DE3687952T2 - Halbleiterbauelement mit Überhitzungsschutzmittel. - Google Patents

Halbleiterbauelement mit Überhitzungsschutzmittel.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine Halbleitervorrichtung dieses Typs ist aus der DE-A-30 07 403 bekannt. Dieses Dokument offenbart eine Halbleitervorrichtung, welche ein Halbleitersubstrat aufweist, wenigstens ein aktives Halbleiterelement, welches auf dem Halbleitersubstrat in einem Leistungsbereich desselben gebildet ist. Des weiteren ist ein Wärmefühlerelement in der Form eines Transistors zum Erfassen einer jeweiligen Temperatur des Halbleitersubstrats vorgesehen, worin eine Schutzschaltung (Komparator) eine weitere Wärmeerzeugung des aktiven Halbleiterelements (der aktiven Halbleiterelemente) unterbricht, wenn die von dem Wärmefühlerelement erfaßte Temperatur einen vorherbestimmten Wert überschreitet. Das Wärmefühlerelement und die Schutzschaltung sind in einem anderen Bereich des Halbleitersubstrats gebildet, wodurch im Sinne des Anspruchs 1 ein /Steuerbereich. gebildet wird.
  • Das Dokument EP-A-0 060 635 offenbart eine Halbleitervorrichtung, welche ein Schutzelement zum Schützen des MOSFET's der Vorrichtung vor einem externen Spannungsstoß oder ähnlichem umfaßt. Das Schutzelement ist daher aus einer Diode gebildet, so daß es möglich ist, daß dort ein parasitärer Transistor gebildet wird, welcher den MOSFET zerstören kann. Um die Bildung eines solchen parasitären Transistors zu verhindern, ist zwischen dem Schutzelement und dem darunterliegenden Substratbereich ein Isolierfilm vorgesehen. Dieses Dokument offenbart jedoch nicht die Verwendung eines Wärmefühlerelements.
  • Ein Nachteil der aus der DE-A-3 007 403 bekannten Halbleitervorrichtung ist jedoch darin zu sehen, daß es nicht möglich ist, das Halbleitersubstrat und das Wärmefühlerelement unabhängig voneinander abzugleichen. Darüber hinaus ist diese bekannte Halbleitervorrichtung dahingehend nachteilig, daß das Wärmefühlerelement unter gewissen Voraussetzungen nicht schnell genug auf eine Überhitzungsbedingung in dem Fall anspricht, bei welchem die Temperatur sehr schnell ansteigt. Daher könnten die thermischen Schutzeigenschaften dieser bekannten Halbleitervorrichtung noch verbessert werden.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart zu verbessern, daß es möglich ist, die Schutzschaltung von irgendeinem Einfluß des Halbleitersubstrats vollständig zu entkoppeln und eine bessere thermische Schutzansprechzeit vorzusehen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch die vorteilhaften Maßnahmen gelöst, welche in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angezeigt sind.
  • Es ist herausgefunden worden, daß diese Maßnahmen eine sehr schnelle Ansprechzeit auf ein Anwachsen der Temperatur bieten, da der Zentralteil des Halbleitersubstrats lediglich eine schwache Hitzestrahlungscharakteristik besitzt, so daß die Temperatur desselben leicht ansteigt. Auf diese Weise wird eine bessere thermische Schutzansprechzeit erzielt. Durch die vorteilhaften Maßnahmen des Anspruchs 1 ist es des weiteren möglich, das Halbleitersubstrat und das Wärmefühlerelement unabhängig voneinander abzugleichen. Auf diese Weise bietet die vorliegende Erfindung den zusätzlichen Vorteil, daß die Schutzschaltung vollständig von irgendeinem Einfluß des Halbleitersubstrats entkoppelt werden kann.
