JP2023529898A - 高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーを提供することを課題とする。【解決手段】 本発明は、高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーに関し、パワー半導体デバイスの技術分野に属する。本発明の温度センサーは、炭化ケイ素のＮ型とＰ型半導体上の電圧降下がそれぞれ正の温度係数と負の温度係数となるため、２つの電極上の電圧降下の差は温度の変化率に伴い増幅される。本発明の温度センサーは、広い測温範囲を有し、測温感度が高く、かつ炭化ケイ素パワー半導体へのモノリシック集積が可能で、製造プロセスとの互換性がある。前記温度センサーは、Ｐ型領域を介してマスターデバイスと電気的に絶縁分離し、温度センサーとマスターデバイスとの間の動作状態は互いに影響を受けない。また、Ｐ型又はＮ型半導体内の電流が小さいため、Ｎ型とＰ型半導体内の電流も互いに影響しない。【選択図】 図１

Description

本発明は、パワー半導体デバイスの技術分野に属し、特に、高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーに関する。

ワイドバンドギャップ半導体材料のＳｉＣは、高電圧パワーデバイスの製造に理想的な材料であり、Ｓｉ材料と比較して、高い絶縁破壊電界強度（４×１０ ６ Ｖ／ｃｍ）、高いキャリア飽和ドリフト速度（２×１０ ７ ｃｍ／ｓ）、高い熱伝導率、及び良好な熱安定性などの利点を持っているため、出力、高電圧、高温、耐放射線性の電子機器に特に適している。

ＳｉＣ ＶＤＭＯＳは、ＳｉＣパワーデバイス内において一般的に使用されているデバイスで、バイポーラデバイスと比較して、電荷蓄積効果がないため、周波数特性がより良く、スイッチング損失がより低い。同時にＳｉＣ材料のワイドバンドギャップは、ＳｉＣ ＶＤＭＯＳの動作温度を３００℃まで上高くすることができる。

ただしＳｉＣ ＶＤＭＯＳには、比較的顕著な問題があり、すなわちデバイス表面のキャリア移動度が非常に低く、これはＳｉＣ／ＳｉＯ２界面に大量の不飽和結合及び他の欠陥が存在するため、ＳｉＣ／ＳｉＯ２界面の状態を著しくさせ、これにより表面抵抗（チャネル抵抗）が大きくなり、この影響下でのチャネルの消費電力は、ドリフト領域の消費電力にさえ匹敵する。ＳｉＣ ＶＤＭＯＳは、大電流で動作することが多いため、デバイスの発熱が非常に深刻になり、温度が高すぎると、デバイスのいくつかの性能を低下させ、さらに機能障害が発生し、これまで、ＳｉＣ ＶＤＭＯＳを制限する主な要因は、パッケージング技術と、安全な動作領域の温度に関する情報の欠如、特にゲート酸化物の信頼性に対する温度の影響であった。

当業者は、パッケージ温度を測定することにより、デバイスの温度情報を得ることができるが、デバイス内部の温度がデバイスの各部分の抵抗と密接に関連しているため、デバイス内部の温度とパッケージ温度の差も生じる。デバイス温度の監視では温度センサーをパッケージ中にマスターデバイスと別々に集積できるが、この方法ではバイスの温度情報を最も直接的かつ迅速に取得できず、測定された温度は的を射たものではない。チャネル抵抗Ｒ ｃｈ又はＪＦＥＴ領域抵抗Ｒ ＪＦＥＴが大きいと、デバイスの表面の消費電力が大きくなり、表面温度も高くなり、表面の高温はデバイスのゲート酸化物層の信頼性を低下させる可能性が最も高いため、最も速く最も正確な温度情報を得ることができるように、デバイスの表面温度を監視する新しい方法の確立が急務となっている。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、パワー半導体ジャンクション温度の測定ニーズ、及び従来の温度センサーの温度計測が不正確で感度が低いという背景において、高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーを提供する。

