JP2020087990A - Semiconductor device and power conversion apparatus using the same - Google Patents

Semiconductor device and power conversion apparatus using the same Download PDF

Info

Publication number
JP2020087990A
JP2020087990A JP2018215271A JP2018215271A JP2020087990A JP 2020087990 A JP2020087990 A JP 2020087990A JP 2018215271 A JP2018215271 A JP 2018215271A JP 2018215271 A JP2018215271 A JP 2018215271A JP 2020087990 A JP2020087990 A JP 2020087990A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor device
semiconductor layer
layer
type
electrode
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.)
Granted
Application number
JP2018215271A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7033049B2 (en
Inventor
悠次郎 竹内
Yujiro Takeuchi
悠次郎 竹内
森 睦宏
Mutsuhiro Mori
森  睦宏
智康 古川
Tomoyasu Furukawa
智康 古川
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.)
Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Original Assignee
Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
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 Hitachi Power Semiconductor Device Ltd filed Critical Hitachi Power Semiconductor Device Ltd
Priority to JP2018215271A priority Critical patent/JP7033049B2/en
Publication of JP2020087990A publication Critical patent/JP2020087990A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7033049B2 publication Critical patent/JP7033049B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

To provide a semiconductor device where a temperature detection element is provided in the same semiconductor substrate as IGBT, highly accurate temperature detection is possible, and which can be manufactured at a low cost.SOLUTION: In a semiconductor device having an active region, a temperature detector, and a carrier withdrawal region formed between the active region and the temperature detector, the temperature detector includes multiple second trenches formed adjacently to the carrier withdrawal region, multiple second gate electrodes comprising a conductor formed on the inside of the second trench, and an insulator film formed around the conductor, a second conductivity type sixth semiconductor layer formed while sandwiched by the multiple second gate electrodes, a first conductivity type seventh semiconductor layer formed adjacently to the second gate electrode on the surface of the fifth semiconductor layer, and having a surface in contact with an emitter electrode, and an anode electrode formed on the surface of the sixth semiconductor layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体装置の構造に係り、特に、温度検知機能を備えるIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to the structure of a semiconductor device, and particularly to a technique effectively applied to an IGBT (insulated gate bipolar transistor) having a temperature detection function.

半導体素子(半導体装置)としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いた電力変換装置が幅広い分野で利用されており、また、その利用が拡大している。これらの電力変換装置において、動作中に半導体素子の温度を検出することは重要である。検出した半導体素子の温度から、例えば過電流による過熱を検知し、電力変換の動作を停止させたり、取り扱う電力の大きさを制限することで装置の破壊を未然に防ぐことができる。 A power converter using an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as a semiconductor element (semiconductor device) is used in a wide range of fields, and its use is expanding. In these power converters, it is important to detect the temperature of the semiconductor element during operation. From the detected temperature of the semiconductor element, for example, overheat due to overcurrent is detected, the operation of power conversion is stopped, or the magnitude of the power to be handled is limited, whereby the device can be prevented from being destroyed in advance.

IGBTの温度を検出する手段は様々に知られているが、その一つにIGBTと同一の半導体基体に温度検出用の素子を設ける方法がある。この方法は、検出の対象であるIGBTの直近に温度検出素子を設けることができるため、検出精度が高い利点がある。また、IGBTは種々の不純物導入工程や拡散工程を経て製造されるが、これらの工程を兼用して温度検出素子を形成すれば、低コストに温度検出の手段を提供することができる。 Various means for detecting the temperature of the IGBT are known, and one of them is a method of providing an element for temperature detection on the same semiconductor substrate as the IGBT. This method has the advantage of high detection accuracy because the temperature detection element can be provided in the immediate vicinity of the IGBT to be detected. Further, the IGBT is manufactured through various impurity introduction steps and diffusion steps. If the temperature detection element is formed by using these steps also, a temperature detection means can be provided at low cost.

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には「インバータ装置等に使用する温度検知部を備えたバイポーラ半導体素子」が開示されている。 BACKGROUND ART As a background art in this technical field, for example, there is a technology as disclosed in Patent Document 1. Patent Document 1 discloses "a bipolar semiconductor element including a temperature detection unit used in an inverter device or the like".

そしてその実施例の一つとして、「p引き抜き領域21から隔離して、nベース層3の表面層にpアノード領域13が形成され、その表面上にアノード電極15が設けられ、電流源18がつながれており、ゲートオン時には、ゲート電極7直下に生じたチャネルを通じて、アノード電極15とエミッタ電極8間にダイオードができ、そのダイオードに一定電流を流し、順方向電圧を測定する」ことが記載されている。(図6および段落[0053]等) As one of the embodiments, “a p anode region 13 is formed in the surface layer of the n base layer 3 so as to be separated from the p extraction region 21, an anode electrode 15 is provided on the surface, and a current source 18 is provided. It is connected, and when the gate is turned on, a diode is formed between the anode electrode 15 and the emitter electrode 8 through the channel formed immediately below the gate electrode 7, and a constant current is passed through the diode to measure the forward voltage.” There is. (Fig. 6 and paragraph [0053] etc.)

特許第3538505号公報Japanese Patent No. 3538505

しかしながら、本願発明の発明者らの検討によれば、特許文献1に開示された技術には、次に述べるような課題がある。すなわち、温度検出部で検出される値が、アクティブ領域を流れる電流(主電流)の大小によって影響を受けるため、その検出精度が低いという課題がある。 However, according to the study by the inventors of the present invention, the technique disclosed in Patent Document 1 has the following problems. In other words, the value detected by the temperature detection unit is affected by the magnitude of the current (main current) flowing in the active region, so there is a problem that the detection accuracy is low.

そこで、本発明の目的は、IGBTと同一の半導体基体に温度検出素子を設けた半導体装置において、温度センス電流への主電流の影響を抑制し、高精度な温度検出が可能であり、かつ、低コストで製造可能な半導体装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to suppress the influence of the main current on the temperature sensing current in a semiconductor device in which a temperature detecting element is provided on the same semiconductor substrate as the IGBT, and to perform highly accurate temperature detection, and It is to provide a semiconductor device that can be manufactured at low cost.

上記課題を解決するために、本発明は、アクティブ領域と、温度検出部と、前記アクティブ領域および前記温度検出部の間に形成されたキャリア引き抜き領域と、を有する半導体装置であって、前記アクティブ領域は、第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層の第1表面に形成された第2導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層の表面から前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層まで達する複数の第1のトレンチと、前記第1のトレンチの内側に形成された導電体及び前記導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成される複数の第1のゲート電極と、前記第2半導体層の表面において、前記第1のゲート電極と隣接して形成された第1導電型の第3半導体層と、前記第1半導体層の第2表面に形成された第2導電型の第4半導体層と、前記第2半導体層と前記第3半導体層の表面に形成されたエミッタ電極と、前記第4半導体層の表面に形成されたコレクタ電極と、を備え、前記キャリア引き抜き領域は、表面に前記エミッタ電極が接触する第2導電型の第5半導体層を備え、前記温度検出部は、前記キャリア引き抜き領域と隣接して形成された複数の第2のトレンチと、前記第2のトレンチの内側に形成された導電体及び前記導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成される複数の第2のゲート電極と、前記複数の第2のゲート電極に挟まれて形成された第2導電型の第6半導体層と、前記第5半導体層の表面において、前記第2のゲート電極と隣接して形成され、表面に前記エミッタ電極が接触する第1導電型の第7半導体層と、前記第6半導体層の表面に形成されたアノード電極と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is a semiconductor device having an active region, a temperature detection unit, and a carrier extraction region formed between the active region and the temperature detection unit, wherein The region includes a first conductive type first semiconductor layer, a second conductive type second semiconductor layer formed on a first surface of the first semiconductor layer, and a surface of the second semiconductor layer from the second semiconductor layer. A plurality of first trenches penetrating a layer to reach the first semiconductor layer; a conductor formed inside the first trench; and an insulating film formed around the conductor. A plurality of first gate electrodes, a third semiconductor layer of the first conductivity type formed adjacent to the first gate electrode on the surface of the second semiconductor layer, and a third semiconductor layer of the first semiconductor layer. Second conductive type fourth semiconductor layer formed on the surface, emitter electrodes formed on the surfaces of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, and a collector formed on the surface of the fourth semiconductor layer An electrode, the carrier extraction region includes a fifth semiconductor layer of a second conductivity type, the surface being in contact with the emitter electrode, and the temperature detection unit includes a plurality of electrodes formed adjacent to the carrier extraction region. A second trench, a plurality of second gate electrodes configured to include a conductor formed inside the second trench and an insulating film formed around the conductor, and the plurality of second gate electrodes. The sixth semiconductor layer of the second conductivity type formed so as to be sandwiched by the second gate electrode and the surface of the fifth semiconductor layer are formed adjacent to the second gate electrode, and the emitter electrode is formed on the surface. Is provided with a seventh semiconductor layer of the first conductivity type, and an anode electrode formed on the surface of the sixth semiconductor layer.

