KR20060111372A - 반도체 장치 및 그것을 이용한 온도 검출 방법 - Google Patents

반도체 장치 및 그것을 이용한 온도 검출 방법 Download PDF

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무츠오 니시카와
카츠미치 우에야나기
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후지 덴키 디바이스 테크놀로지 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 반도체 장치(10)는 반도체 기판에 형성된 반도체 소자에 의해 온도를 검출하는 온도 검출부(12)와; 상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 온도 검출부(12)의 검출 신호를 외부로 출력하는 온도 검출부 출력 단자(T3)와; 상기 출력 단자(T3)에 접속되고, 상기 온도 검출부(12)에 구동 전류를 공급하는 전류 발생 수단(21)과; 상기 출력 단자(T3)에 접속되고, 상기 출력 단자(T3)의 전압을 측정하는 전압 측정 수단(22)을 포함하며, 상기 전류 발생 수단(21)이 상기 온도 검출부(12)에 소정의 값의 구동 전류를 공급하였을 때에 상기 전압 측정 수단(22)에 의해 측정된 전압값에 기초하여 온도를 검출한다. 본 발명에 따른 반도체 장치는 소형화가 용이한 구조를 갖고, 저비용의 간이한 제조가 용이하다. 또한, 본 발명에 따른 온도 검출 방법은 상기 반도체 장치를 고정밀도로 동작시키는 것이 가능하다.

Description

반도체 장치 및 그것을 이용한 온도 검출 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND TEMPERATURE DETECTION METHOD USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 장치의 블록도.
도 2는 도 1의 온도 검출부의 등가 회로도.
도 3a는 npn 트랜지스터의 단면도.
도 3b는 npn 트랜지스터의 평면도.
도 4는 다이오드와 1 칩으로 집적화 가능한 CMOS IC의 일례인 과전압 보호 회로의 블록 회로도.
도 5는 도 4의 과전압 보호 회로를 구성하는 고내압 p형 MOS 트랜지스터의 단면도.
도 6은 온도 검출부의 출력을 얻기 위한 구동 측정 방법을 도시한 블록 회로도.
도 7은 도 6에 도시한 구동 측정 방법을 상세하게 도시한 블록 회로도.
도 8은 다이오드 순방향 전압(Vf)을 온도와 관련시켜 나타낸 그래프.
도 9는 다이오드 순방향 전압(Vf)을 바이어스 전류와 관련시켜 나타낸 그래프.
도 10은 온도 검출부 출력 단자로부터의 출력의 비직선성 에러의 일례를 나 타낸 곡선의 그래프.
도 11은 각각의 바이어스 전류값에서 도 10에서의 극대점(굴곡의 워스트값)을 연결한 곡선의 그래프.
도 12는 비직선성 에러값을 온도 계수로 나누어 구한 비직선성 에러의 온도 환산값의, 측정 온도 범위에 대한 비율을 나타낸 곡선의 그래프.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 장치의 블록도.
도 14는 자동차용 엔진을 개략적으로 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 20: 반도체 장치
11: 압력 검출부
12: 온도 검출부
13: 제너 다이오드
21: 전류 발생 수단
22: 전압 검출 수단
111: 압력 검출 소자
112: 디지털/메모리 회로
113: D/A 컨버터
114: 신호 증폭 회로
121 내지 125: npn 트랜지스터
200: 다이오드
본 발명은 주로 자동차나 오토바이의 엔진을 제어하기 위한 압력 검출 및 온도 검출을 행하는 반도체 장치 및 온도 검출 방법에 관한 것이다.
자동차나 오토바이에 이용되는 엔진 내부의 압력 및 온도의 검출은 엔진을 제어하는 데에 있어서 불가결한 것이다. 도 14는 자동차용 엔진을 개략적으로 도시한 단면도이다. 이하, 도 14에 도시한 엔진(40)의 기본적인 동작을 설명한다. 우선, 흡기 통로(intake manifold)(44)를 통해 실린더(49)에 공기가 공급되고 있다. 또한, 연료 분사기(46)로부터 연료가 분사되어 흡기 통로(44)를 흐르는 공기와 함께 엔진(40)의 실린더(49)에 공급되고 있다.
실린더(49) 내에서는 피스톤(50)과 밸브(47)와 점화 플러그(48)가 서로 동기를 취하면서 동작하여, 흡기, 압축, 연소(점화·팽창) 및 배기(배기 가스)로 이루어진 일련의 동작을 반복함으로써, 엔진으로서 동작한다.
엔진의 회전수나 엔진의 파워를 제어하기 위해서는 흡기 통로(44)를 흐르는 공기의 양과, 연료 분사기(46)로부터 분사되는 연료의 양을 제어해야 한다. 흡기 통로(44)를 흐르는 공기의 양을 제어하기 위한 기계적인 밸브가 스로틀 밸브(43)이다. 스로틀 밸브(43)는 운전석에 있는 액셀레이터 스틱을 누르는 양에 따라서 개폐가 이루어짐으로써, 흡기 통로(44)를 흐르는 공기의 양이 제어되고 있다.
또한, 스로틀 밸브(43)로 제어되어 흡기 통로(44)를 흐르는 공기의 양을 측 정하는 데에는 압력 센서(41)와 온도 센서(42)가 이용되고 있다. 이 압력 센서(41)와 온도 센서(42)에 의해 측정된 값은 엔진 제어 장치(이하, "ECU"로 표기함)(45)에 출력되고, ECU(45)가 감지 값에 기초하여 연료 분사기(46)로부터 분사되는 연료의 양을 제어함으로써, 실린더(49) 내에서의 연소 효율을 향상·최적화시키고 있다.
최근, 이산화탄소 배출량 등 그러한 환경 부하에 대한 제한이 해마다 엄격해지고 있어, 자동차 및 오토바이용 엔진의 연소 효율의 향상은 환경 부하 감소에 가장 효과적인 대책 중 하나이다. 따라서, 연소 효율을 향상시킴에 있어서, 흡기 통로의 압력과 온도를 측정하는 검출 수단이 중요한 역할을 담당하고 있다.
