WO2014162844A1 - 半導体装置の駆動方法 - Google Patents

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diode
detection diode
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俊之 松井
和 阿部
典明 八尾
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富士電機株式会社
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    • H01L29/861—Diodes

Definitions

  • the present invention relates to a method for driving a semiconductor device that can achieve both performance and life required for a temperature detection diode formed on an active element-formed substrate via an insulating film.
  • a temperature detection element is often formed on a substrate on which the semiconductor active element is formed, that is, an active element substrate via an insulating film.
  • This temperature detecting element is generally composed of a temperature detecting diode realized as a pn junction diode made of polycrystalline silicon, and one or a plurality of temperature detecting elements are connected in series. The temperature detecting diode is exclusively energized and driven with a constant current during the operation of the semiconductor active element. Then, the operating temperature of the semiconductor active element is monitored from the voltage Vf generated in the temperature detecting diode (see, for example, Patent Document 1).
  • the above-described polycrystalline silicon has many crystal defects.
  • the crystal defects of the polycrystalline silicon increase in the recombination process of the polycrystal accompanying the energization of the temperature detecting element.
  • the crystal defect generation rate is proportional to the current flowing through the temperature detecting diode. Therefore, when a constant current is continuously supplied to the temperature detection diode, the output voltage Vf of the temperature detection diode gradually changes.
  • the change with time of the output characteristics (output voltage Vf) of the temperature detecting diode is proportional to the energization current as shown in FIG. 5, and the fluctuation of the output voltage Vf increases as the energization current increases.
  • the lifetime of the temperature detection diode is defined as the time when the fluctuation amount of the output voltage Vf exceeds 2%, the lifetime decreases as the energization current increases as shown in FIG. Therefore, in order to extend the lifetime of the temperature detecting diode, it is necessary to reduce the energization current.
  • the energization current of the temperature detection element is reduced to avoid a large change over time of the temperature detection diode, the temperature detection diode element characteristics are deteriorated. As a result, the variation in the output voltage Vf of the temperature detection diode becomes large, which causes a problem that the temperature detection sensitivity is lowered. Therefore, on the basis of the output characteristics of the temperature detection diode as shown in FIG. 5, the energization current is used to reduce the change over time of the temperature detection diode to extend the life, and at the same time to ensure sufficient detection sensitivity. There is a problem that it is difficult to set optimally.
  • the present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a temperature detection diode in a semiconductor device including a temperature detection diode formed on an active element-formed substrate via an insulating film. It is an object of the present invention to provide a method of driving a semiconductor device that can achieve both the life required for the diode for use and the detection sensitivity.
  • a semiconductor device driving method includes a temperature detecting diode made of, for example, polycrystalline silicon having a pn junction formed through an insulating film on a substrate on which a semiconductor active element is formed.
  • a temperature detecting diode made of, for example, polycrystalline silicon having a pn junction formed through an insulating film on a substrate on which a semiconductor active element is formed.
  • the upper limit value of the current density supplied to the temperature detection diode is defined based on the lifetime of the temperature detection diode
  • the lower limit value of the current density supplied to the temperature detection diode is defined by the temperature detection diode. It is specified based on the variation allowable voltage with respect to the standard deviation of the output voltage.
  • a current value for energizing the temperature detecting diode is determined in a range between the upper limit value and the lower limit value.
  • the lifetime characteristic that is a transitional characteristic until the temperature detection diode fails.
  • the temperature detection diode depends on the current density regardless of the pn junction area of the pn junction diode.
  • the standard deviation indicating the variation in output voltage indicating the temperature detection sensitivity of the temperature detection diode depends on the current density.
  • the upper limit value of the current density is set to 1213 A / cm 2 when the lifetime required for the temperature detecting diode is 15 years, for example.
  • the lower limit value of the current density is set to 50 A / cm 2 when the variation allowable voltage with respect to the standard deviation of the output voltage of the temperature detection diode is 2.5 mV, for example.
  • the temperature detection diode can be used while satisfying the output characteristics required for the temperature detection diode, particularly the temperature detection sensitivity.
  • the life required for the diode can be satisfied. Therefore, the required life and temperature detection sensitivity are made compatible by determining the energization current of the temperature detection diode according to the size of the temperature detection diode, that is, the pn junction area under the current density. Is possible. Therefore, its practical advantages are great.
