JP3198820B2 - 温度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は集積回路等の半導体装置
のチップの温度を使用状態において検出するための温度
検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】種々の電子装置では過熱保護等の目的の
ためそれに用いる半導体装置，とくに電力用半導体素子
の温度を検出する必要が生じる場合があり、この半導体
素子をチップの状態で配線基板に実装して電子回路モジ
ュールを構成する場合は周知のようにサーミスタ等の温
度センサを配線基板に取り付けるのが従来からの通例で
ある。しかし、最近では電力用半導体素子のチップにそ
の制御回路や保護回路を作り込んで１チップのモジュー
ルにまとめてしまうケースが増加して来ており、この場
合には温度センサをそのチップに組み込む必要がある。

【０００３】かかるチップ組み込み用の小形の温度セン
サとしては、従来からダイオードを用いてそのpn接合の
順方向電圧がもつ固有の負の温度係数を利用して温度を
検出するのがふつうであり、とくにこの温度センサ用の
ダイオードをチップ面を覆うフィールド酸化膜や層間絶
縁膜の上側の空いたスペースを有効利用しかつＭＯＳゲ
ート用の多結晶シリコンを利用して作り込むのが有利な
ことが知られている。なお、温度センサがサーミスタの
場合はその検出信号値を，ダイオードの場合はその順方
向電圧値をそれぞれ例えばコンパレータにより所定の基
準電圧値と比較した出力信号に基づいて半導体装置に保
護を施すようにする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来の
センサを用いる温度検出では検出値がばらつきやすく，
温度の急変時に検出遅れが出たりする検出精度の点でま
だ問題が多い。すなわち、前述のサーミスタをモジュー
ルに組み込む場合は、検出対象である半導体装置のチッ
プとセンサとの間に配線基板や接着樹脂層が介在し、そ
れらの熱抵抗を一定に管理するのが困難なため検出値に
ばらつきが出やすい。例えば、センサを配線基板に接着
する際の樹脂量のばらつきにより発生する誤差だけでも
数℃になり得る。また、介在物の熱抵抗に応じてチップ
からセンサへの熱伝達に時間が掛かるので数秒程度の検
出遅れが出るのがふつうである。

【０００５】ダイオードの温度センサをチップに作り込
む場合は発熱個所とセンサの距離が短縮されるので検出
値のばらつきはずっと少なくなるが、チップの半導体部
分とセンサの間に熱伝導度があまり高くない絶縁膜が介
在するので両者間の熱伝達に最低数十mSの時間を要す
る。この程度の検出遅れは従来から許容されて来たが、
最近では電力用半導体素子の動作周波数の向上に伴って
とくにターンオフ損失に起因する局部的な異常発熱に対
する保護が求められており、これに対処するには時間遅
れを１桁程度短縮することが必要になって来る。

【０００６】なお、このセンサ用ダイオードに多結晶シ
リコンを利用するのは前述のようにチップ上の空いたス
ペースを活用できる利点がある反面、ｐ形やｎ形の不純
物の導入工程を追加する必要があるのでそれだけ手間や
コストが掛かる問題がある。また、pn接合の順方向電圧
の温度依存性が２〜３mV／℃と小さいので回路動作に僅
かな狂いがあっても無視できない検出誤差が発生する。
さらに、サーミスタやダイオードのセンサではその検出
信号値を必ず基準電圧値と比較する必要があるので、温
度検出結果が基準電圧の変動や温度依存性，コンパレー
タのオフセット誤差等に影響されて一層ばらつきやすく
なる問題がある。

【０００７】本発明の目的はこのような問題を解決し
て、従来より検出精度が高くかつ検出遅れが少ない温度
検出装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による温度検出装
置では、定電流手段とインピーダンス手段を含む直列回
路を１対設けて電源電位点と基準電位点の相互間に両手
段の順序を互いに逆にして接続し、各直列回路の両手段
の相互接続点の電位を比較手段の一方の入力と他方の入
力に対しそれぞれ与え、定電流手段とインピーダンス手
段の少なくとも一方を半導体装置のチップ内の温度を検
出すべき個所に作り込んで、比較手段の出力を半導体装
置の使用状態における温度の検出信号として取り出すこ
とにより上述の目的を達成する。