내연 기관의 흡기 통로의 압력을 측정하기 위한 압력 검출 수단(이하, "압력 센서"라고 함)으로서는 확산 저항에 의한 피에조 저항 효과를 이용한 반도체 센서와, 정전 용량을 이용한 반도체 센서가 이용되고 있다. 또한, 흡기 통로의 온도를 측정하기 위한 온도 검출 수단(이하, "온도 센서"라고 함)으로서는 일반적으로 서미스터가 이용되고 있다.
하기의 특허 문헌 1에는 압력 센서와 온도 센서를 기판에 형성한 센서 칩이 개시되어 있다. 하기의 특허 문헌 2에는 직렬 접속된 다이오드들을 이용하여 압력 센서의 온도 보상을 행하는 반도체 장치가 개시되어 있다. 하기의 특허 문헌 3에는 바이폴러 트랜지스터를 다이오드로서 이용한 온도 센서가 개시되어 있다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 2002-116108호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 평8(1996)-226862호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특허 공개 2002-208677호 공보
그러나, 서미스터와 압력 센서는 별도의 부품이기 때문에, 압력 센서와 온도 센서를 소형화하면서 일체화시키는 것이 곤란하고, 또한 부품 개수가 많기 때문에 조립 공정수가 증가함과 더불어 조립 비용이 급상승한다고 하는 문제가 있었다.
특허 문헌 1 내지 3에서는 온도 검출 소자로서 서미스터를 이용하고 있지 않다. 특허 문헌 1에 개시되어 있는 센서 칩은 온도 검출 소자로서 저항을 이용하고 있다. 저항을 온도 검출 소자로서 이용하는 경우, 일반적으로 그 검출 감도를 크게 함에 따라서, 저항마다 온도 특성의 제조 편차가 생겨 버린다고 하는 문제가 있었다.
특허 문헌 2에 개시되어 있는 반도체 장치와 특허 문헌 3에 개시되어 있는 온도 센서는 온도 검출 소자로서 다이오드를 이용하고 있다. 그러나, 그 특허 문헌 2와 특허 문헌 3에는 구체적인 구성이나 온도 검출 소자에 적합한 출력 특성을 얻기 위한 동작 조건에 관해서는 그 어느 것도 개시되어 있지 않다.
전술한 관점에서 상기 문제점을 해소하기 위해서, 본 발명은 저렴한 제조 비용으로 간이하게 제조할 수 있는 구조를 가진 소형의 반도체 장치 및 이 반도체 장치를 고정밀도로 동작시키기 위한 온도 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1에 따른 반도체 장치는,
반도체 기판과;
상기 반도체 기판에 형성된 반도체 소자에 의해 온도를 검출하는 온도 검출 수단과;
상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 온도 검출 수단의 검출 신호를 외부로 출력하는 출력 단자와;
상기 출력 단자에 접속되고, 상기 온도 검출 수단의 반도체 소자에 구동 전류를 공급하는 전류 발생 수단과;
상기 출력 단자에 접속되고, 상기 출력 단자의 전압을 측정하는 전압 측정 수단을 포함하는 반도체 장치로서,
상기 반도체 소자는 다이오드를 포함하고,
상기 반도체 장치는 상기 전류 발생 수단이 상기 온도 검출 수단에 소정의 값의 구동 전류를 공급하였을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 전압값에 기초하여 온도를 검출하는 것을 특징으로 한다.
청구항 2에 따른 반도체 장치는, 상기 구동 전류는 0.1 μA 이상인 것을 특징으로 한다.
청구항 3에 따른 반도체 장치는, 상기 온도 검출 수단의 반도체 소자는 하나 이상의 다이오드를 더 포함하며, 상기 반도체 소자를 구성하는 다이오드들은 서로 직렬 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 4에 따른 반도체 장치는, 상기 다이오드는 베이스 전극과 컬렉터 전극이 서로 단락된 npn 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
청구항 5에 따른 반도체 장치는, 상기 npn 트랜지스터는 상기 베이스 전극, 상기 컬렉터 전극 및 이미터 전극을 둘러싸도록, 외부로부터 발생되는 누설 전류를 흡수하는 가드 링 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
청구항 6에 따른 반도체 장치는, 상기 npn 트랜지스터는,
p형 반도체 기판과;
상기 p형 반도체 기판의 표면 부분에 형성된 n형 웰 영역과;
상기 n형 웰 영역의 표면 부분에 형성된 제1 p형 베이스층과;
상기 제1 p형 베이스층의 표면 부분에 형성되고 상기 제1 p형 베이스층보다 불순물 농도가 높은 제2 p형 베이스층과;
상기 제1 p형 베이스층의 표면 부분에 형성되고 불순물 농도가 높은 n형 이미터층과;
상기 제1 p형 베이스층을 둘러싸도록 상기 n형 웰 영역의 표면 부분에 형성된 제1 n형 컬렉터층과;
상기 제1 n형 컬렉터층의 표면 부분에 상기 제1 n형 컬렉터층보다 불순물 농도가 높은 n형 반도체로 형성된 제2 n형 컬렉터층과;
상기 p형 반도체 기판의 표면 부분에 상기 제1 n형 컬렉터층을 둘러싸도록 형성되고 불순물 농도가 낮은 제1 p형 반도체와, 상기 제1 p형 반도체의 표면 부분에 형성되고 상기 제1 p형 반도체보다 불순물 농도가 높은 제2 p형 반도체로 이루어진 가드 링 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
청구항 7에 따른 반도체 장치는, 상기 반도체 기판에 형성되고 압력을 검출하는 압력 검출 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
청구항 8에 따른 온도 검출 방법은, 반도체 기판에 형성된 하나 이상의 다이오드에 의해 온도를 검출하는 온도 검출 방법에 있어서,
상기 하나 이상의 다이오드에 소정의 값의 구동 전류를 공급하였을 때에 상기 하나 이상의 다이오드 양단에서 측정된 전압에 기초하여 온도를 검출하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 온도 검출을 위한 구동 회로를 포함하는 종래의 시스템을 그대로 이용하여 온도 검출 수단을 구동시킬 수 있다. 또한, npn 트랜지스터는 가드 링 층을 포함함으로써 인접한 다른 소자로부터 흘러 들어오는 누설 전류의 악영향을 막을 수 있다. 또한, 온도 검출 소자로서 하나 이상의 다이오드만을 이용함으로써, 온도 검출 감도가 높은 소형의 반도체 장치를 실현할 수 있다. 본 발명에 따른 온도 검출 소자를 압력 검출 소자와 함께 동일한 반도체 기판상에 탑재할 수 있기 때문에, 최소한의 필요한 면적을 갖는 복합 센서를 실현할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 장치에 의하면, 온도 검출에 소정 구조의 하나 이상의 다이오드를 이용함으로써, 소형화, 저비용화, 양산성의 향상을 도모할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(제1 실시예)
우선, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 장치에 관해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 장치의 블록도이다. 제1 실시예에 따른 반도 체 장치(10)는 기판상에 배치된 압력 검출부(11)와, 그 기판상에 배치된 온도 검출부(12)와, 전원 단자(T1)와, 압력 검출부 출력 단자(T2)와, 온도 검출부 출력 단자(T3)와, 접지 단자(T4)를 포함한다. 압력 검출부(11)는 압력 검출 소자(111)와, 디지털/메모리 회로(112)와, D/A 컨버터(113)와, 신호 증폭 회로(114)를 포함한다.