上記技術的課題を解決するため、本発明の実施形態は、第１ＰＡＤ領域１と、第２ＰＡＤ領域２と、第３ＰＡＤ領域３と、Ｐ型ウェル領域４と、Ｎ型ウェル領域５と、第１金属６と、第２金属７と、第３金属８と、第１オーミック接触領域９と、第２オーミック接触領域１０と、第３オーミック接触領域１１とを備え、
前記Ｎ型ウェル領域５及び前記第２オーミック接触領域１０は、間隔をあけて前記Ｐ型ウェル領域４内に位置し、前記第１ オーミック接触領域９は前記Ｎ型ウェル領域５内にあり、前記第３オーミック接触領域１１は前記Ｐ型ウェル領域４内にあり、前記Ｐ型ウェル領域４及びＮ型ウェル領域５に接続され、
前記第３オーミック接触領域１１は、第１金属６から第１ＰＡＤ領域１まで延在し、前記第１オーミック接触領域９は第２金属７から第２ＰＡＤ領域２まで延在し、前記第２オーミック接触領域１０は第３金属８から第３ＰＡＤ領域３まで延在する高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーを提供する。

上記技術的手段に基づいて、本発明はまた、以下のように改善することができる。

さらに、前記Ｐ型ウェル領域４は、アルミニウムイオン注入によって形成される。

さらに、前記Ｎ型ウェル領域５は、リンイオン注入によって形成される。

さらに、前記Ｐ型ウェル領域４のドーピング濃度は、１ｅ１５ｃｍ－３～１ｅ２０ｃｍ－３の範囲で、及び／又は、前記Ｎ型ウェル領域５のドーピング濃度は、１ｅ１５ｃｍ－３～１ｅ１９ｃｍ－３の範囲である。

さらに、前記Ｐ型ウェル領域４の注入深さは、前記Ｎ型ウェル領域５より深い。

さらに、第２オーミック接触領域１０は、前記Ｐ型ウェル領域４と同じイオン注入タイプによって形成される。

さらに、第２オーミック接触領域１０のドーピング濃度は、１ｅ１８ｃｍ－３～１ｅ２１ｃｍ－３の範囲である。

さらに、前記第１オーミック接触領域９は、前記Ｎ型ウェル領域５と同じイオン注入タイプによって形成される。

さらに、前記第１オーミック接触領域９のドーピング濃度は、１ｅ１８ｃｍ－３～１ｅ２２ｃｍ－３の範囲である。

さらに、前記第１金属６、前記第２金属７及び前記第３金属８は、アルミニウムでできている。

従来技術と比較して、本発明の有利な効果としては、
１．Ｎ型注入とＰ型注入は、マスターデバイスの他の製造プロセスと同時に完了できるため、該温度センサーは、製造プロセスとの互換性がある場合において、パワー半導体内に集成でき、
２．本発明の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーとマスターデバイスとの間は、Ｐ型ウェル領域４を介して十分に電気的に絶縁分離され、動作状態は互いに影響を及ぼさず、
３．ドーピング濃度が一定の場合、Ｎ型炭化ケイ素又はＰ型炭化ケイ素の採用を問わず、感度は固定される。本発明は、測温のため、Ｎ型炭化ケイ素及びＰ型炭化ケイ素の表面・体積抵抗を並列して使用する方法を提案し、２つの抵抗領域にそれぞれ定電流を印加すると、Ｎ型炭化ケイ素上の電圧降下が正の温度係数となり、Ｐ型炭化ケイ素上の電圧降下が負の温度係数となるため、この２つの抵抗上の電圧降下の差で温度を表す場合、本発明の温度センサーの感度はＮ型炭化ケイ素の感度にＰ型炭化ケイ素の感度を加えたものであり、その値が任意の単一導電タイプの炭化ケイ素の体積抵抗の感度より高いので、本発明の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーは高感度を備え、その感度が体積抵抗を介して測温する任意の従来の炭化ケイ素温度センサーより高い。

