JP2013105932A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP2013105932A
JP2013105932A JP2011249445A JP2011249445A JP2013105932A JP 2013105932 A JP2013105932 A JP 2013105932A JP 2011249445 A JP2011249445 A JP 2011249445A JP 2011249445 A JP2011249445 A JP 2011249445A JP 2013105932 A JP2013105932 A JP 2013105932A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
region
semiconductor substrate
sub
element region
semiconductor device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011249445A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Tanaka
宏明 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2011249445A priority Critical patent/JP2013105932A/en
Publication of JP2013105932A publication Critical patent/JP2013105932A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which is capable of suitably performing protection by overcurrent detection and protection by temperature detection.SOLUTION: The semiconductor device comprises a semiconductor substrate. The semiconductor substrate comprises a main element region and a sub element region through which a current smaller than that flowing through the main element region flows. The sub element region is formed at a position overlapping the center of the semiconductor substrate in a plan view of the semiconductor substrate. A temperature detection element is formed at a position on the semiconductor substrate, which overlaps the sub element region in the plan view of the semiconductor substrate.

Description

本発明は、メイン素子領域と、メイン素子領域よりも小さい電流が流れるサブ素子領域を有する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a main element region and a sub-element region in which a smaller current flows than the main element region.

特許文献1には、メイン素子領域(主エミッタ)とサブ素子領域(付属エミッタ)を有する半導体装置が開示されている。サブ素子領域には、メイン素子領域よりも小さい電流が流れる。この半導体装置では、サブ素子領域を流れる電流が所定値を超えた時に、半導体装置全体の通電を停止する。これにより、メイン素子領域に過電流が流れることを抑制する。   Patent Document 1 discloses a semiconductor device having a main element region (main emitter) and a sub-element region (attached emitter). A smaller current flows in the sub element region than in the main element region. In this semiconductor device, energization of the entire semiconductor device is stopped when the current flowing through the sub-element region exceeds a predetermined value. This suppresses overcurrent from flowing through the main element region.

特開平8−204180号JP-A-8-204180

半導体装置に電流を流すと、半導体基板が発熱する。半導体基板の中央部は熱が逃げ難いので、通電時には半導体基板の中央部が最も高温となる。このため、半導体基板の中央部では、半導体基板の外周部よりも電気抵抗が高くなる。特許文献1の技術では、サブ素子領域が半導体基板の外周部に形成されている。半導体基板の外周部は中央部より低温になるため電気抵抗が低くなる。このため、サブ素子領域はメイン素子領域よりも電流が流れ易くなる。したがって、メイン素子領域の過電流時の電流を予測することが困難であり、半導体装置を過電流に対して適切に保護することが困難であった。   When a current is passed through the semiconductor device, the semiconductor substrate generates heat. Since heat does not easily escape from the central portion of the semiconductor substrate, the central portion of the semiconductor substrate becomes the hottest when energized. For this reason, electrical resistance is higher in the central portion of the semiconductor substrate than in the outer peripheral portion of the semiconductor substrate. In the technique of Patent Document 1, the sub element region is formed on the outer peripheral portion of the semiconductor substrate. Since the outer peripheral portion of the semiconductor substrate has a lower temperature than the central portion, the electrical resistance is lowered. For this reason, current flows more easily in the sub element region than in the main element region. Therefore, it is difficult to predict the current at the time of overcurrent in the main element region, and it is difficult to appropriately protect the semiconductor device against overcurrent.

また、上述した過電流ほど大きくはないものの、比較的大きい電流が継続的に半導体装置に流れると、半導体基板が過度に温度上昇する。このような半導体基板の過熱を防止するために、温度検出素子を有する半導体装置が存在する。   In addition, although not as large as the above-described overcurrent, when a relatively large current flows through the semiconductor device continuously, the temperature of the semiconductor substrate excessively increases. In order to prevent such overheating of the semiconductor substrate, there is a semiconductor device having a temperature detection element.

本明細書では、過電流検出による保護と、温度検出による保護とを、好適に行うことが可能な半導体装置を提供する。   The present specification provides a semiconductor device capable of suitably performing protection by overcurrent detection and protection by temperature detection.

本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板を有する。この半導体装置は、半導体基板が、メイン素子領域と、メイン素子領域よりも小さい電流が流れるサブ素子領域を有している。サブ素子領域は、半導体基板を平面視したときに半導体基板の中心と重なる位置に形成されている。半導体基板上であって、半導体基板を平面視したときにサブ素子領域と重なる位置に、温度検出素子が形成されている。   A semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate. In this semiconductor device, a semiconductor substrate has a main element region and a sub-element region in which a smaller current flows than the main element region. The sub element region is formed at a position overlapping the center of the semiconductor substrate when the semiconductor substrate is viewed in plan. A temperature detection element is formed on the semiconductor substrate at a position overlapping the sub-element region when the semiconductor substrate is viewed in plan.

