JP6355846B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路、少なくとも２つの半導体集積回路を備えた回路装置、及び、温度センシングのための回路装置の利用に関する。

パワー出力段では、例えば電気モータを動作させるために所定の温度を超えることは許されない。フィールド内のパワー素子の実際の温度は、製造に起因するばらつきや事前に正確に特定することのできない動作状態に基づいて不明である。それ故、パワー素子において発生する温度ピークを回避するために、バッファ領域を、パワー出力段の構造部において設けることが公知である。ここでの欠点は、付加的な半導体面積によるコストの発生と構造スペースの浪費にある。

独国特許発明第１９９０４５７５号明細書（ＤＥ１９９０４５７５Ｃ１）には、モノリシック集積化温度センサとして機能するダイオードが記載されている。

独国特許出願公開第１０２０１１０５０１２２号明細書（ＤＥ１０２０１１０５０１２２Ａ１）には、温度センサを含み、操舵システムに用いられるパワー半導体が記載されている。

独国特許発明第１９９０４５７５号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１０５０１２２号明細書

発明の開示
半導体集積回路は、フラット基板を備えている。このフラット基板には絶縁層が配置されている。この絶縁層には半導体層が配置されている。この半導体層は、相互に隣接する少なくとも３つのセグメントを有している。これらの直接的に相互に隣接するセグメントは、逆の電荷担体又はドーパントを含む。それによって交互にｐ／ｎ接合部又はｎ／ｐ接合部が生じ、そのため相互に隣接する３つのセグメントは、半導体層が電気的に接触接続されている場合に、順方向のダイオードと阻止方向のダイオードとを含む。コンタクト層が部分的に、阻止方向のダイオードを示すセグメントに配置されている。このコンタクト層は、ここでは横方向に部分的に第２のセグメント上及び第３のセグメント上に延在している。このコンタクト層は、阻止方向のダイオードを短絡している。このコンタクト層には金属層が配置されている。この金属層は、コンタクト層を完全に覆い、コンタクト層と電気的に接続される。金属層は横方向で少なくとも部分的に、垂直方向で離間して、３つの相互に隣接するセグメントに亘って配置されている。

この場合の利点は、順方向のダイオードの直列回路が簡単な方法で実現でき、この直列回路を用いて、順方向電圧及び温度係数が、ダイオードの数に依存して設定できることにある。さらに有利な点は、金属層を用いた３つの隣接するセグメントの領域毎のカバーによって、ダイオードの寿命に亘ってドリフトが僅かしか生じないことにある。さらにこの金属層は、上記カバーによって、例えばイオンなどの不純物の拡散や光の入射からの保護を行う。

１つの改善構成では、半導体層との接触接続が第１のコンタクト構造部と第２のコンタクト構造部とを用いて行われ、第１のコンタクト構造部はカソードとして構成され、第２のコンタクト構造部はアノードとして構成されている。

１つの改善構成では、セグメントのコンタクト領域に平行に延在している幅と、１つのｐ／ｎ接合部と次のｐ／ｎ接合部との間の間隔として又は１つのｎ／ｐ接合部と次のｎ／ｐ接合部との間の間隔として定義されるセグメントの長さとからの商は、少なくとも３より大きい値を有している。

この場合、有利にも、絶縁耐力が高くなる。

さらなる構成では、金属層の垂直方向の間隔は、コンタクト層の層厚に対応している。

ここでの利点は、半導体集積回路の半導体層の表面上の電界強度が僅かな点である。

１つの改善構成では、絶縁層は、二酸化ケイ素を含む。

この場合、好ましくは、半導体回路は、様々な半導体プロセスでモノリシックに、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はＡＳＩＣに集積可能である。

この回路装置は、少なくとも２つの本発明による半導体集積回路を備え、これらの少なくとも２つの半導体集積回路は、少なくとも１つの基板延在方向において相互に離間してフラット基板の絶縁層に配置されており、前記２つの半導体集積回路は、逆のドーピング配列を有している。

ここでの利点は、この回路装置が僅かなドリフトしか有していない点にある。なぜならダイオードが降伏により動作することができないからである。

１つの改善構成では、第１の半導体回路において、１つのダイオードが順方向に、１つのダイオードが阻止方向に配置されている。第２の半導体集積回路内においても、１つのダイオードは順方向に、１つのダイオードは阻止方向に配置されている。第１の半導体回路の阻止方向に配置されたダイオードと、第２の半導体回路の順方向に配置されたダイオードは、共通の金属層によって電気的に接続されている。この金属層は、少なくとも部分的に垂直方向で離間して、横方向で前記２つの半導体集積回路の半導体層の各３つの相互に隣接するセグメントに亘って配置されている。

