半導体装置

【課題】半導体装置の定格温度（−５０℃〜＋１５０℃）において高精度の温度検出を行うことのできる半導体装置を提供すること。
【解決手段】ｎ型基板１の第１主面に、ｐ型ベース領域３と該ベース領域３表面層のｎ型エミッタ領域４と、前記基板１からなるｎ型ドリフト層１表面と前記エミッタ領域４表面とに挟まれるｐ型ベース領域３表面上にゲート酸化膜７を介して設けられるゲート電極８と、前記エミッタ領域４表面と前記ベース領域３表面に共通に接触するエミッタ電極６と、第２主面のｐ型コレクタ層２とを有するＩＧＢＴと、該ＩＧＢＴに離間して第１主面に形成されるｎ型ウェル領域１５表面層にｎ型カソード領域１１とｐ型アノード領域１２を有する温度センサダイオードを備え、前記ｎ型ウェル領域１５がｐ型ウェル領域１６の表面層に形成され、前記温度センサダイオードのライフタイムが１μｓ以下に設定されている半導体装置とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）と温度センサダイオードとを同一基板に設けて一体化した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
少数キャリア注入型のいわゆるバイポーラ半導体素子（ｌＧＢＴ、バイポーラトランジスタ等）はインバータ等に使用され、最近では、ＩＧＢＴがバイポーラトランジスタに置き代わって市場を拡大してきている。ＩＧＢＴは主に総合損失と安全動作領域の特性向上を重点に開発されてきたが、近年は高機能化および取扱の容易さに関しての要求が強まってきている。これらの多彩な要求に応えるにはＩＧＢＴ単体では限界が出てきており、ＩＧＢＴ等のパワーデバイスのインテリジェント化によって対応しようとしている。インテリジェント化とは、パワーデバイスと、関連する外部回路とを一体化することによって多機能化を図るものであり、例えば、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）はそのような多機能化を狙いとして登場したデバイスである。ＩＧＢＴをインバータ等で使用した場合、負荷短絡という、過電圧、過電流が印加されるモードがある。このようなモードにあった場合でもパワーデバイス自体で耐過電圧、耐過電流特性を備えることが必要であるが、その他に、ＩＰＭの機能の一つとして、一体化した外部回路によりデバイスの過熱を検出し、保護する機能がある。過熱を検出するためのセンサとしては、サーミスタがあるが、その他にダイオードを用いることもできる。ダイオードのある一定電流（例えば２００μＡ）における順電圧ＶＦの温度依存性を利用して過熱を検出する方法が一般的である。しかし、温度の検知は通常、パワーデバイスの近傍で行われ、パワーデバイスの接合部自体の温度を直接検知していないので、パワーデバイスの温度が急激に上昇するような異常モードに対しては温度検出に遅延が生じ、保護は不十分となり易い。このことはパワーデバイスの信頼性の観点では大きな問題となる。一般的にも、半導体素子の温度検知では、温度検知対象の半導体素子と温度検知部はできるだけ近いことが好ましいとされる。理想的には半導体素子自体に温度検知部を備える構造が望ましい。これらの問題を解決する半導体装置として、パワーデバイスと温度センサダイオードとを同一半導体基板上に一体化して形成する半導体装置を記載した文献が公開されている（特許文献１）。
【０００３】
図１４は、そのような特許文献１に記載されている半導体装置相当の要部断面図であり、パワーデバイスとしてＩＧＢＴ１００を用い、温度センサダイオード２００と同一半導体基板上に一体化形成されている。図１４の温度センサダイオード２００について順電圧ＶＦの温度依存性の概略を図１５に示す。図１５によれば、低温側ではＩＧＢＴ１００がオンしている時とオフしている時とで順電圧ＶＦが異なっている。しかし、図１５中Aに示す温度においてオフ時の順電圧ＶＦが著しく下がり、A点よりも高温側ではこれらＩＧＢＴ１００のオン／オフでの順電圧ＶＦの値が等しくなる。図１５中のこれらの現象は次のように説明されている。
まず、ＩＧＢＴ部のゲート電極８に例えば１５Ｖを印加すると、ゲート電極８直下のｐベース領域３の表面層にチャネル領域を生じ、ｎ⁺エミッタ領域４とｎベース層（＝ｎ^-ドリフト層）１とがつながる。この状態で電流源から温度センスダイオード２００に電流を流すと、ｐ⁺アノード領域１２から正孔電流がｎ⁺カソード領域１１に流れ、逆にｎ⁺カソード領域１１から電子がｐ⁺アノード領域１２に流れる。しかし、この時にｎ⁺カソード領域１１に接触しているカソード電極１３が主ＩＧＢＴ部のエミッタ電極６と接続されているため、ｐ⁺アノード領域１２とｎベース層１との間のｐｎ接合も同様に順バイアス状態となって、ｎベース層１中に正孔電流が流れ込む。また、ｎ⁺エミッタ領域４からｎベース層１に電子が供給される。この電流は、ｐ⁺アノード領域１２、ｎベース層１およびｐベース領域３、ｐ引き抜き領域２３、２４からなるｐｎｐトランジスタのベース電流となり、そのｐｎｐトランジスタがオンしてこれらのｐベース領域３およびｐ引き抜き領域２３、２４に流れ込む。すなわち、ゲートオン時にはｐ⁺アノード領域１２とｎ⁺カソード領域１１とからなる温度センスダイオード２００の他に、ｎ⁺エミッタ領域４、ｐベース領域３、ｎベース層１およびｐ⁺アノード領域１２からなる横型ＩＧＢＴがオンして、引き抜き領域２３、２４にも電流が流れる。更に、ゲートオン時（ＶG ＝１５Ｖ）には、ｎベース層１中には、多数のキャリアが発生し、そのクーロン力によって、後者のｐｎｐトランジスタの方が電流は流れやすい状態になる。このために、ゲートオン時には、温度センスダイオード２００の順電圧ＶF が小さくなる。
