示了包括晶體管和霍爾傳感器的半導(dǎo)體裝置的另一實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式在下面的描述中，參照形成描述的一部分的附圖，并且在附圖中借助于圖示示出了其中可以實(shí)踐本發(fā)明的具體實(shí)施例。在這一點(diǎn)上，參照所描述的附圖的取向使用了諸如“頂”、“底”、“前”、“后”、“頭”、“尾”等方向性術(shù)語。由于實(shí)施例的部件可以在許多不同的取向上定位，因此方向性術(shù)語用于圖示的目的而決非進(jìn)行限制。將理解，可以利用其他實(shí)施例并且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)或邏輯的改變而不偏離本發(fā)明的范圍。因此，下面的詳細(xì)描述不要被視為限制性意義，并且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。將理解，除非另外明確指出，否則這里描述的各個(gè)示例性實(shí)施例的特征可以彼此組合。圖1A至IC圖示了包括半導(dǎo)體器件和霍爾傳感器的半導(dǎo)體裝置的第一實(shí)施例。該 半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體本體10。圖1A在截面平面1-1中圖示了半導(dǎo)體本體10的豎直橫截面視圖，圖1B圖示了半導(dǎo)體本體10的第一表面IO1上的俯視圖，并且圖1C圖示了另一豎直截面平面II1-1II中的豎直橫截面視圖。圖1A圖示了其中實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的區(qū)域中的豎直橫截面視圖，并且圖1C圖示了其中實(shí)現(xiàn)霍爾傳感器的區(qū)域中的豎直橫截面視圖。圖1A至IC僅示出了部分半導(dǎo)體本體10，即其中實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件和霍爾傳感器的那些部分。特別地在水平方向上，半導(dǎo)體本體10可以延伸越過圖1A至IC中所示的邊界。參照?qǐng)D1A——示出了半導(dǎo)體器件的豎直橫截面視圖，該半導(dǎo)體器件包括在半導(dǎo)體本體10的第一方向X上彼此遠(yuǎn)離布置的第一和第二負(fù)載端子51、52。在圖1A中所示的實(shí)施例中，第一方向X是半導(dǎo)體本體10的水平方向。半導(dǎo)體器件的負(fù)載路徑布置在半導(dǎo)體本體10內(nèi)的第一和第二負(fù)載端子51、52之間。第一和第二負(fù)載端子51、52可以包括諸如金屬的導(dǎo)電材料，和/或可以包括摻雜半導(dǎo)體區(qū)域。圖1A的半導(dǎo)體器件被實(shí)現(xiàn)為晶體管，其中第一負(fù)載端子51形成源極端子，第二負(fù)載端子52形成漏極端子，并且該晶體管進(jìn)一步包括柵極電極53。柵極電極53布置在第一和第二負(fù)載端子51、52之間。在圖1A中所示的實(shí)施例中，半導(dǎo)體本體10包括兩個(gè)半導(dǎo)體層，即在半導(dǎo)體本體10的豎直方向上彼此相鄰布置的第一半導(dǎo)體層20和第二半導(dǎo)體層30，其中半導(dǎo)體本體10的豎直方向是與第一表面IO1垂直的方向。第一和第二層20、30的半導(dǎo)體材料被選擇為使得在這些半導(dǎo)體層20、30之間存在二維電子氣(2DEG)23。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一半導(dǎo)體層20包括氮化鎵(GaN)，而第二半導(dǎo)體層30包括氮化鋁鎵(AlGaN)。2DEG 23的第一部分是晶體管的負(fù)載路徑的一部分并且在半導(dǎo)體本體10的第一方向X上從第一負(fù)載端子51延伸到第二負(fù)載端子52。由于在第一和第二負(fù)載端子51、52之間延伸的2DEG，晶體管是常通晶體管。被配置成接通和斷開晶體管的柵極電極53布置在源極和漏極端子51、52之間并且電連接到第二層30。柵極電極53在垂直于第一方向x的方向上遠(yuǎn)離2DEG 23布置。通過將適當(dāng)?shù)碾娢皇┘拥綎艠O電極53，可以在第二層30中生成使2DEG 23中斷的耗盡區(qū)域，以便斷開晶體管。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，要施加到柵極電極53以便斷開晶體管的電位是相對(duì)于源極端子51處的電位的負(fù)電位。參照?qǐng)D1A，半導(dǎo)體本體10可以進(jìn)一步包括載體或襯底40，第一和第二半導(dǎo)體層20、30布置在其上。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，載體40包括襯底41以及布置在襯底41和第一層20之間的緩沖層42。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，襯底包括硅(Si)、碳化硅(SiC)或氧化鋁(Al2O3X緩沖層42包括例如氮化鋁(AlN)。參照?qǐng)D1B，霍爾傳感器60在半導(dǎo)體本體10的第二方向y上遠(yuǎn)離晶體管布置。