この場合、好ましくは、ダイオード列の逆並列接続と、阻止方向に分極されたダイオードと金属層の接続とによって、均質な電圧分布が個々のダイオードを介して行われる。なぜなら各個別阻止ダイオードを介した電圧降下は、決してそれらの逆並列接続されたダイオードの順方向電圧の値を超えて上昇することができないからである。

半導体集積回路又は回路装置は、温度センシングのために利用される。この場合、半導体集積回路は、電圧源又は電流源に接続されている。温度閾値を上回った場合には、信号が生成される。この温度閾値は、この場合、半導体集積回路又は回路装置の順方向電圧に依存して設定可能である。この順方向電圧の値は、ｐ／ｎ接合部及びｎ／ｐ接合部の数に依存して設定される。

この場合、有利にも、温度を決定するためのシステム及び補償の複雑性は僅かである。

１つの改善構成では、順方向電圧の値は、ｎ型又はｐ型領域のドーパントに依存して設定される。

さらなる利点は、以下の実施形態の説明及び従属請求項から明らかとなる。

以下では本発明を、好ましい実施形態及び添付の図面に基づいて説明する。

例示的な半導体層の接触部と、少なくとも３つのセグメントを有する半導体層とを備えた半導体集積回路を示した図。 図１ａの半導体集積回路の等価回路図。 図１ａの半導体集積回路のｘｚ平面に沿った断面図。 コンタクト層が半導体層の下方に配置されている、半導体集積回路のさらなる実施形態。 ２つの半導体集積回路を備えた回路装置。 図２ａの回路装置の等価回路図。 温度センシングのための回路。 図３ａの回路の等価回路図。 湾曲形状に構成されたドープ領域を有する温度センシングのためのさらなる回路。 環状に構成されたドープ領域を有する温度センシングのためのさらなる回路。

図１ａには、２つのコンタクト構造部１４及び１５を用いて、さらなる構成素子又は電圧源又は電流源に接続可能である、半導体集積回路１が示されている。この半導体集積回路１は、フラット基板２を備えており、その上には絶縁層３が配置されている。この絶縁層３には半導体層４が配置されており、この半導体層は、相互に隣接する３つのセグメント５，６，７を有している。第１のセグメント５と第３のセグメント７は、第１のドーパントを含む。第２のセグメント６は、第２のドーパントを含む。第１のドーパントと第２のドーパントは、逆の電荷担体を有しており、即ち、第１のセグメント５と第３のセグメント７は、例えばｐ型ドープされており、第２のセグメントはｎ型ドープされている。第２のセグメント６は、第１のセグメント５と第３のセグメント７との間に配置されている。第１のセグメント５は、第２のセグメント６に直接隣接し、第２のセグメント６は第３のセグメント７に直接隣接しているので、これらのセグメント５，６，７の逆の電荷担体に基づいて、セグメント接合部又は電荷担体接合部におけるコンタクト領域が形成され、それらはｐ／ｎ接合部１０又はｎ／ｐ接合部を形成している。それにより、図１ａにおいて参照番号１３で示された領域は、図１ｂの等価回路図に示すように、順方向のダイオード１１と、阻止方向のダイオード１２とを含んでいる。ダイオードの高い絶縁耐力を得るために、ｐ／ｎ接合部又はｎ／ｐ接合部に平行に定義される、ｐ／ｎ接合部又はｎ／ｐ接合部の幅が、コンタクト領域に隣接するセグメントのパス領域の長さに対して、次のように設計される。即ち、長さに対する幅の商が少なくとも３の値を有するように設計される。コンタクト層８は、少なくとも部分的に、第２のセグメント６と第３のセグメント７の上方に又はそれらに配置され、それらと電気的に接続される。それによりコンタクト層８は、２つのセグメント６，７の共通のコンタクトを示し、即ち、コンタクト層８は、コンタクト領域を橋絡し、それによって当該実施形態では、阻止方向に配置されたダイオード１２を短絡している。本発明によれば、阻止方向に置かれているダイオードは常に短絡している。コンタクト層８は、高濃度にドープされて縮退又は金属化されており、そのため第２のセグメント６及び第３のセグメント７に対して低抵抗のオーミックコンタクトが形成されている。金属層９は、コンタクト層８に配置され、コンタクト層８を完全に覆っている。金属層９はコンタクト層８と接触接続している。任意選択的にコンタクト層８と金属層９とを１つの層として構成してもよい。金属層９は、少なくとも部分的に垂直方向で離間して、横方向で３つのセグメント５，６，７に亘って配置され、それによって部分的に覆われた半導体層を、光の入射又は不純物の拡散から保護している。金属層９は、例えば、高濃度にドープされた又は縮退したｎ＋＋ポリシリコン又はＡｌＣｕを含む。任意選択的に、金属層９は、複数の層から成ることができ、特にバリアとして作用する例えばチタン、スズ、タングステンなどの金属層から成ることができる。絶縁層３は、二酸化ケイ素、ＴＥＯＳ又はＢＳＰＧを含む。また代替的に、絶縁層３は、シリコン窒化物を含む。フラット基板２は、シリコン、ポリシリコン又はその他の半導体材料を含む。コンタクト構造部１４は、カソードとして構成され、コンタクト構造部１５は、アノードとして構成されている。コンタクト構造部１４及び１５のセグメントは、逆の電荷担体を含む。電気的な接触接続は、コンタクト層を用いて行われ、ここでのコンタクト層は、接合部ではなく各セグメントに配置されている。それによりカソード１７は、図１ｂの等価回路図において直接的に、ダイオード１１及び１２に接続されている。アノード１６の形成のために、さらなるセグメント接合部が必要であるため、プロセスに基づいてさらなるダイオード１８が順方向に形成される。

