JP2012156398A

JP2012156398A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2012156398A
Application number: JP2011015747A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Kimura; 圭佑木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP5764941B2

Abstract

【課題】温度検出素子を備えた半導体装置において、温度検出素子が半導体素子の発熱を検出する時間を短縮する。
【解決手段】Ｐ型領域とＮ型領域を有する温度検出素子を備えた半導体装置を提供する。この半導体装置の温度検出素子のＰ型領域は、Ｐ型コンタクト部と、Ｐ型コンタクト部から第１方向に延びるＰ型接合部とを有しており、Ｎ型領域は、Ｎ型コンタクト部と、Ｎ型コンタクト部からＰ型接合部に沿って第１方向と逆方向に延びると共にＰ型接合部と接合しているＮ型接合部とを有するＮ型領域とを有している。Ｐ型接合部の第１方向に直交する第２方向の幅は、Ｐ型コンタクト部の第２方向の幅よりも狭く、Ｎ型接合部の第２方向の幅は、Ｎ型コンタクト部の第２方向の幅よりも狭い。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度検出素子を備えた半導体装置に関する。

半導体装置による発熱を検出するために、半導体装置の基板表面側に温度検出素子が設置されることがある。温度検出素子を設置する場合、通常、セル領域の外部に温度検出素子を設置するための専用領域が形成される。このため、半導体装置のチップサイズが大きくなってしまう。これに対して、特許文献１では、半導体装置のセル領域内の半導体素子構造の近傍に温度検出素子を配置している。これによって、半導体素子の発熱を検出する時間を短縮するとともに、チップサイズが大きくなることを抑制している。温度検出素子は、長方形状のＰ型半導体とＮ型半導体とを、その長辺方向に沿って接合させたＰＮ接合を有するダイオードである。

特開２０００−３１２９０号公報

特許文献１において、温度検出素子が半導体素子の発熱を検出する時間をより短縮するためには、長方形状の温度検出素子の短辺方向の幅を小さくして、発熱部からＰＮ接合面までの距離をより小さくすればよい。しかしながら、温度検出素子のＰ型半導体、Ｎ型半導体は、それぞれ配線と電気的に接合するために幅をある程度大きくする必要がある。Ｐ型半導体の最小コンタクト幅（本明細書では、半導体と配線が電気的に接合するために必要な幅を最小コンタクト幅という）をＷＰｍｉｎ，Ｎ型半導体の最小コンタクト幅をＷＮｍｉｎとすると、特許文献１では、温度検出素子の幅（長方形状の短辺方向の幅）Ｗを、Ｗ≧ＷＰｍｉｎ＋ＷＮｍｉｎとする必要がある。

本願は、Ｐ型領域とＮ型領域を有する温度検出素子を備えた半導体装置を提供する。この半導体装置の温度検出素子のＰ型領域は、Ｐ型コンタクト部と、Ｐ型コンタクト部から第１方向に延びるＰ型接合部とを有しており、Ｎ型領域は、Ｎ型コンタクト部と、Ｎ型コンタクト部からＰ型接合部に沿って第１方向と逆方向に延びると共にＰ型接合部と接合しているＮ型接合部とを有するＮ型領域とを有している。Ｐ型接合部の第１方向に直交する第２方向の幅は、Ｐ型コンタクト部の第２方向の幅よりも狭く、Ｎ型接合部の第２方向の幅は、Ｎ型コンタクト部の第２方向の幅よりも狭い。

上記の半導体装置によれば、Ｐ型接合部の第２方向の幅およびＮ型接合部の第２方向の幅を狭くして、発熱部からＰＮ接合面までの距離をより小さくして、温度検出素子が半導体素子の発熱を検出する時間をより短縮することと、Ｐ型コンタクト部の第２方向の幅およびＮ型コンタクト部の第２方向の幅を広くして、Ｐ型領域、Ｎ型領域と配線との電気的接合を確保することを両立できる。