また、本発明は、複数のスイッチング素子と、複数の還流ダイオードと、電圧源と、を備え、前記スイッチング素子と前記還流ダイオードとが逆並列に接続されて1個のアームを構成し、前記アームが2個直列に接続されて相を構成し、3個の前記相がそれぞれ前記電圧源と並列に接続され、前記3個の相の各々の前記2個のアーム間に、誘導性負荷が接続される電力変換装置であって、前記複数のスイッチング素子の各々に、上記の半導体装置を用いることを特徴とする。 Further, the present invention comprises a plurality of switching elements, a plurality of freewheeling diodes, and a voltage source, wherein the switching elements and the freewheeling diodes are connected in antiparallel to form one arm, and the arm Are connected in series to form a phase, each of the three phases is connected in parallel with the voltage source, and an inductive load is connected between the two arms of each of the three phases. In the power conversion device, the semiconductor device is used for each of the plurality of switching elements.

本発明によれば、IGBTと同一の半導体基体に温度検出素子を設けた半導体装置において、高精度な温度検出が可能であり、かつ、低コストで製造可能な半導体装置を実現することができる。 According to the present invention, in a semiconductor device in which a temperature detecting element is provided on the same semiconductor substrate as the IGBT, it is possible to realize a semiconductor device capable of highly accurate temperature detection and manufactured at low cost.

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.

本発明の実施例1に係る半導体装置の部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 従来技術によって構成される半導体装置の部分断面図である。FIG. 11 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device configured by a conventional technique. 本発明の実施例2に係る半導体装置の部分断面図である。FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施例3に係る半導体装置の部分断面図である。FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device according to Example 3 of the present invention. 本発明の実施例4に係る半導体装置の部分断面図である。FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device according to Example 4 of the present invention. 本発明の実施例5に係る電力変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power converter device which concerns on Example 5 of this invention. 本発明の実施例6に係る半導体装置の部分断面図である。FIG. 9 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device according to Example 6 of the present invention.

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。また、ある二つの構成部分が、互いに異なる図面で参照されており、その形状や、周囲に位置するその他の構成部分が異なっていたとしても、それらの機能の本質に差異がない場合には、同一の符号を用いて参照する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing, the same components are designated by the same reference numerals, and detailed description of overlapping portions will be omitted. Also, two certain components are referred to in different drawings, and even if the shape and other components located in the periphery are different, if there is no difference in the essence of their functions, References will be made using the same symbols.

≪比較例≫
はじめに、本発明の目的と構成および作用効果の理解を助けることを目的として、本発明の実施例の説明に先立ち、従来技術によって構成される半導体装置において、温度検出部で検出される値が主電流の影響を受け、検出精度が低くなる原因を説明する。
≪Comparison example≫
First, for the purpose of helping the understanding of the object and the configuration and the operation and effect of the present invention, prior to the description of the embodiments of the present invention, in the semiconductor device configured by the conventional technique, the value detected by the temperature detecting unit The reason why the detection accuracy is lowered due to the influence of the current will be described.

図2に従来技術によって構成される半導体装置の一例を示す。図2の半導体装置では、IGBTと同一の半導体基体に温度検出素子を設けている。n型のバルク層101の表面に、複数のp型のチャネル層102が選択的に形成されている。また、p型チャネル層102の表面には複数のn型のソース領域105が選択的に形成されている。n型バルク層101とp型チャネル層102とn型ソース領域105との表面において、導電体及び導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成される複数のゲート電極104が形成されている。 FIG. 2 shows an example of a semiconductor device configured by the conventional technique. In the semiconductor device of FIG. 2, the temperature detecting element is provided on the same semiconductor substrate as the IGBT. A plurality of p-type channel layers 102 are selectively formed on the surface of the n-type bulk layer 101. A plurality of n-type source regions 105 are selectively formed on the surface of the p-type channel layer 102. On the surfaces of the n-type bulk layer 101, the p-type channel layer 102, and the n-type source region 105, a plurality of gate electrodes 104 including a conductor and an insulating film formed around the conductor are formed. There is.

p型チャネル層102とn型ソース領域105の表面にはエミッタ電極107が形成されている。n型バルク層101の裏面にはp型のコレクタ層106が形成され、p型コレクタ層106の裏面にはコレクタ電極108が形成されている。以上まで述べた部分を以下、アクティブ領域115と呼ぶ。アクティブ領域115は、プレーナ型のIGBTを構成している。 An emitter electrode 107 is formed on the surfaces of the p-type channel layer 102 and the n-type source region 105. A p-type collector layer 106 is formed on the back surface of the n-type bulk layer 101, and a collector electrode 108 is formed on the back surface of the p-type collector layer 106. The part described above is hereinafter referred to as an active region 115. The active region 115 constitutes a planar type IGBT.

アクティブ領域115と隣接して、p型チャネル層102と一部を重複してp型のキャリア引き抜き層109が形成されている。p型キャリア引き抜き層109が形成されている部分を以下、キャリア引き抜き領域116と呼ぶ。 A p-type carrier extraction layer 109 is formed adjacent to the active region 115 and partially overlapping the p-type channel layer 102. The portion where the p-type carrier extraction layer 109 is formed is hereinafter referred to as a carrier extraction region 116.

キャリア引き抜き領域116と隣接して、n型バルク層101の表面にp型のアノード層112が選択的に形成されている。また、p型アノード層112の表面にはアノード電極114が形成されている。p型アノード層112とアノード電極114からなる部分を以下、温度検出部117と呼ぶ。 Adjacent to the carrier extraction region 116, a p-type anode layer 112 is selectively formed on the surface of the n-type bulk layer 101. An anode electrode 114 is formed on the surface of the p-type anode layer 112. Hereinafter, the portion including the p-type anode layer 112 and the anode electrode 114 will be referred to as a temperature detection unit 117.

図2の半導体装置を用いて温度を検出する場合、例えばアノード電極114に、アノード電極114に電流を流し込む向きの電流源を接続した状態で、エミッタ電極107の電位を基準とし、アノード電極114の電位を測定する、などの方法がとられる。 When the temperature is detected using the semiconductor device of FIG. 2, for example, in a state in which a current source that directs a current to the anode electrode 114 is connected to the anode electrode 114, the potential of the emitter electrode 107 is used as a reference and the Methods such as measuring the electric potential are taken.

図2の半導体装置を電力変換装置に用いる場合、アクティブ領域115を働かせるために、ゲート電極104はオン・オフを繰り返す。ここで、ゲート電極104がオンするとは、p型チャネル層102のゲート電極104と隣接する部分にn型反転層を形成させる電圧がゲート電極104に与えられることをいう。同様に、ゲート電極104がオフするとは、前記n型反転層が形成されない電圧がゲート電極104に与えられることをいう。 When the semiconductor device of FIG. 2 is used for a power conversion device, the gate electrode 104 is repeatedly turned on and off in order to activate the active region 115. Here, turning on the gate electrode 104 means that a voltage for forming an n-type inversion layer in a portion of the p-type channel layer 102 adjacent to the gate electrode 104 is applied to the gate electrode 104. Similarly, turning off the gate electrode 104 means that a voltage that does not form the n-type inversion layer is applied to the gate electrode 104.

