KR102460422B1 - Power semiconductor chip and power semiconductor system - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 칩은, 메인 셀 영역 및 온도 센서 영역을 포함하는 반도체층과, 상기 메인 셀 영역에 형성된 복수의 전력 반도체 트랜지스터들과, 상기 온도 센서 영역에 형성된 복수의 온도 센서 트랜지스터들과, 상기 복수의 전력 반도체 트랜지스터들의 게이트 전극에 연결된 게이트 단자와, 상기 온도 센서 트랜지스터들의 게이트 전극에 연결된 센싱 게이트 단자와, 외부로부터 상기 게이트 단자에 인가되는 게이트 전압이 배분되어 상기 센싱 게이트 단자에 인가되도록, 상기 게이트 단자와 상기 센싱 게이트 단자 사이에 접속된 제 1 배분 저항과, 상기 복수의 온도 센서 트랜지스터들의 출력에 연결된 온도 센싱 단자를 포함한다.A power semiconductor chip according to an aspect of the present invention includes a semiconductor layer including a main cell region and a temperature sensor region, a plurality of power semiconductor transistors formed in the main cell region, and a plurality of temperature sensors formed in the temperature sensor region Transistors, a gate terminal connected to the gate electrode of the plurality of power semiconductor transistors, a sensing gate terminal connected to the gate electrode of the temperature sensor transistors, and a gate voltage applied to the gate terminal from the outside are distributed to the sensing gate terminal a first distribution resistor connected between the gate terminal and the sensing gate terminal, and a temperature sensing terminal connected to outputs of the plurality of temperature sensor transistors.

Description

전력 반도체 칩 및 전력 반도체 시스템{Power semiconductor chip and power semiconductor system}Power semiconductor chip and power semiconductor system

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전력 전달을 스위칭하기 위한 전력 반도체 칩 및 전력 반도체 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a power semiconductor chip and a power semiconductor system for switching power transmission.

전력 반도체 소자와 이를 이용한 전력 반도체 칩은 고전압과 고전류 환경에서 동작하는 반도체 소자이다. 예를 들어, 전력 반도체 소자로는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), 전력 모스펫(Power MOSFET) 등을 들 수 있다. 이러한 전력 반도체 소자는 고전압에 대한 내압 특성이 기본적으로 요구되며, 최근에는 부가적으로 고속 스위칭 동작을 요하고 있다. A power semiconductor device and a power semiconductor chip using the same are semiconductor devices operating in a high voltage and high current environment. For example, the power semiconductor device may include an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a power MOSFET, and the like. Such a power semiconductor device is basically required to withstand high voltage, and recently, a high-speed switching operation is additionally required.

전력 반도체 소자는 고전력 스위칭이 필요한 분야, 예컨대 인버터 시스템에 이용되고 있다. 인버터 시스템에서 전력 반도체 소자의 반복적인 스위칭을 통해서 배터리의 직류 신호를 교류 신호로 바꾸어 모터를 구동할 수 있다. The power semiconductor device is used in a field requiring high power switching, for example, an inverter system. In the inverter system, the DC signal of the battery is converted into an AC signal through repeated switching of the power semiconductor element to drive the motor.

전력 반도체 소자로 구성된 전력 반도체 칩은 내부 온도를 모니터링하기 위하여 다이오드 구조의 온도 센서를 두고 있다. 이러한 온도 센서는 전력 반도체 소자의 정션의 온도를 직접 측정하지 않고 다이오드 구조를 통해서 일정한 오차를 갖고 간접적으로 측정하고 있다. 따라서, 이러한 오차를 최소화하기 위해서, 칩 중앙에 온도 센서를 배치하기 때문에, 셀 영역의 손실이 발생한다.A power semiconductor chip composed of a power semiconductor device has a diode-structured temperature sensor to monitor an internal temperature. Such a temperature sensor does not directly measure the temperature of the junction of the power semiconductor device, but indirectly measures it with a certain error through the diode structure. Therefore, in order to minimize this error, since the temperature sensor is disposed in the center of the chip, a cell area loss occurs.

대한민국 공개공보 제20140057630호(2014.05.13. 공개)Republic of Korea Publication No. 20140057630 (published on May 13, 2014)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 셀 영역의 손실을 줄이면서 직접적인 정션 저항의 온도 센싱이 가능한 전력 반도체 칩 및 이를 이용한 전력 반도체 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a power semiconductor chip capable of directly sensing the temperature of a junction resistance while reducing a loss of a cell region and a power semiconductor system using the same.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereto.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 전력 반도체 칩은, 메인 셀 영역 및 온도 센서 영역을 포함하는 반도체층과, 상기 메인 셀 영역에 형성된 복수의 전력 반도체 트랜지스터들과, 상기 온도 센서 영역에 형성된 복수의 온도 센서 트랜지스터들과, 상기 복수의 전력 반도체 트랜지스터들의 게이트 전극에 연결된 게이트 단자와, 상기 온도 센서 트랜지스터들의 게이트 전극에 연결된 센싱 게이트 단자와, 외부로부터 상기 게이트 단자에 인가되는 게이트 전압이 배분되어 상기 센싱 게이트 단자에 인가되도록, 상기 게이트 단자와 상기 센싱 게이트 단자 사이에 접속된 제 1 배분 저항과, 상기 복수의 온도 센서 트랜지스터들의 출력에 연결된 온도 센싱 단자를 포함한다.A power semiconductor chip according to an aspect of the present invention for solving the above problems, a semiconductor layer including a main cell region and a temperature sensor region, a plurality of power semiconductor transistors formed in the main cell region, and the temperature sensor region A plurality of temperature sensor transistors formed in the , a gate terminal connected to the gate electrode of the plurality of power semiconductor transistors, a sensing gate terminal connected to the gate electrode of the temperature sensor transistors, and a gate voltage applied to the gate terminal from the outside and a first distribution resistor connected between the gate terminal and the sensing gate terminal to be distributed and applied to the sensing gate terminal, and a temperature sensing terminal connected to outputs of the plurality of temperature sensor transistors.

상기 전력 반도체 칩에 있어서, 상기 제 1 배분 저항은 상기 반도체층 내부 또는 상기 반도체층 상에 형성되는 폴리실리콘층을 포함할 수 있다.In the power semiconductor chip, the first distribution resistor may include a polysilicon layer formed inside or on the semiconductor layer.

상기 전력 반도체 칩에 있어서, 상기 센싱 게이트 단자는 상기 전력 반도체 칩의 외부의 제 2 배분 저항에 연결되고, 상기 게이트 전압이 상기 제 1 배분 저항과 상기 제 2 배분 저항의 분배비에 따라서 배분되어 상기 게이트 전압보다 낮은 전압이 상기 센싱 게이트 단자에 인가될 수 있다.In the power semiconductor chip, the sensing gate terminal is connected to a second distribution resistor external to the power semiconductor chip, the gate voltage is distributed according to a distribution ratio of the first distribution resistor and the second distribution resistor to the gate A voltage lower than the voltage may be applied to the sensing gate terminal.

상기 전력 반도체 칩에 있어서, 상기 게이트 전압이 상기 게이트 단자에 인가되는 경우, 상기 제 1 배분 저항 또는 상기 제 2 배분 저항은 상기 복수의 온도 센서 트랜지스터들이 상기 전력 반도체 칩이 설정 온도 이하인 경우 턴-오프 되고 상기 전력 반도체 칩이 설정 온도 이상으로 올라가는 경우에 턴-온 되도록 설정될 수 있다.In the power semiconductor chip, when the gate voltage is applied to the gate terminal, the first distribution resistor or the second distribution resistor is turned off when the plurality of temperature sensor transistors are below a set temperature of the power semiconductor chip. and may be set to be turned on when the power semiconductor chip rises above a set temperature.