温度検出素子の第２方向の幅は、Ｐ型コンタクト部の第２方向の幅以下であってもよく、Ｎ型コンタクト部の第２方向の幅以下であってもよい。

半導体装置に絶縁ゲート型の半導体素子が形成されている場合には、絶縁ゲートの長手方向は第１方向と平行であることが好ましい。

Ｐ型領域とＮ型領域の接合する部分の端部に、ポリシリコン領域が形成されていてもよい。

半導体装置を平面視したときに、Ｐ型接合部とＮ型接合部は、Ｐ型コンタクト部とＮ型コンタクト部とに挟まれる領域内に配置されていてもよい。

本願によれば、温度検出素子が半導体素子の発熱を検出する時間をより短縮することと、Ｐ型領域、Ｎ型領域と配線との電気的接合を確保することを両立できる。

実施例１の半導体装置の平面図である。図１の温度検出素子の近傍の拡大図であり、表面電極を除去した状態を示している。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。実施例１に係る温度検出素子の平面図である。変形例に係る温度検出素子の平面図である。変形例に係る温度検出素子の平面図である。変形例に係る温度検出素子の平面図である。変形例に係る温度検出素子の平面図である。変形例に係る温度検出素子の平面図である。変形例に係る温度検出素子の平面図である。変形例に係る温度検出素子の平面図である。変形例に係る温度検出素子の平面図である。

本願は、Ｐ型領域とＮ型領域を有する温度検出素子を備えた半導体装置を開示する。この半導体装置の温度検出素子のＰ型領域は、Ｐ型コンタクト部と、Ｐ型コンタクト部から第１方向に延びるＰ型接合部とを有しており、Ｎ型領域は、Ｎ型コンタクト部と、Ｎ型コンタクト部からＰ型接合部に沿って第１方向と逆方向に延びると共にＰ型接合部と接合しているＮ型接合部とを有している。Ｐ型接合部の第１方向に直交する第２方向の幅は、Ｐ型コンタクト部の第２方向の幅よりも狭く、Ｎ型接合部の第２方向の幅は、Ｎ型コンタクト部の第２方向の幅よりも狭い。

Ｐ型領域の第２方向の幅は、Ｐ型コンタクト部において最も広く、Ｎ型領域の第２方向の幅は、Ｎ型コンタクト部において最も広い。例えば、Ｐ型コンタクト部の第２方向の幅をＰ型半導体の最小コンタクト幅ＷＰｍｉｎとし、Ｎ型コンタクト部の第２方向の幅をＮ型半導体の最小コンタクト幅をＷＮｍｉｎとなるように設計することができる。この場合に、半導体装置を平面視したときに、Ｐ型接合部とＮ型接合部がＰ型コンタクト部とＮ型コンタクト部とに挟まれる領域内に配置することで、温度検出素子の第２方向の幅Ｗは、Ｗ＜ＷＰｍｉｎ＋ＷＮｍｉｎとすることができる。本願によれば、従来の温度検出素子よりも幅が狭く、素子領域とＰＮ接合面との距離が小さくできるため、温度検出時間がより短い温度検出素子を備えた半導体装置を提供することができる。

温度検出素子の第２方向の幅は、Ｐ型コンタクト部の第２方向の幅以下であってもよく、Ｎ型コンタクト部の第２方向の幅以下であってもよい。温度検出素子の第２方向の幅Ｗは、ＷＰｍｉｎとＷＮｍｉｎのうちのいずれか広い方の幅まで小さくすることができる。また、Ｐ型接合部およびＮ型接合部の第２方向の幅の和は、温度検出素子の第２方向の幅よりもさらに小さくすることもできる。

半導体装置に絶縁ゲート型の半導体素子が形成されている場合には、絶縁ゲートの長手方向は、第１方向と平行であることが好ましい。なお、絶縁ゲートは、直線状に限定されず、曲線状、矩形状であってもよい。例えば、絶縁ゲートの長手方向が円弧状の場合には、第１方向はその円弧に沿う方向となり、その円弧の法線ベクトルが第２方向となる。

Ｐ型領域とＮ型領域の接合する部分の端部に、ポリシリコン領域が形成されていてもよい。ポリシリコン領域によって、Ｐ型領域とＮ型領域の接合する部分の端部から電流漏れが発生することが抑制される。

