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JP7675245B2 - Semiconductor Device - Google Patents
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JP7675245B2 - Semiconductor Device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.

スイッチングデバイスでは、たとえば短絡時に過電流が流れ続けると熱破壊を起こすことがある。この不具合を防止するために、たとえば、特許文献1は、半導体スイッチング素子と、半導体駆動回路と、半導体スイッチング素子に形成されたセンス素子と、半導体駆動回路に形成された過電流検出部とを含む、半導体装置を開示している。センス素子は、半導体スイッチング素子のメイン電流と比例した電流が流れるセンス端子と、半導体スイッチング素子のメイン端子とセンス端子の間に接続され、センス電流を電圧変換するセンス抵抗とで構成されている。また、過電流検出部は、上述のセンス素子を流れるセンス電流を検出し、センス電流が所定値を超えた場合、半導体スイッチング素子をオフにして、半導体スイッチング素子を過電流から保護する。 In a switching device, for example, if an overcurrent continues to flow during a short circuit, thermal destruction may occur. To prevent this problem, for example, Patent Document 1 discloses a semiconductor device including a semiconductor switching element, a semiconductor drive circuit, a sense element formed in the semiconductor switching element, and an overcurrent detection unit formed in the semiconductor drive circuit. The sense element is composed of a sense terminal through which a current proportional to the main current of the semiconductor switching element flows, and a sense resistor connected between the main terminal and the sense terminal of the semiconductor switching element and converts the sense current into a voltage. In addition, the overcurrent detection unit detects the sense current flowing through the above-mentioned sense element, and when the sense current exceeds a predetermined value, turns off the semiconductor switching element to protect the semiconductor switching element from overcurrent.

特開2013-247804号公報JP 2013-247804 A

特許文献1の過電流保護方式は、センス電流に基づいて半導体スイッチング素子をオフするやり方であるため、ノイズの影響を受けやすく、時には、ノイズが入ったセンス電流を過電流と誤って検出する場合がある。このようなノイズによる誤動作を防止するため、センス電流が所定の閾値を超えてもすぐに半導体スイッチング素子をオフにするのではなく、一定の待ち時間(マスク時間)の経過後にオフする方式がある。 The overcurrent protection method of Patent Document 1 is a method in which the semiconductor switching element is turned off based on the sense current, so it is susceptible to the effects of noise, and sometimes a sense current containing noise may be mistakenly detected as an overcurrent. To prevent malfunctions caused by such noise, there is a method in which the semiconductor switching element is not turned off immediately when the sense current exceeds a predetermined threshold, but rather after a certain waiting time (mask time) has elapsed.

しかしながら、この待ち時間を設ける方式にも課題が残る。ノイズの影響を考慮するため一定の待ち時間が必要であるが(たとえば、500n秒程度)、デバイスの低オン抵抗化が進められる中で、過電流によってデバイスが破壊に至る時間が当該待ち時間よりも短くなり、過電流保護システム自体が成立しないケースが見られる。 However, there are still issues with this method of setting a waiting time. A certain waiting time is necessary to take into account the effects of noise (for example, about 500 nsec), but as devices continue to develop with lower on-resistance, there are cases in which the time it takes for an overcurrent to destroy a device becomes shorter than this waiting time, and the overcurrent protection system itself does not work.

そこで、本発明の一実施形態は、電流ノイズによる誤動作を低減でき、スイッチング素子を過電流から良好に保護することができる半導体装置を提供する。 Therefore, one embodiment of the present invention provides a semiconductor device that can reduce malfunctions caused by current noise and effectively protect switching elements from overcurrent.

本発明の一実施形態は、半導体基板と、前記半導体基板に形成されたスイッチング素子と、前記半導体基板の表面側に前記スイッチング素子から独立して設けられ、温度に依存する特性を有する温度センス素子とを含む、半導体装置を提供する。 One embodiment of the present invention provides a semiconductor device that includes a semiconductor substrate, a switching element formed on the semiconductor substrate, and a temperature sensing element that is provided on the front surface side of the semiconductor substrate independently of the switching element and has temperature-dependent characteristics.

また、本発明の一実施形態は、半導体基板と、前記半導体基板に形成されたスイッチング素子と、前記半導体基板の表面側に前記スイッチング素子から独立して設けられ、温度に依存する特性を有する温度センス素子とを含み、前記スイッチング素子による単機能の半導体装置を提供する。 In addition, one embodiment of the present invention provides a single-function semiconductor device that includes a semiconductor substrate, a switching element formed on the semiconductor substrate, and a temperature sensing element that is provided on the front side of the semiconductor substrate independently of the switching element and has temperature-dependent characteristics, and that uses the switching element.

上記の構成によれば、半導体基板の表面側で温度変化が生じれば、それに伴って温度センス素子の特性(電圧値、抵抗値等)が変化する。そのため、温度センス素子の特性の変化を監視しておくことで、半導体基板の温度変化を検出することができる。この関係を利用して、たとえば短絡等によってスイッチング素子に過電流が流れたときには、当該過電流による半導体基板の温度上昇を検出し、当該検出結果に基づいて、スイッチング素子に過電流が流れているか否かを判別することができる。しかも、監視対象がスイッチング素子に流れるセンス電流ではないので、当該センス電流にノイズが入って重畳した場合でも、当該重畳電流に起因して過電流と誤って検出することがない。そのため、電流ノイズによる誤動作を低減することができる。 According to the above configuration, if a temperature change occurs on the surface side of the semiconductor substrate, the characteristics (voltage value, resistance value, etc.) of the temperature sensing element change accordingly. Therefore, by monitoring the change in the characteristics of the temperature sensing element, it is possible to detect the temperature change of the semiconductor substrate. By utilizing this relationship, when an overcurrent flows through a switching element due to, for example, a short circuit, it is possible to detect the temperature rise of the semiconductor substrate due to the overcurrent, and based on the detection result, it is possible to determine whether or not an overcurrent is flowing through the switching element. Moreover, since the object to be monitored is not the sense current flowing through the switching element, even if noise is introduced into the sense current and superimposed on it, it will not be mistakenly detected as an overcurrent due to the superimposed current. Therefore, malfunctions due to current noise can be reduced.

本発明の一実施形態は、前記半導体基板上の互いに対をなす第1電極および第2電極を含み、前記第1電極と前記第2電極との間の電気回路には、回路素子として前記温度センス素子のみが設けられている。 One embodiment of the present invention includes a pair of first and second electrodes on the semiconductor substrate, and the electrical circuit between the first and second electrodes includes only the temperature sensing element as a circuit element.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、前記半導体基板上に形成されたポリシリコン層からなるpnダイオードを含む。 In one embodiment of the present invention, the temperature sensing element includes a pn diode made of a polysilicon layer formed on the semiconductor substrate.

ポリシリコンは、既に確立されている半導体製造技術によって所望の形状および位置に簡単に形成することができる。そのため、半導体基板の発熱部である表面近傍にポリシリコン層(pnダイオード)を形成することによって、半導体基板の温度変化を高い精度で検出することができる。たとえば、pnダイオードに定電流を常時印加しておき、pnダイオードの順方向電圧Vを監視しておくことによって、半導体基板の温度変化を検出することができる。 Polysilicon can be easily formed in a desired shape and position by using already established semiconductor manufacturing technology. Therefore, by forming a polysilicon layer (pn diode) near the surface, which is the heat generating part of the semiconductor substrate, it is possible to detect temperature changes in the semiconductor substrate with high accuracy. For example, by constantly applying a constant current to the pn diode and monitoring the forward voltage VF of the pn diode, it is possible to detect temperature changes in the semiconductor substrate.

本発明の一実施形態では、前記スイッチング素子は、前記半導体基板の表面に沿って形成されたゲート電極を有するプレーナゲート型MISFETを含み、前記ポリシリコン層は、前記ゲート電極と同一層に形成されている。 In one embodiment of the present invention, the switching element includes a planar gate type MISFET having a gate electrode formed along the surface of the semiconductor substrate, and the polysilicon layer is formed in the same layer as the gate electrode.

この構成によれば、ゲート電極と同一工程でポリシリコン層(pnダイオード)を形成できるので、pnダイオードの形成に伴う工程数の増加を抑制することができる。また、層間絶縁膜等の比較的厚い膜に比べて薄いゲート絶縁膜を介してpnダイオードを半導体基板上に配置できるので、pnダイオードの位置を、半導体基板の表面側の電流経路直近にまで近づけることができる。これにより、半導体基板の温度変化を検出する精度を向上させることができる。 With this configuration, the polysilicon layer (pn diode) can be formed in the same process as the gate electrode, which prevents an increase in the number of processes involved in forming the pn diode. In addition, since the pn diode can be placed on the semiconductor substrate via a gate insulating film that is thinner than a relatively thick film such as an interlayer insulating film, the position of the pn diode can be brought close to the current path on the surface side of the semiconductor substrate. This improves the accuracy of detecting temperature changes in the semiconductor substrate.

本発明の一実施形態では、前記pnダイオードは、p型領域と、平面視で当該p型領域を取り囲むn型領域とを含む。 In one embodiment of the present invention, the pn diode includes a p-type region and an n-type region that surrounds the p-type region in a plan view.

この構成によれば、p型領域およびn型領域が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域およびn型領域のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。 With this configuration, the p-type and n-type regions do not overlap in a planar view, so no separate wiring is required and contact can be easily made to both the p-type and n-type regions.

本発明の一実施形態では、前記スイッチング素子は、前記半導体基板に形成されたゲートトレンチおよび当該ゲートトレンチに埋め込まれたゲート電極を有するトレンチゲート型MISFETを含み、前記ポリシリコン層は、前記半導体基板に前記ゲートトレンチから独立して形成された第2トレンチに埋め込まれている。 In one embodiment of the present invention, the switching element includes a trench-gate type MISFET having a gate trench formed in the semiconductor substrate and a gate electrode embedded in the gate trench, and the polysilicon layer is embedded in a second trench formed in the semiconductor substrate independently of the gate trench.

この構成によれば、ゲートトレンチと同一工程で第2トレンチを形成し、ゲート電極と同一工程でポリシリコン層(pnダイオード)を形成できるので、pnダイオードの形成に伴う工程数の増加を抑制することができる。また、pnダイオードを半導体基板の表面部に埋め込む構成であるため、pnダイオードの位置を、半導体基板の表面側の電流経路直近にまで近づけることができる。これにより、半導体基板の温度変化を検出する精度を向上させることができる。 With this configuration, the second trench can be formed in the same process as the gate trench, and the polysilicon layer (pn diode) can be formed in the same process as the gate electrode, which makes it possible to suppress an increase in the number of processes involved in forming the pn diode. In addition, because the pn diode is embedded in the surface portion of the semiconductor substrate, the position of the pn diode can be brought close to the current path on the surface side of the semiconductor substrate. This improves the accuracy of detecting temperature changes in the semiconductor substrate.

本発明の一実施形態では、前記ゲートトレンチおよび前記第2トレンチは、互いに同じ幅で形成されている。 In one embodiment of the present invention, the gate trench and the second trench are formed to have the same width.

この構成によれば、ゲートトレンチおよび第2トレンチを形成するときのエッチングレートをほぼ同じにすることができるので、最終的に、互いにほぼ同じ深さのゲートトレンチおよび第2トレンチを形成することができる。第2トレンチの深さを、MISFETのチャネルが形成されるゲートトレンチとほぼ同じにすることで、過電流による半導体基板の温度上昇を素早く検出することができる。 With this configuration, the etching rates for forming the gate trench and the second trench can be made approximately the same, so that the gate trench and the second trench can ultimately be formed to approximately the same depth. By making the depth of the second trench approximately the same as that of the gate trench in which the MISFET channel is formed, a temperature rise in the semiconductor substrate due to an overcurrent can be quickly detected.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、前記半導体基板の表面部に形成された不純物領域からなるpnダイオードを含む。 In one embodiment of the present invention, the temperature sensing element includes a pn diode made of an impurity region formed on the surface of the semiconductor substrate.

不純物領域は、既に確立されている半導体製造技術によって所望の位置に簡単に形成することができる。そのため、半導体基板の発熱部である表面側の電流経路直近に不純物領域(pnダイオード)を形成することによって、半導体基板の温度変化を高い精度で検出することができる。たとえば、pnダイオードに定電流を常時印加しておき、pnダイオードの順方向電圧Vを監視しておくことによって、半導体基板の温度変化を検出することができる。また、不純物領域からなるpnダイオードであれば、高温領域(たとえば200℃以上)においても良好に動作するので、特に、SiC、GaN等のパワーデバイスに有効である。 The impurity region can be easily formed at a desired position by the already established semiconductor manufacturing technology. Therefore, by forming the impurity region (pn diode) in the immediate vicinity of the current path on the front side, which is the heat generating portion of the semiconductor substrate, the temperature change of the semiconductor substrate can be detected with high accuracy. For example, by constantly applying a constant current to the pn diode and monitoring the forward voltage VF of the pn diode, the temperature change of the semiconductor substrate can be detected. In addition, since the pn diode made of the impurity region operates well even in a high temperature region (for example, 200° C. or higher), it is particularly effective for power devices such as SiC and GaN.

