JP2012099695A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過渡状態における温度検知の遅れ時間を短縮可能な半導体装置を提供すること。
【解決手段】本半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、前記半導体基板の温度を検知する温度検知素子と、前記温度検知素子を被覆する絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記温度検知素子の少なくとも一部を被覆する金属部と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度検知機能を有する半導体装置に関する。

半導体装置の高速動作（スイッチング等）により半導体装置が発熱する場合がある。半導体装置が発熱すると、半導体装置が誤動作したり熱破壊したりする問題が生じる。そこで、半導体装置の温度を正確に検知する必要があり、近年、温度検知機能を有する半導体装置に関して様々な提案がされている。

例えば、半導体基板の発熱部と温度検知素子（センサ）との間を電気的に分離した半導体装置が提案されている。この半導体装置は、寄生動作をなくし、高精度の温度検知を可能とする点で優れている。しかし、この半導体装置では、温度検知素子の下にＰＮ接合部を形成しなければならないため、温度検知素子の配置位置が制限されるという問題があった。

そこで、温度検知素子の下の半導体層の拡散構造に制限されずに、半導体基板と温度検知素子との間を電気的に分離し、温度検知機能を損なう事なく寄生動作もなくすことができる半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２６２７９号公報

しかしながら、半導体装置によっては、半導体基板上に温度検知素子を設ける必要がある場合がある。このような半導体装置では、温度検知素子は、例えばポリイミドを主成分とする絶縁性樹脂等により封止されている。

このような半導体装置では、定常状態においては、半導体基板の発した熱は温度検知素子を封止する絶縁性樹脂を経由して温度検知素子に伝達するため、半導体基板の温度と温度検知素子の温度は一致する。しかし、負荷短絡等の電流が急激に流れ、温度が急上昇する過渡状態においては、温度検知素子を封止する絶縁性樹脂の熱伝導性の低さに起因して、半導体基板の発熱開始から温度検知素子の温度検知までの遅れ時間が大きくなり、温度検知精度が低下する問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、過渡状態における温度検知の遅れ時間を短縮可能な半導体装置を提供することを課題とする。

本半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、前記半導体基板の温度を検知する温度検知素子と、前記温度検知素子を被覆する絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記温度検知素子の少なくとも一部を被覆する金属部と、を有することを要件とする。

本半導体装置において、前記金属部は、前記半導体基板と外部との信号入出力を行う電極の一部であってもよい。

本半導体装置において、前記半導体基板内の前記一方の面側には、複数のトレンチと、前記複数のトレンチ内に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、が形成され、前記半導体基板の前記一方の面上にはエミッタ電極が形成され、前記半導体基板の他方の面上にはコレクタ電極が形成され、前記金属部はエミッタ電極であってもよい。

本半導体装置において、前記温度検知素子はダイオードであり、前記金属部は、少なくとも前記ダイオードのＰＮ接合部を被覆するように形成されていてもよい。

本半導体装置において、前記温度検知素子は抵抗であってもよい。

本半導体装置において、前記抵抗は、所定の抵抗値の第１領域と、前記第１領域よりも高抵抗値の第２領域と、を含み、前記金属部は、少なくとも前記第２領域を被覆するように形成されていてもよい。

本発明によれば、過渡状態における温度検知の遅れ時間を短縮可能な半導体装置を提供できる。

第１の実施の形態に係る半導体装置を例示する平面図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置を例示する断面図である。 比較例に係る半導体装置を例示する平面図である。 比較例に係る半導体装置を例示する断面図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置で発生した熱の流れを例示する断面図である。 第１の実施の形態の変形例２に係る半導体装置を例示する平面図である。 第１の実施の形態の変形例２に係る半導体装置を例示する断面図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置を例示する平面図である。図２は、第１の実施の形態に係る半導体装置を例示する断面図である。なお、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。図１及び図２に例示する半導体装置１０は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；以下、ＩＧＢＴとする）である。ＩＧＢＴは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ回路を構成する部品である。インバータ回路は、ＩＧＢＴのスイッチング動作（ＯＮ／ＯＦＦ動作）により直流電流を所定の交流電流に変換する回路であり、スイッチング動作時にＩＧＢＴが発熱する。

