JP6863012B2 - 温度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数段のＰＮダイオードを用いて温度検出を行う温度検出装置に関するものである。

従来、半導体素子の温度検出を行う温度検出装置として、ＰＮダイオードが用いられている（例えば、特許文献１参照）。この温度検出装置は、ＰＮダイオードを複数段直列接続したものとされており、ＰＮダイオードの温度特性に基づき、複数段直列接続したＰＮダイオードの両端電圧が半導体素子の温度に応じて変化することを利用して、半導体素子の温度検出を行う。

特開２０１６−１６６８６０号公報

しかしながら、複数段直列接続したＰＮダイオードによって温度検出装置を構成する場合、温度検出装置の温度係数を設定するパラメータが少ない。具体的には、ＰＮダイオードの段数、ＰＮ接合の接合幅、ＰＮ接合の繰り返し間隔であるピッチ、Ｐ型Ｎ型領域の拡散層濃度程度しかパラメータが無い。このため、温度検出装置の温度係数および各温度でのＶｆの合わせ込みの自由度が小さく、所望の特性への合わせ込みがしにくいという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、温度係数および各温度でのＶｆの合わせ込みを高い自由度で行うことができる温度検出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、請求項１に記載の発明では、Ｐ型領域（６）とＮ型領域（７）とによるＰＮ接合により構成されるＰＮダイオードを有し、該ＰＮダイオードの温度特性に基づいて温度検出を行う温度検出装置において、ＰＮダイオードを異なる段数で備える第１ダイオード部（４）および第２ダイオード部（５）を少なくとも有し、第１ダイオード部と第２ダイオード部とを並列接続している。

このように、温度検出装置を異なる段数のＰＮダイオードによって構成された第１ダイオード部と第２ダイオード部を並列接続することで構成している。これにより、温度検出装置の温度係数［ｍＶ／℃］を、第１ダイオード部を構成するＰＮダイオードの段数と、第２ダイオード部を構成するＰＮダイオードの段数の間の段数に相当する値に合わせ込むことが可能となる。したがって、温度検出装置を単に複数段のＰＮダイオードを直列接続して構成する場合と比較して、温度係数［ｍＶ／℃］の合わせ込みを高い自由度で行うことが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる温度検出装置の断面構成を示す図である。 図１に示す温度検出装置の上面レイアウト図である。 図１に示す温度検出装置の回路図である。 ＰＮダイオードの段数と温度係数［ｍＶ／℃］との関係を示した図である。 ＰＮダイオードの段数と温度係数［ｍＶ／℃］との関係および段数が異なるＰＮダイオードを並列接続した場合の温度係数［ｍＶ／℃］の合わせ込みを示した図である。 第２実施形態にかかる温度検出装置の上面レイアウト図である。 第３実施形態にかかる温度検出装置の上面レイアウト図である。 第４実施形態にかかる温度検出装置の上面レイアウト図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態で説明する温度検出装置は、例えば、半導体スイッチング素子などの発熱が伴う半導体素子の温度検出を行うものとして用いられる。ここでは、半導体スイッチング素子の温度検出装置として説明するが、他の半導体素子の温度検出を行うものとして適用されても良い。

図１に示すように、シリコン（Ｓｉ）や炭化珪素（ＳｉＣ）等の半導体材料で構成された半導体基板１の上に層間絶縁膜２を介して温度検出装置３が形成されている。図示していないが、半導体基板１には半導体スイッチング素子が形成されており、外部の制御装置によってオンオフが制御されることにより、例えば半導体スイッチング素子が接続される負荷への電流供給のオンオフが制御されるようになっている。温度検出装置３は、半導体スイッチング素子の高温化による素子破壊を抑制するために、半導体スイッチング素子の温度検出を行うためのものである。温度検出装置３での検出結果は制御装置に伝えられるようになっており、制御装置において半導体スイッチング素子が所定温度に至ったことが検知されると、半導体スイッチング素子がオフされ、高温化による素子破壊や配線の溶断などが抑制される。