  • Die Erfindung kann besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in welchen:
  • Fig. 1 eine ebene Ansicht einer Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, welche die Positionen der verschiedenen Bereiche der Vorrichtung zeigt;
  • Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Vorrichtung entlang der Linie α-α von Fig. 1 zeigt;
  • Fig. 3 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des Steuerabschnitts zeigt, welcher innerhalb der Halbleitervorrichtung vorgesehen ist;
  • Fig. 4 einen Graphen zeigt, welcher die Beziehung zwischen der Temperatur des Übergangs eines MOS-Leistungstransistors und der Gatespannung des Transistors und ebenso die Beziehung zwischen der Temperatur und der Drainspannung des Transistors erläutert;
  • Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines anderen Steuerabschnitts zeigt, welcher in der Vorrichtung von Fig. 1 vorgesehen werden kann;
  • Fig. 6 bis 8 Graphen darstellen, welche die Charakteristik von polykristallinen Siliziumdioden repräsentieren, welche in der Vorrichtung von Fig. 1 verwendet werden;
  • Fig. 10 ein Schaltungsdiagramm eines anderen Steuerabschnitts zeigt;
  • Fig. 11 einen Graphen darstellt, welcher die Beziehung zwischen der Gatespannung des MOS-Transistors, welcher in dem Steuerabschnitt von Fig. 10 verwendet wird, und der Temperatur des Übergangs des MOS-Transistors zeigt; und
  • Fig. 12 ein Schaltungsdiagramm eines weiteren Steuerabschnitts zeigt, welcher in der Vorrichtung von Fig. 1 verwendet werden kann.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische ebene Ansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung, welche eine Einrichtung zum Schützen der Vorrichtung gegen Überhitzung aufweist. Die Vorrichtung umfaßt ein Halbleitersubstrat 11. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der größere Teil des Substrats 11 ein Leistungsbereich 12. Eine Halbleiterschaltung, welche aktive Elemente enthält, ist im Leistungsbereich 12 gebildet. Der Zentralteil des Substrats 11, welcher die Fähigkeit niederer Hitzestrahlung besitzt und leicht auf eine hohe Temperatur erhitzt werden kann, ist ein Steuerbereich 13, welcher arbeitet, um Temperatur zu erfassen. Anschlußstreifen 14 und 15 sind auf dem Halbleitersubstrat 11 gebildet. Der Anschluß 14 wird verwendet, um die Gateelektroden der aktiven Elemente aufzunehmen, und der Anschluß 15 wird verwendet, um die Sourceelektroden der aktiven Elemente aufzunehmen.
  • Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Halbleitervorrichtung entsprechend der Linie α-α. Die Figur zeigt insbesondere den Steuerbereich 13 und den Teil des Leistungsbereichs 12, welcher den Bereich 13 umgibt. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist ein MOS-Leistungstransistor des Vertikaltyps (ein aktives Element) 22 in dem Leistungsbereich 12 gebildet. Andere (nicht gezeigte) MOS-Leistungstransistoren sind in dem Leistungsbereich 12 gebildet. Ein MOS-Transistor 22 und andere (nicht gezeigte) MOS-Leistungstransistoren sind in Reihen und Spalten angeordnet und parallel angeschlossen, wodurch eine Halbleiterschaltung einer Vielfach-Source-Struktur gebildet wird.
  • Ein Isolierfilm 24 ist auf dem Steuerbereich 13 gebildet. Eine Vielzahl von polykristallinen Siliziumdioden 25 sind auf dem Isolierfilm 24 gebildet. Die Dioden 25 sind in Serie angeschlossen, wodurch ein Wärmefühlerelement gebildet wird. Ein MOS-Transistor 26 vom lateralen Typ, ein polykristalliner Siliziumwiderstand 27 und eine Konstantspannungs-Zenerdiode 28 sind um die Dioden 25 vorgesehen. Der Transistor 26, Widerstand 27 und die Zenerdiode 28 bilden einen Steuerabschnitt.
  • Die Struktur der Halbleitervorrichtung wird in einem größeren Detail hinblicklich Fig. 2 beschrieben. Das Halbleitersubstrat 11 ist ein Siliziumsubstrat 111 vom N&spplus;-Typ. Eine Siliziumepitaxialschicht 112 vom N&supmin;-Typ ist auf dem Substrat 111 gebildet. Eine tiefe Diffusionsschicht 291 vom P-Typ ist in dem Teil der Epitaxialschicht 112 gebildet, welche dem Leistungsbereich 12 entspricht. Eine Diffusionsschicht 292 vom P-Typ, welche dem Steuerbereich 13 entspricht, ist auf ähnliche Weise gebildet. Des weiteren ist eine flache Schicht 30 eines P-Typs, welche der Diffusionsschicht 291 vom P-Typ entspricht, gebildet. Des weiteren ist eine Diffusionsschicht 31 vom N&spplus;-Typ, welche dem MOS-Transistor 22 des Vertikaltyps entspricht, gebildet. Diffusionsschichten 321 und 322 des N&spplus;-Typs, welche dem MOS-Transistor 26 des lateralen Typs entsprechen, sind gebildet. Eine Diffusionsschicht des N&spplus;-Typs, welche der Konstantspannungs-Zenerdiode 28 entspricht, ist gebildet. Des weiteren ist eine Diffusionsschicht 34 des P&spplus;-Typs gebildet.