本発明の一実施形態では、前記pnダイオードは、p型領域と、平面視で当該p型領域を取り囲むn型領域とを含む。 In one embodiment of the present invention, the pn diode includes a p-type region and an n-type region that surrounds the p-type region in a plan view.

この構成によれば、p型領域およびn型領域が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域およびn型領域のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。 With this configuration, the p-type and n-type regions do not overlap in a planar view, so no separate wiring is required and contact can be easily made to both the p-type and n-type regions.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、複数の前記pnダイオードを直列に接続した直列接続単位を含む。 In one embodiment of the present invention, the temperature sensing element includes a series-connected unit in which multiple pn diodes are connected in series.

この構成によれば、順方向電圧Vの温度変化量がpnダイオードの接続数に比例して増加するので、温度変化の検出感度を向上させることができる。たとえば、pnダイオード1つ当たりの順方向電圧Vの振れ幅がXmV/℃であるとき、当該pnダイオードを5つ直列に接続して直列接続単位を構成すれば、当該直列接続単位トータルでの振れ幅を5XmV/℃にすることができる。 With this configuration, the amount of change in the forward voltage VF due to temperature increases in proportion to the number of connected pn diodes, thereby improving the sensitivity of temperature change detection. For example, if the forward voltage VF swing per pn diode is XmV/°C, then by connecting five such pn diodes in series to form a series-connected unit, the swing of the series-connected unit in total can be made 5XmV/°C.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、少なくとも一対の前記直列接続単位を互いに逆向きに並列に接続した構成を含む。 In one embodiment of the present invention, the temperature sensing element includes a configuration in which at least a pair of the series connection units are connected in parallel in opposite directions.

この構成によれば、pnダイオードの集合体の端子にアノード側およびカソード側の極性の区別がなくなるので、モジュール等を組み立てるときにボンディングワイヤ等の配線の自由度を向上させることができる。 With this configuration, there is no distinction between the anode and cathode polarities of the terminals of the pn diode assembly, which improves the freedom of wiring such as bonding wires when assembling modules, etc.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、少なくとも一対の前記pnダイオードを互いに逆向きに直列に接続した逆直列接続単位を含む。 In one embodiment of the present invention, the temperature sensing element includes an anti-series connection unit in which at least a pair of the pn diodes are connected in series in the opposite directions.

この構成によれば、一対のpnダイオードのうち少なくとも一方には逆バイアスが印加されることになるので、当該逆直列接続単位トータルでの抵抗が高くなる。そのため、温度変化の監視に必要な電流を小さく抑えることができ、省電力化を達成することができる。 With this configuration, a reverse bias is applied to at least one of the pair of pn diodes, increasing the total resistance of the reverse series connection unit. This makes it possible to reduce the current required to monitor temperature changes, thereby achieving power savings.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、複数の前記逆直列接続単位を直列に接続した構成を含む。 In one embodiment of the present invention, the temperature sensing element includes a configuration in which a plurality of the anti-series connection units are connected in series.

この構成によれば、さらなる省電力化を達成することができる。 This configuration allows for even greater power savings.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、少なくとも一対の前記pnダイオードを互いに逆向きに並列に接続した構成を含む。 In one embodiment of the present invention, the temperature sensing element includes at least a pair of the pn diodes connected in parallel in opposite directions.

この構成によれば、一対のpnダイオードの端子にアノード側およびカソード側の極性の区別がなくなるので、モジュール等を組み立てるときにボンディングワイヤ等の配線の自由度を向上させることができる。 With this configuration, there is no distinction between the anode and cathode polarities of the terminals of a pair of pn diodes, which improves the freedom of wiring such as bonding wires when assembling modules, etc.

本発明の一実施形態では、前記温度センス素子は、前記半導体基板の周縁部に配置されている。 In one embodiment of the present invention, the temperature sensing element is disposed on the periphery of the semiconductor substrate.

この構成によれば、温度センス素子の設置領域以外の部分に比較的広い領域を確保できるので、スイッチング素子用の端子の面積を広くとることができる。そのため、チップサイズが小型になっても、当該端子に対して、ボンディングプレートや比較的太いボンディングワイヤ等の配線部材を接続することができる。 This configuration allows a relatively large area to be secured in areas other than the area where the temperature sensing element is installed, allowing the area of the terminals for the switching element to be large. Therefore, even if the chip size is small, wiring members such as bonding plates and relatively thick bonding wires can be connected to the terminals.

本発明の一実施形態では、前記半導体基板は、SiC半導体基板を含む。 In one embodiment of the present invention, the semiconductor substrate includes a SiC semiconductor substrate.

この構成によれば、低オン抵抗のSiCスイッチング素子を過電流から良好に保護することができる。 This configuration provides excellent protection for low on-resistance SiC switching elements from overcurrent.

本発明の一実施形態は、前記半導体装置と、前記スイッチング素子および前記温度センス素子に電気的に接続された回路であって、前記温度センス素子の特性変化に基づいて前記スイッチング素子に過電流が流れていると判断したときに、前記スイッチング素子の電流経路を遮断する回路を有する第2半導体装置とを含む、半導体モジュールを提供する。 One embodiment of the present invention provides a semiconductor module including the semiconductor device and a second semiconductor device having a circuit electrically connected to the switching element and the temperature sensing element, the circuit cutting off the current path of the switching element when it is determined that an overcurrent is flowing through the switching element based on a change in the characteristics of the temperature sensing element.

この構成によれば、上記の半導体装置を備えているため、電流ノイズによる誤動作を低減でき、スイッチング素子を過電流から良好に保護することができる半導体モジュールを実現することができる。 With this configuration, since it is equipped with the above-mentioned semiconductor device, it is possible to realize a semiconductor module that can reduce malfunctions caused by current noise and effectively protect switching elements from overcurrent.

図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の模式的な外観図である。FIG. 1 is a schematic external view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1の半導体装置を備える半導体モジュールの回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a semiconductor module including the semiconductor device of FIG. 図3は、図1の半導体装置の平面構造をより具体的に示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a more specific planar structure of the semiconductor device of FIG. 図4Aは、図3の半導体装置のセル領域の構造を示す模式的な平面図である。FIG. 4A is a schematic plan view showing the structure of a cell region of the semiconductor device of FIG. 図4Bは、図4Aの断面図(B-B線断面図)である。FIG. 4B is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line BB) of FIG. 4A. 図5Aは、図3の半導体装置の温度センス領域の構造を示す模式的な平面図である。FIG. 5A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sensing region of the semiconductor device of FIG. 図5Bは、図5Aの断面図(B-B線断面図)である。FIG. 5B is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line BB) of FIG. 5A. 図5Cは、図5Bの構造の変形例を示す図である。FIG. 5C shows a variation of the structure of FIG. 5B. 図6は、前記半導体装置の製造工程のフロー図である。FIG. 6 is a flow diagram of the manufacturing process of the semiconductor device. 図7Aは、前記半導体装置の製造工程の一部を示す図である。FIG. 7A is a diagram showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device. 図7Bは、図7Aの次の工程を示す図である。FIG. 7B is a diagram showing the next step of FIG. 7A. 図7Cは、図7Bの次の工程を示す図である。FIG. 7C is a diagram showing the next step of FIG. 7B. 図7Dは、図7Cの次の工程を示す図である。FIG. 7D is a diagram showing the next step of FIG. 7C. 図7Eは、図7Dの次の工程を示す図である。FIG. 7E is a diagram showing the next step of FIG. 7D. 図7Fは、図7Eの次の工程を示す図である。FIG. 7F is a diagram showing the next step of FIG. 7E. 図7Gは、図7Fの次の工程を示す図である。FIG. 7G is a diagram showing the next step of FIG. 7F. 図7Hは、図7Gの次の工程を示す図である。FIG. 7H is a diagram showing the next step of FIG. 7G. 図7Iは、図7Hの次の工程を示す図である。FIG. 7I is a diagram showing the next step of FIG. 7H. 図7Jは、図7Iの次の工程を示す図である。FIG. 7J is a diagram showing the next step of FIG. 7I. 図7Kは、図7Jの次の工程を示す図である。FIG. 7K is a diagram showing the next step of FIG. 7J. 図7Lは、図7Kの次の工程を示す図である。FIG. 7L is a diagram showing the next step of FIG. 7K. 図8は、前記温度センスダイオードの順方向電圧が温度変化によってどのように変化するかを説明するためのグラフである。FIG. 8 is a graph illustrating how the forward voltage of the temperature sensing diode changes with temperature. 図9Aは、図3の半導体装置の温度センス領域の構造を示す模式的な平面図である。FIG. 9A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sensing region of the semiconductor device of FIG. 図9Bは、図9Aの断面図(B-B線断面図)である。FIG. 9B is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line BB) of FIG. 9A. 図10は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of a connection form of the temperature sensing diode. 図11は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of a connection form of the temperature sensing diode. 図12は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example of a connection form of the temperature sensing diode. 図13は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of a connection form of the temperature sensing diode. 図14は、前記温度センスダイオードの接続形態の一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an example of a connection form of the temperature sensing diode. 図3の半導体装置のセル領域の構造を示す模式的な平面図である。4 is a schematic plan view showing a structure of a cell region of the semiconductor device of FIG. 3. 図15Bは、図15Aの断面図(B-B線断面図)である。FIG. 15B is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line BB) of FIG. 15A. 図16Aは、図3の半導体装置の温度センス領域の構造を示す模式的な平面図である。16A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sensing region of the semiconductor device of FIG. 3. FIG. 図16Bは、図16Aの断面図(B-B線断面図)である。FIG. 16B is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line BB) of FIG. 16A. 図16Cは、図16Aの断面図(C-C線断面図)である。FIG. 16C is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line CC) of FIG. 16A.

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the attached drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置1の模式的な外観図である。 Figure 1 is a schematic external view of a semiconductor device 1 according to one embodiment of the present invention.

半導体装置1は、ディスクリート半導体デバイスであって、スイッチング素子SWによる単機能を有している。スイッチング素子SWは、たとえば、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)であってもよく、その他、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、JFET(Junction Field Effect Transistor)、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等であってもよい。この実施形態では、スイッチング素子SWがMISFETである場合を示している。平面視四角形のチップとして形成された半導体装置1の表面には、ソースパッド2およびゲートパッド3が形成されている。ソースパッド2が当該表面のほぼ全域を覆っており、ゲートパッド3は、ソースパッド2の内方領域に配置されている。また、図示はしないが、半導体装置1の裏面にはドレイン電極が形成されている。 The semiconductor device 1 is a discrete semiconductor device and has a single function provided by a switching element SW. The switching element SW may be, for example, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor), an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a JFET (Junction Field Effect Transistor), a bipolar transistor, a thyristor, or the like. In this embodiment, the switching element SW is a MISFET. A source pad 2 and a gate pad 3 are formed on the surface of the semiconductor device 1 formed as a square chip in a plan view. The source pad 2 covers almost the entire surface, and the gate pad 3 is disposed in an inner region of the source pad 2. Although not shown, a drain electrode is formed on the back surface of the semiconductor device 1.

半導体装置1には、上記したスイッチング素子SWに加えて、温度センス素子TSが設けられている。温度センス素子TSは、半導体装置1の表面側に配置されている。温度センス素子TSは、スイッチング素子SWから独立しており、スイッチング素子SWによるスイッチング動作に直接寄与しないものである。 In addition to the switching element SW described above, the semiconductor device 1 is provided with a temperature sensing element TS. The temperature sensing element TS is disposed on the front side of the semiconductor device 1. The temperature sensing element TS is independent of the switching element SW and does not directly contribute to the switching operation of the switching element SW.

次に、半導体装置1を備えた半導体モジュール4における過電流保護方式の概要を説明する。図2は、図1の半導体装置1を備える半導体モジュール4の回路図である。 Next, an overview of the overcurrent protection method in the semiconductor module 4 including the semiconductor device 1 will be described. Figure 2 is a circuit diagram of the semiconductor module 4 including the semiconductor device 1 of Figure 1.

半導体モジュール4は、半導体装置1と、短絡保護回路5を有する本発明の第2半導体装置の一例としてのゲートドライバG/Dとを含む。半導体モジュール4は、図2に示した以外の半導体チップ(IC、ディスクリート等)を備えていてもよい。 The semiconductor module 4 includes the semiconductor device 1 and a gate driver G/D as an example of a second semiconductor device of the present invention having a short circuit protection circuit 5. The semiconductor module 4 may include semiconductor chips (ICs, discrete chips, etc.) other than those shown in FIG. 2.

短絡保護回路5は、スイッチング素子SWのゲートGおよび温度センス素子TSに、それぞれ独立して電気的に接続されている。短絡保護回路5は、温度センス素子TSの特性を常時監視している。たとえばスイッチング素子SWに短絡が発生して過電流が流れると、それに伴う発熱によって温度センス素子TSの特性が変化する。短絡保護回路5は、その特性の変化を、スイッチング素子SWにおける短絡の発生として感知し、スイッチング素子SWのゲートGをオフにする。これにより、スイッチング素子SWのソース-ドレイン(S-D)間を流れるドレイン電流Idが遮断され、スイッチング素子SWが保護される。 The short-circuit protection circuit 5 is electrically connected independently to the gate G of the switching element SW and the temperature sensing element TS. The short-circuit protection circuit 5 constantly monitors the characteristics of the temperature sensing element TS. For example, if a short circuit occurs in the switching element SW and an overcurrent flows, the characteristics of the temperature sensing element TS change due to the associated heat generation. The short-circuit protection circuit 5 detects this change in characteristics as the occurrence of a short circuit in the switching element SW and turns off the gate G of the switching element SW. This blocks the drain current Id flowing between the source and drain (S-D) of the switching element SW, protecting the switching element SW.