一方、ゲートオフ（ＶG ＝０Ｖ）時においては、ゲートがオフしているために、ゲート電極８直下のｐベース領域３の表面層にチャネル領域を生じないため、ｎ⁺エミッタ領域４とｎベース層１がつながらず、ｐ⁺アノード領域１２からｎベース層１へ電流が流れない。従って、ｐ⁺アノード領域１２から流れる電流は、ｎ⁺カソード領域１１にしか流れ込めず、順電圧ＶF がゲートオン時に比べて高くなる。しかし、図１５中A部に示すようにある温度に達すると、ゲートオフ時の順電圧ＶFはゲートオン時の順電圧ＶF と一致する。これは、温度が上昇することによって、ｐ⁺アノード領域１２とｎ⁺カソード領域１１で形成される接合電圧が低下するのと、ｎベース層１中に正孔の発生量が増し、ｎベース層１中での伝導度変調が温度の上昇に伴い、増すためである。
これらの特性を踏まえた上で、ＩＧＢＴ１００が、オンの時あるいはオフの時のいずれか一方で温度検出を行えば良いことが記述されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３６３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では動作条件の定格温度の全温度範囲（例えば−５０℃〜＋１５０℃）での検出については触れられていない。全温度範囲で高精度の温度検出を行うためにはダイオードの順電圧ＶＦの温度依存性について１次関数近似を良くする必要があり、ＩＧＢＴ１００のオン／オフで順電圧ＶＦが変動せず、高精度の温度検出を常時行えるようにしなければならない。ところが、特許文献１ではＩＧＢＴ１００と温度センサダイオード２００とが同一半導体基板上に形成され、電気的には充分に素子分離されていないため、ＩＧＢＴ１００のオン／オフで内蔵する寄生ｐｎｐトランジスタもオン／オフして低温側でのダイオードの順電圧ＶＦが変動し、高精度の温度検出を常時行うのは不可能となる。
【０００６】
本発明は、以上説明した点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、半導体装置の定格温度の全温度範囲（−５０℃〜＋１５０℃）において高精度の温度検出を行うことのできる、温度センサダイオードとＩＧＢＴとを同一半導体基板に一体化した半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記発明の目的を達成するために、第１導電型半導体基板１の第１主面に、第２導電型ベース領域３と、該第２導電型ベース領域３の表面層に設けられる第１導電型エミッタ領域４と、前記第１導電型半導体基板１からなる第１導電型ドリフト層１の表面と前記第１導電型エミッタ領域４表面とに挟まれる第２導電型ベース領域表３面上にゲート酸化膜７を介して設けられるゲート電極８と、前記第１導電型エミッタ領域４表面および前記第２導電型ベース領域３表面に共通に接触するエミッタ電極６と、第２主面に設けられる第２導電型コレクタ層２とを有するＩＧＢＴと、該ＩＧＢＴに対して離間して前記第１導電型半導体基板１の第１主面に形成される第１導電型ウェル領域１５内の表面層にそれぞれ離間して形成される第１導電型カソード領域１１と第２導電型アノード領域１２からなる温度センサダイオードを備える半導体装置において、前記第１導電型ウェル領域１５が第２導電型ウェル領域１６の表面層に形成され、前記温度センサダイオードのホールおよび電子のライフタイムが１μｓ以下に設定されている半導体装置とする。
【０００８】
前記ＩＧＢＴの活性領域のライフタイムが前記温度センサダイオードのライフタイムの１０倍以上であることが好ましい。また、前記ＩＧＢＴをトレンチゲート型ＩＧＢＴとすることもできる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半導体装置の定格温度の全温度範囲（−５０℃〜＋１５０℃）において高精度の温度検出を行うことのできる、温度センサダイオードとＩＧＢＴとを同一半導体基板に一体化した半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１にかかる半導体装置の要部断面図である。
【図２】ライフタイムが１０μｓ程度の場合の順電圧ＶＦの温度依存性を示す関係図である。
