JP6638662B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device.
特許文献1に、半導体基板の素子領域の中央に温度検出用ダイオードが設けられた半導体装置が開示されている。温度検出用ダイオードによって、半導体装置の動作時に、半導体基板の温度を測定することができる。 Patent Document 1 discloses a semiconductor device in which a temperature detecting diode is provided at the center of an element region of a semiconductor substrate. With the temperature detecting diode, the temperature of the semiconductor substrate can be measured during operation of the semiconductor device.
半導体装置の動作時に、半導体基板の素子領域の周囲(以下、周辺領域という)が高温となる場合がある。例えば、半導体基板の歪み等によって発熱スポットが変化し、周辺領域が高温となる場合がある。また、半導体基板の使用環境によって、周辺領域が高温となる場合がある。このため、周辺領域の温度を測定したいというニーズがある。本明細書では、半導体基板の周辺領域の温度を好適に検出することが可能な技術を提供する。 During operation of a semiconductor device, the temperature around an element region of a semiconductor substrate (hereinafter, referred to as a peripheral region) may become high. For example, the heat generation spot may change due to the distortion of the semiconductor substrate or the like, and the peripheral region may become hot. Further, depending on the usage environment of the semiconductor substrate, the peripheral region may be heated to a high temperature. Therefore, there is a need to measure the temperature in the peripheral region. This specification provides a technique capable of suitably detecting the temperature of a peripheral region of a semiconductor substrate.
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上面に設けられている上部主電極と、前記半導体基板の下面に設けられている下部主電極と、ゲート電極を有する。前記半導体基板が、素子領域と、前記素子領域の周囲に配置されている周辺領域を有する。前記素子領域が、前記ゲート電極の電位に応じて前記上部主電極と前記下部主電極の間の電流経路をオン‐オフするスイッチング素子を有する。前記半導体装置は、前記周辺領域内の前記半導体基板の上面に配置されているとともに前記ゲート電極に接続されている第1配線と、前記上部主電極と前記第1配線に接続されているとともに温度によって抵抗が変化する第1半絶縁膜と、前記周辺領域内の前記半導体基板の上面であって前記第1配線よりも前記半導体基板の外周側に配置されている第2配線と、前記周辺領域内の前記半導体基板の上面であって前記第2配線よりも前記半導体基板の外周側に配置されている第3配線と、前記第2配線と前記第3配線に接続されているとともに温度によって抵抗が変化する第2半絶縁膜をさらに有する。 A semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate, an upper main electrode provided on an upper surface of the semiconductor substrate, a lower main electrode provided on a lower surface of the semiconductor substrate, and a gate electrode. The semiconductor substrate has an element region and a peripheral region arranged around the element region. The element region includes a switching element that turns on and off a current path between the upper main electrode and the lower main electrode according to a potential of the gate electrode. The semiconductor device includes a first wiring disposed on the upper surface of the semiconductor substrate in the peripheral region and connected to the gate electrode; a first wiring connected to the upper main electrode and the first wiring; A first semi-insulating film having a resistance changed by the first region, a second wiring disposed on the upper surface of the semiconductor substrate in the peripheral region, and disposed on the outer peripheral side of the semiconductor substrate with respect to the first wiring; A third wiring disposed on the upper surface of the semiconductor substrate and on the outer peripheral side of the semiconductor substrate with respect to the second wiring; a third wiring connected to the second wiring and the third wiring; And a second semi-insulating film that changes.