具体的には、温度検出装置３は、図２に示すように、第１ダイオード部４および第２ダイオード部５を並列接続することによって構成されている。

第１ダイオード部４および第２ダイオード部５は、共に、ポリシリコンによるＰＮダイオードによって構成されており、パターニングされたポリシリコンに対して短冊状のＰ型領域６とＮ型領域７を交互に形成することにより構成されている。第１ダイオード部４と第２ダイオード部５は、異なる段数のＰＮダイオードによって構成されており、本実施形態では共に、複数段のＰＮダイオードを直列接続したもので構成されている。より詳しくは、ＰＮダイオードにおけるＰ型領域６とＮ型領域７の配列方向、つまり電流の流れる方向に沿って各段のＰＮダイオードが繰り返し配置されることで、複数段のＰＮダイオードを直列接続した構造が構成されている。

例えば、図２に示す例では、第１ダイオード部４については、３段のＰＮダイオードが直列接続された構造とされ、第２ダイオード部５については、２段のＰＮダイオードが直列接続された構造とされており、図３に示した回路図の構成とされている。

そして、図２に示すように、第１ダイオード部４および第２ダイオード部５の両端、つまり複数段のＰＮダイオードの最も端のＰ型領域６や最も端のＮ型領域７それぞれに接続されるように、第１配線電極８と第２配線電極９が備えられている。具体的には、図１に示すように、第１配線電極８と第２配線電極９は、ＰＮダイオードを覆う層間絶縁膜１１の上に形成されている。そして、第１配線電極８と第２配線電極９は、層間絶縁膜１１に形成されたコンタクトホールを通じて、それぞれ、複数段のＰＮダイオードのＰ型領域６やＮ型領域７と接続されており、逆方向電圧が印加されるＰＮダイオードは第３配線電極１０により短絡されている。ここでは、第１配線電極８と第２配線電極９は、第１ダイオード部４および第２ダイオード部５の共通の配線電極とされているが、別々とされていて、図示しない配線を介して電気的に接続された構成とされていても良い。

このような構成により、第１ダイオード部４と第２ダイオード部５とが並列接続された構造とされ、温度検出装置３が構成されている。

なお、温度検出装置３は、表面が保護膜１２によって覆われることで保護されている。そして、図示しないが、第１配線電極８や第２配線電極９は、保護膜１２から露出させられている各パッドと接続されており、パッドを通じて外部に備えられる半導体スイッチング素子の駆動用の制御装置に接続されている。

以上のようにして、半導体基板１の上に形成された温度検出装置３が構成されている。続いて、このように構成された温度検出装置３の効果について説明する。

まず、温度検出装置３が単に１段のＰＮダイオードもしくは複数段のＰＮダイオードを直列接続しただけの構成の場合、ＰＮダイオードの段数に対する温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］は、図４のような関係となる。なお、ここでいう温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］とは、第１温度、例えば２５℃と、第２温度、例えば１５０℃それぞれにおける温度検出装置３の順方向電圧Ｖｆの変化量を意味している。例えば第１温度が２５℃のときの順方向電圧ＶｆがＶｆ₂₅、第２温度が１５０℃のときの順方向電圧ＶｆがＶｆ₁₅₀であるとすると、温度係数［ｍＶ／℃］は、次式で表される。

（数１） 温度係数［ｍＶ／℃］＝（Ｖｆ₁₅₀−Ｖｆ₂₅）／（１５０−２５）
この温度係数［ｍＶ／℃］は、段数に対して比例関係となる。このため、図４に示す関係となる。

しかしながら、温度検出装置３が単に１段のＰＮダイオードもしくは複数段のＰＮダイオードを直列接続しただけの構成である場合には、温度係数［ｍＶ／℃］として図４中において矢印で示した１段、２段、３段のような正の整数段と対応する値にしか合わせ込めない。つまり、１．５段や２．５段に相当する温度係数［ｍＶ／℃］への合わせ込みを行うことはできない。

