JPH0766402A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0766402A
JPH0766402A JP5206772A JP20677293A JPH0766402A JP H0766402 A JPH0766402 A JP H0766402A JP 5206772 A JP5206772 A JP 5206772A JP 20677293 A JP20677293 A JP 20677293A JP H0766402 A JPH0766402 A JP H0766402A
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L27/0203—Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0207—Geometrical layout of the components, e.g. computer aided design; custom LSI, semi-custom LSI, standard cell technique
    • H01L27/0211—Geometrical layout of the components, e.g. computer aided design; custom LSI, semi-custom LSI, standard cell technique adapted for requirements of temperature

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パワーＩＣデバイスの温度モニタ素子の配置
及び周辺構造に関し、パワー素子部の温度をより正確に
モニタしうる温度モニタ素子を有する半導体装置を提供
する。 【構成】 電力が印加されて動作する素子１１と、前記
電力印加により発熱した素子１１の温度を検出する温度
モニタ素子１８とが半導体基板１３に形成され、かつ該
温度モニタ素子１８は該温度モニタ素子１８の周辺部の
一部領域を除いて前記素子１１により囲まれるように配
置されていることを含み構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に関し、よ
り詳しくは、パワーＩＣデバイスの温度モニタ素子の配
置及び周辺構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電力制御用に駆動が容易なパワー
ＭＯＳＦＥＴが多用されている。更に、製造技術の進歩
・改良に伴い、パワーＭＯＳＦＥＴと該パワーＭＯＳＦ
ＥＴの動作を制御する制御回路とが同一のチップに搭載
されたパワーＩＣデバイスが商品化されている。この場
合において、制御回路は過剰な温度上昇により誤動作
し、破壊に至るおそれがあるので、特に、パワー部と制
御回路とが互いに隣接するパワーＩＣデバイスの場合に
は、パワー部の過剰な温度上昇に対する保護回路を設け
る必要がある。このため、パワー部の温度情報を保護回
路に与える温度センサとして温度モニタ素子がチップに
搭載される。
【０００３】図４（ａ），（ｂ）は、従来例のパワーＩ
Ｃデバイスの温度モニタ素子の配置及び周辺構造につい
ての説明図である。
【０００４】図４（ａ）はパワーＩＣデバイスのチップ
全体の平面構成を示す平面図で、半導体チップ３におい
てパワー部（パワーＭＯＳＦＥＴ部）１と制御回路部
（ＩＣ部）２との境界部の制御回路部内に温度モニタ素
子８が配置されている。
【０００５】また、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線
断面図で、パワーＭＯＳＦＥＴ部１とＩＣ部２との境界
部を拡大したものである。図４（ｂ）において、４はそ
れぞれ境界部のシリコン基板３３に形成されたパワーＭ
ＯＳＦＥＴ部の端部のバックゲート領域層（チャネル領
域）、５はバックゲート領域層４内のソース領域層、７
はソース領域層５及びバックゲート領域層４にともに接
続された電極配線（ソース電極）、８は絶縁膜９に被覆
され、他から絶縁されている温度モニタ素子で、パワー
