JP7001785B2 - Semiconductor devices and semiconductor modules - Google Patents

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本発明は、半導体装置およびそれを備えた半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor module including the semiconductor device.

スイッチングデバイスでは、たとえば短絡時に過電流が流れ続けると熱破壊を起こすことがある。この不具合を防止するために、たとえば、特許文献1は、半導体スイッチング素子と、半導体駆動回路と、半導体スイッチング素子に形成されたセンス素子と、半導体駆動回路に形成された過電流検出部とを含む、半導体装置を開示している。センス素子は、半導体スイッチング素子のメイン電流と比例した電流が流れるセンス端子と、半導体スイッチング素子のメイン端子とセンス端子の間に接続され、センス電流を電圧変換するセンス抵抗とで構成されている。また、過電流検出部は、上述のセンス素子を流れるセンス電流を検出し、センス電流が所定値を超えた場合、半導体スイッチング素子をオフにして、半導体スイッチング素子を過電流から保護する。 In switching devices, for example, if an overcurrent continues to flow during a short circuit, thermal destruction may occur. In order to prevent this defect, for example, Patent Document 1 includes a semiconductor switching element, a semiconductor drive circuit, a sense element formed in the semiconductor switching element, and an overcurrent detection unit formed in the semiconductor drive circuit. , Discloses semiconductor devices. The sense element is composed of a sense terminal through which a current proportional to the main current of the semiconductor switching element flows, and a sense resistor connected between the main terminal and the sense terminal of the semiconductor switching element to convert the sense current into a voltage. Further, the overcurrent detection unit detects the sense current flowing through the above-mentioned sense element, and when the sense current exceeds a predetermined value, turns off the semiconductor switching element to protect the semiconductor switching element from the overcurrent.

特開2013-247804号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-247804

特許文献1の過電流保護方式は、センス電流に基づいて半導体スイッチング素子をオフするやり方であるため、ノイズの影響を受けやすく、時には、ノイズが入ったセンス電流を過電流と誤って検出する場合がある。このようなノイズによる誤動作を防止するため、センス電流が所定の閾値を超えてもすぐに半導体スイッチング素子をオフにするのではなく、一定の待ち時間(マスク時間)の経過後にオフする方式がある。 Since the overcurrent protection method of Patent Document 1 is a method of turning off the semiconductor switching element based on the sense current, it is easily affected by noise, and sometimes the sense current containing noise is erroneously detected as an overcurrent. There is. In order to prevent malfunction due to such noise, there is a method in which the semiconductor switching element is not turned off immediately even if the sense current exceeds a predetermined threshold value, but is turned off after a certain waiting time (mask time) has elapsed. ..

しかしながら、この待ち時間を設ける方式にも課題が残る。ノイズの影響を考慮するため一定の待ち時間が必要であるが(たとえば、500n秒程度)、デバイスの低オン抵抗化が進められる中で、過電流によってデバイスが破壊に至る時間が当該待ち時間よりも短くなり、過電流保護システム自体が成立しないケースが見られる。
そこで、本発明の一実施形態は、電流ノイズによる誤動作を低減でき、スイッチング素子を過電流から良好に保護することができる半導体装置およびそれを備えた半導体モジュールを提供する。
However, there remains a problem in the method of providing this waiting time. A certain waiting time is required to consider the influence of noise (for example, about 500 nsec), but while the on-resistance of the device is being lowered, the time required for the device to be destroyed due to overcurrent is longer than the waiting time. In some cases, the overcurrent protection system itself is not established.
Therefore, one embodiment of the present invention provides a semiconductor device capable of reducing malfunction due to current noise and satisfactorily protecting a switching element from overcurrent, and a semiconductor module including the same.

本発明の一実施形態は、半導体基板と、前記半導体基板に形成されたスイッチング素子と、前記半導体基板の表面側に前記スイッチング素子から独立して設けられ、温度に依存する特性を有する温度センス素子とを含む、半導体装置を提供する。
また、本発明の一実施形態は、半導体基板と、前記半導体基板に形成されたスイッチング素子と、前記半導体基板の表面側に前記スイッチング素子から独立して設けられ、温度に依存する特性を有する温度センス素子とを含み、前記スイッチング素子による単機能の半導体装置を提供する。
In one embodiment of the present invention, a semiconductor substrate, a switching element formed on the semiconductor substrate, and a temperature sense element provided on the surface side of the semiconductor substrate independently of the switching element and having characteristics depending on the temperature. Provided are semiconductor devices including and.
Further, in one embodiment of the present invention, a semiconductor substrate, a switching element formed on the semiconductor substrate, and a temperature provided on the surface side of the semiconductor substrate independently of the switching element and having characteristics depending on the temperature. Provided is a single-function semiconductor device including a sense element and the switching element.

上記の構成によれば、半導体基板の表面側で温度変化が生じれば、それに伴って温度センス素子の特性(電圧値、抵抗値等)が変化する。そのため、温度センス素子の特性の変化を監視しておくことで、半導体基板の温度変化を検出することができる。この関係を利用して、たとえば短絡等によってスイッチング素子に過電流が流れたときには、当該過電流による半導体基板の温度上昇を検出し、当該検出結果に基づいて、スイッチング素子に過電流が流れているか否かを判別することができる。しかも、監視対象がスイッチング素子に流れるセンス電流ではないので、当該センス電流にノイズが入って重畳した場合でも、当該重畳電流に起因して過電流と誤って検出することがない。そのため、電流ノイズによる誤動作を低減することができる。 According to the above configuration, if a temperature change occurs on the surface side of the semiconductor substrate, the characteristics (voltage value, resistance value, etc.) of the temperature sense element change accordingly. Therefore, by monitoring the change in the characteristics of the temperature sense element, it is possible to detect the temperature change in the semiconductor substrate. Utilizing this relationship, when an overcurrent flows in the switching element due to, for example, a short circuit, the temperature rise of the semiconductor substrate due to the overcurrent is detected, and based on the detection result, is the overcurrent flowing in the switching element? It can be determined whether or not. Moreover, since the monitoring target is not the sense current flowing through the switching element, even if noise is included in the sense current and superimposed, it is not erroneously detected as an overcurrent due to the superimposed current. Therefore, it is possible to reduce malfunction due to current noise.

本発明の一実施形態は、前記半導体基板上の互いに対をなす第1電極および第2電極を含み、前記第1電極と前記第2電極との間の電気回路には、回路素子として前記温度センス素子のみが設けられている。
本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、前記半導体基板上に形成されたポリシリコン層からなるpnダイオードを含む。
One embodiment of the present invention includes a first electrode and a second electrode paired with each other on the semiconductor substrate, and the electric circuit between the first electrode and the second electrode has the temperature as a circuit element. Only the sense element is provided.
In one embodiment of the invention, the temperature sense device includes a pn diode made of a polysilicon layer formed on the semiconductor substrate.

ポリシリコンは、既に確立されている半導体製造技術によって所望の形状および位置に簡単に形成することができる。そのため、半導体基板の発熱部である表面近傍にポリシリコン層(pnダイオード)を形成することによって、半導体基板の温度変化を高い精度で検出することができる。たとえば、pnダイオードに定電流を常時印加しておき、pnダイオードの順方向電圧Vを監視しておくことによって、半導体基板の温度変化を検出することができる。 Polysilicon can be easily formed into a desired shape and position by the already established semiconductor manufacturing technology. Therefore, by forming the polysilicon layer (pn diode) in the vicinity of the surface which is the heat generating portion of the semiconductor substrate, the temperature change of the semiconductor substrate can be detected with high accuracy. For example, by constantly applying a constant current to the pn diode and monitoring the forward voltage VF of the pn diode, the temperature change of the semiconductor substrate can be detected.

本発明の一実施形態では、前記スイッチング素子は、前記半導体基板の表面に沿って形成されたゲート電極を有するプレーナゲート型MISFETを含み、前記ポリシリコン層は、前記ゲート電極と同一層に形成されている。
この構成によれば、ゲート電極と同一工程でポリシリコン層(pnダイオード)を形成できるので、pnダイオードの形成に伴う工程数の増加を抑制することができる。また、層間絶縁膜等の比較的厚い膜に比べて薄いゲート絶縁膜を介してpnダイオードを半導体基板上に配置できるので、pnダイオードの位置を、半導体基板の表面側の電流経路直近にまで近づけることができる。これにより、半導体基板の温度変化を検出する精度を向上させることができる。
In one embodiment of the invention, the switching element comprises a planar gate type MISFET having a gate electrode formed along the surface of the semiconductor substrate, and the polysilicon layer is formed in the same layer as the gate electrode. ing.
According to this configuration, since the polysilicon layer (pn diode) can be formed in the same process as the gate electrode, it is possible to suppress an increase in the number of steps due to the formation of the pn diode. Further, since the pn diode can be arranged on the semiconductor substrate via the gate insulating film which is thinner than the relatively thick film such as the interlayer insulating film, the position of the pn diode can be brought closer to the current path on the surface side of the semiconductor substrate. be able to. This makes it possible to improve the accuracy of detecting the temperature change of the semiconductor substrate.

本発明の一実施形態では、前記pnダイオードは、p型領域と、平面視で当該p型領域を取り囲むn型領域とを含む。
この構成によれば、p型領域およびn型領域が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域およびn型領域のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。
In one embodiment of the invention, the pn diode includes a p-type region and an n-type region surrounding the p-type region in plan view.
According to this configuration, since the p-type region and the n-type region do not overlap in a plan view, no separate wiring or the like is required, and both the p-type region and the n-type region can be easily contacted. be able to.

本発明の一実施形態では、前記スイッチング素子は、前記半導体基板に形成されたゲートトレンチおよび当該ゲートトレンチに埋め込まれたゲート電極を有するトレンチゲート型MISFETを含み、前記ポリシリコン層は、前記半導体基板に前記ゲートトレンチから独立して形成された第2トレンチに埋め込まれている。
この構成によれば、ゲートトレンチと同一工程で第2トレンチを形成し、ゲート電極と同一工程でポリシリコン層(pnダイオード)を形成できるので、pnダイオードの形成に伴う工程数の増加を抑制することができる。また、pnダイオードを半導体基板の表面部に埋め込む構成であるため、pnダイオードの位置を、半導体基板の表面側の電流経路直近にまで近づけることができる。これにより、半導体基板の温度変化を検出する精度を向上させることができる。
In one embodiment of the invention, the switching element comprises a trench gate type MISFET having a gate trench formed in the semiconductor substrate and a gate electrode embedded in the gate trench, and the polysilicon layer is the semiconductor substrate. Is embedded in a second trench formed independently of the gate trench.
According to this configuration, the second trench can be formed in the same process as the gate trench, and the polysilicon layer (pn diode) can be formed in the same process as the gate electrode, so that the increase in the number of steps due to the formation of the pn diode can be suppressed. be able to. Further, since the pn diode is embedded in the surface portion of the semiconductor substrate, the position of the pn diode can be brought close to the current path on the surface side of the semiconductor substrate. This makes it possible to improve the accuracy of detecting the temperature change of the semiconductor substrate.

本発明の一実施形態では、前記ゲートトレンチおよび前記第2トレンチは、互いに同じ幅で形成されている。
この構成によれば、ゲートトレンチおよび第2トレンチを形成するときのエッチングレートをほぼ同じにすることができるので、最終的に、互いにほぼ同じ深さのゲートトレンチおよび第2トレンチを形成することができる。第2トレンチの深さを、MISFETのチャネルが形成されるゲートトレンチとほぼ同じにすることで、過電流による半導体基板の温度上昇を素早く検出することができる。
In one embodiment of the present invention, the gate trench and the second trench are formed to have the same width as each other.
According to this configuration, the etching rates when forming the gate trench and the second trench can be made substantially the same, so that the gate trench and the second trench having substantially the same depth can be finally formed. can. By making the depth of the second trench substantially the same as the gate trench in which the channel of the MISFET is formed, it is possible to quickly detect the temperature rise of the semiconductor substrate due to the overcurrent.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、前記半導体基板の表面部に形成された不純物領域からなるpnダイオードを含む。
不純物領域は、既に確立されている半導体製造技術によって所望の位置に簡単に形成することができる。そのため、半導体基板の発熱部である表面側の電流経路直近に不純物領域(pnダイオード)を形成することによって、半導体基板の温度変化を高い精度で検出することができる。たとえば、pnダイオードに定電流を常時印加しておき、pnダイオードの順方向電圧Vを監視しておくことによって、半導体基板の温度変化を検出することができる。また、不純物領域からなるpnダイオードであれば、高温領域(たとえば200℃以上)においても良好に動作するので、特に、SiC、GaN等のパワーデバイスに有効である。
In one embodiment of the present invention, the temperature sense element includes a pn diode composed of an impurity region formed on the surface portion of the semiconductor substrate.
The impurity region can be easily formed at a desired position by the already established semiconductor manufacturing technology. Therefore, by forming an impurity region (pn diode) in the vicinity of the current path on the surface side, which is the heat generating portion of the semiconductor substrate, the temperature change of the semiconductor substrate can be detected with high accuracy. For example, by constantly applying a constant current to the pn diode and monitoring the forward voltage VF of the pn diode, the temperature change of the semiconductor substrate can be detected. Further, a pn diode composed of an impurity region operates well even in a high temperature region (for example, 200 ° C. or higher), and is particularly effective for power devices such as SiC and GaN.