ゲート電極104がオンしている場合、図2の半導体装置の内部には、アノード層112をp型領域とし、バルク層101、反転層、ソース領域105をn型領域とするpnダイオードが形成されている。このとき、電流源から供給された電流は、p型アノード層112からn型バルク層101へ注入され、反転層、n型ソース領域105を経由してエミッタ電極107へ流れる。すなわち、前記pnダイオードに順バイアス電流が流れることになる。このとき、エミッタ電極107の電位を基準としてアノード電極114の電位を測定すれば、pnダイオードの順方向電圧の温度依存性を利用することで、半導体装置の温度検出が可能となる。 When the gate electrode 104 is on, a pn diode having the anode layer 112 as a p-type region and the bulk layer 101, the inversion layer, and the source region 105 as an n-type region is formed inside the semiconductor device of FIG. ing. At this time, the current supplied from the current source is injected from the p-type anode layer 112 into the n-type bulk layer 101, and flows into the emitter electrode 107 via the inversion layer and the n-type source region 105. That is, a forward bias current flows through the pn diode. At this time, if the potential of the anode electrode 114 is measured with reference to the potential of the emitter electrode 107, the temperature of the semiconductor device can be detected by utilizing the temperature dependence of the forward voltage of the pn diode.

ゲート電極104がオンしている場合、アクティブ領域115に着目すると、アクティブ領域115を形成するプレーナ型IGBTは導通状態にある。すなわち、n型ソース領域105から反転層を介して電子がn型バルク層101に注入され、それに呼応して、裏面のp型コレクタ層106からホールがn型バルク層101に注入される。その結果として、n型バルク層101には多量のホールが過剰キャリアとして蓄積されている状態にある。また、アクティブ領域115に流す電流、すなわち主電流が大きければ大きいほどn型バルク層101に蓄積されるホールの量は多くなる。 When the gate electrode 104 is turned on, focusing on the active region 115, the planar IGBT forming the active region 115 is in a conductive state. That is, electrons are injected into the n-type bulk layer 101 from the n-type source region 105 through the inversion layer, and correspondingly, holes are injected into the n-type bulk layer 101 from the p-type collector layer 106 on the back surface. As a result, a large amount of holes are accumulated in the n-type bulk layer 101 as excess carriers. The larger the current flowing in the active region 115, that is, the main current, the larger the amount of holes accumulated in the n-type bulk layer 101.

前述したpnダイオードに電流を流し、その順方向電圧を温度検出に用いる場合、アクティブ領域115の働きによって既にn型バルク層101に蓄積されているホールの多寡は、pnダイオードの電圧−電流特性に大きな影響を与える。すなわち、本半導体装置において温度検出部117で検出される値は主電流の影響を受け、検出精度が低くなる。より具体的には、同一の温度において、例えば主電流がゼロの場合に検出されるpnダイオードの順方向電圧と、主電流に半導体装置の定格電流を流している場合に検出されるpnダイオードの順方向電圧が異なってしまう。 When a current is applied to the pn diode and its forward voltage is used for temperature detection, the amount of holes already accumulated in the n-type bulk layer 101 due to the action of the active region 115 depends on the voltage-current characteristic of the pn diode. Have a big impact. That is, in the present semiconductor device, the value detected by the temperature detection unit 117 is affected by the main current, and the detection accuracy becomes low. More specifically, at the same temperature, for example, the forward voltage of the pn diode detected when the main current is zero and the pn diode detected when the rated current of the semiconductor device is flowing to the main current. The forward voltage will be different.

次に、p型キャリア引き抜き層109、キャリア引き抜き領域116の働きについて説明する。既に述べたように、従来技術によって構成される図2の半導体装置には、温度検出の精度が低いという課題があるが、p型キャリア引き抜き層109、ならびにキャリア引き抜き領域116を設けることによってこれをある程度改善することができる。 Next, the functions of the p-type carrier extraction layer 109 and the carrier extraction region 116 will be described. As described above, the semiconductor device of FIG. 2 configured by the conventional technique has a problem that the temperature detection accuracy is low. However, by providing the p-type carrier extraction layer 109 and the carrier extraction region 116, the problem can be solved. It can be improved to some extent.

上述したように、図2の半導体装置で温度検出の精度が低くなる原因は、主電流の大小によってn型バルク層101に蓄積されるホールの量が変化することにある。ここで、キャリア引き抜き層109はp型であり、ホールに対するポテンシャルが低い半導体層であるから、その近辺のホールは、p型キャリア引き抜き層109へ流れ込み、隣接するp型チャネル層102を経由してエミッタ電極107へと排出される。 As described above, the reason why the temperature detection accuracy in the semiconductor device of FIG. 2 is low is that the amount of holes accumulated in the n-type bulk layer 101 changes depending on the magnitude of the main current. Here, since the carrier extraction layer 109 is a p-type and is a semiconductor layer having a low potential for holes, holes in the vicinity thereof flow into the p-type carrier extraction layer 109 and pass through the adjacent p-type channel layer 102. It is discharged to the emitter electrode 107.

この作用によって、p型キャリア引き抜き層109近辺のn型バルク層101に蓄積されるホールの量は、p型キャリア引き抜き層109を設けない場合と比較して、少なくなる。よって、この場合は主電流の大小によるn型バルク層101のホールの蓄積量の変化を、部分的には抑制することができ、温度検出の精度を改善することができる。 Due to this action, the amount of holes accumulated in the n-type bulk layer 101 near the p-type carrier extraction layer 109 is smaller than that in the case where the p-type carrier extraction layer 109 is not provided. Therefore, in this case, the change in the amount of holes accumulated in the n-type bulk layer 101 due to the magnitude of the main current can be partially suppressed, and the temperature detection accuracy can be improved.

しかしながら、上述したp型キャリア引き抜き層109の作用から分かる通り、p型キャリア引き抜き層109によってホールの蓄積量の変化を抑制できるのは、p型キャリア引き抜き層109の近辺に限られる。一方、電流源がpnダイオードに流す電流は、前述のように図2の半導体装置内部の広い領域に渡って流れるため(p型アノード層112、n型バルク層101、反転層、n型ソース領域105)、上記の検出精度の改善効果は限定的とならざるを得ない。 However, as can be seen from the action of the p-type carrier extraction layer 109 described above, the p-type carrier extraction layer 109 can suppress the change in the amount of accumulated holes only in the vicinity of the p-type carrier extraction layer 109. On the other hand, the current flowing through the pn diode by the current source flows over a wide area inside the semiconductor device of FIG. 2 as described above (p-type anode layer 112, n-type bulk layer 101, inversion layer, n-type source region). 105), the effect of improving the detection accuracy is inevitably limited.

以上、従来技術によって構成される半導体装置において、温度検出部で検出される値が主電流の影響を受け、検出精度が低くなる原因を説明した。続いて、本発明の実施例を説明する。 The reason why the value detected by the temperature detection unit is affected by the main current and the detection accuracy is lowered in the semiconductor device configured by the conventional technique has been described above. Next, examples of the present invention will be described.

図1を参照して、本発明の実施例1の半導体装置について説明する。図1は本実施例に係る半導体装置の部分断面図である。本実施例の半導体装置は、n型のバルク層101の表面に、p型のチャネル層102が形成されている。p型チャネル層102の表面から、p型チャネル層102を貫通してn型バルク層101まで達する複数の第1のトレンチ103が形成されている。 A semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device according to this embodiment. In the semiconductor device of this embodiment, a p-type channel layer 102 is formed on the surface of an n-type bulk layer 101. A plurality of first trenches 103 that penetrate the p-type channel layer 102 and reach the n-type bulk layer 101 from the surface of the p-type channel layer 102 are formed.

第1のトレンチ103の内側には、導電体および導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成される複数の第1のゲート電極104が形成されている。第1のゲート電極104を構成する導電体の各々は、トレンチの側壁と底部角に対向しており、トレンチ底辺の中央付近には存在していない。つまり、第1のゲート電極104は、第1のトレンチ103の側壁と底部角に対向して形成された導電体および導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成されるサイドゲート型ゲート電極である。 Inside the first trench 103, a plurality of first gate electrodes 104 including an electric conductor and an insulating film formed around the electric conductor are formed. Each of the conductors forming the first gate electrode 104 faces the side wall and the bottom corner of the trench and does not exist near the center of the bottom of the trench. That is, the first gate electrode 104 is a side gate type gate including a conductor formed to face the sidewall of the first trench 103 and a bottom corner and an insulating film formed around the conductor. It is an electrode.

p型チャネル層102の表面において、前記第1のゲート電極104と隣接するようにn型のソース領域105が形成されている。p型チャネル層102とn型ソース領域105の表面において、エミッタ電極107が形成されている。n型バルク層101の裏面にはp型のコレクタ層106が形成され、p型コレクタ層106の裏面にはコレクタ電極108が形成されている。以上まで述べた部分を以下、アクティブ領域115と呼ぶ。アクティブ領域115は、サイドゲート型のIGBTを構成している。 On the surface of the p-type channel layer 102, an n-type source region 105 is formed so as to be adjacent to the first gate electrode 104. An emitter electrode 107 is formed on the surfaces of the p-type channel layer 102 and the n-type source region 105. A p-type collector layer 106 is formed on the back surface of the n-type bulk layer 101, and a collector electrode 108 is formed on the back surface of the p-type collector layer 106. The part described above is hereinafter referred to as an active region 115. The active region 115 constitutes a side gate type IGBT.