【０００９】上記の構成にいう定電流手段は温度依存性
のない定電流の発生回路とするのが望ましいが、ディプ
リーション形ＭＩＳトランジスタとしてその飽和電流領
域で定電流を発生させるのが最も簡単である。インピー
ダンス手段には半導体装置に作り込んだ拡散抵抗や多結
晶シリコン抵抗を用いるのがよい。上述の比較手段とし
ては、コンパレータを用いてその両入力に受ける電位値
の大小を比較した出力信号をディジタルな温度検出信号
として取り出すようにし、あるいは差動増幅回路を用い
てその両入力に受ける電位値の差を増幅した出力をアナ
ログな温度検出信号として取り出すようにすることでよ
い。

【００１０】本発明装置は集積回路内にその電力用半導
体素子の保護用に組み込むに適し、このためにはインピ
ーダンス手段としての拡散抵抗や定電流手段としての前
述のディプリーション形のＭＩＳトランジスタを集積回
路のチップ内の電力用半導体素子の極力近傍に作り込む
のがよい。しかし、電力用半導体素子が縦形のＭＩＳト
ランジスタ，絶縁ゲートバイポーラトランジスタ，ある
いはゲートターンオフサイリスタである場合はこの作り
込みによってラッチアップが発生しやすくなるので、か
かる縦形構造素子に掛かる電源側電圧を本発明装置の１
対の直列回路に対する基準電位点に賦与するのがラッチ
アップ防止に有利である。

【００１１】本発明装置では温度検出の感度を極力高め
る上で定電流手段とインピーダンス手段に正負が同じ温
度依存性をもたせるのが有利であるが、正負が異なる場
合は両手段の一方だけを温度を検出すべき個所に作り込
むのがよい。例えば、定電流手段として前述のディプリ
ーション形ＭＩＳトランジスタを用いる場合、それによ
る定電流は負の温度依存性をもっているのでこれを温度
検出個所に作り込み、インピーダンス手段として多結晶
シリコンの抵抗をチップ表面を覆うフィールド酸化膜や
層間絶縁膜の上側に配設することができる。

【００１２】

【作用】本発明の温度検出装置では、半導体装置のチッ
プ内の温度を検出すべき個所に定電流手段とインピーダ
ンス手段の内の少なくとも一方を温度センサとして作り
込んで発熱個所と検出個所の間の熱抵抗を安定化させ、
両手段を含む１対の直列回路から電源電位の変動等に影
響されないように定電流手段により安定化させた電位を
それぞれ導出して比較手段に与え，これによる１対の電
位の相対的な比較結果を温度検出信号とすることにより
検出値のばらつきを減少させるとともに、温度センサと
しての各１対の定電流手段およびインピーダンス手段の
少なくとも一方を半導体装置のチップ内の発熱個所の近
傍の温度検出個所に作り込むことにより温度検出上の遅
れ時間を短縮する。

【００１３】なお、上述のように１対の直列回路からそ
れぞれ導出した電位の相対的な比較から温度を検出する
には、前項の構成にいうように両直列回路内の定電流手
段とインピーダンス手段の接続を逆の順序にしてそれら
から導出される１対の電位を温度に対し互いに差動的に
変化させる必要があるが、この両電位の差動性により本
発明では各電位の温度依存性を仮に従来と同じ程度とし
ても温度検出の感度を２倍に高めることができる。

【００１４】

【実施例】以下、図を参照して本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明による温度検出装置の実施例回路図と
それに関連する温度特性線図を示し、図２は本発明装置
の集積回路装置への組み込み例を示すそのチップの要部
断面図である。図１(a) に示すように、本発明では電源
電位点Vsと基準電位点Veの間に定電流手段11とインピー
ダンス手段12の直列回路10と, 定電流手段21とインピー
ダンス手段22をそれとは逆の順序で接続した直列回路20
とを並列に接続し、両回路10と20内の定電流手段11, 21
とインピーダンス手段12, 22の相互接続点からそれぞれ
電位V1とV2を導出する。もちろん、両定電流手段11と21
に同じ電流I1とI2を発生させ、かつ両インピーダンス手
段12と22に同じインピーダンス値をもたせるのが望まし
く、各１対の定電流手段11, 21とインピーダンス手段1
2, 22の少なくとも一方を例えば集積回路である半導体
装置のチップ内の発熱部分にできるだけ近接した温度検
出個所に作り込むようにする。

