JP5758793B2 - 半導体温度センサおよびこれを備えた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体温度センサおよびこれを備えた半導体装置に関する。

半導体層を抵抗体として利用し、その温度特性に基づいて温度を検知する半導体温度センサが知られている。特許文献１には、単結晶シリコンにｎ型またはｐ型の不純物を注入した半導体層を抵抗体として用いた半導体温度センサが記載されている。

特開２００８−１９２８３９号公報

半導体層の抵抗は、半導体層の不純物濃度に依存するため、特許文献１に記載の半導体温度センサでは、量産時に、抵抗体として利用する半導体層の不純物濃度がばらつくと、その温度検知性能がばらつく。このため、抵抗体として利用する半導体層は、不純物濃度の精度を高くすることができる方法を用いて製造する必要がある。その一方で、製造工程を簡略化するためには、不純物濃度の精度があまり高くない方法で製造された半導体層を利用して、半導体温度センサを製造できることが好ましい。不純物濃度の精度があまり高くない方法で製造された半導体層を利用して半導体温度センサを形成する場合、さらに高い精度で不純物を注入しても、半導体層の不純物濃度を調整することは困難である。

本明細書が開示する半導体温度センサは、半導体層によって形成された第１領域および第２領域と、第１領域の両端部に設けられた１対の第１電極と、第２領域の両端部に設けられた１対の第２電極と、第１電極および第２電極を介して第１領域と第２領域を並列に接続する配線と、を備えている。第１領域の半導体層には、第１導電型の不純物が第１濃度Ｎ１で導入されている。第２領域の半導体層には、第１導電型の不純物が第１濃度Ｎ１で導入されるとともに、第２導電型の不純物が、第１濃度よりも高い第２濃度Ｎ２で導入されている。第１領域の導電方向に垂直な断面の面積が断面積Ａ１であり、導電方向の距離がＬ１であり、第１領域のキャリアの移動度が第１移動度μ１であり、第２領域の導電方向に垂直な断面の面積が断面積Ａ２であり、導電方向の距離がＬ２であり、第２領域のキャリアの移動度が第２移動度μ２である場合に、下記式（１）を満たしている。

上記の半導体温度センサによれば、第１導電型の不純物濃度が高い第１領域と、第２導電型の不純物濃度が高い第２領域が並列に接続されているとともに、第１領域と第２領域のそれぞれの導電方向に垂直な断面積および導電方向の距離が上記式（１）を満たしている。このため、第１濃度Ｎ１に殆ど依存しない半導体温度センサを提供することができる。不純物濃度の精度があまり高くない方法で製造された第１導電型の半導体層を利用して半導体温度センサを形成する場合であっても、第２濃度Ｎ２を高精度に調整するのみで、半導体温度センサの温度検知精度を確保することができる。上記の半導体温度センサによれば、簡便に製造でき、かつ、高精度な半導体温度センサを提供することができる。

第２濃度Ｎ２は、第２領域の半導体層に第２導電型の不純物が固溶する限界の濃度である固溶限界濃度よりも高いことが好ましい。また、第２領域の第２導電型の不純物は、イオン注入によって導入されていることが好ましい。

上記の半導体センサは、半導体装置に備えられていてもよい。

実施例１の半導体温度センサを備えた半導体装置の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図であり、半導体温度センサの断面を図示している。 半導体温度センサの形状および大きさを説明する図である。

本明細書が開示する半導体温度センサは、半導体層によって形成された第１領域および第２領域を備えている。第１領域の半導体層および第２領域の半導体層の抵抗の温度変化を利用して、温度を検知する。半導体温度センサは、さらに、第１領域の両端部に設けられた１対の第１電極と、第２領域の両端部に設けられた１対の第２電極と、第１電極および第２電極を介して第１領域と第２領域を並列に接続する配線と、を備えている。

第１領域の半導体層には、第１導電型の不純物が第１濃度Ｎ１で導入されている。第２領域の半導体層には、第１導電型の不純物が第１濃度Ｎ１で導入されるとともに、第２導電型の不純物が、第１濃度よりも高い第２濃度Ｎ２で導入されている。例えば、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である場合には、第１領域のキャリアは電子であり、第２領域のキャリアは正孔である。逆に、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型である場合には、第１領域のキャリアは正孔であり、第２領域のキャリアは電子である。