アクティブ領域115と隣接して、p型チャネル層102と一部を重複してp型のキャリア引き抜き層109が形成されている。p型キャリア引き抜き層109の表面には、エミッタ電極107が接触している。p型キャリア引き抜き層109が形成されている部分を以下、キャリア引き抜き領域116と呼ぶ。 A p-type carrier extraction layer 109 is formed adjacent to the active region 115 and partially overlapping the p-type channel layer 102. The emitter electrode 107 is in contact with the surface of the p-type carrier extraction layer 109. The portion where the p-type carrier extraction layer 109 is formed is hereinafter referred to as a carrier extraction region 116.

キャリア引き抜き領域116と隣接して、複数の第2のトレンチ110が形成されている。第2のトレンチ110の内側には、導電体および導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成され、前記第1のゲート電極104と互いに電気的に接続された複数の第2のゲート電極111が形成されている。第2のゲート電極111を構成する導電体の各々は、トレンチの側壁と底部に対向しており、第2のトレンチ110の全域を充填している。 A plurality of second trenches 110 are formed adjacent to the carrier extraction region 116. Inside the second trench 110, a plurality of second gates configured to include a conductor and an insulating film formed around the conductor and electrically connected to the first gate electrode 104 are provided. The electrode 111 is formed. Each of the conductors forming the second gate electrode 111 faces the sidewall and the bottom of the trench and fills the entire area of the second trench 110.

第2のゲート電極111に挟まれるようにp型のアノード層112が形成されている。p型キャリア引き抜き層109の表面において、第2のゲート電極111と隣接して、n型のカソード層113が形成されている。また、n型カソード層113の表面(側面)には、エミッタ電極107が接触している。p型アノード層112の表面にはアノード電極114が形成されている。p型アノード層112、アノード電極114、第2のトレンチ110、第2のゲート電極111、n型カソード層113からなる部分を以下、温度検出部117と呼ぶ。 A p-type anode layer 112 is formed so as to be sandwiched between the second gate electrodes 111. An n-type cathode layer 113 is formed adjacent to the second gate electrode 111 on the surface of the p-type carrier extraction layer 109. The emitter electrode 107 is in contact with the surface (side surface) of the n-type cathode layer 113. An anode electrode 114 is formed on the surface of the p-type anode layer 112. Hereinafter, a portion including the p-type anode layer 112, the anode electrode 114, the second trench 110, the second gate electrode 111, and the n-type cathode layer 113 will be referred to as a temperature detection unit 117.

図1の半導体装置を用いて温度を検出する場合、例えばアノード電極114に、アノード電極114に電流を流し込む向きの電流源を接続した状態で、エミッタ電極107の電位を基準とし、アノード電極114の電位を測定する、などの方法がとられる。 When the temperature is detected using the semiconductor device of FIG. 1, for example, in a state in which a current source that directs a current to the anode electrode 114 is connected to the anode electrode 114, the potential of the emitter electrode 107 is used as a reference and the Methods such as measuring the electric potential are taken.

図1の半導体装置では、第1のゲート電極104と第2のゲート電極111とが互いに電気的に接続されている。したがって、第1のゲート電極104がオンしている場合、第2のゲート電極111もオンし、その周囲にも反転層(または蓄積層)が形成される。この場合、図1の半導体装置の内部には、アノード層112をp型領域とし、第2のゲート電極111周囲に形成された反転層(または蓄積層)、カソード層113をn型領域とするpnダイオードが形成されている。 In the semiconductor device of FIG. 1, the first gate electrode 104 and the second gate electrode 111 are electrically connected to each other. Therefore, when the first gate electrode 104 is turned on, the second gate electrode 111 is also turned on, and the inversion layer (or the storage layer) is also formed around it. In this case, inside the semiconductor device of FIG. 1, the anode layer 112 is a p-type region, the inversion layer (or storage layer) formed around the second gate electrode 111, and the cathode layer 113 are an n-type region. A pn diode is formed.

このとき、電流源から供給された電流は、p型アノード層112から反転層、n型カソード層113を経由してエミッタ電極107へ流れる。すなわち、pnダイオードに順バイアス電流が流れることになる。このとき、エミッタ電極107の電位を基準としてアノード電極114の電位を測定すれば、pnダイオードの順方向電圧の温度依存性を利用することで、半導体装置の温度検出が可能となる。 At this time, the current supplied from the current source flows from the p-type anode layer 112 to the emitter electrode 107 via the inversion layer and the n-type cathode layer 113. That is, a forward bias current flows through the pn diode. At this time, if the potential of the anode electrode 114 is measured with reference to the potential of the emitter electrode 107, the temperature of the semiconductor device can be detected by utilizing the temperature dependence of the forward voltage of the pn diode.

第1のゲート電極104がオンしている場合、アクティブ領域115に着目すると、アクティブ領域115を形成するサイドゲート型IGBTは導通状態にある。すなわち、n型ソース領域105から第1のゲート電極104周囲の反転層を介して電子がn型バルク層101に注入される。すると、それに呼応して裏面のp型コレクタ層106からホールがn型バルク層101に注入される。その結果として、n型バルク層101には多量のホールが過剰キャリアとして蓄積された状態になる。また、アクティブ領域115に流す電流、すなわち主電流が大きければ大きいほどn型バルク層101に蓄積されるホールの量は多くなる。 When the first gate electrode 104 is on, focusing on the active region 115, the side gate type IGBT forming the active region 115 is in a conductive state. That is, electrons are injected into the n-type bulk layer 101 from the n-type source region 105 via the inversion layer around the first gate electrode 104. Then, correspondingly, holes are injected into the n-type bulk layer 101 from the p-type collector layer 106 on the back surface. As a result, a large amount of holes are accumulated in the n-type bulk layer 101 as excess carriers. The larger the current flowing in the active region 115, that is, the main current, the larger the amount of holes accumulated in the n-type bulk layer 101.

図1に示す半導体装置においても、前記したpnダイオードに電流を流し、その順方向電圧を温度検出に用いる場合、アクティブ領域115の働きによってn型バルク層101に蓄積されているホールの多寡は、pnダイオードの電圧−電流特性に多少の影響を与え得る。しかしながら、その影響の程度は、比較例として示した従来技術によって構成される半導体装置と比較して大幅に小さい。なぜならば、比較例においてはp型アノード層112からn型バルク層101に注入されたホールが、n型バルク層101中を移動してエミッタ電極107へと流れていくのに対し、図1に示される半導体装置では、p型アノード層112から反転層に注入されたホールが、すぐさま直近のn型カソード層113へと到達し、エミッタ電極107へ回収されるからである。 Also in the semiconductor device shown in FIG. 1, when a current is passed through the pn diode and its forward voltage is used for temperature detection, the number of holes accumulated in the n-type bulk layer 101 by the action of the active region 115 is It may have some influence on the voltage-current characteristics of the pn diode. However, the degree of the influence is significantly smaller than that of the semiconductor device constituted by the conventional technique shown as the comparative example. This is because in the comparative example, the holes injected from the p-type anode layer 112 into the n-type bulk layer 101 move in the n-type bulk layer 101 and flow to the emitter electrode 107, whereas in FIG. This is because in the semiconductor device shown, the holes injected from the p-type anode layer 112 into the inversion layer immediately reach the nearest n-type cathode layer 113 and are collected by the emitter electrode 107.

すなわち、温度検出部を構成するpnダイオードの主たる電流経路にn型バルク層101が含まれておらず、n型バルク層101に蓄積されたホールの多寡が、pnダイオードの電圧−電流特性に影響を与えづらくなるように構成されており、主電流の大小が温度検出の精度に及ぼす影響が小さい。 That is, the n-type bulk layer 101 is not included in the main current path of the pn diode that constitutes the temperature detection unit, and the amount of holes accumulated in the n-type bulk layer 101 affects the voltage-current characteristics of the pn diode. It is configured so that it is difficult to give a temperature difference, and the influence of the magnitude of the main current on the accuracy of temperature detection is small.