  • FIG. 1 is a schematic plan configuration diagram showing an example of a semiconductor device to which the present invention is applied.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a temperature detection diode provided in the semiconductor device shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing an example of a semiconductor device to which the present invention is applied.
  • This semiconductor device includes a temperature detection element having a pn junction formed through an insulating film 2 on a substrate 1 on which a semiconductor active element such as a MOS-FET or IGBT is formed, specifically, a temperature detection diode 3. It is a thing.
  • a temperature detection diode 3 for example, as shown in FIG. 2, a p-type region 3p in which boron (B) ions are implanted into polycrystalline silicon and phosphorous (P) ions are implanted in a substantially central portion of the substrate 1.
  • An n-type region 3n is provided, and a pn junction is formed between these regions 3p and 3n.
  • FIG. 2 4p and 4n are electrodes of the p-type region 3p and the n-type region 3n.
  • FIG. 1 shows an example in which three temperature detection diodes 3 are formed in the substantially central portion of the substrate 1 as the temperature detection elements, and these temperature detection diodes 3 are connected in series. These temperature detection diodes 3 are connected in series by sequentially connecting the electrodes 4p and 4n using a conductor (not shown) such as gold (Au).
  • reference numeral 5 denotes an anode terminal of a temperature detection element comprising the temperature detection diode 3 connected in series
  • reference numeral 6 denotes a cathode terminal of the temperature detection element.
  • FIG. 3 shows a case where 30 IGBT chips (semiconductor devices) each having a temperature detecting element in which three temperature detecting diodes 3 are connected in series are prepared, and the current value supplied to the temperature detecting diode 3 is changed. The change of the output voltage Vf is shown.
  • the value of the current supplied to the temperature detecting diode 3 is normalized as the current density flowing through the pn junction, that is, the value obtained by dividing the value of the supplied current by the pn junction area.
  • the relationship between the average value of the output voltage Vf with respect to the current density and its standard deviation is shown.
  • the standard deviation indicates the degree (size) of variation in the output voltage Vf.
  • the variation of the output voltage Vf is equal to or higher than the output voltage corresponding to the minimum detection temperature. Accordingly, a condition that satisfies the required temperature detection sensitivity is defined as a variation allowable voltage of the output voltage Vf in the temperature detection diode 3 indicated by the standard deviation.
  • the current density is [ It is indicated that it is sufficient if it is approximately 50 A / cm 2 ] or more. At this time, the average value of the output voltage Vf is [1811 mV].
  • the variation allowable voltage is [3.0 mV] as a standard deviation, it is indicated that the current density should be [approximately 5.0 A / cm 2 ] or more.
  • the average value of the output voltage Vf at this time is [1502 mV].
  • the variation allowable voltage is [4.0 mV] as a standard deviation, it is indicated that the current density should be [approximately 0.5 A / cm 2 ] or more. At this time, the average value of the output voltage Vf is [1195 mV].
  • the current density applied to the temperature detecting diode 3 is set to at least [50 A / cm 2 ].
  • the required temperature detection sensitivity is high. For example, even when the variation allowable voltage needs to be suppressed to [2.5 mV] or less as a standard deviation, the condition can be sufficiently satisfied.
  • the lifetime of the temperature detecting diode 3 is defined as the time when the output voltage Vf fluctuates 2% from the voltage value at the start of energization under a certain temperature condition
  • the lifetime is, for example, the temperature It changes as shown in FIG. 4 with respect to the current density applied to the detection diode 3.
  • FIG. 4 has a pn junction area to give the characteristics shown in FIG. 3 described above [190 .mu.m 2] the temperature sensing diode 3, and each pn junction area of the temperature sensing diode 3 [89.7 ⁇ m 2] of The change in the life when the atmospheric temperature is maintained at 150 ° C. is shown.
  • Each of these temperature detecting diodes 3 is formed of the same polycrystalline silicon, and therefore exhibits the same life characteristics even if the pn junction areas are different.
  • the current density supplied to the temperature detecting diode 3 is maximized. It is shown that it can be set to [1331 A / cm 2 ].