ここで、第１領域の導電方向に垂直な断面の面積が断面積Ａ１であり、導電方向の距離がＬ１であり、第１領域のキャリアの移動度が第１移動度μ１であって、第２領域の導電方向に垂直な断面の面積が断面積Ａ２であり、導電方向の距離がＬ２であり、第２領域のキャリアの移動度が第２移動度μ２である場合に、第１領域の抵抗Ｒ１と第２領域の抵抗Ｒ２は、下記式（２）および（３）に示されるとおりである。

第１領域と第２領域は、並列に接続されているから、半導体温度センサのコンダクタンスＧ（＝１／Ｒ１＋１／Ｒ２）は、下記式（４）に示されるとおりである。

第１領域と第２領域のそれぞれの導電方向に垂直な断面積および導電方向の距離は、上記式（１）を満たしているから、μ１（Ａ１／Ｌ１）−μ２（Ａ２／Ｌ２）＝０である。これを上記式（４）に用いると、Ｇは下記式（５）に示すとおり、第１濃度Ｎ１に依存しないことがわかる。

上記のとおり、本明細書が開示する半導体温度センサでは、そのコンダクタンスＧが第１濃度に依存しないため、半導体温度センサの温度検知精度が第１濃度Ｎ１に依存しない。このため、量産において、第１濃度Ｎ１がばらついた場合であっても、半導体温度センサの温度検知精度を確保することができる。不純物濃度の精度があまり高くない方法（例えば、ＣＶＤ等によって半導体層を形成する方法）を用いて第１導電型の不純物が導入された半導体層を第１領域および第２領域として用いる場合であっても、第２濃度Ｎ２を高精度に調整するのみで、半導体温度センサの温度検知精度を確保することができる。

半導体温度センサの測定温度領域において、第１移動度μ１と第２移動度μ２の比であるμ２／μ１が変化する場合には、そのいずれかのμ２／μ１の値において上記式（１）を満たすように設計することが好ましい。すなわち、第１移動度μ１と第２移動度μ２の比であるμ２／μ１の半導体温度センサの測定温度領域における最大値および最小値が、それぞれμ２／μ１（ｍａｘ），μ２／μ１（ｍｉｎ）である場合に、下記式（６）を満たすように設計することが好ましい。

上記式（６）の範囲で（Ｌ１／Ａ１）／（Ｌ２／Ａ２）の値を決定する方法について、具体例を挙げて説明する。例えば、幅広い測定温度領域において温度検知精度を高くしたいときには、上記式（６）の（Ｌ１／Ａ１）／（Ｌ２／Ａ２）の値がμ２／μ１（ｍａｘ）とμ２／μ１（ｍｉｎ）の平均値に等しくなるように、Ｌ１，Ａ１，Ｌ２，Ａ２の値を設計することが好ましい。また、特定の温度Ｔｏ（℃）を超えたことを検知したいときには、（Ｌ１／Ａ１）／（Ｌ２／Ａ２）の値が、特定の温度Ｔｏにおけるμ２／μ１の値に等しくなるように、Ｌ１，Ａ１，Ｌ２，Ａ２の値を設計することが好ましい。

第１領域および第２領域の半導体層の材料については、特に限定されないが、シリコン、炭化ケイ素等を例示することができる。また、第１領域および第２領域の結晶構造については、特に限定されない。例えば、シリコンを材料とする場合には、単結晶シリコンでもよいし、ポリシリコンでもよい。限定されないが、第１領域および第２領域の半導体層を、ＣＶＤ等の半導体層の形成と不純物導入を同時に行うことができる方法によって形成する場合には、半導体層が形成される際に第１導電型の不純物が導入されることが好ましい。

