JPH0766402A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
及び周辺構造に関し、パワー素子部の温度をより正確に
モニタしうる温度モニタ素子を有する半導体装置を提供
する。 【構成】 電力が印加されて動作する素子11と、前記
電力印加により発熱した素子11の温度を検出する温度
モニタ素子18とが半導体基板13に形成され、かつ該
温度モニタ素子18は該温度モニタ素子18の周辺部の
一部領域を除いて前記素子11により囲まれるように配
置されていることを含み構成する。
Description
り詳しくは、パワーICデバイスの温度モニタ素子の配
置及び周辺構造に関する。
MOSFETが多用されている。更に、製造技術の進歩
・改良に伴い、パワーMOSFETと該パワーMOSF
ETの動作を制御する制御回路とが同一のチップに搭載
されたパワーICデバイスが商品化されている。この場
合において、制御回路は過剰な温度上昇により誤動作
し、破壊に至るおそれがあるので、特に、パワー部と制
御回路とが互いに隣接するパワーICデバイスの場合に
は、パワー部の過剰な温度上昇に対する保護回路を設け
る必要がある。このため、パワー部の温度情報を保護回
路に与える温度センサとして温度モニタ素子がチップに
搭載される。
Cデバイスの温度モニタ素子の配置及び周辺構造につい
ての説明図である。
全体の平面構成を示す平面図で、半導体チップ3におい
てパワー部(パワーMOSFET部)1と制御回路部
(IC部)2との境界部の制御回路部内に温度モニタ素
子8が配置されている。
断面図で、パワーMOSFET部1とIC部2との境界
部を拡大したものである。図4(b)において、4はそ
れぞれ境界部のシリコン基板33に形成されたパワーM
OSFET部の端部のバックゲート領域層(チャネル領
域)、5はバックゲート領域層4内のソース領域層、7
はソース領域層5及びバックゲート領域層4にともに接
続された電極配線(ソース電極)、8は絶縁膜9に被覆
され、他から絶縁されている温度モニタ素子で、パワー
MOSFET部1の温度上昇を検出するため、パワーM
OSFET部1に隣接するIC部2内に設けられてい
る。なお、電極配線7は温度モニタ素子8上方には延在
していない。図4ではパワーMOSFET部1が縦型M
OSとして構成されているが、横型MOSであっても良
い。縦型の場合はドレイン電極はシリコン基板33の裏
面に形成され、横型の場合はソース電極7と同じ面側に
形成される。通常、パワーMOSFET部1は、ゲート
電極6を平面的に格子状又は帯状とし、それに合わせて
バックゲート領域層4も多角形の島状又は帯状とした単
位構造(セル構造)が並列的に多数配置された構造とな
っている。
搭載された場合において、例えば、主回路の負荷が短絡
した場合、パワーMOSFETには過大な電力が加わり
パワーMOSFETは発熱する。この熱はシリコン基板
33及び絶縁膜9を経て、温度モニタ素子8に伝導す
る。そして、温度モニタ素子8により検出された温度情
報が保護回路に与えられ、所定の温度を越えたときに保
護回路が働いてパワーMOSFETを遮断しパワーIC
デバイス2を防御する。
子8は自己発熱の低いIC部の表面にあるため、パワー
MOSFET部1と温度モニタ素子8との間には温度勾
配があり、パワーMOSFET部1での温度よりも相当
低い温度が温度モニタ素子8で検出される。そしてま
た、その低い温度はMOSFET部1の異常時の発熱時
点で直ちに検出されるのではなく、温度モニタ素子8ま
での基板の容積等による熱容量と熱伝導性の低い絶縁膜
9が存在しているので、温度モニタ素子8の検出温度ま
で立ち上がるのに無視できないタイムラグが生じ、この
間は異常発熱が継続されてしまい、回路破壊等を招き易
い。
のであり、その課題は、パワー素子部の温度をより正確
かつ迅速にモニタし得る温度モニタ素子を有する半導体
装置を提供することにある。
めに、本発明が講じた手段は、第1に、電力が印加され
て動作する素子と、前記電力印加により発熱した素子の
温度を検出する温度モニタ素子とが半導体基板に形成さ
れ、かつ該温度モニタ素子はその周辺部の一部領域を除
いて前記素子により囲まれるように配置する。
と、前記電力印加により発熱した素子の温度を検出する
温度モニタ素子とが半導体基板に形成され、かつ該温度
モニタ素子は前記素子の電極と一体的に形成された導電
体膜により絶縁膜を介して被覆する。
両者を用いる。
および周辺構造で、パワーMOSFETの端部のソース
に相当する半導体基板の表層から発熱した場合の各部の
温度分布をシミュレーションした。図3にその結果を示
す。それによれば、発熱部が160℃で裏面温度100
℃の場合に温度モニタ素子によって検出される温度は2
5℃以上低い値であった。負荷の短絡等の異常が発生し
た場合には、発熱部での温度上昇が数百度に達すると考
えられ、上記の比率から類推すると温度差は百度前後に