この半導体装置では、第1半絶縁膜を介して上部主電極と第1配線の間に電流を流すことで、第1半絶縁膜の抵抗を測定することができる。第1半絶縁膜の抵抗から、第1半絶縁膜の位置における半導体基板の温度を測定することができる。また、第2半絶縁膜を介して第2配線と第3配線の間に電流を流すことで、第2半絶縁膜の抵抗を測定することができる。第2半絶縁膜の抵抗から、第2半絶縁膜の位置における半導体基板の温度を測定することができる。すなわち、この半導体装置によれば、周辺領域の温度を測定することができる。また、第1半絶縁膜の温度と第2半絶縁膜の温度から、周辺領域における温度分布を測定することができる。 In this semiconductor device, the resistance of the first semi-insulating film can be measured by flowing a current between the upper main electrode and the first wiring via the first semi-insulating film. The temperature of the semiconductor substrate at the position of the first semi-insulating film can be measured from the resistance of the first semi-insulating film. Further, by flowing a current between the second wiring and the third wiring via the second semi-insulating film, the resistance of the second semi-insulating film can be measured. The temperature of the semiconductor substrate at the position of the second semi-insulating film can be measured from the resistance of the second semi-insulating film. That is, according to this semiconductor device, the temperature of the peripheral region can be measured. Further, the temperature distribution in the peripheral region can be measured from the temperature of the first semi-insulating film and the temperature of the second semi-insulating film.
図1に示す実施形態の半導体装置10は、半導体基板18を有している。半導体基板18は、スイッチング素子(本実施形態では、IGBT(insulated gate bipolar transistor))が設けられている素子領域11と、素子領域11の周囲に配置されている周辺領域15を有している。素子領域11は、半導体基板18の中央を含む範囲に設けられている。周辺領域15は、素子領域11と半導体基板18の外周端面との間に設けられている。
The
素子領域11内の半導体基板18の上面18aには、複数のトレンチ40が設けられている。各トレンチ40は、上面18aにおいて平行に伸びている。
A plurality of
各トレンチ40の内面は、ゲート絶縁膜32によって覆われている。また、各トレンチ40内には、ゲート電極30が配置されている。各ゲート電極30は、ゲート絶縁膜32によって半導体基板18から絶縁されている。各ゲート電極30の上面は、層間絶縁膜66によって覆われている。
The inner surface of each
素子領域11内の半導体基板18の上面18aに、上部主電極50が設けられている。上部主電極50は、AlSi(アルミニウムとシリコンの合金)によって構成されているAlSi層51と、ニッケルによって構成されているNi層52を有している。AlSi層51は、素子領域11内で層間絶縁膜66と半導体基板18の上面18aを覆っている。Ni層52は、AlSi層51の表面を覆っている。各ゲート電極30は、層間絶縁膜66によって上部主電極50から絶縁されている。上部主電極50は、はんだ層58によって金属ブロック57に接続されている。
An upper
半導体基板18の下面18bに、下部主電極56が設けられている。下部主電極56は、半導体基板18の下面18bの略全域を覆っている。
The lower
素子領域11内に、エミッタ領域22、ボディ領域24、ドリフト領域26、バッファ領域27及びコレクタ領域28が配置されている。
In the