  • the current density applied to the temperature detection diode 3 is set to [1213 A / cm 2 ] at the maximum. be able to.
  • the lifetime is 20 years (6.307 ⁇ 10 8 s)
  • the current density applied to the temperature detection diode 3 is set to [1136 A / cm 2 ] at the maximum.
  • the life required for this type of semiconductor device used in, for example, automobiles is generally 15 years. Therefore, in consideration of this, it is considered that if the current density applied to the temperature detecting diode 3 is set to [1213 A / cm 2 ] or less, the life requirement can be sufficiently satisfied.
  • the current density that can satisfy the lifetime can be defined as described above.
  • the current density Jf applied to the temperature detecting diode 3 based on the current density condition defined as described above is 50 A / cm 2 ⁇ Jf ⁇ 1213 A / cm 2 In this range, it is possible to simultaneously satisfy the lifetime and temperature detection sensitivity required for the temperature detection diode 3. Therefore, under the setting condition of the current density Jf, if the current value to be supplied to the temperature detection diode 3 is determined according to the size of the temperature detection diode 3, specifically the pn junction area, While satisfying the required temperature detection sensitivity, it is possible to sufficiently ensure the lifetime.
  • the present invention is not limited to the embodiment described above.
  • the number and size of pn junction diodes constituting the temperature detecting diode 3 may be determined in consideration of the operating temperature of a semiconductor device such as IGBT or MOS-FET.
  • an upper limit value of the current density may be defined according to the life, and similarly the temperature detection sensitivity required for the temperature detecting diode 3 is used.
  • the lower limit value of the current density may be defined according to the above.
  • the present invention can be variously modified and implemented without departing from the scope of the invention.

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Abstract

