JP3911719B2

JP3911719B2 - Insulated gate bipolar transistor with built-in current detector

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Publication number: JP3911719B2
Application number: JP10489996A
Authority: JP
Inventors: 保幸星; 龍彦藤平; 聖自百田; 基工藤
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: JPH09293856A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置等に使用する温度検知部を備えた少数キャリア注入型半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
少数キャリア注入型のいわゆるバイポーラ半導体素子（ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ等）はインバータ等に使用され、最近では、ＩＧＢＴがバイポーラトランジスタに置き変わって市場を拡大してきている。ＩＧＢＴは主に総合損失と安全動作領域の特性向上を重点に開発されてきたが、近年は高機能化および取扱の容易さに関しての要求が強まってきている。これらの多彩な要求に応えるにはＩＧＢＴ単体では限界が出てきており、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスのインテリジェント化によって対応しようとしている。インテリジェント化とは、パワーデバイスとそれらの周辺回路を一体化することによってそれぞれの弱点を補いつつ高機能化を図るものであり、例えば、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）はその初めの一つとして登場したデバイスである。
【０００３】
このＩＰＭの登場により、従来のサイリスタやバイポーラトランジスタを用いていた応用分野にＩＧＢＴが急速に浸透するようになった。ＩＧＢＴをインバータ等で使用した場合には負荷短絡といった過電圧、過電流を印加されるモードがあり、これらをパワーデバイス単体での保護の他に、ＩＰＭの技術として外部回路を通して過熱、過電流、過電圧を検出し、保護を可能としている例がある。
【０００４】
図１３に、電流検知部を内蔵型したＩＰＭを使用した回路を示す。過電流検知のためには、例えばＩＰＭモジュール内に負荷２１への電流制御のための主ＩＧＢＴ部１３と、電流検知用に分割された補助ＩＧＢＴ部（以下センスＩＧＢＴ部と称する）１４が内蔵されている。このセンスＩＧＢＴ部１４のエミッタ電極と主ＩＧＢＴ部１３のそれとの間にセンス抵抗３２が接続され、センスＩＧＢＴ部１４に流れた電流によるセンス抵抗３２での電圧降下（センス電圧）を検知し、外部保護回路２０を通じて主ＩＧＢＴ部１３およびセンスＩＧＢＴ部１４のゲート電圧を低下させるものである。２２は電源である。
【０００５】
図１６に、電流検知部内蔵型ＩＧＢＴを含むＩＰＭの過電流動作時の信号等のタイミングチャートを示している。横軸は時間である。（２）の保護回路が動作していないときは、（１）の制御信号に従ってＩＧＢＴに（３）のゲート信号が与えられ、（４）の出力電流が流れている。時刻ｔ１に外部状態または素子自身の事故等によって所定の出力電流以上の過電流が流れると、（２）の保護回路が動作し、ＩＧＢＴのゲート信号（３）が停止され、（４）の出力電流が遮断されて過電流に対する保護動作が行われたことになる。
【０００６】
時刻ｔ２に（２）の保護回路がリセットされれば、再び（１）の制御信号に従ってＩＧＢＴに（３）のゲート信号が入力され、時刻ｔ３から（４）の出力電流が流れ始める。（５）は、（２）の保護回路に同調して働く、例えばアラーム信号の出力である。
図１７は、電流検知部内蔵型ＩＧＢＴを含むＩＰＭの負荷短絡時のタイミングチャートを示している。横軸は時間である。（２）の保護回路が動作していないときは、（１）の制御信号に従ってＩＧＢＴに（３）のゲート信号が与えられ、（４）の出力電流が流れている。時刻ｔ１に負荷短絡によって過大な電流が流れると、（２）の保護回路が動作する。このときは、ＩＧＢＴのゲート信号（３）を次第に低下させて、（４）の出力電流を遮断させる。
【０００７】
時刻ｔ２に（２）の保護回路がリセットされれば、再び（１）の制御信号に従ってＩＧＢＴに（３）のゲート信号が入力され、時刻ｔ３から（４）の出力電流が流れ始める。
図１４（ａ）に、電流検知部が半導体素子の一部に内蔵されたＩＰＭの例として、電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部近傍のゲート電極中央における水平断面を示す。数ｍｍ角の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのチップの主ＩＧＢＴ部１３のストライプ状のエミッタ電極８、ゲート電極７の中に、１００分の１ないし１００００分の１の面積のセンスＩＧＢＴ部１４が設けられている。センスＩＧＢＴ部１４としては、酸化膜１８の中に八角形の多結晶シリコンのセンスゲート電極２７があり、その中に長い四本のストライプ状のセンスエミッタ電極２８と短い二本のセンスエミッタ電極２８とが見られる。センスエミッタ電極２８とセンスゲート電極２７とは図示されない絶縁膜で絶縁されている。図１４（ｂ）は一本のセンスエミッタ電極２８の下のシリコン基板表面の各拡散領域の拡大平面図である。長環状のｎセンスエミッタ領域２５の中にｐセンスウェル領域３０があり、外側にはｐセンスベース領域２４がある。その外側はｎベース層３である。点線は、センスエミッタ電極２８の接触範囲を示している。図１４のストライプ状のセンスエミッタ電極２８の下には全て同様の拡散領域が形成されている。長環状のｎセンスエミッタ領域２５、ｐセンスベース領域２４、ｐセンスウェル領域３０をセンスエミッタストライプと呼ぶことにする。
【０００８】
図１５は、図１４のＣ−Ｃ'線に沿った部分断面図である。図１５の右側部分は、主電
流の導通、遮断のスイッチング作用を行う主ＩＧＢＴ部１３の活性領域である。図に示したような一つの制御電極を含む単位の部分（以後セルと呼ぶ）が反転、繰り返しされ、極めて多数のセルから活性領域は構成されている。また、ＩＧＢＴの周縁部分には、ガードリング構造やフィールドプレート構造のような耐圧構造が設けられているが、図には示していない。
【０００９】
主ＩＧＢＴ部１３は、ｐコレクタ層１の上にｎ⁺バッファ層２を介して積層されたｎベース層３の表面層に選択的にｐベース領域４が形成され、そのｐベース領域４の一部に拡散深さの深いｐウェル領域１０が形成されている。ｐベース領域４の表面層にはまた選択的にｎエミッタ領域５が形成されている。ｎベース層３とｎエミッタ領域５に挟まれたｐベース領域４の表面上に、ゲート酸化膜６を介して、多結晶シリコンからなりＧ端子に接続されるゲート電極７が設けられている。また、ｐコレクタ層１の裏面にはＣ端子に接続されるコレクタ電極９が、ｎエミッタ領域５の上にはｎエミッタ領域５とｐベース領域４に共通に接触しＥ端子に接続されるエミッタ電極８がそれぞれ設けられている。このＩＧＢＴは、
ゲート酸化膜６、ゲート電極７、ｐベース領域４、ｎエミッタ領域５、ｎベース層３、ｎ⁺バッファ層２で構成されるＭＯＳＦＥＴとｐコレクタ層１、ｎ⁺バッファ層２、ｎベース層３、ｐベース領域４、で構成されているｐｎｐトランジスタとからなるものとみることもできる。
【００１０】
図１５の左側部に、電流検知部として、センスＩＧＢＴ部１４が設けられている。センスＩＧＢＴ部１４は上記説明の主ＩＧＢＴと同時に形成されている。すなわち、ｐコレクタ層１、ｎ⁺バッファ層２とｎベース層３は共通であり、そのｎベース層３の表面層に選択的にｐセンスベース領域２４が形成されている。ｐセンスベース領域２４の周囲には広いｐ分離領域１６が形成されている。ｐセンスベース領域２４の表面層に選択的にｎセンスエミッタ領域２５が形成され、ｎベース層３とｎセンスエミッタ領域２５に挟まれたｐセンスベース領域２４の表面上にセンスゲート酸化膜２６を介して多結晶シリコンからなるセンスゲート電極２７が設けられている。また、ｎセンスエミッタ領域２５とｐセンスベース領域２４に共通に接触し、ＳＥ端子に接続されるセンスエミッタ電極２８がそれぞれ設けられている。図１４ではセンスエミッタ電極２８がストライプ状であったが、断面図に見られるように、絶縁膜１５を挟んでセンスゲート電極２７上で接続しているのである。ｎベース層３以下、ｐコレクタ層１の裏面のＣ端子に接続されるコレクタ電極１１までは主ＩＧＢＴ部１３と共通である。センスゲート電極２７は図示されない断面で主ＩＧＢＴ部１３のゲート電極７と接続されている。センスエミッタ電極２８はセンス抵抗３２を介してエミッタ電極８に接続される。図ではセンス抵抗３２は外付けの抵抗としたが、半導体チップ内部に構成することもできる。
【００１１】
図１５の中央部には、ｎベース層３の表面層にｐベース領域４と一部が重複するようにｐ引き抜き領域１９が形成されている。このｐ引き抜き領域１９は、表面上にエミッタ電極８が接触しており、オフ動作時に主ＩＧＢＴ部１３とセンスＩＧＢＴ部１４の境界部分のｎベース層３内の正孔を引き抜くためのものである。
【００１２】
このＩＧＢＴのスイッチング動作は次のように行う。Ｃ端子に、Ｅ端子に対して正の電圧を印加した状態で、ゲート電極７にしきい値以上の電圧を印加することによって、ゲート電極７の直下のｐベース領域４の表面層（チャネル領域１１）に反転層が形成され、前記ＭＯＳＦＥＴが導通する。その反転層を通ってｎエミッタ領域５から電子がｎベース層３、ｎ⁺バッファ層２に注入される。ｐコレクタ層１とｎ⁺バッファ層２との間の接合は順バイアスされているので、電子がこの接合を通ってｐコレクタ層１に流入する。すると、ｐコレクタ層１、ｎ⁺バッファ層２とｎベース層３、ｐベース領域４をそれぞれエミッタ、ベース、コレクタとするｐｎｐトランジスタが動作し、伝導度変調を発生して主ＩＧＢＴ部１３がオンする。図２７に、定格電流１５０Ａ、電圧６００ＶのＩＧＢＴの電流−電圧特性を示した。横軸はコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_CE、たて軸はコレクタ電流Ｉ_Cである。伝導度変調を利用しているので、オン電圧が小さいことがわかる。
【００１３】
センスＩＧＢＴ部１４は主ＩＧＢＴ部１３と並列に形成されているので、センスゲート電極２７にしきい値以上の電圧を印加することによって、同様にセンスゲート電極２７の直下のｐセンスベース領域２４の表面層（センスチャネル領域３１）に反転層が形成され、その反転層を通ってｎセンスエミッタ領域２５から電子がｎベース層３、ｎ⁺バッファ層２に注入される。ｐコレクタ層１とｎ⁺バッファ層２との間の接合は順バイアスされているので、電子がこの接合を通ってｐコレクタ層１に流入する。すると、ｐコレクタ層１、ｎ⁺バッファ層２とｎベース層３、ｐセンスベース領域２４をそれぞれエミッタ、ベース、コレクタとするｐｎｐトランジスタが動作し、伝導度変調を発生してセンスＩＧＢＴ部１４がオンする。そのセンスＩＧＢＴ部１４に分流する電流によって、センス抵抗３２に電圧降下を生じる。過電流が流れたときは、そのセンス抵抗３２における電圧降下が増大するので、そのセンス電圧を図示されない保護回路で処理し、主ＩＧＢＴ部１３およびセンスＩＧＢＴ部１４のゲート電圧を低下させ、半導体素子、および回路を保護するものである。
【００１４】
このＩＧＢＴをオフする場合は、ゲート電極７およびセンスゲート電極２７の電圧を除くことによって、ゲート電極７およびセンスゲート電極２７直下のｐベース領域４、ｐセンスベース領域２４の表面層に形成されていた反転層が消滅し、ｎエミッタ領域５およびｎセンスエミッタ領域２５からの電子の注入が止まりオフする。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図１８は、他の保護回路の例である。この例では、センス抵抗が、過電流用センス抵抗３２ａと負荷短絡用センス抵抗３２ｂに分けられていて、それぞれ保護回路２０の端子に接続されている。このようにすれば、過電流時と負荷短絡時の対応を変えることができ、例えば負荷短絡時に保護回路２０に入力されるセンス電圧が過大になるのが避けられる。
【００１６】
