JP3168874B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
る絶縁ゲート型の半導体装置に関する。
スタ(以下IGBTという)やMOSFETなどの絶縁
ゲート型素子であるパワーデバイスを用いたモジュール
において、絶縁ゲート型素子と温度検出素子などの各種
検出素子を同一パッケージに収納し、各種保護機能を持
たせたインテリジェントパワーモジュール(以下IPM
という)が多く用いられるようになった。このIPMに
おいて、温度検出素子にはサーミスタが用いられ、絶縁
ゲート型素子のチップを接着している金属ベースに張り
つけたり、絶縁ゲート型素子の近傍に張りつけたりし
て、温度を検出している。
は大容量化されており、1個のパッケージ内に通常6個
の絶縁ゲート型素子が収納され、そのため、1個のサー
ミスタで温度検出をするとサーミスタから離れた絶縁ゲ
ート型素子の温度を正確に検出できず、また即応性がな
いため、過熱防止の点から好ましくない。一方、正確で
即応性のある温度検出をするために、各絶縁ゲート型素
子にサーミスタを取り付けると、製造コストが増大す
る。
絶縁ゲート型素子と温度検出素子を同一半導体基板に集
積し、短時間で高精度の過熱保護ができる半導体装置を
提供することを目的とする。
に、一導電形の半導体基板に絶縁ゲート型素子を形成
し、該素子の一導電形のエミッタ領域を形成する半導体
基板の主面の表面層に、該絶縁ゲート型素子の他導電形
ウェル領域と離して、pnダイオードが形成されるよう
に、他導電形のアノード領域を選択的に形成し、該アノ
ード領域の表面層に一導電形のカソード領域を選択的に
形成して、pnダイオードを形成し、エミッタ領域上に
エミッタ電極とカソード領域上にカソード電極とを形成
し、エミッタ電極とカソード電極とを接続し、アノード
端子をアノード電極と、エミッタ端子をエミッタ電極と
それぞれ接続し、pnダイオードのアノード領域からカ
ソード領域に電流が流れるように、電流源の正極をアノ
ード端子と、負極をエミッタ端子とそれぞれ接続し、ア
ノード電位から温度を検出する温度検出端子をアノード
電極と接続する。
域および一導電形のエミッタ領域と、前記のpnダイオ
ードのアノード領域およびカソード領域とをそれぞれ同
じ濃度、同じ深さとすると効果的である。pnダイオー
ドのアノード領域およびカソード領域を、同心円状に形
成するとよい。
囲む他導電形p領域を、半導体基板の表面層に、絶縁ゲ
ート型素子と分離して形成し、この他導電形領域上に金
属電極を形成し、金属電極をカソード電極およびエミッ
タ電極に接続する。半導体基板上にpnダイオードを複
数個形成し、この半導体基板上に選択的に形成した絶縁
膜を介して金属膜を形成し、複数のpnダイオードが直
列接続されるように、この金属膜で一方のpnダイオー
ドのアノード電極と他方のpnダイオードのカソード電
極とを接続する。
基板に集積することで、パワーデバイスである絶縁ゲー
ト型素子で発生した熱が短時間に正確に温度検出素子に
伝達する。更に温度検出素子としてpnダイオードを半
導体基板に形成し、定電流電源から順方向に微弱な一定
電流を流し、pnダイオードの順電圧を検出すること
で、温度が分かる。これは、温度が上昇すると順電圧が
低下するという順電圧の温度依存性を利用し、順電圧を
検出することで温度を知ることができる。またpnダイ
オードを直列に複数個接続すると、全体の順電圧の値は
増大し、温度変化による全体の順電圧値の変化は大きく
なり、より一層高精度な温度検出が可能となる。
示す。低濃度のn形の半導体基板1(各領域形成後はn
- 領域101となる)の一方の主面の表面層にpウェル
領域2を選択的に形成し、pウェル領域2の表面層にn
+ 領域であるエミッタ領域3を選択的に形成し、エミッ
タ領域3とn- 領域101に挟まれたpウェル領域2の
表面にゲート絶縁膜4を介してゲート電極5を形成し、
エミッタ領域3上とpウェル領域2のコンタクト領域2
0上にエミッタ電極6を形成する。他方の主面の表面層
にp+ またはn+ のコレクタ領域7を形成し、コレクタ
領域7の表面にコレクタ電極8を形成する。また半導体
基板1の表面層にpウェル領域2と離れて、p形である
アノード領域9を選択的に形成し、アノード領域9の表
面層にn形であるカソード領域10を形成し、アノード
領域9の表面にアノード電極11を形成し、カソード領
域10の表面にカソード電極12を形成する。このアノ
ード領域9とカソード領域10とで温度検出素子である
