CN1106572A

CN1106572A - 半导体器件

Info

Publication number: CN1106572A
Application number: CN 94102117
Authority: CN
Inventors: 名仓英明; 黄沢真睹; 椿和彦; 吉村昌佑
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-02-07
Filing date: 1994-02-07
Publication date: 1995-08-09
Anticipated expiration: 2014-02-07
Also published as: CN1059054C

Abstract

一种半导体器件，它在一个半导体衬底上包括一个由收集区、第一基区和第一发射区组成的输出晶体管和一个由收集区、第二基区和第二发射区组成的测温晶体管。输出晶体管位于半导体衬底收集区的中央。在输出晶体管的中央形成有一个未被占用区，测温晶体管就制作在这一未被占用区内。

Description

本发明涉及到一种半导体器件，它具有预防热击穿的功能，此热击穿是由半导体输出元件的温升引起的。更确切地说是涉及到一种具有大电流的输出元件的高功能半导体器件。

通常，作为一种带有保护功能、使形成于半导体衬底上的半导体输出元件免遭击穿的半导体器件，已知和一种方法是在半导体输出元件附近于衬底之外提供一个热敏电阻组成的温度传感器，由它来探测半导体输出元件的温度，以便当测得的温度升高到现定温度时将电流节断。

然而在上述半导体器件中，由于温度传感器位于半导体衬底之外，在半导体输出元件的温度传感器测得的温度之间就引起时间滞后和温度偏离。

因此，当输出元件已达到可能引起热击穿的危险温度时，传感器还检测不到这一危险温度，从而使半导体输出元件遭受击穿。

图8（a)和（b）所示，日本专利申请公开公报第3－276636号提出了一种半导体器件，其中，输出晶体管61位于半导体衬底60的一边而输出晶体管61的测温电阻62位于衬底的另一边。参考号63是输出晶体管61的收集区，64是基区，65是发射区，而66是测量电阻62的电极。

另外，日本专利申请公开公报第1－290249号提出了一种半导体集成电路器件，其测温元件位于半导体衬底上的主发热部分。

在上述二种器件中，由于测温元件位于衬底上，输出元件的温度与测温元件测得的温度之间的时间滞后基本上已被克服。

然而，为下面所述，在上述二种半导体器件中，尽管半导体输出元件被击穿这一问题仍未解决。

在前一种器件中，由于输出晶体管在半导体衬低的一边而测温电阻在另一边，输出晶体管的温度和测温电阻测得的温度之间不可避免地要出现差异。虽然存在这一温度差异利用预先得出它们之间的相互关系的方法是可以检测到输出元件是否达到了危险温度的。但是，由于半导体衬底上输出元件所在的那部分远离测温元件，在输出元件的实际温度和测温元件测得的温度之间就到引起差异。只要存在这一差异。这一温度差异的离散就不可避免。因此，前一种半导体器件存在以下问题，即使半导体输出元件达到了危险温度，测温元件仍探测不到。

在后一种半导体集成电路器件中，半导体衬底上的主发热部分并不总是器件中温升最高的部分。当主发热部分位于衬底中心部分时，主发热部分是温升最高的部分；但当主发热部分位于半导体衬底边上时，如日本专利申请公开公极1-290249号所述，热量容易从衬底上主发热部分辐射但是难于从其中心部分射。因此，若输出元件位于衬底的中心部分或其附近，虽然输出元件达到了危险温度，测温元件也探测不到。

本发明的目的是提供一种半导体器件，其温度探测元件能够迅速而准确地探测半导体输出元件是否达到了危险温度。

本发明的第一种半导体器件包含：

一个半导体衬底;

一个形成在上述半导体衬底上的半导体输出元件其中央部分有一未被占用的区域;以及

一个位于上述被占用区域的温度探测元件，用于探测上述半导体输出元件的温度。

在上述结构中，测温元件被半导体输出元件所环绕，以使其检测到的是输出元件各部分温度的平均值。因而输出元件的温度与测温元件测得的温度之间的差异特别小，致使温度差异的离散很小。因此，测温元件能够准确地探测出半导体输出元件是否达到了危险温度。