エミッタ領域22は、n型領域である。トレンチ40の間の各半導体領域に、2つのエミッタ領域22が設けられている。エミッタ領域22は、半導体基板18の上面18aに露出する範囲に配置されている。エミッタ領域22は、上部主電極50に接している。エミッタ領域22は、トレンチ40の最上部において、ゲート絶縁膜32に接している。
Emitter
ボディ領域24は、p型領域である。ボディ領域24は、2つのエミッタ領域22の間で半導体基板18の上面18aに露出している。ボディ領域24は、上面18aに露出する位置からエミッタ領域22の下側の位置まで伸びている。ボディ領域24は、高濃度領域24aと、高濃度領域24aよりもp型不純物濃度が低い低濃度領域24bを有している。高濃度領域24aは、上面18aに露出する範囲に配置されている。高濃度領域24aは、上部主電極50に接している。低濃度領域24bは、エミッタ領域22よりも下側に配置されている。低濃度領域24bは、エミッタ領域22の下側で、ゲート絶縁膜32に接している。
ドリフト領域26は、n型不純物濃度が低いn型領域である。ドリフト領域26は、素子領域11内において、ボディ領域24の下側に配置されている。ドリフト領域26は、ボディ領域24の下側でゲート絶縁膜32に接している。ドリフト領域26は、ボディ領域24によってエミッタ領域22から分離されている。ドリフト領域26は、素子領域11から周辺領域15に跨って分布している。
バッファ領域27は、ドリフト領域26よりもn型不純物濃度が高いn型領域である。バッファ領域27は、素子領域11及び周辺領域15に跨って分布している。バッファ領域27は、ドリフト領域26の下側に配置されている。
コレクタ領域28は、p型領域である。コレクタ領域28は、素子領域11及び周辺領域15に跨って分布している。コレクタ領域28は、バッファ領域27の下側に配置されている。コレクタ領域28は、下部主電極56に接している。
周辺領域15内に、ディープ領域41、リサーフ層42及び終端領域44が配置されている。
In the
ディープ領域41は、p型領域であり、半導体基板18の上面18aに露出する範囲に設けられている。ディープ領域41は、半導体基板18の上面18aから各トレンチ40と略同等の深さまで伸びている。
The
リサーフ層42は、p型領域である。リサーフ層42は、ディープ領域41の外周側に配置されている。リサーフ層42は、ディープ領域41に接している。リサーフ層42は、半導体基板18の上面18aに露出する範囲に設けられている。リサーフ層42は、ディープ領域41よりも浅い範囲に分布している。
The
終端領域44は、ドリフト領域26よりもn型不純物濃度が高いn型領域である。終端領域44は、半導体基板18の上面18aの最外周部に露出する範囲に設けられている。
The
ディープ領域41、リサーフ層42及び終端領域44の下側には、ドリフト領域26が分布している。また、終端領域44とリサーフ層42の間に、ドリフト領域26が分布している。
The
周辺領域15内の半導体基板18の上面18aの上部に、第1配線61、第2配線62、第3配線63、第1半絶縁膜71、第2半絶縁膜72及び絶縁保護層60が設けられている。
A
第1配線61は、上部主電極50の近傍に配置されている。第1配線61は、図示しない位置で各ゲート電極30に接続されている。すなわち、第1配線61は、ゲート配線である。第1配線61と半導体基板18の間は絶縁膜64によって絶縁されている。第1配線61は、AlSiによって構成されている。
The
第1半絶縁膜71は、SInSiN(semi-insulated silicon nitride)膜によって構成されている。第1半絶縁膜71は、上部主電極50の表面の一部と、第1配線61の表面の一部と、上部主電極50と第1配線61の間の層間絶縁膜66の表面を覆っている。第1半絶縁膜71によって、上部主電極50と第1配線61が接続されている。第1半絶縁膜71は、電流を通すが、その抵抗は高い。このため、上部主電極50と第1配線61の間に電位差を生じさせることができる。第1半絶縁膜71の抵抗は温度特性を有している。温度が高いほど、第1半絶縁膜71の抵抗は低くなる。
The
図示していないが、半導体装置10の外部に、第1半絶縁膜71の抵抗を測定するための抵抗測定回路が設けられている。この抵抗測定回路は、第1半絶縁膜71を介して上部主電極50と第1配線61の間に電流を流すことによって、第1半絶縁膜71の抵抗を測定する。この抵抗測定回路が測定する第1半絶縁膜71の抵抗から、第1半絶縁膜71の温度を測定することができる。なお、抵抗測定回路は、定電圧を印加して電流を測定する回路であってもよいし、定電流を流して電圧を測定する回路であってもよいし、その他の回路であってもよい。
Although not shown, a resistance measurement circuit for measuring the resistance of the
第2配線62は、第1配線61よりも外周側に配置されている。第2配線62は、ディープ領域41の上部に配置されている。第2配線62の下部の層間絶縁膜66にはコンタクトホールが設けられている。このコンタクトホールを介して、第2配線62はディープ領域41に接続されている。第2配線62は、AlSiによって構成されている。