一実施形態では、コンタクト層８は、コンタクトホールとして構成される。それによりこのコンタクトホールの金属化と金属層９は、１つの層として構成され得る。

さらなる実施形態では、３つのセグメント５，６，７のバルク抵抗及び／又は抵抗温度係数は、幾何学的形態によって実質的に同じ大きさである。

さらなる実施形態では、半導体層４は、相互に隣接する複数のセグメントを有している。ここでは、直接的に相互に隣接する複数のセグメントが逆の電荷担体を含む。その結果として、複数のｐ／ｎ接合部又はｎ／ｐ接合部が生じる。半導体層４又はコンタクト構造部の外側のセグメントが、電圧源又は電流源に接続されると、順方向のダイオード又は阻止方向のダイオードの領域最適化された直列回路、即ち、ダイオード列が生じる。阻止方向のダイオードは、プロセスに起因して発生するので、これらのダイオードは、例えば温度センシングへの適用のために短絡する必要がある。このことは、ダイオードが阻止方向に発生するセグメントに部分的に配置されたコンタクト層を用いて行われる。それにより、半導体集積回路の所定の順方向電圧が設定可能となり、そこからは温度が導出可能である。

一実施形態では、ｐ／ｎ接合部又はｎ／ｐ接合部に平行に延在する幅と、パス領域の長さは同じ大きさである。これは、半導体層のセグメントが正方形であることを意味する。

図１ｃは、半導体集積回路をｘｚ平面に沿った断面図で示している。金属層９から半導体層４までの垂直方向の間隔は、コンタクト層８の層厚又はコンタクトホールエッチングの深さに対応する。

図１ｄは、コンタクト層８が、半導体層４の下方に配置された実施形態を示している。このコンタクト層８は、ここでもダイオードを阻止方向に短絡する。金属層９は、コンタクト層８の下方に配置されている。金属層９もコンタクト層８も、それぞれ絶縁層によって囲まれている。

図２ａは、２つの半導体集積回路３１及び３２を備えた回路装置を示している。図２ｂは、それに所属する等価回路図を示している。以下の部分は、図２ａ及び図２ｂの両図に基づいている。回路装置３０は、ダイオード列に接触接続するコンタクト構造部４１及び４２を備えている。ここでは第１の半導体回路３１におけるアノードコンタクト４２又は４６に順方向のダイオードが生じ、第２の半導体回路３２におけるカソードコンタクト４１又は４５に順方向のダイオードが生じる。ここでの回路装置３０は、各３つのセグメントを含む、２つの半導体層を含んでいる。これらの２つの半導体層は、ｙ方向で相互に離間されてフラット基板４４の絶縁層３３に配置されている。第１の半導体層は、順方向のダイオード４０と阻止方向のダイオード３９を含む。第２の半導体層は、阻止方向のダイオード３７と順方向のダイオード３８を含む。第１の半導体層及び第２の半導体層においては、阻止方向のダイオード３７及び３９が、それぞれコンタクト層３４又は３５を用いて短絡される。これらのコンタクト層３４及び３５には共通の金属層３６が配置されており、この金属層がコンタクト層３４及び３５を完全に覆い、電気的に接触接続させている。この金属層３６は、第１の半導体層及び第２の半導体層に対して垂直方向で離間しており、さらに部分的にこれらの半導体層の３つのセグメントに亘って配置されている。金属層３６は、電気的な接触接続のためにも、光の入射又は不純物の拡散を遮蔽するためにも用いられている。金属層３６は、図２ｂでは接続路４３として示されている。