ＭＯＳＦＥＴ部１の温度上昇を検出するため、パワーＭ
ＯＳＦＥＴ部１に隣接するＩＣ部２内に設けられてい
る。なお、電極配線７は温度モニタ素子８上方には延在
していない。図４ではパワーＭＯＳＦＥＴ部１が縦型Ｍ
ＯＳとして構成されているが、横型ＭＯＳであっても良
い。縦型の場合はドレイン電極はシリコン基板３３の裏
面に形成され、横型の場合はソース電極７と同じ面側に
形成される。通常、パワーＭＯＳＦＥＴ部１は、ゲート
電極６を平面的に格子状又は帯状とし、それに合わせて
バックゲート領域層４も多角形の島状又は帯状とした単
位構造（セル構造）が並列的に多数配置された構造とな
っている。
【０００６】上記のパワーＩＣデバイスがパワー機器に
搭載された場合において、例えば、主回路の負荷が短絡
した場合、パワーＭＯＳＦＥＴには過大な電力が加わり
パワーＭＯＳＦＥＴは発熱する。この熱はシリコン基板
３３及び絶縁膜９を経て、温度モニタ素子８に伝導す
る。そして、温度モニタ素子８により検出された温度情
報が保護回路に与えられ、所定の温度を越えたときに保
護回路が働いてパワーＭＯＳＦＥＴを遮断しパワーＩＣ
デバイス２を防御する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、温度モニタ素
子８は自己発熱の低いＩＣ部の表面にあるため、パワー
ＭＯＳＦＥＴ部１と温度モニタ素子８との間には温度勾
配があり、パワーＭＯＳＦＥＴ部１での温度よりも相当
低い温度が温度モニタ素子８で検出される。そしてま
た、その低い温度はＭＯＳＦＥＴ部１の異常時の発熱時
点で直ちに検出されるのではなく、温度モニタ素子８ま
での基板の容積等による熱容量と熱伝導性の低い絶縁膜
９が存在しているので、温度モニタ素子８の検出温度ま
で立ち上がるのに無視できないタイムラグが生じ、この
間は異常発熱が継続されてしまい、回路破壊等を招き易
い。
【０００８】そこで、本発明は上記問題点を解決するも
のであり、その課題は、パワー素子部の温度をより正確
かつ迅速にモニタし得る温度モニタ素子を有する半導体
装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明が講じた手段は、第１に、電力が印加され
て動作する素子と、前記電力印加により発熱した素子の
温度を検出する温度モニタ素子とが半導体基板に形成さ
れ、かつ該温度モニタ素子はその周辺部の一部領域を除
いて前記素子により囲まれるように配置する。
【００１０】第２に、電力が印加されて動作する素子
と、前記電力印加により発熱した素子の温度を検出する
温度モニタ素子とが半導体基板に形成され、かつ該温度
モニタ素子は前記素子の電極と一体的に形成された導電
体膜により絶縁膜を介して被覆する。
【００１１】第３に、上記第１の手段及び第２の手段の
両者を用いる。
【００１２】
【作用】本願発明者は、従来例の温度モニタ素子の配置
および周辺構造で、パワーＭＯＳＦＥＴの端部のソース
に相当する半導体基板の表層から発熱した場合の各部の
温度分布をシミュレーションした。図３にその結果を示
す。それによれば、発熱部が１６０℃で裏面温度１００
℃の場合に温度モニタ素子によって検出される温度は２
５℃以上低い値であった。負荷の短絡等の異常が発生し
た場合には、発熱部での温度上昇が数百度に達すると考
えられ、上記の比率から類推すると温度差は百度前後に
なることも考えられる。従って、パワーＭＯＳＦＥＴの
熱破壊を防ぐためには、実際の温度と検出温度との間の
温度差を縮小し、パワー部の温度が出来るだけそのまま
検出できるようにする必要がある。
【００１３】本発明の半導体装置によれば、電力が印加
されて動作する素子に囲まれるように温度モニタ素子が
形成されている。従って、発熱部からの熱は温度モニタ
素子の一方向からでなく多角的な方向から温度モニタ素
子の方に伝達するため、一方だけの場合に比較して検出
にかかる熱が十分に補われる。
【００１４】また、素子の電極と一体的に形成された導
電体膜により温度モニタ素子が被覆されている。従っ
て、発熱部からの熱は半導体基板のほか、熱伝導性の高
い導電体膜を伝って温度モニタ素子の方に伝わってくる
ため、検出にかかる熱が十分に補われる。
【００１５】このため、温度モニタ素子での温度と電力