상기 전력 반도체 칩에 있어서, 상기 반도체층에 형성된 복수의 전류 센서 트랜지스터들을 더 포함하고, 상기 게이트 단자는 상기 복수의 전류 센서 트랜지스터들의 게이트 전극에 더 연결될 수 있다.The power semiconductor chip may further include a plurality of current sensor transistors formed on the semiconductor layer, and the gate terminal may be further connected to gate electrodes of the plurality of current sensor transistors.

본 발명의 다른 관점에 따른 전력 반도체 시스템은, 전술한 전력 반도체 칩과, 상기 전력 반도체 칩의 상기 센싱 게이트 단자에 연결된 상기 전력 반도체 칩 외부의 제 2 배분 저항을 포함하고, 상기 게이트 전압이 상기 제 1 배분 저항과 상기 제 2 배분 저항의 분배비에 따라서 배분되어 상기 게이트 전압보다 낮은 전압이 상기 센싱 게이트 단자에 인가될 수 있다.The power semiconductor system according to another aspect of the present invention includes the above-described power semiconductor chip and a second distribution resistor external to the power semiconductor chip connected to the sensing gate terminal of the power semiconductor chip, wherein the gate voltage is the first A voltage lower than the gate voltage may be applied to the sensing gate terminal by being distributed according to a distribution ratio of the first division resistance and the second division resistance.

포함할 수 있다.may include

상기 전력 반도체 시스템에 있어서, 상기 제 2 배분 저항의 양단에 병렬 연결된 커패시터를 더 포함할 수 있다.The power semiconductor system may further include a capacitor connected in parallel to both ends of the second distribution resistor.

상기 전력 반도체 시스템에 있어서, 상기 전력 반도체 칩의 상기 온도 센싱 단자에 연결된 상기 전력 반도체 칩 외부의 온도 센싱 저항을 더 포함할 수 있다.The power semiconductor system may further include a temperature sensing resistor external to the power semiconductor chip connected to the temperature sensing terminal of the power semiconductor chip.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩 및 전력 반도체 시스템에 의하면, 셀 영역의 손실을 줄이면서 직접적인 정션 저항의 온도 센싱이 가능할 수 있다. 물론 이러한 효과는 예시적인 것이고, 이러한 효과에 의해서 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to the power semiconductor chip and the power semiconductor system according to the embodiment of the present invention made as described above, it is possible to directly sense the temperature of the junction resistor while reducing the loss of the cell region. Of course, these effects are exemplary, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩을 보여주는 개략적인 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩을 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 시스템을 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩에서 전력 반도체 소자를 보여주는 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩에서 온도 센서 트랜지스터들의 온도에 따른 문턱 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩 및 전력 반도체 시스템의 동작 특성을 보여주는 타이밍 챠트이다.1 is a schematic plan view showing a power semiconductor chip according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic circuit diagram showing a power semiconductor chip according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic circuit diagram illustrating a power semiconductor system according to an embodiment of the present invention.
4 is a partial cross-sectional view illustrating a power semiconductor device in a power semiconductor chip according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing changes in threshold voltages according to temperatures of temperature sensor transistors in a power semiconductor chip according to an embodiment of the present invention.
6 is a timing chart showing operating characteristics of a power semiconductor chip and a power semiconductor system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in a variety of different forms. It is provided to fully inform In addition, in the drawings for convenience of description, the size of at least some of the components may be exaggerated or reduced. In the drawings, like reference numerals refer to like elements.

다르게 정의되지 않는 한, 여기에 사용된 모든 용어들은 해당기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 같은 의미로 사용된다. 도면에서, 층 및 영역의 크기는 설명을 위해 과장되었고, 따라서 본 발명의 일반적인 구조들을 설명하기 위해 제공된다. 동일한 참조 부호들은 동일한 구성 요소를 나타낸다. 층, 영역, 또는 기판과 같은 한 구성이 다른 구성 상(on)에 있다고 지칭할 때, 그것은 다른 구성의 바로 상부에 있거나 또는 그 사이에 다른 개재된 구성이 또한 존재할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 반면에, 한 구성이 다른 구성의 “바로 위에(directly on)” 있다라고 지칭할 때는 중간 개재 구성들이 존재하지 않는다고 이해된다.Unless defined otherwise, all terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. In the drawings, the sizes of layers and regions are exaggerated for illustration purposes, and are therefore provided to illustrate general structures of the present invention. Like reference numerals denote like elements. When referring to one component, such as a layer, region, or substrate, being on another component, it will be understood that other intervening components may also be present, either directly on top of the other component or in between. On the other hand, it is understood that no intervening constructs exist when referring to one construct being “directly on” of another construct.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩(50)을 보여주는 개략적인 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩(50) 보여주는 개략적인 회로도이다.1 is a schematic plan view showing a power semiconductor chip 50 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic circuit diagram showing a power semiconductor chip 50 according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 같이 참조하면, 전력 반도체 칩(50)은 반도체층(105), 복수의 전력 반도체 트랜지스터들(power semiconductor transistors, PT), 복수의 전류 센서 트랜지스터들(ST) 및/또는 복수의 온도 센서 트랜지스터들(TT)을 포함할 수 있다.1 and 2 , the power semiconductor chip 50 includes a semiconductor layer 105 , a plurality of power semiconductor transistors (PT), a plurality of current sensor transistors (ST), and/or a plurality of of temperature sensor transistors TT.

전력 반도체 칩(50)은 메인 셀 영역(MC), 전류 센서 영역(SA) 및/또는 온도 센서 영역(TC)을 포함하는 반도체층(105)을 이용하여 형성될 수 있다. 이러한 전력 반도체 칩(50)은 웨이퍼 다이(die) 또는 패키징 구조를 포함할 수 있다.The power semiconductor chip 50 may be formed using the semiconductor layer 105 including the main cell area MC, the current sensor area SA, and/or the temperature sensor area TC. The power semiconductor chip 50 may include a wafer die or a packaging structure.

메인 셀 영역(MC)에는 복수의 전력 반도체 트랜지스터들(power semiconductor transistors, PT)이 형성될 수 있다. 센서 영역(SA)에는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 전류를 모니터링하기 위해 복수의 전류 센서 트랜지스터들(ST)이 형성될 수 있다. 온도 센서 영역(TC)에는 반도체 칩(50)의 온도를 센싱하기 위한 복수의 온도 센서 트랜지스터들(TT)이 형성될 수 있다.A plurality of power semiconductor transistors (PT) may be formed in the main cell region MC. A plurality of current sensor transistors ST may be formed in the sensor area SA to monitor currents of the power semiconductor transistors PT. A plurality of temperature sensor transistors TT for sensing the temperature of the semiconductor chip 50 may be formed in the temperature sensor region TC.

예를 들어, 전력 반도체 트랜지스터들(PT), 전류 센서 트랜지스터들(ST) 및/또는 온도 센서 트랜지스터들(TT)은 실질적으로 동일한 구조를 가질 수 있으며, 예컨대 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) 또는 전력 모스펫(power MOSFET) 구조를 가질 수 있다. For example, the power semiconductor transistors PT, the current sensor transistors ST, and/or the temperature sensor transistors TT may have substantially the same structure, for example, an Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) or a power MOSFET structure.