第２領域の第２導電型の不純物は、イオン注入等の不純物濃度を高精度に調整可能な方法によって導入されていることが好ましい。また、第２濃度Ｎ２は、第２領域の半導体層に第２導電型の不純物が固溶する限界の濃度である固溶限界濃度よりも高いことが好ましく、固溶限界濃度の２倍以上であれば、特に好ましい。固溶限界濃度は、第２濃度Ｎ２が固溶限界濃度よりも高いと、固溶限界濃度を超えた分の不純物は、第２領域の抵抗に影響しないため、固溶限界濃度を超えた範囲で第２濃度Ｎ２がばらついても、半導体温度センサのコンダクタンスＧに影響しない。このため、第２濃度Ｎ２の濃度を固溶限界濃度よりも高くすることによって、半導体温度センサの温度検知精度に対する第２濃度Ｎ２の精度の影響を十分に小さくすることができる。さらに、第２濃度Ｎ２の濃度を固溶限界濃度の２倍以上に設計すれば、量産時に第２濃度Ｎ２がばらついた場合であっても、半導体温度センサの温度検知精度に対する影響をほぼ解消することができる。

例えば、シリコンに対して、リンの固溶限界濃度は、１．５×１０^２１ｃｍ^−３であり、ボロンの固溶限界濃度は、６．５×１０^２０ｃｍ^−３である。半導体温度センサの半導体層の材料がシリコンであり、第２濃度Ｎ２がボロンの濃度である場合には、Ｎ２＞６．５×１０^２０ｃｍ^−３であることが好ましく、Ｎ２≧１．３×１０^２１ｃｍ^−３であることが特に好ましい。半導体温度センサの半導体層の材料がシリコンであり、第２濃度Ｎ２がリンの濃度である場合には、Ｎ２＞１．５×１０^２１ｃｍ^−３であることが好ましく、Ｎ２≧３．０×１０^２１ｃｍ^−３であることが特に好ましい。

第１電極、第２電極および配線としては、従来公知の電極材料または配線材料を用いることができ、半導体分野で汎用されている電極材料または配線材料を用いることが好ましい。半導体素子とともに半導体基板の表面またはその一部に半導体温度センサを形成する場合には、共存する半導体素子に用いられている電極材料または配線材料の少なくとも一部と同じ材料を用いてもよく、別の材料を用いてもよい。共存する半導体素子に用いられている電極材料または配線材料と同じ材料を用いれば、半導体素子の電極を形成する工程において同時に第１電極、第２電極および配線を形成することができ、好ましい。また、第１電極、第２電極および配線は、それぞれ別の材料であってもよいし、一部または全部が同一の材料であってもよい。

半導体温度センサは、半導体素子と同一の半導体基板内に形成されていてもよいし、半導体基板の表面に別に形成されていてもよい。半導体温度センサを設置する半導体基板に形成されている半導体素子の種類については、特に限定されない。また、半導体温度センサの形状および半導体基板内の設置位置についても、特に限定されない。また、１対の第１電極、第２電極は、それぞれ第１領域、第２領域の両端部に設けられていればよく、典型的には、電極面が互いに対向する位置に設けられるが、電極面が互いに対向していなくてもよい。第１領域および第２領域について、導電方向に垂直な断面の面積が一定でない場合には、変化する断面積の積分平均値を用いればよい。

図１および図２に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１００と、半導体温度センサ１と、表面電極１２１ａ〜１２１ｄと、ゲート配線１２３と、ゲートパッド１２４とを備えている。半導体基板１００は、セル領域と非セル領域とを備えている。非セル領域には、半導体基板１００の周縁に沿ってセル領域の周りを取り囲むように形成された周辺耐圧層１０２が設けられている。半導体基板１００のセル領域には、図２に示すように、半導体基板１００の裏面に露出するｐ^＋型のコレクタ層１１と、コレクタ層１１の表面に形成されたｎ型のドリフト層１２が形成されている。セル領域においては、さらに、ドリフト層１２の表面に形成されたｐ型のボディ層１３と、ボディ層１３の表面の一部に形成されたｎ^＋型のエミッタ層１４が形成されており、トレンチ型の絶縁ゲート１６が設けられている。ボディ層１３の一部およびエミッタ層１４は、半導体基板１００の表面に露出しており、表面電極１２１ａ〜１２１ｄのいずれかに接している。絶縁ゲート１６は、ゲート配線１２３に電気的に接続している。上記のとおり、半導体基板１００のセル領域には、縦型のトレンチゲートを有するＩＧＢＴが形成されている。