ＩＧＢＴは、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-oxide-semiconductor Field effect transistor）とバイポーラトランジスタとを１チップに複合した半導体素子であり、ＭＯＳゲートによる高速スイッチング性能とバイポーラトランジスタ動作による高耐圧、高導通特性を兼ね備えている。特に、後述のように、ゲートをトレンチ構造にすることにより、オン電圧と高速スイッチング性能とを両立することができる。

図１及び２を参照するに、半導体装置１０において、半導体基板３０には単位セル３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃが形成されている。単位セル３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃは、並列に接続されている。

単位セル３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃにおいて、半導体基板３０内の一方の面３０ｍ側には、複数のゲートトレンチ３０ｘが形成されている。それぞれのゲートトレンチ３０ｘの壁面には、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等であるゲート絶縁膜３１が形成されている。それぞれのゲート絶縁膜３１内には、トレンチゲート電極３２が形成されている。各トレンチゲート電極３２は、並列に接続されている。トレンチゲート電極３２の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等を用いることができる。

半導体基板３０内の一方の面３０ｍ近傍には、ｎ型のエミッタ領域３３と、ｐ型のボディコンタクト領域３４が選択的に形成されている。エミッタ領域３３は、ゲート絶縁膜３１と接するように形成されており、ボディコンタクト領域３４は隣接するエミッタ領域３３の間に形成されている。

半導体基板３０内のエミッタ領域３３及びボディコンタクト領域３４の下側にはｐ型のボディ領域３５が形成され、ボディ領域３５の更に下側にはｎ−型のドリフト層３６が形成されている。半導体基板３０内のドリフト層３６の更に下側にはｎ＋型のバッファ層３７が形成され、バッファ層３７の下側には、ｐ＋型のコレクタ層３８が形成されている。

単位セル３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃにおいて、半導体基板３０の一方の面３０ｍのゲートトレンチ３０ｘ上には、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等である絶縁膜４０が形成されている。又、単位セル３０ａ及び３０ｃにおいて、半導体基板３０の一方の面３０ｍ上には、絶縁膜４０を被覆するように、それぞれエミッタ電極５０が形成されている。エミッタ電極５０の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等を用いることができる。エミッタ電極５０の材料として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）の積層体や、アルミニウム（Ａｌ）とチタン（Ｔｉ）の積層体、アルミニウム（Ａｌ）とチタンナイトライド（ＴｉＮ）の積層体等を用いても構わない。

単位セル３０ｂにおいて、半導体基板３０内の一方の面３０ｍ側には、分離領域３９が形成されている。分離領域３９は、温度検知素子６０を形成するための領域であり、分離領域３９にはゲートトレンチ３０ｘは形成されていない。分離領域３９は、電流が流れない無効領域である。半導体基板３０の一方の面３０ｍの分離領域３９上には温度検知素子６０が形成され、更に温度検知素子６０を被覆するように、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等の絶縁膜７０が形成されている。

エミッタ電極５１は、絶縁膜４０と絶縁膜７０を介して温度検知素子６０の少なくとも一部を被覆するように形成されている。絶縁膜７０は、エミッタ電極５１と温度検知素子６０とが短絡することを防止するために設けられている。絶縁膜７０の厚さは、例えば、１μｍ程度とすることができる。絶縁膜７０の厚さは比較的薄いため、絶縁膜７０の存在は、半導体基板３０で発生した熱が温度検知素子６０に伝わるまでの時間遅れにはほとんど影響しない。

エミッタ電極５１の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等の熱伝導性の高い金属材料を用いることができる。エミッタ電極５１の材料として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）の積層体や、アルミニウム（Ａｌ）とチタン（Ｔｉ）の積層体、アルミニウム（Ａｌ）とチタンナイトライド（ＴｉＮ）の積層体等を用いても構わない。