本发明的第二种半导体器件包含：

一个半导体衬底;

一个形成上述半导体衬底上的半导体输出元件;以及

一个位于上述半导体衬底中央部分的测温元件，用于探测上述输出元件的温度。

这样，测温元件就能够探测半导体衬底中央部分由于热积累而不断上升的温度，从而可准确地探测输出元件是否达到了危险温度。

在第一种和第二种半导体器件中的测温元件最好都是测温晶体管。

为通常所知，晶体管基区和发射区之间的PN结上的正向电压V_BE随PN结的温度而线性变化，而且在给定条件下V_BE对结温的比率是2mv/℃。例出，当正向电压V_BE为200mV时，晶体管的PN结温为100℃;正向电压V_BE为300mV时，则结温为150℃。因而晶体管可以可靠地用作测温元件。

最好是用一对复合连接的晶体管来作测温晶体管。

由于复合晶体管有两个PN结，故复合晶体管正向电压V_BE对结温的比率为4mV/℃。这样，复合晶体管正向电压相对于温度的变化就二倍于单个晶体管，从而提高输出元件温度检测的精度。

在第一种或第二种半导体器件中，测温元件也可以是一种测温二极管。

为通常所知，二极管PN结的正向电压V_F随PN结的温度变化而线性变化，而且在给定条件下正向电压V_F对PN结温度的比率为2mV/℃。例如，当二极管PN结的正向电压V_F为300mV时，结温为150℃;而当V_F为400mV时，结温为200℃。因而该二极管能够可靠地用作测温元件。

在第一种或第二种半导体器件中，测温元件可以是一种测温电阻器。

为通常所知，电阻器的电阻随其温度而线性变化。因而电阻器能够可靠地用作测温元件。

在第一种或第二种半导体器件中，测温元件同半导体输出元件最好在同一工序中制作。

这样，输出半导体元件和测温元件相互的性能起伏就可以小一些，从而使输出元件温度和测温元件测得的温度之间的差异的离散大为减小。

当输出半导体元件为输出晶体管时，第一种或第二种半导体器件的性能明显地提高。

因为输出晶体管由于运行中的温升而行将损坏时的温度被精确地探测。

当半导体输出元件为输出晶体管时，上述测温元件最好是一个测温晶体管，上述输出晶体管的收集极和上述测温晶体管的收集极最好位于同一区域，上述输出晶体管的基极和上述测温晶体管的基极最好分别位于不同的区域，而上述输出晶体管的发射极和上述测温晶体管的发射极最好也位于不同的区域。

这样可容易、准确地制作输出晶体管和测温晶体管。

图1（a）和（b）示出了本发明第一实施例的一种半导体器件，其中图1（a）是平面图，图1（b）是沿图1（a）Ⅰ-Ⅰ的剖面图。

图2（a）和（b）示出了本发明第二实施例的一种半导体器件，其中图2（a）是平面图，图2（b）是沿图2（a）Ⅱ-Ⅱ的剖面图。

图3（a）和（b）示出了本发明第三实施例的一种半导体器件，其中图3（a）是平面图，图3（b）是沿图3（a）Ⅲ-Ⅲ的剖面图。

图4（a）和（b）示出了本发明第四实施例的一种半导体器件，其中图4（a）是平面图，图4（b）是沿图4（a）Ⅳ-Ⅳ的剖面图。

图5是一个示意图，示出了测得的第一实施例半导体器件温度的离散，并与测得的常规半导体器件温度的离散进行了比较。

图6是一个示意图，示出了测得的第二和第三实施例半导体器件温度的离散，并与测得的常规半导体器件温度的离散进行了比较。

图7示意地示出了测得的第四实施例半导体器件温度的离散并与测得的常规半导体器件温度的离散进行了比较。

图8（a）和（b）示出了常规半导体器件，其中图8（a）是平面图，图8（b）是沿图8（a）Ⅷ-Ⅷ的剖面图。

以下描述本发明第一实施例的半导体器件。

图1（a）和（b）示出了第一实施例的半导体器件1，其中图1（a）是平面图，图1（b）时沿图1（a）Ⅰ-Ⅰ的剖面图。为了简洁，图1（a）中省略了各个电极。

如图1（a）和（b）所示，半导体器件1包括一个收集区10（即N型硅衬底）、一个形成在收集区10的中央部分的环形第一基区11、一个形成在第一基区11上的C字型第一发射极、一个形成在收集区10上第一基区11和第一发射区12之中未被占用区内的立方形第二基区13、以及一个形成在第二基区13上的矩形体第二发射区14。