  • Der MOS-Leistungstransistor 22 weist eine Siliziumepitaxialschicht 112, ein Siliziumsubstrat 111 und einen Drain D auf, welcher aus der Drainelektrode 35 errichtet ist. Das Gate G des Transistors 22 ist aus einer polykristallinen Siliziumschicht 37 gebildet, welche auf der Gateoxidschicht 36 gebildet ist. Das Source S des Transistors 22 ist aus einer Aluminiumelektrode 39 errichtet, welche den Isolationsfilm 38 der Zwischenschicht überdeckt, welcher wiederum die polykristalline Siliziumschicht 37 überdeckt.
  • Wenn die Gatespannung an das Gate G von dem Anschluß 40 über den Anschlußstreifen 14 angelegt wird, wird zwischen der Siliziumepitaxialschicht 112 und den Diffusionsschichten 31 und 32 des N&spplus;-Typs ein Kanal gebildet. Als Ergebnis flieht ein Strom zwischen dem Source S und dem Drain D, genauer gesagt zwischen den Anschlüssen 41 und 42.
  • Wie oben beschrieben, ist die Diffusionsschicht 291 des P- Typs teilweise in der Diffusionsschicht 30 des P-Typs gebildet und ist tiefer als die Schicht 30. Daher kann der MOS- Leistungstransistor 22 vor einer übermäßig hohen Spannung geschützt werden. Die Diffusionsschichten 30 und 291 des P- Typs, welche diese spezifische positionelle Beziehung zueinander haben, bestimmen die Durchbruchsspannung des MOS-Transistors 22.
  • Der MOS-Transistor 26 des lateralen Typs besitzt ein Source, welches aus einer Diffusionsschicht 321 des N&spplus;-Typs und einer Aluminiumelektrode 43 und einer Kontaktschicht 321 gebildet ist, einen Drain, welcher aus einer Diffusionsschicht 322 des N&spplus;-Typs und einer Aluminiumelektrode 44 und einer Kontaktschicht 322 errichtet ist, und ein Gate, welches aus einer polykristallinen Siliziumschicht 45 errichtet ist. Die Siliziumschicht 46 ist auf dem Gateoxidfilm 45 gebildet, welcher wiederum teilweise auf den Schichten 321 und 322 und teilweise auf der Diffusionsschicht 292 des P-Typs gebildet ist. Wenn die Gatespannung an das Gate von dem Anschluß 47 angelegt wird, wird unter der polykristallinen Siliziumschicht 46 und den Diffusionsschichten 321 und 322 des N&spplus;- Typs ein N-Kanal gebildet. Als Ergebnis flieht Strom zwischen dem Anschluß 48 (Source) und dem Anschluß 49 (Drain).
  • Die Konstantspannungs-Zenerdiode 28 umfaßt Diffusionsschichten 33 und 34. Aluminiumelektroden 50 und 51 kontaktieren die Schichten 34 bzw. 33. Die Elektroden 50 und 51 sind mit den Anschlüssen 52 und 53 verbunden.
  • Der Isolierfilm 24 ist beispielsweise aus SiO&sub2; durch thermische Oxidation auf der Diffusionsschicht 292 gebildet, welche den Steuerbereich 13 einnimmt. Ein polykristalliner Siliziumwiderstand 27 und eine polykristalline Siliziumdiode 25, welche einen PN-Übergang besitzen, sind auf dem Isolierfilm 24 gebildet.
  • Der Widerstand 27 ist aus der polykristallinen Siliziumschicht 55 errichtet. Aluminiumelektroden 56 und 57 kontaktieren die Schicht 55 und sind an die Anschlüsse 58 und 59 angeschlossen. Die Diode 25 ist durch Eindiffundieren einer vorgeschriebenen Verunreinigung in die polykristalline Siliziumschicht 60 gebildet, wodurch ein PN-Übergang gebildet wird. Die Aluminiumelektrode 61 ist auf dem Teil der Schicht 60 des P-Typs gebildet, und eine Aluminiumelektrode 62 ist auf dem Teil der Schicht 60 des N-Typs gebildet. Die Elektroden 61 und 62 sind an die Anschlüsse 63 und 64 angeschlossen.
  • Fig. 3 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm, welches die Halbleitervorrichtung von Fig. 2 darstellt. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um dieselben Komponenten, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, zu bezeichnen, außer den Bezugszeichen 271 bis 273, welche polykristalline Siliziumwiderstände bezeichnen; RL repräsentiert einen Lastwiderstand, welcher an eine externe Vorrichtung angeschlossen ist, und Vdd bezeichnet eine externe Leistungsquelle.