本実施の形態では、温度検知素子６０にＰＮ接合部を有するダイオードを用いている。エミッタ電極５１は、少なくともダイオードである温度検知素子６０のＰＮ接合部を被覆するように形成されている。温度検知素子６０の一端（例えばＰＮ接合部のＰ側）は配線６１ａを介してパッド６２ａと電気的に接続されている。又、温度検知素子６０の他端（例えばＰＮ接合部のＮ側）は配線６１ｂを介してパッド６２ｂと電気的に接続されている。パッド６１ａとパッド６１ｂとの間の信号をモニタすることにより、ダイオードのＶｆの温度特性を利用して半導体装置１０の温度検知が可能となる。

単位セル３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃにおいて、半導体基板３０の他方の面３０ｎ上にはコレクタ電極８０が形成されている。コレクタ電極８０の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等の熱伝導性の高い金属材料を用いることができる。コレクタ電極８０の材料として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）の積層体や、アルミニウム（Ａｌ）とチタン（Ｔｉ）の積層体、アルミニウム（Ａｌ）とチタンナイトライド（ＴｉＮ）の積層体等を用いても構わない。

ここで、比較例を用いて、半導体装置１０の有する特有の効果について説明する。図３は、比較例に係る半導体装置を例示する平面図である。図４は、比較例に係る半導体装置を例示する断面図である。なお、図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。図３及び図４を参照するに、比較例に係る半導体装置１００において、半導体基板３０の一方の面３０ｍの分離領域３９上には温度検知素子６０が形成され、更に温度検知素子６０を被覆するように、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等の絶縁膜７０が形成されている。

更に、比較例に係る半導体装置１００では、第１の実施の形態に係る半導体装置１０とは異なり、絶縁膜７０を被覆するように、例えばポリイミド等を主成分とする絶縁性樹脂１１０が形成されている。つまり、第１の実施の形態に係る半導体装置１０とは異なり、温度検知素子６０のＰＮ接合部を被覆する金属部（エミッタ電極）は形成されていない。

図４において、発熱部１００ｈは、半導体装置１００が動作したときに発熱する部分である。又、矢印１２０は、発熱部１００ｈで発生した熱の流れを示している。矢印１２０に示すように、発熱部１００ｈで発生した熱は、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等の熱伝導性の良い材料から形成されたエミッタ電極５１０内では素早く伝達するが、熱伝導性の悪いポリイミド等を主成分とする絶縁性樹脂１１０内では素早く伝達することができない。その結果、発熱部１００ｈの発熱開始から温度検知素子６０の温度検知までの遅れ時間が大きくなり、過渡状態における温度検知精度が低下する。

図５は、第１の実施の形態に係る半導体装置で発生した熱の流れを例示する断面図である。図５において、発熱部１０ｈは、半導体装置１０が動作したときに発熱する部分である。又、矢印１２は、発熱部１０ｈで発生した熱の流れを示している。半導体装置１０では、半導体装置１００とは異なり、温度検知素子６０上には、絶縁膜７０を介してポリイミド等を主成分とする絶縁性樹脂１１０が形成されていない。そのため、矢印１２に示すように、発熱部１０ｈで発生した熱は、アルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等の熱伝導性の良い材料から形成されたエミッタ電極５１内を素早く伝達する。その結果、発熱部１０ｈの発熱開始から温度検知素子６０の温度検知までの遅れ時間を短縮することが可能となり、過渡状態における温度検知精度を向上できる。

なお、発明者の検討（シミュレーション）によれば、比較例に係る半導体装置１００では、発熱部１００ｈの発熱開始から温度検知素子６０の温度検知までの時間は約３００μｓ程度であった。一方、第１の実施の形態に係る半導体装置１０では、発熱部１０ｈの発熱開始から温度検知素子６０の温度検知までの時間は約５０μｓ程度であった。つまり、発明者の検討（シミュレーション）により、第１の実施の形態に係る半導体装置１０では、比較例に係る半導体装置１００に比べて、発熱部の発熱開始から温度検知素子６０の温度検知までの時間が大幅に短縮できることが確認された。