【課題】能動素子を形成した基板上に絶縁膜を介して形成された温度検出用ダイオードに要求される寿命と検出感度とを両立させることのできる半導体装置の駆動方法を提供する。 【解決手段】温度検出用ダイオードに通電する電流密度の上限値を、該温度検出用ダイオードの寿命に基づいて規定すると共に、前記温度検出用ダイオードに通電する電流密度の下限値を、該温度検出用ダイオードの出力電圧の標準偏差に対するばらつき許容電圧に基づいて規定し、前記上限値と下限値の範囲において前記温度検出用ダイオードに通電する電流値を決定する。

Description

半導体装置の駆動方法
　本発明は、能動素子を形成した基板上に絶縁膜を介して形成された温度検出用ダイオードに要求される性能と寿命とを両立させ得る半導体装置の駆動方法に関する。
　ＭＯＳ-ＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体能動素子を備えた半導体装置においては、該半導体能動素子を形成した基板、即ち、能動素子基板上に絶縁膜を介して温度検出素子を形成することが多い。この温度検出素子は、一般的には多結晶シリコンからなるｐｎ接合ダイオードとして実現される温度検出用ダイオードからなり、１個または複数個直列に接続して構成される。前記温度検出用ダイオードは、専ら、前記半導体能動素子の動作時に一定電流で通電駆動される。そして前記温度検出用ダイオードに生起される電圧Ｖfから前記半導体能動素子の動作温度がモニタされる（例えば特許文献１を参照）。
特開昭６２－２２９８６６号公報
　ところで上述した多結晶シリコンには多くの結晶欠陥が存在する。しかも多結晶シリコンの結晶欠陥は、前記温度検出素子の通電に伴う多結晶の再結合過程において増大する。この結晶欠陥の生成速度は、専ら、前記温度検出用ダイオードの通電電流に比例する。これ故、前記温度検出用ダイオードに一定電流を通電し続けると、該温度検出用ダイオードの出力電圧Ｖfが次第に変化する。
　このような前記温度検出用ダイオードの出力特性（出力電圧Ｖf）の経時変化は、図５に示すようにその通電電流に比例し、通電電流が大きい程、出力電圧Ｖfの変動が大きくなる。換言すれば、例えば出力電圧Ｖfの変動量が２％を超えた時点を該温度検出用ダイオードの寿命であると規定すると、図５に示すように通電電流が大きい程、その寿命が短くなる。従って前記温度検出用ダイオードの寿命を長くするには、その通電電流を少なくすることが必要である。
　しかしながら前記温度検出素子の通電電流を小さくして該温度検出用ダイオードの大きな経時変化を避けると、逆に該温度検出用ダイオード素子特性が劣化する。すると前記温度検出用ダイオードの出力電圧Ｖfのばらつきが大きくなり、温度検出感度が低下すると言う問題が発生する。これ故、図５に示すような温度検出用ダイオードの出力特性に基づいて、該温度検出用ダイオードの経時変化を少なくして寿命を延ばし、同時にその検出感度を十分に確保する上での通電電流を最適に設定することが困難であると言う問題があった。
　本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、能動素子を形成した基板上に絶縁膜を介して形成された温度検出用ダイオードを備えた半導体装置において、上記温度検出用ダイオードに要求される寿命と検出感度とを両立させることのできる半導体装置の駆動方法を提供することにある。
　上述した目的を達成するべく本発明に係る半導体装置の駆動方法は、半導体能動素子を形成した基板上に絶縁膜を介して形成されたｐｎ接合を有する例えば多結晶シリコンからなる温度検出用ダイオードを備え、前記温度検出用ダイオードを一定電流で通電して該温度検出用ダイオードに生起される電圧を検出するに際して、
　前記温度検出用ダイオードに通電する電流密度の上限値を、該温度検出用ダイオードの寿命に基づいて規定すると共に、前記温度検出用ダイオードに通電する電流密度の下限値を、該温度検出用ダイオードの出力電圧の標準偏差に対するばらつき許容電圧に基づいて規定する。そして前記上限値と下限値の範囲において前記温度検出用ダイオードに通電する電流値を決定することを特徴としている。
　即ち、本発明に係る半導体装置の駆動方法は、前記温度検出用ダイオードに通電する電流を、その電流密度として捉えたとき、前記温度検出用ダイオードが故障発生に至るまでの経過特性である寿命特性が該温度検出用ダイオードの、具体的にはｐｎ接合ダイオードのｐｎ接合面積に拘わることなく前記電流密度に依存することに着目している。また同時に前記温度検出用ダイオードの温度検出感度を示す出力電圧のばらつきを示す標準偏差が、前記電流密度に依存することに着目している。
　ちなみに前記電流密度の上限値は、例えば前記温度検出用ダイオードに要求される寿命が１５年であるときには１２１３Ａ／ｃｍ２として設定される。また前記電流密度の下限値は、例えば前記温度検出用ダイオードの出力電圧の標準偏差に対するばらつき許容電圧が２.５ｍＶであるときには５０Ａ／ｃｍ２として設定される。