압력 검출부(11)의 압력 검출 소자(111)는 압력을 검출하여 이 검출 압력을 전기 신호의 형태로 출력한다. 디지털/메모리 회로(112)는 감도·오프셋·온도 특성을 보정하기 위한 보정 데이터를 저장하고, 이 보정 데이터를 D/A 컨버터(113)에 공급한다. D/A 컨버터(113)는 감도·오프셋·온도 특성을 보정한다. 신호 증폭 회로(114)는 압력 검출 소자(111)로부터 출력된 전기 신호를 증폭시킨다.
압력 검출부(11)를 구성하는 압력 검출 소자(111), 디지털/메모리 회로(112), D/A 컨버터(113) 및 신호 증폭 회로(114)는 모두 전원 단자(T1)와 접지 단자(T4)에 접속되어 있다. 압력 검출부(11)는 외부로부터 공급되는 전압에 의해 구동되고, 신호 증폭 회로(114)에 의해 증폭된 전압 신호가 압력 검출부 출력 단자(T2)로부터 외부에 출력되는 구성으로 되어 있다.
온도 검출부(12)는 npn 트랜지스터(121)를 포함한다. npn 트랜지스터(121)는 베이스 단자와 컬렉터 단자가 서로 단락되도록 결선되어 있다. 이와 같이 베이스 단자와 컬렉터 단자를 단락시킴으로써, 베이스와 컬렉터 간의 pn 접합은 항상 동일한 전위로 바이어스된다. 그러므로, 온도 검출부(12)는 베이스와 컬렉터 간의 pn 접합은 기능하지 않고, 베이스와 이미터 간의 pn 접합만이 전기적으로 기능하도록 구성되어 있다. 즉, npn 트랜지스터(121)는 다이오드로서 기능한다.
도 2는 온도 검출부의 등가 회로도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 온도 검출부(12)는 다이오드(200)와 등가이다. npn 트랜지스터(121)의 베이스 단자와 컬렉터 단자를 단락시킨 단락 단자가 다이오드(200)의 애노드 단자와 등가이다. 마찬가지로, npn 트랜지스터(121)의 이미터 단자가 다이오드(200)의 캐소드 단자와 등가이다. npn 트랜지스터(121)의 이미터 단자(다이오드(200)의 캐소드 단자)는 접지 단자(T4)에 접속되어 있다. npn 트랜지스터(121)의 베이스와 컬렉터의 단락 단자(다이오드(200)의 애노드 단자)는 온도 검출부 출력 단자(T3)에 접속되어 있다. 이러한 접속에 의하면, 온도 검출부 출력 단자(T3)로부터 npn 트랜지스터(121)의 소위 "다이오드 순방향 전압(Vf)"이 출력되게 된다.
이하, 도 3a와 도 3b를 참조하여 npn 트랜지스터(121)에 관해서 설명한다. 도 3a는 npn 트랜지스터(121)의 단면도이다. 또한, 도 3b는 npn 트랜지스터(121)의 평면도이다. 우선, 도 3a를 참조하여 npn 트랜지스터(121)의 구조를 설명한다.
제1 실시예에서는 기판으로서 p형 반도체를 이용한다. 이하, 이 p형 반도체의 기판을 "p형 기판(31)"이라고 한다. 이 p형 기판(31)에는 컬렉터층이 되는 n형 웰(32)이 형성되어 있다. 이 n형 웰(32)의 표면 부분에는 베이스층이 되는 p-형 베이스층(331)이 형성되어 있다. 또한, 이 p-형 베이스층(331)의 표면 부분에는 이미터층이 되는 n+형 이미터층(362)이 형성되어 있다. 컬렉터가 n형 웰(32)로 이루어지고, 베이스가 p-형 베이스층(331)으로 이루어지며, 이미터가 n+형 이미터층(362)으 로 이루어짐으로써, 소위 횡형 npn 트랜지스터[npn 트랜지스터(121)]가 형성되어 있다.