本発明の一実施形態では、前記pnダイオードは、p型領域と、平面視で当該p型領域を取り囲むn型領域とを含む。
この構成によれば、p型領域およびn型領域が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域およびn型領域のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。
In one embodiment of the invention, the pn diode includes a p-type region and an n-type region surrounding the p-type region in plan view.
According to this configuration, since the p-type region and the n-type region do not overlap in a plan view, no separate wiring or the like is required, and both the p-type region and the n-type region can be easily contacted. be able to.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、複数の前記pnダイオードを直列に接続した直列接続単位を含む。
この構成によれば、順方向電圧Vの温度変化量がpnダイオードの接続数に比例して増加するので、温度変化の検出感度を向上させることができる。たとえば、pnダイオード1つ当たりの順方向電圧Vの振れ幅がXmV/℃であるとき、当該pnダイオードを5つ直列に接続して直列接続単位を構成すれば、当該直列接続単位トータルでの振れ幅を5XmV/℃にすることができる。
In one embodiment of the invention, the temperature sense element includes a series connection unit in which a plurality of the pn diodes are connected in series.
According to this configuration, the amount of temperature change of the forward voltage VF increases in proportion to the number of connections of the pn diode, so that the temperature change detection sensitivity can be improved. For example, when the fluctuation width of the forward voltage VF per pn diode is XmV / ° C., if five pn diodes are connected in series to form a series connection unit, the total series connection unit is The runout width can be set to 5 XmV / ° C.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、少なくとも一対の前記直列接続単位を互いに逆向きに並列に接続した構成を含む。
この構成によれば、pnダイオードの集合体の端子にアノード側およびカソード側の極性の区別がなくなるので、モジュール等を組み立てるときにボンディングワイヤ等の配線の自由度を向上させることができる。
In one embodiment of the present invention, the temperature sense element includes a configuration in which at least a pair of the series connection units are connected in parallel in opposite directions to each other.
According to this configuration, since there is no distinction between the polarities of the anode side and the cathode side at the terminals of the aggregate of pn diodes, it is possible to improve the degree of freedom in wiring the bonding wire or the like when assembling the module or the like.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、少なくとも一対の前記pnダイオードを互いに逆向きに直列に接続した逆直列接続単位を含む。
この構成によれば、一対のpnダイオードのうち少なくとも一方には逆バイアスが印加されることになるので、当該逆直列接続単位トータルでの抵抗が高くなる。そのため、温度変化の監視に必要な電流を小さく抑えることができ、省電力化を達成することができる。
In one embodiment of the invention, the temperature sense element comprises a reverse series connection unit in which at least a pair of the pn diodes are connected in series in opposite directions to each other.
According to this configuration, a reverse bias is applied to at least one of the pair of pn diodes, so that the total resistance of the reverse series connection unit becomes high. Therefore, the current required for monitoring the temperature change can be kept small, and power saving can be achieved.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、複数の前記逆直列接続単位を直列に接続した構成を含む。
この構成によれば、さらなる省電力化を達成することができる。
本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、少なくとも一対の前記pnダイオードを互いに逆向きに並列に接続した構成を含む。
In one embodiment of the present invention, the temperature sense element includes a configuration in which a plurality of the reverse series connection units are connected in series.
According to this configuration, further power saving can be achieved.
In one embodiment of the present invention, the temperature sense element includes a configuration in which at least a pair of the pn diodes are connected in parallel in opposite directions to each other.

この構成によれば、一対のpnダイオードの端子にアノード側およびカソード側の極性の区別がなくなるので、モジュール等を組み立てるときにボンディングワイヤ等の配線の自由度を向上させることができる。
本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、前記半導体基板の周縁部に配置されている。
According to this configuration, since the polarities of the anode side and the cathode side are not distinguished between the terminals of the pair of pn diodes, it is possible to improve the degree of freedom in wiring the bonding wire or the like when assembling the module or the like.
In one embodiment of the present invention, the temperature sense element is arranged on the peripheral edge of the semiconductor substrate.

この構成によれば、温度センス素子の設置領域以外の部分に比較的広い領域を確保できるので、スイッチング素子用の端子の面積を広くとることができる。そのため、チップサイズが小型になっても、当該端子に対して、ボンディングプレートや比較的太いボンディングワイヤ等の配線部材を接続することができる。
本発明の一実施形態では、前記半導体基板は、SiC半導体基板を含む。
According to this configuration, a relatively wide area can be secured in a portion other than the installation area of the temperature sense element, so that the area of the terminal for the switching element can be widened. Therefore, even if the chip size is reduced, a wiring member such as a bonding plate or a relatively thick bonding wire can be connected to the terminal.
In one embodiment of the invention, the semiconductor substrate comprises a SiC semiconductor substrate.

この構成によれば、低オン抵抗のSiCスイッチング素子を過電流から良好に保護することができる。
本発明の一実施形態は、前記半導体装置と、前記スイッチング素子および前記温度センス素子に電気的に接続された回路であって、前記温度センス素子の特性変化に基づいて前記スイッチング素子に過電流が流れていると判断したときに、前記スイッチング素子の電流経路を遮断する回路を有する第2半導体装置とを含む、半導体モジュールを提供する。
According to this configuration, the low on-resistance SiC switching element can be well protected from overcurrent.
One embodiment of the present invention is a circuit electrically connected to the semiconductor device, the switching element, and the temperature sense element, and an overcurrent is applied to the switching element based on a change in the characteristics of the temperature sense element. Provided is a semiconductor module including a second semiconductor device having a circuit that cuts off the current path of the switching element when it is determined that the current is flowing.

この構成によれば、上記の半導体装置を備えているため、電流ノイズによる誤動作を低減でき、スイッチング素子を過電流から良好に保護することができる半導体モジュールを実現することができる。 According to this configuration, since the above-mentioned semiconductor device is provided, it is possible to realize a semiconductor module capable of reducing malfunction due to current noise and satisfactorily protecting the switching element from overcurrent.

図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の模式的な外観図である。FIG. 1 is a schematic external view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1の半導体装置を備える半導体モジュールの回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a semiconductor module including the semiconductor device of FIG. 図3は、図1の半導体装置の平面構造をより具体的に示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the planar structure of the semiconductor device of FIG. 1 more specifically. 図4Aは、図3の半導体装置のセル領域の構造を示す模式的な平面図である。FIG. 4A is a schematic plan view showing the structure of the cell region of the semiconductor device of FIG. 図4Bは、図4Aの断面図(B-B線断面図)である。FIG. 4B is a cross-sectional view of FIG. 4A (cross-sectional view taken along the line BB). 図5Aは、図3の半導体装置の温度センス領域の構造を示す模式的な平面図である。FIG. 5A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sense region of the semiconductor device of FIG. 図5Bは、図5Aの断面図(B-B線断面図)である。FIG. 5B is a cross-sectional view of FIG. 5A (cross-sectional view taken along the line BB). 図5Cは、図5Bの構造の変形例を示す図である。FIG. 5C is a diagram showing a modified example of the structure of FIG. 5B. 図6は、前記半導体装置の製造工程のフロー図である。FIG. 6 is a flow chart of the manufacturing process of the semiconductor device. 図7Aは、前記半導体装置の製造工程の一部を示す図である。FIG. 7A is a diagram showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device. 図7Bは、図7Aの次の工程を示す図である。FIG. 7B is a diagram showing the next step of FIG. 7A. 図7Cは、図7Bの次の工程を示す図である。FIG. 7C is a diagram showing the next step of FIG. 7B. 図7Dは、図7Cの次の工程を示す図である。FIG. 7D is a diagram showing the next step of FIG. 7C. 図7Eは、図7Dの次の工程を示す図である。FIG. 7E is a diagram showing the next step of FIG. 7D. 図7Fは、図7Eの次の工程を示す図である。FIG. 7F is a diagram showing the next step of FIG. 7E. 図7Gは、図7Fの次の工程を示す図である。FIG. 7G is a diagram showing the next step of FIG. 7F. 図7Hは、図7Gの次の工程を示す図である。FIG. 7H is a diagram showing the next step of FIG. 7G. 図7Iは、図7Hの次の工程を示す図である。FIG. 7I is a diagram showing the next step of FIG. 7H. 図7Jは、図7Iの次の工程を示す図である。FIG. 7J is a diagram showing the next step of FIG. 7I. 図7Kは、図7Jの次の工程を示す図である。FIG. 7K is a diagram showing the next step of FIG. 7J. 図7Lは、図7Kの次の工程を示す図である。FIG. 7L is a diagram showing the next step of FIG. 7K. 図8は、前記温度センスダイオードの順方向電圧が温度変化によってどのように変化するかを説明するためのグラフである。FIG. 8 is a graph for explaining how the forward voltage of the temperature sense diode changes due to a temperature change. 図9Aは、図3の半導体装置の温度センス領域の構造を示す模式的な平面図である。9A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sense region of the semiconductor device of FIG. 図9Bは、図9Aの断面図(B-B線断面図)である。9B is a cross-sectional view of FIG. 9A (cross-sectional view taken along the line BB). 図10は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of the connection form of the temperature sense diode. 図11は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of the connection form of the temperature sense diode. 図12は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example of the connection form of the temperature sense diode. 図13は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of the connection form of the temperature sense diode. 図14は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an example of the connection form of the temperature sense diode. 図3の半導体装置のセル領域の構造を示す模式的な平面図である。It is a schematic plan view which shows the structure of the cell region of the semiconductor device of FIG. 図15Bは、図15Aの断面図(B-B線断面図)である。FIG. 15B is a cross-sectional view of FIG. 15A (cross-sectional view taken along the line BB). 図16Aは、図3の半導体装置の温度センス領域の構造を示す模式的な平面図である。FIG. 16A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sense region of the semiconductor device of FIG. 図16Bは、図16Aの断面図(B-B線断面図)である。16B is a cross-sectional view of FIG. 16A (cross-sectional view taken along the line BB). 図16Cは、図16Aの断面図(C-C線断面図)である。16C is a cross-sectional view of FIG. 16A (cross-sectional view taken along the line CC).

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置1の模式的な外観図である。
半導体装置1は、ディスクリート半導体デバイスであって、スイッチング素子SWによる単機能を有している。スイッチング素子SWは、たとえば、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)であってもよく、その他、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、JFET(Junction Field Effect Transistor)、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等であってもよい。この実施形態では、スイッチング素子SWがMISFETである場合を示している。平面視四角形のチップとして形成された半導体装置1の表面には、ソースパッド2およびゲートパッド3が形成されている。ソースパッド2が当該表面のほぼ全域を覆っており、ゲートパッド3は、ソースパッド2の内方領域に配置されている。また、図示はしないが、半導体装置1の裏面にはドレイン電極が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic external view of a semiconductor device 1 according to an embodiment of the present invention.
The semiconductor device 1 is a discrete semiconductor device and has a single function by a switching element SW. The switching element SW may be, for example, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor), or may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a JFET (Junction Field Effect Transistor), a bipolar transistor, a thyristor, or the like. .. In this embodiment, the case where the switching element SW is a MISFET is shown. A source pad 2 and a gate pad 3 are formed on the surface of the semiconductor device 1 formed as a chip having a rectangular shape in a plan view. The source pad 2 covers almost the entire surface of the surface, and the gate pad 3 is arranged in the inner region of the source pad 2. Although not shown, a drain electrode is formed on the back surface of the semiconductor device 1.

半導体装置1には、上記したスイッチング素子SWに加えて、温度センス素子TSが設けられている。温度センス素子TSは、半導体装置1の表面側に配置されている。温度センス素子TSは、スイッチング素子SWから独立しており、スイッチング素子SWによるスイッチング動作に直接寄与しないものである。
次に、半導体装置1を備えた半導体モジュール4における過電流保護方式の概要を説明する。図2は、図1の半導体装置1を備える半導体モジュール4の回路図である。
In addition to the switching element SW described above, the semiconductor device 1 is provided with a temperature sense element TS. The temperature sense element TS is arranged on the surface side of the semiconductor device 1. The temperature sense element TS is independent of the switching element SW and does not directly contribute to the switching operation by the switching element SW.
Next, an outline of the overcurrent protection method in the semiconductor module 4 provided with the semiconductor device 1 will be described. FIG. 2 is a circuit diagram of a semiconductor module 4 including the semiconductor device 1 of FIG.

