JP2015164159A

JP2015164159A - 半導体装置

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Publication number: JP2015164159A
Application number: JP2014039717A
Authority: JP
Inventors: 忠嗣塚本; Tadatsugu Tsukamoto; 博臣江口; Hiroomi Eguchi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: JP6179426B2

Abstract

【課題】安価でありながら、熱源の位置を、短時間で正確に特定できる半導体装置を提供すること。
【解決手段】矩形状のメインセル領域に均一に配置される、複数の半導体素子と、前記メインセル領域の辺に沿って一定の間隔で配置され、閾値電圧の温度依存性を利用して前記半導体素子の温度を検知する、複数のＭＯＳＦＥＴと、前記ＭＯＳＦＥＴのオンオフに基づいて、所定温度を超えて発熱する前記半導体素子の位置を推定する推定手段と、を有する、半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。

近年、低コスト化の要求、微細化の進展により、半導体素子は、単位セルサイズが縮小する一方で、単位面積当たりの発熱量増加及び自己発熱等、熱起因での信頼性低下が懸念されており、素子の熱的異常に対するフェールセーフの重要性が高まっている。

半導体素子付近に温度検出用ＭＯＳＦＥＴを形成し、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧を抵抗により検出することで、半導体素子の温度を検出する温度センサが開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

又、同一チップ上に、複数のスイッチ素子と各スイッチ素子の温度を検出する温度検出用ダイオード素子とを配置し、簡素で安価、且つ、確実にスイッチ素子の温度を検出するスイッチ素子の温度検出方法が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００８−２２７３４３号公報特開２０１１−１３３４２０号公報

しかしながら、複数の半導体素子が配置されるメインセル領域において、熱源の位置を、短時間で正確に特定することは、困難である。

更に、特許文献２のように、スイッチ素子を搭載するチップにダイオードを付加する構成は、製造工程が煩雑化し、コストが上昇する懸念がある。

そこで、安価でありながら、熱源の位置を、短時間で正確に特定できる半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、一態様によれば、
矩形状のメインセル領域に均一に配置される、複数の半導体素子と、
前記メインセル領域の辺に沿って一定の間隔で配置され、閾値電圧の温度依存性を利用して前記半導体素子の温度を検知する、複数のＭＯＳＦＥＴと、
前記ＭＯＳＦＥＴのオンオフに基づいて、所定温度を超えて発熱する前記半導体素子の位置を推定する推定手段と、
を有する、半導体装置が提供される。

一態様によれば、安価でありながら、熱源の位置を、短時間で正確に特定できる半導体装置を提供することができる。

本実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す図である。本実施形態に係る半導体装置の熱源の位置と熱広がりの様子を説明する図である。本実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す図である。本実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す図である。本実施形態に係る半導体装置の構成の一例を示す図である。本実施形態に係る半導体素子及び温度検知用ＭＯＳＦＥＴの構成の一例を示す図である。本実施形態に係る半導体素子及び温度検知用ＭＯＳＦＥＴの構成の一例を示す図である。

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。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。

なお、「熱源の位置」とは、所定温度（ＭＯＳＦＥＴがオンする際の閾値電圧に基づく温度）を超えて発熱する半導体素子の、メインセル領域における位置を意味する。

＜半導体装置１００の構成＞
図１は、半導体装置１００の構成の一例を示す上面図である。紙面左右方向をＸ軸、紙面上下方向をＹ軸と定義する。半導体装置１００は、例えば、自動車等の車両に搭載される。このような車両の具体例として、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車、燃料電池自動車等が挙げられる。

半導体装置１００は、複数のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）１０を含む周辺耐圧保持領域１と、複数の半導体素子（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）２０を含むメインセル領域２と、熱源位置推定手段（推定手段）３０とを含む。

メインセル領域２は矩形状であり、メインセル領域２を囲むように、周辺耐圧保持領域１が形成される。メインセル領域２に配置される複数のＩＧＢＴ２０には大電流が流れ、各ＩＧＢＴ２０は、主にスイッチング動作を行う。周辺耐圧保持領域１は、メインセル領域２外周の耐圧を保持する。同一チップ上に、温度検知用のＭＯＳＦＥＴ１０及びスイッチング素子として機能するＩＧＢＴ２０が設けられることにより、半導体装置１００における製造工程を簡略化できる。