この半導体装置では、サブ素子領域が半導体基板を平面視したときに半導体基板の中心と重なる位置に形成されている。このため、サブ素子領域を流れる電流を検出することによって、半導体基板の中央部の電流を正確に検出することができる。これにより、過電流に対して半導体装置を好適に保護することができる。また、この半導体装置では、温度検出素子が、サブ素子領域と重なる位置に形成されている。このため、温度検出素子によって、半導体基板の中央部の温度を正確に検出することができる。このように、最も温度上昇し易い半導体基板の中央部の温度を検出することで、半導体装置を過熱から好適に保護することができる。   In this semiconductor device, the sub-element region is formed at a position overlapping the center of the semiconductor substrate when the semiconductor substrate is viewed in plan. For this reason, it is possible to accurately detect the current in the central portion of the semiconductor substrate by detecting the current flowing through the sub-element region. Thereby, the semiconductor device can be suitably protected against overcurrent. In this semiconductor device, the temperature detection element is formed at a position overlapping the sub element region. For this reason, the temperature of the central part of the semiconductor substrate can be accurately detected by the temperature detection element. Thus, the semiconductor device can be suitably protected from overheating by detecting the temperature of the central portion of the semiconductor substrate where the temperature rises most easily.

上述した半導体装置は、メイン素子領域内の半導体基板上に、第1上部電極が形成されており、メイン素子領域内に、第1導電型であり、第1上部電極と導通している第1領域と、第2導電型であり、第1領域に接している第2領域と、第1導電型であり、第2領域に接しており、第2領域によって第1領域から分離されている第3領域と、第1領域と第3領域を分離している範囲の第2領域に対して絶縁膜を介して対向している第1ゲート電極が形成されていることが好ましい。また、サブ素子領域内の半導体基上に、第1上部電極から分離されている第2上部電極が形成されており、サブ素子領域内に、第1導電型であり、第2上部電極と導通している第4領域と、第2導電型であり、第4領域に接している第5領域と、第1導電型であり、第5領域に接しており、第5領域によって第4領域から分離されている第6領域と、第4領域と第6領域を分離している範囲の第5領域に対して絶縁膜を介して対向している第2ゲート電極が形成されていることが好ましい。   In the semiconductor device described above, the first upper electrode is formed on the semiconductor substrate in the main element region, the first conductivity type is in the main element region, and the first upper electrode is electrically connected to the first upper electrode. A region, a second conductivity type, a second region in contact with the first region, and a first conductivity type, in contact with the second region, separated from the first region by the second region. It is preferable that a first gate electrode is formed so as to face the third region and the second region in a range separating the first region and the third region via an insulating film. A second upper electrode separated from the first upper electrode is formed on the semiconductor substrate in the sub-element region, and is of the first conductivity type in the sub-element region and is electrically connected to the second upper electrode. The fourth region, the second conductivity type, the fifth region in contact with the fourth region, and the first conductivity type, in contact with the fifth region, and from the fourth region by the fifth region. It is preferable that a second gate electrode is formed opposite to the separated sixth region and the fifth region in a range separating the fourth region and the sixth region through an insulating film. .

なお、上記の第1導電型と第2導電型の何れか一方はn型を意味し、それらの他方はp型を意味する。この構成では、メイン素子領域内に絶縁ゲート型のトランジスタが形成されており、サブ素子領域内に絶縁ゲート型のトランジスタが形成されている。なお、絶縁ゲート型のトランジスタは、FETであってもよいし、IGBTであってもよい。   Note that one of the first conductivity type and the second conductivity type means n-type, and the other means p-type. In this configuration, an insulated gate type transistor is formed in the main element region, and an insulated gate type transistor is formed in the sub element region. Note that the insulated gate transistor may be an FET or an IGBT.

上述した半導体装置は、半導体基板を平面視したときに第4領域と重なる位置に、温度検出素子が形成されていることが好ましい。   In the semiconductor device described above, it is preferable that the temperature detection element is formed at a position overlapping the fourth region when the semiconductor substrate is viewed in plan.

また、上述した半導体装置は、第4領域が半導体基板の上面に露出している範囲の一部に、第4領域を第2上部電極に接続しているコンタクトが形成されており、第4領域が半導体基板の上面に露出している範囲のうちのコンタクト以外の部分に、層間絶縁膜が形成されており、温度検出素子が、層間絶縁膜上に形成されていることが好ましい。   In the above-described semiconductor device, a contact connecting the fourth region to the second upper electrode is formed in a part of a range where the fourth region is exposed on the upper surface of the semiconductor substrate. It is preferable that an interlayer insulating film is formed in a portion other than the contact in the range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate, and the temperature detecting element is formed on the interlayer insulating film.

半導体基板12上の電極、絶縁膜の図示を省略した半導体装置10の上面図。3 is a top view of the semiconductor device 10 in which illustration of electrodes and insulating films on the semiconductor substrate 12 is omitted. FIG. 半導体基板12上のエミッタ電極40と、温度検出素子80の配置を示す半導体装置10の上面図。FIG. 3 is a top view of the semiconductor device 10 showing the arrangement of the emitter electrode 40 and the temperature detection element 80 on the semiconductor substrate 12. 図1、2のIII−III線における半導体装置10の縦断面図。The longitudinal cross-sectional view of the semiconductor device 10 in the III-III line | wire of FIG. 図1、2のIV−IV線における半導体装置10の縦断面図。FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the semiconductor device 10 taken along line IV-IV in FIGS. 変形例の半導体装置の図1に対応する上面図。The top view corresponding to FIG. 1 of the semiconductor device of a modification.