在收集区10的下表面制作一个收集极电极15。第一基极电极16位于第一基区11上。第一发射极电极17位于第一发射区12上。第二基极电极18位于第二基区13上。第二发射极电极19位于第二发射区14上。

作为半导体输出元件的输出晶体管1A由收集区10、第一基区11和第一发射区12组成，作为测温元件的测温晶体管1B由收集区10、第二基区13和第二发射区14组成。如上所述，测温晶体管1B位于构成收集区10的N型硅衬底的中央部分，而输出晶体管1A环绕着测温晶体管1B。

下面讨论第一实施例的半导体器件1的制造方法。

首先，在扩散有磷的N型硅衬底（NPN晶体管的收集区10）中进行选择性扩硼以便同时形成相互分立的第一基区11和第二基区13。

然后在第一和第二基区11和13中选择性扩磷以分别形成第一发射区12和第二发射区14。接着分别在收集区10的下表面、第一基区11、第一发射区12、第二基区13和第二发射区14上，制作收集极电极15、第一基极电极16、第一发射极电极17、第二基极电极18和第二发射极电极19。

用此法就在N型硅衬底上分别形成了NPN输出晶体管1A和NPN测温晶体管1B。

下面解释在第一实施例的半导体器件1中使用测温晶体管1B探测输出晶体管1A温度的方法。

当测温晶体管1B的第二基极18和第二发射极19之间外加电压约为1V，并且输出晶体管1A运行于40W（电压为20V、电流为2A、占空比为50%）时，测温晶体管1B的第二基区13和第二发射区14间PN结处的正向电压V_BE为340mV。当输出晶体管1A运行于60W（电压为20V、电流为3A、占空比为50%）时，V_BE为460mV。

另一方面，若使用热电偶来测量稳态运行的输出晶体管1A的温度，则得到40W运行的输出晶体管温度为170℃而60W时为230℃。

测温晶体体管1B中PN结处的正向电压V_BE表示测温晶体管1B的第二基极18与第二发射极19之间的电压差值，它随PN结的温度而变化。

用预先得出输出晶体管1A的温度与测温晶体管1B的正向电压V_BE之间相互关系的方法，可得出两者的对应关系。这样，只要测量测温晶体管1B中第二基区13和第二发射区14之间PN结处的正向电压V_BE，便可以容易地检测出输出晶体管1A的温度。

在第一实施例的半导体器件1中，由于测温晶体管1B制作在输出晶体管1A之内，这就降低了由输出晶体管1A和测温晶体管1B位置不同而引起的测得温度的离散，而且消除了由输出晶体管1A和测温晶体管1B之间的距离所引起的输出晶体管1A的温度和测得温度之间的时间滞后。

因此，使用第一实施例的半导体器件1，可提高输出晶体管1A温度探测的精度和速度。

以下描述本发明第二实施例的半导体器件。

图2（a）和（b）示出了第二实施例的半导体器件2，其中图2（a）是平面图，图2（b）是沿图2（a）Ⅱ-Ⅱ的剖面图。为了简洁，图2（a）中省略了多个电极。

为图2（a）和（b）所示，半导体器件2包括一个收集区20（即N型硅衬底）、一个形成在收集区20中央的环形基区21、一个形成在基区21上的C字型发射区22、一个形成在收集区20上的基区21及发射区22中未被占用区内的立方形阴极区23、以及一个形成在阴极区23上的矩形体阳极区24。

收集极电极25位于收集区20的下表面。基极电极26位于基区21上。发射极电极27位于发射区22上。阴极电极28位于阴极区23上。阳极电极29位于阳极区24上。

作为半导体输出元件的输出晶体管2A由收集区20、基区21和发射区22组成，而作为测温元件的测温二极管2B由阴极区23和阳极区24组成。为上所述，测温二极管2B位于构成收集区20的N型硅衬底的中央部分，而输出晶体管2A围绕着测温二极管2B。