【００１５】定電流手段11や21には温度依存性がない定
電流I1やI2を発生する定電流回路を用いるのが最も望ま
しく、もちろんこの場合はインピーダンス12や22を温度
検出個所に作り込むようにする。しかし、定電流手段11
や21にディプリーション形のＭＩＳトランジスタを用い
てその飽和電流領域内で電源電位Vsの変動に影響されな
い定電流I1やI2を発生させるのが最も簡単であり、この
場合の定電流I1やI2は負の温度依存性をもつので定電流
手段11, 21およびインピーダンス12, 22の双方または一
方を温度検出個所に作り込むようにする。インピーダン
ス手段12や22は温度センサとする場合は拡散抵抗の形で
半導体装置のチップ内の温度検出個所に作り込むのがよ
く、温度センサとしない場合は例えば多結晶シリコン抵
抗の形でチップ面を覆う絶縁膜の上側に配設するのがよ
い。

【００１６】さらに、本発明では両直列回路10と20から
上述のように導出した電位V1とV2を比較手段30の一方お
よび他方の入力にそれぞれ図のように与えてその出力を
温度検出信号Sdとして取り出す。この比較手段30として
はコンパレータを用いるのがふつうであるが、この図１
(a) の例では差動増幅用の演算増幅器をこれに用いて電
位V1とV2の電位値の差を入力抵抗31と帰還抵抗32の抵抗
値比により設定された所定増幅率で増幅した上で温度検
出信号Sdをアナログ信号の形で取り出すようになってい
る。比較手段30がコンパレータである場合は温度検出信
号Sdはもちろんディジタル信号である。

【００１７】図１(b) に定電流手段11と21により温度依
存性のない同じ定電流I1とI2を発生させ, かつインピー
ダンス手段21や22として不純物濃度が高く抵抗値が正の
温度依存性をもつ同じ拡散抵抗の温度センサを用いた場
合について、直列回路10と20から取り出される電位V1と
V2が温度により変化する様子を示す。図の上側が直列回
路10の方で, 下側が直列回路20の方であり、いずれも横
軸が電圧Ｖで, 縦軸が電流Ｉである。また、検出すべき
温度が変化する範囲To〜Tmが電位V1とV2の温度特性上の
パラメータの形で示されている。

【００１８】直列回路10の方では、定電流手段10の発生
電流Ｉはそれに掛かる電圧Ｖがごく低い範囲を除いて定
電流I1であり、基準温度Toではこれを受けるインピーダ
ンス手段12にその抵抗値と定電流I1の積である電圧降下
v1が発生する。このとき直列回路10から導出される電位
V1は電源電位Vsよりこのv1だけ低く、これは図でToで示
すいわゆる負荷線と定電流I1の横線との交点で決まる。
温度が基準温度Toから最大温度Tmの方に上がるに従いこ
の実施例ではインピーダンス手段12の抵抗値が増加する
から負荷線は左の方に倒れて行き、検出温度Tdではこれ
と定電流I1との交点に対応する図示の電位V1が直列回路
10から導出される。

【００１９】図１(b) の下側に示す直列回路20の方で
も、同様に基準温度Toではそのときのインピーダンス手
段22の抵抗値と定電流I2による電圧降下v2だけ基準電位
Veより高い電位が導出されるが、インピーダンス手段22
の温度が上がってその抵抗値が増加するに従ってこんど
は基準電位Veを中心として負荷線が図の右の方に向けて
倒れて行き、検出温度Tdではそのときの負荷線と定電流
I2の交点に対応する図の電位V2がこの直列回路20から導
出される。