図１９（ａ）、（ｂ）に、従来の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの負荷短絡時の電流、電圧波形を示す。図１９（ｂ）は、図１８のように過電流用センス抵抗３２ａと負荷短絡用センス抵抗３２ｂに分けたとき、同図（ａ）は分けなかったときの波形である。同図（ｂ）では負荷短絡用センス抵抗３２ｂとして小さい抵抗を用いているので、コレクタ電流は低い値に抑えられている。しかしいずれの場合も負荷短絡時の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの動作は、図１９に示したように安定していることがわかる。この理由は、図１４に示したように、主ＩＧＢＴ部からセンスＩＧＢＴ部が十分隔離されているからである。負荷短絡時には図１９に示す電流、電圧が主ＩＧＢＴ部、センスＩＧＢＴ部に印加されるが、このとき、センスＩＧＢＴ部においては、主ＩＧＢＴ部がオンしている際に発生する正孔の回り込みを、主ＩＧＢＴ部からセンスＩＧＢＴ部を十分隔離することによって抑制し、短絡時の制限電流値を安定させているのである。
【００１７】
しかし、過電流時の保護動作、特に高温での動作が不安定であることがわかった。図２０に、２５℃、１２５℃でのセンス電圧のセンス抵抗依存性を示す。横軸はセンス抵抗（Ｒ_S）、縦軸はセンス電圧（Ｖ_S）である。このセンス電圧は定格電流の２倍の電流を流したときのセンス抵抗での電圧降下である。高温でのセンス電圧の曲線には折れ曲がりが見られ、低いセンス抵抗範囲での温度依存性が、高いセンス抵抗範囲での温度依存性よりかなり大きい。このことは、特に低いセンス抵抗範囲で、保護回路が動作する電圧降下（センス電圧Ｖ_S）を決めるとき問題になる。例えば、２５℃で保護回路が動作する電流を設定したとき、１２５℃では遙かに少ない電流で保護回路が動作してしまうことになるからである。
【００１８】
この温度依存性の不連続になる原因究明のため、センスＩＧＢＴの特性を調べた。図２１に、センスＩＧＢＴの電流−電圧特性を示す。横軸は電圧（Ｖ_CE）、縦軸は電流（Ｉ_c）である。２５℃、１２５℃共に負性抵抗領域があること、また、負性抵抗領域が始まる電圧が、２５℃と１２５℃とでずれていることがわかる。すなわち、センスＩＧＢＴの動作抵抗（Ｒｏｎ）が２５℃と１２５℃でずれることによって、過電流時のセンス電圧の温度依存性が悪化することが明らかになった。
【００１９】
以上の問題に鑑み、本発明の目的は過電流検知精度の高い電流検知部を内蔵する絶縁ゲートバイポーラトランジスタを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明は、第一導電型半導体層と、その第一導電型半導体層の一方の側の表面層に選択的に形成された第二導電型ベース領域と、その第二導電型ベース領域の表面層に選択的に形成された第一導電型エミッタ領域と、第二導電型ベース領域の第一導電型半導体層と第一導電型エミッタ領域に挟まれた部分であるチャネル領域の表面上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、チャネル領域以外の第二導電型ベース領域および第一導電型エミッタ領域の表面上に共通に接触するエミッタ電極と、第一導電型半導体層の表面層の別の部分に形成された第二導電型コレクタ領域と、その第二導電型コレクタ領域の表面に接触して設けられたコレクタ電極と、第一導電型半導体層の一方の側の表面層の別の部分に第二導電型ベース領域と一部を重複して形成され、表面上にエミッタ電極が接触している第二導電型引き抜き領域とからなる主ＩＧＢＴ部と、第一導電型半導体層以下の部分を主ＩＧＢＴ部と共通にし、第一導電型半導体層の表面層の第二導電型引き抜き領域に隣接した領域に形成された第二導電型センスベース領域、その第二導電型センスベース領域の表面層に選択的に形成された第一導電型センスエミッタ領域と、第二導電型センスベース領域の第一導電型半導体層と第一導電型センスエミッタ領域に挟まれた部分であるセンスチャネル領域の表面上にセンスゲート絶縁膜を介して形成されたセンスゲート電極と、センスチャネル領域以外の第二導電型センスベース領域および第一導電型センスエミッタ領域の表面上に共通に接触するセンスエミッタ電極とからなる電流検知のためのセンスＩＧＢＴ部とを有し、エミッタ電極とセンスエミッタ電極との間に接続されたセンス抵抗での電圧降下を利用する電流検知部内蔵型絶縁ゲートバイポーラトランジスタにおいて、
センスゲート絶縁膜上に部分的に厚い絶縁膜を形成する、又は、第一導電型センスエミッタ領域を選択的に形成し、保護のため検知すべき電流水準における主ＩＧＢＴ部のオン電圧以下の範囲で、センスＩＧＢＴ部の電流−電圧特性が線型であるものとする。
【００２１】
センスＩＧＢＴ部の電流−電圧特性が線型であれば、センス抵抗での電圧降下に不連続点を生じない。そして、センス電圧の温度依存性が安定する。
【００２２】
【００２３】
センスゲート絶縁膜上に部分的に厚い絶縁膜を形成すれば、その下のチャネル領域が薄くなり、第一導電型センスエミッタ領域を選択的に形成すれば、第一導電型センスエミッタ領域の面積が減少して、いずれも第一導電型センスエミッタ領域からの第一導電型キャリアの注入量を低下させる。
【００２４】
更に、第二導電型センスベース領域上に分離電極を形成し、主ＩＧＢＴ部のエミッタ電極と接続することもよい。
そのようにすれば、第一導電型センスエミッタ領域からセンス抵抗に流れる電流は第一導電型キャリアの電流のみとなり、センスＩＧＢＴはＭＯＳＦＥＴに近い動作をするようになる。
【００２５】
電流検知のためのセンスＩＧＢＴを有する電流検知部内蔵型ＩＧＢＴにおいて、エミッタ電極とセンスエミッタ電極との間にダイオードを接続することもよい。
そのようにすれば、センスＩＧＢＴのゲートにかかる実効的なゲート電圧がダイオードの順電圧分だけ低下する。従って、チャネル領域の抵抗が増して第一導電型センスエミッタ領域から注入される第一導電型キャリア量が少なくなり、やはり伝導度変調が起きにくくなる。
【００２６】
ダイオードがチップ上に形成され、そのダイオードの第二導電型アノード領域をセンスエミッタ電極と接続したものとすることもできる。
そのようにすれば、ダイオードを外付けする必要がなく、また小型化できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下でｐ、ｎを冠した層、領域等はそれぞれ正孔、電子が多数キャリアである層、領域等を意味する。
〔参考例１〕
図１は、本発明参考例１の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４近傍のゲート電極中央における水平断面図である。主ＩＧＢＴ部１３のストライプ状のエミッタ電極８、ゲート電極７に取り囲まれて、広いｐ分離領域上の酸化膜１８があり、その中央部に八角形のゲート電極２７が見られる。図１４の従来例との違いは、センスＩＧＢＴ部１４が一本のセンスエミッタストライプを有することである。従って、この断面図では一本のストライプ状のセンスエミッタ電極２８が見られるだけである。センスエミッタ電極２８とセンスゲート電極２７とは図示されない絶縁膜で絶縁されている。八角形のセンスゲート電極２７から図の下方に延びている帯はセンスゲート電極２７と主ＩＧＢＴ部１３のゲート電極７とを結ぶ連結部である。なお、この連結部の下にも後出のｐ分離領域が形成されている。
【００２８】
図３に、図１のＡ−Ａ'線に沿った部分断面を示す。図の右側部分は、電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの主電流の導通、遮断のスイッチング作用を行う主ＩＧＢＴ部１３の活性領域である。図１４の従来例と同じく、ｐコレクタ層１の上にｎ⁺バッファ層２を介して積層されたｎベース層３の表面層に選択的にｐベース領域４および一部に拡散深さの深いｐウェル領域１０が形成されている。そのｐベース領域４の表面層に選択的にｎエミッタ領域５が形成され、ｎベース層３とｎエミッタ領域５に挟まれたｐベース領域４の表面上に、ゲート酸化膜６を介して、多結晶シリコンからなりＧ端子に接続されるゲート電極７が設けられている。また、ｐコレクタ層１の裏面にはＣ端子に接続されるコレクタ電極９が、ｎエミッタ領域５の上にはｎエミッタ領域５とｐウェル領域１０の表面に共通に接触しＥ端子に接続されるエミッタ電極８がそれぞれ設けられている。
【００２９】
このようなＩＧＢＴのｎベース層３は、例えば、ｐコレクタ層１とその上に積層されたｎ⁺バッファ層２とからなるサブストレート上にエピタキシャル成長により形成される。またｐベース領域４は、まず先に形成したゲート電極７をマスクとした不純物の導入により形成され、ｎエミッタ領域５は、図示されていないフォトレジストをマスクとしての不純物の導入により形成される。図のようにゲート電極７の上に、絶縁膜１５を介してエミッタ電極８を延長してもよい。
【００３０】
図３の左側部には、電流検知部として、センスＩＧＢＴ部１４が設けられている。センスＩＧＢＴ部１４は上記説明の主ＩＧＢＴ部１３と同時に形成される。すなわち、ｐコレクタ層１、ｎ⁺バッファ層２とｎベース層３は主ＩＧＢＴ部１３と共通であり、そのｎベース層３の表面層に選択的にｐセンスベース領域２４および一部に拡散深さの深いｐセンスウェル領域３０が形成されている。そのｐセンスベース領域２４の表面層に選択的にｎセンスエミッタ領域２５が形成され、ｎベース層３とｎセンスエミッタ領域２５に挟まれたｐセンスベース領域２４の表面上にセンスゲート酸化膜２６を介して多結晶シリコンからなるセンスゲート電極２７が設けられている。また、ｎセンスエミッタ領域２５とｐセンスウェル領域３０に共通に接触し、ＳＥ端子に接続されるセンスエミッタ電極２８が設けられている。ｐセンスベース領域２４の外側には、広いｐ分離領域１６があり、その上は酸化膜１８で覆われている。センスゲート電極２７と主ＩＧＢＴ部１３のゲート電極７とは図示されない部分で接続されている。
【００３１】
センスエミッタ電極２８はセンス抵抗３２を通じて主エミッタ電極８に接続される。図ではセンス抵抗３２は外付けの抵抗としたが、半導体素子内部に構成することもできる。
図３の中央部には、ｎベース層の表面層にｐベース領域４と一部が重複するようにｐ引き抜き領域１９が形成されている。このｐ引き抜き領域１９は、表面上にエミッタ電極８が接触しており、オフ動作時に主ＩＧＢＴ部１３とセンスＩＧＢＴ部１４の境界部分のｎベース層３内の正孔を引き抜くためのものである。
【００３２】
センスエミッタストライプは一本で、長環状のｎセンスエミッタ領域２５が断面では二本になっていることがわかる。このため図１に点線で示したセンス電流の流れる活性領域１７の面積は従来例に比べて、約１／３になり、ゲート電圧印加時にｎセンスエミッタ領域２５からセンスチャネル領域を通してｎベース層３に注入される電子の量は大幅に減少する。また、センスエミッタストライプが一本だけで孤立しているため、注入された電子電流がｐｎｐトランジスタのベース電流として働き難く、センスＩＧＢＴ部１４の伝導度変調が起きにくくなっていると考えられる。
【００３３】
図２２にこの参考例１のＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４の電流−電圧特性を示す。横軸は電圧（Ｖ_CE）、縦軸は電流（Ｉ_C）である。比較のため、従来の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの電流−電圧特性を点線で示した。参考例１のセンスＩＧＢＴ部の曲線にはこの電圧範囲では、従来の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部で見られた電流−電圧特性の負性抵抗領域が発生していない。このため、センス電圧−コレクタ電流特性に不連続領域が発生せず、センス電圧の温度依存性が安定する。図２３に、常温、高温でのセンス電圧のセンス抵抗依存性を示す。横軸はセンス抵抗Ｒ_S、縦軸はセンス電圧Ｖ_Sである。センス電圧Ｖ_Sは定格電流の二倍の電流を流したときのセンス抵抗での電圧降下とした。比較のため、従来の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのそれも示した。２５℃、１２５℃の曲線ともに、折れ曲がりが見られず、ほぼ線型で同じような傾向を示す。また、２５℃、１２５℃の曲線が接近していて、温度依存性が小さい。このことは、制限電流の設定が精密にできることを意味している。
〔参考例２〕
図２に、本発明参考例２の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４近傍のゲート電極中央における水平断面を示す。主ＩＧＢＴ部１３のストライプ状のエミッタ電極８、ゲート電極７に取り囲まれて、ｐ分離領域上の酸化膜１８があり、その中央部に八角形のセンスゲート電極２７が見られる。センスエミッタ電極２８は長いものが四本、短いものが二本で図１４の従来例と同じであるが、隣り合ったセンスエミッタ電極２８間のゲート電極２７の幅が狭くなっている点が異なっている。従って、ストライプ状のセンスエミッタ電極２８の下方には四本の長いセンスエミッタストライプと二本の短いセンスエミッタストライプがあることになる。