"p+형"이란 p형 반도체에 정공을 제공하는 불순물의 농도가 높다는 것을 나타내고, "p-형"이란 p형 반도체에 정공을 제공하는 불순물의 농도가 낮다는 것을 나타낸다. 또한, "n+형"이란 n형 반도체에 전자를 제공하는 불순물의 농도가 높다는 것을 나타내고, "n-형"이란 n형 반도체에 전자를 제공하는 불순물의 농도가 낮다는 것을 나타낸다. 불순물 농도의 높고 낮음은 동일한 디바이스를 구성하는 동일한 형태의 반도체와 비교한 상대적인 농도를 기준으로 하고 있다.
n형 웰(32)의 픽업(전극 리드)으로서, n형 웰(32)의 표면 부분에 n-형 컬렉터층(35)과, 이 n-형 컬렉터층(35)의 표면 부분에 n+형 컬렉터층(361)이 형성되어 있다. 또한, n형 웰(32)의 표면 부분에 형성된 p-형 베이스층(331)의 픽업으로서, p-형 베이스층(331)의 표면 부분에 p+형 베이스층(341)이 형성되어 있다.
도 3b에 도시한 평면 구조는 n+형 이미터층(E)(362)과 p+형 베이스층(B)(341)이 서로 대향하도록 형성되어 있다. 그리고, p-형 베이스층(331)이 n+형 이미터층(362)과 p+형 베이스층(341)을 둘러싸도록 형성되어 있고, n+형 컬렉터층 (c)(361)이 p-형 베이스층(331)을 둘러싸도록 형성되어 있다. 또한, n형 웰(32)이 n+형 컬렉터층(361)을 둘러싸도록 형성되어 있다.
n형 웰(32)의 픽업으로 형성된 n-형 컬렉터층(35)과 n+형 컬렉터층(361)은 n형 웰(32)에 베이스층을 둘러싸는 링형으로 배치되어 있다. 또한, 가드 링이 되는 p-형 가드 링 층(321)과 p+형 가드 링 층(342)이 n형 웰(32)을 둘러싸는 링형으로 배치되어 있다.
p형 기판(31)의 최상측 표면은 전극 추출로서의 p+형 베이스층(341), p+형 가드 링 층(342), n+형 컬렉터층(361) 및 n+형 이미터층(362)을 제외하고는 절연층(37)으로 덮혀 있다.
도시하지는 않았지만, 컬렉터 픽업으로서의 n+형 컬렉터층(361)과 베이스 픽업으로서의 p+형 베이스층(341)은 Al(알루미늄) 배선에 의해 서로 단락되어 애노드 전극을 형성하고, 온도 검출부 출력 단자(T3)와 접속되어 있다. 마찬가지로, n+형 이미터층(362)과 p+형 가드 링 층(342)은 Al 배선을 통해 접지 단자(T4)와 접속되어 있다.
그런데, npn 트랜지스터(121)는 전술한 n형 웰(32)과 p-형 베이스층(331)과 n+형 이미터층(362)으로 이루어진 npn 트랜지스터 구조에 더하여, p-형 베이스층(331)과 n형 웰(32)과 p형 기판(31)으로 이루어지는 pnp 트랜지스터 구조를 기생 디바이스로서 포함한다. 이러한 기생 디바이스가 동작하게 되면, 전류(누설 전류)가 p형 기판(31)에 흐르게 되어, 본래의 디바이스 특성이 손상된다. 또한, 집적 회로에서 인접한 디바이스의 오동작, 래치업 등 각종 문제를 일으킨다.
따라서, 이 기생 pnp 트랜지스터의 동작을 방지하기 위한 대책을 채용할 필요가 있다. 전술한 p-형 베이스층(331)과 n형 웰(32)의 단락이 기생 pnp 트랜지스터에 대한 대책으로서 유효한 것이다. n형 웰(32)과 p-형 베이스층(331)을 동일한 전위로 바이어스시킴으로써, 기생 pnp 트랜지스터의 베이스 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 또한, n형 웰(32)과 p형 기판(31) 사이에는 역바이어스 전압이 걸리기 때문에, n형 웰(32)과 p형 기판(31)이 서로 전기적으로 절연된다. 이와 같이 하여, 누설 전류가 p형 기판(31)에 흐르는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, p형 기판(31)에 미약한 누설 전류가 흐르더라도 그 누설 전류를 흡수하여 인접 디바이스에 도달하는 것을 방지하기 위해서, p-형 가드 링 층(321)과 p+형 가드 링 층(342)이 n형 웰(32)을 둘러싸는 형태로 배치되어 있다. 즉, 누설 전류가 인접 디바이스로 진입하는 것을 방지하기 위해서 가드 링 층이 배치되어 있다.
이와 같이, npn 트랜지스터(121)가 구성되어 있다. npn 트랜지스터(121)를 구성하는 모든 층은 상보형 금속 산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor : CMOS) 제조 프로세스(이온 주입과 확산의 반복)를 통해 동시에 형성하는 것이 가능하기 때문에, 특별한 제조 공정을 추가할 필요가 전혀 없다.
즉, npn 트랜지스터(121)를 이용함으로써, 일반적으로 BiCMOS에서 이용되는 에피택셜 웨이퍼에서 소자를 분리하는 기술이나, SOI 웨이퍼 및 트렌치 에칭을 이용한 소자 분리 기술을 채용할 필요가 없게 된다. 따라서, npn 트랜지스터(121)를 이온 주입과 확산을 반복하여 제조하는 일반적인 CM0S 집적 회로(이하, CMOS IC로 표기함)와 1 칩으로 집적화할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 반도체 장치를 제조할 때의 제조 비용이 통상의 CM0S IC를 제조할 때의 제조 비용로부터 상승하는 것을 방지할 수 있다는 이점도 있다.
도 4는 다이오드와 1 칩으로 집적화 가능한 CMOS IC의 일례인 과전압 보호 회로의 블록 회로도이다. 이 과전압 보호 회로(51)는 분압 회로(52), 인버터 회로(53) 및 스위칭 소자(54)를 포함한다. 과전압 보호 회로(51)는 피보호 대상인 CMOS 집적 회로(55)와 동일한 반도체 기판상에 형성되어 있다. 도 4에서, 부호 511은 외부로부터 전원 전압이 공급되는 외부 전원 단자이고, 부호 512는 외부로부터 접지 전위가 공급되는 접지 단자이며, 부호 513은 외부 전원 단자(511)에 인가된 전원 전압을 CMOS IC(55)에 공급하는 내부 전원 단자이고, 부호 514는 접지 전위를 CMOS IC(55)에 공급하는 접지 단자이다.