IGBT는 게이트 전극, 에미터 전극(emitter electrode) 및 컬렉터 전극(collector electrode)을 포함할 수 있다. 전력 모스펫은 게이트 전극, 소오스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수 있다. IGBT에 있어서, 컬렉터 전극 및 에미터 전극은 전력 모스펫의 드레인 전극 및 소오스 전극에 각각 대응될 수 있다.The IGBT may include a gate electrode, an emitter electrode, and a collector electrode. The power MOSFET may include a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode. In the IGBT, the collector electrode and the emitter electrode may correspond to the drain electrode and the source electrode of the power MOSFET, respectively.

도 2에서는 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)이 IGBT인 경우를 예로 설명한다.In FIG. 2 , a case in which the power semiconductor transistors PT and the current sensor transistors ST are IGBTs will be described as an example.

전력 반도체 칩(50)은 외부와 연결을 위한 복수의 단자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 반도체 칩(50)은 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 에미터 전극에 연결되는 에미터 단자(69), 전류를 모니터링하기 위한 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 에미터 전극과 연결되는 전류 센서 단자(64), 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 게이트 전극 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 게이트 전극과 연결되는 게이트 단자(62) 및/또는 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 컬렉터 전극과 연결되는 컬렉터 단자(61)를 포함할 수 있다. The power semiconductor chip 50 may include a plurality of terminals for connection to the outside. For example, the power semiconductor chip 50 is connected to an emitter terminal 69 connected to an emitter electrode of the power semiconductor transistors PT, and an emitter electrode of the current sensor transistors ST for monitoring a current. The current sensor terminal 64 to be used, the gate electrode of the power semiconductor transistors PT, and the gate terminal 62 connected to the gate electrode of the current sensor transistors ST and/or the power semiconductor transistors PT and the current sensor It may include a collector terminal 61 connected to the collector electrode of the transistors ST.

예를 들어, 전류 센서 단자(64)는 전류 센서 영역(SA) 상에 형성될 수 있다. 이 실시예의 변형된 예에서, 전류 센서 영역(SA)은 메인 셀 영역(MC)의 가장자리 일부에 배치될 수도 있다.For example, the current sensor terminal 64 may be formed on the current sensor area SA. In a modified example of this embodiment, the current sensor area SA may be disposed at a portion of an edge of the main cell area MC.

나아가, 전력 반도체 칩(50)은 온도 센서 트랜지스터들(TT)의 게이트 전극에 연결된 센싱 게이트 단자(67), 온도 센서 트랜지스터들(TT)의 출력에 연결된 온도 센싱 단자(68)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 온도 센싱 단자(68)는 온도 센서 트랜지스터들(TT)의 에미터 전극에 연결될 수 있다.Furthermore, the power semiconductor chip 50 may include a sensing gate terminal 67 connected to the gate electrode of the temperature sensor transistors TT, and a temperature sensing terminal 68 connected to the output of the temperature sensor transistors TT. . More specifically, the temperature sensing terminal 68 may be connected to the emitter electrode of the temperature sensor transistors TT.

또한, 전력 반도체 칩(50)은 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 켈빈 에미터 전극에 연결되는 켈빈 에미터 단자(66)를 더 포함할 수도 있다.In addition, the power semiconductor chip 50 may further include a Kelvin emitter terminal 66 connected to the Kelvin emitter electrode of the power semiconductor transistors PT.

온도 센싱 단자(68)는 온도 센서 영역(TC) 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 온도 센서 영역(TC)을 위해서 메인 셀 영역(MC)의 일부를 할당할 필요가 없기 때문에 메인 셀 영역(MC)의 면적을 넓게 할 수 있다. 따라서, 메인 셀 영역의 손실을 줄일 수 있어서, 전력 반도체 칩(50)의 집적도가 높아질 수 있다.The temperature sensing terminal 68 may be formed on the temperature sensor area TC. Accordingly, since it is not necessary to allocate a part of the main cell area MC for the temperature sensor area TC, the area of the main cell area MC may be increased. Accordingly, loss of the main cell region may be reduced, and thus the degree of integration of the power semiconductor chip 50 may be increased.

도 2에서 컬렉터 단자(61)는 도 1의 반도체층(105)의 후면 상에 형성되고, 도 2에서 에미터 단자(69)는 도 1의 메인 셀 영역(MC) 상에 형성될 수 있다.In FIG. 2 , the collector terminal 61 may be formed on the rear surface of the semiconductor layer 105 of FIG. 1 , and in FIG. 2 , the emitter terminal 69 may be formed on the main cell region MC of FIG. 1 .

전력 반도체 트랜지스터(PT)는 에미터 단자(69)와 컬렉터 단자(61) 사이에 접속되고, 전류 센서 트랜지스터(ST)는 전류 센서 단자(64)와 컬렉터 단자(61) 사이에 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 일부 병렬적으로 접속된다. 전류 센서 트랜지스터(ST)의 게이트 전극과 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 게이트 전극은 게이트 단자(62)에 공유로 연결된다.The power semiconductor transistor PT is connected between the emitter terminal 69 and the collector terminal 61 , and the current sensor transistor ST is connected between the current sensor terminal 64 and the collector terminal 61 , the power semiconductor transistor PT ) and some parallel connections. The gate electrode of the current sensor transistor ST and the gate electrode of the power semiconductor transistor PT are commonly connected to the gate terminal 62 .

전류 센서 트랜지스터(ST)는 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 실질적으로 같은 구조로 형성되며, 다만 소정의 비로 축소되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 전류 센서 트랜지스터(ST)의 출력 전류를 모니터링함으로써 전력 반도체 트랜지스터(PT)의 출력 전류를 간접적으로 모니터링할 수 있다.The current sensor transistor ST has a structure substantially the same as that of the power semiconductor transistor PT, but may be reduced by a predetermined ratio. Accordingly, the output current of the power semiconductor transistor PT may be indirectly monitored by monitoring the output current of the current sensor transistor ST.

온도 센서 트랜지스터들(TT)의 게이트 전극 및/또는 센싱 게이트 단자(67)는 제 1 배분 저항(RT)을 통해서 게이트 단자(62)에 연결될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 제 1 배분 저항(RT)은 외부로부터 게이트 단자(62)에 인가되는 게이트 전압이 배분되어 센싱 게이트 단자(67)에 인가되도록, 게이트 단자(62)와 센싱 게이트 단자(67) 사이에 접속될 수 있다. 예를 들어, 제 1 배분 저항(RT)은 반도체층(105) 내부 또는 반도체층(105) 상에 형성되는 폴리실리콘층을 포함할 수 있다.The gate electrode and/or the sensing gate terminal 67 of the temperature sensor transistors TT may be connected to the gate terminal 62 through the first distribution resistor R T . More specifically, the first distribution resistor R T is the gate terminal 62 and the sensing gate terminal 67 such that the gate voltage applied to the gate terminal 62 from the outside is distributed and applied to the sensing gate terminal 67 . ) can be connected between For example, the first distribution resistor R T may include a polysilicon layer formed in the semiconductor layer 105 or on the semiconductor layer 105 .