【００３４】
図４に、図２のＢ−Ｂ'線に沿った部分断面を示す。主ＩＧＢＴ部１３のゲート電極７の幅は、３６μｍであるが、センスＩＧＢＴ部１４のセンスゲート電極２７の幅は、１３μｍである。
図２４にこの参考例２のＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４の電流−電圧特性を示す。横軸はコレクタ−エミッタ間電圧（Ｖ_CE）、縦軸は電流（Ｉ_C）である。比較のため、従来例のセンスＩＧＢＴの電流−電圧特性も示した。本参考例２のセンスＩＧＢＴ部の特性にはこの電圧範囲では、従来の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴで見られた負性抵抗領域が発生していない。本参考例２のセンスＩＧＢＴ部の特性は、従来例のセンスＩＧＢＴの電流−電圧特性に対して、電流が流れ難く、大きな抵抗性を示していることがわかる。この原因は、センスエミッタ電極２８の間のセンスＩＧＢＴ部１４のセンスゲート電極２７の幅を小さくすることによって、二つのｐセンスベース領域２４間のｎベース層３の抵抗分が増す、いわゆる接合型ＦＥＴ効果によってセンスＩＧＢＴ部のベース電流が減少し、ＩＧＢＴとしての動作よりはＭＯＳＦＥＴに似た動作となるためである。電流−電圧特性が線型性を示していることからもこのことが裏付けられる。
【００３５】
図２３に、この参考例２の常温、高温でのセンス電圧のセンス抵抗依存性も示した。２５℃、１２５℃の曲線ともに、折れ曲がりが見られず、同じような傾向を示す。また、２５℃、１２５℃の曲線が接近していて、温度依存性が小さい。このことは、制限電流の設定が精密にできることを意味している。
〔参考例３〕
図５に、本発明参考例３の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４近傍の部分断面を示す。
【００３６】
この図は、図１５の従来例とほぼ同じに見えるが、不純物濃度が異なっているのである。すなわち、主ＩＧＢＴ部１３のｐベース領域４とセンスＩＧＢＴ部１４のｐセンスベース領域２４の表面濃度が異なり、ｐセンスベース領域２４の表面濃度が約１．２倍高くなっている。従って、これまでの実施例とは違って、主ＩＧＢＴ部１３とセンスＩＧＢＴ部１４とを全く同時には形成できない。製造方法としては、主ＩＧＢＴ部１３のｐベース領域４とセンスＩＧＢＴ部１４のホウ素のイオン注入量を変えて行う。
【００３７】
このため、センスＩＧＢＴ部１４のしきい値は主ＩＧＢＴ部１３のそれより高くなる。このようにセンスＩＧＢＴ部１４のしきい値を増大させると、センスゲート電極２７にかかる実効的なゲート電圧が低下したと同じである。すなわち、センスＩＧＢＴ部の動作としては、ゲート電圧が低い分だけ、センスチャネル領域３１にできる反転層が低減され、ｎセンスエミッタ領域２５からｎベース層３に注入される電子電流が減少する。これにより、ｐコレクタ層１からの正孔の注入が抑制されて、センスＩＧＢＴ部１４の動作が、ＭＯＳＦＥＴに似た動作になり、上記の例と同様にセンスＩＧＢＴ部１４の電流−電圧特性は線型に近い特性を示すことになる。
【００３８】
その結果、センスＩＧＢＴ部１４の動作は主ＩＧＢＴ部１３のそれからずれたものとなり、センス電圧の温度依存性を小さくすることができる。
〔参考例４〕
図６に、本発明参考例４の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４近傍の部分断面を示す。この参考例４が従来例と異なっているのは、主ＩＧＢＴ部１３のチャネル領域１１のチャネル長よりもセンスＩＧＢＴ部１４のセンスチャネル領域３１のそれが長く形成されている点である。
【００３９】
図２５にセンスＩＧＢＴ部１４のチャネル長が長い場合と短い場合との電流−電圧特性の比較を示す。チャネル長が長くなると、チャネル抵抗が増し、ＭＯＳＦＥＴの電圧降下が大きくなるが、電流−電圧特性曲線に不連続領域が発生していない。逆にチャネル長が短い従来例では（点線）、ＩＧＢＴとしての動作が大きくなり、電流−電圧特性曲線に不連続領域が発生して、センス電圧の温度依存性が悪化する。従って、センスチャネル領域３１のチャネル長を長くすることにより、ＭＯＳＦＥＴに似た特性となり、その結果センス電圧の温度依存性は向上する。
【００４０】
一般に、ＩＧＢＴのチャネル長を長くすると、ＩＧＢＴのオン電圧とスイッチング損失とのトレードオフ特性が悪化する（図２６）。チャネル長が長くなると、チャネル抵抗が増し、ＭＯＳＦＥＴの電圧降下が大きくなり、オン電圧が増大するためである。ＩＧＢＴのオン電圧全体にしめるＭＯＳＦＥＴの電圧降下の割合が大きいので、オン電圧全体の低下を図るために、電子線照射後のキャリアライフタイムの回復を大きくすると、スイッチング損失の悪化を招くことになる。
【００４１】
そこで、主ＩＧＢＴ部１３のチャネル長は短いままとし、センスＩＧＢＴ部１４のチャネル領域３１だけのチャネル長を長くすることが必要となる。
〔実施例１〕
図７に、本発明第１の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４近傍の部分断面を示す。この実施例１が従来例と異なっているのは、センスＩＧＢＴ部１４のゲート酸化膜２６上のセンスチャネル領域３１上以外の部分に厚い酸化膜１８が形成されその上にセンスゲート電極２７が形成されている点である。主ＩＧＢＴ部１３のゲート酸化膜６は薄いままとする。
【００４２】
このように、テラス状のゲート酸化膜を形成すると、センスＩＧＢＴ部１４のオン電圧が増大する。その理由は、センスチャネル領域３１上部以外のｎベース層３上のセンスゲート酸化膜２６上に厚い酸化膜１８を形成すると、ゲート電圧を印加した時、ｎベース層３の表面層に生じる蓄積層２３のキャリア濃度が低く、その伝導度が低下するためである。
【００４３】
センスＩＧＢＴ部１４のセンスゲート酸化膜２６上に厚い酸化膜１８を形成することによって、センスＩＧＢＴ部１４はオンしにくくなり、主ＩＧＢＴ部に比較してＭＯＳＦＥＴ類似の動作を示すことになる。
その結果、主ＩＧＢＴ部とセンスＩＧＢＴ部の動作特性がずらされ、センス電圧の温度依存性を改善することができる。
〔実施例２〕
図８は、本発明第２の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４のエミッタストライプ近傍の部分斜視図である。この実施例２が従来例と異なっているのは、ｐセンスベース領域２４の表面層にｎセンスエミッタ領域２５が断続する短冊状に形成されている点である。
【００４４】
このようにｎセンスエミッタ領域２５を部分的に形成すれば、ゲートオン時にｎセンスエミッタ領域２５からｎベース層３に注入される電子電流が減少することになる。そして、下方のｐコレクタ層から注入される正孔が抑制され、ＭＯＳＦＥＴ類似の動作をすることになる。その結果、センス電圧の温度依存性を改善することができる。
〔実施例３〕
図９に、本発明第３の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４近傍の部分断面を示す。この実施例３が従来例と異なっているのは、センスエミッタ電極２８がｎセンスエミッタ領域２５にのみ接触しており、ｐセンスウェル領域３０には別の分離電極４１が接触している点である。ｎセンスエミッタ領域２５とｐセンスウェル領域３０との境界の表面上は絶縁膜で覆われている。
【００４５】
このような構造にすることによって、ＩＧＢＴのディメンションをもちながら完全なＭＯＳＦＥＴとしての動作をすることができる。以下、センスＩＧＢＴ部１４の動作を図９に沿って説明する。
Ｃ端子にＳＥ端子に対して正の電圧を印加した状態で、センスゲート電極２７、にしきい値以上の電圧を印加することによって、センスゲート電極２７の直下のｐセンスベース領域２４の表面層に反転層が形成され、その反転層を通ってｎセンスエミッタ領域２５から電子がｎベース層３、ｎ⁺バッファ層２に注入される。（すなわち、ｎセンスエミッタ領域２５、ｐセンスベース領域２４とｎベース層３とからなるＭＯＳＦＥＴが導通する。）ｐコレクタ層１とｎ⁺バッファ層２との間の接合は順バイアスされているので、この接合から電子が注入される。この電子電流は、ｐコレクタ層１、ｎ⁺バッファ層２とｎベース層３、ｐセンスベース領域２４をそれぞれエミッタ、ベース、コレクタとするｐｎｐトランジスタのベース電流となるので、このトランジスタが動作し、ｐコレクタ層１から多量の正孔が注入されて伝導度変調を発生してＩＧＢＴがオンする。このとき、ｐセンスベース領域２４上には分離電極４１が設けられているので、正孔電流は分離電極４１へ流入し、センスエミッタ電極２８には流れない。従ってセンスエミッタ電極２８には電子電流しか流れないことになる。このセンスエミッタ電極２８からセンス抵抗３２を介してエミッタ電極８に接続することによって、ＩＧＢＴの構造をもちながらＭＯＳＦＥＴとしての動作をさせることができる。
【００４６】
このように、センスＩＧＢＴ部１４をＭＯＳＦＥＴとして動作させるために、その電流−電圧特性はＭＯＳＦＥＴとしての特性を示すことになり、センス電圧の温度依存性を改善することができる。
〔実施例４〕
図１０に、本発明第４の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４近傍の部分断面を示す。この実施例４が従来例と異なっているのは、主ＩＧＢＴ部１３のエミッタ電極８とセンスＩＧＢＴ部１４のセンスエミッタ電極２８との間にセンス抵抗３２と直列にダイオード３３が挿入されている点である。
【００４７】
図１２にこの実施例４の等価回路を示す。このような構造にすることにより、センスＩＧＢＴ部１４のセンスエミッタ電極２８にかかる電圧は、主ＩＧＢＴ部１３のエミッタ電極８の電圧より、ダイオード３３の順電圧分だけ低下することになる。その結果センスＩＧＢＴ部１４の電流−電圧特性曲線の負性抵抗領域にはかからなくなる。そして、センス電圧の温度依存性を低減することが可能となる。
〔実施例５〕
図１１に、本発明第５の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部１４近傍の部分断面を示す。この例は上記実施例４の変形例であり、ダイオード３３が、ＩＧＢＴチップ上に形成されているものである。すなわち、センスＩＧＢＴ部１４のｐ分離領域１６を覆う酸化膜１８上に多結晶シリコンのｐアノード領域３４とｎカソード領域３５からなるダイオード３３が形成されている。ｐアノード領域３４には、センスエミッタ電極２８が接触し、ｎカソード領域３５に接触するカソード電極は、センス抵抗３２を介してエミッタ電極８に接続される。
【００４８】
この実施例５の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの動作は実施例４と同様であり、センス電圧の温度依存性を低減することが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、主ＩＧＢＴ部とセンスＩＧＢＴ部とを有し、エミッタ電極とセンスエミッタ電極との間に接続された抵抗での電圧降下を利用する電流検知部内蔵型ＩＧＢＴにおいて、センスゲート絶縁膜上に部分的に厚い絶縁膜を形成する、又は、第一導電型センスエミッタ領域を選択的に形成し、保護のため検知すべき電流水準における主ＩＧＢＴのオン電圧以下の範囲で、センスＩＧＢＴの電流−電圧特性をほぼ線型にすることによって、センス電圧の不連続点をなくし、センス電圧の温度依存性を改善することができる。その結果、電流の検知精度が大幅に高められ、確実に半導体素子および回路が保護されるようになる。
【００５０】
また、第二導電型センスベース領域上に分離電極を形成し、主ＩＧＢＴ部のエミッタ電極と接続する、又は、エミッタ電極とセンスエミッタ電極との間にダイオードを挿入することにより、同様の効果が得られることを示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明参考例１の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのゲート電極中央における水平断面図
【図２】本発明参考例２の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのゲート電極中央における水平断面図
【図３】図１の参考例１のＡ−Ａ'線に沿った部分断面図
【図４】図３の参考例１のＢ−Ｂ'線に沿った部分断面図
【図５】本発明参考例３の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの部分断面図