次に、p型キャリア引き抜き層109、キャリア引き抜き領域116の働きについて説明する。既に述べたように、図1の半導体装置では、n型バルク層101に蓄積されたホールの多寡がpnダイオードの電圧−電流特性に与える影響は本質的に小さいが、全くない訳ではない。なぜならば、第2のゲート電極111はその一部がn型バルク層101に突出しているため、第2のゲート電極111の周囲に形成される反転層(または蓄積層)も、その一部がn型バルク層101中に形成されることとなり、当該部分においては、n型バルク層101に蓄積されたホールの影響を受けるためである。 Next, the functions of the p-type carrier extraction layer 109 and the carrier extraction region 116 will be described. As described above, in the semiconductor device of FIG. 1, the influence of the number of holes accumulated in the n-type bulk layer 101 on the voltage-current characteristics of the pn diode is essentially small, but not completely free. Because part of the second gate electrode 111 protrudes into the n-type bulk layer 101, part of the inversion layer (or storage layer) formed around the second gate electrode 111 also exists. This is because it will be formed in the n-type bulk layer 101, and at that portion, it will be affected by the holes accumulated in the n-type bulk layer 101.

このため、p型のキャリア引き抜き層109を設け、その近辺のn型バルク層101に蓄積されるホールの量を少なく抑制することは、図1の半導体装置においても有効に働く。すなわち、主電流の大小によるn型バルク層101のホールの蓄積量の変化を、特にp型キャリア引き抜き層109の近辺において抑制し、温度検出の精度をさらに改善することができる。以上述べたp型キャリア引き抜き層109の作用から鑑みて、p型キャリア引き抜き層109は、第2のゲート電極111より深く形成されることが望ましい。 Therefore, providing the p-type carrier extraction layer 109 and suppressing the amount of holes accumulated in the n-type bulk layer 101 near the p-type carrier extraction layer 109 works effectively also in the semiconductor device of FIG. That is, a change in the amount of holes accumulated in the n-type bulk layer 101 due to the magnitude of the main current can be suppressed, particularly near the p-type carrier extraction layer 109, and the temperature detection accuracy can be further improved. Considering the action of the p-type carrier extraction layer 109 described above, the p-type carrier extraction layer 109 is preferably formed deeper than the second gate electrode 111.

また、キャリア引き抜き層の形状を調整し、前記の第2ゲート電極111のn型バルク層101に突出する部分を可能な限り小さく形成することも、温度検出の精度向上(主電流による影響の抑制)に有効である。 Further, by adjusting the shape of the carrier extraction layer and forming the portion of the second gate electrode 111 protruding to the n-type bulk layer 101 as small as possible, the accuracy of temperature detection is improved (the influence of the main current is suppressed). ) Is effective.

以上説明したように、本実施例の半導体装置は、アクティブ領域115と、温度検出部117と、アクティブ領域115および温度検出部117の間に形成されたキャリア引き抜き領域116と、を有する半導体装置であって、アクティブ領域115は、第1導電型(例えばn型)の第1半導体層(n型バルク層101)と、第1半導体層(n型バルク層101)の第1表面に形成された第2導電型(例えばp型)の第2半導体層(p型チャネル層102)と、第2半導体層(p型チャネル層102)の表面から第2半導体層(p型チャネル層102)を貫通して第1半導体層(n型バルク層101)まで達する複数の第1のトレンチ103と、第1のトレンチ103の内側に形成された導電体及び導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成される複数の第1のゲート電極104と、第2半導体層(p型チャネル層102)の表面において、第1のゲート電極104と隣接して形成された第1導電型の第3半導体層(n型ソース領域105)と、第1半導体層(n型バルク層101)の第2表面に形成された第2導電型の第4半導体層(p型コレクタ層106)と、第2半導体層(p型チャネル層102)と第3半導体層(n型ソース領域105)の表面に形成されたエミッタ電極107と、第4半導体層(p型コレクタ層106)の表面に形成されたコレクタ電極108と、を備え、キャリア引き抜き領域116は、表面にエミッタ電極107が接触する第2導電型の第5半導体層(p型キャリア引き抜き層109)を備え、温度検出部117は、キャリア引き抜き領域116と隣接して形成された複数の第2のトレンチ110と、第2のトレンチ110の内側に形成された導電体及び導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成される複数の第2のゲート電極111と、複数の第2のゲート電極111に挟まれて形成された第2導電型の第6半導体層(p型アノード層112)と、第5半導体層(p型キャリア引き抜き層109)の表面において第2のゲート電極111と隣接して形成され、表面にエミッタ電極107が接触する第1導電型の第7半導体層(n型カソード層113)と、第6半導体層(p型アノード層112)の表面に形成されたアノード電極114と、を備えている。 As described above, the semiconductor device of this embodiment is a semiconductor device including the active region 115, the temperature detection unit 117, and the carrier extraction region 116 formed between the active region 115 and the temperature detection unit 117. Therefore, the active region 115 is formed on the first semiconductor layer (n-type bulk layer 101) of the first conductivity type (for example, n-type) and the first surface of the first semiconductor layer (n-type bulk layer 101). The second semiconductor layer (p-type channel layer 102) of the second conductivity type (for example, p-type) and the surface of the second semiconductor layer (p-type channel layer 102) penetrate the second semiconductor layer (p-type channel layer 102). And a plurality of first trenches 103 reaching the first semiconductor layer (n-type bulk layer 101) and a conductor formed inside the first trench 103 and an insulating film formed around the conductor. And a plurality of first gate electrodes 104 formed by the above, and a first conductivity type third semiconductor formed adjacent to the first gate electrode 104 on the surfaces of the second semiconductor layer (p-type channel layer 102). Layer (n-type source region 105), second semiconductor layer (p-type collector layer 106) of the second conductivity type formed on the second surface of the first semiconductor layer (n-type bulk layer 101), and second semiconductor Layer (p-type channel layer 102) and the third semiconductor layer (n-type source region 105) formed on the surface of the emitter electrode 107, and the fourth semiconductor layer (p-type collector layer 106) formed on the surface of the collector electrode 108, the carrier extraction region 116 is provided with a fifth conductivity type fifth semiconductor layer (p-type carrier extraction layer 109) on the surface of which the emitter electrode 107 is in contact, and the temperature detection unit 117 is provided with the carrier extraction region 116. A plurality of second trenches 110 formed adjacent to the plurality of second trenches 110, and a plurality of second trenches 110 including a conductor formed inside the second trench 110 and an insulating film formed around the conductor. Gate electrode 111, the second conductive type sixth semiconductor layer (p-type anode layer 112) sandwiched between the plurality of second gate electrodes 111, and the fifth semiconductor layer (p-type carrier extraction layer 109). ), a seventh semiconductor layer (n-type cathode layer 113) of the first conductivity type, which is formed adjacent to the second gate electrode 111 and is in contact with the emitter electrode 107, and a sixth semiconductor layer (p-type). An anode electrode 114 formed on the surface of the anode layer 112).

また、キャリア引き抜き領域116の第5半導体層(p型キャリア引き抜き層109)は、アクティブ領域115と隣接し、第2半導体層(p型チャネル層102)と一部を重複して形成されている。 The fifth semiconductor layer (p-type carrier extraction layer 109) in the carrier extraction region 116 is formed adjacent to the active region 115 and partially overlapping the second semiconductor layer (p-type channel layer 102 ). ..

本実施例によれば、IGBTと同一の半導体基体に温度検出素子を設けた半導体装置において、温度センス電流への主電流の影響を抑制でき、高精度な温度検出が可能であり、なおかつ、IGBTを製造する工程を兼用して温度検出素子を形成することで、低コストで温度検出素子を備えた半導体装置を製造することができる。 According to the present embodiment, in the semiconductor device in which the temperature detecting element is provided on the same semiconductor substrate as the IGBT, the influence of the main current on the temperature sensing current can be suppressed, highly accurate temperature detection can be performed, and the IGBT can be detected. By forming the temperature detecting element also using the step of manufacturing the temperature sensor, it is possible to manufacture a semiconductor device including the temperature detecting element at low cost.