在圖1B中所示的實(shí)施例中，第二方向y也是半導(dǎo)體本體10的水平方向并且垂直于第一方向X延伸。也集成在半導(dǎo)體本體10中的霍爾傳感器60包括兩個(gè)(一對(duì))電流提供端子61p612以及兩個(gè)(一對(duì))測(cè)量端子62^64。在圖1B中所示的實(shí)施例中，電流提供端子611、612和測(cè)量端子62p622布置在半導(dǎo)體本體10的第一表面IO1的區(qū)域中。電流提供端子611、612在半導(dǎo)體本體10的第三方向上彼此遠(yuǎn)離布置并且測(cè)量 端子62p622在半導(dǎo)體本體10的第四方向上彼此遠(yuǎn)離布置。第三和第四方向在圖1B中所示的實(shí)施例中是水平方向。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第三和第四方向之一與第一方向X對(duì)應(yīng)，而第三和第四方向中的另一個(gè)與第二方向I對(duì)應(yīng)。在圖1B中所示的實(shí)施例中，其中電流提供端子611、612彼此遠(yuǎn)離布置的第三方向與第一方向X對(duì)應(yīng)，而其中測(cè)量端子62p622彼此遠(yuǎn)離布置的第四方向與第二方向y對(duì)應(yīng)。參照?qǐng)D1C，霍爾傳感器60包括在半導(dǎo)體本體10的水平面中延伸的2DEG 23的第二部分。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，電流提供端子61p612(在圖1C中不可見)和測(cè)量端子62p622從第一表面IO1延伸到半導(dǎo)體本體10中并且鄰接2DEG 23，使得在霍爾傳感器60中2DEG 23在各個(gè)電流提供端子61ρ612和測(cè)量端子62p622之間延伸。電流提供端子61ρ612和測(cè)量端子62ρ622包括例如諸如金屬的導(dǎo)電材料和/或摻雜半導(dǎo)體區(qū)域?；魻杺鞲衅?0的電流提供端子61ρ612被配置成具有與之連接的電流源，并且測(cè)量端子62p622被配置成具有與之連接的電壓測(cè)量器件。這將參照?qǐng)D3進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1A至IC的霍爾傳感器60的操作原理與傳統(tǒng)的霍爾傳感器的操作原理對(duì)應(yīng)。因此，當(dāng)經(jīng)由電流提供端子61ρ612驅(qū)動(dòng)電流在第三方向上流過霍爾傳感器60，具體地流過霍爾傳感器60中的2DEG 23時(shí)，并且當(dāng)存在與該電流流動(dòng)方向(第三方向)垂直延伸的磁場(chǎng)B時(shí)，可以在測(cè)量端子62p622處測(cè)量電壓。當(dāng)磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，該電壓增加。霍爾傳感器60感測(cè)的磁場(chǎng)B可以得自經(jīng)由第一和第二負(fù)載端子51、52之間的晶體管的負(fù)載路徑流動(dòng)的電流I。當(dāng)該電流增加時(shí)，磁場(chǎng)B的場(chǎng)強(qiáng)度增加，使得可以在測(cè)量端子62p622之間測(cè)量的電壓也增加。因此，可以在測(cè)量端子62p622之間測(cè)量的電壓取決于通過晶體管的負(fù)載路徑的電流I。具體地，該電壓與通過晶體管的電流I成比例。因此，霍爾傳感器60可以用作感測(cè)在晶體管中流動(dòng)的電流的電流傳感器。霍爾傳感器60可以包括偏移，使得即使當(dāng)通過晶體管的電流I為O時(shí)，在測(cè)量端子62p622之間測(cè)量的電壓不同于O。該偏移可以得自外部磁場(chǎng)，該外部磁場(chǎng)是不由晶體管10中流動(dòng)的電流引起的磁場(chǎng)。為了補(bǔ)償該偏移，該半導(dǎo)體裝置可以包括另一霍爾傳感器60’(圖1B中以虛線示出)。該另一霍爾傳感器60’可以如同霍爾傳感器60那樣被實(shí)現(xiàn)并且也在第二方向y上遠(yuǎn)離晶體管10布置，其中霍爾傳感器60和另一霍爾傳感器60’被布置為與漂移區(qū)域11的相對(duì)側(cè)相鄰。晶體管10中的電流感生的磁場(chǎng)B具有它通過霍爾傳感器60時(shí)的第一方向以及它通過另一霍爾傳感器60’時(shí)的相對(duì)的第二方向。然而，外部磁場(chǎng)在霍爾傳感器60、60’兩者中具有相同的方向。因此霍爾傳感器60、60’中的一個(gè)感測(cè)的整體磁場(chǎng)是外部磁場(chǎng)與通過晶體管10的電流感生的磁場(chǎng)的和，而霍爾傳感器60、60’中的另一個(gè)感測(cè)的整體磁場(chǎng)因此是外部磁場(chǎng)和通過晶體管10的電流感生的磁場(chǎng)之間的差。因此通過形成一個(gè)霍爾傳感器60的測(cè)量電壓和另一霍爾傳感器60’的測(cè)量電壓之間的差，可以消除外部磁場(chǎng)的影響?？蛇x地，結(jié)果可以除以2。參照?qǐng)D1A和1C，晶體管可以與霍爾傳感器60電絕緣。為此，槽71可以在晶體管和霍爾傳感器60之間從第一表面IO1延伸到半導(dǎo)體本體10中?？蛇x地，槽71填充有電絕緣材料，諸如氧化物或氮化物。槽71延伸通過2DEG 23，以便將2DEG 23細(xì)分成晶體管中的第一部分和霍爾傳感器60中的第二部分。在圖1A至IC中所示的實(shí)施例中，槽71對(duì)2DEG23和第二層30進(jìn)行細(xì)分但是未對(duì)第一層20進(jìn)行細(xì)分，第一層20在晶體管下方從晶體管延伸到霍爾傳感器60。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,第一半導(dǎo)體層20是本征的。在該情況下,本征第一層20的電阻較之2DEG 23的電阻如此之高，使得晶體管和霍爾傳感器60可以被視為彼此電絕緣。