半導体モジュール4は、半導体装置1と、短絡保護回路5を有する本発明の第2半導体装置の一例としてのゲートドライバG/Dとを含む。半導体モジュール4は、図2に示した以外の半導体チップ(IC、ディスクリート等)を備えていてもよい。
短絡保護回路5は、スイッチング素子SWのゲートGおよび温度センス素子TSに、それぞれ独立して電気的に接続されている。短絡保護回路5は、温度センス素子TSの特性を常時監視している。たとえばスイッチング素子SWに短絡が発生して過電流が流れると、それに伴う発熱によって温度センス素子TSの特性が変化する。短絡保護回路5は、その特性の変化を、スイッチング素子SWにおける短絡の発生として感知し、スイッチング素子SWのゲートGをオフにする。これにより、スイッチング素子SWのソース-ドレイン(S-D)間を流れるドレイン電流Idが遮断され、スイッチング素子SWが保護される。
The semiconductor module 4 includes a semiconductor device 1 and a gate driver G / D as an example of the second semiconductor device of the present invention having the short circuit protection circuit 5. The semiconductor module 4 may include a semiconductor chip (IC, discrete, etc.) other than those shown in FIG.
The short-circuit protection circuit 5 is independently and electrically connected to the gate G of the switching element SW and the temperature sense element TS, respectively. The short-circuit protection circuit 5 constantly monitors the characteristics of the temperature sense element TS. For example, when a short circuit occurs in the switching element SW and an overcurrent flows, the characteristics of the temperature sense element TS change due to the heat generated by the short circuit. The short-circuit protection circuit 5 senses the change in the characteristics as the occurrence of a short circuit in the switching element SW, and turns off the gate G of the switching element SW. As a result, the drain current Id flowing between the source and drain (SD) of the switching element SW is cut off, and the switching element SW is protected.

図3は、図1の半導体装置1の平面構造をより具体的に示す図である。
半導体装置1は、その外形を定義する半導体基板6を含み、半導体基板6上にスイッチング素子SWおよび温度センス素子TSが形成された構造を有している。
半導体基板6は、平面視四角形の形状を有しており、その表面のほぼ全域が平面視略四角形のソースパッド2に覆われている。ソースパッド2の下方の大部分には、スイッチング素子SWを構成するセル領域7が形成されている。ゲートパッド3は、半導体基板6の外周辺の少なくとも一辺に配置されている。ゲートパッド3には、ゲートフィンガー8が接続されている。ゲートフィンガー8は、半導体基板6の中央部に延びてセル領域7を一方側および他方側に振り分けると共に、半導体基板6の周縁部に延びてセル領域7を取り囲んでいる。
FIG. 3 is a diagram showing the planar structure of the semiconductor device 1 of FIG. 1 more specifically.
The semiconductor device 1 includes a semiconductor substrate 6 that defines its outer shape, and has a structure in which a switching element SW and a temperature sense element TS are formed on the semiconductor substrate 6.
The semiconductor substrate 6 has a quadrangular shape in a plan view, and almost the entire surface thereof is covered with a source pad 2 having a substantially quadrangular view in a plan view. A cell region 7 constituting the switching element SW is formed in most of the lower part of the source pad 2. The gate pad 3 is arranged on at least one side of the outer periphery of the semiconductor substrate 6. A gate finger 8 is connected to the gate pad 3. The gate finger 8 extends to the central portion of the semiconductor substrate 6 to distribute the cell region 7 to one side and the other side, and extends to the peripheral edge portion of the semiconductor substrate 6 to surround the cell region 7.

セル領域7の内方領域には、温度センス素子TSを構成する温度センス領域9が形成されている。温度センス領域9は、セル領域7に取り囲まれている。温度センス領域9の位置は、たとえば、半導体基板6の周縁部であってよい。温度センス領域9が半導体基板6の周縁部に配置されていれば、半導体基板6上において、温度センス領域9以外の部分に比較的広い領域を確保できるので、ソースパッド2の面積を広くとることができる。そのため、チップサイズが小型になっても、ソースパッド2に対して、ボンディングプレートや比較的太いボンディングワイヤ等の配線部材を接続することができる。 A temperature sense region 9 constituting the temperature sense element TS is formed in the inner region of the cell region 7. The temperature sense region 9 is surrounded by the cell region 7. The position of the temperature sense region 9 may be, for example, the peripheral portion of the semiconductor substrate 6. If the temperature sense region 9 is arranged on the peripheral edge of the semiconductor substrate 6, a relatively wide region can be secured on the semiconductor substrate 6 in a portion other than the temperature sense region 9, so that the area of the source pad 2 should be wide. Can be done. Therefore, even if the chip size is reduced, a wiring member such as a bonding plate or a relatively thick bonding wire can be connected to the source pad 2.

平面視において、温度センス領域9を挟むように、第1電極10および第2電極11が設けられている。つまり、半導体基板6上に、対をなす第1電極10および第2電極11が互いに間隔を空けて配置されており、第1電極10と第2電極11との間の領域に温度センス領域9が形成されている。第1電極10および第2電極11は、たとえば、ゲートパッド3が配置された半導体基板6の一辺に沿って並べて配置されている。これにより、ゲートパッド3、第1電極10および第2電極11のそれぞれから、ボンディングワイヤ等の配線部材を同じ方向(図3では、紙面左方向)に引き出しやすくなる。また、第1電極10および第2電極11、ならびに、ソースパッド2、ゲートパッド3およびゲートフィンガー8は、同一材料の電極膜からなり、たとえば、半導体基板6上に当該電極膜を形成した後、当該電極膜をパターニングすることによって同時に形成することができる。
<セル構造>
図4Aは、図3の半導体装置1のセル領域7の構造(プレーナゲート構造)を示す模式的な平面図である。図4Bは、図4Aの断面図(B-B線断面図)である。
In a plan view, the first electrode 10 and the second electrode 11 are provided so as to sandwich the temperature sense region 9. That is, the paired first electrode 10 and the second electrode 11 are arranged on the semiconductor substrate 6 at intervals from each other, and the temperature sense region 9 is located in the region between the first electrode 10 and the second electrode 11. Is formed. The first electrode 10 and the second electrode 11 are arranged side by side along one side of the semiconductor substrate 6 in which the gate pad 3 is arranged, for example. As a result, wiring members such as bonding wires can be easily pulled out from each of the gate pad 3, the first electrode 10, and the second electrode 11 in the same direction (to the left of the paper in FIG. 3). Further, the first electrode 10 and the second electrode 11, and the source pad 2, the gate pad 3, and the gate finger 8 are made of an electrode film made of the same material. For example, after forming the electrode film on the semiconductor substrate 6, the electrode film is formed. It can be formed at the same time by patterning the electrode film.
<Cell structure>
FIG. 4A is a schematic plan view showing the structure (planar gate structure) of the cell region 7 of the semiconductor device 1 of FIG. FIG. 4B is a cross-sectional view of FIG. 4A (cross-sectional view taken along the line BB).

半導体基板6は、たとえば、SiC基板であってもよく、その他、GaN基板、Si基板等であってもよい。また、半導体基板6は、下地基板と、この上に結晶成長したエピタキシャル層とを含むエピタキシャル基板であってよい。この実施形態では、半導体基板6がn型SiCエピタキシャル基板である場合を示している。n型SiCエピタキシャル基板は、n型下地基板と、当該n型下地基板上のn型エピタキシャル層とを含んでいてもよい。n型下地基板の不純物濃度は、たとえば、1.0×1018cm-3~1.0×1020cm-3であり、n型エピタキシャル層の不純物濃度は、たとえば、5.0×1014cm-3~5.0×1016cm-3であってよい。n型の不純物としては、たとえば、N(窒素),As(砒素),P(リン)等が挙げられる。 The semiconductor substrate 6 may be, for example, a SiC substrate, or may be a GaN substrate, a Si substrate, or the like. Further, the semiconductor substrate 6 may be an epitaxial substrate including a base substrate and an epitaxial layer in which crystals are grown. In this embodiment, the case where the semiconductor substrate 6 is an n-type SiC epitaxial substrate is shown. The n-type SiC epitaxial substrate may include an n + type base substrate and an n type epitaxial layer on the n + type substrate. The impurity concentration of the n + type base substrate is, for example, 1.0 × 10 18 cm -3 to 1.0 × 10 20 cm -3 , and the impurity concentration of the n type epitaxial layer is, for example, 5.0 ×. It may be 10 14 cm -3 to 5.0 × 10 16 cm -3 . Examples of the n-type impurity include N (nitrogen), As (arsenic), P (phosphorus) and the like.

図4Aおよび図4Bに示すように、セル領域7において半導体基板6の表面部には、複数のp型ボディ領域12が形成されている。複数のp型ボディ領域12は、たとえば、図4Aに示すように平面視マトリクス状(行列状)に形成されていてもよいし、その他、ストライプ状、ハニカム状に形成されていてもよい。隣り合うp型ボディ領域12の間に、スイッチング素子SWの各単位セル13を区画するラインが設定されている。p型ボディ領域12のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3であってよい。p型の不純物としては、たとえば、B(ホウ素),Al(アルミニウム)等が挙げられる。 As shown in FIGS. 4A and 4B, a plurality of p-type body regions 12 are formed on the surface portion of the semiconductor substrate 6 in the cell region 7. The plurality of p-shaped body regions 12 may be formed in a planar matrix shape (matrix shape) as shown in FIG. 4A, or may be formed in a striped shape or a honeycomb shape. A line for partitioning each unit cell 13 of the switching element SW is set between adjacent p-type body regions 12. The p-type impurity concentration in the p-type body region 12 may be, for example, 1 × 10 15 cm -3 to 1 × 10 20 cm -3 . Examples of the p-type impurity include B (boron) and Al (aluminum).

p型ボディ領域12の内方領域の表面部には、n型ソース領域14がp型ボディ領域12の周縁と間隔を空けて形成されている。n型ソース領域14のn型不純物濃度は、n型の半導体基板6の不純物濃度より高く、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3であってよい。
型ソース領域14の内方領域には、p型ボディコンタクト領域15が形成されている。p型ボディコンタクト領域15は、n型ソース領域14を深さ方向に貫通して形成されている。p型ボディコンタクト領域15のp型不純物濃度は、p型ボディ領域12よりも高く、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3であってよい
An n + -type source region 14 is formed on the surface of the inner region of the p-type body region 12 at a distance from the peripheral edge of the p-type body region 12. The concentration of n-type impurities in the n - type source region 14 is higher than the concentration of impurities in the n-type semiconductor substrate 6, and may be, for example, 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 .
A p + type body contact region 15 is formed in the inner region of the n + type source region 14. The p + type body contact region 15 is formed so as to penetrate the n + type source region 14 in the depth direction. The p-type impurity concentration in the p - type body contact region 15 is higher than that in the p-type body region 12, and may be, for example, 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 .

半導体基板6の表面には、ゲート絶縁膜16が形成されている。ゲート絶縁膜16は、たとえば、酸化シリコン(SiO)からなっていてよい。ゲート絶縁膜16の厚さは、たとえば、300Å~600Åであってよい。
ゲート絶縁膜16上には、ゲート電極17が形成されている。ゲート電極17は、ゲート絶縁膜16を挟んでp型ボディ領域12の周縁部(平面視でn型ソース領域14を取り囲む部分)に対向している。ゲート電極17は、たとえば、n型ポリシリコン(n型のドープトポリシリコン)からなるが、p型ポリシリコンからなっていてもよい。ゲート電極17の厚さは、たとえば、6000Å~12000Åであってよい。
A gate insulating film 16 is formed on the surface of the semiconductor substrate 6. The gate insulating film 16 may be made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ). The thickness of the gate insulating film 16 may be, for example, 300 Å to 600 Å.
A gate electrode 17 is formed on the gate insulating film 16. The gate electrode 17 faces the peripheral portion of the p-type body region 12 (the portion surrounding the n + -type source region 14 in a plan view) with the gate insulating film 16 interposed therebetween. The gate electrode 17 is made of, for example, n-type polysilicon (n-type doped polysilicon), but may be made of p-type polysilicon. The thickness of the gate electrode 17 may be, for example, 6000 Å to 12000 Å.

半導体基板6上の全面には、ゲート電極17を覆う層間絶縁膜18が形成されている。層間絶縁膜18は、たとえば、酸化シリコン(SiO)からなっていてもよいし、後述するように、複数の酸化シリコンからなる膜が積層された構成を有していてもよい(図7I~図7L参照)。層間絶縁膜18の厚さ(複数の膜からなる場合はトータルの厚さ)は、たとえば、1000Å~2000Åであってよい。なお、図示はしないが、層間絶縁膜18には、ソースパッド2とn型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15とを電気的に接続する配線、およびゲートパッド3とゲート電極17とを電気的に接続する配線が、それぞれ貫通して形成されている。
<温度センス素子構造>
図5Aは、図3の半導体装置1の温度センス領域9の構造を示す模式的な平面図である。図5Bは、図5Aの断面図(B-B線断面図)である。図5Cは、図5Bの構造の変形例を示す図である。
An interlayer insulating film 18 covering the gate electrode 17 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 6. The interlayer insulating film 18 may be made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), or may have a structure in which a plurality of films made of silicon oxide are laminated (FIGS. 7I to 7I). (See FIG. 7L). The thickness of the interlayer insulating film 18 (total thickness in the case of a plurality of films) may be, for example, 1000 Å to 2000 Å. Although not shown, the interlayer insulating film 18 includes wiring for electrically connecting the source pad 2 and the n + type source region 14 and the p + type body contact region 15, and a gate pad 3 and a gate electrode 17. Wiring that electrically connects the two is formed through each of them.
<Temperature sense element structure>
FIG. 5A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sense region 9 of the semiconductor device 1 of FIG. FIG. 5B is a cross-sectional view of FIG. 5A (cross-sectional view taken along the line BB). FIG. 5C is a diagram showing a modified example of the structure of FIG. 5B.