図１に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１００と、半導体基板１００の表面に形成された表面電極１０１ａ〜１０１ｃ、小信号パッド１０２ａ〜１０２ｅおよび温度検出素子１２０とを備えている。半導体基板１００の表面電極１０１ａ〜１０１ｃおよび小信号パッド１０２ａ〜１０２ｅが形成されていない領域には絶縁膜１０４が形成されており、温度検出素子１２０は絶縁膜１０４の表面に形成されている（図３参照）。なお、半導体基板１００上には、ゲート配線も形成されているが、図１では図示を省略している。温度検出素子１２０は、半導体装置１０を平面視したときの中央部に形成されている。半導体装置１０を平面視したときの中央部は、半導体装置１０が発熱した場合に温度が上昇しやすい部分である。このように、温度検出素子は、半導体装置が発熱した場合に温度が上昇し易い部分に形成されることが好ましい。

図２に示すように、温度検出素子１２０は、Ｐ型領域１２１とＮ型領域１２２とを備えている。Ｐ型領域１２１は、Ｐ型半導体材料によって形成されており、Ｐ型接合部１２１ａと、配線１２３と電気的に接続するＰ型コンタクト部１２１ｂとを備えている。Ｎ型領域１２２は、Ｎ型半導体材料によって形成されており、Ｎ型接合部１２２ａと、配線１２４と電気的に接続するＮ型コンタクト部１２２ｂとを備えている。Ｐ型コンタクト部１２１ｂは、Ｐ型領域１２１のＹ方向の幅が最も広い部分であり、Ｘ方向に一定の幅を有している。Ｎ型コンタクト部１２２ｂは、Ｎ型領域１２２のＹ方向の幅が最も広い部分であり、Ｘ方向に一定の幅を有している。

Ｐ型接合部１２１ａは、Ｐ型コンタクト部１２１ｂからＸ軸の正方向（第１方向）に延びている。Ｎ型接合部１２２ａは、Ｎ型コンタクト部１２２ｂからＸ軸の負方向に延びている。Ｐ型領域１２１およびＮ型領域１２２はＬ字形状であり、互いに接合して長方形状の温度検出素子１２０を構成している。温度検出素子１２０は長辺がＸ方向に平行かつ短辺がＹ方向に平行な長方形状である。Ｐ型接合部１２１ａとＮ型接合部１２２ａとは、Ｘ方向に平行な面において接合している。Ｐ型接合部１２１ａのＸ軸の正方向の端部において、Ｐ型接合部１２１ａのＹ方向（第１方向に直交する第２方向）に平行な面は、Ｎ型コンタクト部１２２ｂと接合している。Ｎ型接合部１２２ａのＸ軸の負方向の端部において、Ｎ型接合部１２２ａのＹ方向に平行な面は、Ｐ型コンタクト部１２１ｂと接合している。半導体装置１０を平面視したときに、Ｐ型接合部１２１ａとＮ型接合部１２２ａは、Ｐ型コンタクト部１２１ｂとＮ型コンタクト部１２２ｂとに挟まれる領域内に配置されている。

図２および図３に示すように、温度検出素子１２０は、半導体素子が形成されている素子領域１１１ｂの間に形成されており、温度検出素子１２０の下方には半導体素子は形成されていない。半導体基板１００上において、素子領域１１１ｂのＸ方向の両側にはゲート配線１１２ｂが形成されており、そのさらに外側に、温度検出素子１２０と接続する配線１２３，１２４が形成されている。素子領域１１１ｂには、トレンチゲート１４を有する半導体素子が形成されている。トレンチゲート１４は、長手方向がＸ方向に平行となるように形成されており、温度検出素子１２０の長辺方向と、トレンチゲート１４の長手方向は平行である。図３では、半導体素子の一例として、トレンチゲート１４を有する半導体素子を図示しているが、半導体素子の形態はこれに限定されない。例えば、プレーナゲート型の半導体素子であってもよいし、ダイオード等の絶縁ゲートを有さない半導体素子であってもよい。プレーナゲート型の半導体素子が形成されている場合には、図３と同様に、温度検出素子の長辺方向とプレーナゲートの長手方向が平行となるように配置されることが好ましい。