利用包括氮化鎵的半導(dǎo)體層實(shí)現(xiàn)晶體管并且因此利用包括氮化鎵的半導(dǎo)體層實(shí)現(xiàn)霍爾傳感器60具有如下優(yōu)點(diǎn)該半導(dǎo)體裝置也可以在高溫下使用，諸如高達(dá)400°C的溫度。在該溫度下不能使用傳統(tǒng)的霍爾傳感器中包括的諸如硅、砷化鎵(GaAs)或銻化銦(InSb)的窄帶隙半導(dǎo)體材料。然而，在共同半導(dǎo)體本體中實(shí)現(xiàn)諸如晶體管的半導(dǎo)體器件和霍爾傳感器并且通過使用霍爾傳感器測(cè)量與通過半導(dǎo)體器件的電流相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng)來測(cè)量該電流的基本原理顯然不限于包括氮化鎵的半導(dǎo)體本體。圖2A至2C圖示了包括均在半導(dǎo)體本體10中實(shí)現(xiàn)的晶體管和霍爾傳感器的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例。半導(dǎo)體本體10可以包括硅作為半導(dǎo)體材料。在圖2A至2C中所示的實(shí)施例中，晶體管如同傳統(tǒng)的橫向MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)那樣實(shí)現(xiàn)并且包括電連接到源極端子51的源極區(qū)域13、電連接到漏極端子52并且在第一方向X上遠(yuǎn)離源極區(qū)域13布置的漏極區(qū)域14。晶體管進(jìn)一步包括漂移區(qū)域11和本體區(qū)域12，其中本體區(qū)域12布置在源極區(qū)域13和漂移區(qū)域11之間，并且其中漂移區(qū)域11布置在漏極區(qū)域14和本體區(qū)域12之間。柵極電極53與本體區(qū)域12相鄰布置并且通過柵極電介質(zhì)54與半導(dǎo)體本體10介電絕緣。參照?qǐng)D2A，柵極電極53可以布置在半導(dǎo)體本體10的第一表面IO1上。然而，這僅是示例。柵極電極53還可以布置在從第一表面IO1延伸到半導(dǎo)體本體10中的槽中。晶體管可以被實(shí)現(xiàn)為η型MOSFET或ρ型M0SFET。在η型MOSFET中，源極和漏極區(qū)域13、14以及漂移區(qū)域11被η摻雜，而本體區(qū)域12被ρ摻雜。在ρ型MOSFET中，各個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域與η型MOSFET中的各個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域互補(bǔ)地?fù)诫s。晶體管還可以被實(shí)現(xiàn)為IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)。在IGBT中漏極區(qū)域14與漂移區(qū)域11互補(bǔ)地?fù)诫s。MOSFET可以被實(shí)現(xiàn)為增強(qiáng)(常斷)M0SFET或者耗盡(常通)M0SFET。在增強(qiáng)MOSFET中，本體區(qū)域12鄰接?xùn)艠O電介質(zhì)54，而在耗盡MOSFET中，摻雜類型與源極區(qū)域13和漂移區(qū)域11相同的溝道區(qū)域(未示出)沿柵極電介質(zhì)54在本體區(qū)域12和柵極電介質(zhì)54之間延伸。根據(jù)圖2A的MOSFET的操作原理與傳統(tǒng)的MOSFET的操作原理對(duì)應(yīng)。當(dāng)在漏極和源極端子D、S之間施加負(fù)載電壓時(shí)并且當(dāng)柵極電極53被偏置使得在源極區(qū)域13和漂移區(qū)域11之間在本體區(qū)域12中存在傳導(dǎo)溝道時(shí)，MOSFET傳導(dǎo)電流(接通)。當(dāng)本體區(qū)域12中的傳導(dǎo)電流中斷時(shí)，MOSFET斷開。