これに対して、本実施形態のように、温度検出装置３を異なる段数のＰＮダイオードで構成された第１ダイオード部４と第２ダイオード部５を並列接続した構成とすると、温度係数［ｍＶ／℃］として次のような合わせ込みを行うことが可能となる。

例えば、第１ダイオード部４が３段のＰＮダイオードを直接接続した構成とされ、第２ダイオード部５が２段のＰＮダイオードを直列接続した構成とされている場合について説明する。この場合、第１ダイオード部４のみであれば、ＰＮダイオードを３段直列接続したときの温度係数［ｍＶ／℃］となり、第２ダイオード部５のみであれば、ＰＮダイオードを２段直列接続したときの温度係数［ｍＶ／℃］となる。これらが並列接続されていることから、本実施形態の構成の場合の温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］は、ＰＮダイオードを３段直列接続したときの温度係数［ｍＶ／℃］と２段直列接続したときの温度係数［ｍＶ／℃］との間の値になる。すなわち、図５中に示したように、２段、３段の間での合わせ込みを行える。

ここで、例えば第１ダイオード部４や第２ダイオード部５を構成する各ＰＮダイオードの段数以外のパラメータ、すなわちＰＮ接合の接合幅、ＰＮ接合の繰り返し間隔であるピッチ、ＰＮ接合におけるＰ型領域とＮ型領域のオーバラップ量が同じであるとする。その場合、各ＰＮダイオードが同じ構成であることから、温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］については、ＰＮダイオードを３段直列接続したときの温度係数［ｍＶ／℃］と２段直列接続したときの温度係数［ｍＶ／℃］との中間値になる。つまり、温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］が見かけ上、ＰＮダイオードを２．５段直列接続したときの値になる。

なお、このことは、第１ダイオード部４が２段のＰＮダイオードを直接接続した構成とされ、第２ダイオード部５が１段のＰＮダイオードのみで構成されている場合のように、図２と異なる段数とされる場合についても同様のことが言える。この場合、温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］は、ＰＮダイオードを２段直列接続したときの温度係数［ｍＶ／℃］と１段のみとしたときの温度係数［ｍＶ／℃］との間の値になる。すなわち、温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］を、第１ダイオード部４を構成するＰＮダイオードの段数と、第２ダイオード部５を構成するＰＮダイオードの段数の間の段数に相当する値に合わせ込むことが可能となる。

以上説明したように、温度検出装置３を異なる段数のＰＮダイオードによって構成された第１ダイオード部４と第２ダイオード部５を並列接続することで構成している。これにより、温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］を、第１ダイオード部４を構成するＰＮダイオードの段数と、第２ダイオード部５を構成するＰＮダイオードの段数の間の段数に相当する値に合わせ込むことが可能となる。したがって、温度検出装置３を単に複数段のＰＮダイオードを直列接続して構成する場合と比較して、温度係数［ｍＶ／℃］の合わせ込みを高い自由度で行うことが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２ダイオード部５の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態の温度検出装置３は、異なる段数のＰＮダイオードによって構成された第１ダイオード部４と第２ダイオード部５の段数以外のパラメータについても異ならせている。具体的には、図６に示すように、２段のＰＮダイオードを直列接続して構成した第２ダイオード部５について、３段のＰＮダイオードを直列接続して構成した第１ダイオード部４よりもＰ型領域６およびＮ型領域７の幅を広くしている。すなわち、半導体基板１の表面に対する法線方向から見て、Ｐ型領域６およびＮ型領域７の繰り返し方向、換言すれば電流が流れる方向に対する垂直方向において、Ｐ型領域６およびＮ型領域７の幅を第１ダイオード部４と第２ダイオード部５とで異ならせている。これにより、第２ダイオード部５の方が第１ダイオード部４よりも、Ｐ型領域６およびＮ型領域７におけるＰＮ接合幅が広くなるようにしてある。