ＭＯＳＦＥＴ１０は、周辺耐圧保持領域１に設けられ、メインセル領域２の辺に沿って一定の間隔（等間隔）で配置される。ＭＯＳＦＥＴ１０は、Ｘ軸上に、メインセル領域２を介してＹ座標が同一となる位置に対向して配置され、且つＹ軸上に、メインセル領域２を介してＸ座標が同一となる位置に対向して配置される。

ＭＯＳＦＥＴ１０は、メインセル領域２の４辺全ての近傍に、一定の間隔で配置されることが好ましい。複数のＭＯＳＦＥＴ１０が、メインセル領域２を囲むように、配置されることにより、熱源の位置と各ＭＯＳＦＥＴ１０との距離を短くすることができる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１０の温度検知感度を高めることができる。

ＭＯＳＦＥＴ１０は、所定温度以上の温度を検出すると（ＩＧＢＴ２０の発熱温度が検知したい温度に達すると）電流が流れ、オンする（動作する）。この場合、ＭＯＳＦＥＴ１０は、所定温度を超えて発熱するＩＧＢＴ２０を検知しているため、ＭＯＳＦＥＴ１０から出力される検出信号は、異常信号となる。

ＭＯＳＦＥＴ１０は、所定温度より低い温度を検出すると（ＩＧＢＴ２０の発熱温度が検知したい温度に達しないと）電流が流れず、オフする（動作しない）。この場合、ＭＯＳＦＥＴ１０は、所定温度を超えて発熱するＩＧＢＴ２０を検知していないため、ＭＯＳＦＥＴ１０から出力される検出信号は、正常信号となる。

一般的に、ＭＯＳＦＥＴ１０の閾値電圧は、約−２ｍＶ／℃（＝α）の温度依存性を有する。又、閾値電圧の温度依存性は、物理的に変化し難い。従って、ＭＯＳＦＥＴ１０は、閾値電圧の温度依存性を利用して、素子温度を検知することができる。

例えば、所定温度（検知したい温度）Ｔｊａ以上で動作するＭＯＳＦＥＴ１０の閾値電圧Ｖｔｈは、ゲート電圧Ｖｇ、所定温度Ｔｊａ、αを用いて、
Ｖｔｈ＝Ｖｇ−（Ｔｊａ×α）
・・・式１
で表される。

ゲート電圧Ｖｇを、１５Ｖ、所定温度Ｔｊａを、２００℃とすれば、式１より、閾値電圧Ｖｔｈは、閾値電圧Ｖｔｈ＝１５−（２００×（−２×１０^−３））＝１５．４Ｖとなる。この場合、ＩＧＢＴ２０の発熱温度が２００℃以上であれば、ＭＯＳＦＥＴ１０のドレイン電極からソース電極へと電流が流れ、ＭＯＳＦＥＴ１０は、オンする。ＩＧＢＴ２０の発熱温度が２００℃より小さければ、チャネルが形成されず、ＭＯＳＦＥＴ１０は、オフする。

ゲート電圧Ｖｇを、１５Ｖ、所定温度Ｔｊａを、１５０℃とすれば、式１より、閾値電圧Ｖｔｈは、閾値電圧Ｖｔｈ＝１５−（１５０×（−２×１０^−３））＝１５．３Ｖとなる。この場合、ＩＧＢＴ２０の発熱温度が１５０℃以上であれば、ＭＯＳＦＥＴ１０は、オンし、ＩＧＢＴ２０の検知温度が１５０℃より小さければ、ＭＯＳＦＥＴ１０は、オフする。

このように、ＭＯＳＦＥＴ１０は、オンする際の閾値電圧に基づいて、ＩＧＢＴ２０の温度を検知する。即ち、ＭＯＳＦＥＴ１０は、ＩＧＢＴ２０の発熱温度が所定温度Ｔｊａ以上であることを検知すればオンし、ＩＧＢＴ２０の発熱温度が所定温度Ｔｊａより低い温度であることを検知すればオフする。