  • Wenn die Temperatur des Siliziumsubstrats 111 unterhalb eines vorherbestimmten Wertes liegt, d. h. wenn der Übergang des MOS-Leistungstransistors 22 eine normale Temperatur aufweist, wird der Transistor 22 durch die Eingangsspannung Vin eingeschaltet. Wenn die Temperatur des Siliziumsubstrats 111 sich über einen vorherbestimmten Wert erhebt, d. h. wenn der Übergang des MOS-Leistungstransistors 22 eine übermäßig hohe Temperatur aufweist, verringert sich die Durchflußspannung der polykristallinen Siliziumdiode 25, welche als ein Wärmefühlerelement fungiert. Die Diode 25 weist einen besonders negativen Temperaturkoeffizienten auf. Je mehr sie erhitzt wird, desto stärker fällt daher ihre Durchflußspannung. Wenn sich die Durchflußspannung der Diode 25 verringert, hebt der Widerstand 163 die Gate-Source-Spannung des lateralen MOS- Transistors 26.
  • Wenn dessen Gate-Source-Spannung sich erhöht, wird der MOS- Transistor 26 eingeschaltet. Wenn der Widerstand 272 eine Größe aufweist, welche sehr viel höher ist als die des Widerstands des MOS-Transistors 26 im eingeschalteten Zustand, wird das Potential am Punkt 40, an welchem die Drainelektrode des Transistors 26 angeordnet ist und an welchen das Gate G des MOS-Leistungstransistors 22 gekoppelt ist, abrupt fallen, wenn die Temperatur des Substrats 111 sich über einen vorherbestimmten Wert erhebt.
  • Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Gatespannung Vg und der Drainspannung Vd des MOS-Leistungstransistors 22 einerseits und der Temperatur des Übergangs des MOS-Transistors. Wenn die Temperatur des Übergangs sich auf 130ºC oder darüber erhebt, wird der Transistor 26 eingeschaltet, wodurch schnell die Gatespannung Vg auf 0 Volt reduziert wird, um den MOS-Leistungstransistor 22 zu schützen. Um genau zu sein, wenn die Temperatur sich auf etwa 130ºC erhebt, wird der Transistor 22 gewaltsam ausgeschaltet, wodurch die Elemente vor Zerstörung geschützt werden.
  • Wie erklärt worden ist, sind die polykristalline Siliziumschicht 25 (d. h. das Wärmefühlerelement) und der Siliziumwiderstand 27 auf dem Isolierfilm 24 vorgesehen, welcher auf dem Steuerbereich 13 liegt. Dieses strukturelle Merkmal macht es leicht, diese Elemente unabhängig abzugleichen. Daher treten herrührend von diesen Merkmalen keine parasitären Aktionen zwischen diesen Elementen auf. Da darüber hinaus die polykristalline Siliziumdiode 25, welche als Wärmefühlerelement fungiert, in dem Steuerbereich 13 angeordnet ist, d. h. in dem Zentralteil des Substrats 11, kann sie genau den Temperaturanstieg des Substrats 11 resultierend von einem Ansteigen der Temperatur des Übergangs des MOS-Leistungstransistors 22 messen und kann daher einen verläßlichen Schutz der Elemente vor einem Ausfall bieten.
  • Die Elemente auf dem Isolierfilm 24 können in denselben Schritten wie der MOS-Leistungstransistor 22 errichtet werden. Mit anderen Worten, es sind keine zusätzlichen Schritte nötig, durchgeführt zu werden, um diese Elemente herzustellen. Der polykristalline Siliziumwiderstand 27 kann abgeglichen werden. Alternativ kann die Referenztemperatur auf irgendeinen gewünschten Wert durch Bilden einer geforderten Anzahl von PN-Übergängen in der polykristallinen Siliziumdiode 27 gesetzt werden.
  • In der obigen Ausführungsform werden die Siliziumdiode 25 und der Siliziumwiderstand 27, welche beide in dem Steuerbereich 13 gebildet sind, auf dem Isolierfilm 24 gebildet. Alle anderen Elemente können ebenso auf dem Isolierfilm 24 gebildet werden. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist es darüber hinaus möglich, auf dem Isolierfilm 24 einen lateralen MOS- Transistor 261 und die Konstantspannungs-Zenerdiode 28 direkt auf der Diffusionsschicht 292 zu bilden. Alternativ kann der laterale Transistor 261 auf der Diffusionsschicht 292 und die Zenerdiode 28 auf dem Isolierfilm 24 gebildet werden.