このような構成とすれば、第２ダイオード部５の方が第１ダイオード部４と比較してより電流が流れ易くなり、温度係数［ｍＶ／℃］が３段のＰＮダイオードよりも２段のＰＮダイオード寄りの温度特性に基づいて設定されるようになる。このため、例えば本実施形態の構成の場合の温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］は、ＰＮダイオードを３段直列接続したときの温度係数［ｍＶ／℃］と２段直列接続したときの温度係数［ｍＶ／℃］との中間の値よりも２段に近い値になる。例えば、温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］がＰＮダイオードを２．２５段直列接続したときの値に設定されるようにすることができる。

このように、第１ダイオード部４と第２ダイオード部５を構成するＰＮダイオードの段数に加えて、段数以外のパラメータについても異ならせることで、温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］の合わせ込みをより細かく行うことが可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１、第２実施形態に対して第１ダイオード部４および第２ダイオード部５を構成するＰＮダイオードのレイアウトを変更したものであり、その他については第１、第２実施形態と同様であるため、第１、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、ここでは、第１実施形態について第１ダイオード部４および第２ダイオード部５を構成するＰＮダイオードの構造を変更する例を示すが、第２実施形態についても同様の構造を適用できる。

図７に示すように、本実施形態では、第１ダイオード部４や第２ダイオード部５を構成する各ＰＮダイオードは、各ＰＮダイオードにおけるＰ型領域６とＮ型領域７の配列方向、つまり電流の流れる方向に対して交差する方向に並べて配置されている。そして、隣り合うＰＮダイオードのＮ型領域７とＰ型領域６とが、図示しない層間絶縁膜の上に形成される接続配線層１２を介して電気的に接続されることで、ＰＮダイオードが複数段直列接続された状態とされている。なお、第１配線電極８や第２配線電極９および接続配線層１２の端部に図示した四角形は、これらとＰ型領域６もしくはＮ型領域７とのコンタクト箇所を示したものである。

このように、各ＰＮダイオードが電流の流れる方向に対して垂直方向に配列されるレイアウトとしても、第１、第２実施形態と同様の効果を奏することが可能である。

なお、このようなレイアウト構成とする場合においても、第２実施形態のようにＰＮダイオードの段数以外のパラメータ、例えばＰ型領域６とＮ型領域７とのＰＮ接合幅を第１ダイオード部４と第２ダイオード部５とで異ならせることもできる。このようにすれば、第２実施形態と同様に、温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］の合わせ込みをより細かく行うことが可能となる。

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態も、第１、第２実施形態に対して第１ダイオード部４および第２ダイオード部５を構成するＰＮダイオードのレイアウトを変更したものであり、その他については第１、第２実施形態と同様であるため、第１、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、ここでは、第１実施形態について第１ダイオード部４および第２ダイオード部５を構成するＰＮダイオードの構造を変更する例を示すが、第２実施形態についても同様の構造を適用できる。

図８に示すように、本実施形態では、第１ダイオード部４や第２ダイオード部５を構成する各ＰＮダイオードのＰ型領域６とＮ型領域７とが同心円状に構成されるようにしている。より詳しくは、円形状で構成されたＰ型領域６の周囲を囲むように円環状に構成されたＮ型領域７が配置されることで各ＰＮダイオードが構成されている。そして、各ＰＮダイオードが直線状に並べて配置され、隣り合うＰＮダイオードのＮ型領域７とＰ型領域６とが、図示しない層間絶縁膜の上に形成される接続配線層１２を介して電気的に接続されることで、ＰＮダイオードが複数段直列接続された状態とされている。なお、第１配線電極８や第２配線電極９および接続配線層１２の端部に図示した四角形は、これらとＰ型領域６もしくはＮ型領域７とのコンタクト箇所を示したものである。