【図６】本発明参考例４の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの部分断面図
【図７】本発明第１の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの部分断面図
【図８】本発明第２の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの部分断面図
【図９】本発明第３の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの部分斜視図
【図１０】本発明第４の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの部分断面図
【図１１】本発明第５の実施例の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴの部分断面図
【図１２】本発明第４の実施例の等価回路図
【図１３】電流検知部内蔵型ＩＧＢＴを使用した回路の図
【図１４】従来の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのゲート電極中央における水平断面図
【図１５】図１４の従来例のＣ−Ｃ'線に沿った部分断面図
【図１６】過電流時のタイミングチャート
【図１７】負荷短絡時のタイミングチャート
【図１８】ＩＰＭの保護回路の図
【図１９】（ａ）、（ｂ）は負荷短絡時の電流、電圧波形図
【図２０】従来の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンス電圧の温度依存性を示す図
【図２１】従来の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部の電流−電圧特性図
【図２２】本発明参考例１の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部の電流−電圧特性図
【図２３】本発明参考例１，２の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンス電圧の温度依存性を示す図
【図２４】本発明参考例２の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部の電流−電圧特性図
【図２５】本発明参考例４の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのセンスＩＧＢＴ部の電流−電圧特性の温度依存性を示す図
【図２６】本発明参考例４の電流検知部内蔵型ＩＧＢＴのオン電圧−スイッチング損失のトレードオフ特性図
【図２７】主ＩＧＢＴ部の電流−電圧特性図
【符号の説明】
１ｐコレクタ層
２ｎ⁺バッファ層
３ｎベース層
４ｐベース領域
５ｎエミッタ領域
６ゲート酸化膜
７ゲート電極
８エミッタ電極
９コレクタ電極
１０ｐウェル領域
１１チャネル領域
１３主ＩＧＢＴ部
１４センスＩＧＢＴ部
１５絶縁膜
１６ｐ分離領域
１７活性領域
１８酸化膜
１９ｐ引き抜き領域
２０保護回路
２１負荷
２２電源
２３蓄積層
２４ｐセンスベース領域
２５ｎセンスエミッタ領域
２６センスゲート酸化膜
２７センスゲート電極
２８センスエミッタ電極
３０ｐセンスウェル領域
３１センスチャネル領域
３２、３２ａ、３２ｂセンス抵抗
３３センスダイオード
３４ｐセンスアノード領域
３５ｎセンスカソード領域
４１分離電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a minority carrier injection type semiconductor device including a temperature detection unit used for an inverter device or the like.
[0002]
[Prior art]
A so-called bipolar semiconductor element (IGBT, bipolar transistor, etc.) of a minority carrier injection type is used for an inverter or the like, and recently, the IGBT has been replaced by a bipolar transistor and the market has been expanded. IGBTs have been developed mainly with an emphasis on improving overall loss and the characteristics of safe operation areas, but in recent years, there has been an increasing demand for higher functionality and ease of handling. In order to meet these various demands, there is a limit in the IGBT alone, and it is trying to respond by making power devices such as IGBTs intelligent. Intelligentization is to increase functionality while compensating for each weak point by integrating power devices and their peripheral circuits. For example, IPM (Intelligent Power Module) appeared as one of the first. It is a device.
[0003]
With the advent of IPM, IGBTs have rapidly penetrated into application fields that used conventional thyristors and bipolar transistors. When an IGBT is used in an inverter or the like, there is a mode in which overvoltage and overcurrent such as a load short-circuit are applied. In addition to protecting the power device alone, these are overheated, overcurrent and overvoltage through an external circuit as IPM technology. There is an example in which it is possible to detect and protect.
[0004]
FIG. 13 shows a circuit using an IPM with a built-in current detection unit. For overcurrent detection, for example, a main IGBT unit 13 for controlling current to the load 21 and an auxiliary IGBT unit (hereinafter referred to as a sense IGBT unit) 14 divided for current detection are built in the IPM module. ing. A sense resistor 32 is connected between the emitter electrode of the sense IGBT unit 14 and that of the main IGBT unit 13 to detect a voltage drop (sense voltage) in the sense resistor 32 due to a current flowing through the sense IGBT unit 14. The gate voltages of the main IGBT part 13 and the sense IGBT part 14 are lowered through the protection circuit 20. Reference numeral 22 denotes a power source.
[0005]
FIG. 16 shows a timing chart of signals and the like during an overcurrent operation of the IPM including the current detection unit built-in IGBT. The horizontal axis is time. When the protection circuit (2) is not operating, the gate signal (3) is given to the IGBT according to the control signal (1), and the output current (4) flows. When an overcurrent exceeding a predetermined output current flows due to an external condition or an accident of the element itself at time t1, the protection circuit of (2) operates, the gate signal (3) of the IGBT is stopped, and the output of (4) The current is cut off and the protection operation against the overcurrent is performed.
[0006]
When the protection circuit (2) is reset at time t2, the gate signal (3) is input to the IGBT again according to the control signal (1), and the output current (4) starts flowing from time t3. (5) is, for example, an alarm signal output that works in synchronization with the protection circuit of (2).
FIG. 17 shows a timing chart at the time of load short-circuiting of the IPM including the current detection part built-in IGBT. The horizontal axis is time. When the protection circuit (2) is not operating, the gate signal (3) is given to the IGBT according to the control signal (1), and the output current (4) flows. When an excessive current flows due to a load short circuit at time t1, the protection circuit (2) operates. At this time, the gate signal (3) of the IGBT is gradually lowered to cut off the output current of (4).
[0007]
When the protection circuit (2) is reset at time t2, the gate signal (3) is input to the IGBT again according to the control signal (1), and the output current (4) starts flowing from time t3.