霍爾傳感器60可以與參照?qǐng)D1A至IC說明的霍爾傳感器對(duì)應(yīng)，不同之處在于圖2A至2C的霍爾傳感器60不包括2DEG。半導(dǎo)體本體10可以包括與漂移區(qū)域11的摻雜濃度對(duì)應(yīng)的基本摻雜濃度，其中源極區(qū)域13、本體區(qū)域12和漏極區(qū)域14是通過注入和/或擴(kuò)散工藝產(chǎn)生的較高摻雜區(qū)域。本體區(qū)域12的摻雜類型可以與源極區(qū)域13、漏極區(qū)域14和漂移區(qū)域11的摻雜類型互補(bǔ)。布置在霍爾傳感器60的電流提供端子61p612和測(cè)量端子62p6 之間的半導(dǎo)體區(qū)域可以具有與基本摻雜濃度對(duì)應(yīng)的摻雜濃度。根據(jù)另一實(shí)施例，霍爾傳感器60包括布置在電流提供端子61ρ612和測(cè)量端子62p622之間的較高摻雜區(qū)域65。參照?qǐng)D2C,霍爾傳感器60可選地包括控制電極63,其在第一方向x上從第一提供端子Gl1延伸到第二提供端子612，通過控制電介質(zhì)64與半導(dǎo)體本體10介電絕緣并且布置在半導(dǎo)體本體10的第一表面IO1上方?？刂齐姌O63被配置為在第一和第二提供端子61p612之間沿半導(dǎo)體本體10的第一表面IO1生成傳導(dǎo)溝道。當(dāng)?shù)谝缓偷诙峁┒俗?br> 之間的半導(dǎo)體區(qū)域具有與第一和第二提供端子61ρ612相同的摻雜類型時(shí)，該傳導(dǎo)溝道是積累溝道，并且當(dāng)?shù)谝缓偷诙峁┒俗?1ρ612之間的半導(dǎo)體區(qū)域具有與第一和第二提供 端子61p612的摻雜類型互補(bǔ)的摻雜類型時(shí)，該傳導(dǎo)溝道是反型溝道。沿控制電介質(zhì)64的傳導(dǎo)溝道是具有高電荷載流子遷移率的區(qū)域，其與半導(dǎo)體本體的GaN層和AlGaN層之間的2DEG相似。經(jīng)由連接到控制電極63的控制端子(C)控制該高電荷載流子遷移率的生成。如同參照?qǐng)D1A至IC說明的實(shí)施例中的那樣，霍爾傳感器60可以通過槽71與晶體管分離，槽71可選地填充有電絕緣材料72。此外，如同根據(jù)圖1A至IC的實(shí)施例中的那樣，在根據(jù)圖1A至IC的實(shí)施例中可以提供另一霍爾傳感器60’。在圖2B中以虛線示出了該另一霍爾傳感器60’。參照?qǐng)D2A和2C，半導(dǎo)體本體10可以包括襯底80，半導(dǎo)體層布置在襯底80上，其中形成了漂移區(qū)域11、本體區(qū)域12、源極區(qū)域13和漏極區(qū)域14。襯底80可以包括半導(dǎo)體襯底81以及布置在襯底81和具有有源晶體管區(qū)域的半導(dǎo)體層之間的絕緣層82。絕緣層82是例如氧化物層。在圖1A至IC中所示的實(shí)施例和圖2A至2C中所示的實(shí)施例中，槽71可以環(huán)繞晶體管和霍爾傳感器60中的一個(gè)。在圖1B和2B中所示的實(shí)施例中，槽71環(huán)繞霍爾傳感器60。圖3示出了圖1A至IC和圖2A至2C的半導(dǎo)體裝置的等效電路圖。在圖3的電路圖中，附圖標(biāo)記I表示晶體管并且附圖標(biāo)記60表示霍爾傳感器。參照?qǐng)D3，晶體管I可以與負(fù)載Z串聯(lián)連接，其中具有負(fù)載Z和晶體管I的串聯(lián)電路可以連接在正供電電位V+和負(fù)供電電位或參考電位GND的端子之間。通過向晶體管I的柵極端子(G)提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)Sd可以接通和斷開晶體管1，使得晶體管I用作接通和斷開負(fù)載Z的電子開關(guān)。霍爾傳感器60布置在與晶體管I相同的半導(dǎo)體本體10 (在圖3中以點(diǎn)劃線示出)中。在操作中，電流源81連接到電流提供端子61ρ612并且驅(qū)動(dòng)電流160通過霍爾傳感器60。電壓測(cè)量器件82連接到測(cè)量端子62p622并且提供表示測(cè)量端子62p622之間的電壓的電壓測(cè)量信號(hào)V60。由于該電壓也表示由霍爾傳感器60感測(cè)的磁場(chǎng)，并且由于磁場(chǎng)取決于通過晶體管I的負(fù)載電流I，因此電壓測(cè)量信號(hào)V60也表示通過晶體管I的負(fù)載電流I。將半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)為晶體管僅是示例。代替晶體管，半導(dǎo)體器件也可以被實(shí)現(xiàn)為適于傳導(dǎo)負(fù)載電流的任何其他類型的半導(dǎo)體器件。參照?qǐng)D4，半導(dǎo)體器件可以例如被實(shí)現(xiàn)為二極管，特別是p-1-n 二極管。在二極管中，第一負(fù)載端子51連接到ρ型發(fā)射極區(qū)域15并且形成陽極端子A，而第二負(fù)載端子52連接到η型發(fā)射極區(qū)域16并且形成陰極端子K。在第一和第二發(fā)射極區(qū)域15、16之間布置了漂移區(qū)域或基極區(qū)域11。漂移區(qū)域11是ρ型區(qū)域或η型區(qū)域并且具有比第一和第二發(fā)射極區(qū)域15、16的摻雜濃度低的摻雜濃度。根據(jù)漂移區(qū)域11的摻雜類型，在第一發(fā)射極區(qū)域15和漂移區(qū)域11之間或者在第二發(fā)射極區(qū)域16和漂移區(qū)域11之間形成pn結(jié)。當(dāng)在陽極和陰極端子A、K之間施加使pn結(jié)正向偏置的電壓時(shí)，二極管傳導(dǎo)電流。該去往二極管的電流引起了可以被霍爾傳感器60感測(cè)的磁場(chǎng)。圖5A至5C圖示了包括被實(shí)現(xiàn)為晶體管的半導(dǎo)體器件和霍爾傳感器160的半導(dǎo)體裝置的另一實(shí)施例。晶體管和霍爾傳感器60在包括第一表面IlO1和第二表面IlO2的公共半導(dǎo)體本體110中實(shí)現(xiàn)。圖5A圖示了半導(dǎo)體本體110的豎直橫截面視圖，圖5B圖示了半導(dǎo)體本體110的水平橫截面視圖并且圖5C圖示了在其中實(shí)現(xiàn)霍爾傳感器160的區(qū)域中的半導(dǎo)體本體110的透視截面視圖。