本発明の実施形態に係る高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーの概略構成図である。 本発明の実施形態に係る高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー内のウェル領域の概略構成図である。 図２内のＡＡ’線に沿ったウェル領域の断面図である。 図２内のＢＢ’線に沿ったウェル領域の断面図である。 本発明の実施形態に係る高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーの等価回路の概略図（すなわち、測温原理の概略図）である。

添付の図面を参照しつつ本発明の原理及び特徴を以下に説明する。挙げられた実施例は、本発明の説明を助けことを意図するが、本発明の範囲を如何とも限定することは意図しない。

図１～図４に示すように、本発明の実施例１により提供される高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーは、第１ＰＡＤ領域１と、第２ＰＡＤ領域２と、第３ＰＡＤ領域３と、Ｐ型ウェル領域４と、Ｎ型ウェル領域５と、第１金属６と、第２金属７と、第３金属８と、第１オーミック接触領域９と、第２オーミック接触領域１０と、第３オーミック接触領域１１とを備え、
前記Ｎ型ウェル領域５及び前記第２オーミック接触領域１０は、間隔をあけて前記Ｐ型ウェル領域４内に位置し、前記第１オーミック接触領域９は前記Ｎ型ウェル領域５内にあり、前記第３オーミック接触領域１１は前記Ｐ型ウェル領域４内にあり、前記Ｐ型ウェル領域４及びＮ型ウェル領域５に接続され、
前記第３オーミック接触領域１１は、第１金属６から第１ＰＡＤ領域１まで延在し、前記第１オーミック接触領域９は第２金属７から第２ＰＡＤ領域２まで延在し、前記第２オーミック接触領域１０は第３金属８から第３ＰＡＤ領域３まで延在する。

本発明の動作原理：
前記温度センサーの等価回路図を図５に示し、第２ＰＡＤ領域２に一定の小電流Ｉ１を印加することで、Ｎ型炭化ケイ素に電圧降下Ｖ１が発生し、第３ＰＡＤ領域３に一定の小電流Ｉ２を印加することで、Ｐ型炭化ケイ素に電圧降下Ｖ２が発生する。Ｎ型炭化ケイ素は、温度上昇に伴って格子散乱急激に増大し、移動度が低下することで、抵抗が増加するため、Ｖ１が温度上昇に伴って増加する。

また、Ｐ型炭化ケイ素の不純物は、室温にて完全にイオン化されず、温度上昇に伴い、イオン化されている不純物がＰ型炭化ケイ素の有効ドーピング濃度を増加させ、抵抗を減少させるため、Ｖ２が温度上昇に伴って減少する。

温度に伴うＶ１の変化率をＳ１と表す場合、Ｓ１＝ｄＶ１／ｄＴで、Ｓ１が正となり、温度に伴うＶ２の変化率をＳ２と表す場合、Ｓ２＝ｄＶ２／ｄＴで、Ｓ２が負となる。ポート１とポート２の両端の電圧を測定することにより、Ｖ＝Ｖ１－Ｖ２を得た場合、電位差Ｖと温度Ｔとの間に直線近似の関係になり、当てはめと校正を経た後、次の式に当てはめてデバイスの動作温度を得ることができる。

（数１）
Ｔ＝ａ×Ｖ＋ｂ
式中、ａとｂは、フィッティングパラメータであり、前記温度センサーの感度は次の式で表され、２つの半導体領域の感度の和である。

（数２）
Ｓ＝ｄＶ／ｄＴ＝Ｓ１－Ｓ２＝｜Ｓ１｜＋｜Ｓ２｜

任意選択で、前記Ｐ型ウェル領域４は、は、アルミニウムイオン注入によって形成される。

任意選択で、前記Ｎ型ウェル領域５は、リンイオン注入によって形成される。

任意選択で、前記Ｐ型ウェル領域４のドーピング濃度は、１ｅ１５ｃｍ－３～１ｅ２０ｃｍ－３の範囲で、及び／又は、前記Ｎ型ウェル領域５のドーピング濃度は、１ｅ１５ｃｍ－３～１ｅ１９ｃｍ－３の範囲である。