FIG. 14A shows a horizontal section at the center of the gate electrode in the vicinity of the sense IGBT portion of the current detection portion built-in IGBT as an example of the IPM in which the current detection portion is built in a part of the semiconductor element. A sense IGBT section 14 having an area of 1/100 to 1 / 10,000 is provided in the stripe-shaped emitter electrode 8 and gate electrode 7 of the main IGBT section 13 of the current detection section built-in IGBT chip of several mm square. It has been. The sense IGBT portion 14 includes an octagonal polycrystalline silicon sense gate electrode 27 in an oxide film 18, in which four long stripe-like sense emitter electrodes 28 and two short sense emitter electrodes 28 are provided. Is seen. The sense emitter electrode 28 and the sense gate electrode 27 are insulated by an insulating film (not shown). FIG. 14B is an enlarged plan view of each diffusion region on the surface of the silicon substrate under one sense emitter electrode 28. There is a p-sense well region 30 in an oval n-sense emitter region 25 and a p-sense base region 24 on the outside. The outside is the n base layer 3. A dotted line indicates a contact range of the sense emitter electrode 28. Similar diffusion regions are formed under the stripe-shaped sense emitter electrode 28 in FIG. The elliptical n-sense emitter region 25, p-sense base region 24, and p-sense well region 30 will be referred to as sense emitter stripes.
[0008]
FIG. 15 is a partial cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. The right part of FIG.
This is an active region of the main IGBT section 13 that performs a switching action of conduction and interruption of current. The unit portion (hereinafter referred to as a cell) including one control electrode as shown in the figure is inverted and repeated, and the active region is composed of an extremely large number of cells. Further, a breakdown voltage structure such as a guard ring structure or a field plate structure is provided at the peripheral portion of the IGBT, but it is not shown in the drawing.
[0009]
The main IGBT portion 13 is formed on the p collector layer 1 with n ⁺ A p base region 4 is selectively formed on the surface layer of the n base layer 3 stacked via the buffer layer 2, and a p well region 10 having a deep diffusion depth is formed in a part of the p base region 4. Yes. An n emitter region 5 is also selectively formed on the surface layer of the p base region 4. A gate electrode 7 made of polycrystalline silicon and connected to the G terminal is provided on the surface of the p base region 4 sandwiched between the n base layer 3 and the n emitter region 5 via a gate oxide film 6. A collector electrode 9 connected to the C terminal is provided on the back surface of the p collector layer 1, and an emitter connected to the E terminal in common contact with the n emitter region 5 and the p base region 4 on the n emitter region 5. Electrodes 8 are provided respectively. This IGBT
Gate oxide film 6, gate electrode 7, p base region 4, n emitter region 5, n base layer 3, n ⁺ MOSFET composed of buffer layer 2 and p collector layer 1, n ⁺ It can also be considered to be composed of a pnp transistor composed of the buffer layer 2, the n base layer 3, and the p base region 4.
[0010]
A sense IGBT unit 14 is provided as a current detection unit on the left side of FIG. The sense IGBT portion 14 is formed at the same time as the main IGBT described above. That is, p collector layer 1, n ⁺ The buffer layer 2 and the n base layer 3 are common, and a p-sense base region 24 is selectively formed on the surface layer of the n base layer 3. A wide p isolation region 16 is formed around the p sense base region 24. An n sense emitter region 25 is selectively formed on the surface layer of the p sense base region 24, and a sense gate oxide film 26 is formed on the surface of the p sense base region 24 sandwiched between the n base layer 3 and the n sense emitter region 25. A sense gate electrode 27 made of polycrystalline silicon is provided. In addition, a sense emitter electrode 28 that is in common contact with the n sense emitter region 25 and the p sense base region 24 and is connected to the SE terminal is provided. In FIG. 14, the sense emitter electrode 28 has a stripe shape, but as shown in the sectional view, the sense emitter electrode 28 is connected on the sense gate electrode 27 with the insulating film 15 interposed therebetween. The n base layer 3 and below and the collector electrode 11 connected to the C terminal on the back surface of the p collector layer 1 are common to the main IGBT portion 13. The sense gate electrode 27 is connected to the gate electrode 7 of the main IGBT section 13 in a cross section (not shown). The sense emitter electrode 28 is connected to the emitter electrode 8 through the sense resistor 32. In the figure, the sense resistor 32 is an external resistor, but it may be configured inside the semiconductor chip.
[0011]
In the center of FIG. 15, a p-drawing region 19 is formed so as to partially overlap the p base region 4 on the surface layer of the n base layer 3. The p extraction region 19 is in contact with the emitter electrode 8 on the surface, and is used for extracting holes in the n base layer 3 at the boundary between the main IGBT portion 13 and the sense IGBT portion 14 during the off operation. .
[0012]
The switching operation of the IGBT is performed as follows. In a state where a positive voltage is applied to the C terminal with respect to the E terminal, a voltage equal to or higher than the threshold value is applied to the gate electrode 7, whereby the surface layer (channel region 11) of the p base region 4 immediately below the gate electrode 7. ), An inversion layer is formed, and the MOSFET becomes conductive. Through the inversion layer, electrons are transferred from the n emitter region 5 to the n base layer 3, n ⁺ It is injected into the buffer layer 2. p collector layer 1 and n ⁺ Since the junction with the buffer layer 2 is forward-biased, electrons flow into the p collector layer 1 through this junction. Then, the p collector layer 1, n ⁺ A pnp transistor using the buffer layer 2, the n base layer 3, and the p base region 4 as an emitter, a base, and a collector operates to generate conductivity modulation, and the main IGBT portion 13 is turned on. FIG. 27 shows the current-voltage characteristics of an IGBT having a rated current of 150A and a voltage of 600V. The horizontal axis is the collector-emitter voltage V _CE The vertical axis is the collector current I _C It is. Since conductivity modulation is used, it can be seen that the on-voltage is small.
[0013]
Since sense IGBT portion 14 is formed in parallel with main IGBT portion 13, the surface of p sense base region 24 immediately below sense gate electrode 27 is similarly applied by applying a voltage equal to or higher than the threshold value to sense gate electrode 27. An inversion layer is formed in the layer (sense channel region 31), and electrons are transferred from the n sense emitter region 25 through the inversion layer to the n base layer 3, n ⁺ It is injected into the buffer layer 2. p collector layer 1 and n ⁺ Since the junction with the buffer layer 2 is forward-biased, electrons flow into the p collector layer 1 through this junction. Then, the p collector layer 1, n ⁺ A pnp transistor having the buffer layer 2, the n base layer 3, and the p sense base region 24 as an emitter, a base, and a collector operates to generate conductivity modulation, and the sense IGBT section 14 is turned on. A voltage drop occurs in the sense resistor 32 due to the current shunted to the sense IGBT section 14. When an overcurrent flows, the voltage drop in the sense resistor 32 increases. Therefore, the sense voltage is processed by a protection circuit (not shown), the gate voltages of the main IGBT unit 13 and the sense IGBT unit 14 are lowered, and the semiconductor element And to protect the circuit.
[0014]
When the IGBT is turned off, it is formed on the surface layers of the p base region 4 and the p sense base region 24 immediately below the gate electrode 7 and the sense gate electrode 27 by removing the voltage of the gate electrode 7 and the sense gate electrode 27. The inversion layer disappears, and the injection of electrons from the n emitter region 5 and the n sense emitter region 25 is stopped and turned off.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 18 is an example of another protection circuit. In this example, the sense resistors are divided into an overcurrent sense resistor 32a and a load short-circuit sense resistor 32b, which are connected to the terminals of the protection circuit 20, respectively. In this way, the correspondence between overcurrent and load short circuit can be changed. For example, it is possible to avoid an excessive sense voltage input to the protection circuit 20 when the load is short circuited.
[0016]
FIGS. 19A and 19B show current and voltage waveforms when the load of the conventional IGBT with a built-in current detector is short-circuited. FIG. 19B shows waveforms when the overcurrent sense resistor 32a and the load short-circuit sense resistor 32b are divided as shown in FIG. 18, and FIG. 19A is not divided. In FIG. 5B, since a small resistor is used as the load short-circuiting sense resistor 32b, the collector current is suppressed to a low value. However, in any case, it can be seen that the operation of the IGBT with a built-in current detection portion when the load is short-circuited is stable as shown in FIG. This is because, as shown in FIG. 14, the sense IGBT part is sufficiently isolated from the main IGBT part. When the load is short-circuited, the current and voltage shown in FIG. 19 are applied to the main IGBT section and the sense IGBT section. At this time, the sense IGBT section wraps around the holes generated when the main IGBT section is on. This is suppressed by sufficiently isolating the sense IGBT part from the main IGBT part to stabilize the limit current value at the time of short circuit.
[0017]
However, it was found that the protection operation at the time of overcurrent, especially the operation at high temperature, is unstable. FIG. 20 shows the sense resistance dependence of the sense voltage at 25 ° C. and 125 ° C. The horizontal axis is the sense resistance (R _S ), The vertical axis represents the sense voltage (V _S ). This sense voltage is a voltage drop across the sense resistor when a current twice the rated current is passed. The curve of the sense voltage at high temperature is bent, and the temperature dependence in the low sense resistance range is considerably larger than the temperature dependence in the high sense resistance range. This means that the voltage drop (sense voltage V _S ) Becomes a problem when deciding. For example, when the current at which the protective circuit operates at 25 ° C. is set, the protective circuit operates at a much smaller current at 125 ° C.
[0018]
In order to investigate the cause of this temperature dependence discontinuity, the characteristics of the sense IGBT were examined. FIG. 21 shows current-voltage characteristics of the sense IGBT. The horizontal axis is voltage (V _CE ), The vertical axis represents current (I _c ). It can be seen that there is a negative resistance region at both 25 ° C. and 125 ° C., and that the voltage at which the negative resistance region starts is shifted between 25 ° C. and 125 ° C. That is, it became clear that the temperature dependency of the sense voltage at the time of overcurrent deteriorates when the operating resistance (Ron) of the sense IGBT shifts between 25 ° C. and 125 ° C.
[0019]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an insulated gate bipolar transistor having a built-in current detection unit with high overcurrent detection accuracy.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type base region selectively formed on a surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer, and the second conductivity type semiconductor layer. A first conductivity type emitter region selectively formed on the surface layer of the mold base region, and a channel region which is a portion sandwiched between the first conductivity type semiconductor layer and the first conductivity type emitter region of the second conductivity type base region A gate electrode formed on the surface of the first electrode via a gate insulating film, an emitter electrode that is in common contact with the surfaces of the second conductivity type base region and the first conductivity type emitter region other than the channel region, and a first conductivity type A second conductivity type collector region formed in another part of the surface layer of the semiconductor layer; a collector electrode provided in contact with the surface of the second conductivity type collector region; and one of the first conductivity type semiconductor layers Second conductive in another part of the side surface layer A main IGBT portion formed of a second conductivity type extraction region formed on the surface and partially overlapping with the base electrode and in contact with the emitter electrode, and a portion below the first conductivity type semiconductor layer as a main IGBT portion Commonly and selectively on the surface layer of the second conductivity type sense base region, the second conductivity type sense base region formed in a region adjacent to the second conductivity type extraction region of the surface layer of the first conductivity type semiconductor layer A sense gate formed on the surface of the sense channel region which is a portion sandwiched between the first conductivity type sense emitter region formed, the first conductivity type semiconductor layer of the second conductivity type sense base region, and the first conductivity type sense emitter region A sense gate electrode formed through an insulating film, and a sense emitter in common contact with the surfaces of the second conductivity type sense base region and the first conductivity type sense emitter region other than the sense channel region In the insulated gate bipolar transistor with a built-in current detection unit, which has a sense IGBT unit for current detection composed of a data electrode and uses a voltage drop at a sense resistor connected between the emitter electrode and the sense emitter electrode ,
Forming a partially thick insulating film on the sense gate insulating film or selectively forming the first conductivity type sense emitter region, and a range below the on-voltage of the main IGBT portion at the current level to be detected for protection Thus, it is assumed that the current-voltage characteristic of the sense IGBT portion is linear.