このようなレイアウトとしても、第１、第２実施形態と同様の効果を奏することが可能である。

なお、このようなレイアウト構成とする場合においても、第２実施形態のようにＰＮダイオードの段数以外のパラメータ、例えばＰ型領域６とＮ型領域７とのＰＮ接合幅を第１ダイオード部４と第２ダイオード部５とで異ならせることもできる。例えば、Ｐ型領域６の直径やＮ型領域７の内径を第１ダイオード部４と第２ダイオード部５とで異ならせることで、ＰＮ接合幅を異ならせることができる。すなわち、ＰＮ接合幅は、Ｐ型領域６とＮ型領域７とが接合されている長さを意味しており、本実施形態の場合は、Ｐ型領域６の直径もしくはＮ型領域７の内径の長さとなるため、これらを第１ダイオード部４と第２ダイオード部５とで異ならせる。このようにしても、第２実施形態と同様に、温度検出装置３の温度係数［ｍＶ／℃］の合わせ込みをより細かく行うことが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上記した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した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記各実施形態において、第１ダイオード部４や第２ダイオード部５を構成するＰＮダイオードの数の一例を示したが、上記実施形態で示した数に限る訳ではない。また、上記各実施形態では、第１ダイオード部４と第２ダイオード部５という２つのダイオード部を有する構成を例に挙げて説明した。しかしながら、これは、少なくとも第１ダイオード部４と第２ダイオード部５という２つのダイオード部を有していれば良いという意味であり、３つ以上のダイオード部が並列接続された構造によって温度検出装置３を構成しても良い。その場合、複数のダイオード部それぞれを構成するＰＮダイオードの段数が異なった数となっていれば良い。

また、上記第４実施形態では、各ＰＮダイオードのＰ型領域６とＮ型領域７とが同心円状に構成されるようにしている。これも一例であり、各ＰＮダイオードのＰ型領域６とＮ型領域７とが円形や楕円形とされ、それぞれが円状に配置された構造とされていればよい。

１ 半導体基板
３ 温度検出装置
４ 第１ダイオード部
５ 第２ダイオード部
６ Ｐ型領域
７ Ｎ型領域
８ 第１配線電極
９ 第２配線電極
１０ 第３配線電極
１１ 層間絶縁膜
１２ 保護膜

Claims (6)

1. Ｐ型領域（６）とＮ型領域（７）とによるＰＮ接合により構成されるＰＮダイオードを有し、該ＰＮダイオードの特性に基づいて温度検出を行う温度検出装置において、
   前記ＰＮダイオードを異なる段数で備える第１ダイオード部（４）および第２ダイオード部（５）を少なくとも有し、前記第１ダイオード部と前記第２ダイオード部とが並列接続されている温度検出装置。
2. 前記Ｐ型領域と前記Ｎ型領域とが共に短冊状とされており、
   前記第１ダイオード部と前記第２ダイオード部とを構成する前記ＰＮダイオードは、前記Ｐ型領域と前記Ｎ型領域との配列方向に沿って繰り返し配置されることで、複数段が直列接続されている請求項１に記載の温度検出装置。
3. 前記Ｐ型領域と前記Ｎ型領域とが共に短冊状とされており、
   前記第１ダイオード部と前記第２ダイオード部とを構成する前記ＰＮダイオードは、前記Ｐ型領域と前記Ｎ型領域との配列方向に対して交差する方向に複数個が並べて配置されることで、複数段が直列接続されている請求項１に記載の温度検出装置。
4. 前記ＰＮダイオードそれぞれにおいて前記Ｐ型領域と前記Ｎ型領域とが円状に配置されており、
   前記第１ダイオード部と前記第２ダイオード部とを構成する前記ＰＮダイオードは、複数個ずつ直線状に並べて配置されることで、複数段が直列接続されている請求項１に記載の温度検出装置。
5. 前記第１ダイオード部と前記第２ダイオード部とを構成する前記ＰＮダイオードは、前記Ｐ型領域と前記Ｎ型領域とのＰＮ接合幅が前記第１ダイオード部と前記第２ダイオード部とで異なっている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の温度検出装置。
6. 前記第１ダイオード部と前記第２ダイオード部とは異なる段数の前記ＰＮダイオードを備える少なくとも１つのダイオード部を更に有し、前記第１ダイオード部と前記第２ダイオード部および前記少なくとも１つのダイオード部が並列接続されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の温度検出装置。

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