ＭＯＳＦＥＴ１０が閾値電圧の温度依存性を利用して、素子温度を検出することにより、検出素子の熱抵抗が増加し、放熱性が悪化した場合であっても、半導体装置１００は、迅速に素子の熱的異常を検知できる。このため、素子が、実際に定格動作温度を超えて発熱し、破損等が生じる前に、半導体装置１００は、ワーニングを出したり、素子の制御を変更することができる。

なお、ＭＯＳＦＥＴ１０の閾値電圧Ｖｔｈは、ＩＧＢＴ２０のボディの一部であるｐ型ベース層の最表面の濃度を調整することにより高精度に制御可能である。ｐ型ベース層の表面濃度を調整しても、ＩＧＢＴ２０の特性には、ほぼ影響を与えない。

ＩＧＢＴ２０は、メインセル領域２に、均一に（並べて）配置される。ＩＧＢＴ２０が、メインセル領域２に、均一に配置されることにより、熱源（ＩＧＢＴ２０）からの熱伝搬の等方性が保持され、メインセル領域２には、熱拡がりが均一に生じる。即ち、熱は、熱源を中心に同心円状（図２の等温線参照）に拡がり、ＭＯＳＦＥＴ１０に伝搬する。例えば、図２に示すように、メインセル領域２の下辺に沿って配置される右から２番目及び３番目のＭＯＳＦＥＴ１０がオンし、その他のＭＯＳＦＥＴ１０がオフすると、熱源の位置は、メインセル領域２の右下であると推定される。又、例えば、メインセル領域２を囲んで配置される全てのＭＯＳＦＥＴ１０がオンすると、熱源の位置は、メインセル領域２の中央であると推定される（中央のＩＧＢＴ２０が最高温度になるため）。このため、マイクロコンピュータ（熱源位置推定手段３０に搭載される）は、オンするＭＯＳＦＥＴ１０の位置に基づいて、熱源の位置を正確に演算処理することができる。

熱源位置推定手段３０は、ＭＯＳＦＥＴ１０に、電流が流れているか、電流が流れていないか（ＭＯＳＦＥＴ１０がオンであるか、オフであるか）を、ＭＯＳＦＥＴ１０のドレイン電極から出力される検知信号により検知する。そして、熱源位置推定手段３０は、ＭＯＳＦＥＴ１０のオンオフに基づいて、所定温度を超えて発熱するＩＧＢＴ２０の位置を推定する。更に、熱源位置推定手段３０は、フェールセーフの観点から、ＩＧＢＴ２０のスイッチング動作を制御するためのスイッチング指令をゲートドライバ（図示せず）へ、出力する。これにより、ＩＧＢＴ２０の熱的な破損、耐圧性及び信頼性の大幅な低下等を防止することができる。又、ＭＯＳＦＥＴ１０のオンオフに基づいて、ＩＧＢＴ２０の発熱位置を推定するため、マイクロコンピュータでの無駄な処理を省くことができる。即ち、半導体装置１００は、熱源の位置を、短時間で正確に特定できる。

本実施形態に係る半導体装置１００は、異常信号を出力するＭＯＳＦＥＴ１０の位置に基づいて、熱源の位置を推定し、局所的な発熱箇所を特定することができるため、素子に不具合が生じる前に、適切なフェールセーフ処理を行うことができる。このような半導体装置１００を、車両に適用することで、車両安全性及び信頼性を高めることができる。

なお、図３に示すように、メインセル領域２が小さい場合は、メインセル領域２の２辺（図３では、上辺及び左辺）に沿って一定の間隔でＭＯＳＦＥＴ１０を配置しても良い。このような配置であっても、十分な性能を確保することが可能である。

又、図４に示すように、メインセル領域２が大きい場合は、メインセル領域２に、ＭＯＳＦＥＴ１０を配置しても良い。ＭＯＳＦＥＴ１０が配置される位置に存在するＩＧＢＴ２０は、動作することができないため、メインセル領域２の面積と、温度検知が必要とされるＩＧＢＴ２０の個数とを考慮して、適宜、配置を調整すれば良い。なお、この場合、ＭＯＳＦＥＴ１０は、メインセル領域２の中央だけでなく、メインセル領域２のあらゆる位置に配置することが可能である。