나아가, 센싱 게이트 단자(67)는 전력 반도체 칩(50) 외부의 제 2 배분 저항(도 3의 RGT)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 게이트 단자(62)에 인가된 게이트 전압이 제 1 배분 저항(RT)과 제 2 배분 저항(RGT)의 분배비에 따라서 배분되어, 센싱 게이트 단자(62)에는 게이트 전압보다 낮은 전압이 인가될 수 있다. 따라서, 게이트 전압이 게이트 단자(62)에 인가되어 전력 반도체 트랜지스터들(PT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)이 턴-온되는 경우에도, 온도 센서 트랜지스터들(TT)은 설정 온도 이하에서는 턴-온 되지 않고 턴-오프 될 수 있다. Furthermore, the sensing gate terminal 67 may be connected to a second distribution resistor (R GT in FIG. 3 ) outside the power semiconductor chip 50 . Accordingly, the gate voltage applied to the gate terminal 62 is distributed according to the distribution ratio of the first distribution resistor R T and the second distribution resistor R GT , and a voltage lower than the gate voltage is applied to the sensing gate terminal 62 . This may be authorized. Accordingly, even when the gate voltage is applied to the gate terminal 62 to turn on the power semiconductor transistors PT and the current sensor transistors ST, the temperature sensor transistors TT are turned on below the set temperature. It can be turned off without being turned on.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 온도 센서 트랜지스터들(TT)은 온도가 올라감에 따라서 그 문턱 전압(Vth)이 낮아질 수 있다. 예를 들어, 상온에서는 문턱 전압(Vth)이 5.6V이었으나, 175oC에서는 3.4V로 낮아질 수 있다. 따라서, 온도 센서 트랜지스터들(TT)은 전력 반도체 칩(50)의 온도가 설정 온도 이상이 되면, 센싱 게이트 단자(67)에 인가되는 전압이 문턱 전압(Vth)보다 낮아지게 되어 턴-온 될 수 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 5 , the threshold voltage V th of the temperature sensor transistors TT may be decreased as the temperature increases. For example, the threshold voltage (V th ) was 5.6V at room temperature, but may be lowered to 3.4V at 175 o C. Accordingly, when the temperature of the power semiconductor chip 50 is greater than or equal to the set temperature, the temperature sensor transistors TT are turned on because the voltage applied to the sensing gate terminal 67 becomes lower than the threshold voltage V th . can

따라서, 온도 센서 트랜지스터들(TT)의 턴-온 여부를 모니터링하면, 전력 반도체 칩(50)이 설정 온도 이상에 이르렀는지를 알 수 있다. 예를 들어, 온도 센서 트랜지스터들(TT)의 출력 단자, 예컨대 에미터 전극에 연결된 온도 센싱 단자(68)을 통해서 온도 센서 트랜지스터들(TT)의 턴-온 여부를 모니터링할 수 있다. 전력 반도체 칩(50)이 설정 온도 이상이 되면, 전력 반도체 칩(50)은 과열에 의한 손상을 방지하기 위하여 전원 공급이 차단될 수 있다. Accordingly, by monitoring whether the temperature sensor transistors TT are turned on, it may be known whether the power semiconductor chip 50 has reached a set temperature or more. For example, it is possible to monitor whether the temperature sensor transistors TT are turned on through an output terminal of the temperature sensor transistors TT, for example, a temperature sensing terminal 68 connected to an emitter electrode. When the power semiconductor chip 50 reaches a set temperature or higher, the power supply to the power semiconductor chip 50 may be cut off in order to prevent damage due to overheating.

일부 실시예에서, 제 1 배분 저항(RT)과 제 2 배분 저항(RGT)의 분배비는 온도 센서 트랜지스터들(TT)이 턴-온되는 설정 온도를 고려하여 설정될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 제 1 배분 저항(RT)과 제 2 배분 저항(RGT)의 분배비는 전력 반도체 칩(50)이 설정 온도 이하인 경우 온도 센서 트랜지스터들(TT)이 턴-오프 되고 전력 반도체 칩(50)이 설정 온도 이상인 경우 온도 센서 트랜지스터들(TT)이 턴-온 되도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 온도 센서 트랜지스터들(TT)이 턴-온되는 설정 온도가 높아지게 하려면, 센싱 게이트 단자(67)에 인가되는 전압이 낮아지도록 분배비를 설정할 수 있다.In some embodiments, a distribution ratio of the first distribution resistor R T and the second distribution resistor R GT may be set in consideration of a set temperature at which the temperature sensor transistors TT are turned on. More specifically, when the distribution ratio of the first distribution resistor R T and the second distribution resistor R GT is below the set temperature of the power semiconductor chip 50 , the temperature sensor transistors TT are turned off and the power semiconductor When the chip 50 is above a set temperature, the temperature sensor transistors TT may be set to be turned on. For example, in order to increase the set temperature at which the temperature sensor transistors TT are turned on, the distribution ratio may be set to decrease the voltage applied to the sensing gate terminal 67 .

전력 반도체 칩(50)에 의하면, 전력 반도체 트랜지스터들(PT), 전류 센서 트랜지스터들(ST) 및 온도 센서 트랜지스터들(TT)은 실질적으로 동일한 정션 구조를 가질 수 있기 때문에, 온도 센서 트랜지스터들(TT)을 통해서 정션 온도를 직접적으로 모니터랑 할 수 있다.According to the power semiconductor chip 50 , since the power semiconductor transistors PT, the current sensor transistors ST, and the temperature sensor transistors TT may have substantially the same junction structure, the temperature sensor transistors TT ) to directly monitor the junction temperature.

위에서 전력 반도체 칩(50)이 IGBT인 경우에 설명하였지만, 이는 전력 반도체 칩(50)이 전력 모스펫인 경우에도 적용될 수 있다. 다만, 전력 반도체 칩(50)이 전력 모스펫인 경우, 에미터 단자(69)는 전력 반도체 트랜지스터들(PT)의 소오스 전극에 연결되고, 전류 센서 단자(64)는 전류 센서 트랜지스터들(ST)의 소오스 전극에 연결되고, 온도 센싱 단자(68)는 온도 센서 트랜지스터들(TT)의 소오스 전극에 연결될 수 있다 될 수 있다. 나아가, 에미터 단자(69)는 소오스 단자로 불릴 수도 있다.Although it has been described above when the power semiconductor chip 50 is an IGBT, this may also be applied to a case where the power semiconductor chip 50 is a power MOSFET. However, when the power semiconductor chip 50 is a power MOSFET, the emitter terminal 69 is connected to the source electrode of the power semiconductor transistors PT, and the current sensor terminal 64 is of the current sensor transistors ST. It is connected to the source electrode, and the temperature sensing terminal 68 may be connected to the source electrode of the temperature sensor transistors TT. Furthermore, the emitter terminal 69 may be referred to as a source terminal.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 시스템(80)을 보여주는 개략적인 회로도이다.3 is a schematic circuit diagram showing a power semiconductor system 80 according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 전력 반도체 시스템(80)은 전력 반도체 칩(50)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 반도체 시스템(80)은 전력 반도체 칩(50)을 이용하여 고전력을 스위칭하기 위한 시스템일 수 있다.Referring to FIG. 3 , the power semiconductor system 80 may include a power semiconductor chip 50 . For example, the power semiconductor system 80 may be a system for switching high power using the power semiconductor chip 50 .