なることも考えられる。従って、パワーMOSFETの
熱破壊を防ぐためには、実際の温度と検出温度との間の
温度差を縮小し、パワー部の温度が出来るだけそのまま
検出できるようにする必要がある。
されて動作する素子に囲まれるように温度モニタ素子が
形成されている。従って、発熱部からの熱は温度モニタ
素子の一方向からでなく多角的な方向から温度モニタ素
子の方に伝達するため、一方だけの場合に比較して検出
にかかる熱が十分に補われる。
電体膜により温度モニタ素子が被覆されている。従っ
て、発熱部からの熱は半導体基板のほか、熱伝導性の高
い導電体膜を伝って温度モニタ素子の方に伝わってくる
ため、検出にかかる熱が十分に補われる。
が印加されて発熱した素子の温度との差が少なく、また
温度モニタ素子での温度の立ち上がりも速い。従って、
正確かつ迅速な温度モニタが可能となる。
する素子に囲まれるように配置すると共に、素子の電極
と一体的に形成された導電体膜により被覆することで、
より検出にかかる熱が十分に補われる。
ついて説明する。
ワーICチップの温度モニタ素子の配置及び周辺構造に
ついての説明図である。
面構成を示す平面図で、電力が印加されて動作するパワ
ーMOSFET部11とその電力印加を制御するIC部
(制御回路部)12との境界部に温度モニタ素子18が
配置されている。そして、温度モニタ素子18の周囲
は、IC部12に面した方を除いて、三方がパワーMO
SFET部11の素子に囲まれている。なお、IC部1
2に面した方は保護回路への配線が形成されるため、パ
ワーMOSFET部11の素子は形成されていない。
断面図で、パワーMOSFET部11と温度モニタ素子
18との境界部を拡大したものである。
れ温度モニタ素子18の周囲を囲むように、シリコン基
板13に形成されたパワーMOSFETのバックゲート
領域層、15a,15bはそれぞれバックゲート領域層14
a,14b内のソース領域層で、ゲート電極16a,16b下
のソース領域層15a,15bとシリコン基板13との間の
バックゲート領域層14a,14bがチャネル層となる。1
7はソース領域層15a,15b及びバックゲート領域層14
a,14bにともに接続された例えばアルミニウム膜から
なるソース電極、18は電力が印加され、発熱するパワ
ーMOSFETの温度を検出する例えばPN接合の逆漏
れ電流を利用した温度モニタ素子で、例えばシリコン酸
化膜からなる絶縁膜19により被覆され、他から絶縁さ
れている。
18上方まで延在し、絶縁膜19を介して温度モニタ素
子18を被覆している。
16a,16bに負の電圧を印加することによりチャネル層
が形成され、ソース電極17−ソース領域層15a,15b
−チャネル層−シリコン基板13という経路で通常の電
流が流れる。そして、主としてチャネル層を中心として
発熱が起こる。
15a,15b−バックゲート領域層14a,14b−シリコン
基板13という電流経路も考えられ、主としてソース領
域層15a,15bとバックゲート領域層14a,14bとの間
のpn接合や、バックゲート領域層14a,14bとシリコ
ン基板13との間のpn接合で発熱すると考えられる。
その熱は温度モニタ素子18の三方からシリコン基板1
3及びソース電極17を通って温度モニタ素子18に伝
わり、温度モニタ素子18が温度を検出する。
はIC部12の保護回路に送られ、保護回路は電力の供
給路を遮断するなどしてパワーMOSFETの動作を停
止する。
確認するため、シミュレーションを行った。シミュレー
ションのモデルとして第1の実施例の温度モニタ素子1
8の配置および周辺構造と同様なものを用いた。そし
て、温度モニタ素子から70μm離れたシリコン基板の
表層から発熱した場合の各部の温度分布をシミュレーシ
ョンした。なお、シリコン基板の厚さを500μmとし
た。図3にその結果を示す。それによれば、発熱部が1
60℃で、シリコン基板裏面が100℃で一定の場合
に、発熱部温度と温度モニタ素子に検出される検出温度
との差は10℃以下であった。従来例の温度差25℃と
比較して大幅に小さくなった。
るパワーICデバイスによれば、温度モニタ素子の三方
がパワーMOSFETの発熱部に囲まれるように配置さ
れている。従って、その発熱部からの熱は温度モニタ素
子の三方から温度モニタ素子の方に伝達するため、一方
だけの場合に比較して検出にかかる熱が十分に補われ
る。
8上の絶縁膜19の上に延在させている。ソース電極1
7は熱伝導率が大きいため、発熱部からの熱はシリコン
基板13のほか、ソース電極17を介して温度モニタ素
子18の方に伝わってくる。
るので、温度モニタ素子により、パワーMOSFET部
11の温度をより正確かつ迅速にモニタし得る。
ワーICチップの温度モニタ素子の配置及び周辺構造に
ついての説明図である。
全体の平面構成を示す平面図で、パワーMOSFET部
21とIC部22との境界部に温度モニタ素子28が配
置されている。
断面図で、パワーMOSFET部21とIC部22との