図3は、図1の半導体装置1の平面構造をより具体的に示す図である。 Figure 3 is a diagram showing the planar structure of the semiconductor device 1 in Figure 1 in more detail.

半導体装置1は、その外形を定義する半導体基板6を含み、半導体基板6上にスイッチング素子SWおよび温度センス素子TSが形成された構造を有している。 The semiconductor device 1 includes a semiconductor substrate 6 that defines its external shape, and has a structure in which a switching element SW and a temperature sensing element TS are formed on the semiconductor substrate 6.

半導体基板6は、平面視四角形の形状を有しており、その表面のほぼ全域が平面視略四角形のソースパッド2に覆われている。ソースパッド2の下方の大部分には、スイッチング素子SWを構成するセル領域7が形成されている。ゲートパッド3は、半導体基板6の外周辺の少なくとも一辺に配置されている。ゲートパッド3には、ゲートフィンガー8が接続されている。ゲートフィンガー8は、半導体基板6の中央部に延びてセル領域7を一方側および他方側に振り分けると共に、半導体基板6の周縁部に延びてセル領域7を取り囲んでいる。 The semiconductor substrate 6 has a rectangular shape in plan view, and almost the entire surface is covered by the source pad 2, which is roughly rectangular in plan view. A cell region 7 constituting the switching element SW is formed in a large part below the source pad 2. The gate pad 3 is disposed on at least one side of the outer periphery of the semiconductor substrate 6. The gate finger 8 is connected to the gate pad 3. The gate finger 8 extends to the center of the semiconductor substrate 6 to divide the cell region 7 into one side and the other side, and also extends to the periphery of the semiconductor substrate 6 to surround the cell region 7.

セル領域7の内方領域には、温度センス素子TSを構成する温度センス領域9が形成されている。温度センス領域9は、セル領域7に取り囲まれている。温度センス領域9の位置は、たとえば、半導体基板6の周縁部であってよい。温度センス領域9が半導体基板6の周縁部に配置されていれば、半導体基板6上において、温度センス領域9以外の部分に比較的広い領域を確保できるので、ソースパッド2の面積を広くとることができる。そのため、チップサイズが小型になっても、ソースパッド2に対して、ボンディングプレートや比較的太いボンディングワイヤ等の配線部材を接続することができる。 A temperature sensing region 9 constituting the temperature sensing element TS is formed in the inner region of the cell region 7. The temperature sensing region 9 is surrounded by the cell region 7. The position of the temperature sensing region 9 may be, for example, the peripheral portion of the semiconductor substrate 6. If the temperature sensing region 9 is disposed on the peripheral portion of the semiconductor substrate 6, a relatively large area can be secured on the semiconductor substrate 6 other than the temperature sensing region 9, so that the area of the source pad 2 can be made large. Therefore, even if the chip size is reduced, wiring members such as a bonding plate or a relatively thick bonding wire can be connected to the source pad 2.

平面視において、温度センス領域9を挟むように、第1電極10および第2電極11が設けられている。つまり、半導体基板6上に、対をなす第1電極10および第2電極11が互いに間隔を空けて配置されており、第1電極10と第2電極11との間の領域に温度センス領域9が形成されている。第1電極10および第2電極11は、たとえば、ゲートパッド3が配置された半導体基板6の一辺に沿って並べて配置されている。これにより、ゲートパッド3、第1電極10および第2電極11のそれぞれから、ボンディングワイヤ等の配線部材を同じ方向(図3では、紙面左方向)に引き出しやすくなる。また、第1電極10および第2電極11、ならびに、ソースパッド2、ゲートパッド3およびゲートフィンガー8は、同一材料の電極膜からなり、たとえば、半導体基板6上に当該電極膜を形成した後、当該電極膜をパターニングすることによって同時に形成することができる。
<セル構造>
図4Aは、図3の半導体装置1のセル領域7の構造(プレーナゲート構造)を示す模式的な平面図である。図4Bは、図4Aの断面図(B-B線断面図)である。
In plan view, the first electrode 10 and the second electrode 11 are provided so as to sandwich the temperature sensing region 9. That is, the pair of the first electrode 10 and the second electrode 11 are arranged on the semiconductor substrate 6 with a gap between them, and the temperature sensing region 9 is formed in the region between the first electrode 10 and the second electrode 11. The first electrode 10 and the second electrode 11 are arranged, for example, side by side along one side of the semiconductor substrate 6 on which the gate pad 3 is arranged. This makes it easier to draw wiring members such as bonding wires from each of the gate pad 3, the first electrode 10, and the second electrode 11 in the same direction (the left direction of the paper in FIG. 3). In addition, the first electrode 10 and the second electrode 11, as well as the source pad 2, the gate pad 3, and the gate finger 8 are made of an electrode film of the same material, and can be formed simultaneously by, for example, forming the electrode film on the semiconductor substrate 6 and then patterning the electrode film.
<Cell structure>
Fig. 4A is a schematic plan view showing the structure (planar gate structure) of the cell region 7 of the semiconductor device 1 of Fig. 3. Fig. 4B is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line BB) of Fig. 4A.

半導体基板6は、たとえば、SiC基板であってもよく、その他、GaN基板、Si基板等であってもよい。また、半導体基板6は、下地基板と、この上に結晶成長したエピタキシャル層とを含むエピタキシャル基板であってよい。この実施形態では、半導体基板6がn型SiCエピタキシャル基板である場合を示している。n型SiCエピタキシャル基板は、n型下地基板と、当該n型下地基板上のn型エピタキシャル層とを含んでいてもよい。n型下地基板の不純物濃度は、たとえば、1.0×1018cm-3~1.0×1020cm-3であり、n型エピタキシャル層の不純物濃度は、たとえば、5.0×1014cm-3~5.0×1016cm-3であってよい。n型の不純物としては、たとえば、N(窒素),As(砒素),P(リン)等が挙げられる。 The semiconductor substrate 6 may be, for example, a SiC substrate, or may be, for example, a GaN substrate, a Si substrate, or the like. The semiconductor substrate 6 may be an epitaxial substrate including a base substrate and an epitaxial layer crystal-grown thereon. In this embodiment, the semiconductor substrate 6 is an n-type SiC epitaxial substrate. The n-type SiC epitaxial substrate may include an n + type base substrate and an n - type epitaxial layer on the n + type base substrate. The impurity concentration of the n + type base substrate may be, for example, 1.0×10 18 cm -3 to 1.0×10 20 cm -3 , and the impurity concentration of the n - type epitaxial layer may be, for example, 5.0×10 14 cm -3 to 5.0×10 16 cm -3 . Examples of n-type impurities include N (nitrogen), As (arsenic), and P (phosphorus).

図4Aおよび図4Bに示すように、セル領域7において半導体基板6の表面部には、複数のp型ボディ領域12が形成されている。複数のp型ボディ領域12は、たとえば、図4Aに示すように平面視マトリクス状(行列状)に形成されていてもよいし、その他、ストライプ状、ハニカム状に形成されていてもよい。隣り合うp型ボディ領域12の間に、スイッチング素子SWの各単位セル13を区画するラインが設定されている。p型ボディ領域12のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3であってよい。p型の不純物としては、たとえば、B(ホウ素),Al(アルミニウム)等が挙げられる。 As shown in Figures 4A and 4B, a plurality of p-type body regions 12 are formed in the surface portion of the semiconductor substrate 6 in the cell region 7. The plurality of p-type body regions 12 may be formed in a matrix shape (row and column shape) in plan view as shown in Figure 4A, or may be formed in a stripe shape or honeycomb shape. Lines are set between adjacent p-type body regions 12 to partition each unit cell 13 of the switching element SW. The p-type impurity concentration of the p-type body region 12 may be, for example, 1 x 1015cm -3 to 1 x 1020cm -3 . Examples of p-type impurities include B (boron) and Al (aluminum).

p型ボディ領域12の内方領域の表面部には、n型ソース領域14がp型ボディ領域12の周縁と間隔を空けて形成されている。n型ソース領域14のn型不純物濃度は、n型の半導体基板6の不純物濃度より高く、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3であってよい。 An n + type source region 14 is formed at a distance from the periphery of the p type body region 12 in the surface portion of the inner region of the p type body region 12. The n type impurity concentration of the n + type source region 14 is higher than the impurity concentration of the n type semiconductor substrate 6 and may be, for example, 1×10 18 cm -3 to 5×10 21 cm -3 .

型ソース領域14の内方領域には、p型ボディコンタクト領域15が形成されている。p型ボディコンタクト領域15は、n型ソース領域14を深さ方向に貫通して形成されている。p型ボディコンタクト領域15のp型不純物濃度は、p型ボディ領域12よりも高く、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3であってよい。 A p + type body contact region 15 is formed in an inner region of the n + type source region 14. The p + type body contact region 15 is formed to penetrate the n + type source region 14 in the depth direction. The p-type impurity concentration of the p + type body contact region 15 is higher than that of the p-type body region 12, and may be, for example, 1×10 18 cm -3 to 5×10 21 cm -3 .

半導体基板6の表面には、ゲート絶縁膜16が形成されている。ゲート絶縁膜16は、たとえば、酸化シリコン(SiO)からなっていてよい。ゲート絶縁膜16の厚さは、たとえば、300Å~600Åであってよい。 A gate insulating film 16 is formed on the surface of the semiconductor substrate 6. The gate insulating film 16 may be made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ). The thickness of the gate insulating film 16 may be, for example, 300 Å to 600 Å.

ゲート絶縁膜16上には、ゲート電極17が形成されている。ゲート電極17は、ゲート絶縁膜16を挟んでp型ボディ領域12の周縁部(平面視でn型ソース領域14を取り囲む部分)に対向している。ゲート電極17は、たとえば、n型ポリシリコン(n型のドープトポリシリコン)からなるが、p型ポリシリコンからなっていてもよい。ゲート電極17の厚さは、たとえば、6000Å~12000Åであってよい。 A gate electrode 17 is formed on the gate insulating film 16. The gate electrode 17 faces the peripheral portion of the p-type body region 12 (the portion surrounding the n + -type source region 14 in a plan view) with the gate insulating film 16 in between. The gate electrode 17 is made of, for example, n-type polysilicon (n-type doped polysilicon), but may be made of p-type polysilicon. The thickness of the gate electrode 17 may be, for example, 6000 Å to 12000 Å.

半導体基板6上の全面には、ゲート電極17を覆う層間絶縁膜18が形成されている。層間絶縁膜18は、たとえば、酸化シリコン(SiO)からなっていてもよいし、後述するように、複数の酸化シリコンからなる膜が積層された構成を有していてもよい(図7I~図7L参照)。層間絶縁膜18の厚さ(複数の膜からなる場合はトータルの厚さ)は、たとえば、1000Å~2000Åであってよい。なお、図示はしないが、層間絶縁膜18には、ソースパッド2とn型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15とを電気的に接続する配線、およびゲートパッド3とゲート電極17とを電気的に接続する配線が、それぞれ貫通して形成されている。
<温度センス素子構造>
図5Aは、図3の半導体装置1の温度センス領域9の構造を示す模式的な平面図である。図5Bは、図5Aの断面図(B-B線断面図)である。図5Cは、図5Bの構造の変形例を示す図である。
An interlayer insulating film 18 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 6 to cover the gate electrode 17. The interlayer insulating film 18 may be made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), or may have a structure in which a plurality of films made of silicon oxide are stacked as described later (see FIGS. 7I to 7L). The thickness of the interlayer insulating film 18 (the total thickness when it is made of a plurality of films) may be, for example, 1000 Å to 2000 Å. Although not shown, wiring electrically connecting the source pad 2 to the n + type source region 14 and the p + type body contact region 15, and wiring electrically connecting the gate pad 3 to the gate electrode 17 are formed to penetrate the interlayer insulating film 18.
<Temperature sensing element structure>
Fig. 5A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sensing region 9 of the semiconductor device 1 of Fig. 3. Fig. 5B is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line B-B) of Fig. 5A. Fig. 5C is a diagram showing a modified example of the structure of Fig. 5B.

図5Aおよび図5Bに示すように、温度センス領域9において半導体基板6の表面部には、p型領域19が形成されている。p型領域19は、p型ボディ領域12と同じ導電型の不純物領域であってよく、そのp型不純物濃度および深さもp型ボディ領域12と同じであってもよい。 As shown in Figures 5A and 5B, a p-type region 19 is formed in the surface portion of the semiconductor substrate 6 in the temperature sensing region 9. The p-type region 19 may be an impurity region of the same conductivity type as the p-type body region 12, and may also have the same p-type impurity concentration and depth as the p-type body region 12.