  • In der obigen Ausführungsform besitzen die MOS-Transistoren 22 und 26 einen N-Kanal. Es ist nicht nötig, zu sagen, daß sie so gebildet werden können, daß sie einen P-Kanal besitzen. Die Ausführungsform, d. h. die Halbleitervorrichtung, besitzt ein aktives Element, einen MOS-Leistungstransistor. Dieser MOS-Transistor kann durch einen bipolaren Transistor oder einen Leistungs-IC ersetzt werden. Des weiteren kann die polykristalline Siliziumdiode 25, welche als Hitzefühlerelement fungiert, durch einen gewöhnlichen Thermistor ersetzt werden. Darüber hinaus können die polykristallinen Siliziumwiderstände durch Widerstände ersetzt werden, welche aus Tantalnitrid hergestellt sind.
  • Es ist im allgemeinen schwierig, Dioden herzustellen, welche die Durchbruchsentwurfscharakteristik oder die Temperaturentwurfscharakteristik aufweisen, wenn die Dioden aus polykristallinem Silizium hergestellt werden, welches durch Abscheiden von Silizium gebildet ist. Die polykristalline Siliziumdiode, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, besitzt sowohl die Durchbruchsentwurfscharakteristik als auch die Temperaturentwurfscharakteristik. Sie umfaßt ein P-Typ-Gebiet und ein N-Typ-Gebiet, welche einen PN-Übergang bilden. Die Anreicherungsbereiche, welche niedrige Verunreinigung aufweisen, der N-Typ- und P-Typ-Gebiete besitzen Verunreinigungsanreicherungen von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ oder darüber.
  • In der polykristallinen Siliziumdiode wird das Gebiet einer Siliziuminsel, welches ein N-Typ-Gebiet werden wird, mit Phosphor, einer N-Typ-Verunreinigung, dotiert und das Gebiet, welches ein P-Typ-Gebiet werden wird, wird mit Bor dotiert, einer P-Typ-Verunreinigung. Die Anreicherung von Bor beeinflußt stark die Durchbruchscharakteristik und die Temperaturcharakteristik der Diode. Die Anreicherung von Bor wird auf 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ ausgewählt, wodurch der Diode die gewünschte Durchbruchscharakteristik und Temperaturcharakteristik verliehen wird. Daher ist die Diode in hohem Male zuverläßlich.
  • Hinblicklich Fig. 2 wird das Verfahren des Bildens der polykristallinen Diode 25 kurz erklärt.
  • Zuerst wird ein polykristalliner Siliziumfilm, welcher eine Dicke von etwa 2000 Å bis etwa 5000 Å besitzt, durch das CVD-Verfahren auf dem Isolierfilm 24 gebildet, welcher durch thermische Oxidation auf dem Siliziumsubstrat 11 gebildet ist. Der Siliziumfilm wird danach durch Plasmaätzen strukturiert. Phosphorionen werden in den strukturierten polykristallinen Siliziumfilm injiziert, wodurch ein N-Typ-Gebiet gebildet wird. Des weiteren werden Borionen in den Teil des Siliziumfilms injiziert, welcher das N-Typ-Gebiet umgibt, wodurch ein P-Typ-Gebiet gebildet wird. Danach wird das nicht fertiggestellte Produkt erhitzt, wodurch die Phosphor- und Borionen aktiviert werden. Ein Isolierfilm einer Zwischenschicht aus Siliziumoxid oder ähnlichem wird durch das CVD-Verfahren auf der oberen Oberfläche des nicht fertiggestellten Produktes gebildet.
  • Das polykristalline Silizium, welches zur Bildung der Diode der oben beschriebenen Struktur verwendet wird, wird mit zahllosen Kristallen ausgestattet. Ein Anlagerungsterm (trap level) existiert an den Schnittstellen unter diesen Kristallen. Ladungsträger werden daher an den Anlagerungstermen angelagert und errichten unvermeindlich ein Sperrschichtpotential.
  • Dieses Sperrschichtpotential hängt größtenteils von der Qualität des polykristallinen Siliziumfilms ab. Es wird schließlich die Charakteristik der polykristallinen Siliziumdiode stark beeinflußt. Insbesondere wird der Wert des Sperrschichtpotentials durch den Betrag der Verunreinigung bestimmt, welche in dem polykristallinen Silizium vorhanden ist. Je größer der Umfang der Verunreinigung ist, desto geringer ist das Sperrschichtpotential. Daher müssen die Anreicherungsbereiche mit niedriger Verunreinigung der N- und P-Typ-Gebiete, welche die polykristalline Siliziumdiode bilden, eine relativ hohe Verunreinigungskonzentration haben, um die Charakteristik der Diode zu stabilisieren.