図３及び図４に示すように、メインセル領域２の大きさに応じて、温度検知用ＭＯＳＦＥＴ１０の配置を変化させることにより、高効率、且つ正確に、熱源の位置を特定することが可能になる。

図５は、半導体装置１００の構成の一例を示す回路ブロック図である。半導体装置１００は、ＭＯＳＦＥＴ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆと、ＩＧＢＴ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆと、マイクロコンピュータ等を備える熱源位置推定手段３０と、を含む。

ＭＯＳＦＥＴ１０及びＩＧＢＴ２０のゲート電極は、ゲートドライバ３１に接続される。又、モータ３２は、半導体装置１００を介して、バッテリー等の電源３３に接続される。

ＭＯＳＦＥＴ１０は、ＩＧＢＴ２０の温度を検知し、検知信号１５を、ドレイン電極から熱源位置推定手段３０へ出力する。

熱源位置推定手段３０は、検知信号１５により、ＭＯＳＦＥＴ１０がオンであるか、オフであるか、を検知し、ＩＧＢＴ２０のスイッチング動作を制御するためのスイッチング指令をゲートドライバ３１へ出力する。

ゲートドライバ３１は、スイッチング指令に基づいて、制御信号３４を、ＩＧＢＴ２０のゲート電極へ出力し、ＩＧＢＴ２０のスイッチング動作を適切に制御する。

モータ３２としては、例えば、永久磁石が埋設されたロータと、中性点でＹ結線された三相コイルを有するステータと、を備える三相交流電動発電機等が挙げられる。

即ち、半導体装置１００は、検知信号１５及び制御信号３４等に基づいて、メインセル領域２に配置される半導体素子の局所的な発熱を検知し、適切に、半導体素子（ＩＧＢＴ２０）の駆動制御を行うことで、熱マネージメントや熱的異常に対するフェールセーフ機能を高めることができる。

＜ＭＯＳＦＥＴ１０及びＩＧＢＴ２０の構成＞
図６は、ＭＯＳＦＥＴ１０及びＩＧＢＴ２０の構成の一例を示す図１のＡ−Ａ'線における断面図である。図６に示すように、温度検知用ＭＯＳＦＥＴ１０と縦型のトレンチ型ＩＧＢＴ２０とが、同一の半導体基板（Ｓｉ基板）上に設けられる。ＭＯＳＦＥＴ１０は、周辺耐圧保持領域１に設けられ、ＩＧＢＴ２０は、メインセル領域２に設けられる。

原則、周辺耐圧保持領域１にＭＯＳＦＥＴ１０が、メインセル領域２にＩＧＢＴ２０が設けられるが、ＭＯＳＦＥＴ１０の温度特性を損なわない範囲であれば、メインセル領域２に、ＭＯＳＦＥＴ１０を設けることも可能である。

図６に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１０は、ｎ^＋型ソース電極１１、ゲート電極１２、ｎ^＋型ドレイン電極１３、ｐ型半導体基板（ｐ型ベース層２２）、等を含む。

ｎ^＋型ドレイン電極１３は、検知信号線として機能し、検知信号１５は、検知信号線を介して熱源位置推定手段３０へ入力される。検知信号１５は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ１０のドレイン電流又はドレイン電圧である。ＭＯＳＦＥＴ１０が、所定温度以上の温度を検知し、オンすることにより、ドレイン電流が増加、又はドレイン電圧が低下する。ＭＯＳＦＥＴ１０の閾値電圧Ｖｔｈは、所定温度（検知したい温度）で動作するように設計され、ｐ型ベース層２２の最表面の濃度を調整することにより、閾値電圧Ｖｔｈを変更することができる。

ＭＯＳＦＥＴ１０は、周辺耐圧保持領域１に配置されるため、例えば、製造コストが比較的低い０．３５μｍテクノロジーを利用できる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１０は、Ｌ方向のサイズを、３．０μｍ以下とすることができる。従って、概ね、耐圧２００Ｖ未満程度であれば、追加面積を不要とすることができるため、格段に素子面積を低減させることが可能である。