図1〜4に示す半導体装置10は、半導体基板12と、半導体基板12の表面に形成されている電極、配線、絶縁膜等を備えている。図1は、半導体基板12の上面を示している。図1に示すように、半導体基板12の上面には、2つの環状のp型領域70、72が形成されている。図3に示すように、p型領域70、72は、半導体基板12の上面から比較的深い位置まで広がっている。p型領域70の内側の領域は、電流検出用の素子が形成されているサブ素子領域20である。p型領域72の外側の領域は、主電流を通電するための素子が形成されているメイン素子領域60である。メイン素子領域60とサブ素子領域20は、p型領域70、72、及び、これらの間に存在するn型領域74によって区分されている。   A semiconductor device 10 shown in FIGS. 1 to 4 includes a semiconductor substrate 12 and electrodes, wirings, insulating films and the like formed on the surface of the semiconductor substrate 12. FIG. 1 shows the upper surface of the semiconductor substrate 12. As shown in FIG. 1, two annular p-type regions 70 and 72 are formed on the upper surface of the semiconductor substrate 12. As shown in FIG. 3, the p-type regions 70 and 72 extend from the upper surface of the semiconductor substrate 12 to a relatively deep position. A region inside the p-type region 70 is a sub-element region 20 in which a current detection element is formed. A region outside the p-type region 72 is a main element region 60 in which an element for supplying a main current is formed. The main element region 60 and the sub element region 20 are divided by p-type regions 70 and 72 and an n-type region 74 existing therebetween.

図1の点14は、半導体基板12を上面側から平面視したときにおける半導体基板12の中心を示している。図1に示すように、サブ素子領域20は、半導体基板12の中心14と重なるように形成されている。すなわち、中心14が、サブ素子領域20に含まれている。   A point 14 in FIG. 1 indicates the center of the semiconductor substrate 12 when the semiconductor substrate 12 is viewed in plan view from the upper surface side. As shown in FIG. 1, the sub element region 20 is formed so as to overlap the center 14 of the semiconductor substrate 12. That is, the center 14 is included in the sub-element region 20.

図3に示すように、サブ素子領域20内の半導体基板12の上面には、トレンチが形成されている。トレンチの内面は、ゲート絶縁膜50に覆われている。トレンチ内には、ゲート電極52が形成されている。以下では、トレンチ内のゲート絶縁膜50とゲート電極52をまとめて、トレンチゲート電極54という。図1に示すように、トレンチゲート電極54は、X方向に沿って伸びている。   As shown in FIG. 3, a trench is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 12 in the sub-element region 20. The inner surface of the trench is covered with the gate insulating film 50. A gate electrode 52 is formed in the trench. Hereinafter, the gate insulating film 50 and the gate electrode 52 in the trench are collectively referred to as a trench gate electrode 54. As shown in FIG. 1, the trench gate electrode 54 extends along the X direction.

図3に示すように、サブ素子領域20内の半導体基板12には、n型のエミッタ領域22、p型のボディ領域24、n型のドリフト領域26、及び、p型のコレクタ領域28が形成されている。エミッタ領域22は、半導体基板12の上面に露出するとともに、ゲート絶縁膜50と接する範囲に形成されている。図1に示すように、エミッタ領域22は、トレンチゲート電極54に沿って(すなわち、X方向に沿って)伸びている。図3に示すように、ボディ領域24は、エミッタ領域22の側方及び下側に形成されている。ボディ領域24は、エミッタ領域22が形成されていない範囲において、半導体基板12の上面に露出している。ドリフト領域26は、ボディ領域24の下側に形成されている。ドリフト領域26は、ボディ領域24によって、エミッタ領域22から分離されている。また、ドリフト領域26は、p型領域70、72の間のn型領域74と繋がっている。コレクタ領域28は、ドリフト領域26の下側に形成されており、半導体基板12の下面に露出している。エミッタ領域22、ボディ領域24、ドリフト領域26、コレクタ領域28、及び、トレンチゲート電極54によって、サブ素子領域20内にIGBTが形成されている。   As shown in FIG. 3, an n-type emitter region 22, a p-type body region 24, an n-type drift region 26, and a p-type collector region 28 are formed on the semiconductor substrate 12 in the sub-element region 20. Has been. The emitter region 22 is exposed in the upper surface of the semiconductor substrate 12 and is formed in a range in contact with the gate insulating film 50. As shown in FIG. 1, the emitter region 22 extends along the trench gate electrode 54 (that is, along the X direction). As shown in FIG. 3, the body region 24 is formed on the side and the lower side of the emitter region 22. The body region 24 is exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 12 in a range where the emitter region 22 is not formed. The drift region 26 is formed below the body region 24. The drift region 26 is separated from the emitter region 22 by the body region 24. The drift region 26 is connected to the n-type region 74 between the p-type regions 70 and 72. The collector region 28 is formed below the drift region 26 and is exposed on the lower surface of the semiconductor substrate 12. An IGBT is formed in the sub-element region 20 by the emitter region 22, the body region 24, the drift region 26, the collector region 28, and the trench gate electrode 54.