【００２０】従って、この検出温度Tdでは比較手段30と
しての演算増幅器はかかる電位V1とV2の差を増幅して温
度検出信号Sdとして出力する。温度がこれより上がるに
つれ電位V1が減少し電位V2が増加して、図示の温度Tcで
は両電位V1およびV2が互いに等しい電位Vcとなり、比較
手段30がコンパレータの場合はその出力の論理状態がこ
の温度Tcで変化することになる。このように本発明の温
度検出装置では、比較手段30が演算増幅器の場合もコン
パレータの場合も電位V1とV2を相対的に比較しないし差
を検出すればよく、従来のように別の基準電位等と比較
する必要がないから温度の検出値や検出結果が電源電圧
の変動等により影響されることが少なくなり、そのばら
つきを従来よりも減少させることができる。

【００２１】また、前述のダイオードのpn接合を利用し
た従来の温度センサではその順方向電圧の温度依存性は
２〜３mV／℃でその 0.5〜0.6Vの電圧値に対する温度係
数は３〜６ｘ10^-4／℃であるに対して、本発明で用いる
定電流手段やインピーダンス手段には数〜10ｘ10^-3／℃
の温度係数を容易にもたせることができ、かつ温度に対
し前述のように互いに差動的に変化する電位V1とV2から
比較手段30により温度検出信号Sdを取り出すので、本発
明により温度検出感度を従来のダイオード温度センサよ
りも１桁程度以上高めることができる。

【００２２】図２に本発明装置を構成するインピーダン
ス手段12と22として拡散抵抗を温度検出用に集積回路装
置70のチップ内の発熱源である電力用半導体素子60の近
傍に作り込んだ実施例を示す。電力用半導体素子60は図
示の例では縦形の絶縁ゲートバイポーラトランジスタで
あり、それ用のチップないしウエハ40はｐ形の半導体基
板41の表面にｎ形のバッファ層42を拡散し, かつｎ形の
エピタキシャル層43を所定の厚みに成長させてなる。

【００２３】図の右側部分が電力用半導体素子60を構成
する単位構造Ｕの１個分であって、エピタキシャル層43
の表面上にゲート酸化膜61を介して絶縁ゲート62を配設
し,エピタキシャル層43の表面にｐ形のエミッタ層63と
ｐ形のチャネル層64とｎ形のソース層65を拡散し, 絶縁
ゲート62を絶縁膜44で覆い, かつその上に電極膜45を配
設してなる。エミッタ層63およびソース層65に接続する
電極膜45からエミッタ端子Ｅが, ウエハ40の裏面の電極
膜45からコレクタ端子Ｃが, 絶縁ゲート62からゲート端
子Ｇがそれぞれ導出される。

【００２４】図２の左側部分にインピーダンス手段12お
よび22として拡散抵抗を作り込んだ状態を示す。まず、
２個の拡散抵抗用にｐ形の共通層50をエピタキシャル層
43の表面部に例えば電力用半導体装置60側の前述のチャ
ネル層64との同時拡散で作り込んだ上で、ｎ形の抵抗層
51と52をソース層65との同時拡散で作り込む。これら共
通層50と抵抗層51，52用の不純物はそれぞれフォトレジ
スト膜をマスクとするイオン注入法で導入することでよ
く、この際に抵抗層51や52に対し図でL1とL2で示すよう
に細長いまたは折り畳んだ拡散パターンを指定する。図
示の都合上から図ではパターンL1とL2の端部のみが示さ
れており、実際にはこれらのパターンの長手方向は電力
用半導体素子60の単位構造Ｕが並ぶ方向と直角な図の前
後方向とするのがよい。図２にはこれら抵抗層51と52の
端部と絶縁膜44の窓内で接続する電極膜45に図１(a) の
回路に対応する電位Vs,Ve,V1,V2 が示されている。

【００２５】しかし、共通層50との間にpn接合をもつ抵
抗層51や52を電力用半導体素子60の近傍に作り込むと周
知のようにラッチアップが発生しやすくなる。これを避
けるには図１(a) の直列回路10と20の各部の電位を電力
用半導体素子60より高いめにするのがよく、このために
図２の例では電力用半導体素子60の正の電源側電圧を受
けるエミッタ端子Ｅ用の電極膜45を拡散抵抗22の方に延
長して基準電位点Veであるその抵抗層52の図の右端部と
接続する。さらに、図の例ではこの電極膜45により抵抗
層52のこの右端部と共通層50を表面で短絡しておくこと
により、電力用半導体素子60のターンオフ動作中にエピ
タキシャル層43からホールを図ではｈで示すように共通
層50を介してエミッタ端子Ｅ側に直接引き抜いてラッチ
アップの危険をさらに減少させるようになっている。