図5Aおよび図5Bに示すように、温度センス領域9において半導体基板6の表面部には、p型領域19が形成されている。p型領域19は、p型ボディ領域12と同じ導電型の不純物領域であってよく、そのp型不純物濃度および深さもp型ボディ領域12と同じであってもよい。
半導体基板6の表面には、セル領域7のゲート絶縁膜16が温度センス領域9にまで延びて形成されている。温度センス領域9においてゲート絶縁膜16上には、温度センス素子TSの一例としての温度センスダイオード20(pnダイオード)が形成されている。温度センスダイオード20は、ゲート絶縁膜16を挟んで半導体基板6に対向している。たとえば図5Bに示すように、温度センスダイオード20の全体は、半導体基板6の単一の不純物領域(この実施形態では、p型領域19)に対向していてもよい。
As shown in FIGS. 5A and 5B, a p-type region 19 is formed on the surface portion of the semiconductor substrate 6 in the temperature sense region 9. The p-type region 19 may be the same conductive type impurity region as the p-type body region 12, and the p-type impurity concentration and depth thereof may be the same as the p-type body region 12.
On the surface of the semiconductor substrate 6, the gate insulating film 16 of the cell region 7 extends to the temperature sense region 9 and is formed. In the temperature sense region 9, a temperature sense diode 20 (pn diode) as an example of the temperature sense element TS is formed on the gate insulating film 16. The temperature sense diode 20 faces the semiconductor substrate 6 with the gate insulating film 16 interposed therebetween. For example, as shown in FIG. 5B, the entire temperature sense diode 20 may face a single impurity region (p-type region 19 in this embodiment) of the semiconductor substrate 6.

温度センスダイオード20は、たとえば、単層のポリシリコン層21からなる。ポリシリコン層21からなる温度センスダイオード20は、ゲート電極17と同一工程で形成されることによって、ゲート電極17と同一層に形成されていてもよい。つまり、ポリシリコン層21は、ゲート電極17と同様に6000Å~12000Åの厚さで形成されていてもよい。むろん、ポリシリコン層21は、ゲート電極17と別工程で形成されていてもよいし、ゲート電極17と異なる厚さを有していてもよい。 The temperature sense diode 20 is composed of, for example, a monolayer polysilicon layer 21. The temperature sense diode 20 made of the polysilicon layer 21 may be formed in the same layer as the gate electrode 17 by being formed in the same process as the gate electrode 17. That is, the polysilicon layer 21 may be formed to have a thickness of 6000 Å to 12000 Å, similarly to the gate electrode 17. Of course, the polysilicon layer 21 may be formed in a separate process from the gate electrode 17, or may have a thickness different from that of the gate electrode 17.

温度センスダイオード20は、p型領域22と、p型領域22を取り囲むn型領域23とを含む。p型領域22をn型領域23で取り囲む構成であれば、p型領域22およびn型領域23が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域22およびn型領域23のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。 The temperature sense diode 20 includes a p-type region 22 and an n + -type region 23 surrounding the p-type region 22. If the p-type region 22 is surrounded by the n + type region 23, the p-type region 22 and the n + type region 23 do not overlap in a plan view, so that no separate wiring or the like is required, and the p-type region 22 and the p-type region 22 and Contact can be easily made to either of the n + type regions 23.

p型領域22およびn型領域23は、それぞれ、図5Bに示すようにポリシリコン層21の表面から裏面に達するように形成されていてもよいし、図示はしないが、ポリシリコン層21の表面部に選択的に形成されていてもよい。なお、p型領域22はn型領域23で取り囲まれていなくてもよく、たとえば、p型領域22およびn型領域23は、互い隣接して形成されることによって、共有しない周縁を一部に有していてもよい。また、p型領域22のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3(p型ボディ領域12と同じ)あってよい。n型領域23のn型不純物濃度は、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3(n型ソース領域14と同じ
)であってよい。
The p-type region 22 and the n + -type region 23 may be formed so as to reach from the front surface to the back surface of the polysilicon layer 21, respectively, as shown in FIG. 5B, and although not shown, the photoresist layer 21 may be formed. It may be selectively formed on the surface portion. The p-type region 22 does not have to be surrounded by the n + type region 23. For example, the p-type region 22 and the n + type region 23 are formed adjacent to each other so as to have one unshared peripheral edge. You may have it in the part. The concentration of p-type impurities in the p-type region 22 may be, for example, 1 × 10 15 cm -3 to 1 × 10 20 cm -3 (same as the p-type body region 12). The n-type impurity concentration in the n + type region 23 may be, for example, 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 (same as the n + type source region 14).

温度センスダイオード20は、さらに、p型コンタクト領域24およびp型外周領域25を含んでいてもよい。p型コンタクト領域24はp型領域22の内方領域にp型領域22の周縁と間隔を空けて形成されており、p型外周領域25は、n型領域23を取り囲むように形成されていてもよい。p型コンタクト領域24およびp型外周領域25は、それぞれ、図5Bに示すようにポリシリコン層21の表面から裏面に達するように形成されていてもよいし、図示はしないが、ポリシリコン層21の表面部に選択的に形成されていてもよい。また、p型コンタクト領域24のp型不純物濃度は、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3(p型ボディコンタクト領域15と同じ)であってよい。p型外周領域25のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3(p型ボディ領域12と同じ)であってよい。 The temperature sense diode 20 may further include a p + type contact region 24 and a p-type outer peripheral region 25. The p + type contact region 24 is formed in the inner region of the p-type region 22 at a distance from the peripheral edge of the p-type region 22, and the p-type outer peripheral region 25 is formed so as to surround the n + type region 23. May be. The p + type contact region 24 and the p-type outer peripheral region 25 may be formed so as to reach the back surface from the front surface of the polysilicon layer 21 as shown in FIG. 5B, respectively, and although not shown, the polysilicon layer may be formed. It may be selectively formed on the surface portion of 21. The p-type impurity concentration in the p + type contact region 24 may be, for example, 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 (same as the p + type body contact region 15). The p-type impurity concentration in the p-type outer peripheral region 25 may be, for example, 1 × 10 15 cm -3 to 1 × 10 20 cm -3 (same as the p-type body region 12).

なお、温度センスダイオード20は、図5Cに示すように、ゲート電極17と反対導電型のp型ポリシリコン(p型のドープトポリシリコン)からなるp型ベース層26と、当該p型ベース層26の表面部に選択的に形成されたn型領域23およびp型コンタクト領域24とを備える構成を有していてもよい。
温度センスダイオード20は、半導体基板6上の層間絶縁膜18に覆われている。第1電極10は、層間絶縁膜18のコンタクトホール27を介して、アノード電極としてp型コンタクト領域24に接続されている。第2電極11は、層間絶縁膜18のコンタクトホール28を介して、カソード電極としてn型領域23に接続されている。温度センスダイオード20の両端に接続された第1電極10および第2電極11は、前述のように、スイッチング素子SW用のソースパッド2およびゲートパッド3とは分離されて形成されたものである。したがって、温度センスダイオード20は、スイッチング素子SWから電気的に独立している。
As shown in FIG. 5C, the temperature sense diode 20 includes a p-type base layer 26 made of a gate electrode 17 and an opposite conductive p-type polysilicon (p-type doped polysilicon), and the p-type base layer. It may have a configuration including an n + type region 23 and a p + type contact region 24 selectively formed on the surface portion of 26.
The temperature sense diode 20 is covered with an interlayer insulating film 18 on the semiconductor substrate 6. The first electrode 10 is connected to the p + type contact region 24 as an anode electrode via the contact hole 27 of the interlayer insulating film 18. The second electrode 11 is connected to the n + type region 23 as a cathode electrode via the contact hole 28 of the interlayer insulating film 18. As described above, the first electrode 10 and the second electrode 11 connected to both ends of the temperature sense diode 20 are formed separately from the source pad 2 and the gate pad 3 for the switching element SW. Therefore, the temperature sense diode 20 is electrically independent of the switching element SW.

ポリシリコンは、既に確立されている半導体製造技術によって所望の形状および位置に簡単に形成することができる。そのため、温度センスダイオード20を、スイッチング素子SWの近傍、半導体基板6の発熱部である表面近傍に形成し、半導体基板6の温度変化を高い精度で検出することができる。たとえば、この温度センスダイオード20に定電流を印加し、温度センスダイオード20の順方向電圧Vを監視しておくことによって、半導体基板6の温度変化を検出することができる。定電流として、たとえば、1μAを印加し、順方向電圧Vを監視すればよい。電流としては、1μA~100μAの範囲の定電流とすればよい。 Polysilicon can be easily formed into a desired shape and position by the already established semiconductor manufacturing technology. Therefore, the temperature sense diode 20 can be formed in the vicinity of the switching element SW and in the vicinity of the surface which is the heat generating portion of the semiconductor substrate 6, and the temperature change of the semiconductor substrate 6 can be detected with high accuracy. For example, by applying a constant current to the temperature sense diode 20 and monitoring the forward voltage VF of the temperature sense diode 20, the temperature change of the semiconductor substrate 6 can be detected. For example, 1 μA may be applied as a constant current and the forward voltage VF may be monitored. The current may be a constant current in the range of 1 μA to 100 μA.

第2電極11は、層間絶縁膜18上において、一部に開放部29を有する環状のコンタクト部30と、当該コンタクト部30から延びるライン状の引き出し部31とを一体的に含む。コンタクト部30は、平面視でp型領域22を取り囲んでいる。また、コンタクトホール28は、コンタクト部30に沿って一部が開放された環状に形成されている。
第1電極10は、層間絶縁膜18上において、第2電極11のコンタクト部30で取り囲まれたコンタクト部32と、当該コンタクト部32から開放部29を通過して延びるライン状の引き出し部33とを一体的に含む。コンタクト部32は、p型コンタクト領域24上に配置されている。また、コンタクトホール27は、コンタクト部32の下方に重なるように形成されている。
The second electrode 11 integrally includes an annular contact portion 30 having an open portion 29 partially and a line-shaped lead-out portion 31 extending from the contact portion 30 on the interlayer insulating film 18. The contact portion 30 surrounds the p-shaped region 22 in a plan view. Further, the contact hole 28 is formed in an annular shape with a part open along the contact portion 30.
The first electrode 10 has a contact portion 32 surrounded by a contact portion 30 of the second electrode 11 on the interlayer insulating film 18, and a line-shaped drawing portion 33 extending from the contact portion 32 through the opening portion 29. Is included integrally. The contact portion 32 is arranged on the p + type contact region 24. Further, the contact hole 27 is formed so as to overlap below the contact portion 32.

次に、半導体装置1の製造方法を説明する。図6は、半導体装置1の製造工程のフロー図である。図7A~図7Lは、半導体装置1の製造工程の一部を工程順に示す図である。なお、図7A~図7Lは、それぞれ、図6のステップ一つ一つに対応するものではない。以下では、半導体装置1の製造工程を図6のフローに従って説明し、必要に応じて図7A~図7Lを参照する。 Next, a method of manufacturing the semiconductor device 1 will be described. FIG. 6 is a flow chart of the manufacturing process of the semiconductor device 1. 7A to 7L are diagrams showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device 1 in the order of processes. Note that FIGS. 7A to 7L do not correspond to each step in FIG. 6, respectively. Hereinafter, the manufacturing process of the semiconductor device 1 will be described according to the flow of FIG. 6, and FIGS. 7A to 7L will be referred to as necessary.

半導体装置1を製造するには、たとえば、エピタキシャル成長によって、n型下地基板上にn型エピタキシャル層が形成される(ステップS1)。これにより、半導体基板6が形成される。
次に、半導体基板6にp型不純物を選択的に注入することによってp型ボディ領域12およびp型領域19が形成される(ステップS2)。同様に、半導体基板6にn型不純物およびp型不純物を選択的に注入することによって、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15が形成される(ステップS3,S4)。
In order to manufacture the semiconductor device 1, for example, an n - type epitaxial layer is formed on an n + type base substrate by epitaxial growth (step S1). As a result, the semiconductor substrate 6 is formed.
Next, the p-type body region 12 and the p-type region 19 are formed by selectively injecting p-type impurities into the semiconductor substrate 6 (step S2). Similarly, by selectively injecting n-type impurities and p-type impurities into the semiconductor substrate 6, an n + type source region 14 and a p + type body contact region 15 are formed (steps S3 and S4).

次に、図7Aに示すように、半導体基板6を熱酸化することによって、半導体基板6の表面にゲート絶縁膜16が形成される(ステップS5)。次に、たとえばCVD法によって、ゲート電極17および温度センスダイオード20のベースとなるポリシリコン層21が形成される(ステップS6)。次に、たとえばCVD法によって、酸化シリコン(SiO)からなるハードマスク34(たとえば、厚さが9000Å程度)が形成される(ステップS7)。 Next, as shown in FIG. 7A, the gate insulating film 16 is formed on the surface of the semiconductor substrate 6 by thermally oxidizing the semiconductor substrate 6 (step S5). Next, for example, by the CVD method, the polysilicon layer 21 that is the base of the gate electrode 17 and the temperature sense diode 20 is formed (step S6). Next, for example, a hard mask 34 (for example, a thickness of about 9000 Å) made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed by a CVD method (step S7).