[0021]
If the current-voltage characteristic of the sense IGBT section is linear, no discontinuity occurs in the voltage drop across the sense resistor. And the temperature dependence of the sense voltage is stabilized.
[0022]
[0023]
If a partially thick insulating film is formed on the sense gate insulating film, the underlying channel region becomes thin, and if the first conductivity type sense emitter region is selectively formed, the area of the first conductivity type sense emitter region is reduced. In both cases, the injection amount of the first conductivity type carriers from the first conductivity type sense emitter region is reduced.
[0024]
Further, an isolation electrode may be formed on the second conductivity type sense base region and connected to the emitter electrode of the main IGBT portion.
By doing so, the current flowing from the first conductivity type sense emitter region to the sense resistor is only the current of the first conductivity type carrier, and the sense IGBT operates close to the MOSFET.
[0025]
In a current detection unit built-in IGBT having a sense IGBT for current detection, a diode may be connected between the emitter electrode and the sense emitter electrode.
By doing so, the effective gate voltage applied to the gate of the sense IGBT is reduced by the forward voltage of the diode. Therefore, the resistance of the channel region is increased and the amount of the first conductivity type carrier injected from the first conductivity type sense emitter region is decreased, and the conductivity modulation is hardly caused.
[0026]
A diode may be formed on the chip, and the second conductivity type anode region of the diode may be connected to the sense emitter electrode.
By doing so, it is not necessary to attach a diode externally and the size can be reduced.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following, layers and regions having p and n are the layers and regions in which holes and electrons are majority carriers, respectively.
[ reference Example 1)
FIG. 1 shows the present invention. Reference example 1 It is a horizontal sectional view in the center of the gate electrode in the vicinity of the sense IGBT section 14 of the current detection section built-in IGBT. There is an oxide film 18 on a wide p-isolation region surrounded by the stripe-shaped emitter electrode 8 and gate electrode 7 of the main IGBT portion 13, and an octagonal gate electrode 27 can be seen in the center. The difference from the conventional example of FIG. 14 is that the sense IGBT section 14 has one sense emitter stripe. Therefore, only one stripe-shaped sense emitter electrode 28 is seen in this sectional view. The sense emitter electrode 28 and the sense gate electrode 27 are insulated by an insulating film (not shown). A band extending downward from the octagonal sense gate electrode 27 in the drawing is a connecting portion connecting the sense gate electrode 27 and the gate electrode 7 of the main IGBT portion 13. A p-separation region described later is also formed below this connecting portion.
[0028]
FIG. 3 shows a partial cross section along the line AA ′ of FIG. The right side of the figure is an active region of the main IGBT unit 13 that performs switching action of conduction and interruption of the main current of the IGBT with built-in current detection unit. As in the conventional example of FIG. 14, n is formed on the p collector layer 1. ⁺ A p base region 4 and a p well region 10 having a deep diffusion depth are selectively formed in the surface layer of the n base layer 3 stacked via the buffer layer 2. An n emitter region 5 is selectively formed on the surface layer of the p base region 4, and a gate oxide film 6 is interposed on the surface of the p base region 4 sandwiched between the n base layer 3 and the n emitter region 5. A gate electrode 7 made of polycrystalline silicon and connected to the G terminal is provided. A collector electrode 9 connected to the C terminal is connected to the back surface of the p collector layer 1, and is in contact with the surfaces of the n emitter region 5 and the p well region 10 on the n emitter region 5 and connected to the E terminal. Each emitter electrode 8 is provided.
[0029]
The n base layer 3 of such an IGBT is, for example, a p collector layer 1 and an n layer stacked thereon. ⁺ It is formed by epitaxial growth on a substrate composed of the buffer layer 2. The p base region 4 is formed by introducing impurities using the previously formed gate electrode 7 as a mask, and the n emitter region 5 is formed by introducing impurities using a photoresist (not shown) as a mask. As shown in the figure, the emitter electrode 8 may be extended on the gate electrode 7 through the insulating film 15.
[0030]
A sense IGBT unit 14 is provided as a current detection unit on the left side of FIG. The sense IGBT portion 14 is formed simultaneously with the main IGBT portion 13 described above. That is, p collector layer 1, n ⁺ The buffer layer 2 and the n base layer 3 are common to the main IGBT portion 13, and a p sense base region 24 is selectively formed on the surface layer of the n base layer 3 and a p sense well region 30 having a deep diffusion depth is partially formed. Is formed. An n sense emitter region 25 is selectively formed on the surface layer of the p sense base region 24, and a sense gate oxide film 26 is formed on the surface of the p sense base region 24 sandwiched between the n base layer 3 and the n sense emitter region 25. A sense gate electrode 27 made of polycrystalline silicon is provided through the electrode. In addition, a sense emitter electrode 28 is provided in common contact with the n sense emitter region 25 and the p sense well region 30 and connected to the SE terminal. Outside the p-sense base region 24 is a wide p-isolation region 16 which is covered with an oxide film 18. The sense gate electrode 27 and the gate electrode 7 of the main IGBT portion 13 are connected at a portion not shown.
[0031]
The sense emitter electrode 28 is connected to the main emitter electrode 8 through the sense resistor 32. In the figure, the sense resistor 32 is an external resistor, but it may be configured inside the semiconductor element.
In the center of FIG. 3, a p-drawing region 19 is formed so as to partially overlap the p base region 4 on the surface layer of the n base layer. The p extraction region 19 is in contact with the emitter electrode 8 on the surface, and is used for extracting holes in the n base layer 3 at the boundary between the main IGBT portion 13 and the sense IGBT portion 14 during the off operation. .
[0032]
It can be seen that there is one sense emitter stripe and two oval n sense emitter regions 25 in cross section. Therefore, the area of the active region 17 through which the sense current flows shown by the dotted line in FIG. 1 is about 1/3 of the conventional example, and when the gate voltage is applied, the n base layer 3 passes from the n sense emitter region 25 through the sense channel region. The amount of electrons injected into is greatly reduced. Further, since only one sense emitter stripe is isolated, it is considered that the injected electron current hardly works as the base current of the pnp transistor, and the conductivity modulation of the sense IGBT section 14 is difficult to occur.
[0033]
This is shown in FIG. Reference example 1 The current-voltage characteristic of the sense IGBT section 14 of the IGBT is shown. The horizontal axis is voltage (V _CE ), The vertical axis represents current (I _C ). For comparison, a current-voltage characteristic of a conventional IGBT with a built-in current detection unit is shown by a dotted line. Reference example 1 In this voltage range, no negative resistance region having the current-voltage characteristic observed in the sense IGBT portion of the conventional IGBT with a built-in current detection portion is generated in the curve of the sense IGBT portion. For this reason, a discontinuous region does not occur in the sense voltage-collector current characteristic, and the temperature dependence of the sense voltage is stabilized. FIG. 23 shows the sense resistance dependence of the sense voltage at normal temperature and high temperature. The horizontal axis is the sense resistance R _S The vertical axis represents the sense voltage V _S It is. Sense voltage V _S Is the voltage drop across the sense resistor when a current twice the rated current is passed. For comparison, the conventional IGBT with a built-in current detection unit is also shown. The curves at 25 ° C. and 125 ° C. are not bent, and are almost linear and show the same tendency. Further, the curves at 25 ° C. and 125 ° C. are close to each other, and the temperature dependency is small. This means that the limit current can be set precisely.
[ reference Example 2)
FIG. 2 shows the present invention. Reference example 2 The horizontal cross section in the center of the gate electrode in the vicinity of the sense IGBT section 14 of the current detection section built-in IGBT is shown. Surrounded by the stripe-shaped emitter electrode 8 and gate electrode 7 of the main IGBT portion 13, there is an oxide film 18 on the p isolation region, and an octagonal sense gate electrode 27 is seen at the center. The sense emitter electrodes 28 are four long and two short, which are the same as the conventional example of FIG. 14 except that the width of the gate electrode 27 between the adjacent sense emitter electrodes 28 is narrow. ing. Therefore, there are four long sense emitter stripes and two short sense emitter stripes below the stripe-shaped sense emitter electrode 28.
[0034]
FIG. 4 shows a partial cross section along the line BB ′ of FIG. The width of the gate electrode 7 of the main IGBT portion 13 is 36 μm, while the width of the sense gate electrode 27 of the sense IGBT portion 14 is 13 μm.
This is shown in FIG. Reference example 2 The current-voltage characteristic of the sense IGBT section 14 of the IGBT is shown. The horizontal axis is the collector-emitter voltage (V _CE ), The vertical axis represents current (I _C ). For comparison, current-voltage characteristics of a conventional sense IGBT are also shown. Book Reference example 2 In this sense IGBT part characteristic, the negative resistance region seen in the sense IGBT of the conventional current detection part built-in IGBT is not generated in this voltage range. Book Reference example 2 It can be seen that the characteristics of the sense IGBT section of FIG. 3 are large in resistance because current hardly flows with respect to the current-voltage characteristics of the conventional sense IGBT. This is because the resistance of the n base layer 3 between the two p sense base regions 24 increases by reducing the width of the sense gate electrode 27 of the sense IGBT section 14 between the sense emitter electrodes 28. This is because the base current of the sense IGBT portion decreases due to the FET effect, and the operation becomes more similar to the MOSFET than the operation as the IGBT. This is supported by the fact that the current-voltage characteristic shows linearity.
[0035]
In FIG. Reference example 2 The dependence of the sense voltage on the sense resistance at room and high temperatures was also shown. The curves at 25 ° C. and 125 ° C. are not bent and show the same tendency. Further, the curves at 25 ° C. and 125 ° C. are close to each other, and the temperature dependency is small. This means that the limit current can be set precisely.
[ reference Example 3)
FIG. 5 shows the present invention. Reference example 3 The partial cross section of the sense IGBT part 14 vicinity of current detection part built-in type IGBT of this is shown.