【００２６】なお、以上説明した図２の例では温度セン
サ用にインピーダンス手段12と22を作り込むようにした
が、定電流手段11と21の方を温度センサとしてもよい。
この場合はそれ用にディプリーション形ＭＩＳトランジ
スタを作り込み、それによる定電流I1やI2がもつかなり
大きな負の温度係数を温度検出に利用するのがよい。こ
のディプリーション形ＭＩＳトランジスタはそのゲート
をソース側に接続してもちろん飽和電流領域で用いるよ
うにする。これと組み合わせるインピーダンス手段12や
22には例えば多結晶シリコン抵抗を用いて集積回路装置
70のチップ面を覆うフィールド酸化膜等の上側に適宜配
設することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上のとおり本発明による温度検出装置
では、半導体装置の使用状態における温度を検出するた
めに、定電流手段およびインピーダンス手段を含む直列
回路を１対設けて, 電源電位点と基準電位点の相互間に
両手段の順序を互いに逆にして接続し、各直列回路内の
両手段の相互接続点の電位を導出して比較手段の一方と
他方の入力にそれぞれ与え、かつ定電流手段とインピー
ダンス手段の少なくとも一方を半導体装置のチップ内の
発熱部の近傍の温度検出個所に作り込んで、比較手段の
出力を半導体装置の温度の検出信号として取り出すこと
により次の効果を奏することができる。

【００２８】(a) 温度センサとして定電流手段やインピ
ーダンス手段を半導体装置の内部に作り込んでそのチッ
プ内の発熱個所と検出個所の間の熱抵抗をまず安定化さ
せ、各直列回路から定電流手段によって電源電位の変動
等に影響されないよう安定化させた電位をそれぞれ導出
して比較手段に与え、かつ従来のように比較用の基準電
圧を用いることなく１対の電位を比較手段により単に相
対的に比較した結果を温度検出信号として取り出すこと
により、温度検出値のばらつきを従来の10分の１以下に
減少させることができる。

【００２９】(b) 温度センサとして各１対の定電流手段
ないしインピーダンス手段を半導体装置のチップの半導
体内の発熱個所にできるだけ近接した個所に作り込むこ
とにより温度検出の遅れ時間を従来よりかなりも短縮で
きるので、本発明の温度検出装置を電力用半導体素子と
ともに半導体装置に組み込むことにより、その高周波動
作中のターンオフ損失等に起因するチップの急激な温度
変化を早期に検出して半導体装置を損傷や破壊から防止
することができる。

【００３０】(c) ダイオード等のpn接合を利用した従来
の温度センサによる温度検出信号がもつ温度依存性と比
べて、本発明で用いる定電流手段やインピーダンス手段
では１桁程度大きい温度依存性を容易にもたせることが
でき、かつ直列回路から比較手段に与えられる１対の電
位が温度に対して互いに差動的に変化して、それらを相
互に比較したないしそれらの差を増幅した結果を温度検
出信号として取り出すので、温度の検出感度を従来のpn
接合を利用した温度センサより１桁以上容易に高めるこ
とができる。

【００３１】なお、定電流手段にディプリーション形Ｍ
ＩＳトランジスタを用いる本発明の態様は、それによる
定電流がもつ比較的大きな温度依存性を利用して温度の
検出感度を高め、かつこの温度センサを小チップ面積内
に作り込める利点を有する。また、インピーダンス手段
を拡散抵抗として温度センサに用いる態様は、とくに半
導体装置のチップ内の発熱部のごく近傍にこれを作り込
んで温度検出の遅れを従来より大幅に短縮できる利点を
有する。

【００３２】比較手段にコンパレータを用いその両入力
に受ける電位値の大小の比較出力をディジタルな温度検
出信号として取り出す態様は半導体装置の過熱保護にと
くに便利であり、これに差動増幅器を用いて１対の電位
値の差を増幅したアナログな出力を温度検出信号として
取り出す態様は検出感度を高めかつ検出結果に応じて種
々な制御を施す際に有利である。

