JPH07297392A - 温度検出部を備えた半導体素子 - Google Patents

温度検出部を備えた半導体素子

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JPH07297392A
JPH07297392A JP8354394A JP8354394A JPH07297392A JP H07297392 A JPH07297392 A JP H07297392A JP 8354394 A JP8354394 A JP 8354394A JP 8354394 A JP8354394 A JP 8354394A JP H07297392 A JPH07297392 A JP H07297392A
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JP
Japan
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temperature
region
temperature detecting
semiconductor element
diode
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JP8354394A
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English (en)
Inventor
Yuichi Harada
祐一 原田
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体素子の動作時の温度検出精度を向上さ
せ、速やかで適切な対応を可能にして、熱暴走を防止す
る。 【構成】半導体素子特にスイッチング素子等において、
発熱の起こる活性領域に、絶縁膜を介して温度検出部を
形成することによって、発熱部から温度検出部までの半
導体基板内での熱伝導の遅れや熱損失を少なくして、正
確な温度検出を可能にする。温度検出部としては、単結
晶シリコン或いはポリシリコンからなるダイオード、ア
バランシェダイオードまたはツェナーダイオードがあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、温度検出部を備えた半
導体素子、特にその温度検出部の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】トランジスタやサイリスタなどの半導体
素子においては、温度上昇が電流の増加を引き起こし、
それがまた温度上昇の原因となるいわゆる熱暴走が起こ
ることがある。また半導体素子の特性には一般に温度依
存性があるが、特に何かの特性を狭い範囲に制限したい
場合もある。それらの場合に、半導体装素子の動作中に
その半導体素子の温度を常に検知し、あるいは監視する
必要がある。そのような目的で半導体素子に温度検出部
を付加したものが製造されている。図2に、従来の温度
検出部を付加した半導体素子の例として絶縁ゲートバイ
ポーラトランジスタ(以下IGBTと略す)の部分断面
図を示す。
【0003】図の左側部分は、IGBTの主電流の導
通、遮断のスイッチング作用を行う活性領域である。図
に示したのは一つの制御電極を含む単位の部分(以後セ
ルと呼ぶ)であって、活性領域は極めて多数のこのよう
なセルから成っている。図において、p+ 基板1の上に
+ バッファ層2を介して積層されたnベース層3の表
面層に選択的にpベース領域4が形成されている。その
pベース領域4内に選択的にn+ ソース領域5が形成さ
れ、nベース層3とn+ ソース領域5に挟まれたpベー
ス領域4の表面上に、ゲート酸化膜6を介して、ポリシ
リコンからなりG端子に接続されるゲート電極7が設け
られている。また、p+ 基板1の裏面にはD端子に接続
されるドレイン電極8が、n+ ソース領域5の上にはn
+ ソース領域5とpベース領域4に共通に接触しS端子
に接続されるソース電極9がそれぞれ設けられている。
【0004】このようなIGBTのnベース層3は、p
+ 基板1とその上に積層されたn+バッファ層2とから
なるサブストレート上にエピタキシャル成長により形成
される。またpベース領域4は、まず先に形成したゲー
ト電極7をマスクとした不純物の導入により形成され、
+ ソース領域5は、図示されていないフォトレジスト
をマスクとしての不純物の導入により形成される。ゲー
ト電極7の上に、絶縁膜を介してソース電極9を延長し
ている例もある。
【0005】このIGBTのスイッチング動作は次のよ
うに行う。D端子に、S端子に対して正の電圧を印加し
た状態で、ゲート電極7にしきい値以上の電圧を印加す
ると、ゲート電極7の直下のpベース領域4の表面に反
転層が形成され、その反転層を通ってn+ ソース領域5
から電子がnベース層3、n+ バッファ層2に注入され
る。p+ 基板1とn+ バッファ層2との間の接合は順バ
イアスされているので、電子がこの接合を通ってp+
板1に流入する。すると、p+ 基板1、n+ バッファ層
2とnベース層3、pベース領域4をそれぞれエミッ
タ、ベース、コレクタとするpnpトランジスタが動作
し、IGBTがオンする。このIGBTをオフする場合
は、ゲート電極7の電圧を除去すれば、ゲート電極7直
下のpベース領域4の表面に形成されていた反転層が消
滅し、n+ ソース領域5からの電子の注入が止まりオフ
する。