參照?qǐng)D5A，晶體管被實(shí)現(xiàn)為豎直槽晶體管并且包括漂移區(qū)域111、本體區(qū)域112、源極區(qū)域113和漏極區(qū)域114。源極區(qū)域113和漏極區(qū)域114在半導(dǎo)體本體110的豎直方向上彼此遠(yuǎn)離布置。本體區(qū)域112布置在源極區(qū)域113和漂移區(qū)域111之間，并且漂移區(qū)域111布置在漏極區(qū)域114和本體區(qū)域112之間。柵極電極121布置于在豎直方向上從第一表面IlO1延伸到半導(dǎo)體本體110中的槽中。柵極電極121被布置為與本體區(qū)域112相鄰并且通過柵極電介質(zhì)122與本體區(qū)域112介電絕緣。晶體管可以包括多個(gè)晶體管單元，其中每個(gè)晶體管單元包括源極區(qū)域113、本體區(qū)域112和一部分柵極電極121。漂移區(qū)域111和漏極區(qū)域114可以對(duì)于各個(gè)晶體管單元是公共的。各個(gè)晶體管單元并聯(lián)連接。為此，源極電極151電連接到各個(gè)晶體管單元的源極區(qū)域113和本體區(qū)域112。源極電極151形成了第一負(fù)載端子，并且電連接到漏極區(qū)域114的漏極電極152形成第二負(fù)載端子。在圖5A中所示的實(shí)施例中，源極電極151布置在半導(dǎo)體本體的第一表面IlO1上并且漏極電極152布置在半導(dǎo)體本體110的第二表面IlO2上。參照?qǐng)D5B，柵極電極121可以包括多個(gè)帶形(細(xì)長(zhǎng)的)柵極電極部分，其中源極和本體區(qū)域113、112布置在柵極電極121的這些部分之間。實(shí)現(xiàn)具有帶形柵極電極部分的柵極電極121僅是示例。柵極電極121還可以被實(shí)現(xiàn)為具有矩形或任何其他多邊形幾何特征的網(wǎng)格。柵極電極121的各個(gè)部分電連接到公共柵極電極G (圖5A中示意性示出)。如同參照?qǐng)D2A至2C說明的晶體管，圖5A和5B的槽晶體管可以被實(shí)現(xiàn)為η型MOSFET或IGBT或者ρ型MOSFET或IGBT晶體管并且可以被實(shí)現(xiàn)為增強(qiáng)或耗盡晶體管。關(guān)于MOSFET或IGBT中的源極區(qū)域113、本體區(qū)域112、漂移區(qū)域113和漏極區(qū)域114的摻雜類型，參照上文的圖2Α至2C的描述，其也適用于根據(jù)圖5Α的晶體管。僅出于說明目的，假設(shè)晶體管被實(shí)現(xiàn)為η型增強(qiáng)M0SFET。在該情況下，源極區(qū)域113、漂移區(qū)域111和漏極區(qū)域114被η摻雜，而本體區(qū)域112被ρ摻雜。當(dāng)在電連接到漏極區(qū)域114的漏極端子D和電連接到源極電極151的源極端子S之間施加正電壓時(shí)，并且當(dāng)向柵極端子G施加生成源極區(qū)域113和漂移區(qū)域111之間的本體區(qū)域112中的傳導(dǎo)溝道的電位時(shí)，該MOSFET傳導(dǎo)電流I (在圖5Α中示意性示出)。該電流引起磁場(chǎng)B，其也在圖5Α和5Β中示意性示出。該磁場(chǎng)B可以由霍爾傳感器160感測(cè)以便評(píng)估通過晶體管的負(fù)載電流I。
在圖5A的晶體管中，晶體管的負(fù)載路徑包括漂移區(qū)域111。源極和漏極端子151、152形成晶體管的第一和第二負(fù)載端子。負(fù)載路徑延伸的第一方向X與半導(dǎo)體本體110的豎直方向?qū)?yīng)?；魻杺鞲衅?60在與第一方向X垂直延伸的第二方向y上遠(yuǎn)離晶體管布置。在圖5A中所示的實(shí)施例中，第二方向y是半導(dǎo)體本體110的水平或橫向方向。參照?qǐng)D5A至5C，霍爾傳感器160包括控制電極163，其通過控制電極電介質(zhì)164與半導(dǎo)體本體110介電絕緣。如同柵極電極121，控制電極163布置于在豎直方向上從第一表面IlO1延伸到半導(dǎo)體本體10中的槽中。該槽是縱向槽，其被取向?yàn)槭沟每刂齐姌O電介質(zhì)164和半導(dǎo)體本體110之間的界面區(qū)域至少大致與第二方向I垂直。通過向控制電極163施加適當(dāng)?shù)碾娢唬梢匝卦摻缑鎱^(qū)域生成具有高電荷載流子遷移率的區(qū)域。具有高電荷載流子遷移率的該區(qū)域與半導(dǎo)體本體的GaN層和AlGaN層之間的2DEG相似。電流提供端子161ρ1612鄰接控制電極電介質(zhì)164并且彼此遠(yuǎn)離布置。在圖5Β和5C中所示的實(shí)施例中，這些電流提供端子161ρ1612在與第二方向y垂直的方向上彼此遠(yuǎn)離布置。此外，這些電流提供端子161ρ1612布置在半導(dǎo)體本體10的第一表面IlO1的區(qū)域中。然而，這僅是示例。這些電流提供端子也可以被布置為遠(yuǎn)離第一表面IlOp參照?qǐng)D5B，第一測(cè)量端子162i布置在電流提供端子161ρ1612之間。第二測(cè)量端子1622由漏極端子(如圖5A中所示)形成，或者在第二方向I上遠(yuǎn)離第一測(cè)量端子162i布置并且通過具有控制電極163和控制電介質(zhì)164的槽與第一測(cè)量端子162i分離。