　上述した条件の下で前記温度検出用ダイオードの通電電流を規定する半導体装置の駆動方法によれば、該温度検出用ダイオードに要求される出力特性、特に温度検出感度を満たしながら、該温度検出用ダイオードに要求される寿命を満足させることができる。従って前記電流密度の下で前記温度検出用ダイオードの大きさ、つまりｐｎ接合面積に応じて該温度検出用ダイオードの通電電流を決定することで、所要とする寿命と温度検出感度とを両立させることが可能となる。故に、その実用的利点が多大である。
本発明が適用される半導体装置の一例を示す概略的な平面構成図。 図１に示す半導体装置が備える温度検出用ダイオードの例を示す図。 温度検出用ダイオードに通電する電流密度に対する出力電圧の平均値とそのばらつきの標準偏差との関係を示す図。 温度検出用ダイオードに通電する電流密度に対する故障発生までの経過時間との関係を示す図。 温度検出用ダイオードに通電する電流をパラメータとしたときの該温度検出用ダイオードの出力特性の経時変化を示す図。
　以下、図面を参照して本発明の一実施形態にする半導体装置の駆動方法について説明する。
　図１は本発明が適用される半導体装置の一例を示す概略的な平面構成図である。
　この半導体装置は、ＭＯＳ-ＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体能動素子を形成した基板１上に絶縁膜２を介して形成されたｐｎ接合を有する温度検出素子、具体的には温度検出用ダイオード３を備えたものである。ちなみに前記温度検出用ダイオード３は、例えば図２に示すように前記基板１の略中央部に多結晶シリコンにボロン（Ｂ）イオンを注入したｐ型領域３ｐと、燐（Ｐ）イオンを注入したｎ型領域３ｎとを設け、これらの領域３ｐ,３ｎ間にｐｎ接合を形成したものである。このｐｎ接合の大きさであるｐｎ接合面積は、例えば［３８０μｍ×０.５μｍ＝１９０μｍ２］である。
　尚、図２において４ｐ,４ｎは前記ｐ型領域３ｐ、および前記ｎ型領域３ｎの電極である。また図１は前記温度検出素子として前記基板１上の略中央部に３個の温度検出用ダイオード３を形成し、これらの温度検出用ダイオード３を直列に接続した例を示している。これらの温度検出用ダイオード３の直列接続は、前記電極４ｐ,４ｎを金（Ａｕ）等の導体（図示せず）を用いて順に接続することによって行われる。また図中５は直列接続した前記温度検出用ダイオード３からなる温度検出素子のアノード端子であり、６は前記温度検出素子のカソード端子である。
　ここで上述した如く形成された温度検出用ダイオード３の出力特性について調べたところ、以下に示す特性を見出すことができた。図３は３個の温度検出用ダイオード３を直列に接続した温度検出素子を備えたＩＧＢＴチップ（半導体装置）を３０個準備し、前記温度検出用ダイオード３に通電する電流値を変えたときの出力電圧Ｖfの変化を示している。特に図３においては、温度検出用ダイオード３に通電する電流値を、前記ｐｎ接合に流れる電流密度、即ち、通電電流値をｐｎ接合面積で割った値として正規化している。そして上記電流密度に対する前記出力電圧Ｖfの平均値と、その標準偏差の関係として示している。
　尚、上記標準偏差とは、前記出力電圧Ｖfのばらつきの程度（大きさ）を示している。ちなみに所要とする温度検出感度を満たすには、前記出力電圧Ｖfのばらつきが最小検出温度に対応する出力電圧以上であることが必要である。従って所要とする温度検出感度を満たす条件は、前記標準偏差で示される前記温度検出用ダイオード３における前記出力電圧Ｖfのばらつき許容電圧として規定されることになる。
　ちなみに図３に示す特性（実験データ）によれば、要求される温度検出感度を満たす上での前記出力電圧Ｖfのばらつき許容電圧が標準偏差で［２.５ｍＶ］である場合、電流密度が［略５０Ａ／ｃｍ２］以上であれば良いことが示される。このときの前記出力電圧Ｖfの平均値は［１８１１ｍＶ］となる。また前記ばらつき許容電圧が標準偏差で［３.０ｍＶ］である場合には、電流密度が［略５.０Ａ／ｃｍ２］以上であれば良いことが示される。このときの前記出力電圧Ｖfの平均値は［１５０２ｍＶ］となる。そして前記ばらつき許容電圧が標準偏差で［４.０ｍＶ］である場合には、電流密度が［略０.５Ａ／ｃｍ２］以上であれば良いことが示される。このときの前記出力電圧Ｖfの平均値は［１１９５ｍＶ］となる。
　ここで前記温度検出用ダイオード３においては、前述したように該温度検出用ダイオード３に通電する電流値が小さくなる程、結晶欠陥に起因する出力電圧Ｖfのばらつきが大きくなる。従って前記温度検出用ダイオード３に通電する電流密度を、少なくとも［５０Ａ／ｃｍ２］以上に設定する。この結果、要求される温度検出感度が高く、例えば前記ばらつき許容電圧を標準偏差で［２.５ｍＶ］以下に抑えることが必要な場合でも、その条件を十分に満たすことが可能となる。