전력 반도체 시스템(80)은 전력 반도체 칩(50)의 센싱 게이트 단자(67)에 연결된 전력 반도체 칩(50) 외부의 제 2 배분 저항(RGT)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제 1 배분 저항(RT)과 제 2 배분 저항(RGT)의 분배비는 온도 센서 트랜지스터들(TT)이 턴-온되는 설정 온도를 고려하여 설정될 수 있다. 나아가, 전력 반도체 칩(50)의 스위칭 속도에 따른 게이트 노이즈를 제거하기 위하여, 제 2 배분 저항(RGT)의 양단에 커패시터(C1)가 연결될 수도 있다.The power semiconductor system 80 may include a second distribution resistor R GT outside the power semiconductor chip 50 connected to the sensing gate terminal 67 of the power semiconductor chip 50 . As described above, the distribution ratio of the first distribution resistor R T and the second distribution resistor R GT may be set in consideration of a set temperature at which the temperature sensor transistors TT are turned on. Furthermore, in order to remove gate noise according to the switching speed of the power semiconductor chip 50 , the capacitor C1 may be connected to both ends of the second distribution resistor R GT .

전력 반도체 칩(50)은 한번 제조되어 패키징 되면 그 내부 구조를 바꾸기 어렵다는 점에서, 제 1 배분 저항(RT)은 전력 반도체 칩(50)의 제조 시 고정될 수 있다. 따라서, 저항의 분배비를 변경하기 위해서, 전력 반도체 칩(50) 외부의 전력 반도체 시스템(80) 내에 제 2 배분 저항(RGT)이 착탈가능하도록 설치될 수 있다. Since it is difficult to change the internal structure of the power semiconductor chip 50 once manufactured and packaged, the first distribution resistor R T may be fixed during the manufacturing of the power semiconductor chip 50 . Accordingly, in order to change the distribution ratio of the resistors, the second distribution resistor R GT may be detachably installed in the power semiconductor system 80 outside the power semiconductor chip 50 .

이에 따라, 전력 반도체 시스템(80)의 사양 또는 용도에 따라서, 전력 반도체 칩(50)의 운용 온도를 결정할 수 있고, 이를 반영하여 제 2 배분 저항(RGT)을 통해서 저항 분배비를 변경함으로써 온도 센서 트랜지스터들(TT)이 턴-온 되는 설정 온도를 변경할 수 있다.Accordingly, it is possible to determine the operating temperature of the power semiconductor chip 50 according to the specification or use of the power semiconductor system 80 , and by reflecting this, by changing the resistance distribution ratio through the second distribution resistor R GT , the temperature sensor A set temperature at which the transistors TT are turned on may be changed.

예를 들어, 제 2 배분 저항(RGT)이 커질수록 센싱 게이트 단자(67)에 걸리는 전압이 커지고, 그 결과 온도 센서 트랜지스터들(TT)이 턴-온 되는 설정 온도가 낮아질 수 있다. 반대로, 제 2 배분 저항(RGT)이 작아질수록 센싱 게이트 단자(67)에 걸리는 전압이 작아고, 그 결과 온도 센서 트랜지스터들(TT)이 턴-온 되는 설정 온도가 높아질 수 있다. 따라서, 전력 반도체 시스템(80)은 제 2 배분 저항(RGT)의 크기, 즉 저항 분배비를 변경하여, 전력 반도체 칩(50)의 내부 구조를 변경하지 않고서도 전력 반도체 칩(50)을 제어하기 위한 설정 온도를 용이하게 변경할 수 있다.For example, as the second distribution resistor R GT increases, the voltage applied to the sensing gate terminal 67 increases, and as a result, a set temperature at which the temperature sensor transistors TT are turned on may be lowered. Conversely, as the second distribution resistor R GT decreases, the voltage applied to the sensing gate terminal 67 decreases, and as a result, the set temperature at which the temperature sensor transistors TT are turned on may increase. Accordingly, the power semiconductor system 80 controls the power semiconductor chip 50 without changing the internal structure of the power semiconductor chip 50 by changing the size of the second distribution resistor R GT , that is, the resistance distribution ratio. You can easily change the set temperature for

나아가, 전력 반도체 시스템(80)은 전력 반도체 칩(50)의 온도 센싱 단자(68)에 연결된 전력 반도체 칩(50) 외부의 온도 센싱 저항(RTS)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라 온도 센싱 저항(RTS)에 걸리는 전압을 측정하여, 온도 센서 트랜지스터들(TT)을 통해서 흐르는 전류를 측정하여, 온도 센서 트랜지스터들(TT)의 턴-온 여부를 모니터링할 수 있다.Furthermore, the power semiconductor system 80 may further include a temperature sensing resistor R TS outside the power semiconductor chip 50 connected to the temperature sensing terminal 68 of the power semiconductor chip 50 . Accordingly, by measuring a voltage applied to the temperature sensing resistor R TS and measuring a current flowing through the temperature sensor transistors TT, it is possible to monitor whether the temperature sensor transistors TT are turned on.

한편, 전력 반도체 칩(50)의 전류 센서 단자(64)에는 전류 센싱 저항(RCS)이 연결될 수 있다. 이에 따라, 전류 센싱 저항(RCS)에 걸리는 전압을 측정하면, 전류 센서 트랜지스터들(ST)에 흐르는 전류를 계산할 수 있고, 이로부터 전력 반도체 트랜지스터들(PT)에 흐르는 전류를 계산할 수 있다.Meanwhile, a current sensing resistor R CS may be connected to the current sensor terminal 64 of the power semiconductor chip 50 . Accordingly, when the voltage applied to the current sensing resistor R CS is measured, the current flowing through the current sensor transistors ST may be calculated, and the current flowing through the power semiconductor transistors PT may be calculated therefrom.

전력 반도체 시스템(80)은 게이트 단자(62)에 게이트 전압을 인가하여 위하여 게이트 단자(62)에 연결된 게이트 드라이버(gate driver)를 더 포함할 수 있다.The power semiconductor system 80 may further include a gate driver connected to the gate terminal 62 to apply a gate voltage to the gate terminal 62 .

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 칩(50) 및 전력 반도체 시스템(80)의 동작 특성을 보여주는 타이밍 챠트이다.6 is a timing chart showing operating characteristics of the power semiconductor chip 50 and the power semiconductor system 80 according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 게이트 단자(62)에 게이트 전압(Vg)이 인가됨에 따라서, 센싱 게이트 단자(67)에는 저항 분배에 의해서 감소된 센싱 게이트 전압(Vsg)이 인가될 수 있다.Referring to FIG. 6 , as the gate voltage Vg is applied to the gate terminal 62 , the sensing gate voltage Vsg reduced by resistance distribution may be applied to the sensing gate terminal 67 .

한편, 전력 반도체 칩(50)의 온도가 상온에서 175oC 이상으로 올라가면, 온도 센서 트랜지스터들(TT)의 문턱 전압(Vth)이 감소되는 것을 알 수 있다.On the other hand, when the temperature of the power semiconductor chip 50 rises from room temperature to 175 o C or more, it can be seen that the threshold voltage Vth of the temperature sensor transistors TT is reduced.

예를 들어, 전력 반도체 칩(50)을 보호하기 위한 설정 온도를 175oC로 하면, 온도 센싱 저항(RTS)에서 측정하는 센싱 전압(Vts)의 기준 전압(Vt)을 설정할 수 있다. 이에 따라, 전력 반도체 칩(50)이 설정 온도에 이르면, 전력 반도체 칩(50)의 동작을 차단하고 알람 신호를 보낼 수 있다.For example, if the set temperature for protecting the power semiconductor chip 50 is 175 o C, the reference voltage Vt of the sensing voltage Vts measured by the temperature sensing resistor R TS may be set. Accordingly, when the power semiconductor chip 50 reaches the set temperature, the operation of the power semiconductor chip 50 may be interrupted and an alarm signal may be transmitted.