【0006】図の右側部分は、このIGBTの耐圧を担
う部分である。すなわち、図の熱酸化膜61の左端から
右の部分が耐圧構造部であり、図の右端が、IGBTの
端にあたるので、耐圧構造部は半導体素子の周縁部に設
けられているものである。図では、耐圧構造として、ガ
ードリング構造を示した。ガードリング22、23はp
ベース領域4と同時に選択的な拡散により形成され、活
性領域を囲むp型領域のリング状になっていて、電圧印
加時の空乏層を広げる作用をするものである。耐圧構造
としては、他にフィールドプレート構造等もあるが、本
発明の本質にかかわる事項ではないので、ここでは詳し
くは述べない。
【0007】図2の中央部、すなわち、活性領域と耐圧
構造部の境界部分に、温度検出部として、温度検出用ダ
イオード12が設けられている。すなわち、nベース層
3の表面層に選択的にp領域10を形成し、その表面に
酸化膜11を介し、IGBTとは電気的に絶縁された状
態で、ポリシリコンのアノード領域13とカソード領域
14とからなる温度検出用ダイオード12が形成されて
いる。このとき、通常アノード領域13とカソード領域
14のどちらか一方が、1×1018cm-3以下の不純物
濃度になつている。アノード領域13とカソード領域1
4にはそれぞれアノード電極15とカソード電極16が
設けられている。またp領域10からの正孔引き抜きの
ための電極17が設けられている。
【0008】IGBTを一定の周波数で動作させた場
合、スイッチング損失および定常損失によって、熱が発
生し、nベース層3全体の温度が上昇する。その温度を
温度検出ダイオード12で速やかに検知して、電流を減
らすなどの対策をとり、過熱を防止する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】半導体素子の温度検出
を行う場合、温度検出対象の半導体素子と温度検出部を
別の半導体基板に形成したのでは正確な温度検出が出来
ないため、同一基板上に形成する必要がある。又、基板
に直接温度検出用のダイオードを形成すると、寄生サイ
リスタが形成され、この寄生サイリスタが誤動作して半
導体素子がラッチアップして破壊する恐れがあるため、
図2のようにnベース層3とは電気的に絶縁された状態
で、温度検出用ダイオード12を形成する必要がある。
【0010】従来、図2に示したように温度検出用のダ
イオードは、リード線取り出しの便宜上半導体素子の活
性領域と耐圧構造部との境界部分すなわち、周辺部付近
に形成されることが多く、半導体素子の発熱の起こる活
性領域とはやや離れていた。このため、半導体基板内で
の熱伝導の遅れや熱損失により、温度検出の精度を下げ
て、適切な対応ができなかったり、或いは過熱防止のた
めの温度設定の余裕度を大きく見なければならないこと
があった。
【0011】以上の問題に鑑み、本発明の目的は、検出
精度の高い温度検出部を備えた半導体素子を提供するこ
とにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明は、半導体基板に、その基板と電気的に絶縁さ
れた温度検出部を備えたものにおいて、半導体素子の活
性領域に温度検出部を形成するものとする。半導体素子
の中心付近に温度検出部を形成してもよい。
【0013】温度検出部はダイオード特にアバランシェ
ダイオードまたはツェナーダイオードとすることができ
る。上記のダイオード、アバランシェダイオードまたは
ツェナーダイオードは単結晶シリコンでも、ポリシリコ
ンからなっていてもよい。
【0014】
【作用】上記のように、温度検出部を半導体素子の活性
領域内、すなわち、発熱部の近くに形成することによっ
て、半導体基板内での熱伝導の遅れや熱損失を減らし、
より正確な温度検出が可能となる。温度検出部のもっと
も簡単な構成としては、ダイオード特にアバランシェダ
イオード、ツェナーダイオードがある。すなわち、温度
検出部がダイオードであれば、ダイオードの順方向の電
流−電圧特性の飽和電圧の温度変化分を検知して温度を
知ることができる。また、ダイオードの逆方向特性の漏
れ電流の温度変化分を検知して温度を知ることもでき
る。さらにまた、温度検出部がアバランシェダイオード
やツェナーダイオードであれば、それぞれアバランシェ
耐圧、ツェナー電圧の温度変化分を検知することによ
り、半導体素子の温度変化を知ることができる。
【0015】
【実施例】以下に、図を参照しながら本発明の実施例に
ついて、従来例と同一部分には同一の符号を付して説明
する。図1に本発明の実施例の温度検出部を備えた半導
体素子としてIGBTの部分断面図を示す。図2の従来
のものと異なる点は、温度検出用部がIGBTの活性領
域内、すなわち、セルとセルとの間に形成されている点
である。
【0016】図の左側および右側部分は、IGBTの主
電流の導通、遮断のスイッチング作用を行うセルであ
る。図において、p+ 基板1の上にn+ バッファ層2を
介して積層されたnベース層3の表面層に選択的にpベ
ース領域4が形成されている。そのpベース領域4内に
選択的にn+ ソース領域5が形成され、pベース領域4
のnベース層3とn+ ソース領域5に挟まれた部分の表
面上に、ゲート酸化膜6を介してポリシリコンからなり
G端子に接続されるゲート電極7が設けられている。ま
た、p+ 基板1の裏面にはD端子に接続されるドレイン
電極8が、n+ ソース領域5の上にはn+ ソース領域5
とpベース領域4に共通に接触しS端子に接続されるソ