が印加されて発熱した素子の温度との差が少なく、また
温度モニタ素子での温度の立ち上がりも速い。従って、
正確かつ迅速な温度モニタが可能となる。
【００１６】更に、モニタ素子を電力が印加されて動作
する素子に囲まれるように配置すると共に、素子の電極
と一体的に形成された導電体膜により被覆することで、
より検出にかかる熱が十分に補われる。
【００１７】
【実施例】次に、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。
【００１８】（１）本発明の第１の実施例 図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施例に係るパ
ワーＩＣチップの温度モニタ素子の配置及び周辺構造に
ついての説明図である。
【００１９】図１（ａ）はパワーＩＣチップの全体の平
面構成を示す平面図で、電力が印加されて動作するパワ
ーＭＯＳＦＥＴ部１１とその電力印加を制御するＩＣ部
（制御回路部）１２との境界部に温度モニタ素子１８が
配置されている。そして、温度モニタ素子１８の周囲
は、ＩＣ部１２に面した方を除いて、三方がパワーＭＯ
ＳＦＥＴ部１１の素子に囲まれている。なお、ＩＣ部１
２に面した方は保護回路への配線が形成されるため、パ
ワーＭＯＳＦＥＴ部１１の素子は形成されていない。
【００２０】また、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線
断面図で、パワーＭＯＳＦＥＴ部１１と温度モニタ素子
１８との境界部を拡大したものである。
【００２１】図１（ｂ）において、14ａ，14ｂはそれぞ
れ温度モニタ素子１８の周囲を囲むように、シリコン基
板１３に形成されたパワーＭＯＳＦＥＴのバックゲート
領域層、15ａ，15ｂはそれぞれバックゲート領域層14
ａ，14ｂ内のソース領域層で、ゲート電極16ａ，16ｂ下
のソース領域層15ａ，15ｂとシリコン基板１３との間の
バックゲート領域層14ａ，14ｂがチャネル層となる。１
７はソース領域層15ａ，15ｂ及びバックゲート領域層14
ａ，14ｂにともに接続された例えばアルミニウム膜から
なるソース電極、１８は電力が印加され、発熱するパワ
ーＭＯＳＦＥＴの温度を検出する例えばＰＮ接合の逆漏
れ電流を利用した温度モニタ素子で、例えばシリコン酸
化膜からなる絶縁膜１９により被覆され、他から絶縁さ
れている。
【００２２】ここで、ソース電極１７は温度モニタ素子
１８上方まで延在し、絶縁膜１９を介して温度モニタ素
子１８を被覆している。
【００２３】上記のパワーＩＣデバイスは、ゲート電極
16ａ，16ｂに負の電圧を印加することによりチャネル層
が形成され、ソース電極１７−ソース領域層15ａ，15ｂ
−チャネル層−シリコン基板１３という経路で通常の電
流が流れる。そして、主としてチャネル層を中心として
発熱が起こる。
【００２４】一方、異常が発生した場合、ソース領域層
15ａ，15ｂ−バックゲート領域層14ａ，14ｂ−シリコン
基板１３という電流経路も考えられ、主としてソース領
域層15ａ，15ｂとバックゲート領域層14ａ，14ｂとの間
のｐｎ接合や、バックゲート領域層14ａ，14ｂとシリコ
ン基板１３との間のｐｎ接合で発熱すると考えられる。
その熱は温度モニタ素子１８の三方からシリコン基板１
３及びソース電極１７を通って温度モニタ素子１８に伝
わり、温度モニタ素子１８が温度を検出する。
【００２５】更に、温度モニタ素子１８からの温度情報
はＩＣ部１２の保護回路に送られ、保護回路は電力の供
給路を遮断するなどしてパワーＭＯＳＦＥＴの動作を停
止する。
【００２６】次に、上記の構成による温度検出の精度を
確認するため、シミュレーションを行った。シミュレー
ションのモデルとして第１の実施例の温度モニタ素子１
８の配置および周辺構造と同様なものを用いた。そし
て、温度モニタ素子から７０μｍ離れたシリコン基板の
表層から発熱した場合の各部の温度分布をシミュレーシ
ョンした。なお、シリコン基板の厚さを５００μｍとし
た。図３にその結果を示す。それによれば、発熱部が１
６０℃で、シリコン基板裏面が１００℃で一定の場合
に、発熱部温度と温度モニタ素子に検出される検出温度