【００３３】電力用半導体装置を含む集積回路装置に本
発明の温度検出装置を保護用に組み込む際にインピーダ
ンス手段として温度センサ用の拡散抵抗を作り込む態様
は、ウエハ内に電力用半導体素子を構成する半導体層を
拡散する工程を利用して同時拡散により工程数を増加さ
せることなく温度センサを発熱個所のごく近傍に作り込
める利点がある。さらに、電力用半導体素子が縦形構造
の場合にそれに掛かる電源側電圧を本発明を構成する１
対の直列回路の基準電位点に賦与する態様は、この種の
集積回路装置に発生しやすいラッチアップの危険を確実
に防止する上で非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による温度検出装置の実施例と関連する
温度特性を例示し、同図(a) は本発明装置の実施例の回
路図、同図(b) は関連する温度特性線図である。

【図２】本発明装置を電力用半導体素子を含む集積回路
装置に組み込む場合の構造例を示すチップの要部拡大断
面図である。

【符号の説明】

10 直列回路 11 定電流手段 12 インピーダンス手段 20 直列回路 21 定電流手段 22 インピーダンス手段 30 比較手段 31 比較手段が演算増幅器の場合の入力抵抗 32 比較手段が演算増幅器の場合の帰還抵抗 40 集積回路装置用のウエハ 50 拡散抵抗用の共通層 51 拡散抵抗用の拡散層 52 拡散抵抗用の拡散層 60 電力用半導体素子ないし絶縁ゲートバイポーラ
トランジスタ 70 集積回路装置 I1 定電流手段11による定電流 I2 定電流手段21による定電流 Sd 温度検出信号 Tc 比較手段としてのコンパレータの動作温度 Td 検出温度 Tm 最大温度 To 基準温度 Ve 基準電位点 Vs 電源電位点 V1 直列回路10から導出される電位 V2 直列回路20から導出される電位 v1 インピーダンス手段12による電圧降下 v2 インピーダンス手段22による電圧降下

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01K 7/16 G01K 7/24 G01K 7/01 H01L 23/58

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体装置の使用状態における温度を検出
   する装置であって、定電流手段とインピーダンス手段を
   含む直列回路を１対設けて電源電位点と基準電位点の相
   互間に両手段の順序を互いに逆にして接続し、各直列回
   路の両手段の相互接続点の電位を比較手段の一方の入力
   と他方の入力にそれぞれ与え、定電流手段とインピーダ
   ンス手段の少なくとも一方を半導体装置のチップ内の温
   度検出個所に作り込んで比較手段の出力を半導体装置の
   温度の検出信号として取り出すようにしたことを特徴と
   する温度検出装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の装置において、定電流手
   段としてディプリーション形のＭＩＳトランジスタを用
   いることを特徴とする温度検出装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の装置において、インピー
   ダンス手段が半導体装置に作り込まれた拡散抵抗である
   ことを特徴とする温度検出装置。
4. 【請求項４】請求項１に記載の装置において、比較手段
   にはコンパレータを用いその両入力に受ける電位値の大
   小の比較出力をディジタルな温度検出信号として取り出
   すようにしたことを特徴とする温度検出装置。
5. 【請求項５】請求項１に記載の装置において、比較手段
   として差動増幅器を用いその両入力に受ける電位値の差
   を増幅した出力をアナログな温度検出信号として取り出
   すようにしたことを特徴とする温度検出装置。
6. 【請求項６】請求項１に記載の装置において、半導体装
   置が集積回路でありそのチップ内の電力用半導体素子の
   近傍にインピーダンス手段として拡散抵抗を作り込むよ
   うにしたことを特徴とする温度検出装置。
7. 【請求項７】請求項６に記載の装置において、電力用半
   導体素子が縦形構造素子でありそれに掛かる電源側電圧
   を１対の直列回路に対する基準電位点に賦与するように
   したことを特徴とする温度検出装置。
8. 【請求項８】請求項６に記載の装置において、電力用半
   導体素子を構成する半導体層の拡散工程中にインピーダ
   ンス手段としての拡散抵抗を同時拡散により作り込むよ
   うにしたことを特徴とする温度検出装置。