pnダイオードを構成する。カソード電極12はエミッ
タ電極6と接続し、エミッタ電極6はエミッタ端子13
と接続する。またゲート電極5はゲート端子14と接続
し、アノード電極11は温度検出端子15と接続する。
またコレクタ電極8はコレクタ端子16と接続する。こ
の構造で、コレクタ領域7がp+ である場合、つまりパ
ワーデバイスがIGBTである場合は、温度検出素子の
カソード領域10、アノード領域9、半導体基板1のn
- 領域101、p+ のコレクタ領域7でnpnpの4層
構造の寄生サイリスタが形成されるが、アノード領域9
とカソード領域10との接合部の濃度が極めて高いた
め、カソード領域10からの電子の注入が低く抑えら
れ、例え、アノード領域9からカソード領域に数mAか
ら数10mAの電流を流しても、アノード領域9とカソ
ード領域10との間のpn接合の部分でラッチアップす
ることはない。一方、コレクタ領域7がn+ である場合
はパワーデバイスはMOSFETとなり、上記の寄生サ
イリスタは構成されないのでラッチアップすることはな
い。
主要工程図を示し、同図(a)はp形不純物を導入する
工程図、同図(b)はn形不純物を導入する工程図を示
す。同図(a)において、半導体基板1の一方の表面層
にホウ素(B)を選択的にイオン注入し、その後熱拡散
して、pウェル領域2とアノード領域9とを同時に形成
する。イオン注入用のマスクとしては、pウェル領域2
形成ではゲート電極となるポリシリコン17を用い、ア
ノード領域9形成ではレジスト膜18を用いる。
ノード領域9の表面層に選択的にヒ素(As)をイオン
注入し、エミッタ領域3とカソード領域10とを同時に
形成する。イオン注入用のマスクとしては、エミッタ領
域3形成ではゲート電極5となるポリシリコン膜17と
コンタクト領域20を覆うレジスト膜18とを用い、カ
ソード領域10形成ではレジスト膜18を用いる。エミ
ッタ領域3のある部分はIGBTとなり、カソード領域
10のある部分は温度検出素子となる。
を示し、同図の(a)は平面図、(b)は上図のA−A
線切断部の要部断面図を示す。カソード領域10とアノ
ード領域9とを同心円状に形成し、アノード領域9を取
り囲んでp領域21を形成する。カソード領域10上に
カソード電極12が形成され、カソード電極12と図示
されていないIGBTのエミッタ電極とは金属膜22で
接続される。アノード領域9上に形成されたアノード電
極11の表面、p領域21上に形成された金属電極23
の表面、および半導体基板1の表面を通る金属膜22
は、層間絶縁膜(図示されていない)を介して形成され
る。また(b)においてはコレクタ領域は省略されてい
る。
を示す。同図もコレクタ領域は省略されている。カソー
ド電極12、金属電極23およびエミッタ電極6は図3
で示した金属膜22によって互いに接続し、さらにエミ
ッタ端子13と接続する。アノード電極11は温度検出
端子15と接続する。図示したように左側からIGBT
部、p領域、温度検出素子、p領域が形成される。同図
は紙面の都合で右側の構造は矢印で示すように下側に示
した。
オードを直列に接続し、温度検出素子とした場合の要部
断面図を示す。一方のpnダイオードのカソード電極1
2は他方のpnダイオードのアノード電極11と接続
し、一方のpnダイオードのアノード電極11は温度検
出端子15と接続し、他方のpnダイオードのカソード
電極12はエミッタ電極6と接続する。同図もコレクタ
領域は省略されている。また、同図では2個のpnダイ
オードを直列接続したが、さらに多数のpnダイオード
を形成し、直列接続してもよい。
素子50のアノード側は温度検出端子15にカソード側
はエミッタ電極6と接続する。図7はこの発明の第4実
施例で、定電流電源を含む等価回路図を示す。半導体装
置30は点線内であり、左側はIGBT40を示し、そ
の隣に温度検出素子50であるpnダイオードを示す。
また温度検出端子15に定電流電源24の正極を接続
し、負極にエミッタ端子13を接続し、pnダイオード
のアノードからカソードに微弱な一定電流(i)を流
す。
置の等価回路に定電流電源を接続した回路図を示す。同
図は図4に対応する等価回路である。同図の左側からI
GBT40、p領域21、温度検出素子50を示し、温
度検出素子50は寄生のpnpトランジスタと寄生のn
pnトランジスタでpnpn構造の寄生サイリスタが形
成される。また図示するように定電流電源24が接続さ
れる。またIGBT40に主電流を流すための別のエミ
ッタ端子13aが接続される。この別のエミッタ端子1