次に、図7Bに示すように、ハードマスク34のリソグラフィ用のレジスト膜35が形成される(ステップS8)。レジスト膜35は、p型領域22およびn型領域23を形成すべき領域36上のハードマスク34を覆うように形成される。
次に、図7Cに示すように、レジスト膜35を介してハードマスク34が選択的にエッチングされる(ステップS9)。エッチングは、たとえば、フッ酸によるウエットエッチングで行われてよい。エッチング後、レジスト膜35は除去される。
Next, as shown in FIG. 7B, a resist film 35 for lithography of the hard mask 34 is formed (step S8). The resist film 35 is formed so as to cover the hard mask 34 on the region 36 on which the p-type region 22 and the n + type region 23 should be formed.
Next, as shown in FIG. 7C, the hard mask 34 is selectively etched via the resist film 35 (step S9). Etching may be performed, for example, by wet etching with hydrofluoric acid. After etching, the resist film 35 is removed.

次に、図7Dに示すように、ポリシリコン層21のハードマスク34から露出している領域37(ポリシリコン層21の領域36以外の領域)にn型不純物(たとえば、リン)を堆積し、たとえば1000℃程度で拡散させることによって、当該領域37にn型不純物が導入される(ステップS10)。これにより、ポリシリコン層21のゲート電極17部分を含む領域37がn型ポリシリコンとなる一方、領域36はノンドープの状態が維持される。 Next, as shown in FIG. 7D, n-type impurities (for example, phosphorus) are deposited in the region 37 exposed from the hard mask 34 of the polysilicon layer 21 (the region other than the region 36 of the polysilicon layer 21). For example, by diffusing at about 1000 ° C., n-type impurities are introduced into the region 37 (step S10). As a result, the region 37 including the gate electrode 17 portion of the polysilicon layer 21 becomes n-type polysilicon, while the region 36 is maintained in a non-doped state.

次に、図7Eに示すように、ポリシリコン層21上に残っているハードマスク34がエッチングによって除去される(ステップS11)。エッチングは、たとえば、フッ酸によるウエットエッチングで行われてよい。
次に、図7Fに示すように、ポリシリコン層21のゲート電極17部分をマスク(図示せず)で選択的に覆った状態で、p型不純物であるホウ素がポリシリコン層21の全面に注入される(ステップS12)。これにより、ポリシリコン層21の表面から厚さ方向途中までの領域が、p型領域38となる。
Next, as shown in FIG. 7E, the hard mask 34 remaining on the polysilicon layer 21 is removed by etching (step S11). Etching may be performed, for example, by wet etching with hydrofluoric acid.
Next, as shown in FIG. 7F, boron, which is a p-type impurity, is injected onto the entire surface of the polysilicon layer 21 in a state where the gate electrode 17 portion of the polysilicon layer 21 is selectively covered with a mask (not shown). (Step S12). As a result, the region from the surface of the polysilicon layer 21 to the middle in the thickness direction becomes the p-type region 38.

次に、図7Gに示すように、ポリシリコン層21のn型領域23を形成すべき領域を選択的に露出させるマスク(図示せず)がリソグラフィによって形成された後、当該マスクを介して、n型不純物が領域36に注入される(ステップS13)。これにより、n型領域23が形成される。このときn型領域23は、図7Gに示すように、ポリシリコン層21の表面から厚さ方向途中までしか形成されていなくてもよい。 Next, as shown in FIG. 7G, a mask (not shown) that selectively exposes the region to form the n + type region 23 of the polysilicon layer 21 is formed by lithography, and then through the mask. , N-type impurities are injected into the region 36 (step S13). As a result, the n + type region 23 is formed. At this time, as shown in FIG. 7G, the n + type region 23 may be formed only halfway from the surface of the polysilicon layer 21 in the thickness direction.

次に、図7Hに示すように、ポリシリコン層21のp型コンタクト領域24を形成すべき領域を選択的に露出させるマスク(図示せず)がリソグラフィによって形成された後、当該マスクを介して、p型不純物が領域36に注入される(ステップS14)。これにより、p型コンタクト領域24が形成される。このときp型コンタクト領域24は、図7Hに示すように、ポリシリコン層21の表面から厚さ方向途中までしか形成されていなくてもよい。 Next, as shown in FIG. 7H, a mask (not shown) that selectively exposes the region to form the p + type contact region 24 of the polysilicon layer 21 is formed by lithography, and then through the mask. Then, the p-type impurity is injected into the region 36 (step S14). As a result, the p + type contact region 24 is formed. At this time, as shown in FIG. 7H, the p + type contact region 24 may be formed only halfway from the surface of the polysilicon layer 21 in the thickness direction.

次に、図7Iに示すように、ポリシリコン層21の温度センスダイオード20およびゲート電極17を形成すべき領域を選択的に覆うハードマスク39が形成された後、当該ハードマスク39を介してポリシリコン層21が選択的にエッチングされる。これにより、温度センスダイオード20およびゲート電極17(図7Iに記載なし)が形成される。
次に、図7Jに示すように、ハードマスク39を残した状態で、たとえばCVD法によって、複数の絶縁膜が形成される。複数の絶縁膜は、たとえば、図7Jに示すように、下側の酸化シリコン膜40(たとえば、NSG(Non-doped Silicate Glass)膜)と、上側の酸化シリコン膜41(たとえば、PSG(Phosphorus Silicate Glass)膜、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)膜等)とを含んでいてもよい。これにより、ハードマスク39、酸化シリコン膜40および酸化シリコン膜41からなる層間絶縁膜18が形成される(ステップS15)。
Next, as shown in FIG. 7I, a hard mask 39 that selectively covers the region where the temperature sense diode 20 and the gate electrode 17 of the polysilicon layer 21 are to be formed is formed, and then the poly is formed through the hard mask 39. The silicon layer 21 is selectively etched. As a result, the temperature sense diode 20 and the gate electrode 17 (not shown in FIG. 7I) are formed.
Next, as shown in FIG. 7J, a plurality of insulating films are formed with the hard mask 39 left, for example, by a CVD method. As shown in FIG. 7J, the plurality of insulating films include a lower silicon oxide film 40 (for example, NSG (Non-doped Silicate Glass) film) and an upper silicon oxide film 41 (for example, PSG (Phosphorus Silicate)). Glass) film, BPSG (Boron Phosphorus Silicate Glass) film, etc.) may be included. As a result, the interlayer insulating film 18 composed of the hard mask 39, the silicon oxide film 40, and the silicon oxide film 41 is formed (step S15).

次に、図7Kに示すように、層間絶縁膜18を選択的にエッチングすることによって、コンタクトホール27,28が形成される(ステップS16)。
次に、図7Lに示すように、半導体基板6が加熱処理(リフロー)される(ステップS17)。当該加熱処理は、たとえば、窒素(N)雰囲気下、900℃~1200℃で5分~15分間行われる。これにより、ポリシリコン層21の表面部に留まっていたp型領域38、n型領域23およびp型コンタクト領域24が、ポリシリコン層21の裏面に達するまで拡散する。
Next, as shown in FIG. 7K, the contact holes 27 and 28 are formed by selectively etching the interlayer insulating film 18 (step S16).
Next, as shown in FIG. 7L, the semiconductor substrate 6 is heat-treated (reflowed) (step S17). The heat treatment is performed, for example, in a nitrogen (N 2 ) atmosphere at 900 ° C to 1200 ° C for 5 to 15 minutes. As a result, the p-type region 38, the n + type region 23, and the p + type contact region 24 remaining on the surface portion of the polysilicon layer 21 are diffused until they reach the back surface of the polysilicon layer 21.

その後は、各種配線、ソースパッド2、ゲートパッド3、第1電極10、第2電極11およびパッシベーション膜等が形成されることによって、半導体装置1が得られる。
次に、半導体モジュール4における半導体装置1の動作、および過電流保護方式をより具体的に説明する。
半導体モジュール4における電気的な回路構成は、図2に示した通りである。そのように接続された半導体装置1には、ゲートドライバG/Dによって電圧が印加される。具体的には、主に図3および図4Bを参照して、ソースパッド2とドレイン電極(図示せず)との間に、ドレイン電極側が正となるバイアス電圧が与えられる。これにより、n型の半導体基板6とp型ボディ領域12との界面のpn接合には逆方向電圧が与えられ、その結果、n型ソース領域14と半導体基板6と間、すなわち、ソース-ドレイン間は、遮断状態となる。この状態で、ソースパッド2とゲートパッド3との間に、ゲートパッド3側が正となる所定の電圧を与えると、p型ボディ領域12に対するバイアスがゲート電極17に与えられる。これにより、p型ボディ領域12の周縁部には、電子が誘起されて、反転チャネルが形成される。この反転チャネルを介して、n型ソース領域14と半導体基板6と間が導通する。こうして、ソース-ドレイン間が導通してドレイン電流Idが流れることになる。
After that, the semiconductor device 1 is obtained by forming various wirings, a source pad 2, a gate pad 3, a first electrode 10, a second electrode 11, a passivation film, and the like.
Next, the operation of the semiconductor device 1 in the semiconductor module 4 and the overcurrent protection method will be described more specifically.
The electrical circuit configuration of the semiconductor module 4 is as shown in FIG. A voltage is applied to the semiconductor device 1 so connected by the gate driver G / D. Specifically, with reference mainly to FIGS. 3 and 4B, a bias voltage is applied between the source pad 2 and the drain electrode (not shown) so that the drain electrode side becomes positive. As a result, a reverse voltage is applied to the pn junction at the interface between the n-type semiconductor substrate 6 and the p-type body region 12, and as a result, between the n + -type source region 14 and the semiconductor substrate 6, that is, the source-. The drains are cut off. In this state, when a predetermined voltage is applied between the source pad 2 and the gate pad 3 so that the gate pad 3 side becomes positive, a bias with respect to the p-type body region 12 is applied to the gate electrode 17. As a result, electrons are induced in the peripheral portion of the p-type body region 12 to form an inversion channel. The n + type source region 14 and the semiconductor substrate 6 conduct with each other via this inverting channel. In this way, the source and the drain become conductive and the drain current Id flows.

一方、図5Aおよび図5Bを参照して、温度センスダイオード20には、ゲートドライバG/Dによって定電流が印加される。また、ゲートドライバG/Dの短絡保護回路5は、温度センスダイオード20の順方向電圧Vを常時監視している。通常時、温度センスダイオード20のI-V特性は、たとえば、図8に実線で示した曲線を描いている。
そして、図4Aおよび図4Bのスイッチング素子SW(MISFET)に短絡が発生して過電流が流れると、半導体基板6の表面側で温度上昇が発生する。この温度上昇は、セル領域7と共通の半導体基板6上に形成された温度センス領域9(図5B参照)にも伝わるので、温度センス領域9では、当該温度上昇に伴って温度センスダイオード20の順方向電圧Vが低下する。たとえば、図8に破線で示した曲線のように、温度センスダイオード20の立ち上がり電圧が低電圧側にシフトする。短絡保護回路5は、この順方向電圧Vの低下を、スイッチング素子SWにおける短絡の発生として感知し、ゲートパッド3に印加している電圧をオフにする。これにより、スイッチング素子SWのソース-ドレイン(S-D)間を流れるドレイン電流Idが遮断され、スイッチング素子SWが保護される。
On the other hand, referring to FIGS. 5A and 5B, a constant current is applied to the temperature sense diode 20 by the gate driver G / D. Further, the short-circuit protection circuit 5 of the gate driver G / D constantly monitors the forward voltage VF of the temperature sense diode 20. Normally, the IV characteristic of the temperature sense diode 20 draws a curve shown by a solid line in FIG. 8, for example.
When a short circuit occurs in the switching element SW (MISFET) of FIGS. 4A and 4B and an overcurrent flows, a temperature rise occurs on the surface side of the semiconductor substrate 6. Since this temperature rise is also transmitted to the temperature sense region 9 (see FIG. 5B) formed on the semiconductor substrate 6 common to the cell region 7, in the temperature sense region 9, the temperature sense diode 20 is accompanied by the temperature rise. The forward voltage VF drops. For example, as shown by the curve shown by the broken line in FIG. 8, the rising voltage of the temperature sense diode 20 shifts to the low voltage side. The short-circuit protection circuit 5 senses this decrease in the forward voltage VF as the occurrence of a short circuit in the switching element SW, and turns off the voltage applied to the gate pad 3. As a result, the drain current Id flowing between the source and drain (SD) of the switching element SW is cut off, and the switching element SW is protected.