  • Fig. 6 repräsentiert die Beziehung zwischen der Borkonzentration des P-Typ-Gebiets der Diode und der Durchbruchsspannung der Diode. Fig. 7 zeigt das Verhältnis zwischen dieser Borkonzentration und der Differenz der Durchbruchspannung unter den Dioden. Fig. 8 erläutert die Beziehung zwischen der Borkonzentration und dem Temperaturkoeffizienten der Durchlaßspannung. Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Borkonzentration und der Differenz des Temperaturkoeffizienten unter den Dioden.
  • Wie in Fig. 7 und 9 gezeigt ist, nimmt die Differenz der Durchbruchspannung und die Differenz des Temperaturkoeffizienten stark ab, wenn das P-Typ-Gebiet eine Borkonzentration von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ oder mehr aufweist. Die polykristalline Siliziumdiode 35, deren P-Typ-Gebiet eine Borkonzentration von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ aufweist, besitzt sowohl eine Widerstandsentwurfsspannung (design withstand voltage) als auch eine Temperaturentwurfscharakteristik.
  • Anstatt die Borkonzentration des P-Typ-Gebiets der Diode 35 zu steuern, kann die Konzentration einer N-Typ-Verunreinigung (beispielsweise Phosphor oder Arsen) zum Zwecke des Verleihens einer Widerstandsentwurfsspannung und einer Temperaturcharakteristik der Diode gesteuert werden. In diesem Fall wird ebenfalls die Konzentration der N-Typ-Verunreinigung auf 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ gesetzt.
  • Fig. 10 zeigt einen anderen Steuerabschnitt, welcher im Steuergebiet 13 gebildet ist. Dieser Steuerabschnitt weist eine Einheit 100 zum Schutze der Vorrichtung vor einer übermäßigen Temperaturanhebung auf, eine Hystereseeinheit 200 und eine Gateschutzeinheit 300. Die Einheit 100 ist ähnlich der in Fig. 3 gezeigten Schutzeinheit.
  • Um den Steuerabschnitt von Fig. 10 zu erzeugen, werden eine polykristalline Siliziumdiode 25, ein MOS-Transistor 26 des lateralen Typs, ein polykristalliner Siliziumwiderstand 27 (271 bis 275), eine Konstantspannungs-Zenerdiode 28 und ähnliches auf dem Steuergebiet 13 gebildet, dem Zentralteil des Halbleitersubstrats 11, Seite an Seite in derselben Ebene, wie in Fig. 1 erläutert ist. Die polykristalline Siliziumdiode 25 oder ein Hitzefühlerelement ist aus einer Vielzahl von Siliziuminseln zusammengesetzt. Die Siliziuminseln bilden die PN-Übergänge der in Serie geschalteten Diodenelemente.
  • Die Hystereseeinheit 200 weist einen MOS-Transistor 70 auf, eine Diode 71, usw., welche in dem Steuergebiet 13 gebildet sind. Der MOS-Transistor 70 ist ein Transistor des lateralen Typs. Die Einheit 300 umfaßt eine Anzahl von Dioden 73, welche entweder innerhalb oder außerhalb des Steuergebiets 13 gebildet sind.
  • Der Steuerabschnitt von Fig. 10 ist vorteilhaft gegenüber dem Steuerabschnitt von Fig. 3 im Hinblick auf folgenden Aspekt. In dem in Fig. 3 gezeigten Abschnitt kann der Drain des MOS-Leistungstransistors 22 oszillieren, wenn er auf die Referenztemperatur oder darüber hinaus erwärmt wird. In dem Steuerabschnitt von Fig. 10 versieht die Hystereseeinheit 200 den Arbeitspunkt des MOS-Steuertransistors 26 mit einer Hysterese, wodurch verhindert wird, daß der Drain des MOS- Leistungstransistors oszilliert. Daher kooperieren der MOS- Transistor des lateralen Typs 70, der Widerstand 275 und die Pegelschiebediode 71 (level-shifting diode), um das Potential an dem Punkt entsprechend dem Gate des MOS-Transistors 26 des lateralen Typs zu variieren. Die Gatespannung Vg des MOS-Leistungstransistors 22 kann dadurch eine wie in Fig. 11 erläuterte Hysterese aufweisen.
  • Der Betrieb des in Fig. 10 gezeigten Steuerabschnitts wird im Detail beschriebene.