任意選択で、前記Ｐ型ウェル領域４の注入深さは、前記Ｎ型ウェル領域５より深い。

任意選択で、第２オーミック接触領域１０は、前記Ｐ型ウェル領域４と同じイオン注入タイプによって形成される。

任意選択で、第２オーミック接触領域１０のドーピング濃度は、１ｅ１８ｃｍ－３～１ｅ２１ｃｍ－３の範囲である。

任意選択で、前記第１オーミック接触領域９は、前記Ｎ型ウェル領域５と同じイオン注入タイプによって形成される。

任意選択で、前記第１オーミック接触領域９のドーピング濃度は、１ｅ１８ｃｍ－３～１ｅ２２ｃｍ－３の範囲である。

任意選択で、前記第１金属６、前記第２金属７及び前記第３金属８は、アルミニウムでできている。

本発明の温度センサーは、３つの電極を有し、第１ＰＡＤ領域から成る第１電極がＰ型領域及びＮ型領域を同時に覆い、第２ＰＡＤ領域から成る第２電極がＰ型領域に接続され、第３ＰＡＤ領域から成る第３電極がＮ型領域に接続される。前記温度センサーの第１電極は、一般的にマスターデバイスのソース又はカソードと短絡し、第２電極及び第３電極に小電流を各々印加し、この時第２電極と第３電極との間の電圧差と温度の間は直線近似の関係を満たし、当てはめと校正を介して、第２電極と第３電極との間の電圧差を測定することによりデバイスの動作温度を表すことができる。炭化ケイ素のＮ型半導体上の電圧降下は、正の温度係数となり、Ｐ型半導体上の電圧降下が負の温度係数となるため、２つの電極上の電圧降下の差は温度の変化率に伴い増幅される。本発明の温度センサーは、広い測温範囲を有し、測温感度が高く、かつ炭化ケイ素パワー半導体へのモノリシック集積が可能で、製造プロセスとの互換性がある。前記温度センサーは、Ｐ型領域を介してマスターデバイスと電気的に絶縁分離し、温度センサーとマスターデバイスとの間の動作状態は互いに影響を受けない。また、Ｐ型又はＮ型半導体内の電流が小さいため、Ｎ型とＰ型半導体内の電流も互いに影響しない。

本発明の明細書の図面では、各構成要素に対応する枠線は、異なる構成要素を区別するためにのみ使用され、構造的な意味を持たない。

なお、本発明の説明において、用語「第１」、「第２」は単に目的を描写するのに使われており、比較的な重要性を指示又は示唆する、或いは示された技術的特徴の数をそれとなく明示すると理解してはいけない。そこで、「第１」、「第２」が限定されている特徴は１つ又はもっと多くのこの特徴を含むことを明示又はほのめかすものである。さらに、本発明において、特に説明される場合を除く、「複数」とは少なくとも２つ、例えば２つ、３つなどを意味する。

本明細書の説明において、用語「一実施形態」、「いくつかの実施形態」、「実施例」、「具体的実施例」、又は「いくつかの実施例」などを参照する描写は、該実施形態又は実施例と組み合わせて描写される具体的特徴、構造、材料或いは特性が本発明の少なくとも１つの実施形態又は実施例に含まれることを意味する。本明細書では、上記の用語に与えられる定義は、必ずしも同じ実施形態又は実施例に向けられているわけではない。また、描写された具体的特徴、構造、材料或いは特性は、任意の１つ又は複数の実施形態或いは実施例において、適切な方法で結合できる。なお、互いに矛盾しない場合、当業者は、本明細書に記載されている異なる実施形態又は実施例、及び異なる実施形態又は実施例の特徴を、結合及び組み合わせることができる。

なお、本発明では好ましい実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定することを意図するものではない。本発明の精神と原則を逸脱することなく、行われる修正、均等の置換、改良などは、均しく本発明の保護範囲に含まれる。