図４に示すように、温度検出素子１２０では、Ｐ型コンタクト部１２１ｂの幅Ｗ１とＮ型コンタクト部１２２ｂの幅Ｗ２は同一であり、温度検出素子１２０の幅Ｗは、Ｗ＝Ｗ１＝Ｗ２である。Ｙ方向に沿うＰ型接合部１２１ａの幅は、Ｐ型コンタクト部１２１ｂの幅Ｗ１よりも狭く、Ｙ方向に沿うＮ型接合部１２２ａの幅は、Ｎ型コンタクト部１２２ｂの幅Ｗ２よりも狭い。Ｙ方向に沿うＰ型接合部１２１ａの幅とＮ型接合部１２２ａの幅の和はＷである。

上記のとおり、実施例１係る半導体装置１０によれば、温度検出素子１２０において、Ｙ方向に沿うＰ型接合部１２１ａの幅およびＮ型接合部１２２ａの幅（すなわち、Ｐ型接合部１２１ａのＹ方向の幅およびＮ型接合部１２２ａのＹ方向の幅）を狭くして、発熱部である素子領域１１１ｂからＰ型接合部１２１ａとＮ型接合部１２２ａとのＰＮ接合面までのＹ方向の距離をより小さくすることと、Ｙ方向に沿うＰ型コンタクト部１２１ｂの幅Ｗ１およびＮ型コンタクト部１２２ｂの幅Ｗ２（Ｐ型コンタクト部１２１ｂのＹ方向の幅Ｗ１およびＮ型コンタクト部１２２ｂのＹ方向の幅Ｗ２）を広くすることを両立することができる。このため、温度検出素子１２０が素子領域１１１ａからの発熱を検出する時間をより短縮することと、Ｐ型領域１２１およびＮ型領域１２２と配線１２３，１２４との電気的接合を確保することを両立できる。

また、上記の半導体装置１０によれば、Ｐ型半導体の最小コンタクト幅がＷＰｍｉｎであり、Ｎ型半導体の最小コンタクト幅がＷＮｍｉｎである場合に、温度検出素子１２０の幅Ｗは、Ｗ＜ＷＰｍｉｎ＋ＷＮｍｉｎとすることができる。例えば、Ｐ型半導体の最小コンタクト幅ＷＰｍｉｎがＮ型半導体の最小コンタクト幅ＷＮｍｉｎ以下である場合（ＷＰｍｉｎ≦ＷＮｍｉｎ）には、Ｗ＝Ｗ１＝Ｗ２（＝ＷＮｍｉｎ）と設計することができる。逆に、Ｐ型半導体の最小コンタクト幅ＷＰｍｉｎがＮ型半導体の最小コンタクト幅ＷＮｍｉｎ以上である場合（ＷＰｍｉｎ≧ＷＮｍｉｎ）には、Ｗ＝Ｗ１（＝ＷＰｍｉｎ）＝Ｗ２と設計することができる。温度検出素子１２０の幅Ｗは、ＷＰｍｉｎとＷＮｍｉｎのうちのいずれか広い方の幅まで小さくすることができる。本実施例によれば、従来の温度検出素子よりも幅が狭く、温度検出時間がより短い温度検出素子を備えた半導体装置を提供することができる。

（変形例）
Ｐ型領域とＮ型領域の形状は、実施例１において説明したＬ字形状に限定されない。例えば、図５に示すように、温度検出素子１３０は、平面視したときに矩形波状のＰ型接合部１３１ａとＮ型接合部１３２ａを備えており、Ｐ型接合部１３１ａとＮ型接合部１３２ａがその矩形面で互いに接合して、ＰＮ接合面となっていてもよい。実施例１と同様に、Ｐ型コンタクト部１３１ｂは、Ｐ型領域１３１のＹ方向の幅が最も広い部分であり、Ｘ方向に一定の幅を有している。Ｎ型コンタクト部１３２ｂは、Ｎ型領域１３２のＹ方向の幅が最も広い部分であり、Ｘ方向に一定の幅を有している。Ｐ型接合部１３１ａのＸ軸の正方向の端部はＮ型コンタクト部１３２ｂと接合しており、Ｎ型接合部１３２ａのＸ軸の負方向の端部はＰ型コンタクト部１３１ｂと接合している。