  • Solange wie die Temperatur des Siliziumsubstrats 111 unter dem Referenzwert bleibt, ist der MOS-Leistungstransistor 22 herrührend von der Eingangsspannung Vin eingeschaltet, und ebenso ist der MOS-Transistor 70 eingeschaltet. Der Widerstand, welchen der MOS-Transistor 70 in diesem Zustand aufweist, ist im Vergleich mit der Größe des Widerstands 275 vernachlässigbar klein. Die Größe des Widerstands 275 ist viel größer als die des Widerstands, die der MOS-Transistor 70 besitzt, wenn er eingeschaltet ist. Daher wird die Gatespannung des MOS-Transistors 26 durch die Größe des Widerstands 273 und dem Strom, welcher durch den Widerstand 273 fließt, bestimmt.
  • Wenn die Temperatur des Siliziumsubstrats 111 sich über den Referenzwert erhebt, fällt die Durchlaßspannung der polykristallinen Siliziumdiode 25 (d. h. des Wärmefühlerelements). Als Ergebnis steigt die Spannung zwischen den Enden des Widerstands 273 proportional. Wenn diese Spannung einen vorherbestimmten Wert überschreitet, wird der MOS-Transistor 26 eingeschaltet. Insbesondere wird der MOS-Transistor 26 eingeschaltet, wenn seine Übergangstemperatur sich auf 150ºC oder darüber erhebt. Daher fällt die Gatespannung Vg des MOS-Leistungstransistors 22 und der Transistor 22 wird ausgeschaltet. Ebenso wird der MOS-Transistor 70 des lateralen Typs ausgeschaltet. Während der MOS-Leistungstransistor 22 ausgeschaltet ist, sind der Widerstand 275 und die Diode 71 in Serie an den Widerstand 273 angeschlossen. Der Widerstand dieses Bereiches steigt daher. Als Ergebnis steigt die Spannung, welche an das Gate des MOS-Transistors 26 angelegt ist, und die Betriebstemperatur fällt ein wenig (auf 120ºC), wie in Fig. 11 gezeigt. Folglich erhöht sich der Spannungsabfall in der Gruppe 25 der Dioden, wodurch der MOS-Transistor 26 ausgeschaltet wird. D.h. es wird eine hinreichende Hysterese vorgesehen und die Oszillation des MOS-Leistungstransistors 22 wird verhindert. Mit anderen Worten, der MOS- Leistungstransistor 22 besitzt eine solche Hysterese, welche abgeschaltet wird, wenn sein Temperaturübergang sich über 150ºC erhebt, und er wird abgeschaltet, wenn seine Übergangstemperatur unter 120ºC fällt.
  • Fig. 12 zeigt einen anderen Steuerabschnitt entsprechend der Erfindung. Dieser Steuerabschnitt ist, um es so auszudrücken, eine Kombination des in Fig. 10 gezeigten Steuerabschnitts und einer Einheit 400 zum Schutz der Halbleitervorrichtung vor übermäßig großem Strom. Die Einheit 400 weist einen MOS-Leistungstransistor 74 des Vertikaltyps auf.
  • Der Transistor 74 ist in dem Gebiet gebildet, in welchem der MOS-Leistungstransistor 22 gebildet ist. Seine Sourceelektrode hat einen winzigen Bereich dieses Gebiets inne, d. h. 1/100 bis 1/3000 des Gebiets, und ist vom Transistor 22 elektrisch getrennt. Der Transistor 74 wird durch dieselbe Gatespannung angesteuert, welche an den MOS-Leistungstransistor 22 angelegt wird, und gibt einen kleinen Strom proportional zu dem Ausgangsstrom des MOS-Leistungstransistors 22 aus. Der Transistor 75 ist in demselben Substrat wie die anderen lateralen MOS-Transistoren 26 und 70 gebildet.
  • Wenn eine externe Last RL kurzgeschlossen wird, fließt ein übermäßig großer Strom durch den MOS-Leistungstransistor 22. Dann fließt ebenso ein übermäßig grober Strom in den MOS- Transistor 74, welcher als ein Stromerfassungselement fungiert, wodurch sich das Gatepotential des MOS-Transistors 75 erhöht. Wenn dieses Gatepotential einen Schwellenwert des MOS-Transistors 75 erreicht, flieht ein Strom in den Transistor 75. Als Ergebnis fällt die Gatespannung des MOS-Transistors 22, und der Ausgangsstrom des Transistors 22 erhöht sich.