분압 회로(52)는 예컨대 제1 저항(521)과 제2 저항(522)을 포함한다. 제1 저항(521)은 그 일단이 외부 전원 단자(511)에 접속되고, 타단이 제2 저항(522)의 일 단에 접속되어 있다. 제2 저항(522)의 타단은 접지 단자(512, 514)에 접속되어 있다. 인버터 회로(53)는 예컨대 제1 고내압 p형 MOS 트랜지스터(이하, "제1 PDMOS"로 표기함)(531)와 제3 저항(532)을 포함한다. 제1 PDMOS(531)는 그 소스 단자가 외부 전원 단자(511)에 접속되고, 그 게이트 단자가 제1 저항(521)과 제2 저항(522)의 접속 노드, 즉 분압점에 접속되어 있다. 또한, 제1 PDMOS(531)의 드레인 단자는 제3 저항(532)의 일단에 접속되어 있다. 그리고, 제3 저항(532)의 타단은 접지 단자(512, 514)에 접속되어 있다.
스위칭 소자(54)는 예컨대 제2 고내압 p형 MOS 트랜지스터(이하, "제2 PDMOS"로 표기함)(541)을 포함한다. 제2 PDMOS(541)는 그 소스 단자가 외부 전원 단자(511)에 접속되고, 그 게이트 단자가 제1 PDMOS(531)의 드레인 단자에 접속되어 있다. 또한, 제2 PDMOS(541)의 드레인 단자는 내부 전원 단자(513)에 접속되어 있다.
이하, 제1 PDMOS(531) 및 제2 PDMOS(541)의 구조에 관해서 설명한다. 도 5는 도 4의 과전압 보호 회로를 구성하는 고내압 p형 MOS 트랜지스터의 단면도이다. 도 5의 좌측 부분에는 PDMOS(531 또는 541) 구조의 일례가 도시되어 있다. 도 5의 우측 부분에는 n형 반도체로 이루어진 CMOS 구조의 n 채널 MOSFET(576)과, p형 반도체로 이루어진 CMOS 구조의 p 채널 MOSFET(575)가 도시되어 있다. n 채널 MOSFET(576) 및 p 채널 MOSFET(575)는 제1 PDMOS(531) 및 제2 PDMOS(541)와 동일한 반도체 기판에 집적화되어 있다. p형 기판(561)의 주면측에는 n형 반도체로 이루어진 n형 웰(562)이 형성되어 있다. n형 웰 영역(562)의 표면 부분에는 양자 모두 p 형 반도체로 이루어진 p형 오프셋 영역(567)과 p형 소스 영역(565)이 약간의 간격을 두고 형성되어 있다.
p형 오프셋 영역(567)의 표면 일부에는 두꺼운 산화막(LOCOS)(566)이 선택적으로 형성되어 있다. p형 오프셋 영역(567)의 표면 부분에는 p형 드레인 영역(568)이 산화막(566)을 사이에 두고 p형 반도체로 이루어진 p형 소스 영역(565)의 반대측에 형성되어 있다. 또한, n형 웰 영역(562)에 있어서 p형 소스 영역(565)의 외측에는 n형 웰 영역(562)보다 불순물 농도가 높은 n형 반도체로 이루어진 n형 베이스 영역(563)이 형성되어 있다. 도 5에서, 부호 569는 게이트 절연막이고, 부호 570은 게이트 전극이며, 부호 571은 소스 전극이고, 부호 572는 드레인 전극이다.
n형 웰(32)(도 3a 참조)은 p 채널 MOSFET(575)의 n형 웰 영역(573)과 PDMOS(531, 541)의 n형 웰 영역(562)과 동시에 형성된다. 따라서, n형 웰(32)을 형성하기 위한 전용 마스크 및 이온 주입 공정은 필요없다. 또한, p-형 가드 링 층(321)과 p-형 베이스층(331)(도 3a 참조)은 PDMOS(531, 541)의 p형 오프셋 영역(567)과 동시에 형성된다. 따라서, p-형 가드 링 층(321)과 p-형 베이스층(331)을 형성하기 위한 전용 마스크 및 이온 주입 공정은 필요없다.
마찬가지로, n-형 컬렉터층(35)(도 3a 참조)은 n형 베이스층(563)과 동시에 형성된다. 또한, p+형 베이스층(341)과 p+형 가드 링 층(342)(도 3a 참조)은 p 채널 MOSFET(575)의 소스 및 드레인 영역과 동시에 형성된다. 그리고, n+형 컬렉터층(361) 및 n+형 이미터층(362)(도 3a 참조)은 n 채널 MOSFET(576)의 소스 및 드레인 영역과 동시에 형성된다. 또한, 절연막(37)(도 3a 참조)은 LOCOS(566)과 동시에 형성된다. 따라서, 실질적으로는 전용 마스크 등의 어떠한 특정 제조 공정을 추가하지 않고서도 npn 트랜지스터를 형성할 수 있다.
또한, npn 트랜지스터(121)에 가드 링 층을 형성함으로써, npn 트랜지스터(121)를 이용하여 다이오드 기능을 실현하면서, npn 트랜지스터(121)를 정상적으로 동작시키는 동시에, npn 트랜지스터(121)를 함께 집적화되는 다른 인접 디바이스에 영향을 주지 않는 구조로 할 수 있다. 따라서, npn 트랜지스터(121)를 압력 센서[압력 검출부(11)] 및 온도 센서[온도 검출부(12)]와 1 칩으로 집적화하는 것이 용이해지고, 온도와 압력을 동시에 측정할 수 있는 복합 센서로서의 반도체 장치(10)를 저비용으로 제조하는 것이 가능해진다.