ース電極9がそれぞれ設けられている。
【0017】このようなIGBTのnベース層3は、p
+ 基板1とその上に積層されたn+バッファ層2とから
なるサブストレート上にエピタキシャル成長により形成
される。またpベース領域4は、まず先に形成したゲー
ト電極7をマスクとした不純物の導入により形成され、
+ ソース領域5は、図示されていないフォトレジスト
をマスクとしての不純物の導入により形成される。ゲー
ト電極7の上に、絶縁膜を介してソース電極9を延長し
ている例もある。
【0018】図の中央部には、温度検出部として、温度
検出用ダイオード12が設けられている。すなわち、n
ベース層3の表面層に選択的にp領域10を形成し、そ
の表面に酸化膜11をCVD法により堆積し、更にその
上にポリシリコンを減圧CVD法により堆積する。その
ポリシリコン層にイオン注入法によりアクセプタ型不純
物と、ドナー型不純物を導入してアノード領域13とカ
ソード領域14を形成した後、それぞれの領域上にアノ
ード電極15とカソード電極16が設けられる。またp
領域10からの正孔引き抜きのための電極17が設けら
れている。このように、スイッチング用半導体素子とは
電気的に絶縁された状態で、ポリシリコンの温度検出用
ダイオード12が形成される。このとき、通常アノード
領域13とカソード領域14のどちらか一方が、1×1
18cm-3以下の不純物濃度になつているが、ダイオー
ド12が後述のツェナーダイオードである場合には、必
ずしもこの不純物濃度以下に限らない。。
【0019】IGBTの動作中に、この温度検出ダイオ
ード12の順方向の電流−電圧特性の飽和電圧の温度変
化分を検知して温度を知ることができる。また、温度検
出ダイオード12の逆方向特性の漏れ電流の温度変化分
を検知して温度を知ることもできる。さらにまた、温度
検出用ダイオード12がアバランシェダイオードやツェ
ナーダイオードであれば、それぞれアバランシェ耐圧、
ツェナー電圧の温度変化分を検知することにより、半導
体素子の温度変化を知ることもできる。
【0020】温度検出用ダイオード12を実際に発熱の
起こるIGBTのセル部に形成することにより、半導体
基板内での熱伝導の遅れや熱損失を小さくし、温度検出
精度を向上させることができる。勿論、IGBT素子の
周縁部分には、ガードリング構造やフィールドプレート
構造のような耐圧構造が設けられているが、図には示し
ていない。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、温度検出精度を向上さ
せることができる。その結果、検出した温度に対して、
電流を下げて熱暴走を防止するなど、速やかで適切な対
応が可能になる。また、不正確な温度に備えて大きく見
ていた危険率、或いは設計上の余裕度を下げることがで
きて、半導体素子性能を十分に活用できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の温度検出部を備えたIGBT
の部分断面図
【図2】従来の温度検出部を備えたIGBTの部分断面
【符号の説明】
1 p+ 基板 2 n+ バッファ層 3 nベース層 4 pベース領域 5 n+ ソース領域 6 ゲート酸化膜 7 ゲート電極 8 ドレイン電極 9 ソース電極 10 p領域 11 酸化膜 12 温度検出用ダイオード 13 アノード領域 14 カソード領域 15 アノード電極 16 カソード電極 17 電極 22 ガードリング 23 ガードリング 61 熱酸化膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/78 321 W

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板に、その基板とは電気的に絶縁
    された温度検出部を付加したものにおいて、半導体素子
    の活性領域に温度検出部を形成したことを特徴とする温
    度検出部を備えた半導体素子。
  2. 【請求項2】半導体素子の中心付近に温度検出部を形成
    したことを特徴とする請求項1に記載の温度検出部を備
    えた半導体素子。
  3. 【請求項3】温度検出部がダイオードであることを特徴
    とする請求項1または2に記載の温度検出部を備えた半
    導体素子。
  4. 【請求項4】温度検出部がアバランシェダイオードであ
    ることを特徴とする請求項1または2に記載の温度検出
    部を備えた半導体素子。
  5. 【請求項5】温度検出部がツェナーダイオードであるこ
    とを特徴とする請求項1または2に記載の温度検出部を
    備えた半導体素子。
  6. 【請求項6】温度検出部が単結晶シリコンからなること
    を特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の温度
    検出部を備えた半導体素子。
  7. 【請求項7】温度検出部がポリシリコンからなることを
    特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の温度検
    出部を備えた半導体素子。
JP8354394A 1994-04-22 1994-04-22 温度検出部を備えた半導体素子 Pending JPH07297392A (ja)

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