また、メイン素子領域60内の半導体基板12にも、エミッタ領域62、ボディ領域64、ドリフト領域、コレクタ領域、及び、トレンチゲート電極68が形成されている。これらによって、メイン素子領域60内にIGBTが形成されている。なお、図1に示すように、メイン素子領域60内のトレンチゲート電極68は、X方向に沿って伸びており、サブ素子領域20内のトレンチゲート電極54と略同じ間隔で形成されている。これによって、サブ素子領域20とメイン素子領域60において、同程度のコレクタ−エミッタ間耐圧が得られるようになっている。また、図1に示すように、メイン素子領域60内のエミッタ領域62は、Y方向(X方向に直交する方向)に沿って伸びている(但し、他の実施例においては、メイン素子領域60内のエミッタ領域62が、サブ素子領域20のエミッタ領域22と同様にして、トレンチゲート電極68に沿って伸びていてもよい。)。また、メイン素子領域60内のドリフト領域は、サブ素子領域20内のドリフト領域26と繋がっている。また、メイン素子領域60内のコレクタ領域は、サブ素子領域20内のコレクタ領域28と繋がっている。半導体基板12を上面側から平面視したときにおいて、メイン素子領域60の面積はサブ素子領域20の面積よりも大きい。このため、半導体基板12に形成されているIGBTがオンした場合には、メイン素子領域60にはサブ素子領域20よりも大きい電流が流れる。   An emitter region 62, a body region 64, a drift region, a collector region, and a trench gate electrode 68 are also formed on the semiconductor substrate 12 in the main element region 60. As a result, an IGBT is formed in the main element region 60. As shown in FIG. 1, the trench gate electrodes 68 in the main element region 60 extend along the X direction and are formed at substantially the same interval as the trench gate electrodes 54 in the sub element region 20. As a result, the same collector-emitter breakdown voltage can be obtained in the sub-element region 20 and the main element region 60. Further, as shown in FIG. 1, the emitter region 62 in the main element region 60 extends along the Y direction (direction orthogonal to the X direction) (however, in other embodiments, the main element region 60). The inner emitter region 62 may extend along the trench gate electrode 68 in the same manner as the emitter region 22 of the sub-element region 20. The drift region in the main element region 60 is connected to the drift region 26 in the sub element region 20. The collector region in the main element region 60 is connected to the collector region 28 in the sub element region 20. When the semiconductor substrate 12 is viewed in plan view from the upper surface side, the area of the main element region 60 is larger than the area of the sub element region 20. For this reason, when the IGBT formed on the semiconductor substrate 12 is turned on, a larger current flows in the main element region 60 than in the sub element region 20.

図3に示すように、半導体基板12の下面には、コレクタ電極90が形成されている。コレクタ電極90は、サブ素子領域20内のコレクタ領域28、及び、メイン素子領域60内のコレクタ領域と導通している。   As shown in FIG. 3, a collector electrode 90 is formed on the lower surface of the semiconductor substrate 12. The collector electrode 90 is electrically connected to the collector region 28 in the sub element region 20 and the collector region in the main element region 60.

図示していないが、メイン素子領域60内の半導体基板12上には、エミッタ電極が形成されている。メイン素子領域60内のエミッタ電極は、メイン素子領域60内のエミッタ領域62、ボディ領域64と導通している。また、このエミッタ電極は、層間絶縁膜によってメイン素子領域60内のゲート電極から絶縁されている。   Although not shown, an emitter electrode is formed on the semiconductor substrate 12 in the main element region 60. The emitter electrode in the main element region 60 is electrically connected to the emitter region 62 and the body region 64 in the main element region 60. The emitter electrode is insulated from the gate electrode in the main element region 60 by an interlayer insulating film.

サブ素子領域20内の半導体基板12上には、サブ素子のエミッタ電極92と、温度検出素子80が形成されている。図2は、エミッタ電極92と、温度検出素子80の配置を示している。なお、図の見易さを考慮して、図2では、エミッタ電極92が破線で示されている。   On the semiconductor substrate 12 in the sub-element region 20, a sub-element emitter electrode 92 and a temperature detection element 80 are formed. FIG. 2 shows the arrangement of the emitter electrode 92 and the temperature detection element 80. In consideration of the visibility of the figure, the emitter electrode 92 is indicated by a broken line in FIG.

図2に示すように、温度検出素子80は、p型ポリシリコン層82と、n型ポリシリコン層84によって構成されている。p型ポリシリコン層82は、Y方向に伸びる2つの部分82a、82bと、これらの部分82a、82bを接続する部分82cを備えている。p型ポリシリコン層82は、配線82dによって図示しない電極パッドに接続されている。n型ポリシリコン層84は、Y方向に伸びる2つの部分84a、84bと、これらの部分84a、84bを接続する部分84cを備えている。部分82aの先端が部分84aの先端と接しており、部分82bの先端が部分84bの先端と接している。n型ポリシリコン層84は、配線84dによって図示しない電極パッドに接続されている。p型ポリシリコン層82とn型ポリシリコン層84とのpn接合における順電圧は、温度に応じて変化する。したがって、温度検出素子80を用いて、半導体基板12の温度を検出することができる。図3に示すように、温度検出素子80(すなわち、p型ポリシリコン層82とn型ポリシリコン層84)と半導体基板12の間には、層間絶縁膜86aが形成されている。層間絶縁膜86aによって、温度検出素子80が半導体基板12から絶縁されている。   As shown in FIG. 2, the temperature detection element 80 includes a p-type polysilicon layer 82 and an n-type polysilicon layer 84. The p-type polysilicon layer 82 includes two portions 82a and 82b extending in the Y direction and a portion 82c that connects these portions 82a and 82b. The p-type polysilicon layer 82 is connected to an electrode pad (not shown) by a wiring 82d. The n-type polysilicon layer 84 includes two portions 84a and 84b extending in the Y direction and a portion 84c that connects these portions 84a and 84b. The tip of the portion 82a is in contact with the tip of the portion 84a, and the tip of the portion 82b is in contact with the tip of the portion 84b. The n-type polysilicon layer 84 is connected to an electrode pad (not shown) by a wiring 84d. The forward voltage at the pn junction between the p-type polysilicon layer 82 and the n-type polysilicon layer 84 changes according to the temperature. Therefore, the temperature of the semiconductor substrate 12 can be detected using the temperature detection element 80. As shown in FIG. 3, an interlayer insulating film 86 a is formed between the temperature detection element 80 (that is, the p-type polysilicon layer 82 and the n-type polysilicon layer 84) and the semiconductor substrate 12. The temperature detecting element 80 is insulated from the semiconductor substrate 12 by the interlayer insulating film 86a.