図3を参照して、本発明の実施例2の半導体装置について説明する。図3は本実施例に係る半導体装置の部分断面図である。本実施例の特徴は、アクティブ領域115に形成される第1のゲート電極104の形状にある。第1のゲート電極104を構成する導電体の各々は、第1のトレンチ103の側壁と底部に対向しており、第1のトレンチ103の全域を充填している。つまり、第1のゲート電極104は、第1のトレンチ103の側壁と底部に対向して形成され、第1のトレンチ103の全域を充填しているトレンチゲート型ゲート電極である。 A semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the semiconductor device according to this embodiment. The feature of this embodiment is the shape of the first gate electrode 104 formed in the active region 115. Each of the conductors forming the first gate electrode 104 faces the side wall and the bottom of the first trench 103 and fills the entire area of the first trench 103. That is, the first gate electrode 104 is a trench gate type gate electrode that is formed so as to face the side wall and the bottom of the first trench 103 and fills the entire area of the first trench 103.

すなわち、図3に示す半導体装置のアクティブ領域115は、トレンチゲート型のIGBTを構成している。その他の構成は、実施例1(図1)の半導体装置と同様である。 That is, the active region 115 of the semiconductor device shown in FIG. 3 constitutes a trench gate type IGBT. Other configurations are the same as those of the semiconductor device of the first embodiment (FIG. 1).

実施例1に係る半導体装置の作用効果の説明において示したように、本発明の本質は、p型アノード層112とn型カソード層113が第2のゲート電極111を挟んで対向しており、以て、温度検出に用いるpnダイオードの電流経路が短いことにある。したがって、アクティブ領域115に形成される第1のゲート電極104の形状は本発明の作用効果を左右するものではない。図3に示すようにトレンチゲート型であっても何ら問題はなく、実施例1(図1)に示すサイドゲート型と同様の効果を得ることができる。 As described in the description of the function and effect of the semiconductor device according to the first embodiment, the essence of the present invention is that the p-type anode layer 112 and the n-type cathode layer 113 are opposed to each other with the second gate electrode 111 interposed therebetween. Therefore, the current path of the pn diode used for temperature detection is short. Therefore, the shape of the first gate electrode 104 formed in the active region 115 does not influence the operation and effect of the present invention. As shown in FIG. 3, there is no problem even if it is a trench gate type, and the same effect as that of the side gate type shown in Example 1 (FIG. 1) can be obtained.

図4を参照して、本発明の実施例3の半導体装置について説明する。図4は本実施例に係る半導体装置の部分断面図である。本実施例の特徴は、アクティブ領域115に形成される第1のゲート電極104と、温度検出部117に形成される第2のゲート電極111とが、電気的に接続されていないことにある。その他の構成は、実施例1(図1)の半導体装置と同様である。 A semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the semiconductor device according to this embodiment. The feature of the present embodiment is that the first gate electrode 104 formed in the active region 115 and the second gate electrode 111 formed in the temperature detection unit 117 are not electrically connected. Other configurations are the same as those of the semiconductor device of the first embodiment (FIG. 1).

これまでの説明で明らかなように、本発明において第1のゲート電極104と第2のゲート電極111が電気的に接続され、同時にオン・オフすることは、必ずしも必要ではない。そこで、本実施例のように第1のゲート電極104と第2のゲート電極111とを個別に(互いに独立して)制御できるように構成しておき、第1のゲート電極104をアクティブ領域115を電力変換の用に供するためにオン・オフ制御し、第1のゲート電極104がオン状態にある任意のタイミングで、第2のゲート電極111をオンさせることで温度検出部117にpnダイオードを形成し、半導体装置の温度を取得してもよい。 As is apparent from the above description, in the present invention, it is not always necessary that the first gate electrode 104 and the second gate electrode 111 are electrically connected and turned on and off at the same time. Therefore, as in the present embodiment, the first gate electrode 104 and the second gate electrode 111 are configured so as to be individually (independently) controlled, and the first gate electrode 104 is set to the active region 115. Is turned on and off to be used for power conversion, and the second gate electrode 111 is turned on at an arbitrary timing when the first gate electrode 104 is in an on state, so that a pn diode is attached to the temperature detection unit 117. It may be formed and the temperature of the semiconductor device may be acquired.

本実施例によれば、実施例1の効果に加え、温度検出部117による温度検出のタイミングを任意に設定することができる。 According to the present embodiment, in addition to the effect of the first embodiment, the temperature detection timing by the temperature detection unit 117 can be set arbitrarily.

図5を参照して、本発明の実施例4の半導体装置について説明する。図5は本実施例に係る半導体装置の部分断面図である。本実施例の特徴は、例えば図1に示した本発明の実施例1に係る半導体装置において、p型キャリア引き抜き層109が形成されていた場所に、それに代えて、p型チャネル層102が形成されていることにある。 A semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the semiconductor device according to this embodiment. The feature of this embodiment is that, for example, in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, a p-type channel layer 102 is formed in place of the p-type carrier extraction layer 109. Is being done.

既に述べたように、本発明においてp型キャリア引き抜き層109を設けることは、温度検出の精度を高めるために有効であるが、必須ではない。本発明の本質は、p型アノード層112とn型カソード層113が第2のゲート電極111を挟んで対向しており、以て、温度検出に用いるpnダイオードの電流経路が短いことにあるからである。したがって、本実施例のように、キャリア引き抜き層に代えてp型チャネル層102が形成されていてもよい。 As described above, the provision of the p-type carrier extraction layer 109 in the present invention is effective for increasing the accuracy of temperature detection, but it is not essential. The essence of the present invention is that the p-type anode layer 112 and the n-type cathode layer 113 are opposed to each other with the second gate electrode 111 interposed therebetween, and thus the current path of the pn diode used for temperature detection is short. Is. Therefore, as in this embodiment, the p-type channel layer 102 may be formed instead of the carrier extraction layer.

つまり、本実施例では、キャリア引き抜き領域116の第5半導体層は、第2半導体層(p型チャネル層102)と同一の工程で形成され、同一の不純物濃度である。 That is, in this embodiment, the fifth semiconductor layer of the carrier extraction region 116 is formed in the same step as the second semiconductor layer (p-type channel layer 102) and has the same impurity concentration.

なお、p型チャネル層102はp型キャリア引き抜き層109と同じくp型の半導体層であるから、その効果は限定されるものの、p型キャリア引き抜き層109と同様の効果を発揮することができる。その限定された効果で十分であれば、本実施例のように構成した場合、p型キャリア引き抜き層109を導入せずに済む分、半導体装置の構成が簡単となり、低コストとすることができる。 Since the p-type channel layer 102 is a p-type semiconductor layer like the p-type carrier extraction layer 109, its effect is limited, but the same effect as the p-type carrier extraction layer 109 can be exhibited. If the limited effect is sufficient, in the case of the configuration according to the present embodiment, it is not necessary to introduce the p-type carrier extraction layer 109, so that the configuration of the semiconductor device is simple and the cost can be reduced. ..

図6を参照して、本発明の実施例5の電力変換装置について説明する。図6は本実施例に係る電力変換装置の回路図である。本実施例で示す電力変換装置は、温度検出部を有する複数の半導体装置601と、複数の還流ダイオード602と、電圧源603からなり、誘導性負荷(モータ)604に接続されている。 A power converter according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a circuit diagram of the power conversion device according to this embodiment. The power conversion device shown in this embodiment includes a plurality of semiconductor devices 601 each having a temperature detection unit, a plurality of freewheeling diodes 602, and a voltage source 603, and is connected to an inductive load (motor) 604.

半導体装置601と還流ダイオード602は逆並列に接続され、一つのアームを形成している。そして、二つのアームが直列に接続され、一つの相を形成している。本実施例で示す電力変換装置は、三つの相からなる。電圧源603は、各相と並列に接続され、電力の供給源となる。誘導性負荷604は、各相を形成する二つのアーム間に接続されている。 The semiconductor device 601 and the free wheeling diode 602 are connected in anti-parallel and form one arm. And two arms are connected in series and form one phase. The power converter shown in this embodiment has three phases. The voltage source 603 is connected in parallel with each phase and serves as a power supply source. The inductive load 604 is connected between the two arms forming each phase.