半導体基板6の表面には、セル領域7のゲート絶縁膜16が温度センス領域9にまで延びて形成されている。温度センス領域9においてゲート絶縁膜16上には、温度センス素子TSの一例としての温度センスダイオード20(pnダイオード)が形成されている。温度センスダイオード20は、ゲート絶縁膜16を挟んで半導体基板6に対向している。たとえば図5Bに示すように、温度センスダイオード20の全体は、半導体基板6の単一の不純物領域(この実施形態では、p型領域19)に対向していてもよい。 On the surface of the semiconductor substrate 6, the gate insulating film 16 of the cell region 7 is formed, extending to the temperature sensing region 9. In the temperature sensing region 9, a temperature sensing diode 20 (pn diode) as an example of a temperature sensing element TS is formed on the gate insulating film 16. The temperature sensing diode 20 faces the semiconductor substrate 6 across the gate insulating film 16. For example, as shown in FIG. 5B, the entire temperature sensing diode 20 may face a single impurity region (in this embodiment, the p-type region 19) of the semiconductor substrate 6.

温度センスダイオード20は、たとえば、単層のポリシリコン層21からなる。ポリシリコン層21からなる温度センスダイオード20は、ゲート電極17と同一工程で形成されることによって、ゲート電極17と同一層に形成されていてもよい。つまり、ポリシリコン層21は、ゲート電極17と同様に6000Å~12000Åの厚さで形成されていてもよい。むろん、ポリシリコン層21は、ゲート電極17と別工程で形成されていてもよいし、ゲート電極17と異なる厚さを有していてもよい。 The temperature sensing diode 20 is made of, for example, a single polysilicon layer 21. The temperature sensing diode 20 made of the polysilicon layer 21 may be formed in the same layer as the gate electrode 17 by being formed in the same process as the gate electrode 17. In other words, the polysilicon layer 21 may be formed to a thickness of 6000 Å to 12000 Å, like the gate electrode 17. Of course, the polysilicon layer 21 may be formed in a process separate from the gate electrode 17, and may have a thickness different from that of the gate electrode 17.

温度センスダイオード20は、p型領域22と、p型領域22を取り囲むn型領域23とを含む。p型領域22をn型領域23で取り囲む構成であれば、p型領域22およびn型領域23が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域22およびn型領域23のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。 The temperature sensing diode 20 includes a p-type region 22 and an n + -type region 23 surrounding the p-type region 22. If the p-type region 22 is surrounded by the n + -type region 23, the p-type region 22 and the n + -type region 23 do not overlap in a planar view, so that no separate wiring or the like is required and contact can be easily made to both the p-type region 22 and the n + -type region 23.

p型領域22およびn型領域23は、それぞれ、図5Bに示すようにポリシリコン層21の表面から裏面に達するように形成されていてもよいし、図示はしないが、ポリシリコン層21の表面部に選択的に形成されていてもよい。なお、p型領域22はn型領域23で取り囲まれていなくてもよく、たとえば、p型領域22およびn型領域23は、互い隣接して形成されることによって、共有しない周縁を一部に有していてもよい。また、p型領域22のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3(p型ボディ領域12と同じ)あってよい。n型領域23のn型不純物濃度は、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3(n型ソース領域14と同じ)であってよい。 The p-type region 22 and the n + -type region 23 may be formed so as to reach the back surface of the polysilicon layer 21 as shown in FIG. 5B, or may be selectively formed on the surface of the polysilicon layer 21, although not shown. The p-type region 22 does not have to be surrounded by the n + -type region 23, and for example, the p-type region 22 and the n + -type region 23 may be formed adjacent to each other, thereby having a portion of the periphery that is not shared. The p-type impurity concentration of the p-type region 22 may be, for example, 1×10 15 cm −3 to 1×10 20 cm −3 (the same as the p-type body region 12). The n-type impurity concentration of the n + -type region 23 may be, for example, 1×10 18 cm −3 to 5×10 21 cm −3 (the same as the n + -type source region 14).

温度センスダイオード20は、さらに、p型コンタクト領域24およびp型外周領域25を含んでいてもよい。p型コンタクト領域24はp型領域22の内方領域にp型領域22の周縁と間隔を空けて形成されており、p型外周領域25は、n型領域23を取り囲むように形成されていてもよい。p型コンタクト領域24およびp型外周領域25は、それぞれ、図5Bに示すようにポリシリコン層21の表面から裏面に達するように形成されていてもよいし、図示はしないが、ポリシリコン層21の表面部に選択的に形成されていてもよい。また、p型コンタクト領域24のp型不純物濃度は、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3(p型ボディコンタクト領域15と同じ)であってよい。p型外周領域25のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3(p型ボディ領域12と同じ)であってよい。 The temperature sensing diode 20 may further include a p + type contact region 24 and a p type peripheral region 25. The p + type contact region 24 may be formed in an inner region of the p type region 22 with a gap between it and the periphery of the p type region 22, and the p type peripheral region 25 may be formed to surround the n + type region 23. The p + type contact region 24 and the p type peripheral region 25 may be formed so as to reach the back surface of the polysilicon layer 21 as shown in FIG. 5B, or may be selectively formed in the surface portion of the polysilicon layer 21, although not shown. The p type impurity concentration of the p + type contact region 24 may be, for example, 1×10 18 cm −3 to 5×10 21 cm −3 (the same as the p + type body contact region 15). The p-type impurity concentration of p-type peripheral region 25 may be, for example, 1×10 15 cm −3 to 1×10 20 cm −3 (the same as p-type body region 12 ).

なお、温度センスダイオード20は、図5Cに示すように、ゲート電極17と反対導電型のp型ポリシリコン(p型のドープトポリシリコン)からなるp型ベース層26と、当該p型ベース層26の表面部に選択的に形成されたn型領域23およびp型コンタクト領域24とを備える構成を有していてもよい。 As shown in FIG. 5C , the temperature sensing diode 20 may have a configuration including a p-type base layer 26 made of p-type polysilicon (p-type doped polysilicon) of the opposite conductivity type to the gate electrode 17, and an n + type region 23 and a p + type contact region 24 selectively formed on the surface portion of the p-type base layer 26.

温度センスダイオード20は、半導体基板6上の層間絶縁膜18に覆われている。第1電極10は、層間絶縁膜18のコンタクトホール27を介して、アノード電極としてp型コンタクト領域24に接続されている。第2電極11は、層間絶縁膜18のコンタクトホール28を介して、カソード電極としてn型領域23に接続されている。温度センスダイオード20の両端に接続された第1電極10および第2電極11は、前述のように、スイッチング素子SW用のソースパッド2およびゲートパッド3とは分離されて形成されたものである。したがって、温度センスダイオード20は、スイッチング素子SWから電気的に独立している。 The temperature sensing diode 20 is covered with an interlayer insulating film 18 on the semiconductor substrate 6. The first electrode 10 is connected to the p + type contact region 24 as an anode electrode through a contact hole 27 in the interlayer insulating film 18. The second electrode 11 is connected to the n + type region 23 as a cathode electrode through a contact hole 28 in the interlayer insulating film 18. The first electrode 10 and the second electrode 11 connected to both ends of the temperature sensing diode 20 are formed separately from the source pad 2 and the gate pad 3 for the switching element SW, as described above. Therefore, the temperature sensing diode 20 is electrically independent from the switching element SW.

ポリシリコンは、既に確立されている半導体製造技術によって所望の形状および位置に簡単に形成することができる。そのため、温度センスダイオード20を、スイッチング素子SWの近傍、半導体基板6の発熱部である表面近傍に形成し、半導体基板6の温度変化を高い精度で検出することができる。たとえば、この温度センスダイオード20に定電流を印加し、温度センスダイオード20の順方向電圧Vを監視しておくことによって、半導体基板6の温度変化を検出することができる。定電流として、たとえば、1μAを印加し、順方向電圧Vを監視すればよい。電流としては、1μA~100μAの範囲の定電流とすればよい。 Polysilicon can be easily formed in a desired shape and position by using already established semiconductor manufacturing technology. Therefore, the temperature sensing diode 20 can be formed near the switching element SW and near the surface of the semiconductor substrate 6, which is a heat generating portion, to detect temperature changes in the semiconductor substrate 6 with high accuracy. For example, a constant current is applied to the temperature sensing diode 20 and the forward voltage VF of the temperature sensing diode 20 is monitored, thereby detecting temperature changes in the semiconductor substrate 6. For example, a constant current of 1 μA may be applied and the forward voltage VF may be monitored. The current may be a constant current in the range of 1 μA to 100 μA.

第2電極11は、層間絶縁膜18上において、一部に開放部29を有する環状のコンタクト部30と、当該コンタクト部30から延びるライン状の引き出し部31とを一体的に含む。コンタクト部30は、平面視でp型領域22を取り囲んでいる。また、コンタクトホール28は、コンタクト部30に沿って一部が開放された環状に形成されている。 The second electrode 11 is integral with the interlayer insulating film 18 and includes a ring-shaped contact portion 30 having an open portion 29 in one portion, and a linear extraction portion 31 extending from the contact portion 30. The contact portion 30 surrounds the p-type region 22 in a plan view. The contact hole 28 is formed in a ring shape with a portion open along the contact portion 30.

第1電極10は、層間絶縁膜18上において、第2電極11のコンタクト部30で取り囲まれたコンタクト部32と、当該コンタクト部32から開放部29を通過して延びるライン状の引き出し部33とを一体的に含む。コンタクト部32は、p型コンタクト領域24上に配置されている。また、コンタクトホール27は、コンタクト部32の下方に重なるように形成されている。 The first electrode 10 integrally includes, on the interlayer insulating film 18, a contact portion 32 surrounded by the contact portion 30 of the second electrode 11, and a linear extraction portion 33 extending from the contact portion 32 through the opening 29. The contact portion 32 is disposed on the p + type contact region 24. The contact hole 27 is formed so as to overlap below the contact portion 32.

次に、半導体装置1の製造方法を説明する。図6は、半導体装置1の製造工程のフロー図である。図7A~図7Lは、半導体装置1の製造工程の一部を工程順に示す図である。なお、図7A~図7Lは、それぞれ、図6のステップ一つ一つに対応するものではない。以下では、半導体装置1の製造工程を図6のフローに従って説明し、必要に応じて図7A~図7Lを参照する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device 1 will be described. Figure 6 is a flow diagram of the manufacturing process of the semiconductor device 1. Figures 7A to 7L are diagrams showing some of the manufacturing process of the semiconductor device 1 in the order of steps. Note that Figures 7A to 7L do not correspond to each of the steps in Figure 6. Below, the manufacturing process of the semiconductor device 1 will be described according to the flow in Figure 6, and Figures 7A to 7L will be referred to as necessary.

半導体装置1を製造するには、たとえば、エピタキシャル成長によって、n型下地基板上にn型エピタキシャル層が形成される(ステップS1)。これにより、半導体基板6が形成される。 To manufacture the semiconductor device 1, for example, an n- type epitaxial layer is formed on an n + type base substrate by epitaxial growth (step S1), thereby forming a semiconductor substrate 6.

次に、半導体基板6にp型不純物を選択的に注入することによってp型ボディ領域12およびp型領域19が形成される(ステップS2)。同様に、半導体基板6にn型不純物およびp型不純物を選択的に注入することによって、n型ソース領域14およびp型ボディコンタクト領域15が形成される(ステップS3,S4)。 Next, the p-type body region 12 and the p-type region 19 are formed by selectively injecting p-type impurities into the semiconductor substrate 6 (step S2). Similarly, the n + type source region 14 and the p+ type body contact region 15 are formed by selectively injecting n-type impurities and p - type impurities into the semiconductor substrate 6 (steps S3 and S4).

次に、図7Aに示すように、半導体基板6を熱酸化することによって、半導体基板6の表面にゲート絶縁膜16が形成される(ステップS5)。次に、たとえばCVD法によって、ゲート電極17および温度センスダイオード20のベースとなるポリシリコン層21が形成される(ステップS6)。次に、たとえばCVD法によって、酸化シリコン(SiO)からなるハードマスク34(たとえば、厚さが9000Å程度)が形成される(ステップS7)。 7A, the semiconductor substrate 6 is thermally oxidized to form a gate insulating film 16 on the surface of the semiconductor substrate 6 (step S5). Next, the gate electrode 17 and the polysilicon layer 21 serving as the base of the temperature sensing diode 20 are formed by, for example, CVD (step S6). Next, a hard mask 34 (e.g., with a thickness of about 9000 Å) made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed by, for example, CVD (step S7).

次に、図7Bに示すように、ハードマスク34のリソグラフィ用のレジスト膜35が形成される(ステップS8)。レジスト膜35は、p型領域22およびn型領域23を形成すべき領域36上のハードマスク34を覆うように形成される。 7B, a resist film 35 for lithography of the hard mask 34 is formed (step S8). The resist film 35 is formed so as to cover the hard mask 34 on a region 36 where the p-type region 22 and the n + -type region 23 are to be formed.