図2に示すように、エミッタ電極92は、半導体基板12上に、温度検出素子80を覆うようにして形成されている。エミッタ電極92は、配線92aによって、図示しない電極パッドに接続されている。図3に示すように、温度検出素子80が存在する領域においては、温度検出素子80上に層間絶縁膜86bが形成されており、その層間絶縁膜86b上にエミッタ電極92が形成されている。層間絶縁膜86bによって、エミッタ電極92は温度検出素子80から絶縁されている。温度検出素子80が存在しない領域では、図4に示すように、半導体基板12上に厚い層間絶縁膜86が形成されている。また、温度検出素子80が存在しない領域には、層間絶縁膜86を貫通するコンタクトホール94が形成されている。コンタクトホール94によって、エミッタ領域22、及び、ボディ領域24がエミッタ電極92に接続されている。なお、トレンチゲート電極54上には層間絶縁膜86が存在しており、層間絶縁膜86によってゲート電極52がエミッタ電極92から絶縁されている。   As shown in FIG. 2, the emitter electrode 92 is formed on the semiconductor substrate 12 so as to cover the temperature detection element 80. The emitter electrode 92 is connected to an electrode pad (not shown) by a wiring 92a. As shown in FIG. 3, in the region where the temperature detecting element 80 exists, an interlayer insulating film 86b is formed on the temperature detecting element 80, and an emitter electrode 92 is formed on the interlayer insulating film 86b. The emitter electrode 92 is insulated from the temperature detecting element 80 by the interlayer insulating film 86b. In a region where the temperature detecting element 80 does not exist, a thick interlayer insulating film 86 is formed on the semiconductor substrate 12 as shown in FIG. A contact hole 94 that penetrates the interlayer insulating film 86 is formed in a region where the temperature detecting element 80 does not exist. The emitter region 22 and the body region 24 are connected to the emitter electrode 92 by the contact hole 94. An interlayer insulating film 86 exists on the trench gate electrode 54, and the gate electrode 52 is insulated from the emitter electrode 92 by the interlayer insulating film 86.

サブ素子領域20内のゲート電極52とメイン素子領域60内のゲート電極は、図示しない配線によって共通の電極パッドに接続されている。このため、サブ素子領域20内のIGBTのゲート電圧と、メイン素子領域60内のIGBTのゲート電圧は、同様に制御される。   The gate electrode 52 in the sub-element region 20 and the gate electrode in the main element region 60 are connected to a common electrode pad by wiring not shown. For this reason, the gate voltage of the IGBT in the sub element region 20 and the gate voltage of the IGBT in the main element region 60 are similarly controlled.

次に、半導体装置10の動作について説明する。半導体装置10を動作させる際には、半導体装置10のゲートパッドが、外部のゲート駆動回路に接続される。サブ素子領域20内のエミッタ電極92とメイン素子領域60内のエミッタ電極が略同一の低電位に接続され、コレクタ電極90が高電位に接続され、ゲート駆動回路が閾値以上のゲート電圧を印加すると、サブ素子領域20及びメイン素子領域60内のIGBTがオンする。ゲート駆動回路は、サブ素子領域20に流れる電流を検出し、その検出電流が所定値を超えた場合には、ゲート電圧を閾値未満に低下させる。これによって、IGBTの電流を遮断して、IGBTを過電流から保護する。また、半導体装置10に電流を流すと、半導体基板12の温度が上昇する。ゲート駆動回路は、温度検出素子80の検出温度を読み出し、その検出温度が所定値を超えた場合には、ゲート電圧を閾値未満に低下させる。これによって、IGBTの電流を遮断して、IGBTを過熱から保護する。   Next, the operation of the semiconductor device 10 will be described. When the semiconductor device 10 is operated, the gate pad of the semiconductor device 10 is connected to an external gate drive circuit. When the emitter electrode 92 in the sub-element region 20 and the emitter electrode in the main element region 60 are connected to substantially the same low potential, the collector electrode 90 is connected to a high potential, and the gate drive circuit applies a gate voltage higher than the threshold value. The IGBTs in the sub-element region 20 and the main element region 60 are turned on. The gate drive circuit detects the current flowing through the sub-element region 20, and when the detected current exceeds a predetermined value, the gate drive circuit reduces the gate voltage below the threshold value. Thereby, the current of the IGBT is cut off and the IGBT is protected from overcurrent. Further, when a current is passed through the semiconductor device 10, the temperature of the semiconductor substrate 12 increases. The gate drive circuit reads the detected temperature of the temperature detecting element 80, and when the detected temperature exceeds a predetermined value, the gate drive circuit lowers the gate voltage below the threshold value. This interrupts the current of the IGBT and protects the IGBT from overheating.