이하, 온도 검출부(12)의 출력인 npn 트랜지스터(121)의 다이오드 순방향 전압(Vf)에 관해서 설명한다. 우선, 도 6을 참조하여 다이오드 순방향 전압(Vf)의 측정 방법에 관해서 설명한다. 도 6은 온도 검출부의 출력을 얻기 위한 구동 측정 방법을 도시한 블록 회로도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 온도 검출부(12)의 출력을 얻기 위해서, npn 트랜지스터(121)가 사이에 접속된 온도 검출부 출력 단자(T3)와 접지 단자(T4) 사이에 전류 발생 수단(21)과 전압 검출 수단(22)을 병렬로 접속한다. 전류 발생 수단(21) 에 의해 전류를 구동함으로써, 전압 검출 수단(22)에 의해 온도 검출부 출력 단자(T3)와 접지 단자(T4) 사이의 전압, 즉 npn 트랜지스터(121)의 다이오드 순방향 전압(Vf)을 측정할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시한 구동 측정 방법을 상세하게 도시한 블록 회로도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 전원 단자(T1)를 저항(211)을 통해 온도 검출부 출력 단자(T3)에 접속하고, 온도 검출부 출력 단자(T3)와 접지 단자(T4) 사이에 A/D 컨버터(221)를 접속한다. 이 때, [전원 전압 - 온도 검출부 출력 단자(T3)의 전압]/[저항(211)의 저항치] = 전류치(I)에 의해 구해지는 전류치(I)가 npn 트랜지스터(121)를 흐르게 된다. 이 때, A/D 컨버터(221)에 의해 온도 검출부 출력 단자(T3)와 접지 단자(T4) 사이의 전압을 측정할 수 있다.
전술한 구동 측정 방법은 예시적인 것이며, 다이오드 순방향 전압(Vf)을 구할 수 있는 다른 방법도 많다. 예컨대, 전류 발생 수단(21)으로서, 바이폴러 트랜지스터나 MOS를 이용한 밴드 갭 회로나, 바이폴러 트랜지스터나 MOS를 이용한 전류 미러 회로, 연산 증폭기를 이용한 전류 발생 회로 등을 이용하더라도 좋다. 또한, 아날로그량을 디지털량으로 변환하는 A/D 컨버터(221) 외에도, 연산 증폭기를 이용한 연산 회로 등의 아날로그량의 변환 회로적인, 예컨대 신호 증폭 회로나 적분 회로와 같은 것을 이용하더라도 좋다.
이하, 도 8 및 도 9를 참조하여, 전류 발생 수단의 조건(구동 전류치)과 그 순방향 특성(Vf)의 관계에 관해서 설명한다.
도 8은 다이오드 순방향 전압(Vf)을 온도와 관련시켜 나타낸 그래프이다. 도 8에서, 종축은 출력 전압[V]을 나타내고, 횡축은 온도[℃]를 나타낸다. 온도가 상승함에 따라 다이오드 순방향 전압(Vf)은 감소한다. 즉, 다이오드 순방향 전압(Vf)은 네거티브 온도 특성을 나타낸다. 이 온도 특성을 직선 근사하였을 때의 기울기를 "온도 계수"라고 한다(도 8에서, 일차 근사는 도시하였으나, 일차 근사 아래에 이차 근사는 도시하지 않음). 이 온도 계수는 1 ℃의 온도 변화가 몇 V의 전압 변화를 일으키는지를 나타내는 온도 센서의 감도를 나타내는 지표가 된다. 예컨대, 도 8에 도시한 특성의 경우, 온도 계수는 -2.07 mV/℃이다.
도 9는 다이오드 순방향 전압(Vf)을 바이어스 전류와 관련시켜 나타낸 그래프이다. 도 9에서, 종축은 온도 계수[mV/℃]를 나타내고, 횡축은 대수 표시에 의한 바이어스 전류[A]를 나타낸다. 도 9에 도시한 바와 같이, 다이오드 순방향 전압(Vf)은 다이오드에 흐르는 전류(바이어스 전류)에 따라 변화된다. 구체적으로는, 다이오드 순방향 전류(Vf)의 온도 계수는 그 절대치가 바이어스 전류의 대수값(Log)에 비례하여 저하된다(절대 온도 계수의 값이 0에 근접한다). 온도 계수는 바이어스 전류가 0.01 μA(도 9에 도시한 1.E-08)일 때에 -2.7 mV/℃이고, 바이어스 전류가 1 mA(도 9에 도시한 1.E-03)일 때에는 -1.6 mA/℃이다. 이와 같이, 온도 계수의 절대치는 바이어스 전류가 증가함에 따라 작아진다.
온도 계수의 절대치가 작아진다는 것은 1 ℃ 당 출력 전압 변화가 작아진다는 것을 의미한다. 온도 계수의 절대치가 작다는 것은 온도 검출부(12)의 감도가 낮다는 것을 의미하기 때문에, 이러한 온도 계수의 절대치가 작은 상태는 피해야 한다. 따라서, 도 9의 결과로부터, 감도가 높은 온도 검출부(12)를 실현하기 위해 서는 바이어스 전류를 보다 작게 하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
이하, 도 10 내지 도 12를 참조하여, 온도 검출 성능을 나타내는 다른 지표인 비직선성 에러에 관해서 설명한다. 전술한 온도 계수는 온도에 따른 출력의 변화를 직선 근사하였을 때의 기울기이다. 그러나, 이 비직선성 에러는 온도에 따른 출력의 변화가 그것을 직선 근사한 선(이상선)으로부터 얼마나 벗어나 있고 구부러져 있는지를 나타내는 값이다.