このように、たとえば短絡等によってスイッチング素子SWに過電流が流れたときには、当該過電流による半導体基板6の温度上昇を温度センスダイオード20の順方向電圧Vの低下に基づいて検出し、当該検出結果に従って、スイッチング素子SWに過電流が流れているか否かを判別することができる。しかも、監視対象がスイッチング素子SWに流れるセンス電流ではないので、当該センス電流にノイズが入って重畳した場合でも、当該重畳電流に起因して過電流と誤って検出することがない。そのため、電流ノイズによる誤動作を低減することができる。また、従来の過電流保護方式とは異なり、一定の待ち時間(マスク時間)を設けないか、設けても短時間で済むため、過電流によってデバイスが破壊に至る時間が比較的短い低オン抵抗デバイス(SiC、GaN等)に非常に効果的である。 In this way, when an overcurrent flows through the switching element SW due to, for example, a short circuit, the temperature rise of the semiconductor substrate 6 due to the overcurrent is detected based on the decrease in the forward voltage VF of the temperature sense diode 20, and the detection is performed. According to the result, it can be determined whether or not an overcurrent is flowing in the switching element SW. Moreover, since the monitoring target is not the sense current flowing through the switching element SW, even if noise is included in the sense current and superimposed, it is not erroneously detected as an overcurrent due to the superimposed current. Therefore, it is possible to reduce malfunction due to current noise. Also, unlike the conventional overcurrent protection method, a fixed waiting time (mask time) is not provided, or even if it is provided, it can be done in a short time, so the time required for the device to be destroyed by overcurrent is relatively short. Very effective for devices (SiC, GaN, etc.).

また、この実施形態では、図5Bに示すように、温度センスダイオード20が、ゲート電極17と同一層のポリシリコン層21からなるので、温度センスダイオード20の形成に伴う工程数の増加を抑制することができる。また、層間絶縁膜18等の比較的厚い膜に比べて薄いゲート絶縁膜16を介して温度センスダイオード20を半導体基板6上に配置することができる。そのため、温度センスダイオード20の位置を、半導体基板6の表面側の電流経路直近にまで近づけることができる。これにより、半導体基板6の温度変化を検出する精度を向上させることができる。 Further, in this embodiment, as shown in FIG. 5B, since the temperature sense diode 20 is made of the polysilicon layer 21 which is the same layer as the gate electrode 17, the increase in the number of steps accompanying the formation of the temperature sense diode 20 is suppressed. be able to. Further, the temperature sense diode 20 can be arranged on the semiconductor substrate 6 via the gate insulating film 16 which is thinner than the relatively thick film such as the interlayer insulating film 18. Therefore, the position of the temperature sense diode 20 can be brought close to the current path on the surface side of the semiconductor substrate 6. This makes it possible to improve the accuracy of detecting the temperature change of the semiconductor substrate 6.

図9Aは、図3の半導体装置1の温度センス領域9の構造を示す模式的な平面図である。図9Bは、図9Aの断面図(B-B線断面図)である。図9Aおよび図9Bは、温度センス領域9の構造の他の一例を示している。図9Aおよび図9Bにおいて、前述の図5Aおよび図5Bに示した構成要素と同じものには同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図5Aおよび図5Bでは、温度センスダイオード20は、半導体基板6上のポリシリコン層21からなっていたが、図9Aおよび図9Bの温度センスダイオード42(pnダイオード)は、半導体基板6の表面部に選択的に形成された不純物領域からなる。具体的には、温度センスダイオード42は、p型領域43と、平面視でp型領域43を取り囲むn型領域44とを含む。p型領域43をn型領域44で取り囲む構成であれば、p型領域43およびn型領域44が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域43およびn型領域44のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。
9A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sense region 9 of the semiconductor device 1 of FIG. 9B is a cross-sectional view of FIG. 9A (cross-sectional view taken along the line BB). 9A and 9B show another example of the structure of the temperature sense region 9. In FIGS. 9A and 9B, the same components as those shown in FIGS. 5A and 5B described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
In FIGS. 5A and 5B, the temperature sense diode 20 is composed of the polysilicon layer 21 on the semiconductor substrate 6, whereas the temperature sense diode 42 (pn diode) in FIGS. 9A and 9B is the surface portion of the semiconductor substrate 6. It consists of an impurity region selectively formed in the diode. Specifically, the temperature sense diode 42 includes a p-type region 43 and an n + -type region 44 that surrounds the p-type region 43 in a plan view. If the p-type region 43 is surrounded by the n + type region 44, the p-type region 43 and the n + type region 44 do not overlap in a plan view, so that no separate wiring or the like is required, and the p-type region 43 and the p-type region 43 and Contact can be easily made to either of the n + type regions 44.

p型領域43は、p型領域19の一部からなる。一方、n型領域44は、p型領域19の表面部にフローティングした状態で形成されている。このn型領域44は、n型ソース領域14(図4B参照)と同一工程で形成されていてもよい。つまり、n型領域44は、n型ソース領域14と同様に1×1018cm-3~5×1021cm-3のn型不純物濃度を有していてもよく、また、同じ深さで形成されていてもよい。 The p-type region 43 is composed of a part of the p-type region 19. On the other hand, the n + type region 44 is formed in a floating state on the surface portion of the p-type region 19. The n + type region 44 may be formed in the same process as the n + type source region 14 (see FIG. 4B). That is, the n + type region 44 may have an n-type impurity concentration of 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 like the n + type source region 14, and may have the same depth. It may be formed by a saucer.

温度センスダイオード42は、さらに、p型コンタクト領域45およびp型外周領域46を含んでいてもよい。p型コンタクト領域45はp型領域43の内方領域にp型領域43の周縁と間隔を空けて形成されており、p型外周領域46は、n型領域44を取り囲むように形成されていてもよい。p型外周領域46は、p型領域19の一部からなり、n型領域44の下方のp型領域19を介してp型領域43と電気的に接続されている。一方、p型コンタクト領域45は、p型領域19の表面部にフローティングした状態で形成されている。このp型コンタクト領域45は、p型ボディコンタクト領域15(図4B参照)と同一工程で形成されていてもよい。つまり、p型コンタクト領域45は、p型ボディコンタクト領域15と同様に1×1018cm-3~5×1021cm-3のp型不純物濃度を有していてもよく、また、同じ深さで形成されていてもよい。 The temperature sense diode 42 may further include a p + type contact region 45 and a p-type outer peripheral region 46. The p + type contact region 45 is formed in the inner region of the p-type region 43 at a distance from the peripheral edge of the p-type region 43, and the p-type outer peripheral region 46 is formed so as to surround the n + type region 44. May be. The p-type outer peripheral region 46 is composed of a part of the p-type region 19, and is electrically connected to the p-type region 43 via the p-type region 19 below the n + type region 44. On the other hand, the p + type contact region 45 is formed in a floating state on the surface portion of the p-type region 19. The p + type contact region 45 may be formed in the same process as the p + type body contact region 15 (see FIG. 4B). That is, the p + type contact region 45 may have a p-type impurity concentration of 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 , similarly to the p + type body contact region 15. It may be formed at the same depth.

第1電極10は、層間絶縁膜18のコンタクトホール27を介して、アノード電極としてp型コンタクト領域45に接続されている。第2電極11は、層間絶縁膜18のコンタクトホール28を介して、カソード電極としてn型領域44に接続されている。
以上、上記の温度センスダイオード42によっても、前述の温度センスダイオード20と同様の機能を果たすことができる。さらに、温度センスダイオード42は半導体基板6自体に形成されているため、温度センスダイオード20の場合よりも、半導体基板6の発熱部である表面側の電流経路にpn接合部を近づけることができる。これにより、半導体基板6の温度変化を高い精度で検出することができる。また、不純物領域からなるpnダイオードであれば、高温領域(たとえば200℃以上)においても良好に動作するので、特に、SiC、GaN等のパワーデバイスに特に有効である。
The first electrode 10 is connected to the p + type contact region 45 as an anode electrode via the contact hole 27 of the interlayer insulating film 18. The second electrode 11 is connected to the n + type region 44 as a cathode electrode via the contact hole 28 of the interlayer insulating film 18.
As described above, the temperature sense diode 42 can also perform the same function as the temperature sense diode 20 described above. Further, since the temperature sense diode 42 is formed on the semiconductor substrate 6 itself, the pn junction can be brought closer to the current path on the surface side, which is the heat generating portion of the semiconductor substrate 6, than in the case of the temperature sense diode 20. As a result, the temperature change of the semiconductor substrate 6 can be detected with high accuracy. Further, a pn diode composed of an impurity region operates well even in a high temperature region (for example, 200 ° C. or higher), and is particularly effective for power devices such as SiC and GaN.

次に、温度センスダイオード20,42を複数設ける場合の接続形態のバリエーションを説明する。図10~図14は、それぞれ、温度センスダイオード20,42の接続形態の一例を示す図である。なお、図10~図14では、前述の図5Aおよび図9Aで示した構成要素のうち、説明に必要な要素にのみ参照符号を付している。
まず、図10に示すように、複数の温度センスダイオード20,42は、一方の第1電極10(アノード)と他方の第2電極11(カソード)とが直列に接続されることによって構成された直列接続単位47を含んでいてもよい。直列接続単位47は、図10に示すように2つの温度センスダイオード20,42で構成されていてもよいし、図示はしないが、3つ以上の温度センスダイオード20,42で構成されていてもよい。
Next, variations in the connection form when a plurality of temperature sense diodes 20 and 42 are provided will be described. 10 to 14 are diagrams showing an example of the connection form of the temperature sense diodes 20 and 42, respectively. In addition, in FIGS. 10 to 14, among the constituent elements shown in FIGS. 5A and 9A described above, only the elements necessary for explanation are designated by reference numerals.
First, as shown in FIG. 10, the plurality of temperature sense diodes 20 and 42 are configured by connecting one first electrode 10 (anode) and the other second electrode 11 (cathode) in series. The series connection unit 47 may be included. As shown in FIG. 10, the series connection unit 47 may be composed of two temperature sense diodes 20 and 42, or may be composed of three or more temperature sense diodes 20 and 42 (not shown). good.

図10の構成によれば、図8に示した順方向電圧Vの温度変化量(シフト量)が温度センスダイオード20,42の接続数に比例して増加するので、温度変化の検出感度を向上させることができる。たとえば、温度センスダイオード20,42の1つ当たりの順方向電圧Vの振れ幅がXmV/℃であるとき、温度センスダイオード20,42を5つ直列に接続して直列接続単位47を構成すれば、直列接続単位47トータルでの振れ幅を5XmV/℃にすることができる。 According to the configuration of FIG. 10, the temperature change amount (shift amount) of the forward voltage VF shown in FIG. 8 increases in proportion to the number of connections of the temperature sense diodes 20 and 42, so that the temperature change detection sensitivity can be determined. Can be improved. For example, when the fluctuation width of the forward voltage VF per one of the temperature sense diodes 20 and 42 is XmV / ° C., five temperature sense diodes 20 and 42 are connected in series to form a series connection unit 47. For example, the total swing width of the series connection unit 47 can be set to 5 XmV / ° C.

次に、図11に示すように、少なくとも一対の直列接続単位47が、互いに逆向きに並列接続されていてもよい。つまり、一方の直列接続単位47の末端第1電極10が他方の直列接続単位47の末端第2電極11に接続されて端子48とされ、一方の直列接続単位47の末端第2電極11が他方の直列接続単位47の末端第1電極10に接続されて端子49とされていてもよい。 Next, as shown in FIG. 11, at least a pair of series connection units 47 may be connected in parallel in opposite directions to each other. That is, the terminal first electrode 10 of one series connection unit 47 is connected to the terminal second electrode 11 of the other series connection unit 47 to form a terminal 48, and the terminal second electrode 11 of one series connection unit 47 is the other. It may be connected to the terminal first electrode 10 of the series connection unit 47 and used as the terminal 49.

図11の構成によれば、複数の直列接続単位47を合せた温度センスダイオード20,42の集合体の端子48,49にアノード側およびカソード側の極性の区別がなくなるので、半導体モジュール4(図2参照)等を組み立てるときにボンディングワイヤ等の配線の自由度を向上させることができる。つまり、一方の直列接続単位47に逆方向バイアスが印加されても、そのとき、他方の直列接続単位47には順方向バイアスが印加されるので、少なくとも一方を温度センスダイオードとして機能させることができる。 According to the configuration of FIG. 11, since the terminals 48 and 49 of the aggregate of the temperature sense diodes 20 and 42 in which the plurality of series connection units 47 are combined have no distinction between the anode side and the cathode side polarities, the semiconductor module 4 (FIG. 11). 2) When assembling etc., the degree of freedom of wiring such as bonding wire can be improved. That is, even if a reverse bias is applied to one series connection unit 47, a forward bias is applied to the other series connection unit 47 at that time, so that at least one can function as a temperature sense diode. ..

次に、図12に示すように、複数の温度センスダイオード20,42は、一方および他方の第1電極10(アノード)同士、または、一方および他方の第2電極11(カソード)同士が直列に接続されることによって構成された逆直列接続単位50を含んでいてもよい。逆直列接続単位50は、図12に示すように2つの温度センスダイオード20,42で構成されていてもよいし、図示はしないが、3つ以上の温度センスダイオード20,42で構成されていてもよい。さらに、この逆直列接続単位50は、図13に示すように、複数個逆直列に接続されていてもよい。 Next, as shown in FIG. 12, in the plurality of temperature sense diodes 20 and 42, one and the other first electrodes 10 (anodes) or one and the other second electrodes 11 (cathodes) are in series. It may include a reverse series connection unit 50 configured by being connected. The reverse series connection unit 50 may be composed of two temperature sense diodes 20 and 42 as shown in FIG. 12, or may be composed of three or more temperature sense diodes 20 and 42 (not shown). It is also good. Further, as shown in FIG. 13, a plurality of the reverse series connection units 50 may be connected in reverse series.