次に、図7Cに示すように、レジスト膜35を介してハードマスク34が選択的にエッチングされる(ステップS9)。エッチングは、たとえば、フッ酸によるウエットエッチングで行われてよい。エッチング後、レジスト膜35は除去される。 Next, as shown in FIG. 7C, the hard mask 34 is selectively etched through the resist film 35 (step S9). The etching may be performed by wet etching using hydrofluoric acid, for example. After etching, the resist film 35 is removed.

次に、図7Dに示すように、ポリシリコン層21のハードマスク34から露出している領域37(ポリシリコン層21の領域36以外の領域)にn型不純物(たとえば、リン)を堆積し、たとえば1000℃程度で拡散させることによって、当該領域37にn型不純物が導入される(ステップS10)。これにより、ポリシリコン層21のゲート電極17部分を含む領域37がn型ポリシリコンとなる一方、領域36はノンドープの状態が維持される。 Next, as shown in FIG. 7D, n-type impurities (e.g., phosphorus) are deposited in region 37 (region other than region 36 of polysilicon layer 21) exposed from hard mask 34 of polysilicon layer 21, and are diffused at about 1000° C., for example, to introduce n-type impurities into region 37 (step S10). As a result, region 37 including gate electrode 17 of polysilicon layer 21 becomes n-type polysilicon, while region 36 remains undoped.

次に、図7Eに示すように、ポリシリコン層21上に残っているハードマスク34がエッチングによって除去される(ステップS11)。エッチングは、たとえば、フッ酸によるウエットエッチングで行われてよい。 Next, as shown in FIG. 7E, the hard mask 34 remaining on the polysilicon layer 21 is removed by etching (step S11). The etching may be performed by wet etching using hydrofluoric acid, for example.

次に、図7Fに示すように、ポリシリコン層21のゲート電極17部分をマスク(図示せず)で選択的に覆った状態で、p型不純物であるホウ素がポリシリコン層21の全面に注入される(ステップS12)。これにより、ポリシリコン層21の表面から厚さ方向途中までの領域が、p型領域38となる。 Next, as shown in FIG. 7F, while the gate electrode 17 portion of the polysilicon layer 21 is selectively covered with a mask (not shown), boron, which is a p-type impurity, is implanted into the entire surface of the polysilicon layer 21 (step S12). As a result, the region from the surface of the polysilicon layer 21 to the middle of the thickness direction becomes a p-type region 38.

次に、図7Gに示すように、ポリシリコン層21のn型領域23を形成すべき領域を選択的に露出させるマスク(図示せず)がリソグラフィによって形成された後、当該マスクを介して、n型不純物が領域36に注入される(ステップS13)。これにより、n型領域23が形成される。このときn型領域23は、図7Gに示すように、ポリシリコン層21の表面から厚さ方向途中までしか形成されていなくてもよい。 Next, as shown in Fig. 7G, a mask (not shown) is formed by lithography to selectively expose the region of the polysilicon layer 21 where the n + type region 23 is to be formed, and then n-type impurities are implanted into the region 36 through the mask (step S13). This forms the n + type region 23. At this time, the n + type region 23 may be formed only halfway through the thickness direction from the surface of the polysilicon layer 21 as shown in Fig. 7G.

次に、図7Hに示すように、ポリシリコン層21のp型コンタクト領域24を形成すべき領域を選択的に露出させるマスク(図示せず)がリソグラフィによって形成された後、当該マスクを介して、p型不純物が領域36に注入される(ステップS14)。これにより、p型コンタクト領域24が形成される。このときp型コンタクト領域24は、図7Hに示すように、ポリシリコン層21の表面から厚さ方向途中までしか形成されていなくてもよい。 Next, as shown in Fig. 7H, a mask (not shown) is formed by lithography to selectively expose the region of the polysilicon layer 21 where the p + type contact region 24 is to be formed, and then p-type impurities are implanted into the region 36 through the mask (step S14). This forms the p + type contact region 24. At this time, the p + type contact region 24 may be formed only halfway through the thickness direction from the surface of the polysilicon layer 21, as shown in Fig. 7H.

次に、図7Iに示すように、ポリシリコン層21の温度センスダイオード20およびゲート電極17を形成すべき領域を選択的に覆うハードマスク39が形成された後、当該ハードマスク39を介してポリシリコン層21が選択的にエッチングされる。これにより、温度センスダイオード20およびゲート電極17(図7Iに記載なし)が形成される。 Next, as shown in FIG. 7I, a hard mask 39 is formed to selectively cover the regions of the polysilicon layer 21 where the temperature sensing diode 20 and the gate electrode 17 are to be formed, and then the polysilicon layer 21 is selectively etched through the hard mask 39. This forms the temperature sensing diode 20 and the gate electrode 17 (not shown in FIG. 7I).

次に、図7Jに示すように、ハードマスク39を残した状態で、たとえばCVD法によって、複数の絶縁膜が形成される。複数の絶縁膜は、たとえば、図7Jに示すように、下側の酸化シリコン膜40(たとえば、NSG(Non-doped Silicate Glass)膜)と、上側の酸化シリコン膜41(たとえば、PSG(Phosphorus Silicate Glass)膜、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)膜等)とを含んでいてもよい。これにより、ハードマスク39、酸化シリコン膜40および酸化シリコン膜41からなる層間絶縁膜18が形成される(ステップS15)。 Next, as shown in FIG. 7J, multiple insulating films are formed by, for example, CVD while leaving the hard mask 39. For example, as shown in FIG. 7J, the multiple insulating films may include a lower silicon oxide film 40 (for example, a non-doped silicate glass (NSG) film) and an upper silicon oxide film 41 (for example, a phosphorus silicate glass (PSG) film, a boron phosphorus silicate glass (BPSG) film, etc.). This forms an interlayer insulating film 18 consisting of the hard mask 39, the silicon oxide film 40, and the silicon oxide film 41 (step S15).

次に、図7Kに示すように、層間絶縁膜18を選択的にエッチングすることによって、コンタクトホール27,28が形成される(ステップS16)。 Next, as shown in FIG. 7K, contact holes 27 and 28 are formed by selectively etching the interlayer insulating film 18 (step S16).

次に、図7Lに示すように、半導体基板6が加熱処理(リフロー)される(ステップS17)。当該加熱処理は、たとえば、窒素(N)雰囲気下、900℃~1200℃で5分~15分間行われる。これにより、ポリシリコン層21の表面部に留まっていたp型領域38、n型領域23およびp型コンタクト領域24が、ポリシリコン層21の裏面に達するまで拡散する。 7L, the semiconductor substrate 6 is subjected to a heat treatment (reflow) (step S17). The heat treatment is performed, for example, in a nitrogen (N 2 ) atmosphere at 900° C. to 1200° C. for 5 to 15 minutes. As a result, the p-type region 38, the n + -type region 23, and the p + -type contact region 24 that remained in the surface portion of the polysilicon layer 21 diffuse until they reach the rear surface of the polysilicon layer 21.

その後は、各種配線、ソースパッド2、ゲートパッド3、第1電極10、第2電極11およびパッシベーション膜等が形成されることによって、半導体装置1が得られる。 After that, various wirings, a source pad 2, a gate pad 3, a first electrode 10, a second electrode 11, a passivation film, etc. are formed to obtain a semiconductor device 1.

次に、半導体モジュール4における半導体装置1の動作、および過電流保護方式をより具体的に説明する。 Next, we will explain in more detail the operation of the semiconductor device 1 in the semiconductor module 4 and the overcurrent protection method.

半導体モジュール4における電気的な回路構成は、図2に示した通りである。そのように接続された半導体装置1には、ゲートドライバG/Dによって電圧が印加される。具体的には、主に図3および図4Bを参照して、ソースパッド2とドレイン電極(図示せず)との間に、ドレイン電極側が正となるバイアス電圧が与えられる。これにより、n型の半導体基板6とp型ボディ領域12との界面のpn接合には逆方向電圧が与えられ、その結果、n型ソース領域14と半導体基板6と間、すなわち、ソース-ドレイン間は、遮断状態となる。この状態で、ソースパッド2とゲートパッド3との間に、ゲートパッド3側が正となる所定の電圧を与えると、p型ボディ領域12に対するバイアスがゲート電極17に与えられる。これにより、p型ボディ領域12の周縁部には、電子が誘起されて、反転チャネルが形成される。この反転チャネルを介して、n型ソース領域14と半導体基板6と間が導通する。こうして、ソース-ドレイン間が導通してドレイン電流Idが流れることになる。 The electrical circuit configuration of the semiconductor module 4 is as shown in FIG. 2. A voltage is applied to the semiconductor device 1 connected in this manner by the gate driver G/D. Specifically, referring mainly to FIG. 3 and FIG. 4B, a bias voltage is applied between the source pad 2 and the drain electrode (not shown) such that the drain electrode side is positive. As a result, a reverse voltage is applied to the pn junction at the interface between the n-type semiconductor substrate 6 and the p-type body region 12, and as a result, a state is cut off between the n + type source region 14 and the semiconductor substrate 6, that is, between the source and the drain. In this state, when a predetermined voltage is applied between the source pad 2 and the gate pad 3 such that the gate pad 3 side is positive, a bias is applied to the gate electrode 17 with respect to the p-type body region 12. As a result, electrons are induced in the periphery of the p-type body region 12, and an inversion channel is formed. Through this inversion channel, the n + type source region 14 and the semiconductor substrate 6 are electrically connected. Thus, the source and the drain are electrically connected, and a drain current Id flows.

一方、図5Aおよび図5Bを参照して、温度センスダイオード20には、ゲートドライバG/Dによって定電流が印加される。また、ゲートドライバG/Dの短絡保護回路5は、温度センスダイオード20の順方向電圧Vを常時監視している。通常時、温度センスダイオード20のI-V特性は、たとえば、図8に実線で示した曲線を描いている。 5A and 5B, a constant current is applied to the temperature sensing diode 20 by the gate driver G/D. Also, the short circuit protection circuit 5 of the gate driver G/D constantly monitors the forward voltage VF of the temperature sensing diode 20. Normally, the I-V characteristic of the temperature sensing diode 20 is, for example, as shown by the solid line in FIG.

そして、図4Aおよび図4Bのスイッチング素子SW(MISFET)に短絡が発生して過電流が流れると、半導体基板6の表面側で温度上昇が発生する。この温度上昇は、セル領域7と共通の半導体基板6上に形成された温度センス領域9(図5B参照)にも伝わるので、温度センス領域9では、当該温度上昇に伴って温度センスダイオード20の順方向電圧Vが低下する。たとえば、図8に破線で示した曲線のように、温度センスダイオード20の立ち上がり電圧が低電圧側にシフトする。短絡保護回路5は、この順方向電圧Vの低下を、スイッチング素子SWにおける短絡の発生として感知し、ゲートパッド3に印加している電圧をオフにする。これにより、スイッチング素子SWのソース-ドレイン(S-D)間を流れるドレイン電流Idが遮断され、スイッチング素子SWが保護される。 4A and 4B, when a short circuit occurs in the switching element SW (MISFET) and an overcurrent flows, a temperature rise occurs on the surface side of the semiconductor substrate 6. This temperature rise is also transmitted to the temperature sense region 9 (see FIG. 5B) formed on the semiconductor substrate 6 common to the cell region 7, and in the temperature sense region 9, the forward voltage VF of the temperature sense diode 20 decreases with the temperature rise. For example, as shown by the curve shown by the dashed line in FIG. 8, the rise voltage of the temperature sense diode 20 shifts to the low voltage side. The short circuit protection circuit 5 detects this decrease in the forward voltage VF as the occurrence of a short circuit in the switching element SW, and turns off the voltage applied to the gate pad 3. This blocks the drain current Id flowing between the source and drain (S-D) of the switching element SW, and the switching element SW is protected.

このように、たとえば短絡等によってスイッチング素子SWに過電流が流れたときには、当該過電流による半導体基板6の温度上昇を温度センスダイオード20の順方向電圧Vの低下に基づいて検出し、当該検出結果に従って、スイッチング素子SWに過電流が流れているか否かを判別することができる。しかも、監視対象がスイッチング素子SWに流れるセンス電流ではないので、当該センス電流にノイズが入って重畳した場合でも、当該重畳電流に起因して過電流と誤って検出することがない。そのため、電流ノイズによる誤動作を低減することができる。また、従来の過電流保護方式とは異なり、一定の待ち時間(マスク時間)を設けないか、設けても短時間で済むため、過電流によってデバイスが破壊に至る時間が比較的短い低オン抵抗デバイス(SiC、GaN等)に非常に効果的である。 In this way, when an overcurrent flows through the switching element SW due to, for example, a short circuit, the temperature rise of the semiconductor substrate 6 caused by the overcurrent is detected based on the drop in the forward voltage VF of the temperature sensing diode 20, and it is possible to determine whether or not an overcurrent flows through the switching element SW according to the detection result. Moreover, since the object to be monitored is not the sense current flowing through the switching element SW, even if noise is superimposed on the sense current, the sense current is not erroneously detected as an overcurrent due to the superimposed current. Therefore, it is possible to reduce malfunctions caused by current noise. Also, unlike conventional overcurrent protection methods, a certain waiting time (mask time) is not required, or if it is required, it is only required for a short time, so that it is very effective for low on-resistance devices (SiC, GaN, etc.) in which the time it takes for the device to be destroyed by an overcurrent is relatively short.