なお、通電時には、半導体基板12の中心14の付近の領域が、半導体基板12の中で最も高温となる。半導体装置10では、サブ素子領域20が半導体基板12の中心14と重なる位置に形成されている。このため、サブ素子領域20の電流は、半導体基板12の中心14の電流密度と正確に相関する。すなわち、サブ素子領域20によって、熱的に最も不利な条件下で動作する半導体基板12の中心14における電流密度を正確に特定することができる。したがって、半導体装置10は、より好適な過電流保護動作をすることができる。すなわち、サブ素子領域が半導体基板の外周近傍に形成されている場合には、半導体基板の中心の電流密度を正確に特定することができない。これは、半導体基板内の温度分布によって半導体基板内において電気抵抗に分布が生じ、サブ素子領域を流れる電流と半導体基板の中心の電流密度との間の相関係数が変化するためである。半導体基板の中心の電流密度を正確に特定できないため、電流値に対してある程度のマージンを持って半導体装置を制御せざるを得ない。このため、半導体基板の中心の電流密度がそれほど高くない場合でも、IGBTが遮断される場合がある。これに対し、本実施例の半導体装置10は、半導体基板12の中心14の電流密度とサブ素子領域20を流れる電流とが正確に相関するので、半導体基板12の中心14の電流密度が高い場合のみにIGBTを遮断することができる。上記のマージンを小さくできるので、IGBTに通電可能な電流が増える(若しくは、通電可能な電流が同じ従来の半導体装置よりも素子サイズを縮小することができる。)。   During energization, the region near the center 14 of the semiconductor substrate 12 is the highest temperature in the semiconductor substrate 12. In the semiconductor device 10, the sub element region 20 is formed at a position overlapping the center 14 of the semiconductor substrate 12. For this reason, the current in the sub-element region 20 accurately correlates with the current density at the center 14 of the semiconductor substrate 12. That is, the sub-element region 20 can accurately identify the current density at the center 14 of the semiconductor substrate 12 that operates under the most thermally disadvantageous condition. Therefore, the semiconductor device 10 can perform a more preferable overcurrent protection operation. That is, when the sub element region is formed near the outer periphery of the semiconductor substrate, the current density at the center of the semiconductor substrate cannot be accurately specified. This is because the electrical resistance is distributed in the semiconductor substrate due to the temperature distribution in the semiconductor substrate, and the correlation coefficient between the current flowing through the sub-element region and the current density at the center of the semiconductor substrate changes. Since the current density at the center of the semiconductor substrate cannot be accurately specified, the semiconductor device must be controlled with a certain margin with respect to the current value. For this reason, even when the current density at the center of the semiconductor substrate is not so high, the IGBT may be cut off. On the other hand, in the semiconductor device 10 of the present embodiment, the current density at the center 14 of the semiconductor substrate 12 and the current flowing through the sub-element region 20 are accurately correlated, so that the current density at the center 14 of the semiconductor substrate 12 is high. Only the IGBT can be cut off. Since the above margin can be reduced, the current that can be passed through the IGBT increases (or the element size can be reduced as compared with a conventional semiconductor device having the same current that can be passed through).

また、半導体装置10では、サブ素子領域20と重なる位置に、温度検出素子80が形成されている。このため、温度検出素子80は、最も高温となる半導体基板12の中心14の付近の領域の温度を正確に検出することができる。したがって、半導体装置10は、より好適な過熱保護動作をすることができる。すなわち、温度検出素子が半導体基板の外周近傍に形成されている場合には、半導体基板の中心の温度を正確に特定することができない。これは、半導体基板内に温度分布が生じるためである。半導体基板の中心の温度を正確に特定できないため、温度に対してある程度のマージンを持って半導体装置を制御せざるを得ない。このため、半導体基板の中心の温度がそれほど高くない場合でも、IGBTが遮断される場合がある。これに対し、本実施例の半導体装置10では、温度検出素子80によって半導体基板12の中心14の付近の温度を正確に特定することができるので、半導体基板12の中心14の温度が高い場合にのみ、IGBTを遮断させることができる。上記のマージンを小さくできるので、IGBTに通電可能な電流が増える(若しくは、通電可能な電流が同じ従来の半導体装置よりも素子サイズを縮小することができる。)。   In the semiconductor device 10, the temperature detection element 80 is formed at a position overlapping the sub element region 20. For this reason, the temperature detection element 80 can accurately detect the temperature of the region near the center 14 of the semiconductor substrate 12 that is at the highest temperature. Therefore, the semiconductor device 10 can perform a more preferable overheat protection operation. That is, when the temperature detection element is formed in the vicinity of the outer periphery of the semiconductor substrate, the temperature at the center of the semiconductor substrate cannot be accurately specified. This is because temperature distribution occurs in the semiconductor substrate. Since the temperature at the center of the semiconductor substrate cannot be specified accurately, the semiconductor device must be controlled with a certain margin with respect to the temperature. For this reason, even when the temperature at the center of the semiconductor substrate is not so high, the IGBT may be cut off. On the other hand, in the semiconductor device 10 of the present embodiment, the temperature near the center 14 of the semiconductor substrate 12 can be accurately specified by the temperature detection element 80, so that the temperature of the center 14 of the semiconductor substrate 12 is high. Only the IGBT can be blocked. Since the above margin can be reduced, the current that can be passed through the IGBT increases (or the element size can be reduced as compared with a conventional semiconductor device having the same current that can be passed through).