따라서, 전력 반도체 칩(50) 또는 전력 반도체 시스템(80)을 이용하면, 메인 셀 영역(MC)에 다이오드 구조를 형성하지 않고서도 전력 반도체 칩(50)의 온도를 모니터링할 수 있어, 전력 반도체 칩(50)의 공간 활용성을 높일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 카바이드 소자와 같이 전력 반도체 칩(50)의 크기가 쟉은 경우, 이러한 공간 활용성은 더욱 중요해질 수 있다.Therefore, if the power semiconductor chip 50 or the power semiconductor system 80 is used, the temperature of the power semiconductor chip 50 can be monitored without forming a diode structure in the main cell region MC, so that the power semiconductor chip (50) space utilization can be increased. For example, when the size of the power semiconductor chip 50 is small, such as a silicon carbide device, such space utilization may become more important.

나아가, 전력 반도체 칩(50) 또는 전력 반도체 시스템(80)에 따르면, 전력 반도체 칩(50)의 내부 구조를 변경하지 않고서도, 전력 반도체 칩(50) 외부의 제 2 배분 저항(RGT)의 크기를 조절하여, 온도 설정을 변경할 수 있다.Furthermore, according to the power semiconductor chip 50 or the power semiconductor system 80 , without changing the internal structure of the power semiconductor chip 50 , the second distribution resistor R GT outside the power semiconductor chip 50 . By adjusting the size, you can change the temperature setting.

한편, 전력 반도체 트랜지스터(PT), 전류 센서 트랜지스터(ST) 및 온도 센서 트랜지스터(TT)는 도 4의 전력 반도체 소자(100)의 구조를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 반도체 트랜지스터(PT)와 전력 반도체 소자(100)가 동일한 의미로 사용될 수도 있다.Meanwhile, the power semiconductor transistor PT, the current sensor transistor ST, and the temperature sensor transistor TT may include the structure of the power semiconductor device 100 of FIG. 4 . In some embodiments, the power semiconductor transistor PT and the power semiconductor device 100 may be used interchangeably.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 반도체 소자(100)를 보여주는 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing the power semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 반도체층(105)은 하나 또는 복수의 반도체 물질층을 지칭할 수 있으며, 예를 들어, 반도체 기판의 일부 및/또는 하나 또는 다층의 에피택셜층(epitaxial layer)을 지칭할 수도 있다. 반도체 물질로는 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, 실리콘 카바이드 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the semiconductor layer 105 may refer to one or more layers of semiconductor material, for example, a portion of a semiconductor substrate and/or one or multiple epitaxial layers. may be The semiconductor material may include silicon, germanium, silicon-germanium, silicon carbide, and the like.

예를 들어, 반도체층(105)은 드리프트 영역(107) 및 웰 영역(110)을 포함할 수 있다. 나아가, 반도체층(105)은 플로팅 영역(125) 및 에미터 영역(112)을 더 포함할 수 있다. 여기에서 에미터 영역(112)은 소오스 영역으로 불릴 수도 있고, 이하에서 에미터 영역(112)은 소오스 영역을 의미할 수도 있다. For example, the semiconductor layer 105 may include a drift region 107 and a well region 110 . Furthermore, the semiconductor layer 105 may further include a floating region 125 and an emitter region 112 . Here, the emitter region 112 may be referred to as a source region, and hereinafter, the emitter region 112 may refer to a source region.

드리프트 영역(107)은 제 1 도전형을 가질 수 있고, 반도체층(105)의 일부에 제 1 도전형의 불순물을 주입하여 형성될 수 있다. 드리프트 영역(107)은 전하의 수직 이동 경로를 제공할 수 있다. 예를 들어, 드리프트 영역(107)은 제 1 도전형의 불순물을 반도체층(105)에 도핑하여 형성될 수 있다. 다른 예로, 드리프트 영역(107)은 에피택셜층으로 성장될 수 있고, 성장 과정 중에 제 1 도전형의 불순물이 도핑될 수 있다.The drift region 107 may have the first conductivity type, and may be formed by implanting impurities of the first conductivity type into a portion of the semiconductor layer 105 . The drift region 107 may provide a vertical movement path for electric charges. For example, the drift region 107 may be formed by doping the semiconductor layer 105 with impurities of the first conductivity type. As another example, the drift region 107 may be grown as an epitaxial layer, and may be doped with impurities of the first conductivity type during the growth process.

웰 영역(110)은 드리프트 영역(107) 상의 반도체층(105)에 형성되고, 제 2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 웰 영역(110)은 반도체층(105)에 드리프트 영역(107)의 적어도 일부에 접하도록 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 웰 영역(110)은 반도체층(105) 또는 드리프트 영역(107) 내에 제 1 도전형의 반대인 제 2 도전형의 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 한편, 웰 영역(110)은 바이폴라 정션 트랜지스터 구조에서 베이스 영역으로 불릴 수도 있다.The well region 110 is formed in the semiconductor layer 105 on the drift region 107 and may have a second conductivity type. For example, the well region 110 may be formed to contact at least a portion of the drift region 107 in the semiconductor layer 105 . In some embodiments, the well region 110 may be formed by doping impurities of a second conductivity type opposite to the first conductivity type in the semiconductor layer 105 or the drift region 107 . Meanwhile, the well region 110 may be referred to as a base region in the bipolar junction transistor structure.

에미터 영역(112)은 웰 영역(110)들 상의 반도체층(105)에 각각 형성되고, 제 1 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 에미터 영역들(112)은 반도체층(105) 또는 웰 영역(110)에 제 1 도전형의 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 에미터 영역(112)은 드리프트 영역(107)보다 제 1 도전형의 불순물이 보다 고농도로 도핑되어 형성될 수 있다.The emitter regions 112 are respectively formed in the semiconductor layer 105 on the well regions 110 and may have a first conductivity type. For example, the emitter regions 112 may be formed by doping the semiconductor layer 105 or the well region 110 with impurities of the first conductivity type. The emitter region 112 may be formed by doping a higher concentration of impurities of the first conductivity type than the drift region 107 .

컬렉터 영역(102)은 드리프트 영역(107) 아래에 제공되고, 컬렉터 전극층(150)은 컬렉터 영역(128)에 연결되도록 컬렉터 영역(102) 아래에 제공될 수 있다. 예를 들어, 컬렉터 영역(102)은 제 2 도전형을 가질 수 있다.A collector region 102 may be provided under the drift region 107 , and a collector electrode layer 150 may be provided under the collector region 102 to be connected to the collector region 128 . For example, the collector region 102 may have a second conductivity type.

일부 실시예에서, 컬렉터 영역(102) 및/또는 컬렉터 전극층(150)은 반도체 기판의 적어도 일부를 구성할 수 있고, 드리프트 영역(107)은 이러한 반도체 기판, 즉 컬렉터 영역(102) 및/또는 컬렉터 전극층(150) 상에 에피??셜층으로 형성될 수 있다. In some embodiments, collector region 102 and/or collector electrode layer 150 may constitute at least a portion of a semiconductor substrate, and drift region 107 is such a semiconductor substrate, ie, collector region 102 and/or collector region. It may be formed as an epitaxial layer on the electrode layer 150 .

한편, 전력 반도체 소자(100)가 모스펫 구조를 갖는 경우, 컬렉터 영역(102)은 생략될 수 있다. 이 경우, 컬렉터 전극층(150)은 드레인 전극으로 불릴 수 있고, 이러한 드레인 전극이 드리프트 영역(107)과 접하도록 형성될 수 있다.Meanwhile, when the power semiconductor device 100 has a MOSFET structure, the collector region 102 may be omitted. In this case, the collector electrode layer 150 may be referred to as a drain electrode, and the drain electrode may be formed to contact the drift region 107 .