  • Die Einheit 400 besitzt einen Stabilisationspunkt, welcher durch Schaltungskonstanten bestimmt ist wie das Flächenverhältnis des MOS-Leistungstransistors 22 zu dem MOS-Transistor 74, die Größe des Widerstands 276, die Schwellenwertspannung des MOS-Transistors 75 und das Verhältnis des Eingangswiderstands des Transistors 74 zu der Größe des Widerstands 276. Daher wird ein maximaler Strom in Übereinstimmung mit diesem Stabilisationspunkt bestimmt.
  • Ohne die Einheit 400 würde die Stromeigenschaft des MOS-Leistungstransistors 22 unbestimmt ansteigen, wenn die Drainspannung ansteigt. Solange die Drainspannung unterhalb einem spezifischen Wert liegt (beispielsweise 2 Volt), erhöht sich die Strom-Leistungsfähigkeit des Transistors 22 auf dieselbe Art wie sie sich erhöhen würde, wenn die Einheit 400 nicht vorgesehen wäre. Wenn sich jedoch die Drainspannung einmal über diesen spezifischen Wert erhebt, verbleibt der Drainstrom des MOS-Transistors 22 auf einem im wesentlichen konstanten Wert.
  • Sogar wenn die externe Last beispielsweise kurz geschlossen wird, wird daher der Laststrom auf einen spezifischen Wert begrenzt. Die Halbleiterelemente und Verdrahtung der Halbleitervorrichtung kann daher zuverlässig vor einem übermäßig groben Strom geschützt werden.

Claims (8)

1. Halbleitervorrichtung, mit:
[a] einem Halbleitersubstrat (11);
[b] mindestens einem aktiven Halbleiterelement (22), das auf dem Halbleitersubstrat (11) in einem Leistungsbereich (12) desselben ausgebildet ist;
[c] einem Wärmefühlerelement (25) zum Erfassen einer jeweiligen Temperatur des Halbleitersubstrats (11); und
[d] einem Steuerabschnitt (13), der jede weitere Hitzeerzeugung des bzw. der aktiven Halbleiterelements(-elemente) (22) unterbricht, wenn die von dem Wärmefühlerelement (25) erfaßte Temperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet,
[e] wobei das Wärmefühlerelement (25) und der Steuerabschnitt (13) auf dem Halbleitersubstrat (11) in einem Steuerbereich (13) desselben ausgebildet sind; dadurch gekennzeichnet, daß
[f] sich das Wärmefühlerelement (25) in dem Steuerbereich (13) befindet, der sich im wesentlichen im zentralen Bereich des Halbleitersubstrats (11) befindet [f1] und von dem Leistungsbereich (12) getrennt ist;
[g] das Wärmefühlerelement (25) auf einem Isolierfilm (24) ausgebildet ist, der auf mindestens einem Teil des Steuerbereichs (13) ausgebildet ist; und
[h] der Steuerabschnitt (13) im verbleibenden Teil des Steuerbereichs (13) ausgebildet ist.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmefühlerelement (25) aus einem Halbleiterelement mit einem PN-Übergang besteht, der aus auf dem Isolierfilm (24) ausgebildetem polykristallinen Silizium besteht, wobei sich die Vorwärtsspannung des PN-Übergangs im gleichen Maße ändert, wie sich die Temperatur des Halbleitersubstrats (11) ändert.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmefühlerelement (25) aus einer Vielzahl von polykristallinen Silizium-Dioden besteht, die in Reihenschaltung verbunden sind und jeweils einen PN-Übergang aufweisen, der aus auf dem Isolierfilm (24) ausgebildetem polykristallinen Silizium besteht.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmefühlerelement (25) aus einem PN-Übergang besteht, der aus auf dem Isolierfilm (24) ausgebildetem polykristallinen Silizium hergestellt ist, wobei ein eine niedrige Verunreinigung aufweisender Anreicherungsbereich innerhalb des P- oder N-Bereichs des PN-Übergangs eine Verunreinigungskonzentration von mindestens 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ aufweist.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die niedrige Verunreinigung aufweisende Anreicherungsbereich mit Bor dotiert ist.
6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerbereich (13) eine Vielzahl von Widerständen (217-272) aufweist, von denen mindestens einer ein auf dem Isolierfilm (24) ausgebildeter polykristalliner Siliziumwiderstand ist.
7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Leistungsbereich (12) ausgebildete aktive Halbleiterelement (22) ein Leistungs- MOS-Transistor des Vertikaltyps ist.
8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerabschnitt (13) einen MOS-Transistor (26) des seitlichen Typs aufweist, der im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats (11) ausgebildet ist und der zum Empfang eines Signals aus dem Wärmefühlerelement (25) verbunden ist.
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