電流提供端子Iei1Uei2、第一測(cè)量端子162i和可選地第二測(cè)量端子1622被實(shí)現(xiàn)為摻雜半導(dǎo)體區(qū)域。這些半導(dǎo)體區(qū)域可以電連接到用于連接電流源(參見圖3中的81)和電壓測(cè)量器件(參見圖3中的82)的端子電極(圖5A至5C中未示出)。參照?qǐng)D5A，霍爾傳感器160的控制電極163電連接到控制端子C，其在下文中還將被稱為霍爾傳感器控制端子C?？刂齐姌O163被配置成控制沿電流提供端子161ρ1612和測(cè)量端子162^16 之間的控制電極電介質(zhì)164的導(dǎo)電溝道，諸如反型溝道。電流提供端子161ρ1612和測(cè)量端子162ρ1622是與鄰接控制電極電介質(zhì)164并且其中嵌入電流提供端子Iei1Uei2的第一半導(dǎo)體區(qū)域165互補(bǔ)摻雜的摻雜半導(dǎo)體區(qū)域。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，電流提供端子Iei1Uei2的摻雜類型與源極區(qū)域113和漂移區(qū)域iii的摻雜 類型對(duì)應(yīng)，并且第一半導(dǎo)體區(qū)域165的摻雜類型與本體區(qū)域112的摻雜類型對(duì)應(yīng)。在該情況下，控制電極C可以電連接到柵極電極G。在該情況下，每當(dāng)將生成源極區(qū)域113和漂移區(qū)域111之間的本體區(qū)域112中的反型溝道的電位施加到柵極電極G時(shí)，即每當(dāng)MOSFET接通時(shí)，控制電極163生成電流提供端子Iei1Uei2之間的和電壓測(cè)量端子162ρ1622之間的傳導(dǎo)溝道。在該實(shí)施例中，霍爾傳感器160僅在MOSFET接通時(shí)激活。電流提供端子Wl1Uei2W置在其中的第一半導(dǎo)體區(qū)域165可以具有與本體區(qū)域112相同的摻雜濃度并且可以延伸到半導(dǎo)體本體10中與本體區(qū)域112 —樣深。此外，具有控制電極163的槽的尺寸可以與具有柵極電極121的槽的尺寸對(duì)應(yīng)。在該情況下，具有控制電極163的槽通過第一半導(dǎo)體區(qū)域165延伸到第二半導(dǎo)體區(qū)域166中，第二半導(dǎo)體區(qū)域166可以具有與漂移區(qū)域111的摻雜濃度對(duì)應(yīng)的摻雜濃度。根據(jù)第二測(cè)量端子1622位于第一表面IlO1處還是由漏極端子D形成，第一和第二測(cè)量端子162^16 之間的導(dǎo)電路徑僅沿柵極電介質(zhì)164從在槽底部周圍的槽的一側(cè)的第一測(cè)量端子162i延伸到在槽的另一側(cè)的第二測(cè)量端子1622，或者從第一測(cè)量端子162i沿控制電極電介質(zhì)164延伸并且通過第二半導(dǎo)體區(qū)域166到漏極區(qū)域114和漏極端子152。電流提供端子Iei1Uei2可以布置在測(cè)量端子162ρ1622的位置處并且測(cè)量端子162^1622可以布置在電流提供端子161ρ1612的位置處。根據(jù)另一實(shí)施例，電流提供端子Iei1Uei2和測(cè)量端子162^16 與源極區(qū)域113和漂移區(qū)域111互補(bǔ)地?fù)诫s，并且第一半導(dǎo)體區(qū)域165與本體區(qū)域112互補(bǔ)地?fù)诫s。在該情況下第一區(qū)域165的摻雜濃度和摻雜類型可以與第二區(qū)域166的摻雜濃度和摻雜類型對(duì)應(yīng)。在該情況下提供另外的控制電路(未示出)用于控制沿各個(gè)端子Iei1Uei2Uez1Uez2之間的控制電極電介質(zhì)164的傳導(dǎo)溝道的生成。當(dāng)?shù)谝粎^(qū)域165被η摻雜時(shí)，需要相對(duì)于第一區(qū)域165的電位的控制電極163的負(fù)電位以便生成沿控制電極電介質(zhì)164的傳導(dǎo)溝道。參照?qǐng)D5Α，絕緣層170可以布置在晶體管和霍爾傳感器160之間。該絕緣層170可以在豎直方向上從第一表面IlO1延伸到漏極區(qū)域114。提供具有與MOS晶體管的柵極電極相似的控制電極的霍爾傳感器160的基本原理(顯然不限于)將與豎直槽晶體管結(jié)合使用。 圖6Α至6C圖示了包括橫向MOS晶體管的半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例。圖6Α圖示了其中集成了晶體管和霍爾傳感器的半導(dǎo)體本體10上的俯視圖，圖6Β圖示了其中實(shí)現(xiàn)晶體管的區(qū)域中的豎直橫截面視圖，并且圖6C圖示了其中實(shí)現(xiàn)霍爾傳感器的區(qū)域中的豎直橫截面視圖。參照?qǐng)D6Α和6Β，晶體管被實(shí)現(xiàn)為MOS晶體管，其包括在第一方向χ上彼此遠(yuǎn)離布置的源極區(qū)域113和漏極區(qū)域114，第一方向χ是半導(dǎo)體本體110的水平方向。電連接到源極區(qū)域113的源極電極151形成第一負(fù)載端子，并且電連接到漏極區(qū)域114的漏極電極152形成第二負(fù)載端子。