以上に説明したように、半導体装置10では、過電流保護動作と過熱保護動作の両方を好適に実行することができる。また、半導体装置10では、サブ素子領域20と温度検出素子80が重ねて形成されているので、これらが別の位置に形成されている半導体装置に比べて、素子サイズの縮小が可能となる。   As described above, the semiconductor device 10 can suitably execute both the overcurrent protection operation and the overheat protection operation. In the semiconductor device 10, since the sub-element region 20 and the temperature detection element 80 are formed so as to overlap each other, the element size can be reduced as compared with the semiconductor device in which these are formed at different positions.

なお、上述した実施例では、温度検出素子80が、各トレンチゲート電極54を横断するように配置されていた。しかしながら、図5に示すように、温度検出素子80が、1つのトレンチゲート電極54上に、そのトレンチゲート電極54に沿って配置されていてもよい。なお、このような構成では、温度検出素子80の直下のトレンチゲート電極54の近傍の半導体領域に対してコンタクトホールを設けることができないので、温度検出素子80の直下のトレンチゲート電極54に隣接する部分にエミッタ領域を設けなくてもよい。すなわち、温度検出素子80の直下のトレンチゲート電極54は、ダミーとすることができる。このように、温度検出素子80の直下にダミーのトレンチゲート電極54を設けることで、各トレンチゲート電極54の間の間隔を、サブ素子領域20とメイン素子領域60とで揃えることができる。これによって、サブ素子領域20のコレクタ−エミッタ間耐圧を、メイン素子領域60と同程度とすることができる。なお、このような構成は、比較的電流密度が低い半導体装置(例えば、トレンチゲート電極間の間隔が4μm以上の半導体装置)において好ましい。トレンチゲート間の間隔がより狭い半導体装置においては、図5のように温度検出素子80を形成するのが困難となるため、上述した実施例のように温度検出素子80を形成することがより好ましい。   In the above-described embodiment, the temperature detecting element 80 is disposed so as to cross each trench gate electrode 54. However, as shown in FIG. 5, the temperature detection element 80 may be disposed on one trench gate electrode 54 along the trench gate electrode 54. In such a configuration, since a contact hole cannot be provided in the semiconductor region in the vicinity of the trench gate electrode 54 immediately below the temperature detection element 80, the contact hole is adjacent to the trench gate electrode 54 immediately below the temperature detection element 80. The emitter region may not be provided in the portion. That is, the trench gate electrode 54 immediately below the temperature detection element 80 can be a dummy. Thus, by providing the dummy trench gate electrode 54 immediately below the temperature detection element 80, the distance between the trench gate electrodes 54 can be made uniform between the sub element region 20 and the main element region 60. As a result, the collector-emitter breakdown voltage of the sub-element region 20 can be made comparable to that of the main element region 60. Such a configuration is preferable in a semiconductor device having a relatively low current density (for example, a semiconductor device having an interval between trench gate electrodes of 4 μm or more). In a semiconductor device in which the distance between the trench gates is narrower, it is difficult to form the temperature detecting element 80 as shown in FIG. 5, and therefore it is more preferable to form the temperature detecting element 80 as in the above-described embodiment. .

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、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み合わ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み合わ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するものであり、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。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

10:半導体装置
12:半導体基板
14:中心
20:サブ素子領域
22:エミッタ領域
24:ボディ領域
26:ドリフト領域
28:コレクタ領域
50:ゲート絶縁膜
52:ゲート電極
54:トレンチゲート電極
60:メイン素子領域
80:温度検出素子
82:p型ポリシリコン層
84:n型ポリシリコン層
86:層間絶縁膜
86a:層間絶縁膜
86b:層間絶縁膜
90:コレクタ電極
92:エミッタ電極
94:コンタクトホール
10: Semiconductor device 12: Semiconductor substrate 14: Center 20: Sub element region 22: Emitter region 24: Body region 26: Drift region 28: Collector region 50: Gate insulating film 52: Gate electrode 54: Trench gate electrode 60: Main element Region 80: Temperature detecting element 82: p-type polysilicon layer 84: n-type polysilicon layer 86: interlayer insulating film 86a: interlayer insulating film 86b: interlayer insulating film 90: collector electrode 92: emitter electrode 94: contact hole

Claims (4)