このように、第１の実施の形態では、半導体装置に、半導体基板の温度を検知する温度検知素子としてダイオードを形成し、ダイオードを被覆する絶縁膜を介して、ダイオードの少なくともＰＮ接合部を被覆するように金属部（エミッタ電極）を形成する。その結果、半導体基板の発熱部で発生した熱は、熱伝導性の良い金属部内を素早く伝達してダイオードのＶｆの温度特性を決めるＰＮ接合部へ到達するため、発熱部の発熱開始から温度検知素子の温度検知までの遅れ時間を短縮することが可能となり、過渡状態における温度検知精度を向上できる。

又、過渡状態における温度検知精度が向上するため、半導体装置の熱破壊を防止することが可能となり、半導体装置の品質を向上できる。

〈第１の実施の形態の変形例１〉
第１の実施の形態では、温度検知素子としてダイオードを用い、ダイオードのＶｆの温度特性を利用して半導体装置１０の温度検知を行う例を示したが、第１の実施の形態の変形例１では、温度検知素子として抵抗値が一様である抵抗を用い、抵抗値の温度特性を利用して半導体装置１０の温度検知を行う例を示す。

第１の実施の形態の図１及び図２において、温度検知素子６０としてダイオードに代えて抵抗値が一様である抵抗を用いることができる。エミッタ電極５１は、少なくとも抵抗である温度検知素子６０の一部を被覆するように形成されている。

温度検知素子６０の一端は配線６１ａを介してパッド６２ａと電気的に接続されている。又、温度検知素子６０の他端は配線６１ｂを介してパッド６２ｂと電気的に接続されている。パッド６１ａとパッド６１ｂとの間の信号をモニタすることにより、抵抗値の温度特性を利用して半導体装置１０の温度検知が可能となる。抵抗である温度検知素子６０の材料としては、例えば、抵抗値が一様であるポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）等を用いることができる。

このように、第１の実施の形態の変形例１では、半導体装置に、半導体基板の温度を検知する温度検知素子として抵抗値が一様である抵抗を形成し、温度検知素子である抵抗を被覆する絶縁膜を介して、温度検知素子である抵抗の少なくとも一部を被覆するように金属部（エミッタ電極）を形成する。その結果、半導体基板の発熱部で発生した熱は、熱伝導性の良い金属部内を素早く伝達して温度検知素子である抵抗の一部へ到達するため、発熱部の発熱開始から温度検知素子の温度検知までの遅れ時間を短縮することが可能となり、過渡状態における温度検知精度を向上できる。

又、過渡状態における温度検知精度が向上するため、半導体装置の熱破壊を防止することが可能となり、半導体装置の品質を向上できる。

〈第１の実施の形態の変形例２〉
第１の実施の形態の変形例１では、温度検知素子として抵抗値が一様である抵抗を用い、抵抗値の温度特性を利用して半導体装置１０の温度検知を行う例を示したが、第１の実施の形態の変形例２では、温度検知素子として抵抗値が一様でない抵抗を用い、抵抗値の温度特性を利用して半導体装置１０の温度検知を行う例を示す。

図６は、第１の実施の形態の変形例２に係る半導体装置を例示する平面図である。図７は、第１の実施の形態の変形例２に係る半導体装置を例示する断面図である。なお、図７は、図６のＢ−Ｂ線に沿う断面を示している。

図６及び７を参照するに、半導体装置１０Ａにおいて、温度検知素子６０Ａは抵抗値が一様でない抵抗である。温度検知素子６０Ａにおいて、６８は高抵抗領域を示し、６９は高抵抗領域６８よりも抵抗の低い低抵抗領域を示している。エミッタ電極５１は、少なくとも温度検知素子６０Ａの高抵抗領域６８を被覆するように形成されている。

温度検知素子６０Ａの一端は配線６１ａを介してパッド６２ａと電気的に接続されている。又、温度検知素子６０Ａの他端は配線６１ｂを介してパッド６２ｂと電気的に接続されている。パッド６１ａとパッド６１ｂとの間の信号をモニタすることにより、抵抗値の温度特性を利用して半導体装置１０の温度検知が可能となる。