MOS晶體管進(jìn)一步包括本體區(qū)域112和漂移區(qū)域111，其中本體區(qū)域112布置在源極區(qū)域和漂移區(qū)域111之間并且漂移區(qū)域111布置在漏極區(qū)域114和本體區(qū)域112之間。柵極電極121布置在半導(dǎo)體本體IlO1的表面IlO1上方并且通過柵極電介質(zhì)與本體區(qū)域112介電絕緣。如同參照?qǐng)D2Α至2C并且參照?qǐng)D5Α至5C說明的晶體管，圖6Α和6Β的晶體管可以被實(shí)現(xiàn)為η型MOSFET或IGBT或者ρ型MOSFET或IGBT晶體管并且可以被實(shí)現(xiàn)為增強(qiáng)或耗盡晶體管。關(guān)于MOSFET或IGBT中的源極區(qū)域113、本體區(qū)域112、漂移區(qū)域113和漏極區(qū)域114的摻雜類型，參照上文的圖2Α至2C的描述，其也適用于根據(jù)圖6Α和6Β的晶體管。參照?qǐng)D6Α，霍爾傳感器160在與第一方向垂直的第二方向y上遠(yuǎn)離晶體管布置，并且在該實(shí)施例中第二方向y如同第一方向χ那樣也是水平方向。霍爾傳感器160包括控制電極163,其布置在第一表面IlO1上方并且通過控制電極電介質(zhì)164與半導(dǎo)體本體110介電絕緣。電流提供端子16^、1612和電流測(cè)量端子162^16 是摻雜區(qū)域并且至少部分地布置在控制電極163下方。電流提供端子Iei1Uei2在第三方向上彼此遠(yuǎn)離布置并且測(cè)量端子162^162；^在第四方向上彼此遠(yuǎn)離布置,其中第三和第四方向中的一個(gè)可以對(duì)應(yīng)于第一方向，而第三和第四方向中的另一個(gè)可以對(duì)應(yīng)于第二方向。電流提供端子161ρ1612和測(cè)量端子1621、1622 W置在第一半導(dǎo)體區(qū)域165中。關(guān)于第一半導(dǎo)體區(qū)域165以及電流提供端子Iei1Uei2和測(cè)量端子162ρ1622的摻雜類型和操作原理，參照?qǐng)D5Α至5C的描述，其相應(yīng)地適用于圖6Α至6C的霍爾傳感器。諸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上”等的空間相對(duì)術(shù)語用于易化描述以說明一個(gè)元件相對(duì)于第二元件的定位。這些術(shù)語旨在涵蓋除了與附圖中描述的取向不同的取向以外的器件的不同取向。此外，諸如“第一”、“第二”等的術(shù)語也用于描述各種元件、區(qū)域、部分等，并且也并非旨在進(jìn)行限制。在說明書通篇中相同的術(shù)語指示相同的元件。如這里使用的術(shù)語“具有”、“包含”、“包括(including)”^包括(comprising)”等是開放性術(shù)語，其指示所陳述的元件或特征的存在，但是并未排除另外的元件或特征。除非上下文另外清楚地指示，否則冠詞“一個(gè)(a、an)”和“該(the)”旨在包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)。
考慮以上變化和應(yīng)用范圍，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受前面的描述限制，也不受附圖限制。相反，本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求及其法律等同物限制。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，包括 半導(dǎo)體本體； 半導(dǎo)體器件，包括在所述半導(dǎo)體本體的第一方向上彼此遠(yuǎn)離布置的第一負(fù)載端子和第二負(fù)載端子以及在所述第一負(fù)載端子和第二負(fù)載端子之間的所述半導(dǎo)體本體中布置的負(fù)載路徑；以及 至少一個(gè)霍爾傳感器，在與所述第一方向垂直的第二方向上遠(yuǎn)離所述半導(dǎo)體器件布置在所述半導(dǎo)體本體中并且包括兩個(gè)電流提供端子和兩個(gè)測(cè)量端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述半導(dǎo)體本體包括在所述半導(dǎo)體本體的豎直方向上相鄰布置的第一半導(dǎo)體層和第二半導(dǎo)體層以及在所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層之間的二維電子氣(2DEG)，并且其中所述半導(dǎo)體器件的負(fù)載路徑包括所述2DEG的第一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述霍爾傳感器包括所述2DEG的第二部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一層包括GaN并且所述第二層包括AlGaN0