　一方、前記温度検出用ダイオード３の寿命を、一定の温度条件下において、その出力電圧Ｖfか通電開始時における電圧値から２％変動した時点であると定義したとき、上記寿命は、例えば前記温度検出用ダイオード３に通電する電流密度に対して図４に示すように変化する。尚、図４は前述した図３に示す特性を得たｐｎ接合面積が［１９０μｍ２］の前記温度検出用ダイオード３、およびｐｎ接合面積が［８９.７μｍ２］の温度検出用ダイオード３のそれぞれについて、その雰囲気温度を１５０℃に保ったときの前記寿命の変化を示している。またこれらの各温度検出用ダイオード３は、同じ多結晶シリコンによって形成されていることから、そのｐｎ接合面積が異なっても同じ寿命特性を示している。
　そしてこの図４に示す寿命特性によれば、前記温度検出用ダイオード３の寿命を１０年（３.１５４×１０８ｓ）とした場合、該温度検出用ダイオード３に通電する電流密度を最大で［１３３１Ａ／ｃｍ２］に設定し得ることが示される。また前記温度検出用ダイオード３の寿命を１５年（４.７３０×１０８ｓ）とした場合には、該温度検出用ダイオード３に通電する電流密度を最大で［１２１３Ａ／ｃｍ２］に設定することができる。更に寿命を２０年（６.３０７×１０８ｓ）とした場合には、該温度検出用ダイオード３に通電する電流密度を最大で［１１３６Ａ／ｃｍ２］に設定することが示される。
　ちなみに、例えば自動車において用いられるこの種の半導体装置に要求される寿命は、一般的に１５年である。従ってこれを考慮した場合、前記温度検出用ダイオード３に通電する電流密度を［１２１３Ａ／ｃｍ２］以下に設定すれば、その寿命要求を十分に満足し得ると考えられる。しかも前記温度検出用ダイオード３の大きさ、具体的には該温度検出用ダイオード３のｐｎ接合面積に拘わらず、その寿命を満足し得る電流密度を上述したように規定することができる。
　従って前述した如く規定される電流密度の条件に基づいて前記温度検出用ダイオード３に通電する電流密度Ｊfを、
　５０Ａ／ｃｍ２ ≦ Ｊf ≦ １２１３Ａ／ｃｍ２
の範囲で決定すれば、前記温度検出用ダイオード３に要求される寿命と温度検出感度とを同時に満足させることが可能となる。故に上記電流密度Ｊfの設定条件の下で、前記温度検出用ダイオード３の大きさ、具体的にはｐｎ接合面積に応じて該温度検出用ダイオード３に通電する電流値を決定すれば、これによって所要とする温度検出感度を満たしながら、その寿命を十分に確保することが可能となる。
　尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば前記温度検出用ダイオード３を構成するｐｎ接合ダイオードの数やその大きさ等については、ＩＧＢＴやＭＯＳ-ＦＥＴ等の半導体装置の動作温度等を考慮して決定すれば良いことは言うまでもない。また前記温度検出用ダイオード３に要求される寿命が異なる場合には、その寿命に応じて前記電流密度の上限値を規定すれば良く、同様に前記温度検出用ダイオード３に要求される温度検出感度に応じて前記電流密度の下限値を規定すれば良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
　１　半導体能動素子を形成した基板
　２　絶縁膜
　３　温度検出用ダイオード
　３ｐ　ｐ型領域
　３ｎ　ｎ型領域
　４ｐ,４ｎ　電極
　５　アノード端子
　６　カソード端子

Claims (4)

  1. 　半導体能動素子を形成した基板上に絶縁膜を介して形成されたｐｎ接合を有する温度検出用ダイオードを備え、前記温度検出用ダイオードを一定電流で通電して該温度検出用ダイオードに生起される電圧を検出するに際して、
    　前記温度検出用ダイオードに通電する電流密度の上限値を、該温度検出用ダイオードの寿命に基づいて規定すると共に、
    　前記温度検出用ダイオードに通電する電流密度の下限値を、該温度検出用ダイオードの出力電圧の標準偏差に対するばらつき許容電圧に基づいて規定し、
    　前記上限値と下限値の範囲において前記温度検出用ダイオードに通電する電流値を決定することを特徴とする半導体装置の駆動方法。
  2. 　前記温度検出用ダイオードは、多結晶シリコンからなるｐｎ接合ダイオードである請求項１に記載の半導体装置の駆動方法。
  3. 　前記電流密度の上限値は、前記温度検出用ダイオードに要求される寿命が１５年であるときには１２１３Ａ／ｃｍ２である請求項１に記載の半導体装置の駆動方法。
  4. 　前記電流密度の下限値は、前記温度検出用ダイオードの出力電圧の標準偏差に対するばらつき許容電圧が２.５ｍＶであるときには５０Ａ／ｃｍ２である請求項１に記載の半導体装置の駆動方法。
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