적어도 하나의 트렌치(116)는 반도체층(105)의 표면으로부터 반도체층(105) 내부로 소정 깊이만큼 리세스되어 형성될 수 있다. 도 4에는 한 쌍의 트렌치들(116)이 도시되었고, 트렌치들(116)의 수는 전력 반도체 소자(100)의 성능에 따라 적절하게 선택될 수 있고 이 실시예의 범위를 제한하지 않는다.The at least one trench 116 may be formed by recessing a predetermined depth into the semiconductor layer 105 from the surface of the semiconductor layer 105 . A pair of trenches 116 is illustrated in FIG. 4 , and the number of trenches 116 may be appropriately selected according to the performance of the power semiconductor device 100 and does not limit the scope of this embodiment.

나아가, 트렌치들(116)은 전계가 집중되는 것을 억제하기 위하여 그 모서리, 예컨대 하단 모서리가 라운딩 처리될 수 있다.Further, the trenches 116 may be rounded at an edge, eg, a bottom edge, in order to suppress the concentration of the electric field.

게이트 절연층(118)은 트렌치들(116)의 적어도 내벽 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(118)은 트렌치들(116)의 내부 표면 및 트렌치들(116) 외측의 반도체층(105)의 표면 상에 형성될 수 있다. 게이트 절연층(118)의 두께는 균일하거나 또는 트렌치들(116)의 바닥면 부분의 전계를 낮추기 위하여 트렌치들(116)의 바닥면 상에 형성된 부분이 측벽 상에 형성된 부분보다 두꺼울 수도 있다.The gate insulating layer 118 may be formed on at least inner walls of the trenches 116 . For example, the gate insulating layer 118 may be formed on the inner surface of the trenches 116 and the surface of the semiconductor layer 105 outside the trenches 116 . The thickness of the gate insulating layer 118 may be uniform or the portion formed on the bottom surface of the trenches 116 may be thicker than the portion formed on the sidewall in order to lower the electric field of the bottom portion of the trenches 116 .

예를 들어, 게이트 절연층(118)은 실리콘 산화물, 실리콘 카바이드의 산화물, 실리콘 질화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 알루미늄 산화물 등의 절연물을 포함하거나 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.For example, the gate insulating layer 118 may include an insulating material such as silicon oxide, silicon carbide oxide, silicon nitride, hafnium oxide, zirconium oxide, aluminum oxide, or a stacked structure thereof.

게이트 전극층(120)은 트렌치들(116)을 매립하도록 게이트 절연층(118) 상에 형성될 수 있다. 게이트 전극층(120)은 반도체층(105) 내로 리세스되게 형성될 수 있고, 이러한 의미에서 리세스 타입 또는 트렌치 타입을 갖는 것으로 이해될 수 있다. The gate electrode layer 120 may be formed on the gate insulating layer 118 to fill the trenches 116 . The gate electrode layer 120 may be formed to be recessed into the semiconductor layer 105 , and in this sense, it may be understood to have a recess type or a trench type.

예를 들어, 게이트 전극층(120)은 적절한 도전물, 예컨대 폴리실리콘, 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 등을 포함하거나 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.For example, the gate electrode layer 120 may include a suitable conductive material, such as polysilicon, metal, metal nitride, metal silicide, or the like, or may include a stacked structure thereof.

일부 실시예들에서, 드리프트 영역(107)은 트렌치들(116)의 하부로부터 트렌치들(116)의 일측으로 연결되도록 반도체층(105)에 형성될 수 있다. 웰 영역(110)은 트렌치들(116)의 일측의 드리프트 영역(107) 상의 반도체층(105)에 형성될 수 있다.In some embodiments, the drift region 107 may be formed in the semiconductor layer 105 to be connected from a lower portion of the trenches 116 to one side of the trenches 116 . The well region 110 may be formed in the semiconductor layer 105 on the drift region 107 at one side of the trenches 116 .

플로팅 영역(125)은 적어도 하나의 트렌치(116) 타측의 반도체층(105)에 형성되고, 제 2 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 플로팅 영역(125)은 반도체층(105) 또는 드리프트 영역(107)에 제 2 도전형의 불순물을 주입하여 형성될 수 있다.The floating region 125 is formed in the semiconductor layer 105 on the other side of the at least one trench 116 and may have a second conductivity type. For example, the floating region 125 may be formed by implanting impurities of the second conductivity type into the semiconductor layer 105 or the drift region 107 .

나아가, 플로팅 영역(125)은 게이트 전극층(120)의 바닥면에서 전계가 집중되는 것을 완화하기 위하여, 적어도 게이트 전극층(120)의 바닥면을 둘러싸도록 형성될 수 있다.Furthermore, the floating region 125 may be formed to surround at least the bottom surface of the gate electrode layer 120 in order to reduce the concentration of the electric field on the bottom surface of the gate electrode layer 120 .

층간 절연층(130)은 게이트 전극층(120) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 층간 절연층(130)은 적절한 절연물, 예컨대 산화층, 질화층 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.The interlayer insulating layer 130 may be formed on the gate electrode layer 120 . For example, the interlayer insulating layer 130 may include a suitable insulating material, such as an oxide layer, a nitride layer, or a laminate structure thereof.

에미터 전극층(140)은 에미터 영역(112)에 연결되도록 에미터 영역(112) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 에미터 전극층(140)은 에미터 영역(112)으로부터 부가 전극층(128) 상으로 신장되도록 배치될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 에미터 전극층(140)은 층간 절연층(130)을 관통하여 에미터 영역(112)과 연결되고, 부가 전극층(128) 상의 층간 절연층(130) 상으로 신장될 수 있다. The emitter electrode layer 140 may be disposed on the emitter region 112 to be connected to the emitter region 112 . For example, the emitter electrode layer 140 may be disposed to extend from the emitter region 112 onto the additional electrode layer 128 . More specifically, the emitter electrode layer 140 may penetrate the interlayer insulating layer 130 to be connected to the emitter region 112 , and may extend onto the interlayer insulating layer 130 on the additional electrode layer 128 .

예를 들어, 에미터 전극층(140)은 적절한 도전물, 예컨대 폴리실리콘, 금속, 금속 질화물, 금속 실리사이드 등을 포함하거나 또는 이들의 적층 구조를 포함할 수 있다.For example, the emitter electrode layer 140 may include a suitable conductive material, such as polysilicon, metal, metal nitride, metal silicide, or the like, or may include a stacked structure thereof.

나아가, 에미터 전극층(140)은 웰 영역(110)에 더 연결될 수 있다. 예를 들어, 웰 영역(110)은 일부분에 고농도 도핑 영역을 포함하고, 이러한 고농도 도핑 영역에 에미터 전극층(140)이 연결될 수 있다.Furthermore, the emitter electrode layer 140 may be further connected to the well region 110 . For example, the well region 110 may partially include a heavily doped region, and the emitter electrode layer 140 may be connected to the heavily doped region.

전력 반도체 소자(100)에 있어서, 제 1 도전형 및 제 2 도전형은 서로 반대의 도전형을 가지되 n형 및 p형 중 각각 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 제 1 도전형은 n형이면 제 2 도전형이 p형이고, 그 반대일 수도 있다.In the power semiconductor device 100 , the first conductivity type and the second conductivity type may have opposite conductivity types, but may be either n-type or p-type, respectively. For example, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type, and vice versa.