１０ 第２オーミック接触領域
１ 第１ＰＡＤ領域
１１ 第３オーミック接触領域
２ 第２ＰＡＤ領域
３ 第３ＰＡＤ領域
４ Ｐ型ウェル領域
５ Ｎ型ウェル領域
６ 第１金属
７ 第２金属
８ 第３金属
９ 第１オーミック接触領域

Claims (10)

1. 高感度の炭化ケイ素集積化温度センサーであって、第１ＰＡＤ領域（１）と、第２ＰＡＤ領域（２）と、第３ＰＡＤ領域（３）と、Ｐ型ウェル領域（４）と、Ｎ型ウェル領域（５）と、第１金属（６）と、第２金属（７）と、第３金属（８）と、第１オーミック接触領域（９）と、第２オーミック接触領域（１０）と、第３オーミック接触領域（１１）とを備え、
   前記Ｎ型ウェル領域（５）及び前記第２オーミック接触領域（１０）は、間隔をあけて前記Ｐ型ウェル領域（４）内に位置し、前記第１オーミック接触領域（９）は前記Ｎ型ウェル領域（５）内にあり、前記第３オーミック接触領域（１１）は前記Ｐ型ウェル領域（４）内にあり、前記Ｐ型ウェル領域（４）及び前記Ｎ型ウェル領域（５）に接続され、
   前記第３オーミック接触領域（１１）は、前記第１金属（６）から前記第１ＰＡＤ領域（１）まで延在し、前記第１オーミック接触領域（９）は前記第２金属（７）から前記第２ＰＡＤ領域（２）まで延在し、前記第２オーミック接触領域（１０）は前記第３金属（８）から前記第３ＰＡＤ領域（３）まで延在し、
   前記第１ＰＡＤ領域から成る第１電極は、前記Ｐ型ウェル領域（４）と前記Ｎ型ウェル領域（５）に同時に接続され、前記第２ＰＡＤ領域から成る第２電極が前記Ｎ型ウェル領域（５）に接続され、前記第３ＰＡＤ領域から成る第３電極が前記Ｐ型ウェル領域（４）に接続され、前記第２電極及び前記第３電極に小電流を各々印加し、この時前記第２電極と前記第３電極との間の電圧差と温度の間は直線近似の関係を満たし、当てはめと校正を介して、前記第２電極と前記第３電極との間の電圧差を測定することによりデバイスの動作温度を表すことができる、
   ことを特徴とする、高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
2. 前記Ｐ型ウェル領域（４）は、アルミニウムイオン注入によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
3. 前記Ｎ型ウェル領域（５）は、リンイオン注入によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
4. 前記Ｐ型ウェル領域（４）のドーピング濃度は、１ｅ１５ｃｍ－３～１ｅ２０ｃｍ－３の範囲で、及び／又は、前記Ｎ型ウェル領域（５）のドーピング濃度は、１ｅ１５ｃｍ－３～１ｅ１９ｃｍ－３の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
5. 前記Ｐ型ウェル領域（４）の注入深さは、前記Ｎ型ウェル領域（５）より深いことを特徴とする、請求項１に記載の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
6. 第２オーミック接触領域（１０）は、前記Ｐ型ウェル領域（４）と同じイオン注入タイプによって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
7. 第２オーミック接触領域（１０）のドーピング濃度は、１ｅ１８ｃｍ－３～１ｅ２１ｃｍ－３の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
8. 前記第１オーミック接触領域（９）は、前記Ｎ型ウェル領域（５）と同じイオン注入タイプによって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
9. 前記第１オーミック接触領域（９）のドーピング濃度は、１ｅ１８ｃｍ－３～１ｅ２２ｃｍ－３の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
10. 前記第１金属（６）、前記第２金属（７）及び前記第３金属（８）は、アルミニウムでできていることを特徴とする、請求項１に記載の高感度の炭化ケイ素集積化温度センサー。
    
    
    

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