また、この実施形態では、図5Bに示すように、温度センスダイオード20が、ゲート電極17と同一層のポリシリコン層21からなるので、温度センスダイオード20の形成に伴う工程数の増加を抑制することができる。また、層間絶縁膜18等の比較的厚い膜に比べて薄いゲート絶縁膜16を介して温度センスダイオード20を半導体基板6上に配置することができる。そのため、温度センスダイオード20の位置を、半導体基板6の表面側の電流経路直近にまで近づけることができる。これにより、半導体基板6の温度変化を検出する精度を向上させることができる。 In addition, in this embodiment, as shown in FIG. 5B, the temperature sensing diode 20 is made of the polysilicon layer 21 in the same layer as the gate electrode 17, so that an increase in the number of steps involved in forming the temperature sensing diode 20 can be suppressed. In addition, the temperature sensing diode 20 can be disposed on the semiconductor substrate 6 via a thin gate insulating film 16 compared to a relatively thick film such as the interlayer insulating film 18. Therefore, the position of the temperature sensing diode 20 can be brought close to the current path on the surface side of the semiconductor substrate 6. This improves the accuracy of detecting temperature changes in the semiconductor substrate 6.

図9Aは、図3の半導体装置1の温度センス領域9の構造を示す模式的な平面図である。図9Bは、図9Aの断面図(B-B線断面図)である。図9Aおよび図9Bは、温度センス領域9の構造の他の一例を示している。図9Aおよび図9Bにおいて、前述の図5Aおよび図5Bに示した構成要素と同じものには同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Figure 9A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sensing region 9 of the semiconductor device 1 of Figure 3. Figure 9B is a cross-sectional view (cross-sectional view along line B-B) of Figure 9A. Figures 9A and 9B show another example of the structure of the temperature sensing region 9. In Figures 9A and 9B, the same components as those shown in Figures 5A and 5B described above are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted.

図5Aおよび図5Bでは、温度センスダイオード20は、半導体基板6上のポリシリコン層21からなっていたが、図9Aおよび図9Bの温度センスダイオード42(pnダイオード)は、半導体基板6の表面部に選択的に形成された不純物領域からなる。具体的には、温度センスダイオード42は、p型領域43と、平面視でp型領域43を取り囲むn型領域44とを含む。p型領域43をn型領域44で取り囲む構成であれば、p型領域43およびn型領域44が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域43およびn型領域44のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。 In Figures 5A and 5B, the temperature sensing diode 20 is made of a polysilicon layer 21 on the semiconductor substrate 6, but the temperature sensing diode 42 (pn diode) in Figures 9A and 9B is made of an impurity region selectively formed on the surface of the semiconductor substrate 6. Specifically, the temperature sensing diode 42 includes a p-type region 43 and an n + type region 44 surrounding the p-type region 43 in a planar view. If the p-type region 43 is surrounded by the n + type region 44, the p-type region 43 and the n + type region 44 do not overlap in a planar view, so that no separate wiring is required and contact can be easily made with both the p-type region 43 and the n + type region 44.

p型領域43は、p型領域19の一部からなる。一方、n型領域44は、p型領域19の表面部にフローティングした状態で形成されている。このn型領域44は、n型ソース領域14(図4B参照)と同一工程で形成されていてもよい。つまり、n型領域44は、n型ソース領域14と同様に1×1018cm-3~5×1021cm-3のn型不純物濃度を有していてもよく、また、同じ深さで形成されていてもよい。 The p-type region 43 is made of a part of the p-type region 19. On the other hand, the n + -type region 44 is formed in a floating state on the surface portion of the p-type region 19. This n + -type region 44 may be formed in the same process as the n + -type source region 14 (see FIG. 4B). That is, the n + -type region 44 may have an n-type impurity concentration of 1×10 18 cm -3 to 5×10 21 cm -3 like the n + -type source region 14, and may be formed to the same depth.

温度センスダイオード42は、さらに、p型コンタクト領域45およびp型外周領域46を含んでいてもよい。p型コンタクト領域45はp型領域43の内方領域にp型領域43の周縁と間隔を空けて形成されており、p型外周領域46は、n型領域44を取り囲むように形成されていてもよい。p型外周領域46は、p型領域19の一部からなり、n型領域44の下方のp型領域19を介してp型領域43と電気的に接続されている。一方、p型コンタクト領域45は、p型領域19の表面部にフローティングした状態で形成されている。このp型コンタクト領域45は、p型ボディコンタクト領域15(図4B参照)と同一工程で形成されていてもよい。つまり、p型コンタクト領域45は、p型ボディコンタクト領域15と同様に1×1018cm-3~5×1021cm-3のp型不純物濃度を有していてもよく、また、同じ深さで形成されていてもよい。 The temperature sensing diode 42 may further include a p + type contact region 45 and a p-type peripheral region 46. The p + type contact region 45 is formed in an inner region of the p-type region 43 with a gap between it and the periphery of the p-type region 43, and the p-type peripheral region 46 may be formed to surround the n + type region 44. The p-type peripheral region 46 is made of a part of the p-type region 19 and is electrically connected to the p-type region 43 via the p-type region 19 below the n + type region 44. On the other hand, the p + type contact region 45 is formed in a floating state on the surface portion of the p-type region 19. This p + type contact region 45 may be formed in the same process as the p + type body contact region 15 (see FIG. 4B). That is, the p + type contact region 45 may have a p-type impurity concentration of 1×10 18 cm −3 to 5×10 21 cm −3 like the p + type body contact region 15, and may be formed to the same depth.

第1電極10は、層間絶縁膜18のコンタクトホール27を介して、アノード電極としてp型コンタクト領域45に接続されている。第2電極11は、層間絶縁膜18のコンタクトホール28を介して、カソード電極としてn型領域44に接続されている。 The first electrode 10 is connected to the p + type contact region 45 as an anode electrode through a contact hole 27 in the interlayer insulating film 18. The second electrode 11 is connected to the n + type region 44 as a cathode electrode through a contact hole 28 in the interlayer insulating film 18.

以上、上記の温度センスダイオード42によっても、前述の温度センスダイオード20と同様の機能を果たすことができる。さらに、温度センスダイオード42は半導体基板6自体に形成されているため、温度センスダイオード20の場合よりも、半導体基板6の発熱部である表面側の電流経路にpn接合部を近づけることができる。これにより、半導体基板6の温度変化を高い精度で検出することができる。また、不純物領域からなるpnダイオードであれば、高温領域(たとえば200℃以上)においても良好に動作するので、特に、SiC、GaN等のパワーデバイスに特に有効である。 As described above, the temperature sensing diode 42 can perform the same function as the temperature sensing diode 20 described above. Furthermore, since the temperature sensing diode 42 is formed in the semiconductor substrate 6 itself, the pn junction can be brought closer to the current path on the front side, which is the heat generating part of the semiconductor substrate 6, than in the case of the temperature sensing diode 20. This allows the temperature change of the semiconductor substrate 6 to be detected with high accuracy. Furthermore, a pn diode made of an impurity region operates well even in high temperature regions (e.g., 200°C or higher), and is therefore particularly effective for power devices such as SiC and GaN.

次に、温度センスダイオード20,42を複数設ける場合の接続形態のバリエーションを説明する。図10~図14は、それぞれ、温度センスダイオード20,42の接続形態の一例を示す図である。なお、図10~図14では、前述の図5Aおよび図9Aで示した構成要素のうち、説明に必要な要素にのみ参照符号を付している。 Next, variations in the connection configuration when multiple temperature sensing diodes 20, 42 are provided will be described. Figures 10 to 14 are diagrams each showing an example of the connection configuration of the temperature sensing diodes 20, 42. Note that in Figures 10 to 14, reference symbols are given only to the components shown in Figures 5A and 9A above that are necessary for the explanation.

まず、図10に示すように、複数の温度センスダイオード20,42は、一方の第1電極10(アノード)と他方の第2電極11(カソード)とが直列に接続されることによって構成された直列接続単位47を含んでいてもよい。直列接続単位47は、図10に示すように2つの温度センスダイオード20,42で構成されていてもよいし、図示はしないが、3つ以上の温度センスダイオード20,42で構成されていてもよい。 First, as shown in FIG. 10, the multiple temperature sensing diodes 20, 42 may include a series-connected unit 47 configured by connecting the first electrode 10 (anode) of one side and the second electrode 11 (cathode) of the other side in series. The series-connected unit 47 may be configured with two temperature sensing diodes 20, 42 as shown in FIG. 10, or may be configured with three or more temperature sensing diodes 20, 42, although not shown.

図10の構成によれば、図8に示した順方向電圧Vの温度変化量(シフト量)が温度センスダイオード20,42の接続数に比例して増加するので、温度変化の検出感度を向上させることができる。たとえば、温度センスダイオード20,42の1つ当たりの順方向電圧Vの振れ幅がXmV/℃であるとき、温度センスダイオード20,42を5つ直列に接続して直列接続単位47を構成すれば、直列接続単位47トータルでの振れ幅を5XmV/℃にすることができる。 10, it is possible to improve the sensitivity of detecting temperature changes because the amount of change (shift) in the forward voltage VF shown in FIG. 8 increases in proportion to the number of connected temperature sense diodes 20, 42. For example, when the amplitude of the forward voltage VF per one of the temperature sense diodes 20, 42 is XmV/°C, if five temperature sense diodes 20, 42 are connected in series to form a series-connected unit 47, it is possible to make the amplitude of the series-connected unit 47 in total 5XmV/°C.

次に、図11に示すように、少なくとも一対の直列接続単位47が、互いに逆向きに並列接続されていてもよい。つまり、一方の直列接続単位47の末端第1電極10が他方の直列接続単位47の末端第2電極11に接続されて端子48とされ、一方の直列接続単位47の末端第2電極11が他方の直列接続単位47の末端第1電極10に接続されて端子49とされていてもよい。 Next, as shown in FIG. 11, at least a pair of series-connected units 47 may be connected in parallel in the opposite directions. That is, the terminal first electrode 10 of one series-connected unit 47 may be connected to the terminal second electrode 11 of the other series-connected unit 47 to form a terminal 48, and the terminal second electrode 11 of one series-connected unit 47 may be connected to the terminal first electrode 10 of the other series-connected unit 47 to form a terminal 49.

図11の構成によれば、複数の直列接続単位47を合せた温度センスダイオード20,42の集合体の端子48,49にアノード側およびカソード側の極性の区別がなくなるので、半導体モジュール4(図2参照)等を組み立てるときにボンディングワイヤ等の配線の自由度を向上させることができる。つまり、一方の直列接続単位47に逆方向バイアスが印加されても、そのとき、他方の直列接続単位47には順方向バイアスが印加されるので、少なくとも一方を温度センスダイオードとして機能させることができる。 According to the configuration of FIG. 11, the terminals 48, 49 of the assembly of temperature sensing diodes 20, 42, which are made up of multiple series-connected units 47, do not have to be differentiated between anode and cathode polarities, which improves the degree of freedom of wiring such as bonding wires when assembling a semiconductor module 4 (see FIG. 2) or the like. In other words, even if a reverse bias is applied to one series-connected unit 47, a forward bias is applied to the other series-connected unit 47 at that time, so that at least one of them can function as a temperature sensing diode.

次に、図12に示すように、複数の温度センスダイオード20,42は、一方および他方の第1電極10(アノード)同士、または、一方および他方の第2電極11(カソード)同士が直列に接続されることによって構成された逆直列接続単位50を含んでいてもよい。逆直列接続単位50は、図12に示すように2つの温度センスダイオード20,42で構成されていてもよいし、図示はしないが、3つ以上の温度センスダイオード20,42で構成されていてもよい。さらに、この逆直列接続単位50は、図13に示すように、複数個逆直列に接続されていてもよい。 Next, as shown in FIG. 12, the multiple temperature sensing diodes 20, 42 may include an anti-series connection unit 50 configured by connecting one and the other first electrodes 10 (anodes) in series, or one and the other second electrodes 11 (cathodes) in series. The anti-series connection unit 50 may be configured with two temperature sensing diodes 20, 42 as shown in FIG. 12, or may be configured with three or more temperature sensing diodes 20, 42, although not shown. Furthermore, multiple anti-series connection units 50 may be connected in anti-series as shown in FIG. 13.

図12および図13の構成によれば、逆直列接続単位50を構成する温度センスダイオード20,42のうち少なくとも一つには逆バイアスが印加されることになるので、当該逆直列接続単位50トータルでの抵抗が高くなる。そのため、温度センスダイオード20,42の温度変化の監視に必要な電流を小さく抑えることができ、省電力化を達成することができる。 According to the configurations of Figures 12 and 13, a reverse bias is applied to at least one of the temperature sensing diodes 20, 42 that make up the reverse series connection unit 50, so the total resistance of the reverse series connection unit 50 increases. Therefore, the current required to monitor the temperature change of the temperature sensing diodes 20, 42 can be kept small, and power saving can be achieved.