以下讨论第二实施例的半导体器件2的制造方法。

首先，在扩散有磷的N型硅衬底（NPN晶体管的收集区20）中进行选择性扩硼以便同时形成NPN晶体管的基区21和二极管阴极区23。

然后在基区21和阴极区23中进行选择性扩磷以分别形成NPN晶体管的发射区22和二极管的阳极区24。接着，分别在收集区20的下表面、基区21、发射区22、阴极区23和阳极区24上，制作收集极电极25、基区电极26、发射极电极27、阴极电极28和阳极电极29。

用此法就在N型硅衬底上分别形成了NPN输出晶体管2A和测温二极管2B。

下面解释在第二实施例半导体器件2中使用测温二极管2B探测输出晶体管2A温度的方法。

当测温二极管2B的阴极28和阳极29之间外加电压约为1V，并且输出晶体管2A运行于40W（电压为20V，电流为2A，为59%）时，测温二极管2B的阴极区23和阳极区24之间PN结处的正向电压V_F为340mV。当输出晶体管2A运行于60W（电压为20V，电流为3A，占空比为50%）时，V_F为460mV。

另一方面，若使用热电偶来测量稳态运行的输出晶体管2A的温度，则得到40W运行的输出晶体管的温度为170℃而60W时为230℃。

测温二极管2B中PN结处正向电压V_F表示测温二极管2B的阴极电极28和阳极电极29之间的电压差，它随测温二极管2BPN结处的温度而变化。

用预先得出输出晶体管2B的温度与测温二极管2B的正向电压V_F间相互关系的方法，可得出两者的对应关系。这样，通过测量测温二极管2B中阴极区23和阳极区24之间PN结处的正向电压V_F，便可容易地检测出输出晶体管2A的温度。

在第二实施例的半导体器件2中，由于测温二极管2B制作在输出晶体管2A之内，这就降低了由输出晶体管2A和测温二极管位置不同而引起的测得温度的离散性，而且消除了由输出晶体管2A与测温二极管2B之间的距离引起的输出晶体管2A温度和测得温度之间的时间滞后。

因此，使用第二实施例的半导体器件2，可提高输出晶体管2A温度探测的精度和速度。

以下描述本发明的第三实施例的半导体器件。

图3（a）和（b）示出了第三实施例的半导体器件3，其中图3（a）是平面图，图3（b）是沿图3（a）Ⅲ-Ⅲ的剖面图。为简洁起见，图3（a）中省略了多个电极。

如图3（a）和（b）所示，半导体器件3包括一个收集区30（即N型硅衬底）、一个形成在收集区30中央部分的环形基区31、一个形成在基区31上的C字形发射区32，以及一个形成在收集区30上基区31和发射区32之中未被占用区内的H形测温电阻器3B（用作测温元件）。

在收集区30的下表面制作一个收集极电极33。基极电极34位于基区31上。发射极电极35位于发射区32上。测温电极36和37位于测温电阻器3B上。

作为半导体输出元件的输出晶体管3A由收集区30、基区31和发射区32组成。如上所述，测温电阻3B形成在组成收集区30的N型硅衬底的中央，而输出晶体管3A环绕着测温电阻器3B。

以下讨论第三实施例半导体器件3的制造方法。

首先，在扩散有磷的N型硅衬底（NPN晶体管的发射区32）。接着分别在收集区30的下表面、基区31、发射区32和测温电阻器3B上，制作收集极电极33、基极电极34、发射极电极35和测温电极36及37。

用此法就在N型硅底上分别形成了输出晶体管3A和NPN晶体管的测温电阻器3B。

下面解释在第三实施例的半导体器件3中使用测温电阻器3B探测输出晶体管3A温度的方法。

当输出晶体管3A运行于40W（电压为20V、电流为2A、占空比为50%）时，电阻器3B的电阻为5000Ω。当输出晶体管3A运行于60W（电压为20V、电流为3A、占空比为50%）时，电阻器3B的电阻为7000Ω。