図３ａは、回路のｘｙ平面上の平面図の形態で温度センシングのための回路を示している。この平面図は、回路の可能なレイアウトを示している。ダイオード列毎に各５つのダイオードが示されている。第１の半導体層３１．１は、第２の半導体層３２．１に平行に絶縁層３．１に配置されている。第１の半導体層３１．１と第２の半導体層３２．１とは、交互にｐ型ドープされたセグメント６．１及びｎ型ドープされたセグメント５．１を有しており、この場合、同じ電荷担体のセグメントは相対向している。第１の半導体層３１．１の阻止方向のダイオードと、第２の半導体層３２．１の阻止方向のダイオードは、コンタクト層８．１を用いて短絡される。金属層９．１は、それぞれ、第１の半導体層３１．１と第２の半導体層３２．１の相互に隣接する３つのセグメントに亘って配置されており、そのため金属層９．１は、例えば矩形を形成する。アノード又はカソードとの接触接続領域においては、金属層９．１は別の形態を有している。

図３ｂは、所属の等価回路図５０を示している。この等価回路図５０は、逆並列に接続された第１のダイオード列５３と第２のダイオード列５４とを有している。端子５１は、カソードとして機能し、端子５２は、アノードとして機能する。付加的に、第１のダイオード列５３の阻止方向のダイオードは、第２のダイオード列５４の阻止方向のダイオードと電気的に接続されており、この場合、これらの阻止方向のダイオードは、相対向している。

図３ｃは、図３ｂと同じ等価回路図を有する温度センシングのための回路のさらなる構成を示している。ここではドープされた半導体セグメント５．２と６．２、コンタクト層８．２及び金属層９．２は、絶縁層３に亘って波型に配置されている。任意選択的に、ｐ／ｎ接合部又はｎ／ｐ接合部の幾何学的形状は、ダイオードの有効なｐ／ｎ幅の拡大のために、曲線状又は波形状に構成される。

図３ｄは、絶縁層３．３、ドープされた半導体セグメント５．３と６．３、コンタクト層８．３及び金属層９．３が環状に配置されている、温度センシングのための回路のさらなる構成を示している。

図３ａ、図３ｂ、図３ｃ及び図３ｄからの回路は、ダイオードの順方向電圧の温度依存性に基づいて、温度センシングのために適している。これらの回路を用いて、ダイオード列の温度係数を決定することが可能である。この目的のためにパワー半導体におけるカソード端子は、例えばソース、エミッタ又はアースに接続される。アノード端子に電流が加えられると、順方向に分極されているダイオードの温度依存性の順方向電圧が決定可能となる。この温度依存性の順方向電圧からは、回路が集積可能であるパワー構成素子の温度が決定可能になる。この順方向電圧は、放射係数、熱電圧、順方向電流、飽和電流及び直列又はバルク抵抗に依存している。順方向電圧と飽和電流と温度との間で可及的に線形な関係を形成するために、放射係数及び直列抵抗の温度依存性は低減されなければならない。放射係数は、逆の電荷担体を含む領域におけるドーパントの濃度を、当該逆の電荷担体を含む領域が実質的に同じ抵抗を有するように、設定することで低減される。それにより、全抵抗又はバルク抵抗が低減される。全直列抵抗は、付加的に、高いアスペクト比によって低減される。なぜならこれによって、パス領域の長さが電流方向に沿って最大限短縮され、それに対してｐ／ｎ接合部の幅は増加されるからである。さらに回路装置の幾何学的構成とｐ型及びｎ型領域のドーパントに対して付加的に、分割されたコンタクトもバルク抵抗の低減のために用いられる。なぜならコンタクトの下方の半導体層は、低抵抗に架橋されているからである。それにより順方向電圧は、実質的に線形に温度に依存する。複数のダイオードの配置構成又は相互接続により、各個別ダイオードの阻止電圧は、それらの逆並列接続されたダイオードの順方向電圧に制限される。順方向電圧の読み出しは、両方向で可能である。この回路は、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はＡＳＩＣに統合又は集積化可能である。

Claims (7)