일반적으로, 온도에 따른 출력의 변화가 이상선으로부터 얼마나 벗어나 있고 구부러져 있는지를 표현하는 방법에 따라 여러 가지 계산 방법을 이용할 수 있다. 여기서는 다이오드 순방향 전압(Vf)이 -40 ℃와 130 ℃에서의 다이오드 순방향 전압들(Vf)을 연결한 선으로부터 얼마나 벗어나 있는지로 비직선성 에러를 표현한다. 비직선성 에러의 절대치가 작을수록, 센서의 출력은 보다 직선적인 것을 의미하므로, 온도 검출부(12)의 출력 특성이 보다 바람직한 상태라고 할 수 있다.
도 10은 온도 검출부 출력 단자(T3)로부터의 출력의 비직선성 에러의 일례를 나타낸 곡선의 그래프이다. 도 10에서, 종축은 비직선형 에러[mV]를 나타내고, 횡축은 온도[℃]를 나타낸다. 도 10은 다이오드 순방향 전압(Vf)이 -40 ℃와 130 ℃에서의 다이오드 순방향 전압들(Vf)을 연결한 선으로부터 얼마나 벗어나 있는지로부터 구한 비직선성 에러값을 나타낸다.
바이어스 전류가 10 μA(도 9에 도시한 1.E-05)일 때의 다이오드 순방향 전압(Vf)의 비직선성 에러는 50 ℃에서 최대이다. 도 10은 50 ℃에서의 다이오드 순방향 전압(Vf)이 -40 ℃와 130 ℃에서의 다이오드 순방향 전압들(Vf)을 연결한 이 상선으로부터 +3 mV 벗어나 있는 굴곡을 가지고 있다는 것을 보여준다.
도 11은 각각의 바이어스 전류값에서 도 10에서의 극대점(굴곡의 워스트값)을 연결한 곡선의 그래프이다. 도 11에서, 종축은 비선형 에러[mV]를 나타내고, 횡축은 대수 표시에 의한 바이어스 전류[A]를 나타낸다. 바이어스 전류가 0.1 μA(도 11에 도시한 1.E-07)보다 큰 범위에 있을 때에는 비직선성 에러가 4 mV보다 작고 거의 포화 상태이다. 비직선성 에러는 바이어스 전류가 커짐에 따라 작아진다. 그러나, 바이어스 전류가 0.1 μA보다 작은 범위에 있을 때에는 비직선성 에러값이 극단적으로 커지는데, 이것은 바이어스 전류가 감소함에 따라 온도 검출부(12)의 출력 특성이 악화된다는 것을 나타낸다.
다이오드 순방향 전압(Vf)의 온도 계수 및 비직선성 에러를 정리하면, 센서 감도를 크게 하기 위해서는 바이어스 전류를 작게 하는 것이 좋지만, 바이어스 전류가 0.1 μA보다 작은 범위에 있을 때에는 다이오드 순방향 전압(Vf)의 비직선성 에러값이 극단적으로 커진다. 따라서, 바이어스 전류는 0.1 μA 이상으로 설정하는 것이 바람직하고, 이렇게 함으로써, 직선성이 좋은 온도 검출부(12)의 출력을 제공할 수 있다.
도 12는 비직선성 에러값을 온도 계수로 나누어 구한 비직선성 에러의 온도 환산값의, 측정 온도 범위에 대한 비율[비직선성 에러(%FS)): FS = 170 ℃(-40 ℃ 내지 130 ℃)]을 나타낸 곡선의 그래프이다. 도 12에서, 종축은 비직선형 에러[%FS]를 도시하고, 횡축은 대수 표시에 의한 바이어스 전류[A]를 도시한다.
도 11을 참조하여 전술한 바와 같이, 바이어스 전류가 0.1 μA보다 큰 범위 에 있을 때에는 비직선성 에러가 거의 포화 상태이다. 한편, 도 9를 참조하여 전술한 바와 같이, 온도 계수의 절대치는 바이어스 전류가 0.1 μA보다 큰 범위에 있을 때 선형 감소한다. 즉, 바이어스 전류가 증가함에 따라, 비직선성 에러(곡선의 전압 에러)[mV]는 거의 일정함에도 불구하고, 온도 변화 1 ℃ 당 전압 변화는 작아진다. 따라서, 상대적으로 보면, 센서 감도가 클수록, 비직선성 에러[mV]의 크기가 증가한다. 이러한 특징은 도 12로부터 명백히 알 수 있다.
풀 스케일의 측정 온도 범위에 대한 비직선성 에러값[%FS]은 바이어스 전류가 0.1 μA일 때에 최선(최대)이 되고, 그 후, 바이어스 전류의 증가에 따라 점차 악화된다. 따라서, 바이어스 전류를 0.1 μA 내지 100 μA의 범위 내로 설정하여, 온도 센서의 비직선성 에러값을 0 %FS 내지 -1 %FS의 범위 내에 들도록 함으로써, 온도 검출부(12)의 출력 특성(정밀도)을 향상시킬 수 있다.
(제2 실시예)
이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 장치에 관해서 설명한다. 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 장치의 블록도이다. 제2 실시예에 따른 반도체 장치(20)가 제1 실시예에 따른 반도체 장치(10)와 다른 점은 온도 검출부(12)의 구조가 다르다는 것과, 온도 검출부 출력 단자(T3)와 접지 단자(T4) 사이에 제너 다이오드(13)가 접속되어 있다는 것이다.
도 13의 온도 검출부(12)는 npn 트랜지스터(121, 122, 123, 124, 125)를 포함한다. npn 트랜지스터(121 내지 125)는 그 각각 베이스와 컬렉터가 서로 단락되도록 결선되어 있다. 즉, 도 13의 온도 검출부(12)는 제1 실시예에 따른 반도체 장 치(10)와 관련하여 전술한 5개의 다이오드(200)(베이스와 컬렉터가 서로 단락된 npn 트랜지스터; 도 2 참조)를 포함한다. 또한, 온도 검출부 출력 단자(T3)와 접지 단자(T4) 사이에는 제너 다이오드(13)가 온도 검출부(12)와는 병렬로 접속되어 있다.