つまり、本実施例の電力変換装置は、複数のスイッチング素子(半導体装置601)と、複数の還流ダイオード602と、電圧源603と、を備え、スイッチング素子(半導体装置601)と還流ダイオード602とが逆並列に接続されて1個のアームを構成し、そのアームが2個直列に接続されて相を構成し、3個の相がそれぞれ電圧源603と並列に接続され、3個の相の各々の2個のアーム間に、誘導性負荷(モータ)604が接続される電力変換装置であって、複数のスイッチング素子(半導体装置601)の各々に、本発明の半導体装置を適用する。 That is, the power converter of the present embodiment includes a plurality of switching elements (semiconductor device 601), a plurality of freewheeling diodes 602, and a voltage source 603, and the switching elements (semiconductor device 601) and freewheeling diode 602 are combined. They are connected in anti-parallel to form one arm, two of the arms are connected in series to form a phase, and the three phases are connected in parallel with the voltage source 603, and each of the three phases is connected. The semiconductor device of the present invention is applied to each of a plurality of switching elements (semiconductor device 601), which is a power conversion device in which an inductive load (motor) 604 is connected between the two arms.

これにより、高精度かつ低コストに半導体装置の温度検出が可能となる電力変換装置が提供できる。 Accordingly, it is possible to provide a power conversion device that can detect the temperature of the semiconductor device with high accuracy and low cost.

図7を参照して、本発明の実施例6の半導体装置について説明する。図7は本実施例に係る半導体装置の部分断面図である。本実施例では、半導体装置の構造は実施例1に係る半導体装置と同一である。既に述べたように、本発明が提供する半導体装置を用いて温度を検出する場合、例えばアノード電極114に、アノード電極114に電流を流し込む向きの電流源を接続した状態で、エミッタ電極107の電位を基準とし、アノード電極114の電位を測定する、などの方法がとられると述べた。 A semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a partial sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. In this embodiment, the structure of the semiconductor device is the same as that of the semiconductor device according to the first embodiment. As described above, when the temperature is detected using the semiconductor device provided by the present invention, for example, the potential of the emitter electrode 107 is changed in the state where the current source for flowing the current into the anode electrode 114 is connected to the anode electrode 114. It is described that a method such as measuring the potential of the anode electrode 114 with reference to

しかしながら、温度検出の方法は上記の方法に限定されるものではなく、例えば図7に示すような方法であってもよい。図7に示す実施例では、アノード電極114に抵抗701と、電圧源702とが直列に接続されている。 However, the method of temperature detection is not limited to the above method, and may be the method shown in FIG. 7, for example. In the embodiment shown in FIG. 7, a resistor 701 and a voltage source 702 are connected in series to the anode electrode 114.

ここで、抵抗701の抵抗値を、温度検出に用いるpnダイオードの抵抗値と比較して十分に大きい値として選択しておく。この状態で、エミッタ電極107の電位を基準とし、アノード電極114の電位を測定する。温度検出に用いるpnダイオードの抵抗値は、半導体装置の温度により様々に変化し得るが、抵抗701の抵抗値がそれと比較して十分に大きければ、電圧源702からpnダイオードに供される電流の大きさは、主として抵抗701により制限され、ほぼ一定値とみなせる。 Here, the resistance value of the resistor 701 is selected as a sufficiently large value as compared with the resistance value of the pn diode used for temperature detection. In this state, the potential of the anode electrode 114 is measured with the potential of the emitter electrode 107 as a reference. The resistance value of the pn diode used for temperature detection may change variously depending on the temperature of the semiconductor device. However, if the resistance value of the resistor 701 is sufficiently larger than that, the current supplied from the voltage source 702 to the pn diode may be changed. The size is mainly limited by the resistance 701 and can be regarded as a substantially constant value.

すなわち、本実施例に示す方法で、アノード電極114に電流源を接続した場合と等価な状態とすることができる。一般的に、電流源と比較して電圧源の方が容易に、かつ低コストに用意することができるため、本実施例で示す温度検出の方法は簡便であり、有用である。 That is, with the method shown in this embodiment, a state equivalent to the case where a current source is connected to the anode electrode 114 can be obtained. In general, a voltage source can be prepared more easily and at a lower cost than a current source, and thus the temperature detection method shown in this embodiment is simple and useful.

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment. Further, with respect to a part of the configuration of each embodiment, other configurations can be added/deleted/replaced.

101…n型バルク層
102…p型チャネル層
103…(第1の)トレンチ
104…(第1の)ゲート電極
105…n型ソース領域
106…p型コレクタ層
107…エミッタ電極
108…コレクタ電極
109…p型キャリア引き抜き層
110…(第2の)トレンチ
111…(第2の)ゲート電極
112…p型アノード層
113…n型カソード層
114…アノード電極
115…アクティブ領域
116…キャリア引き抜き領域
117…温度検出部
601…(温度検出部を有する)半導体装置
602…還流ダイオード
603…電圧源
604…誘導性負荷(モータ)
701…抵抗
702…電圧源
101... N-type bulk layer 102... P-type channel layer 103... (First) trench 104... (First) gate electrode 105... N-type source region 106... P-type collector layer 107... Emitter electrode 108... Collector electrode 109 ... p-type carrier extraction layer 110 ... (second) trench 111 ... (second) gate electrode 112 ... p-type anode layer 113 ... n-type cathode layer 114 ... anode electrode 115 ... active region 116 ... carrier extraction region 117 ... Temperature detection unit 601... (Semiconductor device having temperature detection unit) 602... Reflux diode 603... Voltage source 604... Inductive load (motor)
701... Resistor 702... Voltage source

Claims (10)