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第一方向是所述半導(dǎo)體本體的水平方向，并且所述第二方向是所述半導(dǎo)體本體的水平方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述半導(dǎo)體本體進(jìn)一步包括布置在所述半導(dǎo)體器件和所述霍爾傳感器之間的槽，所述槽延伸通過所述2DEG。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述槽填充有電絕緣材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述槽在所述半導(dǎo)體本體的水平面中環(huán)繞所述半導(dǎo)體器件和所述霍爾傳感器中的一個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述半導(dǎo)體器件是包括由所述第一負(fù)載端子形成的源極端子、由所述第二負(fù)載端子形成的漏極端子以及布置在所述源極端子和漏極端子之間的柵極電極的晶體管，所述柵極電極接觸所述第二半導(dǎo)體層并且在所述半導(dǎo)體本體的豎直方向上遠(yuǎn)離所述2DEG布置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述電流提供端子在所述半導(dǎo)體本體的第三水平方向上彼此遠(yuǎn)離布置并且所述測(cè)量端子在所述半導(dǎo)體本體的第四方向上彼此遠(yuǎn)離布置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述第三方向和第四方向中的一個(gè)與所述第一方向?qū)?yīng)并且所述第三方向和第四方向中的另一個(gè)與所述第二方向?qū)?yīng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中第一和第二方向是垂直的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述霍爾傳感器進(jìn)一步包括控制電極，該控制電極與布置在所述電流提供端子和所述測(cè)量端子之間的半導(dǎo)體區(qū)域相鄰布置并且通過控制電極電介質(zhì)與所述半導(dǎo)體區(qū)域介電絕緣。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述半導(dǎo)體器件是MOS晶體管并且進(jìn)一步包括 源極區(qū)域，電連接到所述第一負(fù)載端子； 漏極區(qū)域，電連接到所述第二負(fù)載端子；漂移區(qū)域； 本體區(qū)域，布置在所述源極區(qū)域和所述漂移區(qū)域之間，所述漂移區(qū)域布置在所述本體區(qū)域和所述漏極區(qū)域之間；以及 柵極電極，與所述本體區(qū)域相鄰布置并且通過柵極電介質(zhì)與所述半導(dǎo)體本體介電絕緣。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述控制電極布置于在所述半導(dǎo)體本體的豎直方向上延伸的槽中，并且所述控制電極被實(shí)現(xiàn)為具有縱向方向的縱向電極。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體裝置，其中從所述提供端子或所述測(cè)量端子中選擇的第一對(duì)端子在所述控制電極的縱向方向上彼此遠(yuǎn)離布置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置，其中從自所述提供端子或所述測(cè)量端子中選擇的第二對(duì)端子中，第一端子布置在所述第一對(duì)端子的各端子之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置，其中從所述第二對(duì)端子中，第二端子通過包括所述控制電極的所述槽與所述第一端子分離。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述半導(dǎo)體器件是MOS晶體管并且從所述第二對(duì)端子中，第二端子由所述MOS晶體管的漏極端子形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，進(jìn)一步包括 電流源，連接到所述霍爾傳感器的電流提供端子；以及 電壓測(cè)量器件，連接到所述霍爾傳感器的測(cè)量端子。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有集成霍爾傳感器的半導(dǎo)體裝置。一種半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體本體和半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括在半導(dǎo)體本體的第一方向上彼此遠(yuǎn)離布置的第一和第二負(fù)載端子以及在第一和第二負(fù)載端子之間的半導(dǎo)體本體中布置的負(fù)載路徑。該半導(dǎo)體裝置進(jìn)一步包括至少一個(gè)霍爾傳感器，其在與第一方向垂直的第二方向上遠(yuǎn)離半導(dǎo)體器件布置在半導(dǎo)體本體中?；魻杺鞲衅靼▋蓚€(gè)電流提供端子和兩個(gè)測(cè)量端子。
文檔編號(hào)H01L27/02GK103022028SQ20121035385
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者H.安格雷爾, L.格爾根斯, F.希爾勒, G.波佐維沃, W.里格爾, M.聰?shù)聽?申請(qǐng)人:英飛凌科技奧地利有限公司