また、図６に示すように、温度検出素子１４０は、平面視したときに波形状のＰ型接合部１４１ａとＮ型接合部１４２ａを備えており、Ｐ型接合部１４１ａとＮ型接合部１４２ａがその波形面で互いに接合して、ＰＮ接合面となっていてもよい。実施例１と同様に、Ｐ型コンタクト部１４１ｂは、Ｐ型領域１４１のＹ方向の幅が最も広い部分であり、Ｘ方向に一定の幅を有している。Ｎ型コンタクト部１４２ｂは、Ｎ型領域１４２のＹ方向の幅が最も広い部分であり、Ｘ方向に一定の幅を有している。Ｐ型接合部１４１ａのＸ軸の正方向の端部はＮ型コンタクト部１４２ｂと接合しており、Ｎ型接合部１４２ａのＸ軸の負方向の端部はＰ型コンタクト部１４１ｂと接合している。図５，６に示すように、温度検出素子１３０，１４０のＰＮ接合面は、温度検出素子１２０と比べて広くなっている。Ｐ型接合部とＮ型接合部の形状を適宜変化させることによって、ＰＮ接合面の面積を適切に変化させることが可能となる。

また、図７に示すように、温度検出素子１５０は、平面視したときに三角形状のＰ型接合部１５１ａとＮ型接合部１５２ａを備えており、これらが互いに接合して、ＰＮ接合面となっていてもよい。Ｐ型領域１５１のＸ軸の負方向の端面がＰ型コンタクト部１５１ｂであり、Ｐ型領域１５１においてＹ方向の幅が最も広い。Ｎ型領域１５２のＸ軸の正方向の端面がＮ型コンタクト部１５２ｂであり、Ｎ型領域１５２においてＹ方向の幅が最も広い。温度検知素子１５０の配線（図示しない）は、端面であるＰ型コンタクト部１５１ｂおよびＮ型コンタクト部１５２ｂにそれぞれ接合されている。Ｐ型コンタクト部１５１ｂのＹ方向の幅は、Ｐ型接合部１５１ａよりも広く、Ｎ型コンタクト部１５２ｂのＹ方向の幅は、Ｎ型接合部１５１ａよりも広い。このように、Ｐ型コンタクト部１５１ｂおよびＮ型コンタクト部１５２ｂは、Ｘ軸方向に一定の幅を有していなくてもよい。Ｐ型接合部１５１ａのＸ軸の正方向の端部はＮ型コンタクト部１５２ｂに達しており、Ｎ型接合部１５２ａのＸ軸の負方向の端部はＰ型コンタクト部１５１ｂに達している。なお、図５〜７に示す温度検出素子の上記に説明した以外の構成については、実施例１の温度検出素子１２０と同様であるから、参照番号の１２０番台をそれぞれ１３０番台、１４０番台、１５０番台に読み替えることによって、重複説明を省略する。

さらに、図８〜図１１に示すように、温度検出素子１２０，１３０，１４０，１５０のＰ型領域１２１，１３１，１４１，１５１とＮ型領域１２２，１３２，１４２，１５２の接合する部分の端部に、さらにポリシリコン領域１２６，１２７，１３６，１３７，１４６，１４７，１５６，１５７が形成されていてもよい。高抵抗のポリシリコン領域によって、Ｐ型領域１２１，１３１，１４１，１５１とＮ型領域１２２，１３２，１４２，１５２の接合する部分の端部（ＰＮ接合面の端部）から電流漏れが発生することを抑制することができる。高抵抗のポリシリコン領域は、半導体装置の製造工程において、Ｐ型領域とＮ型領域にイオン注入を行う際に、Ｐ型領域とＮ型領域の接合する部分の端部にマスキング等を行ってイオンを注入しないようにすることによって、容易に形成することができる。