The
第3配線63は、第2配線62よりも外周側に配置されている。第3配線63は、終端領域44の上部に配置されている。第3配線63の下部の層間絶縁膜66にはコンタクトホールが設けられている。このコンタクトホールを介して、第3配線63は終端領域44に接続されている。第3配線63は、AlSiによって構成されている。
The
第2半絶縁膜72は、SInSiN膜によって構成されている。第2半絶縁膜72は、第2配線62の表面の一部と、第3配線63の表面の一部と、第2配線62と第3配線63の間の層間絶縁膜66の表面を覆っている。第2半絶縁膜72によって、第2配線62と第3配線63が接続されている。第2半絶縁膜72は、電流を通すが、その抵抗は高い。このため、第2配線62と第3配線63の間に電位差を生じさせることができる。第2半絶縁膜72の抵抗は温度特性を有している。温度が高いほど、第2半絶縁膜72の抵抗は低くなる。
The
図示していないが、半導体装置10の外部に、第2半絶縁膜72の抵抗を測定するための抵抗測定回路が設けられている。この抵抗測定回路は、第2半絶縁膜72を介して第2配線62と第3配線63の間に電流を流すことによって、第2半絶縁膜72の抵抗を測定する。この抵抗測定回路が測定する第2半絶縁膜72の抵抗から、第2半絶縁膜72の温度を測定することができる。
Although not shown, a resistance measuring circuit for measuring the resistance of the
絶縁保護層60は、ポリイミドによって構成されている。絶縁保護層60は、周辺領域15の表面の略全域を覆っている。
The insulating
素子領域11内には、エミッタ領域22、ボディ領域24、ドリフト領域26、バッファ領域27、コレクタ領域28及びゲート電極30等によって、IGBTが構成されている。IGBTは、ゲート電極30の電位に応じてスイッチングする。IGBTがオンすると、下部主電極56から上部主電極50へ電流が流れる。IGBTがオフすると、電流が停止する。IGBTに電流が流れると、素子領域11が発熱する。通常は、IGBTの動作中においては、半導体基板18の中央が高温となり、半導体基板18の外周側ほど温度が低くなる。すなわち、素子領域11が周辺領域15よりも高温となる。しかしながら、IGBTに高い電流が流れた場合等には、金属ブロック57とはんだ層58で十分に放熱することができず、はんだ層58の外周端部近傍で半導体基板18が高温となる場合がある。この場合、はんだ層58の外周端部近傍に位置する第1半絶縁膜71が高温となる。また、半導体基板18の歪みやIGBTの動作環境によっても、第1半絶縁膜71近傍で半導体基板18が高温となる場合がある。他方、半導体基板18の最外周部近傍に位置する第2半絶縁膜72は第1半絶縁膜71に比べて低温である。第2半絶縁膜72の温度は安定している。上述したように、第1半絶縁膜71及び第2半絶縁膜72の抵抗から、これらの温度を検出することができる。すなわち、この半導体装置10では、周辺領域15の温度を検出することができる。また、第1半絶縁膜71と第2半絶縁膜72の温度差から、温度分布を特定することができる。第1半絶縁膜71と第2半絶縁膜72の温度差が大きい場合には、第1半絶縁膜71近傍が局所的に高温になっていることが分かる。検出された温度を用いてIGBTをフィードバック制御すれば、半導体基板18の温度をより好適に制御することができる。
An IGBT is formed in the
また、この半導体装置10では、上部主電極50と第1配線61の間の第1半絶縁膜71によって、温度センサを構築することができる。上部主電極50はIGBTの主電極であり、第1配線61はゲート配線である。この構成によれば、温度測定のための専用の配線を設けることなく、第1半絶縁膜71を利用した温度センサを設けることができる。
Further, in this
また、この半導体装置10では、第2配線62と第3配線63の間の第2半絶縁膜72によって、温度センサを構築することができる。第2配線62と第3配線63は、外来イオン(外部から飛来するイオン)によって周辺領域15内の電界分布が乱されることを抑制するための配線である。この構成によれば、温度測定のための専用の配線を設けることなく、第2半絶縁膜72を利用した温度センサを設けることができる。
Further, in this
また、半絶縁膜を利用した温度センサでは、ダイオードを利用した温度センサに比べて、特性のばらつきを抑制することができる。したがって、温度を正確に検出することができる。 Further, in a temperature sensor using a semi-insulating film, variation in characteristics can be suppressed as compared with a temperature sensor using a diode. Therefore, the temperature can be accurately detected.