次に、図14に示すように、温度センスダイオード20,42は、少なくとも一対が互いに逆向きに並列接続された構成を含んでいてもよい。つまり、一方の温度センスダイオード20,42の第1電極10が他方の温度センスダイオード20,42の第2電極11に接続されて端子51とされ、一方の温度センスダイオード20,42の第2電極11が他方の温度センスダイオード20,42の第1電極10に接続されて端子52とされていてもよい。 Next, as shown in FIG. 14, the temperature sensing diodes 20, 42 may include a configuration in which at least one pair is connected in parallel in the opposite directions. In other words, the first electrode 10 of one temperature sensing diode 20, 42 may be connected to the second electrode 11 of the other temperature sensing diode 20, 42 to form a terminal 51, and the second electrode 11 of one temperature sensing diode 20, 42 may be connected to the first electrode 10 of the other temperature sensing diode 20, 42 to form a terminal 52.

図14の構成によれば、図11の構成と同様に、温度センスダイオード20,42の集合体の端子51,52にアノード側およびカソード側の極性の区別がなくなるので、半導体モジュール4(図2参照)等を組み立てるときにボンディングワイヤ等の配線の自由度を向上させることができる。つまり、一方の温度センスダイオード20,42に逆方向バイアスが印加されても、そのとき、他方の温度センスダイオード20,42には順方向バイアスが印加されるので、少なくとも一方を温度センスダイオードとして機能させることができる。 According to the configuration of FIG. 14, as in the configuration of FIG. 11, there is no distinction between the anode and cathode polarities of the terminals 51, 52 of the assembly of the temperature sense diodes 20, 42, so that the degree of freedom of wiring such as bonding wires can be improved when assembling a semiconductor module 4 (see FIG. 2) or the like. In other words, even if a reverse bias is applied to one of the temperature sense diodes 20, 42, a forward bias is applied to the other temperature sense diode 20, 42 at that time, so that at least one of them can function as a temperature sense diode.

以上、複数の温度センスダイオード20,42の接続形態は図10~図14の構成に限らず、適宜の形態を採用することができる。また、上記で示した接続形態の概念(直列、直列+逆並列、逆直列、複数の逆直列、逆並列等)は、後述する図16A~図16Cの温度センスダイオード66にも適用することができる。 As described above, the connection configuration of the multiple temperature sensing diodes 20, 42 is not limited to the configurations in Figures 10 to 14, and any suitable configuration can be adopted. In addition, the concepts of the connection configurations shown above (series, series + anti-parallel, anti-series, multiple anti-series, anti-parallel, etc.) can also be applied to the temperature sensing diode 66 in Figures 16A to 16C described below.

図15Aは、図3の半導体装置1のセル領域7の構造(トレンチゲート構造)を示す模式的な平面図である。図15Bは、図15Aの断面図(B-B線断面図)である。図15Aおよび図15Bは、セル領域7の構造の他の一例を示している。図15Aおよび図15Bにおいて、前述の図4Aおよび図4Bに示した構成要素と同じものには同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Figure 15A is a schematic plan view showing the structure (trench gate structure) of the cell region 7 of the semiconductor device 1 of Figure 3. Figure 15B is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line B-B) of Figure 15A. Figures 15A and 15B show another example of the structure of the cell region 7. In Figures 15A and 15B, the same components as those shown in Figures 4A and 4B above are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted.

図15Aおよび図15Bに示すように、セル領域7において半導体基板6には、ゲートトレンチ53が形成されている。ゲートトレンチ53は、スイッチング素子SWの各単位セル54を区画している。ゲートトレンチ53は、たとえば、図15Aに示すように平面視格子状に形成されていてもよいし、その他、ストライプ状、ハニカム状に形成されていてもよい。 As shown in Figures 15A and 15B, gate trenches 53 are formed in the semiconductor substrate 6 in the cell region 7. The gate trenches 53 partition each unit cell 54 of the switching element SW. The gate trenches 53 may be formed, for example, in a lattice shape in a plan view as shown in Figure 15A, or may be formed in a stripe shape or honeycomb shape.

各単位セル54の表面部にp型ボディ領域55が形成され、p型ボディ領域55の表面部にn型ソース領域56が形成されている。p型ボディ領域55のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3であってよい。また、n型ソース領域56のn型不純物濃度は、n型の半導体基板6の不純物濃度より高く、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3であってよい。 A p-type body region 55 is formed in a surface portion of each unit cell 54, and an n + -type source region 56 is formed in a surface portion of the p-type body region 55. The p-type impurity concentration of the p-type body region 55 may be, for example, 1×10 15 cm -3 to 1×10 20 cm -3 . The n-type impurity concentration of the n + -type source region 56 is higher than the impurity concentration of the n-type semiconductor substrate 6, and may be, for example, 1×10 18 cm -3 to 5×10 21 cm -3 .

型ソース領域56の内方領域には、p型ボディコンタクト領域57が形成されている。p型ボディコンタクト領域57は、n型ソース領域56を深さ方向に貫通して形成されている。p型ボディコンタクト領域57のp型不純物濃度は、p型ボディ領域55よりも高く、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3であってよい。 A p + type body contact region 57 is formed in an inner region of the n + type source region 56. The p + type body contact region 57 is formed to penetrate the n + type source region 56 in the depth direction. The p-type impurity concentration of the p + type body contact region 57 is higher than that of the p-type body region 55, and may be, for example, 1×10 18 cm −3 to 5×10 21 cm −3 .

ゲートトレンチ53の内面および半導体基板6の表面には、ゲート絶縁膜58が形成されている。ゲート絶縁膜58は、たとえば、酸化シリコン(SiO)からなっていてよい。ゲート絶縁膜58の厚さは、たとえば、300Å~600Åであってよい。 A gate insulating film 58 is formed on the inner surface of the gate trench 53 and on the surface of the semiconductor substrate 6. The gate insulating film 58 may be made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ). The thickness of the gate insulating film 58 may be, for example, 300 Å to 600 Å.

ゲートトレンチ53には、ゲート電極59が埋め込まれている。ゲート電極59は、ゲート絶縁膜58を挟んでゲートトレンチ53の側面のp型ボディ領域55に対向している。ゲート電極59は、たとえば、n型ポリシリコン(n型のドープトポリシリコン)からなるが、p型ポリシリコンからなっていてもよい。 A gate electrode 59 is embedded in the gate trench 53. The gate electrode 59 faces the p-type body region 55 on the side of the gate trench 53 across the gate insulating film 58. The gate electrode 59 is made of, for example, n-type polysilicon (n-type doped polysilicon), but may also be made of p-type polysilicon.

次に、セル領域7が図15Aおよび図15Bである場合の温度センス領域9の構造を説明する。図16Aは、図3の半導体装置1の温度センス領域9の構造を示す模式的な平面図である。図16Bは、図16Aの断面図(B-B線断面図)である。図16Cは、図16Aの断面図(C-C線断面図)である。図16A~図16Cにおいて、前述の図5Aおよび図5Bに示した構成要素と同じものには同一の参照符号を付し、説明を省略する。 Next, the structure of the temperature sensing region 9 when the cell region 7 is as shown in Figures 15A and 15B will be described. Figure 16A is a schematic plan view showing the structure of the temperature sensing region 9 of the semiconductor device 1 of Figure 3. Figure 16B is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line B-B) of Figure 16A. Figure 16C is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line C-C) of Figure 16A. In Figures 16A to 16C, components that are the same as those shown in the previously described Figures 5A and 5B are given the same reference numerals and will not be described.

図16A~図16Cに示すように、温度センス領域9は、ゲートトレンチ53によって区画され、その周囲がゲートトレンチ53で取り囲まれている。温度センス領域9は、図16Aに示すように、たとえば、四方がゲートトレンチ53で取り囲まれた平面視四角形状であってよい。 16A to 16C, the temperature sensing region 9 is defined by and surrounded by the gate trench 53. As shown in FIG. 16A, the temperature sensing region 9 may be, for example, a square in plan view surrounded on all four sides by the gate trench 53.

温度センス領域9において半導体基板6の表面部にはn型領域60が形成され、n型領域60の下方にp型領域61が形成されている。p型領域61は、n型領域60に接している。n型領域60は、そのn型不純物濃度および深さがn型ソース領域56と同じであってもよい。また、p型領域61は、そのp型不純物濃度および深さがp型ボディ領域55と同じであってもよいが、深さに関しては図16Bおよび図16Cに示すように、p型ボディ領域55よりも深く、選択的に下方に突出した突出部62を有していてもよい。 In the temperature sensing region 9, an n + type region 60 is formed in the surface portion of the semiconductor substrate 6, and a p type region 61 is formed below the n + type region 60. The p type region 61 is in contact with the n + type region 60. The n + type region 60 may have the same n type impurity concentration and depth as the n + type source region 56. The p type region 61 may have the same p type impurity concentration and depth as the p type body region 55, but may have a protruding portion 62 that is deeper than the p type body region 55 and selectively protrudes downward as shown in Figures 16B and 16C.

温度センス領域9の内方領域には、本発明の第2トレンチの一例としての温度センストレンチ63が形成されている。つまり、温度センストレンチ63は、温度センス領域9の周囲を取り囲むゲートトレンチ53から独立している。この温度センストレンチ63は、たとえば、ゲートトレンチ53と同じ幅で形成されていてもよい。 A temperature sense trench 63, which is an example of the second trench of the present invention, is formed in the inner region of the temperature sense region 9. In other words, the temperature sense trench 63 is independent of the gate trench 53 that surrounds the temperature sense region 9. The temperature sense trench 63 may be formed with the same width as the gate trench 53, for example.

温度センストレンチ63は、p型領域61を貫通して形成されていてもよいが、図16Bおよび図16Cに示すように、突出部62上に形成されることによってp型領域61を貫通せず、その底部がp型領域61(突出部62)の内部に配置されていてもよい。 The temperature sensing trench 63 may be formed so as to penetrate the p-type region 61, but as shown in Figures 16B and 16C, it may be formed on the protruding portion 62 so as not to penetrate the p-type region 61, and its bottom may be located inside the p-type region 61 (protruding portion 62).

また、温度センストレンチ63は、平面視環状に形成されており、その内方に閉領域64が区画されている。当該閉領域64には、p型コンタクト領域65が形成されている。p型コンタクト領域65は、図16Aに示すように閉領域64の全面に形成されていてもよいし、図示はしないが、閉領域64の一部のみに選択的に形成されていてもよい。p型コンタクト領域65は、そのp型不純物濃度および深さがp型ボディコンタクト領域57と同じであってもよい。 The temperature sense trench 63 is formed in a ring shape in a plan view, and a closed region 64 is defined inside the temperature sense trench 63. A p + type contact region 65 is formed in the closed region 64. The p + type contact region 65 may be formed on the entire surface of the closed region 64 as shown in FIG. 16A, or may be selectively formed only in a part of the closed region 64, although not shown. The p + type contact region 65 may have the same p-type impurity concentration and depth as the p + type body contact region 57.

温度センストレンチ63の内面には、セル領域7のゲート絶縁膜58が温度センス領域9にまで延びて形成されている。そして、当該ゲート絶縁膜58の内側には、温度センス素子TSの一例としての温度センスダイオード66(pnダイオード)が形成されている。 The gate insulating film 58 of the cell region 7 is formed on the inner surface of the temperature sensing trench 63, extending to the temperature sensing region 9. A temperature sensing diode 66 (pn diode) as an example of a temperature sensing element TS is formed inside the gate insulating film 58.

温度センスダイオード66は、温度センストレンチ63に埋め込まれた埋め込みポリシリコン層67からなる。埋め込みポリシリコン層67からなる温度センスダイオード66は、ゲート電極59と同一工程で形成されていてもよいし、ゲート電極59と別工程で形成されていてもよい。 The temperature sensing diode 66 is made of a buried polysilicon layer 67 buried in the temperature sensing trench 63. The temperature sensing diode 66 made of the buried polysilicon layer 67 may be formed in the same process as the gate electrode 59, or may be formed in a separate process from the gate electrode 59.

温度センスダイオード66は、p型領域68と、p型領域68と横方向に隣接するn型領域69とを含む。つまり、環状の温度センストレンチ63の一定領域にp型領域68が底部まで埋め込まれ、このp型領域68に隣接するように、n型領域69が温度センストレンチ63の他の領域に底部まで埋め込まれていてもよい。p型領域68とn型領域69とが横方向に隣接する構成であれば、p型領域68およびn型領域69が平面視で重なっていないので、別途引き回し配線等を必要とせず、p型領域68およびn型領域69のどちらに対しても、簡単にコンタクトをとることができる。 The temperature sense diode 66 includes a p-type region 68 and an n + -type region 69 adjacent to the p-type region 68 in the lateral direction. In other words, the p-type region 68 may be buried to the bottom in a certain region of the annular temperature sense trench 63, and the n + -type region 69 may be buried to the bottom in another region of the temperature sense trench 63 so as to be adjacent to the p-type region 68. If the p-type region 68 and the n + -type region 69 are configured to be adjacent to each other in the lateral direction, the p-type region 68 and the n + -type region 69 do not overlap in a plan view, so that no separate wiring or the like is required, and contact can be easily made to both the p-type region 68 and the n + -type region 69.