上記の実施例および変形例においては、長方形状の温度検出素子を例示して説明したが、温度検出素子の形状はこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、円弧状の温度検出素子１６０であってもよい。この場合、第１方向は円弧の周に沿う矢印Ｌの方向であり、第２方向は、円弧の半径方向を示す矢印Ｒの方向である。温度検出素子の第１方向が曲線状である以外は、実施例１の温度検出素子１２０と同様であるから、参照番号の１２０番台を１６０番台に読み替えることによって、重複説明を省略する。半導体装置の素子領域に円弧状の絶縁ゲートが形成されている場合には、図１２に示すような温度検出素子１６０を好適に用いることができる。温度検出素子１６０の第１方向と、円弧状の絶縁ゲートの長手方向が平行になるように温度検出素子１６０を配置すれば、素子領域と温度検出素子１６０との距離を小さくすることができる。このように、温度検出素子の形状は、絶縁ゲートの形状や素子領域の形状に応じて変更し、素子領域と温度検出素子のＰＮ接合面との距離が小さくなるようにすることができる。なお、第２方向に沿うＰ型接合部およびＮ型接合部の幅の和は、温度検出素子の幅よりもさらに小さくすることもできる。

また、上記の実施例および変形例においては、温度検出素子は、半導体装置を平面視したときの中央部に１つ形成されていたが、これに限定されない。温度検出素子は、半導体基板上のどの位置に形成してもよく、複数個形成してもよい。例えば、それぞれの素子領域の中央部に１つずつ形成してもよい。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０半導体装置
１４トレンチゲート
１００半導体基板
１０１ａ〜１０１ｃ表面電極
１０２ａ〜１０２ｅ小信号パッド
１０４絶縁膜
１１１ｂ素子領域
１１２ｂゲート配線
１２０，１３０，１４０，１５０，１６０温度検出素子
１２６，１２７，１３６，１３７，１４６，１４７，１５６，１５７ポリシリコン領域
１２１，１３１，１４１，１５１，１６１Ｐ型領域
１２１ａ，１３１ａ，１４１ａ，１５１ａ，１６１ａＰ型接合部
１２１ｂ，１３１ｂ，１４１ｂ，１５１ｂ，１６１ｂＰ型コンタクト部
１２２，１３２，１４２，１５２，１６２Ｎ型領域
１２２ａ，１３２ａ，１４２ａ，１５２ａ，１６２ａＮ型接合部
１２２ｂ，１３２ｂ，１４２ｂ，１５２ｂ，１６２ｂＮ型コンタクト部
１２３，１２４配線

Claims

Ｐ型領域とＮ型領域を有する温度検出素子を備えた半導体装置であって、
Ｐ型領域は、Ｐ型コンタクト部と、Ｐ型コンタクト部から第１方向に延びるＰ型接合部とを有しており、
Ｎ型領域は、Ｎ型コンタクト部と、Ｎ型コンタクト部からＰ型接合部に沿って第１方向と逆方向に延びると共にＰ型接合部と接合しているＮ型接合部とを有しており、
Ｐ型接合部の第１方向に直交する第２方向の幅は、Ｐ型コンタクト部の第２方向の幅よりも狭く、
Ｎ型接合部の第２方向の幅は、Ｎ型コンタクト部の第２方向の幅よりも狭い、半導体装置。
温度検出素子の第２方向の幅は、Ｐ型コンタクト部の第２方向の幅以下である、請求項１に記載の半導体装置。
温度検出素子の第２方向の幅は、Ｎ型コンタクト部の第２方向の幅以下である、請求項１または２に記載の半導体装置。
半導体装置には、絶縁ゲート型の半導体素子が形成されており、絶縁ゲートの長手方向は第１方向に平行である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
Ｐ型領域とＮ型領域の接合する部分の端部に、ポリシリコン領域が形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
半導体装置を平面視したときに、Ｐ型接合部とＮ型接合部は、Ｐ型コンタクト部とＮ型コンタクト部とに挟まれる領域内に配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。