3aの接続は特に大電流を流すIGBTの場合には必要
になる。
係を温度をパラメータとして示した図で、同図(a)は
順電流が20mAまでの図、同図(b)は2mAまでの
図を示す。同図(a)では横軸は0.2V/divで、
同図(b)は0.1V/divである。図10は図9の
データを基に、順電圧の温度依存性を示した図である。
この順電圧の値から温度を検出するため、順電圧が温度
で大きく変化する電流値が好ましく、同図から0.2m
Aの定電流電源の電流値(検出電流値のこと)を採用し
た。この場合、温度検出素子の順電圧値(検出電圧値の
こと)が0.6Vのとき、温度検出素子の温度、つまり
IGBTの温度が125℃となっていることを示す。従
って、順電圧が所定の電圧値になったとき、たとえば
0.6Vになったとき、外部の保護回路を動作させ、I
GBTの温度が125℃を越えないようにでき、過熱に
よる破壊からIGBTを保護することができる。
の導電形を逆にしても同様の働きと効果をもつIPMを
製作することができる。
が同一の半導体基板に集積されているので、IGBTの
温度を短時間に精度良く検出でき、確実にIGBTを過
熱から保護できる。また温度検出用のpnダイオードを
複数個直列に接続して温度検出素子とすることで、より
一層効果を上げることができる。
を示し、(a)はp形不純物を導入する工程図、(b)
はn形不純物を導入する工程図
(a)は平面図、(b)は(a)のA−A線切断部の要
部断面図
列に接続し、温度検出素子とした場合の要部断面図
価回路図
路に定電流電源を接続した回路図
パラメータとして示した図で、(a)は順電流が20m
Aまでの図、(b)は2mAまでの図
示した図
Claims (6)
- 【請求項1】一導電形の半導体基板に絶縁ゲート型素子
を形成し、該素子の一導電形のエミッタ領域を形成する
半導体基板の主面の表面層に、該素子の他導電形ウェル
領域と離して、pnダイオードが形成されるように、他
導電形のアノード領域を選択的に形成し、該アノード領
域の表面層に一導電形のカソード領域を選択的に形成
し、エミッタ領域上にエミッタ電極とカソード領域上に
カソード電極とが形成され、エミッタ電極とカソード電
極とが接続され、アノード端子がアノード電極と、エミ
ッタ端子がエミッタ電極とそれぞれ接続され、pnダイ
オードのアノード領域からカソード領域に電流が流れる
ように、電流源の正極がアノード端子と、負極がエミッ
タ端子とそれぞれ接続され、アノード電位から温度を検
出する温度検出端子がアノード電極と接続されることを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】絶縁ゲート型素子の他導電形ウェル領域お
よび一導電形のエミッタ領域と、pnダイオードのアノ
ード領域およびカソード領域とがそれぞれ同じ濃度、同
じ深さであることを特徴とする請求項1記載の半導体装
置。 - 【請求項3】pnダイオードのアノード領域およびカソ
ード領域が、同心円状に形成されてなることを特徴とす
る請求項1又は2記載の半導体装置。 - 【請求項4】半導体基板上にpnダイオードが複数個形
成され、該半導体基板上に選択的に形成された絶縁膜を
介して金属膜が形成され、複数のpnダイオードが直列
接続されるように、該金属膜で一方のpnダイオードの
アノード電極と他方のpnダイオードのカソード電極と
が接続されることを特徴とする請求項1記載の半導体装
置。 - 【請求項5】電流源が定電流電源であることを特徴とす
る請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項6】一導電形の半導体基板に絶縁ゲート型素子
を形成し、該素子の一導電形のエミッタ領域を形成する
半導体基板の主面の表面層に、該素子の他導電形ウェル
領域と離して、pnダイオードが形成されるように、他
導電形のアノ ード領域を選択的に形成し、該アノード領
域の表面層に一導電形のカソード領域を選択的に形成
し、エミッタ領域上にエミッタ電極とカソード領域上に
カソード電極とが形成され、エミッタ電極とカソード電
極とが接続され、pnダイオードのアノード領域を取り
囲む他導電形領域を、半導体基板の表面層に、絶縁ゲー
ト型素子と分離して形成し、他導電形領域上に金属電極
を形成し、該金属電極がカソード電極およびエミッタ電
極に接続されることを特徴とする半導体装置。
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