抵抗である温度検知素子６０Ａの材料としては、例えば、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）等を用いることができる。抵抗である温度検知素子６０Ａの材料としてポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）を用いた場合には、例えば、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）にボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等のイオンを注入し、その注入量を領域ごとに変えることにより、高抵抗領域６８及び低抵抗領域６９を作製することができる。ボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）等のイオンの注入量が低いほどイオンの濃度が低くなり、抵抗値は高くなる。つまり、イオンの濃度が低い領域が高抵抗領域６８となり、イオンの濃度が高い領域が低抵抗領域６９となる。

このように、第１の実施の形態の変形例２では、半導体装置に、半導体基板の温度を検知する温度検知素子として抵抗値が一様でない抵抗（高抵抗領域及び低抵抗領域を有する抵抗）を形成し、温度検知素子である抵抗を被覆する絶縁膜を介して、温度検知素子である抵抗の少なくとも高抵抗領域を被覆するように金属部（エミッタ電極）を形成する。その結果、半導体基板の発熱部で発生した熱は、熱伝導性の良い金属部内を素早く伝達して温度検知素子である抵抗の高抵抗領域へ到達するため、発熱部の発熱開始から温度検知素子の温度検知までの遅れ時間を短縮することが可能となり、過渡状態における温度検知精度を向上できる。

又、過渡状態における温度検知精度が向上するため、半導体装置の熱破壊を防止することが可能となり、半導体装置の品質を向上できる。

更に、半導体基板の発熱部で発生した熱は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等の熱伝導性の良い材料から形成されたエミッタ電極内を素早く伝達して高抵抗領域のみに到達するため、抵抗値の変動に対する温度検知感度を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態及びその変形例について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態及びその変形例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及びその変形例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、第１の実施の形態及びその変形例では、半導体装置が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である場合の例を示した。しかしながら、半導体装置は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）には限定されず、例えば、電界効果トランジスタ（Field effect transistor：ＦＥＴ）等であっても構わない。半導体装置が電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である場合は、ソース電極やドレイン電極を例えばアルミニウム（Ａｌ）やニッケル（Ｎｉ）等の熱伝導性の良い材料により形成し、絶縁膜を介して温度検知素子の少なくとも一部を被覆する金属部とすることができる。

１０、１０Ａ 半導体装置
１０ｈ 発熱部
１２ 矢印
３０ 半導体基板
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 単位セル
３０ｍ 半導体基板３０の一方の面
３０ｎ 半導体基板３０の他方の面
３０ｘ ゲートトレンチ
３１ ゲート絶縁膜
３２ トレンチゲート電極
３３ エミッタ領域
３４ ボディコンタクト領域
３５ ボディ領域
３６ ドリフト層
３７ バッファ層
３８ コレクタ層
３９ 分離領域
４０、７０ 絶縁膜
５０、５１ エミッタ電極
６０、６０Ａ 温度検知素子
６１ａ、６１ｂ 配線
６２ａ、６２ｂ パッド
６８ 高抵抗領域
６９ 低抵抗領域
８０ コレクタ電極

Claims (6)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の一方の面上に形成された、前記半導体基板の温度を検知する温度検知素子と、
   前記温度検知素子を被覆する絶縁膜と、
   前記絶縁膜を介して前記温度検知素子の少なくとも一部を被覆する金属部と、を有する半導体装置。
2. 前記金属部は、前記半導体基板と外部との信号入出力を行う電極の一部である請求項１記載の半導体装置。
3. 前記半導体基板内の前記一方の面側には、複数のトレンチと、前記複数のトレンチ内に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、が形成され、
   前記半導体基板の前記一方の面上にはエミッタ電極が形成され、
   前記半導体基板の他方の面上にはコレクタ電極が形成され、
   前記金属部はエミッタ電極である請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 前記温度検知素子はダイオードであり、
   前記金属部は、少なくとも前記ダイオードのＰＮ接合部を被覆するように形成されている請求項１乃至３の何れか一項記載の半導体装置。
5. 前記温度検知素子は抵抗である請求項１乃至３の何れか一項記載の半導体装置。
6. 前記抵抗は、所定の抵抗値の第１領域と、前記第１領域よりも高抵抗値の第２領域と、を含み、
   前記金属部は、少なくとも前記第２領域を被覆するように形成されている請求項５項記載の半導体装置。

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