半導体温度センサ１は、半導体基板１００平面視したときの中央に位置する非セル領域の表面に設けられている。この領域において、半導体基板１００には、さらに、ドリフト層１２の表面にｐ型の半導体層１５が形成されている。半導体層１５は、半導体基板１００の表面に露出しており、ボディ層１３よりも半導体基板１００の深い位置まで伸びている。半導体層１５の表面は、表面絶縁膜１３０によって覆われており、半導体温度センサ１は、表面絶縁膜１３０の表面に形成されている。

半導体温度センサ１は、第１領域１３１と、第２領域１３２を備えている。第１領域１３１および第２領域１３２は、いずれも直方体形状のポリシリコンを材料とする半導体層であり、ｎ型のドーパントとしてリンを含み、ｐ型のドーパントとしてボロンを含んでいる。第１領域１３１は、ｎ型の不純物（リン）の濃度が第１濃度Ｎ１（＝１．０×１０^２０ｃｍ^−３）である半導体層であり、ｐ型の不純物（ボロン）は含まれていないため、第１領域１３１のキャリアは電子である。第２領域は、ｎ型の不純物（リン）の濃度が第１濃度Ｎ１であり、かつ、ｐ型の不純物（ボロン）の濃度が第２濃度Ｎ２（＝１．４×１０^２１ｃｍ^−３）である半導体層である。第２濃度Ｎ２は、第１濃度Ｎ１よりも高いため、第２領域１３２のキャリアは正孔である。

第１領域１３１および第２領域１３２は、ＣＶＤによって同時に形成され、半導体層が形成される際にリンが第１濃度Ｎ１で導入されている。第２領域１３２については、半導体層を形成した後に、第２濃度Ｎ２となるようにボロンイオンが注入されている。第２領域のボロン濃度は、第２領域１３２のいずれの部分においても１．３×１０^２１ｃｍ^−３以上となっている。

図３に模式的に示すように、半導体温度センサ１は、さらに、第１電極１２７ａ，１２８ａと、第２電極１２７ｂ，１２８ｂと、配線１２７，１２８とを備えている。第１電極１２７ａおよび第２電極１２７ｂは、配線１２７と同一の金属層によって一体に形成されている。第１電極１２８ａおよび第２電極１２８ｂは、配線１２８と同一の金属層によって一体に形成されている。なお、第１電極１２７ａ，１２８ａ、第２電極１２７ｂ，１２８ｂおよび配線１２７，１２８は、アルミニウムを材料としており、ゲート配線１２３の一部と同一の材料であるため、ゲート配線１２３を形成する工程において同時に形成される。

図２に示すように、第２領域１３２の表面は、絶縁層によって覆われており、その表面に第２電極１２７ｂ，１２８ｂおよび配線１２７，１２８を含む金属層が形成されている。第２領域１３２の表面の絶縁層の一部には、コンタクトホールが形成されており、コンタクトホールにおいて、第２電極１２７ｂ，１２８ｂは第２領域１３２と接している。第２電極１２７ｂと第２電極１２８ｂは、第２領域１３２を平面視したときの長方形形状の長手方向（図１〜図３に示すＹ方向）の両端部において第２領域１３２と接している。第２電極１２７ｂと第２電極１２８ｂは、第２領域１３２をＹ方向に挟んで対向する位置に設けられている。図２には図示しないが、第１領域１３１も同様に、第１電極１２７ａ，１２８ａと接続しており、第１電極１２７ａと第２電極１２８ａは、第１領域１３１をＹ方向に挟んで対向する位置に設けられている。第１領域１３１と第２領域１３２は、配線１２７，１２８によって並列に接続されており、配線１２７，１２８は、それぞれ電極パッド１２５，１２６に接続されている。