그 각각의 베이스와 컬렉터가 서로 단락된 npn 트랜지스터(121 내지 125)를 직렬로 접속함으로써 다이오드의 순방향 전압(Vf)이 부가되기 때문에, 온도 변화에 따른 다이오드 순방향 전압(Vf)의 변화(온도 계수)를 npn 트랜지스터가 1 개인 경우의 5 배로 하는 것이 가능하다. 즉, 제2 실시예에 따른 반도체 장치(20)를 이용함으로써, 온도 센서의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 제너 다이오드(13)가 외부로부터 서지가 입력되었을 때에 제너 동작을 행함으로써, 서지로부터 온도 검출부(12)를 보호할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 반도체 장치(20)는 서지 내성이 우수하고, 출력 감도가 매우 높은 온도 센서를 포함하며, 온도와 압력의 검출이 용이한 복합 센서로서 이용할 수 있다. 또한, 제2 실시예에 따른 반도체 장치(20)는 5 개의 npn 트랜지스터(121 내지 125)를 포함하는 온도 검출부를 예로 하여 설명하였지만, npn 트랜지스터의 수를 5 개로 한정하는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, npn 트랜지스터(121) 기반의 다이오드에 의해 구성된 온도 검출부(12)를 포함하는 본 발명에 따른 구조에서는 높은 온도 검출 감도를 갖는 서미스터와 동등한 기능을 갖추고 압력과 온도의 검출이 용이한 반도체 장치를 최소한의 필요한 기판 면적으로 실현할 수 있다.
또한, 저항을 이용하여 온도를 검출하였던 종래의 반도체 장치는 온도 검출 감도가 높아질수록 제조 편차가 커져 양산에 적합하지 않았지만, 본 발명에 따른 반도체 장치는 제조 편차가 작은 다이오드를 이용함으로써 양산에 적합한 구조를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 장치는 서미스터를 구동시키는 종래의 회로를 그대로 사용할 수 있기 때문에, 온도 및 압력의 검출이 필요한 피검출 장치(예컨대, 자동용 엔진)의 시스템을 변경시키지 않고 서미스터를 이용한 종래의 검출 소자를 본 발명에 따른 반도체 장치로 대체할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 반도체 장치 및 온도 검출 방법은 양산형 기기에서의 압력 및 온도 검출에 매우 유용하고, 특히 자동차 및 오토바이용 엔진 내부의 압력 및 온도 검출에 적합하다.
본 발명에 따른 반도체 장치 및 온도 검출 방법에 의하면, 온도 검출에 소정 구조의 다이오드를 이용함으로써 소형화, 저비용화, 양산성의 향상을 도모할 수 있다.

Claims (8)

  1. 반도체 기판과;
    상기 반도체 기판에 형성된 반도체 소자에 의해 온도를 검출하는 온도 검출 수단과;
    상기 반도체 기판에 형성되고, 상기 온도 검출 수단의 검출 신호를 외부로 출력하는 출력 단자와;
    상기 출력 단자에 접속되고, 상기 온도 검출 수단의 반도체 소자에 구동 전류를 공급하는 전류 발생 수단과;
    상기 출력 단자에 접속되고, 상기 출력 단자의 전압을 측정하는 전압 측정 수단
    을 포함하는 반도체 장치로서,
    상기 반도체 소자는 다이오드를 포함하고,
    상기 반도체 장치는 상기 전류 발생 수단이 상기 온도 검출 수단에 소정의 값의 구동 전류를 공급하였을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 전압값에 기초하여 온도를 검출하는 것인 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동 전류는 0.1 μA 이상인 것인 반도체 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 온도 검출 수단의 반도체 소자는 하나 이 상의 다이오드를 더 포함하며, 상기 반도체 소자를 구성하는 다이오드들은 서로 직렬 접속되어 있는 것인 반도체 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다이오드는 베이스 전극과 컬렉터 전극이 서로 단락된 npn 트랜지스터를 포함하는 것인 반도체 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 npn 트랜지스터는 상기 베이스 전극, 상기 컬렉터 전극 및 이미터 전극을 둘러싸도록, 외부로부터 발생되는 누설 전류를 흡수하는 가드 링 층을 포함하는 것인 반도체 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 npn 트랜지스터는,
    p형 반도체 기판과;
    상기 p형 반도체 기판의 표면 부분에 형성된 n형 웰 영역과;
    상기 n형 웰 영역의 표면 부분에 형성된 제1 p형 베이스층과;
    상기 제1 p형 베이스층의 표면 부분에 형성되고 상기 제1 p형 베이스층보다 불순물 농도가 높은 제2 p형 베이스층과;
    상기 제1 p형 베이스층의 표면 부분에 형성되고 불순물 농도가 높은 n형 이미터층과;
    상기 제1 p형 베이스층을 둘러싸도록 상기 n형 웰 영역의 표면 부분에 형성된 제1 n형 컬렉터층과;
    상기 제1 n형 컬렉터층의 표면 부분에 상기 제1 n형 컬렉터층보다 불순물 농도가 높은 n형 반도체로 형성된 제2 n형 컬렉터층과;
    상기 p형 반도체 기판의 표면 부분에 상기 제1 n형 컬렉터층을 둘러싸도록 형성되고 불순물 농도가 낮은 제1 p형 반도체와, 상기 제1 p형 반도체의 표면 부분에 형성되고 상기 제1 p형 반도체보다 불순물 농도가 높은 제2 p형 반도체로 이루어진 가드 링 층
    을 포함하는 것인 반도체 장치.
  7. 제1항, 제2항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 기판에 형성되고 압력을 검출하는 압력 검출 소자를 더 포함하는 반도체 장치.
  8. 반도체 기판에 형성된 하나 이상의 다이오드에 의해 온도를 검출하는 온도 검출 방법에 있어서,
    상기 하나 이상의 다이오드에 소정의 값의 구동 전류를 공급하였을 때에 상기 하나 이상의 다이오드 양단에서 측정된 전압에 기초하여 온도를 검출하는 것을 포함하는 온도 검출 방법.
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