図６に示すように、ＩＧＢＴ２０は、ｎ⁻型半導体基板２１、ｐ型ベース層２２、ｎ^＋型エミッタ電極２３、ゲート電極２４、ｎ型バッファ層２５、ｐ^＋型コレクタ電極２６、ゲート酸化膜（図示せず）、拡散層（図示せず）、等を含む。

ｎ⁻型半導体基板２１の一方の面の表面層に、選択的にｐ型ベース層２２が形成される。ｐ型ベース層２２の表面層に、選択的にｎ^＋型エミッタ電極２３が形成され、ｐ型ベース層２２及びｎ^＋型エミッタ層２３を貫通して、ｎ⁻型半導体基板２１に至るように、ゲート電極２４が形成される。ｎ⁻型半導体基板２１の他方の面に、ｎ型バッファ層２５、ｐ^＋型コレクタ電極２６が形成される。

なお、半導体素子（スイッチング素子）は、ＩＧＢＴに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、半導体素子として、縦型のＭＯＳＦＥＴ４０を用いても良い。この場合、ｎ⁻型半導体基板２１の他方の面に、ｐ^＋型コレクタ電極２６を形成する代わりに、ｎ^＋型ドレイン層２７を形成すれば良い（図７参照）。スイッチング素子は、ＩＧＢＴであっても、ＭＯＳＦＥＴであっても同様の効果を期待できる。

図６及び図７に示すように、同一の半導体基板上に、温度検知用ＭＯＳＦＥＴ１０及び半導体素子（ＩＧＢＴ２０、ＭＯＳＦＥＴ４０）は、設けられる。この際、ＭＯＳＦＥＴ１０のゲート電極１２は、半導体素子のゲート電極２４と、共用化される。ＭＯＳＦＥＴ１０のソース電極１１、ドレイン電極１３は、半導体素子のｎ^＋型エミッタ電極２３と、共用化される。この他にも、ゲート酸化膜、拡散層、等が、ＭＯＳＦＥＴ１０と半導体素子とで共用化される。即ち、半導体素子の製造過程で、パターン変更のみで温度検知用デバイスを付随して製造することが可能である。又、ＭＯＳＦＥＴ１０のドレイン電極１３を検知信号線として利用することで、信号線の数を減らすことが可能である。

従って、製造工程を低減させ、追加の製造コストを発生させないことで、半導体装置１００の低コスト化を図ることができる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、スイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）、絶縁ゲートによる電圧制御型パワー素子、バイポーラトランジスタ、等を用いても良い。

又、例えば、上述の実施形態では、Ｎｃｈ型ＩＧＢＴを適用する場合を一例に挙げて説明したが、ＩＧＢＴは、Ｎｃｈ型に限定されるものではなく、Ｐｃｈ型ＩＧＢＴを用いても良い。この場合、温度検知用ＭＯＳＦＥＴとしても、Ｐｃｈ型ＭＯＳＦＥＴが適用される。

又、例えば、半導体装置は、温度検知用ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧を検知するための素子（例えば、抵抗素子等）を備えていても良い。

又、例えば、マイクロコンピュータにより行われる演算処理は、ソフトウェアによる処理で実行されても良いし、専用のハードウェアによる処理で実行されても良い。

又、例えば、上述の実施形態では、半導体装置を車両へ適用する場合を一例に挙げて説明したが、半導体装置の適用は、車両への適用に限定されるものではない。

２メインセル領域
１０ＭＯＳＦＥＴ
２０ＩＧＢＴ（半導体素子）
３０熱源位置推定手段（推定手段）
４０ＭＯＳＦＥＴ（半導体素子）
１００半導体装置

Claims

矩形状のメインセル領域に均一に配置される、複数の半導体素子と、
前記メインセル領域の辺に沿って一定の間隔で配置され、閾値電圧の温度依存性を利用して前記半導体素子の温度を検知する、複数のＭＯＳＦＥＴと、
前記ＭＯＳＦＥＴのオンオフに基づいて、所定温度を超えて発熱する前記半導体素子の位置を推定する推定手段と、を有する、半導体装置。