위에서, 전력 반도체 소자(100)는 트렌치형 게이트 구조를 갖는 것으로 설명되었으나, 이 실시예의 변형된 예에서, 게이트 전극층(120)이 반도체층(105) 상에 형성되는 평면형 게이트 구조를 갖도록 변형될 수 있다.In the above, the power semiconductor device 100 has been described as having a trench-type gate structure, but in a modified example of this embodiment, the gate electrode layer 120 may be modified to have a planar gate structure formed on the semiconductor layer 105 . have.

따라서, 전력 반도체 소자(100)를 이용하여 전력 반도체 칩(50)을 구성할 수 있고, 전력 반도체 트랜지스터들(PT), 온도 센서 트랜지스터들(TT) 및 전류 센서 트랜지스터들(ST)이 반도체층(105)을 이용하여 제조될 수 있다.Accordingly, the power semiconductor chip 50 may be configured by using the power semiconductor device 100 , and the power semiconductor transistors PT, the temperature sensor transistors TT, and the current sensor transistors ST are formed in the semiconductor layer ( 105) can be used.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is only exemplary, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

61: 컬렉터 단자
62: 게이트 단자
64: 전류 센서 단자
66: 켈빈 에미터 단자
67: 센싱 게이트 단자
68: 온도 센싱 단자
69: 에미터 단자
100: 전력 반도체 소자
105: 반도체층
120: 게이트 전극층
140: 에미터 전극층
PT: 전력 반도체 트랜지스터
ST: 전류 센서 트랜지스터
TT: 온도 센서 트랜지스터61: collector terminal
62: gate terminal
64: current sensor terminal
66: Kelvin emitter terminal
67: sensing gate terminal
68: temperature sensing terminal
69: emitter terminal
100: power semiconductor device
105: semiconductor layer
120: gate electrode layer
140: emitter electrode layer
PT: Power Semiconductor Transistor
ST: Current Sensor Transistor
TT: temperature sensor transistor

Claims (8)

메인 셀 영역, 전류 센서 영역 및 온도 센서 영역을 포함하는 반도체층;
상기 메인 셀 영역에 형성된 전력 반도체 트랜지스터;
상기 전류 센서 영역에 형성된 전류 센서 트랜지스터;
상기 온도 센서 영역에 형성된 온도 센서 트랜지스터;
상기 전력 반도체 트랜지스터의 게이트 전극에 연결된 게이트 단자;
상기 온도 센서 트랜지스터의 게이트 전극에 연결된 센싱 게이트 단자;
상기 전력 반도체 트랜지스터의 출력 전류를 간접적으로 모니터링하기 위해, 상기 전류 센서 트랜지스터의 출력에 연결된 전류 센서 단자;
외부로부터 상기 게이트 단자에 인가되는 게이트 전압이 배분되어 상기 센싱 게이트 단자에 인가되도록, 상기 게이트 단자와 상기 센싱 게이트 단자 사이에 접속된 제 1 배분 저항; 및
상기 온도 센서 트랜지스터의 출력에 연결된 온도 센싱 단자;를 포함하며,
상기 전류 센서 트랜지스터의 게이트 전극과 상기 전력 반도체 트랜지스터의 게이트 전극은 상기 게이트 단자에 공통 연결되는,
전력 반도체 칩.a semiconductor layer including a main cell region, a current sensor region, and a temperature sensor region;
a power semiconductor transistor formed in the main cell region;
a current sensor transistor formed in the current sensor region;
a temperature sensor transistor formed in the temperature sensor region;
a gate terminal connected to the gate electrode of the power semiconductor transistor;
a sensing gate terminal connected to a gate electrode of the temperature sensor transistor;
a current sensor terminal coupled to an output of the current sensor transistor for indirectly monitoring an output current of the power semiconductor transistor;
a first distribution resistor connected between the gate terminal and the sensing gate terminal so that a gate voltage applied to the gate terminal from the outside is distributed and applied to the sensing gate terminal; and
a temperature sensing terminal connected to an output of the temperature sensor transistor;
a gate electrode of the current sensor transistor and a gate electrode of the power semiconductor transistor are commonly connected to the gate terminal;
power semiconductor chip. 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 배분 저항은 상기 반도체층 내부 또는 상기 반도체층 상에 형성되는 폴리실리콘층을 포함하는,
전력 반도체 칩.The method of claim 1,
The first distribution resistor comprises a polysilicon layer formed inside the semiconductor layer or on the semiconductor layer,
power semiconductor chip. 제 1 항에 있어서,
상기 센싱 게이트 단자는 상기 전력 반도체 칩의 외부의 제 2 배분 저항에 연결되고,
상기 게이트 전압이 상기 제 1 배분 저항과 상기 제 2 배분 저항의 분배비에 따라서 배분되어 상기 게이트 전압보다 낮은 전압이 상기 센싱 게이트 단자에 인가되는,
전력 반도체 칩.The method of claim 1,
the sensing gate terminal is connected to an external second distribution resistor of the power semiconductor chip;
The gate voltage is distributed according to a distribution ratio of the first distribution resistor and the second distribution resistor so that a voltage lower than the gate voltage is applied to the sensing gate terminal,
power semiconductor chip. 제 3 항에 있어서,
상기 게이트 전압이 상기 게이트 단자에 인가되는 경우,
상기 제 1 배분 저항 또는 상기 제 2 배분 저항은 상기 온도 센서 트랜지스터가 상기 전력 반도체 칩이 설정 온도 이하인 경우 턴-오프 되고 상기 전력 반도체 칩이 설정 온도 이상으로 올라가는 경우에 턴-온 되도록 설정되는,
전력 반도체 칩.4. The method of claim 3,
When the gate voltage is applied to the gate terminal,
The first distribution resistor or the second distribution resistor is set such that the temperature sensor transistor is turned off when the power semiconductor chip is below a set temperature and is turned on when the power semiconductor chip rises above a set temperature,
power semiconductor chip. 삭제delete 제 1 항에 따른 전력 반도체 칩; 및
상기 전력 반도체 칩의 상기 센싱 게이트 단자에 연결된 상기 전력 반도체 칩 외부의 제 2 배분 저항;을 포함하고,
상기 게이트 전압이 상기 제 1 배분 저항과 상기 제 2 배분 저항의 분배비에 따라서 배분되어 상기 게이트 전압보다 낮은 전압이 상기 센싱 게이트 단자에 인가되는,
전력 반도체 시스템.The power semiconductor chip according to claim 1; and
a second distribution resistor external to the power semiconductor chip connected to the sensing gate terminal of the power semiconductor chip;
The gate voltage is distributed according to a distribution ratio of the first distribution resistor and the second distribution resistor so that a voltage lower than the gate voltage is applied to the sensing gate terminal,
Power semiconductor systems. 제 6 항에 있어서,
상기 제 2 배분 저항의 양단에 병렬 연결된 커패시터를 더 포함하는,
전력 반도체 시스템.7. The method of claim 6,
Further comprising a capacitor connected in parallel to both ends of the second distribution resistor,
Power semiconductor systems. 제 6 항에 있어서,
상기 전력 반도체 칩의 상기 온도 센싱 단자에 연결된 상기 전력 반도체 칩 외부의 온도 센싱 저항을 더 포함하는,
전력 반도체 시스템.
7. The method of claim 6,
Further comprising a temperature sensing resistor outside the power semiconductor chip connected to the temperature sensing terminal of the power semiconductor chip,
Power semiconductor systems.
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