との差は１０℃以下であった。従来例の温度差２５℃と
比較して大幅に小さくなった。
【００２７】以上のように、本発明の第１の実施例に係
るパワーＩＣデバイスによれば、温度モニタ素子の三方
がパワーＭＯＳＦＥＴの発熱部に囲まれるように配置さ
れている。従って、その発熱部からの熱は温度モニタ素
子の三方から温度モニタ素子の方に伝達するため、一方
だけの場合に比較して検出にかかる熱が十分に補われ
る。
【００２８】また、ソース電極１７を温度モニタ素子１
８上の絶縁膜１９の上に延在させている。ソース電極１
７は熱伝導率が大きいため、発熱部からの熱はシリコン
基板１３のほか、ソース電極１７を介して温度モニタ素
子１８の方に伝わってくる。
【００２９】このため、検出にかかる熱が十分に補われ
るので、温度モニタ素子により、パワーＭＯＳＦＥＴ部
１１の温度をより正確かつ迅速にモニタし得る。
【００３０】（２）本発明の第２の実施例 図２（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施例に係るパ
ワーＩＣチップの温度モニタ素子の配置及び周辺構造に
ついての説明図である。
【００３１】図２（ａ）はパワーＩＣデバイスのチップ
全体の平面構成を示す平面図で、パワーＭＯＳＦＥＴ部
２１とＩＣ部２２との境界部に温度モニタ素子２８が配
置されている。
【００３２】また、図２（ｂ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ線
断面図で、パワーＭＯＳＦＥＴ部２１とＩＣ部２２との
境界部を拡大したものである。
【００３３】図２（ｂ）において、温度モニタ素子２８
の周囲一方に近接してパワーＭＯＳＦＥＴが配置されて
いることは、従来と同様であるが、温度モニタ素子２８
の上方にパワーＭＯＳＦＥＴのソース電極２７が延在
し、絶縁膜２９を介して温度モニタ素子２８を被覆して
いることが従来の場合と異なっている。
【００３４】図中、２４は温度モニタ素子に隣接するよ
うにシリコン基板２３に形成されたパワーＭＯＳＦＥＴ
のバックゲート領域層、２５はバックゲート領域層２４
内のソース領域層で、ゲート電極２６下のソース領域層
２５とシリコン基板２３との間のバックゲート領域層２
４がチャネル層となる。２７はソース領域層２５及びバ
ックゲート領域層２４にともに接続されたソース電極、
２８は絶縁膜２９に被覆され、他から絶縁されている温
度モニタ素子である。ここで、ソース電極２７は温度モ
ニタ素子２８上方に延在し、温度モニタ素子２８は絶縁
膜２９を介してソース電極２７により被覆されている。
【００３５】上記パワーデバイスに異常が発生した場
合、ソース領域層２５−バックゲート領域層２４−シリ
コン基板２３という経路で電流が流れると考えられ、主
としてソース領域層２５とバックゲート領域層２４との
間のｐｎ接合や、バックゲート領域層２４とシリコン基
板２３との間のｐｎ接合で発熱すると考えられる。その
熱はシリコン基板２３及びソース電極２７を通って温度
モニタ素子２８に伝わり、温度モニタ素子２８が温度を
検出する。更に、温度モニタ素子２８からの温度情報は
ＩＣ部２２の保護回路に送られ、保護回路は電力の供給
路を遮断するなどしてパワーＭＯＳＦＥＴの動作を停止
する。
【００３６】（３）本発明の第３の実施例 本実施例は特に図示しないが、第１の実施例の構成にお
いて、ソース電極１７を温度モニタ素子１８の上方まで
延在させない構成、つまり温度モニタ素子１８の周囲三
方をパワーＭＯＳＦＥＴ部１１の素子で囲んだだけの構
成としたものである。かかる場合でも、検出にかかる熱
が十分に補われる。
【００３７】次に、上記の構成による温度検出の精度を
確認するため、シミュレーションを行った。シミュレー
ションのモデルとして第１の実施例の温度モニタ素子の
配置および周辺構造と同様なものを用いた。温度モニタ
素子と発熱部との距離、シリコン基板の厚さは第１の実
施例と同じにしている。それによれば、発熱部が１６０
℃で、シリコン基板裏面が１００℃で一定の場合に、発
熱部温度と温度モニタ素子に検出される検出温度との差
は１７℃以下であった。従来例の２５℃と比較してかな
り小さくなった。
【００３８】これにより、温度モニタ素子２８により、