また、p型領域68のp型不純物濃度は、たとえば、1×1015cm-3~1×1020cm-3(p型ボディ領域55と同じ)あってよい。n型領域69のn型不純物濃度は、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3(n型ソース領域56と同じ)であってよい。 The p-type region 68 may have a p-type impurity concentration of, for example, 1×10 15 cm −3 to 1×10 20 cm −3 (the same as the p-type body region 55). The n-type impurity concentration of the n + region 69 may have a n-type impurity concentration of, for example, 1×10 18 cm −3 to 5×10 21 cm −3 (the same as the n + source region 56).

温度センスダイオード66は、さらに、p型コンタクト領域70を含んでいてもよい。p型コンタクト領域70は、p型領域68に接するように形成されているが、n型領域69からはp型領域68を隔てて分離されている。p型コンタクト領域70は、図16Cに示すように温度センストレンチ63の底部まで埋め込まれてp型領域68と横方向に隣接していてもよいし、図示はしないが、p型領域68とn型領域69との境界から離れた位置において、p型領域68の表面部に選択的に形成されていてもよい。また、p型コンタクト領域70のp型不純物濃度は、たとえば、1×1018cm-3~5×1021cm-3(p型ボディコンタクト領域57と同じ)であってよい。 The temperature sense diode 66 may further include a p + type contact region 70. The p + type contact region 70 is formed so as to be in contact with the p type region 68, but is separated from the n + type region 69 by the p type region 68. The p + type contact region 70 may be embedded to the bottom of the temperature sense trench 63 and be adjacent to the p type region 68 in the lateral direction as shown in FIG. 16C, or may be selectively formed in the surface portion of the p type region 68 at a position away from the boundary between the p type region 68 and the n + type region 69, although not shown. The p type impurity concentration of the p + type contact region 70 may be, for example, 1×10 18 cm −3 to 5×10 21 cm −3 (the same as the p + type body contact region 57).

なお、図3の第1電極10が、アノード電極としてp型コンタクト領域70に接続され、図3の第2電極11が、カソード電極としてn型領域69に接続される。 It should be noted that the first electrode 10 in FIG. 3 is connected to the p + type contact region 70 as an anode electrode, and the second electrode 11 in FIG. 3 is connected to the n + type region 69 as a cathode electrode.

以上、上記の温度センスダイオード66によっても、前述の温度センスダイオード20と同様の機能を果たすことができる。さらに、温度センスダイオード66(pnダイオード)が半導体基板6の表面部に埋め込まれているため、温度センスダイオード20の場合よりも、半導体基板6の発熱部である表面側の電流経路にpn接合部を近づけることができる。これにより、半導体基板6の温度変化を高い精度で検出することができる。 As described above, the above-mentioned temperature sensing diode 66 can also perform the same function as the previously described temperature sensing diode 20. Furthermore, since the temperature sensing diode 66 (pn diode) is embedded in the surface portion of the semiconductor substrate 6, the pn junction can be brought closer to the current path on the surface side, which is the heat generating portion of the semiconductor substrate 6, than in the case of the temperature sensing diode 20. This makes it possible to detect temperature changes in the semiconductor substrate 6 with high accuracy.

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention can also be implemented in other forms.

たとえば、半導体装置1の各半導体部分の導電型を反転した構成が採用されてもよい。すなわち、半導体装置1において、p型の部分がn型であり、n型の部分がp型であってもよい。 For example, a configuration in which the conductivity type of each semiconductor portion of the semiconductor device 1 is inverted may be adopted. That is, in the semiconductor device 1, the p-type portion may be n-type, and the n-type portion may be p-type.

また、温度センス素子TSとしては、前述の温度センスダイオード20,42(pnダイオード)の他、ショットキーバリアダイオード等を採用することもできる。 In addition to the aforementioned temperature sensing diodes 20 and 42 (pn diodes), Schottky barrier diodes, etc. can also be used as the temperature sensing element TS.

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes may be made within the scope of the claims.

1 半導体装置
2 ソースパッド
3 ゲートパッド
4 半導体モジュール
5 短絡保護回路
6 半導体基板
7 セル領域
9 温度センス領域
10 第1電極
11 第2電極
12 p型ボディ領域
13 単位セル
14 n型ソース領域
16 ゲート絶縁膜
17 ゲート電極
20 温度センスダイオード
21 ポリシリコン層
22 p型領域
23 n型領域
24 p型コンタクト領域
25 p型外周領域
26 p型ベース層
42 温度センスダイオード
43 p型領域
44 n型領域
45 p型コンタクト領域
46 p型外周領域
47 直列接続単位
48 端子
49 端子
50 逆直列接続単位
51 端子
52 端子
53 ゲートトレンチ
54 単位セル
55 p型ボディ領域
56 n型ソース領域
58 ゲート絶縁膜
59 ゲート電極
63 温度センストレンチ
66 温度センスダイオード
67埋め込みポリシリコン層
68 p型領域
69 n型領域
70 p型コンタクト領域
SW スイッチング素子
TS 温度センス素子
G/D ゲートドライバ
LIST OF SYMBOLS 1 semiconductor device 2 source pad 3 gate pad 4 semiconductor module 5 short circuit protection circuit 6 semiconductor substrate 7 cell region 9 temperature sensing region 10 first electrode 11 second electrode 12 p-type body region 13 unit cell 14 n + type source region 16 gate insulating film 17 gate electrode 20 temperature sensing diode 21 polysilicon layer 22 p-type region 23 n + type region 24 p + type contact region 25 p-type peripheral region 26 p-type base layer 42 temperature sensing diode 43 p-type region 44 n + type region 45 p + type contact region 46 p-type peripheral region 47 series connection unit 48 terminal 49 terminal 50 reverse series connection unit 51 terminal 52 terminal 53 gate trench 54 unit cell 55 p-type body region 56 n + type source region 58 Gate insulating film 59 Gate electrode 63 Temperature sensing trench 66 Temperature sensing diode 67 Buried polysilicon layer 68 p type region 69 n + type region 70 p + type contact region SW Switching element TS Temperature sensing element G/D Gate driver

Claims (17)

表面および前記表面と対向する裏面を有する半導体基板からなる平面視四角形の半導体チップと、
前記半導体基板に形成され、前記半導体基板の前記表面側に形成された制御電極に入力される信号に応じて、前記表面側に設けられた第1電極と、前記半導体基板の前記裏面側に設けられた第2電極との間のスイッチング動作を行うスイッチング素子と、
前記制御電極から前記半導体チップの外周に沿って延伸し、かつ前記半導体チップの中央部を横断するように延伸するゲートフィンガーと、
前記表面側に設けられ、温度に依存した信号を出力可能な温度センス素子と、
前記温度センス素子に電気的に接続された第3電極および第4電極とを含み、
前記制御電極、前記第3電極および前記第4電極は、互いに同じ大きさと同じ形状を有しており、
前記制御電極は前記半導体チップの1辺の中央部に配置され、前記第3電極および前記第4電極は、前記制御電極が配置された辺に沿って前記制御電極の一方側に並んで配置されており、
前記温度センス素子は、前記ゲートフィンガーに隣接して配置されている、半導体装置。
a semiconductor chip having a rectangular shape in a plan view and made of a semiconductor substrate having a front surface and a back surface opposite to the front surface;
a switching element formed on the semiconductor substrate, the switching element performing a switching operation between a first electrode provided on the front surface side and a second electrode provided on the back surface side of the semiconductor substrate in response to a signal input to a control electrode formed on the front surface side of the semiconductor substrate;
a gate finger extending from the control electrode along an outer periphery of the semiconductor chip and extending across a central portion of the semiconductor chip;
a temperature sensing element provided on the front surface side and capable of outputting a signal dependent on temperature;
a third electrode and a fourth electrode electrically connected to the temperature sensing element;
the control electrode, the third electrode, and the fourth electrode have the same size and shape as each other,
the control electrode is disposed at a center portion of one side of the semiconductor chip, and the third electrode and the fourth electrode are disposed side by side on one side of the control electrode along the side on which the control electrode is disposed,
The temperature sensing element is disposed adjacent to the gate finger .
前記温度センス素子として温度に依存した信号を出力可能なダイオード素子を含む請求項1に記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1 , further comprising a diode element capable of outputting a signal dependent on temperature as said temperature sensing element. 前記ダイオード素子のアノードとカソードは、前記第3電極および前記第4電極にそれぞれ接続されている、請求項2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the anode and cathode of the diode element are connected to the third electrode and the fourth electrode, respectively. 前記スイッチング素子は、前記第1電極がソース電極であり、前記第2電極がドレイン電極であり、前記制御電極がゲート電極であるMISFETであり、
前記ソース電極は、前記半導体チップの中央部を横断する前記ゲートフィンガーによって2つに分離された領域を有し、
前記第3電極および前記第4電極は、前記2つに分離された前記ソース電極の領域のうち一方の領域の周縁に隣接して配置されている、請求項1に記載の半導体装置。
the switching element is a MISFET in which the first electrode is a source electrode, the second electrode is a drain electrode, and the control electrode is a gate electrode;
the source electrode has two regions separated by the gate finger that crosses a central portion of the semiconductor chip;
2 . The semiconductor device according to claim 1 , wherein said third electrode and said fourth electrode are disposed adjacent to a periphery of one of said two separated regions of said source electrode.
前記スイッチング素子は、前記第1電極がソース電極であり、前記第2電極がドレイン電極であり、前記制御電極がゲート電極であるMISFETである、請求項1~3のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the switching element is a MISFET in which the first electrode is a source electrode, the second electrode is a drain electrode, and the control electrode is a gate electrode. 前記第3電極および前記第4電極は、前記スイッチング素子の前記第1電極および前記第2電極がそれぞれ接続される端子から電気的に独立した端子に接続されている、請求項1~5のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein the third electrode and the fourth electrode are connected to terminals that are electrically independent from the terminals to which the first electrode and the second electrode of the switching element are respectively connected. 前記温度センス素子は、少なくとも一対のpnダイオードを直列または逆方向直列に接続した直列接続単位を含む、請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the temperature sensing element includes a series-connected unit in which at least a pair of pn diodes are connected in series or in reverse series. 前記温度センス素子は、少なくとも一対のpnダイオードを逆並列に接続している、請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the temperature sensing element comprises at least a pair of pn diodes connected in antiparallel. 前記温度センス素子は、少なくとも一対のpnダイオードを直列に接続した直列接続単位がお互いに逆向きに並列接続されている、請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the temperature sensing element is a series-connected unit in which at least a pair of pn diodes are connected in series and connected in parallel in the opposite directions to each other. 前記半導体基板は、SiC半導体層を含む、請求項1~9のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 9, wherein the semiconductor substrate includes a SiC semiconductor layer. 前記温度センス素子は、前記SiC半導体層上のポリシリコン層中に形成されている、請求項10に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 10, wherein the temperature sensing element is formed in a polysilicon layer on the SiC semiconductor layer. 前記温度センス素子を形成する前記ポリシリコン層は、前記スイッチング素子のゲート電極と同一厚さを有する、請求項11に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 11, wherein the polysilicon layer forming the temperature sensing element has the same thickness as the gate electrode of the switching element. 前記温度センス素子を形成する前記ポリシリコン層は、選択的に導入された第1導電型の不純物領域と第2導電型の不純物領域とを含む、請求項11または12に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 11 or 12, wherein the polysilicon layer forming the temperature sensing element includes a first conductivity type impurity region and a second conductivity type impurity region selectively introduced. 前記温度センス素子を形成する前記ポリシリコン層は、第2導電型のベース層と、前記ベース層の表面に選択的に導入された第1導電型の不純物領域を含む、請求項11または12に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 11 or 12, wherein the polysilicon layer forming the temperature sensing element includes a base layer of a second conductivity type and an impurity region of a first conductivity type selectively introduced into the surface of the base layer. 前記スイッチング素子は、前記半導体チップに形成され単位セルを区画するゲートトレンチと、前記ゲートトレンチに埋め込まれたゲート電極と、前記単位セルの表面部に形成された第1導電型のボディ領域と、前記ボディ領域の表面部に形成された第2導電型のソース領域と、前記ボディ領域に対して前記ソース領域の反対側に形成された第2導電型のドレイン領域とを有するトレンチゲート型MISFETを含む、請求項1~14のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 14, wherein the switching element includes a trench-gate type MISFET having a gate trench formed in the semiconductor chip and partitioning a unit cell, a gate electrode embedded in the gate trench, a body region of a first conductivity type formed in a surface portion of the unit cell, a source region of a second conductivity type formed in a surface portion of the body region, and a drain region of the second conductivity type formed on the opposite side of the source region with respect to the body region. 前記温度センス素子は、前記第3電極と前記第4電極との間の温度センス領域に配置されている、請求項1~15のいずれか一項に記載の半導体装置。 16. The semiconductor device according to claim 1, wherein the temperature sensing element is disposed in a temperature sensing region between the third electrode and the fourth electrode. 前記温度センス素子は、前記半導体基板に形成された第1導電型領域と、前記第1導電型領域を取り囲む第2導電型領域からなる、請求項1~10のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 10, wherein the temperature sensing element is composed of a first conductivity type region formed in the semiconductor substrate and a second conductivity type region surrounding the first conductivity type region.
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