半導体基板を有する半導体装置であって、
半導体基板が、メイン素子領域と、メイン素子領域よりも小さい電流が流れるサブ素子領域を有しており、
サブ素子領域が、半導体基板を平面視したときに半導体基板の中心と重なる位置に形成されており、
半導体基板上であって、半導体基板を平面視したときにサブ素子領域と重なる位置に、温度検出素子が形成されている、
半導体装置。
A semiconductor device having a semiconductor substrate,
The semiconductor substrate has a main element region and a sub element region through which a smaller current flows than the main element region,
The sub-element region is formed at a position overlapping the center of the semiconductor substrate when the semiconductor substrate is viewed in plan view,
A temperature detection element is formed on the semiconductor substrate at a position overlapping the sub-element region when the semiconductor substrate is viewed in plan view.
Semiconductor device.
メイン素子領域内の半導体基板上に、第1上部電極が形成されており、
メイン素子領域内に、
第1導電型であり、第1上部電極と導通している第1領域と、
第2導電型であり、第1領域に接している第2領域と、
第1導電型であり、第2領域に接しており、第2領域によって第1領域から分離されている第3領域と、
第1領域と第3領域を分離している範囲の第2領域に対して絶縁膜を介して対向している第1ゲート電極、
が形成されており、
サブ素子領域内の半導体基上に、第1上部電極から分離されている第2上部電極が形成されており、
サブ素子領域内に、
第1導電型であり、第2上部電極と導通している第4領域と、
第2導電型であり、第4領域に接している第5領域と、
第1導電型であり、第5領域に接しており、第5領域によって第4領域から分離されている第6領域と、
第4領域と第6領域を分離している範囲の第5領域に対して絶縁膜を介して対向している第2ゲート電極、
が形成されている、
請求項1に記載の半導体装置。
A first upper electrode is formed on the semiconductor substrate in the main element region,
In the main element area,
A first region of the first conductivity type and in conduction with the first upper electrode;
A second region of the second conductivity type and in contact with the first region;
A third region of the first conductivity type, in contact with the second region, and separated from the first region by the second region;
A first gate electrode opposed to a second region in a range separating the first region and the third region through an insulating film;
Is formed,
A second upper electrode separated from the first upper electrode is formed on the semiconductor substrate in the sub-element region;
In the sub-element region,
A fourth region of the first conductivity type and in conduction with the second upper electrode;
A fifth region of second conductivity type and in contact with the fourth region;
A sixth region of the first conductivity type, in contact with the fifth region and separated from the fourth region by the fifth region;
A second gate electrode facing the fifth region in a range separating the fourth region and the sixth region through an insulating film;
Is formed,
The semiconductor device according to claim 1.
半導体基板を平面視したときに第4領域と重なる位置に、温度検出素子が形成されている請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein a temperature detection element is formed at a position overlapping the fourth region when the semiconductor substrate is viewed in plan. 第4領域が半導体基板の上面に露出している範囲の一部に、第4領域を第2上部電極に接続しているコンタクトが形成されており、
第4領域が半導体基板の上面に露出している範囲のうちのコンタクト以外の部分に、層間絶縁膜が形成されており、
温度検出素子が、層間絶縁膜上に形成されている請求項3に記載の半導体装置。
A contact connecting the fourth region to the second upper electrode is formed in a part of a range where the fourth region is exposed on the upper surface of the semiconductor substrate,
An interlayer insulating film is formed in a portion other than the contact in the range where the fourth region is exposed on the upper surface of the semiconductor substrate,
The semiconductor device according to claim 3, wherein the temperature detection element is formed on an interlayer insulating film.
JP2011249445A 2011-11-15 2011-11-15 Semiconductor device Pending JP2013105932A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011249445A JP2013105932A (en) 2011-11-15 2011-11-15 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011249445A JP2013105932A (en) 2011-11-15 2011-11-15 Semiconductor device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013105932A true JP2013105932A (en) 2013-05-30

Family

ID=48625259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011249445A Pending JP2013105932A (en) 2011-11-15 2011-11-15 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013105932A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016018848A (en) * 2014-07-07 2016-02-01 トヨタ自動車株式会社 Semiconductor device
US10056370B2 (en) 2015-07-16 2018-08-21 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
US10504785B2 (en) 2016-06-03 2019-12-10 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016018848A (en) * 2014-07-07 2016-02-01 トヨタ自動車株式会社 Semiconductor device
US10056370B2 (en) 2015-07-16 2018-08-21 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
US10700059B2 (en) 2015-07-16 2020-06-30 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
US10504785B2 (en) 2016-06-03 2019-12-10 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5757101B2 (en) Super junction semiconductor device
US8008747B2 (en) High power and high temperature semiconductor power devices protected by non-uniform ballasted sources
JP6460016B2 (en) Switching element
JP6588363B2 (en) Switching element
JP2009188178A (en) Semiconductor device
JP6218462B2 (en) Wide gap semiconductor device
WO2015198715A1 (en) Semiconductor device
TWI659611B (en) Semiconductor device
JP5942737B2 (en) Semiconductor device
JP2013105932A (en) Semiconductor device
JP2012099695A (en) Semiconductor device
JP5407784B2 (en) Semiconductor device
JP6718140B2 (en) Semiconductor device
JP6088401B2 (en) Reverse conducting IGBT
US9735081B2 (en) Semiconductor device
JP6278048B2 (en) Semiconductor device
KR20120047763A (en) Semiconductor device
JP2017011171A (en) Semiconductor device
JP2010199149A (en) Semiconductor device
JP2021005692A (en) Semiconductor device
US20150221641A1 (en) Semiconductor device
JP6638662B2 (en) Semiconductor device
JP6825298B2 (en) Semiconductor device
US20160260707A1 (en) Semiconductor device
JP7263978B2 (en) semiconductor equipment