図12および図13の構成によれば、逆直列接続単位50を構成する温度センスダイオード20,42のうち少なくとも一つには逆バイアスが印加されることになるので、当該逆直列接続単位50トータルでの抵抗が高くなる。そのため、温度センスダイオード20,42の温度変化の監視に必要な電流を小さく抑えることができ、省電力化を達成することができる。 According to the configurations of FIGS. 12 and 13, a reverse bias is applied to at least one of the temperature sense diodes 20 and 42 constituting the reverse series connection unit 50, so that the reverse series connection unit 50 total The resistance in is high. Therefore, the current required for monitoring the temperature change of the temperature sense diodes 20 and 42 can be suppressed to a small value, and power saving can be achieved.

次に、図14に示すように、温度センスダイオード20,42は、少なくとも一対が互いに逆向きに並列接続された構成を含んでいてもよい。つまり、一方の温度センスダイオード20,42の第1電極10が他方の温度センスダイオード20,42の第2電極11に接続されて端子51とされ、一方の温度センスダイオード20,42の第2電極11が他方の温度センスダイオード20,42の第1電極10に接続されて端子52とされていてもよい。 Next, as shown in FIG. 14, the temperature sense diodes 20 and 42 may include a configuration in which at least a pair of the temperature sense diodes 20 and 42 are connected in parallel in opposite directions to each other. That is, the first electrode 10 of one of the temperature sense diodes 20 and 42 is connected to the second electrode 11 of the other temperature sense diodes 20 and 42 to form a terminal 51, and the second electrode of one of the temperature sense diodes 20 and 42. 11 may be connected to the first electrode 10 of the other temperature sense diodes 20 and 42 to form a terminal 52.

図14の構成によれば、図11の構成と同様に、温度センスダイオード20,42の集合体の端子51,52にアノード側およびカソード側の極性の区別がなくなるので、半導体モジュール4(図2参照)等を組み立てるときにボンディングワイヤ等の配線の自由度を向上させることができる。つまり、一方の温度センスダイオード20,42に逆方向バイアスが印加されても、そのとき、他方の温度センスダイオード20,42には順方向バイアスが印加されるので、少なくとも一方を温度センスダイオードとして機能させることができる。 According to the configuration of FIG. 14, as in the configuration of FIG. 11, since the terminals 51 and 52 of the aggregate of the temperature sense diodes 20 and 42 have no distinction between the anode side and the cathode side polarities, the semiconductor module 4 (FIG. 2). (See), etc. can be improved in the degree of freedom of wiring such as bonding wires when assembling. That is, even if a reverse bias is applied to one of the temperature sense diodes 20 and 42, a forward bias is applied to the other temperature sense diodes 20 and 42 at that time, so that at least one of them functions as a temperature sense diode. Can be made to.

以上、複数の温度センスダイオード20,42の接続形態は図10~図14の構成に限らず、適宜の形態を採用することができる。また、上記で示した接続形態の概念(直列、直列+逆並列、逆直列、複数の逆直列、逆並列等)は、後述する図16A~図16Cの温度センスダイオード66にも適用することができる。
図15Aは、図3の半導体装置1のセル領域7の構造(トレンチゲート構造)を示す模式的な平面図である。図15Bは、図15Aの断面図(B-B線断面図)である。図15Aおよび図15Bは、セル領域7の構造の他の一例を示している。図15Aおよび図15Bにおいて、前述の図4Aおよび図4Bに示した構成要素と同じものには同一の参照符号を付し、説明を省略する。
As described above, the connection form of the plurality of temperature sense diodes 20 and 42 is not limited to the configurations shown in FIGS. 10 to 14, and any appropriate form can be adopted. Further, the concept of the connection form shown above (series, series + anti-parallel, anti-series, plurality of anti-series, anti-parallel, etc.) can be applied to the temperature sense diodes 66 of FIGS. 16A to 16C described later. can.
FIG. 15A is a schematic plan view showing the structure (trench gate structure) of the cell region 7 of the semiconductor device 1 of FIG. FIG. 15B is a cross-sectional view of FIG. 15A (cross-sectional view taken along the line BB). 15A and 15B show another example of the structure of the cell region 7. In FIGS. 15A and 15B, the same components as those shown in FIGS. 4A and 4B described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図15Aおよび図15Bに示すように、セル領域7において半導体基板6には、ゲートトレンチ53が形成されている。ゲートトレンチ53は、スイッチング素子SWの各単位セル54を区画している。ゲートトレンチ53は、たとえば、図15Aに示すように平面視格子状に形成されていてもよいし、その他、ストライプ状、ハニカム状に形成されていてもよい。 As shown in FIGS. 15A and 15B, a gate trench 53 is formed in the semiconductor substrate 6 in the cell region 7. The gate trench 53 partitions each unit cell 54 of the switching element SW. The gate trench 53 may be formed in a planar grid shape as shown in FIG. 15A, or may be formed in a striped shape or a honeycomb shape, for example.

各単位セル54の表面部にp型ボディ領域55が形成され、p型ボディ領域55の表面部にn型ソース領域56が形成されている。p型ボディ領域55のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3であってよい。また、n型ソース領域56のn型不純物濃度は、n型の半導体基板6の不純物濃度より高く、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3であってよい。 A p-type body region 55 is formed on the surface portion of each unit cell 54, and an n + -type source region 56 is formed on the surface portion of the p-type body region 55. The p-type impurity concentration in the p-type body region 55 may be, for example, 1 × 10 15 cm -3 to 1 × 10 20 cm -3 . Further, the n-type impurity concentration in the n + -type source region 56 is higher than the impurity concentration in the n-type semiconductor substrate 6, and may be, for example, 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 .

型ソース領域56の内方領域には、p型ボディコンタクト領域57が形成されている。p型ボディコンタクト領域57は、n型ソース領域56を深さ方向に貫通して形成されている。p型ボディコンタクト領域57のp型不純物濃度は、p型ボディ領域55よりも高く、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3であってよい。 A p + type body contact region 57 is formed in the inner region of the n + type source region 56. The p + type body contact region 57 is formed so as to penetrate the n + type source region 56 in the depth direction. The p-type impurity concentration in the p - type body contact region 57 is higher than that in the p-type body region 55, and may be, for example, 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 .

ゲートトレンチ53の内面および半導体基板6の表面には、ゲート絶縁膜58が形成されている。ゲート絶縁膜58は、たとえば、酸化シリコン(SiO)からなっていてよい。ゲート絶縁膜58の厚さは、たとえば、300Å~600Åであってよい。
ゲートトレンチ53には、ゲート電極59が埋め込まれている。ゲート電極59は、ゲート絶縁膜58を挟んでゲートトレンチ53の側面のp型ボディ領域55に対向している。ゲート電極59は、たとえば、n型ポリシリコン(n型のドープトポリシリコン)からなるが、p型ポリシリコンからなっていてもよい。
A gate insulating film 58 is formed on the inner surface of the gate trench 53 and the surface of the semiconductor substrate 6. The gate insulating film 58 may be made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ). The thickness of the gate insulating film 58 may be, for example, 300 Å to 600 Å.
A gate electrode 59 is embedded in the gate trench 53. The gate electrode 59 faces the p-shaped body region 55 on the side surface of the gate trench 53 with the gate insulating film 58 interposed therebetween. The gate electrode 59 is made of, for example, n-type polysilicon (n-type doped polysilicon), but may be made of p-type polysilicon.

次に、セル領域7が図15Aおよび図15Bである場合の温度センス領域9の構造を説明する。図16Aは、図3の半導体装置1の温度センス領域9の構造を示す模式的な平面図である。図16Bは、図16Aの断面図(B-B線断面図)である。図16Cは、図16Aの断面図(C-C線断面図)である。図16A~図16Cにおいて、前述の図5Aおよび図5Bに示した構成要素と同じものには同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, the structure of the temperature sense region 9 when the cell region 7 is FIG. 15A and FIG. 15B will be described. FIG. 16A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sense region 9 of the semiconductor device 1 of FIG. 16B is a cross-sectional view of FIG. 16A (cross-sectional view taken along the line BB). 16C is a cross-sectional view of FIG. 16A (cross-sectional view taken along the line CC). In FIGS. 16A to 16C, the same components as those shown in FIGS. 5A and 5B described above are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図16A~図16Cに示すように、温度センス領域9は、ゲートトレンチ53によって区画され、その周囲がゲートトレンチ53で取り囲まれている。温度センス領域9は、図16Aに示すように、たとえば、四方がゲートトレンチ53で取り囲まれた平面視四角形状であってよい。
温度センス領域9において半導体基板6の表面部にはn型領域60が形成され、n型領域60の下方にp型領域61が形成されている。p型領域61は、n型領域60に接している。n型領域60は、そのn型不純物濃度および深さがn型ソース領域56と同じであってもよい。また、p型領域61は、そのp型不純物濃度および深さがp型ボディ領域55と同じであってもよいが、深さに関しては図16Bおよび図16Cに示すように、p型ボディ領域55よりも深く、選択的に下方に突出した突出部62を有していてもよい。
As shown in FIGS. 16A to 16C, the temperature sense region 9 is partitioned by the gate trench 53, and the periphery thereof is surrounded by the gate trench 53. As shown in FIG. 16A, the temperature sense region 9 may have, for example, a rectangular shape in a plan view surrounded by a gate trench 53 on all sides.
In the temperature sense region 9, an n + type region 60 is formed on the surface portion of the semiconductor substrate 6, and a p-type region 61 is formed below the n + type region 60. The p-type region 61 is in contact with the n + type region 60. The n + type region 60 may have the same n + type impurity concentration and depth as the n + type source region 56. Further, the p-type region 61 may have the same p-type impurity concentration and depth as the p-type body region 55, but the depth of the p-type region 61 may be the same as that of the p-type body region 55, as shown in FIGS. 16B and 16C. It may have a protrusion 62 that is deeper and selectively projects downward.

温度センス領域9の内方領域には、本発明の第2トレンチの一例としての温度センストレンチ63が形成されている。つまり、温度センストレンチ63は、温度センス領域9の周囲を取り囲むゲートトレンチ53から独立している。この温度センストレンチ63は、たとえば、ゲートトレンチ53と同じ幅で形成されていてもよい。
温度センストレンチ63は、p型領域61を貫通して形成されていてもよいが、図16Bおよび図16Cに示すように、突出部62上に形成されることによってp型領域61を貫通せず、その底部がp型領域61(突出部62)の内部に配置されていてもよい。
A temperature sense trench 63 as an example of the second trench of the present invention is formed in the inner region of the temperature sense region 9. That is, the temperature sense trench 63 is independent of the gate trench 53 that surrounds the temperature sense region 9. The temperature sense trench 63 may be formed, for example, with the same width as the gate trench 53.
The temperature sense trench 63 may be formed through the p-type region 61, but as shown in FIGS. 16B and 16C, the temperature sense trench 63 is formed on the protrusion 62 so as not to penetrate the p-type region 61. , The bottom thereof may be arranged inside the p-shaped region 61 (protruding portion 62).

また、温度センストレンチ63は、平面視環状に形成されており、その内方に閉領域64が区画されている。当該閉領域64には、p型コンタクト領域65が形成されている。p型コンタクト領域65は、図16Aに示すように閉領域64の全面に形成されていてもよいし、図示はしないが、閉領域64の一部のみに選択的に形成されていてもよい。p型コンタクト領域65は、そのp型不純物濃度および深さがp型ボディコンタクト領域57と同じであってもよい。 Further, the temperature sense trench 63 is formed in an annular shape in a plan view, and a closed region 64 is partitioned inward thereof. A p + type contact region 65 is formed in the closed region 64. The p + type contact region 65 may be formed on the entire surface of the closed region 64 as shown in FIG. 16A, or may be selectively formed only on a part of the closed region 64 (not shown). .. The p + type contact region 65 may have the same p-type impurity concentration and depth as the p + type body contact region 57.

温度センストレンチ63の内面には、セル領域7のゲート絶縁膜58が温度センス領域9にまで延びて形成されている。そして、当該ゲート絶縁膜58の内側には、温度センス素子TSの一例としての温度センスダイオード66(pnダイオード)が形成されている。
温度センスダイオード66は、温度センストレンチ63に埋め込まれた埋め込みポリシリコン層67からなる。埋め込みポリシリコン層67からなる温度センスダイオード66は、ゲート電極59と同一工程で形成されていてもよいし、ゲート電極59と別工程で形成されていてもよい。
On the inner surface of the temperature sense trench 63, the gate insulating film 58 of the cell region 7 is formed so as to extend to the temperature sense region 9. A temperature sense diode 66 (pn diode) as an example of the temperature sense element TS is formed inside the gate insulating film 58.
The temperature sense diode 66 is composed of an embedded polysilicon layer 67 embedded in the temperature sense trench 63. The temperature sense diode 66 made of the embedded polysilicon layer 67 may be formed in the same process as the gate electrode 59, or may be formed in a separate process from the gate electrode 59.