境界部を拡大したものである。
の周囲一方に近接してパワーMOSFETが配置されて
いることは、従来と同様であるが、温度モニタ素子28
の上方にパワーMOSFETのソース電極27が延在
し、絶縁膜29を介して温度モニタ素子28を被覆して
いることが従来の場合と異なっている。
うにシリコン基板23に形成されたパワーMOSFET
のバックゲート領域層、25はバックゲート領域層24
内のソース領域層で、ゲート電極26下のソース領域層
25とシリコン基板23との間のバックゲート領域層2
4がチャネル層となる。27はソース領域層25及びバ
ックゲート領域層24にともに接続されたソース電極、
28は絶縁膜29に被覆され、他から絶縁されている温
度モニタ素子である。ここで、ソース電極27は温度モ
ニタ素子28上方に延在し、温度モニタ素子28は絶縁
膜29を介してソース電極27により被覆されている。
合、ソース領域層25−バックゲート領域層24−シリ
コン基板23という経路で電流が流れると考えられ、主
としてソース領域層25とバックゲート領域層24との
間のpn接合や、バックゲート領域層24とシリコン基
板23との間のpn接合で発熱すると考えられる。その
熱はシリコン基板23及びソース電極27を通って温度
モニタ素子28に伝わり、温度モニタ素子28が温度を
検出する。更に、温度モニタ素子28からの温度情報は
IC部22の保護回路に送られ、保護回路は電力の供給
路を遮断するなどしてパワーMOSFETの動作を停止
する。
いて、ソース電極17を温度モニタ素子18の上方まで
延在させない構成、つまり温度モニタ素子18の周囲三
方をパワーMOSFET部11の素子で囲んだだけの構
成としたものである。かかる場合でも、検出にかかる熱
が十分に補われる。
確認するため、シミュレーションを行った。シミュレー
ションのモデルとして第1の実施例の温度モニタ素子の
配置および周辺構造と同様なものを用いた。温度モニタ
素子と発熱部との距離、シリコン基板の厚さは第1の実
施例と同じにしている。それによれば、発熱部が160
℃で、シリコン基板裏面が100℃で一定の場合に、発
熱部温度と温度モニタ素子に検出される検出温度との差
は17℃以下であった。従来例の25℃と比較してかな
り小さくなった。
パワーMOSFET部21の温度をより正確にモニタし
うる。従って、この温度情報に基づいて保護回路が動作
し、MOSFET及び制御回路の破壊が防止される。
T部は縦型MOSFETであるが、これに限らず横型M
OSFET,サイリスタ等のパワー素子であっても良
い。
よれば、電力が印加される素子に囲まれるように、温度
モニタ素子が配置されている。従って、素子の発熱部か
らの熱は多角的な方向から温度モニタ素子に伝達するた
め、一方だけの場合に比較して検出にかかる熱が十分に
補われる。これにより、温度モニタ素子での温度と電力
素子部での温度の差が小さくなり、また温度モニタ素子
での温度の立ち上がりが電力素子部での温度上昇に速く
追従するため、素子の温度をより正確かつ迅速にモニタ
し得る。
縁膜の上に延在し、その電極により温度モニタ素子が被
覆されている。従って、発熱部からの熱は半導体基板の
ほか、熱伝導率の高い電極を伝って温度モニタ素子の方
に流れてくるため、検出にかかる熱が十分に補われる。
この場合も、温度モニタ素子での温度と電力素子部での
温度の差が小さくなり、また温度モニタ素子での温度の
立ち上がりが電力素子部での温度上昇に速く追従するた
め、素子の温度をより正確かつ迅速にモニタし得る。
図である。
図である。
出温度の比較線図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 電力が印加されて動作する素子と、前記
電力印加により発熱した素子の温度を検出する温度モニ
タ素子とが半導体基板に形成され、かつ該温度モニタ素
子はその周辺部の一部領域を除いて前記素子により囲ま
れるように配置されていることを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項2】 電力が印加されて動作する素子と、前記
電力印加により発熱した素子の温度を検出する温度モニ
タ素子とが半導体基板に形成され、かつ該温度モニタ素
子は前記素子の電極と一体的に形成された導電体膜によ
り絶縁膜を介して被覆されていることを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項3】 電力が印加されて動作する素子と、前記
電力印加により発熱した素子の温度を検出する温度モニ
タ素子とが半導体基板に形成されており、かつ該温度モ
ニタ素子はその周辺部の一部領域を除いて前記素子によ
り囲まれるように配置されていると共に、前記素子の電
極と一体的に形成された導電体膜により絶縁膜を介して
被覆されていることを特徴とする半導体装置。
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