另一方面，若使用热电偶来测量稳态运行的输出晶体管3A的温度，则得到40W运行的输出晶体管3A的温度为170℃而60W时为230℃。

由于测温电阻器3B的电阻随输出晶体管3A的温度而变化，可得出两者的对应关系。这样，只要测量测温电阻器3B的电阻，便可容易地检测出输出晶体管3A的温度。

在第三实施例的半导体器件3中，由于测温电阻器3B制作在输出晶体管3A之内，这就降低了由输出晶体管3A和测温电阻器3B位置不同而引起的测得温度的离散，而且消除了由输出晶体管3A和测温电阻器3B之间的距离所引起的输出晶体管3A温度和测得温度之间的时间滞后。

因此，使用第三实施例的半导体器件3，可提高输出晶体管3A温度探测的精度和速度。

以下描述本发明第四实施例的半导体器件4。

图（a）和（b）示出了第四实施例的半导体器件4，其中图4（a）是平面图，图4（b）是沿图4Ⅳ-Ⅳ的剖面图。

如图4（a）和（b）所示，半导体器件4包括一个收集区40（即N型硅衬底）、一个形成在收集区40中央部分的环形P⁺第一基区41、一个形成在第一基区41上的C字形N⁺第一发射区42、形成在收集区40上第一基区41之中未被占用区的一个第二基区43和一个P⁺第三基区44、一个形成在第二基区43上的N⁺第二发射区45、以及一个形成在第三基区44上的N⁺第三发射区46。图4（b）中参考号47表示一个形成在收集区40上的沟道停止区，48表示一个绝缘膜。

在收集区40的下表面制作一个收集极电极49。在第一基区41上制作一个第一基极电极50。第一发射电极51位于第一发射42上。第二基极52位于第二基区43上。第三发射极电极53位于第三发射区46上。第二发射区45和第三基区44用一个复合连接电极54进行电连接。

作为半导体输出元件的输出晶体管4A由收集区40、第一基区和第一发射区42组成。第一晶体管4B由收集区40、第二基区43和第二发射区45组成。第二晶体管4C由收集区40、第三基区44和第三发射区46组成。测温晶体管由彼此复合相连的第一晶体管4B和第二晶体管4C组成。如上所述，彼此复合相连的晶体管4B和4C位于组成收集区40的N型硅衬底的中央，而输出晶体管4A环绕着复合相连的晶体管4B和4C。

以下讨论第四实施例的半导体器件4的制造方法。

首先，在扩散有磷的N型硅衬底（将成为NPN晶体管的收集区40）中进行选择性硼扩散以同时形成相互分立的第一基区41、第二基区43和第三基区44。

然后，在第一、第二和第三基区41、43和44中选择性扩磷以分别形成第一发射区42、第二发射区45和第三发射区46，接着分别在收集区40的下表面、第一基区41、第一发射区42、第二基区43以及第三发射区46上，制作收集极电极49、第一基极电极50、第一发射极电极51、第二基极电极52以及第三发射极电极53。再在第三基区44和第二发射区45之间制作复合连接电极54。

用此法就在N型硅衬底上分别形成了NPN输出晶体管4A以及NPN第一和第二晶体管4B和4C。

下面讨论为评估第四实施例半导体器件4而进行的比较测试。

当第四实施例半导体器件4中的输出晶体管和图8（a）和（b）所示的常规半导体器件中的输出晶体管都运行于40W（电压为20V、电流为2A、占空比为50%）和60W（电压为20V、电流为3A、占空比为50%）时，测量了各个测温晶体管PN结处的正向电压V_BE。在各半导体器件中的输出晶体管稳态运行情况下，还用热电偶进行了测量。相应的测量结果示于表1。

表1

运行测温晶体管的V_BE和温度输出晶体管

电流第四实施例常规的实际温度

40W 680mV(170℃) 300mV(150℃) 170℃

60W 920mV(230℃) 400mV(200℃) 230℃

从表1可见，比之常规半导体器件，第四实施例的半导体可更精确地测出输出晶体管的温度。

图5示出了在第一和第二实施例的半导体器件中测得温度的离散与常规半导体器件中测得温度的离散的比较，后者使用一个位于半导体衬底之外的热敏电阻作为温度传感器。其中，第一和第二实施例的半导体器件以及常规半导体被用于同一音频系统且输出晶体管的温度设定为210℃。