温度センスダイオード66は、p型領域68と、p型領域68と横方向に隣接するn型領域69とを含む。つまり、環状の温度センストレンチ63の一定領域にp型領域68が底部まで埋め込まれ、このp型領域68に隣接するように、n型領域69が温度センストレンチ63の他の領域に底部まで埋め込まれていてもよい。p型領域68とn型領域69とが横方向に隣接する構成であれば、p型領域68およびn型領域69が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域68およびn型領域69のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。 The temperature sense diode 66 includes a p-type region 68 and an n + -type region 69 laterally adjacent to the p-type region 68. That is, the p-type region 68 is embedded to the bottom in a certain region of the annular temperature sense trench 63, and the n + type region 69 extends to the bottom in another region of the temperature sense trench 63 so as to be adjacent to the p-type region 68. It may be embedded. If the p-type region 68 and the n + type region 69 are adjacent to each other in the horizontal direction, the p-type region 68 and the n + type region 69 do not overlap in a plan view, so that no separate wiring or the like is required. Contact can be easily made to both the p-type region 68 and the n + type region 69.

また、p型領域68のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3(p型ボディ領域55と同じ)あってよい。n型領域69のn型不純物濃度は、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3(n型ソース領域56と同じ)であってよい。
温度センスダイオード66は、さらに、p型コンタクト領域70を含んでいてもよい。p型コンタクト領域70は、p型領域68に接するように形成されているが、n型領域69からはp型領域68を隔てて分離されている。p型コンタクト領域70は、図16Cに示すように温度センストレンチ63の底部まで埋め込まれてp型領域68と横方向に隣接していてもよいし、図示はしないが、p型領域68とn型領域69との境界から離れた位置において、p型領域68の表面部に選択的に形成されていてもよい。また、p型コンタクト領域70のp型不純物濃度は、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3(p型ボディコンタクト領域57と同じ)であってよい。
The p-type impurity concentration in the p-type region 68 may be, for example, 1 × 10 15 cm -3 to 1 × 10 20 cm -3 (same as the p-type body region 55). The n-type impurity concentration in the n + -type region 69 may be, for example, 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 (same as the n + -type source region 56).
The temperature sense diode 66 may further include a p + type contact region 70. The p + type contact region 70 is formed so as to be in contact with the p-type region 68, but is separated from the n + type region 69 by a p-type region 68. As shown in FIG. 16C, the p + type contact region 70 may be embedded up to the bottom of the temperature sense trench 63 and be laterally adjacent to the p-type region 68, or may be adjacent to the p-type region 68 in the lateral direction, although not shown, the p-type region 68 and the p-type region 68. It may be selectively formed on the surface portion of the p-type region 68 at a position away from the boundary with the n + type region 69. The p-type impurity concentration in the p + type contact region 70 may be, for example, 1 × 10 18 cm -3 to 5 × 10 21 cm -3 (same as the p + type body contact region 57).

なお、図3の第1電極10が、アノード電極としてp型コンタクト領域70に接続され、図3の第2電極11が、カソード電極としてn型領域69に接続される。
以上、上記の温度センスダイオード66によっても、前述の温度センスダイオード20と同様の機能を果たすことができる。さらに、温度センスダイオード66(pnダイオード)が半導体基板6の表面部に埋め込まれているため、温度センスダイオード20の場合よりも、半導体基板6の発熱部である表面側の電流経路にpn接合部を近づけることができる。これにより、半導体基板6の温度変化を高い精度で検出することができる。
The first electrode 10 in FIG. 3 is connected to the p + type contact region 70 as an anode electrode, and the second electrode 11 in FIG. 3 is connected to the n + type region 69 as a cathode electrode.
As described above, the temperature sense diode 66 can also perform the same function as the temperature sense diode 20 described above. Further, since the temperature sense diode 66 (pn diode) is embedded in the surface portion of the semiconductor substrate 6, the pn junction portion is connected to the current path on the surface side, which is the heat generating portion of the semiconductor substrate 6, as compared with the case of the temperature sense diode 20. Can be brought closer. As a result, the temperature change of the semiconductor substrate 6 can be detected with high accuracy.

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、半導体装置1の各半導体部分の導電型を反転した構成が採用されてもよい。すなわち、半導体装置1において、p型の部分がn型であり、n型の部分がp型であってもよい。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention can also be implemented in other embodiments.
For example, a configuration in which the conductive type of each semiconductor portion of the semiconductor device 1 is inverted may be adopted. That is, in the semiconductor device 1, the p-type portion may be n-type and the n-type portion may be p-type.

また、温度センス素子TSとしては、前述の温度センスダイオード20,42(pnダイオード)の他、ショットキーバリアダイオード等を採用することもできる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
Further, as the temperature sense element TS, in addition to the temperature sense diodes 20 and 42 (pn diode) described above, a Schottky barrier diode or the like can also be adopted.
In addition, various design changes can be made within the scope of the matters described in the claims.

1 半導体装置
2 ソースパッド
3 ゲートパッド
4 半導体モジュール
5 短絡保護回路
6 半導体基板
7 セル領域
9 温度センス領域
10 第1電極
11 第2電極
12 p型ボディ領域
13 単位セル
14 n型ソース領域
16 ゲート絶縁膜
17 ゲート電極
20 温度センスダイオード
21 ポリシリコン層
22 p型領域
23 n型領域
24 p型コンタクト領域
25 p型外周領域
26 p型ベース層
42 温度センスダイオード
43 p型領域
44 n型領域
45 p型コンタクト領域
46 p型外周領域
47 直列接続単位
48 端子
49 端子
50 逆直列接続単位
51 端子
52 端子
53 ゲートトレンチ
54 単位セル
55 p型ボディ領域
56 n型ソース領域
58 ゲート絶縁膜
59 ゲート電極
63 温度センストレンチ
66 温度センスダイオード
67埋め込みポリシリコン層
68 p型領域
69 n型領域
70 p型コンタクト領域
SW スイッチング素子
TS 温度センス素子
G/D ゲートドライバ
1 Semiconductor device 2 Source pad 3 Gate pad 4 Semiconductor module 5 Short circuit protection circuit 6 Semiconductor substrate 7 Cell area 9 Temperature sense area 10 1st electrode 11 2nd electrode 12 p-type body area 13 Unit cell 14 n + type source area 16 Gate Insulating film 17 Gate electrode 20 Temperature sense diode 21 Polysilicon layer 22 p-type region 23 n + type region 24 p + type contact region 25 p-type outer peripheral region 26 p-type base layer 42 Temperature sense diode 43 p-type region 44 n + type Area 45 p + type contact area 46 p type outer peripheral area 47 series connection unit 48 terminal 49 terminal 50 reverse series connection unit 51 terminal 52 terminal 53 gate trench 54 unit cell 55 p type body area 56 n + type source area 58 gate insulating film 59 Gate electrode 63 Temperature sense trench 66 Temperature sense diode 67 Embedded polysilicon layer 68 p-type area 69 n + type area 70 p + type contact area SW switching element TS Temperature sense element G / D Gate driver

Claims (11)

半導体基板からなる平面視略四角形の半導体チップと、
前記半導体基板上に形成された制御電極に入力される信号に応じて第1出力電極と第2出力電極との間のスイッチング動作を行うスイッチング素子と、
前記半導体基板の表面側に前記スイッチング素子から独立して設けられ、温度に依存した信号を出力可能な第1電極と、前記第1電極から間隔を空けて配置された第2電極を有する温度センス素子とを含み、
前記温度センス素子は、前記半導体基板上に形成されたポリシリコン層に不純物を導入して形成されたpnダイオードであって、前記第1電極と前記第2電極との間の温度センス領域に形成されたpnダイオードを含み、
前記第1電極および前記第2電極は、前記スイッチング素子の前記第1出力電極および前記第2出力電極がそれぞれ接続される端子から電気的に独立した端子に接続されており、
前記制御電極、前記第1電極および前記第2電極は、互いに略同じ大きさと同じ形状を有しており、
前記制御電極、前記第1電極および前記第2電極は、前記半導体チップの1辺の中央部に配置された前記制御電極から順に、当該1辺に沿って互いに独立して配置されている、半導体装置。
A semiconductor chip with a substantially quadrangular plan view made of a semiconductor substrate,
A switching element that performs a switching operation between the first output electrode and the second output electrode according to a signal input to the control electrode formed on the semiconductor substrate.
A temperature having a first electrode provided on the surface side of the semiconductor substrate independently of the switching element and capable of outputting a temperature-dependent signal, and a second electrode arranged at a distance from the first electrode. Including sense element
The temperature sense element is a pn diode formed by introducing impurities into a polysilicon layer formed on the semiconductor substrate, and is formed in a temperature sense region between the first electrode and the second electrode. Includes pn diode
The first electrode and the second electrode are connected to terminals that are electrically independent from the terminals to which the first output electrode and the second output electrode of the switching element are connected .
The control electrode, the first electrode, and the second electrode have substantially the same size and shape as each other.
The control electrode, the first electrode, and the second electrode are semiconductors arranged independently of each other along the one side in order from the control electrode arranged at the center of one side of the semiconductor chip. Device.
前記制御電極から前記半導体チップの外周に沿って延伸するゲートフィンガーを有し、
前記pnダイオードのアノードとカソードは、前記第1電極および前記第2電極にそれぞれ接続されている、請求項1に記載の半導体装置。
It has a gate finger that extends from the control electrode along the outer circumference of the semiconductor chip.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the anode and cathode of the pn diode are connected to the first electrode and the second electrode, respectively.
前記ゲートフィンガーは、前記半導体チップの中央部を横断するようにも延伸している、請求項2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the gate finger extends so as to cross the central portion of the semiconductor chip. 前記スイッチング素子は、前記第1出力電極がソース電極であり、前記第2出力電極がドレイン電極であり、前記制御電極がゲート電極であるMISFETである、請求項1~のいずれか一項に記載の半導体装置。 The switching element according to any one of claims 1 to 3 , wherein the first output electrode is a source electrode, the second output electrode is a drain electrode, and the control electrode is a MISFET which is a gate electrode. The semiconductor device described. 前記スイッチング素子は、前記半導体基板の表面から形成されたトレンチと、当該トレンチ内に埋め込まれ、前記制御電極に電気的に接続されるゲート電極とを有するトレンチゲート構造を有している、トレンチゲート型MISFETである、請求項1~のいずれか一項に記載の半導体装置。 The switching element has a trench gate structure having a trench formed from the surface of the semiconductor substrate and a gate electrode embedded in the trench and electrically connected to the control electrode. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 , which is a type MISFET. 前記温度センス素子と前記スイッチング素子との間には、前記制御電極と同じ構造のトレンチが、平面視で前記温度センス素子が形成される前記半導体基板の表面に形成された第2導電型領域を取り囲むように配置されている、請求項に記載の半導体装置。 Between the temperature sense element and the switching element, a trench having the same structure as the control electrode forms a second conductive region formed on the surface of the semiconductor substrate on which the temperature sense element is formed in a plan view. The semiconductor device according to claim 5 , which is arranged so as to surround the semiconductor device. 前記温度センス素子は、少なくとも一対の前記pnダイオードを直列に接続した直列接続単位を含む、請求項1~のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 , wherein the temperature sense element includes a series connection unit in which at least a pair of the pn diodes are connected in series. 前記温度センス素子を形成するポリシリコン層は、前記制御電極と同一厚さを有する、請求項1~のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 , wherein the polysilicon layer forming the temperature sense element has the same thickness as the control electrode. 前記温度センス素子を形成するポリシリコン層は、第2導電型のベース層と、前記ベース層の表面に選択的に導入された第1導電型の不純物領域を含む、請求項1~のいずれか一項に記載の半導体装置。 Any of claims 1 to 8 , wherein the polysilicon layer forming the temperature sense element includes a second conductive type base layer and a first conductive type impurity region selectively introduced on the surface of the base layer. The semiconductor device according to one item. 前記スイッチング素子は、前記半導体基板の表面に形成された第2導電型の第1半導体層およびその表面に形成された第1導電型の第2半導体層と、前記半導体基板の裏面側に形成された第2導電型の第3半導体層とを有し、
前記第2半導体層が前記第1出力電極と接続されてエミッタ電極となり、前記第3半導体層が前記第2出力電極と接続されてコレクタ電極となり、前記制御電極がゲート電極となるIGBTである、請求項1~のいずれか一項に記載の半導体装置。
The switching element is formed on a second conductive type first semiconductor layer formed on the surface of the semiconductor substrate, a first conductive type second semiconductor layer formed on the surface thereof, and a back surface side of the semiconductor substrate. It also has a second conductive type third semiconductor layer.
The second semiconductor layer is connected to the first output electrode to be an emitter electrode, the third semiconductor layer is connected to the second output electrode to be a collector electrode, and the control electrode is an IGBT that serves as a gate electrode. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 .
前記半導体基板は、SiC半導体層を含む、請求項1~10のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 10 , wherein the semiconductor substrate includes a SiC semiconductor layer.
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