アクティブ領域と、温度検出部と、前記アクティブ領域および前記温度検出部の間に形成されたキャリア引き抜き領域と、を有する半導体装置であって、
前記アクティブ領域は、第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の第1表面に形成された第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の表面から前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層まで達する複数の第1のトレンチと、
前記第1のトレンチの内側に形成された導電体及び前記導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成される複数の第1のゲート電極と、
前記第2半導体層の表面において、前記第1のゲート電極と隣接して形成された第1導電型の第3半導体層と、
前記第1半導体層の第2表面に形成された第2導電型の第4半導体層と、
前記第2半導体層と前記第3半導体層の表面に形成されたエミッタ電極と、
前記第4半導体層の表面に形成されたコレクタ電極と、を備え、
前記キャリア引き抜き領域は、表面に前記エミッタ電極が接触する第2導電型の第5半導体層を備え、
前記温度検出部は、前記キャリア引き抜き領域と隣接して形成された複数の第2のトレンチと、
前記第2のトレンチの内側に形成された導電体及び前記導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成される複数の第2のゲート電極と、
前記複数の第2のゲート電極に挟まれて形成された第2導電型の第6半導体層と、
前記第5半導体層の表面において、前記第2のゲート電極と隣接して形成され、表面に前記エミッタ電極が接触する第1導電型の第7半導体層と、
前記第6半導体層の表面に形成されたアノード電極と、を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having an active region, a temperature detection unit, and a carrier extraction region formed between the active region and the temperature detection unit,
The active region includes a first conductive type first semiconductor layer,
A second semiconductor layer of the second conductivity type formed on the first surface of the first semiconductor layer;
A plurality of first trenches that extend from the surface of the second semiconductor layer to the first semiconductor layer through the second semiconductor layer;
A plurality of first gate electrodes each including a conductor formed inside the first trench and an insulating film formed around the conductor;
A third semiconductor layer of a first conductivity type formed adjacent to the first gate electrode on a surface of the second semiconductor layer;
A second semiconductor layer of the second conductivity type formed on the second surface of the first semiconductor layer;
An emitter electrode formed on the surfaces of the second semiconductor layer and the third semiconductor layer,
A collector electrode formed on the surface of the fourth semiconductor layer,
The carrier extraction region includes a fifth semiconductor layer of the second conductivity type, the surface of which is in contact with the emitter electrode.
The temperature detection unit includes a plurality of second trenches formed adjacent to the carrier extraction region,
A plurality of second gate electrodes configured to include a conductor formed inside the second trench and an insulating film formed around the conductor;
A second conductive type sixth semiconductor layer sandwiched between the plurality of second gate electrodes;
A seventh semiconductor layer of a first conductivity type formed adjacent to the second gate electrode on the surface of the fifth semiconductor layer, and in contact with the emitter electrode on the surface;
A semiconductor device, comprising: an anode electrode formed on the surface of the sixth semiconductor layer.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記キャリア引き抜き領域の前記第5半導体層は、前記アクティブ領域と隣接し、前記第2半導体層と一部を重複して形成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
The semiconductor device, wherein the fifth semiconductor layer in the carrier extraction region is adjacent to the active region and partially overlaps with the second semiconductor layer.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記キャリア引き抜き領域の前記第5半導体層は、前記第2半導体層と同一工程で形成され、同一不純物濃度であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
The fifth semiconductor layer in the carrier extraction region is formed in the same process as the second semiconductor layer and has the same impurity concentration.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極が互いに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
A semiconductor device, wherein the first gate electrode and the second gate electrode are electrically connected to each other.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極が互いに独立して制御可能に構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
A semiconductor device, wherein the first gate electrode and the second gate electrode are controllable independently of each other.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第1のゲート電極は、前記第1のトレンチの側壁と底部角に対向して形成された導電体および前記導電体の周囲に形成された絶縁膜を含んで構成されるサイドゲート型ゲート電極であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
The first gate electrode is a side gate type gate electrode configured to include a conductor formed to face a sidewall of the first trench and a bottom corner, and an insulating film formed around the conductor. Is a semiconductor device.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第1のゲート電極は、前記第1のトレンチの側壁と底部に対向して形成され、前記第1のトレンチの全域を充填しているトレンチゲート型ゲート電極であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
The semiconductor device, wherein the first gate electrode is a trench gate type gate electrode that is formed so as to face a sidewall and a bottom of the first trench and fills the entire area of the first trench. ..
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記アノード電極に、当該アノード電極に電流を流し込む向きの電流源を接続した状態で、前記エミッタ電極の電位を基準として前記アノード電極の電位を測定することで、前記半導体装置の温度を検出することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
Detecting the temperature of the semiconductor device by measuring the potential of the anode electrode with the potential of the emitter electrode as a reference in a state where a current source that directs a current to the anode electrode is connected to the anode electrode. A semiconductor device characterized by.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記アノード電極に、前記温度検出部に形成されるpnダイオードの抵抗値よりも大きな抵抗値を有する抵抗を介して電圧源を直列に接続した状態で、前記エミッタ電極の電位を基準として前記アノード電極の電位を測定することで、前記半導体装置の温度を検出することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
A voltage source is connected in series to the anode electrode through a resistor having a resistance value larger than that of a pn diode formed in the temperature detection unit, and the anode electrode is based on the potential of the emitter electrode. A semiconductor device, wherein the temperature of the semiconductor device is detected by measuring the potential of the semiconductor device.
複数のスイッチング素子と、
複数の還流ダイオードと、
電圧源と、を備え、
前記スイッチング素子と前記還流ダイオードとが逆並列に接続されて1個のアームを構成し、
前記アームが2個直列に接続されて相を構成し、
3個の前記相がそれぞれ前記電圧源と並列に接続され、
前記3個の相の各々の前記2個のアーム間に、誘導性負荷が接続される電力変換装置であって、
前記複数のスイッチング素子の各々に、請求項1から9のいずれか1項に記載の半導体装置を用いることを特徴とする電力変換装置。
Multiple switching elements,
A plurality of freewheeling diodes,
And a voltage source,
The switching element and the free wheeling diode are connected in anti-parallel to form one arm,
The two arms are connected in series to form a phase,
Three said phases each connected in parallel with said voltage source,
A power converter in which an inductive load is connected between the two arms of each of the three phases,
A power converter comprising the semiconductor device according to any one of claims 1 to 9 for each of the plurality of switching elements.
JP2018215271A 2018-11-16 2018-11-16 Semiconductor devices and power conversion devices using them Active JP7033049B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018215271A JP7033049B2 (en) 2018-11-16 2018-11-16 Semiconductor devices and power conversion devices using them

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018215271A JP7033049B2 (en) 2018-11-16 2018-11-16 Semiconductor devices and power conversion devices using them

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020087990A true JP2020087990A (en) 2020-06-04
JP7033049B2 JP7033049B2 (en) 2022-03-09

Family

ID=70908779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018215271A Active JP7033049B2 (en) 2018-11-16 2018-11-16 Semiconductor devices and power conversion devices using them

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7033049B2 (en)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63129671A (en) * 1986-11-12 1988-06-02 シリコニックス・インコーポレイテッド Vertical dmos cell construction
JPH0936356A (en) * 1995-07-18 1997-02-07 Fuji Electric Co Ltd Application of bipolar semiconductor element comprising temperature detector
JPH1041510A (en) * 1996-05-22 1998-02-13 Fuji Electric Co Ltd Temperature detecting part built-in bipolar semiconductor element and its manufacturing method
JP2003204028A (en) * 2002-01-09 2003-07-18 Toyota Motor Corp Semiconductor module
JP2009188335A (en) * 2008-02-08 2009-08-20 Fuji Electric Device Technology Co Ltd Semiconductor device
JP2011055017A (en) * 2010-12-17 2011-03-17 Toshiba Corp Semiconductor device
JP2013073969A (en) * 2011-09-26 2013-04-22 Toyota Motor Corp Semiconductor device
JP2013211374A (en) * 2012-03-30 2013-10-10 Renesas Electronics Corp Semiconductor device and manufacturing method of the same
WO2014061619A1 (en) * 2012-10-17 2014-04-24 富士電機株式会社 Semiconductor device
JP2014216465A (en) * 2013-04-25 2014-11-17 トヨタ自動車株式会社 Semiconductor device
JP2017005153A (en) * 2015-06-11 2017-01-05 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63129671A (en) * 1986-11-12 1988-06-02 シリコニックス・インコーポレイテッド Vertical dmos cell construction
JPH0936356A (en) * 1995-07-18 1997-02-07 Fuji Electric Co Ltd Application of bipolar semiconductor element comprising temperature detector
JPH1041510A (en) * 1996-05-22 1998-02-13 Fuji Electric Co Ltd Temperature detecting part built-in bipolar semiconductor element and its manufacturing method
JP2003204028A (en) * 2002-01-09 2003-07-18 Toyota Motor Corp Semiconductor module
JP2009188335A (en) * 2008-02-08 2009-08-20 Fuji Electric Device Technology Co Ltd Semiconductor device
JP2011055017A (en) * 2010-12-17 2011-03-17 Toshiba Corp Semiconductor device
JP2013073969A (en) * 2011-09-26 2013-04-22 Toyota Motor Corp Semiconductor device
JP2013211374A (en) * 2012-03-30 2013-10-10 Renesas Electronics Corp Semiconductor device and manufacturing method of the same
WO2014061619A1 (en) * 2012-10-17 2014-04-24 富士電機株式会社 Semiconductor device
JP2014216465A (en) * 2013-04-25 2014-11-17 トヨタ自動車株式会社 Semiconductor device
JP2017005153A (en) * 2015-06-11 2017-01-05 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP7033049B2 (en) 2022-03-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10153275B2 (en) Method of operating an IGBT having switchable and non-switchable diode cells
US9184268B2 (en) Semiconductor device
US12021118B2 (en) Semiconductor device
JP5447504B2 (en) Semiconductor device
US9508710B2 (en) Semiconductor device
US20150263144A1 (en) Semiconductor device and insulated gate bipolar transistor
JP2019161168A (en) Semiconductor device
US20130248882A1 (en) Semiconductor device
JP2012253391A (en) Semiconductor device
JP2014216465A (en) Semiconductor device
JP6632910B2 (en) Power semiconductor element and power semiconductor module using the same
JP6271813B2 (en) Power semiconductor element and power semiconductor module using the same
JP2009188178A (en) Semiconductor device
US20150041965A1 (en) Power Semiconductor Device and Method
US9455253B2 (en) Bidirectional switch
CN111766490A (en) Method for screening silicon carbide semiconductor device
JP2013201357A (en) Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2004088001A (en) Trench gate semiconductor device
JP5747581B2 (en) Semiconductor device
US10326010B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the semiconductor device
JP2018006360A (en) Semiconductor device
JP7033049B2 (en) Semiconductor devices and power conversion devices using them
US12021139B2 (en) Semiconductor arrangement with an integrated temperature sensor
JP2008218651A (en) Semiconductor device
US11374091B2 (en) Semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210318

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220131

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220208

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220225

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7033049

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350