[0036]
This figure looks almost the same as the conventional example of FIG. 15, but the impurity concentration is different. That is, the surface concentration of the p base region 4 of the main IGBT portion 13 and the p sense base region 24 of the sense IGBT portion 14 are different, and the surface concentration of the p sense base region 24 is about 1.2 times higher. Therefore, unlike the previous embodiments, the main IGBT portion 13 and the sense IGBT portion 14 cannot be formed at the same time. As a manufacturing method, the ion implantation amount of boron in the p base region 4 of the main IGBT portion 13 and the sense IGBT portion 14 is changed.
[0037]
For this reason, the threshold value of the sense IGBT unit 14 is higher than that of the main IGBT unit 13. Thus, increasing the threshold value of the sense IGBT section 14 is the same as reducing the effective gate voltage applied to the sense gate electrode 27. That is, as the operation of the sense IGBT portion, the inversion layer that can be formed in the sense channel region 31 is reduced by the amount of the gate voltage being lowered, and the electron current injected from the n sense emitter region 25 into the n base layer 3 is reduced. As a result, the injection of holes from the p collector layer 1 is suppressed, and the operation of the sense IGBT unit 14 is similar to a MOSFET, and the current-voltage characteristic of the sense IGBT unit 14 is similar to the above example. It shows a characteristic close to linear.
[0038]
As a result, the operation of the sense IGBT unit 14 is shifted from that of the main IGBT unit 13, and the temperature dependence of the sense voltage can be reduced.
[ reference Example 4)
FIG. 6 shows the present invention. Reference example 4 The partial cross section of the sense IGBT part 14 vicinity of current detection part built-in type IGBT of this is shown. this Reference example 4 Is different from the conventional example in that the sense channel region 31 of the sense IGBT unit 14 is formed longer than the channel length of the channel region 11 of the main IGBT unit 13.
[0039]
FIG. 25 shows a comparison of current-voltage characteristics when the sense IGBT unit 14 has a long channel length and a short channel length. As the channel length increases, the channel resistance increases and the MOSFET voltage drop increases, but no discontinuous region occurs in the current-voltage characteristic curve. On the contrary, in the conventional example with a short channel length (dotted line), the operation as an IGBT is increased, a discontinuous region is generated in the current-voltage characteristic curve, and the temperature dependence of the sense voltage is deteriorated. Therefore, by increasing the channel length of the sense channel region 31, it becomes a characteristic similar to a MOSFET, and as a result, the temperature dependence of the sense voltage is improved.
[0040]
In general, when the channel length of the IGBT is increased, the trade-off characteristic between the on-voltage of the IGBT and the switching loss is deteriorated (FIG. 26). This is because as the channel length increases, the channel resistance increases, the MOSFET voltage drop increases, and the on-voltage increases. Since the ratio of the MOSFET voltage drop to the entire on-voltage of the IGBT is large, if the recovery of the carrier lifetime after the electron beam irradiation is increased in order to reduce the entire on-voltage, the switching loss is deteriorated.
[0041]
Therefore, it is necessary to keep the channel length of the main IGBT unit 13 short and to increase the channel length of only the channel region 31 of the sense IGBT unit 14.
〔Example 1 ]
FIG. 7 shows the present invention. 1 The partial cross section of the sense IGBT part 14 vicinity of current detection part built-in type IGBT of the Example of this is shown. This example 1 Is different from the conventional example in that a thick oxide film 18 is formed on the gate oxide film 26 of the sense IGBT portion 14 other than on the sense channel region 31, and a sense gate electrode 27 is formed thereon. It is. The gate oxide film 6 of the main IGBT portion 13 is kept thin.
[0042]
Thus, when the terrace-shaped gate oxide film is formed, the on-voltage of the sense IGBT portion 14 increases. The reason is that when a thick oxide film 18 is formed on the sense gate oxide film 26 on the n base layer 3 other than the upper part of the sense channel region 31, a storage layer generated in the surface layer of the n base layer 3 when a gate voltage is applied. This is because the carrier concentration of 23 is low and its conductivity is lowered.
[0043]
By forming the thick oxide film 18 on the sense gate oxide film 26 of the sense IGBT section 14, the sense IGBT section 14 is less likely to be turned on, and exhibits an operation similar to a MOSFET compared to the main IGBT section.
As a result, the operating characteristics of the main IGBT portion and the sense IGBT portion are shifted, and the temperature dependency of the sense voltage can be improved.
〔Example 2 ]
FIG. 8 shows the present invention. 2 It is a fragmentary perspective view of the emitter stripe vicinity of the sense IGBT part 14 of the current detection part built-in type IGBT of the embodiment. This example 2 Is different from the conventional example in that the n-sense emitter region 25 is intermittently formed on the surface layer of the p-sense base region 24.
[0044]
If the n sense emitter region 25 is partially formed in this way, the electron current injected from the n sense emitter region 25 into the n base layer 3 when the gate is turned on is reduced. Then, holes injected from the lower p collector layer are suppressed, and an operation similar to a MOSFET is performed. As a result, the temperature dependency of the sense voltage can be improved.
〔Example 3 ]
FIG. 9 shows the present invention. 3 The partial cross section of the sense IGBT part 14 vicinity of current detection part built-in type IGBT of the Example of this is shown. This example 3 Is different from the conventional example in that the sense emitter electrode 28 is in contact only with the n sense emitter region 25 and the p sense well region 30 is in contact with another isolation electrode 41. The surface of the boundary between n sense emitter region 25 and p sense well region 30 is covered with an insulating film.
[0045]
By adopting such a structure, it is possible to operate as a complete MOSFET with the IGBT dimensions. Hereinafter, the operation of the sense IGBT unit 14 will be described with reference to FIG.
In a state where a positive voltage is applied to the C terminal with respect to the SE terminal, a voltage equal to or higher than the threshold value is applied to the sense gate electrode 27, thereby forming a surface layer of the p sense base region 24 immediately below the sense gate electrode 27. An inversion layer is formed, and electrons are transferred from the n sense emitter region 25 through the inversion layer to the n base layer 3, n ⁺ It is injected into the buffer layer 2. (That is, the MOSFET comprising n sense emitter region 25, p sense base region 24 and n base layer 3 conducts.) P collector layer 1 and n ⁺ Since the junction with the buffer layer 2 is forward-biased, electrons are injected from this junction. This electron current is applied to the p collector layer 1, n ⁺ Since the base current of a pnp transistor having the buffer layer 2, the n base layer 3, and the p sense base region 24 as the emitter, base, and collector, respectively, this transistor operates and a large amount of holes are injected from the p collector layer 1. As a result, conductivity modulation occurs and the IGBT is turned on. At this time, since the separation electrode 41 is provided on the p sense base region 24, the hole current flows into the separation electrode 41 and does not flow into the sense emitter electrode 28. Accordingly, only the electron current flows through the sense emitter electrode 28. By connecting the sense emitter electrode 28 to the emitter electrode 8 via the sense resistor 32, it is possible to operate as a MOSFET while having an IGBT structure.
[0046]
As described above, since the sense IGBT section 14 is operated as a MOSFET, the current-voltage characteristic shows the characteristic as a MOSFET, and the temperature dependence of the sense voltage can be improved.
〔Example 4 ]
FIG. 10 shows the present invention. 4 The partial cross section of the sense IGBT part 14 vicinity of current detection part built-in type IGBT of the Example of this is shown. This example 4 Is different from the conventional example in that a diode 33 is inserted in series with the sense resistor 32 between the emitter electrode 8 of the main IGBT portion 13 and the sense emitter electrode 28 of the sense IGBT portion 14.
[0047]
FIG. 12 shows this embodiment. 4 The equivalent circuit of is shown. By adopting such a structure, the voltage applied to the sense emitter electrode 28 of the sense IGBT section 14 is reduced by the forward voltage of the diode 33 from the voltage of the emitter electrode 8 of the main IGBT section 13. As a result, the negative resistance region of the current-voltage characteristic curve of the sense IGBT unit 14 is not applied. And it becomes possible to reduce the temperature dependence of a sense voltage.
〔Example 5 ]
FIG. 11 shows the present invention. 5 The partial cross section of the sense IGBT part 14 vicinity of current detection part built-in type IGBT of the Example of this is shown. This example is the above example 4 The diode 33 is formed on the IGBT chip. That is, a diode 33 including a p anode region 34 and an n cathode region 35 of polycrystalline silicon is formed on the oxide film 18 covering the p isolation region 16 of the sense IGBT portion 14. A sense emitter electrode 28 is in contact with the p anode region 34, and a cathode electrode in contact with the n cathode region 35 is connected to the emitter electrode 8 through the sense resistor 32.
[0048]
This example 5 Operation of IGBT with built-in current detector is an example 4 The temperature dependency of the sense voltage can be reduced.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the IGBT with a built-in current detection unit that has a main IGBT portion and a sense IGBT portion and uses a voltage drop at a resistor connected between the emitter electrode and the sense emitter electrode. In this case, a thick insulating film is partially formed on the sense gate insulating film, or the first conductivity type sense emitter region is selectively formed, and the ON voltage of the main IGBT is lower than the current level to be detected for protection. By making the current-voltage characteristic of the sense IGBT almost linear in the range, the sense voltage discontinuity can be eliminated and the temperature dependence of the sense voltage can be improved. As a result, the current detection accuracy is greatly improved, and the semiconductor elements and circuits are reliably protected.
[0050]
Further, by forming an isolation electrode on the second conductivity type sense base region and connecting it to the emitter electrode of the main IGBT part, or inserting a diode between the emitter electrode and the sense emitter electrode, the same effect can be obtained. It was shown to be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the present invention. Reference example 1 Horizontal sectional view at the center of gate electrode of IGBT with built-in current detector
FIG. 2 Reference example 2 Horizontal sectional view at the center of gate electrode of IGBT with built-in current detector
FIG. 3 is a diagram of FIG. Reference example 1 Partial sectional view along line AA '
FIG. 4 of FIG. Reference example 1 Partial sectional view along line BB '
FIG. 5 shows the present invention. Reference example 3 Sectional view of IGBT with built-in current detector
FIG. 6 Reference example 4 Sectional view of IGBT with built-in current detector
FIG. 7 1 Partial sectional view of the current detection part built-in IGBT of the embodiment of
FIG. 8 2 Partial sectional view of the current detection part built-in IGBT of the embodiment of
FIG. 9 3 Partial perspective view of the current detection part built-in IGBT of the embodiment of
FIG. 10 shows the present invention. 4 Partial sectional view of the current detection part built-in IGBT of the embodiment of
FIG. 11 shows the present invention. 5 Partial sectional view of the current detection part built-in IGBT of the embodiment of
FIG. 12 shows the present invention. 4 Equivalent circuit diagram of the embodiment of
FIG. 13 is a circuit diagram using an IGBT with a built-in current detection unit.
FIG. 14 is a horizontal sectional view at the center of the gate electrode of a conventional IGBT with a built-in current detection unit;
15 is a partial sectional view taken along the line CC ′ of the conventional example of FIG.