在图5中，P表示在第一和第二实施例的半导体器件中测得温度的分布范围，Q表示在常规半导体器件中测得温度的分布范围。如图5所示，在第一和第二实施例中测得温度的离散明显地小于常规半导体器件中测得温度的离散。

图6示出了在第三实施例半导体器件中测得温度的离散与常规半导体器件中测得温度的离散的比较。其中第三实施例半导体器件与常规半导体器件被用于同一音频系统且输出晶体管的温度设定为210℃。

如图6所示，第三实施例半导体器件中测得温度的离散范围比常规半导体器件中测得的小，但不如第一和第二实施例那样小。

图7示出了在第四实施例半导体器件中测得温度的离散与在常规半导体器件测得温度离散的比较。其中，第四实施例半导体器件与常规半导体器件被用于同一一音频系统且输出晶体管的温度设定为210℃。

如图7所示，第四实施例的半导体器件中测得温度的离散显著地小于常规半导体器件中测得温度的离散，而且还小于第一和第二实施例中测得的结果。

即使在正常运行下，音频系统通常都加有高电压，以致比起其它系统中的半导体器件来，音频系统中的半导体器件的温度都要高。这意味着音频系统常常会由于半导体器件而发生故障。在音频系统中采用本发明的半导体器件，可以降低音频系统出现故障的频度。

在第一至第四实施例中，都使用形成于半导体衬底上的单个晶体管作为输出晶体管。然而，不采用单个晶体管而采用形成于衬底上的复合晶体管作为输出晶体管，也能获得同等的效果。

Claims

1、一种半导体器件，它包含：

一个半导体衬底；

一个形成在上述半导体衬底上并在其中央部分有一个未被占用的半导体输出元件；以及

一个位于上述未被占用区、用来探测上述半导体输出元件温度的测温元件。

2、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述的半导体输出元件位于上述半导体衬底的中央部分。

3、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述的测温元件是一种测温晶体管。

4、根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述的测温晶体管是一对彼此复合连接的晶体管。

5、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述的测温元件是一种测温二极管。

6、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述的测温元件是一种测温晶体管。

7、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述的测温元件同上述半导体输出元件在同一工序中形成。

8、根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述半导体输出元件是一种输出晶体管。

9、根据权利要求8所述的半导体器件，其中所述的测温元件是一种测温晶体管，上述输出晶体管的收集极和上述测温晶体管的收集极形成于同一区域，上述输出晶体管的基极和上述测温晶体管的基极分别形成在不同的区域，而上述输出晶体管的发射极和上述测温晶体管的发射极分别形成在不同的区域。

10、一种半导体器件，它包含：

一个半导体衬底;

一个形成在上述半导体衬底上的半导休体输出元件;以及

一个位上述半导体衬底中央部分用来探测上述半导体输出元件温度的测温元件。

11、根据权利要求10所述的半导体器件，其中所述的测温元件是一种测温晶体管。

12、根据权利要求11所述的半导体器件，其中所述的测温晶体管是一对彼此复合连接的晶体管。

13、根据权利要求10所述的半导体器件，其中所述的测温元件是一种测温二极管。

14、根据权利要求10所述的半导体器件，其中所述的测温元件是一种测温电阻器。

15、根据权利要求10所述的半导体器件，其中所述的测温元件与上述半导体输出元件在同一工序中形成。

16、根据要求要求10所述的半导体器件，其中所述的半导体输出元件是一种输出晶体管。

17、根据权利要求10所述的半导体器件，其中所述的测温元件是一种测温晶体管，上述输出晶体管的收集极和上述测温晶体管的收集极形成于同一区域，上述输出晶体管的基极和上述测温晶体管的基极分别形成在不同的区域，而上述输出晶体管的发射极和上述测温晶体管的发射极分别形成在不同的区域。