パワーＭＯＳＦＥＴ部２１の温度をより正確にモニタし
うる。従って、この温度情報に基づいて保護回路が動作
し、ＭＯＳＦＥＴ及び制御回路の破壊が防止される。
【００３９】なお、各実施例においてパワーＭＯＳＦＥ
Ｔ部は縦型ＭＯＳＦＥＴであるが、これに限らず横型Ｍ
ＯＳＦＥＴ，サイリスタ等のパワー素子であっても良
い。
【００４０】
【発明の効果】以上のように、本発明の半導体装置にに
よれば、電力が印加される素子に囲まれるように、温度
モニタ素子が配置されている。従って、素子の発熱部か
らの熱は多角的な方向から温度モニタ素子に伝達するた
め、一方だけの場合に比較して検出にかかる熱が十分に
補われる。これにより、温度モニタ素子での温度と電力
素子部での温度の差が小さくなり、また温度モニタ素子
での温度の立ち上がりが電力素子部での温度上昇に速く
追従するため、素子の温度をより正確かつ迅速にモニタ
し得る。
【００４１】また、素子の電極は温度モニタ素子上の絶
縁膜の上に延在し、その電極により温度モニタ素子が被
覆されている。従って、発熱部からの熱は半導体基板の
ほか、熱伝導率の高い電極を伝って温度モニタ素子の方
に流れてくるため、検出にかかる熱が十分に補われる。
この場合も、温度モニタ素子での温度と電力素子部での
温度の差が小さくなり、また温度モニタ素子での温度の
立ち上がりが電力素子部での温度上昇に速く追従するた
め、素子の温度をより正確かつ迅速にモニタし得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体装置の説明
図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る半導体装置の説明
図である。
【図３】本発明の実施例に係る温度モニタ素子による検
出温度の比較線図である。
【図４】従来例に係る半導体装置の説明図である。
【符号の説明】
１１，２１…パワーＭＯＳＦＥＴ部 １２，２２…ＩＣ部 １３，２３，３３…シリコン基板（半導体基板） 14ａ，14ｂ，２４…バックゲート領域層 15ａ，15ｂ，２５…ソース領域層 16ａ，16ｂ ２６…ゲート電極 １７，２７…ソース電極 １８，２８…温度モニタ素子 １９，２９…絶縁膜。
───────────────────────────────────────────────────── 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 7514−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 29/78 ３０１ Ｋ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電力が印加されて動作する素子と、前記
    電力印加により発熱した素子の温度を検出する温度モニ
    タ素子とが半導体基板に形成され、かつ該温度モニタ素
    子はその周辺部の一部領域を除いて前記素子により囲ま
    れるように配置されていることを特徴とする半導体装
    置。
  2. 【請求項２】 電力が印加されて動作する素子と、前記
    電力印加により発熱した素子の温度を検出する温度モニ
    タ素子とが半導体基板に形成され、かつ該温度モニタ素
    子は前記素子の電極と一体的に形成された導電体膜によ
    り絶縁膜を介して被覆されていることを特徴とする半導
    体装置。
  3. 【請求項３】 電力が印加されて動作する素子と、前記
    電力印加により発熱した素子の温度を検出する温度モニ
    タ素子とが半導体基板に形成されており、かつ該温度モ
    ニタ素子はその周辺部の一部領域を除いて前記素子によ
    り囲まれるように配置されていると共に、前記素子の電
    極と一体的に形成された導電体膜により絶縁膜を介して
    被覆されていることを特徴とする半導体装置。
JP05206772A 1993-08-23 1993-08-23 半導体装置 Expired - Lifetime JP3125529B2 (ja)

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