FIG. 16 is a timing chart at the time of overcurrent.
FIG. 17: Timing chart when load is short-circuited
FIG. 18 is a diagram of an IPM protection circuit.
FIGS. 19A and 19B are current and voltage waveform diagrams when the load is short-circuited.
FIG. 20 is a diagram showing the temperature dependence of the sense voltage of a conventional IGBT with a built-in current detection unit;
FIG. 21 is a current-voltage characteristic diagram of a sense IGBT section of a conventional current detection section built-in IGBT.
FIG. 22 Reference example 1 Current-voltage characteristics diagram of sense IGBT part of IGBT with built-in current detection part
FIG. 23 shows the present invention. Reference examples 1 and 2 Of temperature dependence of sense voltage of IGBT with built-in current detector
FIG. 24 shows the present invention. Reference example 2 Current-voltage characteristics diagram of sense IGBT part of IGBT with built-in current detection part
FIG. 25 shows the present invention. Reference example 4 Of temperature-dependent current-voltage characteristics of the sense IGBT section of the current detection section built-in IGBT
FIG. 26 shows the present invention. Reference example 4 ON-voltage vs. switching loss trade-off characteristics of IGBT with built-in current detector
FIG. 27 is a current-voltage characteristic diagram of the main IGBT section.
[Explanation of symbols]
1 p collector layer
2 n ⁺ Buffer layer
3 n base layer
4 p base region
5 n emitter region
6 Gate oxide film
7 Gate electrode
8 Emitter electrode
9 Collector electrode
10 p-well region
11 channel region
13 Main IGBT part
14 sense IGBT part
15 Insulating film
16p isolation region
17 Active region
18 Oxide film
19p extraction region
20 Protection circuit
21 Load
22 Power supply
23 Storage layer
24 p-sense base region
25 n sense emitter region
26 sense gate oxide film
27 Sense gate electrode
28 sense emitter electrodes
30 p sense well region
31 sense channel region
32, 32a, 32b sense resistor
33 sense diodes
34 p-sense anode region
35 n sense cathode region
41 Separation electrode

Claims

A first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type base region selectively formed on a surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer, and a surface layer of the second conductivity type base region; The first conductive type emitter region formed on the first conductive type semiconductor region, the first conductive type semiconductor layer of the second conductive type base region and the surface of the channel region which is the portion sandwiched between the first conductive type emitter region through the gate insulating film Formed on the surface of the second conductivity type base region other than the channel region and the surface of the first conductivity type emitter region, and another part of the surface layer of the first conductivity type semiconductor layer A second conductivity type collector region formed on the collector, a collector electrode provided in contact with the surface of the second conductivity type collector region, and another portion of the surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer Partially overlaps with the second conductivity type base region And a main insulated gate bipolar transistor (hereinafter abbreviated as main IGBT) portion comprising a second conductivity type extraction region with an emitter electrode in contact with the surface, and a portion below the first conductivity type semiconductor layer as a main IGBT. The second conductivity type sense base region formed in a region adjacent to the second conductivity type extraction region of the surface layer of the first conductivity type semiconductor layer and the surface layer of the second conductivity type sense base region On the surface of the sense channel region which is a portion sandwiched between the first conductivity type sense emitter region formed selectively, the first conductivity type semiconductor layer of the second conductivity type sense base region and the first conductivity type sense emitter region On the surface of the second conductivity type sense base region and the first conductivity type sense emitter region other than the sense channel region. A voltage at a resistor having a sense insulated gate bipolar transistor (hereinafter abbreviated as a sense IGBT) for detecting a current composed of a common sense emitter electrode and connected between the emitter electrode and the sense emitter electrode In a current detection part built-in type insulated gate bipolar transistor (hereinafter abbreviated as a current detection part built-in IGBT) using a drop,
A thick insulating film is partially formed on the sense gate insulating film, and the current-voltage characteristic of the sense IGBT section is linear within a range equal to or lower than the on-voltage of the main IGBT at a current level to be detected for protection. An IGBT with a built-in current detector.

A first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type base region selectively formed on a surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer, and a surface layer of the second conductivity type base region; The first conductive type emitter region formed on the first conductive type semiconductor region, the first conductive type semiconductor layer of the second conductive type base region and the surface of the channel region which is the portion sandwiched between the first conductive type emitter region through the gate insulating film Formed on the surface of the second conductivity type base region other than the channel region and the surface of the first conductivity type emitter region, and another part of the surface layer of the first conductivity type semiconductor layer A second conductivity type collector region formed on the collector, a collector electrode provided in contact with the surface of the second conductivity type collector region, and another portion of the surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer Partially overlaps with the second conductivity type base region A first conductive type semiconductor comprising a main IGBT portion formed of a second conductive type extraction region formed on the surface and in contact with an emitter electrode, and a portion below the first conductive type semiconductor layer in common with the main IGBT portion. A second conductivity type sense base region formed in a region adjacent to the second conductivity type extraction region of the surface layer of the layer, and a first conductivity type selectively formed in the surface layer of the second conductivity type sense base region Formed on the surface of the sense emitter region, the first conductivity type semiconductor layer of the second conductivity type sense base region, and the surface of the sense channel region, which is a portion sandwiched between the first conductivity type sense emitter region, via a sense gate insulating film Current comprising a sense gate electrode and a sense emitter electrode that is in common contact with the surface of the second conductivity type sense base region and the first conductivity type sense emitter region other than the sense channel region And a sense IGBT circuit for knowledge, the current detector built-IGBT that utilizes a voltage drop at a resistor connected between the emitter electrode and sense emitter electrode,
The first-conductivity-type sense emitter region has a strip-shaped portion that is intermittent, and the current-voltage characteristics of the sense IGBT portion are linear within a range equal to or lower than the on-voltage of the main IGBT at the current level to be detected for protection. An IGBT with a built-in current detection unit characterized by

A first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type base region selectively formed on a surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer, and a surface layer of the second conductivity type base region; The first conductive type emitter region formed on the first conductive type semiconductor region, the first conductive type semiconductor layer of the second conductive type base region and the surface of the channel region which is the portion sandwiched between the first conductive type emitter region through the gate insulating film Formed on the surface of the second conductivity type base region other than the channel region and the surface of the first conductivity type emitter region, and another part of the surface layer of the first conductivity type semiconductor layer A second conductivity type collector region formed on the collector electrode, a collector electrode provided in contact with the surface of the second conductivity type collector region, and another portion of the surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer Partly overlapped with the second conductivity type base region A first conductive type semiconductor layer comprising: a main IGBT portion comprising a second conductive type extraction region formed on the surface and in contact with an emitter electrode; and a portion below the first conductive type semiconductor layer in common with the main IGBT portion. A second conductivity type sense base region formed in a region adjacent to the second conductivity type extraction region of the surface layer of the first conductivity type, and a first conductivity type sense emitter selectively formed in the surface layer of the second conductivity type sense base region Sense formed on the surface of the sense channel region, which is a portion sandwiched between the first conductivity type semiconductor layer and the first conductivity type sense emitter region of the region and the second conductivity type sense base region via the sense gate insulating film A sense IGBT portion for current detection comprising a gate electrode and a sense emitter electrode in contact with the surface of the first conductivity type sense emitter region; In current detector built-IGBT that utilizes a voltage drop at a resistor connected between,
An IGBT with a built-in current detection portion, characterized in that a separation electrode is provided on the surface of the second conductivity type sense base region and is connected to the emitter electrode of the main IGBT portion.

A first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type base region selectively formed on a surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer, and a surface layer of the second conductivity type base region; The first conductive type emitter region formed on the first conductive type semiconductor region, the first conductive type semiconductor layer of the second conductive type base region and the surface of the channel region which is the portion sandwiched between the first conductive type emitter region through the gate insulating film Formed on the surface of the second conductivity type base region other than the channel region and the surface of the first conductivity type emitter region, and another part of the surface layer of the first conductivity type semiconductor layer A second conductivity type collector region formed on the collector electrode, a collector electrode provided in contact with the surface of the second conductivity type collector region, and another portion of the surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer Partly overlapped with the second conductivity type base region A first conductive type semiconductor layer comprising: a main IGBT portion comprising a second conductive type extraction region formed on the surface and in contact with an emitter electrode; and a portion below the first conductive type semiconductor layer in common with the main IGBT portion. A second conductivity type sense base region formed in a region adjacent to the second conductivity type extraction region of the surface layer of the first conductivity type, and a first conductivity type sense emitter selectively formed in the surface layer of the second conductivity type sense base region Sense formed on the surface of the sense channel region, which is a portion sandwiched between the first conductivity type semiconductor layer and the first conductivity type sense emitter region of the region and the second conductivity type sense base region via the sense gate insulating film Current sensing comprising a gate electrode and a sense emitter electrode in common contact with the surface of the second conductivity type sense base region and the first conductivity type sense emitter region other than the sense channel region And a sense IGBT of the eye, in the current detector built-IGBT that utilizes a voltage drop at a resistor connected between the emitter electrode and sense emitter electrode,
An IGBT with a built-in current detection portion, wherein a diode is connected between the emitter electrode and the sense emitter electrode.

A first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type base region selectively formed on a surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer, and a surface layer of the second conductivity type base region; The first conductive type emitter region formed on the first conductive type semiconductor region, the first conductive type semiconductor layer of the second conductive type base region and the surface of the channel region which is the portion sandwiched between the first conductive type emitter region through the gate insulating film Formed on the surface of the second conductivity type base region other than the channel region and the surface of the first conductivity type emitter region, and another part of the surface layer of the first conductivity type semiconductor layer A second conductivity type collector region formed on the collector, a collector electrode provided in contact with the surface of the second conductivity type collector region, and another portion of the surface layer on one side of the first conductivity type semiconductor layer Partially overlaps with the second conductivity type base region A first conductive type semiconductor comprising a main IGBT portion formed of a second conductive type extraction region formed on the surface and in contact with an emitter electrode, and a portion below the first conductive type semiconductor layer in common with the main IGBT portion. A second conductivity type sense base region formed in a region adjacent to the second conductivity type extraction region of the surface layer of the layer, and a first conductivity type sense selectively formed in the surface layer of the second conductivity type sense base region Formed on the surface of the emitter region and the sense channel region, which is the portion sandwiched between the first conductivity type semiconductor layer of the second conductivity type sense base region and the first conductivity type sense emitter region, via a sense gate insulating film A current detection comprising a sense gate electrode and a sense emitter electrode in common contact with the surface of the second conductivity type sense base region other than the sense channel region and the first conductivity type sense emitter region. In the sense IGBT section and have a current detection unit built-IGBT that utilizes a voltage drop at a resistor connected between the emitter electrode and sense emitter electrode for,
An IGBT with a built-in current detector, wherein a diode is formed on a chip, and a second conductivity type anode region of the diode is connected to a sense emitter electrode.