図３に模式的に示すように、第１領域１３１を平面視すると、長方形状であり、長方形の長手方向（Ｙ方向）の両端部に第１電極１２７ａ，１２８ａが形成されており、第１領域１３１の導電方向は、Ｙ方向である。第１電極１２７ａと第１電極１２８ａは、第１領域１３１を挟んで対向する位置に設けられている。第１領域１３１の導電方向の距離は、第１電極１２７ａと第１電極１２８ａとの電極間距離Ｌ１に等しい。また、導電方向に直交する方向（図１〜図３に示す、Ｙ方向に直交するＸ方向）の長さがＷ１であり、半導体基板１００の深さ方向（図１〜図３に示す、Ｘ，Ｙ方向に直交するＺ方向）の長さがｔ１（図示していない）であるから、導電方向に直交する断面の面積は、Ｗ１ｔ１である。同様に、第２領域１３２を平面視すると、長方形状であり、長方形の長手方向（Ｙ方向）の両端部に第２電極１２７ｂ，１２８ｂが形成されており、第２領域１３２の導電方向は、Ｙ方向である。第２電極１２７ｂと第２電極１２８ｂは、第２領域１３２を挟んで対向する位置に設けられている。第２領域１３２の導電方向の距離は、第２電極１２７ｂと第２電極１２８ｂとの電極間距離Ｌ２に等しい。また、Ｘ方向の長さがＷ２であり、Ｚ方向の長さがｔ２（図示していない）であるから、導電方向に直交する断面の面積は、Ｗ２ｔ２である。半導体温度センサ１の温度検知領域における第１領域１３１の電子の移動度はμ１であり、第２領域１３２の正孔の移動度はμ２である。第１移動度μ１と第２移動度μ２の比であるμ２／μ１は、半導体温度センサ１の測定温度領域において略一定であり、第１領域１３１と、第２領域１３２は、下記式（７）の関係を満たしている。

このため、上記式（５）に示すように、半導体温度センサ１のコンダクタンスＧは、第２濃度Ｎ２にのみ依存する。このため、量産において、第１濃度Ｎ１がばらついた場合であっても、半導体温度センサ１では、高い温度検知精度を確保することができる。さらに、第２濃度Ｎ２は、第２領域１３２のいずれの部分においても１．３×１０^２１ｃｍ^−３以上であり、これは、シリコンに対するリンの固有限界濃度の２倍以上である。このため、量産時に第２濃度Ｎ２がばらついた場合であっても、半導体温度センサ１では、高い温度検知精度を確保することができる。半導体温度センサ１は、第１領域１３１および第２領域１３２をＣＶＤによって同時に形成することができ、さらに、半導体層の形成と同時に不純物としてリンを導入することができるので、製造工程が簡便である。簡便な製造工程を用いて、ロバスト性に優れた高精度な半導体温度センサを製造することが可能である。

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

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

１ 半導体温度センサ
１０ 半導体装置
１１ コレクタ層
１２ ドリフト層
１３ ボディ層
１４ エミッタ層
１５ 半導体層
１６ 絶縁ゲート
１００ 半導体基板
１０２ 周辺耐圧層
１２１ａ〜１２１ｄ 表面電極
１２３ ゲート配線
１２４ ゲートパッド
１２５，１２６ 電極パッド
１２７，１２８ 配線
１２７ａ，１２８ａ 第１電極
１２７ｂ，１２８ｂ 第２電極
１３０ 表面絶縁膜
１３１ 第１領域
１３２ 第２領域

Claims (4)

1. 半導体層によって形成された第１領域および第２領域と、
   第１領域の両端部に設けられた１対の第１電極と、
   第２領域の両端部に設けられた１対の第２電極と、
   第１電極および第２電極を介して第１領域と第２領域を並列に接続する配線と、を備えた半導体温度センサであって、
   第１領域の半導体層には、第１導電型の不純物が第１濃度Ｎ１で導入されており、
   第２領域の半導体層には、第１導電型の不純物が第１濃度Ｎ１で導入されるとともに、第２導電型の不純物が、第１濃度よりも高い第２濃度Ｎ２で導入されており、
   第１領域の導電方向に垂直な断面の面積が断面積Ａ１であり、導電方向の距離がＬ１であり、第１領域のキャリアの移動度が第１移動度μ１であり、
   第２領域の導電方向に垂直な断面の面積が断面積Ａ２であり、導電方向の距離がＬ２であり、第２領域のキャリアの移動度が第２移動度μ２である場合に、下記式（１）を満たしている、半導体温度センサ。
   

   
2. 第２濃度Ｎ２は、第２領域の半導体層に第２導電型の不純物が固溶する限界の濃度である固溶限界濃度よりも高い、請求項１に記載の半導体温度センサ。
3. 第２領域の第２導電型の不純物は、イオン注入によって導入されている、請求項１または２に記載の半導体温度センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体温度センサを備えた半導体装置。
   

Images