なお、上述した第1半絶縁膜71と第2半絶縁膜72は、素子領域11を囲むように環状に設けられていてもよいし、必要な箇所にのみ部分的に設けてもよい。例えば、図2に示すように、上部主電極50を囲むように環状の第1半絶縁膜71を設けてもよいし、図3に示すように、上部主電極50の角部にのみ第1半絶縁膜71を設けてもよい。
The
また、上述した実施形態では、第1半絶縁膜71と第2半絶縁膜72がAlSiにより構成されている層(すなわち、AlSi層51、第1配線61、第2配線62及び第3配線63)を部分的に覆っていた。しかしながら、図4に示すように、第1半絶縁膜71と第2半絶縁膜72が、AlSiにより構成されている層によって部分的に覆われていてもよい。すなわち、第1半絶縁膜71は上部主電極50と第1配線61を接続していればどのように配置されていてもよく、第2半絶縁膜72は第2配線62と第3配線63を接続していればどのように配置されていてもよい。
In the above-described embodiment, the
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、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、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 The embodiments have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and alterations of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Further, the technology exemplified in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:半導体装置
11:素子領域
15:周辺領域
18:半導体基板
22:エミッタ領域
24:ボディ領域
26:ドリフト領域
27:バッファ領域
28:コレクタ領域
30:ゲート電極
32:ゲート絶縁膜
40:トレンチ
41:ディープ領域
42:リサーフ層
44:終端領域
50:上部主電極
56:下部主電極
57:金属ブロック
58:はんだ層
60:絶縁保護層
61:第1配線
62:第2配線
63:第3配線
71:第1半絶縁膜
72:第2半絶縁膜
10: semiconductor device 11: element region 15: peripheral region 18: semiconductor substrate 22: emitter region 24: body region 26: drift region 27: buffer region 28: collector region 30: gate electrode 32: gate insulating film 40: trench 41: Deep area 42: RESURF layer 44: Terminating area 50: Upper main electrode 56: Lower main electrode 57: Metal block 58: Solder layer 60: Insulating protective layer 61: First wiring 62: Second wiring 63: Third wiring 71: First semi-insulating film 72: second semi-insulating film
Claims (1)
前記半導体基板の上面に設けられている上部主電極と、
前記半導体基板の下面に設けられている下部主電極と、
ゲート電極、
を有し、
前記半導体基板が、素子領域と、前記素子領域の周囲に配置されている周辺領域を有し、
前記素子領域が、前記ゲート電極の電位に応じて前記上部主電極と前記下部主電極の間の電流経路をオン‐オフするスイッチング素子を有し、
前記周辺領域内の前記半導体基板の上面に配置されており、前記ゲート電極に接続されている第1配線と、
前記上部主電極と前記第1配線に接続されており、温度によって抵抗が変化する第1半絶縁膜と、
前記周辺領域内の前記半導体基板の上面であって前記第1配線よりも前記半導体基板の外周側に配置されている第2配線と、
前記周辺領域内の前記半導体基板の上面であって前記第2配線よりも前記半導体基板の外周側に配置されている第3配線と、
前記第2配線と前記第3配線に接続されており、温度によって抵抗が変化する第2半絶縁膜、
をさらに有する半導体装置。 A semiconductor substrate;
An upper main electrode provided on the upper surface of the semiconductor substrate,
A lower main electrode provided on the lower surface of the semiconductor substrate,
Gate electrode,
Has,
The semiconductor substrate has an element region and a peripheral region arranged around the element region,
The element region has a switching element that turns on and off a current path between the upper main electrode and the lower main electrode according to a potential of the gate electrode,
A first wiring disposed on the upper surface of the semiconductor substrate in the peripheral region and connected to the gate electrode;
A first semi-insulating film connected to the upper main electrode and the first wiring, the resistance of which changes with temperature;
A second wiring disposed on the upper surface of the semiconductor substrate in the peripheral region and closer to the outer periphery of the semiconductor substrate than the first wiring;
A third wiring disposed on the upper surface of the semiconductor substrate in the peripheral region and closer to the outer periphery of the semiconductor substrate than the second wiring;
A second semi-insulating film connected to the second wiring and the third wiring, the resistance of which changes with temperature;
A semiconductor device further comprising:
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