1. 絶縁層（３）がその上に配置されているフラット基板（２）を備えた半導体集積回路（１，３１，３２）を少なくとも２つ備えた回路装置（３０）であって、
   前記絶縁層（３）に半導体層（４）が配置されており、前記半導体層（４）は、直接的に相互に隣接する少なくとも３つのセグメント（５，６，７）を有しており、
   前記相互に隣接するセグメント（５，６，７）は、相互に逆の電荷担体を有しており、それによって交互にｐ／ｎ接合部又はｎ／ｐ接合部が生じており、
   前記３つの相互に隣接するセグメント（５，６，７）は、前記半導体層（４）が電気的に接触接続している場合に、順方向のダイオード（１１）と阻止方向のダイオード（１２）とを形成しており、前記阻止方向のダイオード（１２）を示す前記セグメント（６，７）にコンタクト層（８）が部分的に配置されており、それによって前記阻止方向のダイオード（１２）は短絡しており、さらに、
   金属層（９）が前記コンタクト層（８）に配置されており、
   前記金属層（９）は、前記コンタクト層（８）を完全に覆い、かつ、少なくとも部分的に前記半導体層（４）に対して垂直方向で離間して、横方向で前記３つの相互に隣接するセグメント（５，６，７）に亘って配置されている半導体集積回路（１，３１，３２）を少なくとも２つ備えた回路装置（３０）において、
   前記少なくとも２つの半導体集積回路（１，３１，３２）の各前記絶縁層（３）及び各前記フラット基板（２）は、絶縁層（３３）がその上に配置されている１つのフラット基板（４４）によって構成されており、
   前記少なくとも２つの半導体集積回路（１，３１，３２）は、少なくとも１つの基板延在方向において相互に離間して、前記フラット基板（４４）の前記絶縁層（３３）に配置されており、
   相互に離間して配置された２つの前記半導体集積回路（１，３１，３２）は、相互に逆のドーピング配列を有しており、
   前記相互に離間して配置された前記２つの半導体集積回路（１，３１，３２）のうちの第１の半導体集積回路（３１）における１つのダイオード（４０）は順方向に、１つのダイオード（３９）は阻止方向にそれぞれ配置されており、前記相互に離間して配置された前記２つの半導体集積回路（１，３１，３２）のうちの第２の半導体集積回路（３２）における１つのダイオード（３８）は順方向に、１つのダイオード（３７）は阻止方向にそれぞれ配置されており、前記阻止方向の前記ダイオード（３７，３９）は、共通の金属層（３６）によって電気的に接続されており、前記金属層（３６）は、少なくとも部分的に前記半導体層（４）に対して垂直方向で離間して、横方向で前記２つの半導体集積回路（１，３１，３２）の前記半導体層（４）の各前記３つの相互に隣接するセグメントに亘って配置されている、
   ことを特徴とする回路装置（３０）。
2. 前記半導体層（４）の接触接続は、第１のコンタクト構造部（１４）と第２のコンタクト構造部（１５）とを用いて行われ、前記第１のコンタクト構造部（１４）はカソードとして構成され、前記第２のコンタクト構造部（１５）はアノードとして構成されている、請求項１に記載の回路装置（３０）。
3. 前記相互に隣接するセグメント（５，６，７）の間のｐ／ｎ接合部又はｎ／ｐ接合部に平行に延在する幅と、１つのｐ／ｎ接合部と次のｐ／ｎ接合部との間の間隔又は１つのｎ／ｐ接合部と次のｎ／ｐ接合部との間の間隔として定められる前記セグメント（６）の長さとからの商は、少なくとも３より大きい値を有している、請求項１又は２に記載の回路装置（３０）。
4. 前記金属層（９）から前記半導体層（４）までの垂直方向の間隔は、前記コンタクト層（８）の層厚に対応している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回路装置（３０）。
5. 前記絶縁層（３）は、二酸化ケイ素を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回路装置（３０）。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回路装置（３０）を備えている温度センシングのための回路であって、
   前記半導体集積回路（１，３１，３２）又は前記回路装置（３０）が、電圧源又は電流源と接続されており、
   温度閾値を上回った場合に、前記半導体集積回路（１，３１，３２）又は前記回路装置（３０）は、信号を生成し、
   前記温度閾値は、前記半導体集積回路（１，３１，３２）又は前記回路装置（３０）の順方向電圧に依存して設定可能であり、
   前記順方向電圧の値は、ｐ／ｎ接合部又はｎ／ｐ接合部の数に依存して設定されることを特徴とする、温度センシングのための回路。
7. 前記順方向電圧の値は、ｎ型又はｐ型領域のドーパントに依存して設定される、請求項６に記載の、温度センシングのための回路。

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