【図３】ライフタイムを１μｓ以下に落とした場合の順電圧ＶＦの温度依存性を示す関係図である。
【図４】ライフタイムを０．１μｓ以下に落とした場合の順電圧ＶＦの温度依存性を示す関係図である。
【図５】図２に対して、１次関数近似を用いて順電圧ＶＦ計測値から温度を算出し、計測誤差を温度の関数として示す計測誤差と温度の関係図である。
【図６】図３に対して、１次関数近似を用いて順電圧ＶＦ計測値から温度を算出し、計測誤差を温度の関数として示す計測誤差と温度の関係図である。
【図７】図４に対して、１次関数近似を用いて順電圧ＶＦ計測値から温度を算出し、計測誤差を温度の関数として示す計測誤差と温度の関係図である。
【図８】ライフタイムをパラメータとした、誤差ε１と電流密度との関係図である。
【図９】本発明の実施例２にかかる半導体装置の要部断面図である。
【図１０】本発明の実施例３にかかる半導体装置の要部断面図である（その１）。
【図１１】本発明の実施例３にかかる半導体装置の要部断面図である（その２）。
【図１２】本発明の実施例３にかかる半導体装置の要部断面図である（その３）。
【図１３】本発明の実施例３にかかる半導体装置の要部断面図である（その４）。
【図１４】従来の半導体装置の要部断面図である
【図１５】従来の半導体装置の順電圧ＶＦの温度依存性を示す関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明にかかる半導体装置にかかる実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の半導体装置にかかる実施例１の要部断面図を表す。本発明の半導体装置はＩＧＢＴ１０と温度センサダイオード２０とを同一半導体基板１に一体形成したものである。まず、ＩＧＢＴ１０はプレーナーゲート型であり、ｎ型半導体基板１をｎ^-ドリフト層１とし、一方の主面（裏面とする）側にｐコレクタ層２を、他方の主面（表面とする）側にｐベース領域３を有する。このｐベース領域３の表面にｎ⁺エミッタ領域４を形成し、このｎ⁺エミッタ領域４およびｐベース領域３の表面に共通にエミッタ電極６がオーミック接触し電気的に接続され、裏面側のｐコレクタ層２にはコレクタ電極５が電気的に接続されている。ｎ^-ドリフト層１の表面とｎ⁺エミッタ領域４表面とに挟まれるｐベース領域３の表面上にはゲート絶縁膜７を介してゲート電極８が設けられる。前記ゲート電極８とこのゲート電極８の上を覆うエミッタ電極６とを絶縁するために層間絶縁膜９が間に挿入されている。
【００１３】
温度センサダイオード２０はｎ⁺ウェル領域１５内の表面層にｎ⁺カソード領域１１とｐ⁺アノード領域１２とが離れて形成されている。ｎ⁺カソード領域１１の表面にはカソード電極１３が、ｐ⁺アノード領域１２の表面にはアノード電極１４がそれぞれオーミック接触で接続されている。なお、前述の図１では、ＩＧＢＴ１０と温度センサダイオード２０の外周を取り巻く終端耐圧構造部は図示されていない。また、温度センサダイオード２０のｎ⁺ウェル領域１５とＩＧＢＴ１０のｎ^-ドリフト層１とは、その聞に設けられるｐ⁺ウェル領域１６により電気的に分離されている。このような構成にすることでＩＧＢＴ１０のオン／オフによらず温度センサダイオード２０の順電圧ＶＦ変動を大幅に抑えることができる。ここで、前記温度センサダイオード２０のｎ⁺ウェル内の電子とホールのライフタイム（以下、ライフタイム）が１μｓ以下にされていることが実施例１にかかる本発明の半導体装置の特徴である。
【００１４】
このような構成の半導体装置にすることで期待される効果を図２のシミュレーション結果とともに説明する。図２〜図４は、ライフタイムが１０μｓ程度の場合（以下、通常条件とする）と、１μｓ以下（通常条件の１／１０程度）および０．１μｓ以下（通常条件の１／１００程度）にそれぞれ落とした場合の順電圧ＶＦの温度依存性を示す関係図である。図２〜図４では順方向電流密度ＪＦが２ｎＡ／μｍ²〜２μＡ／μｍ²の範囲の温度依存性を示している。これら順電圧ＶＦは一般に温度で１次関数近似できる。逆にこの１次関数近似を用いて順電圧ＶＦ計測値から温度を算出し、実際の温度との差分（計測誤差）を温度の関数としてとったものが図５〜図７となる。図５に示すように、通常条件では計測誤差が±３℃と順電圧ＶＦの温度依存性の１次関数近似（順電圧ＶＦの線形性）が悪くなるが、図６、図７では、ライフタイムを低くするほど順電圧ＶＦの線形性が改善されることを示している。
【００１５】
ダイオードの順方向電流は、良く知られているように拡散電流と再結合電流とからなるが、ライフタイムが１０μｓ程度の場合（通常条件）では拡散電流が支配的と考えられる。図５に示すように拡散電流が支配的な場合、計測誤差の温度依存性は下に凸の波形となり、温度計測誤差が大きい。これに対して、図６、図７ではライフタイムを落とすことにより再結合電流の寄与が増えて計測誤差の温度依存性の波形を上に凸にする方向に働くため、拡散電流による計測誤差を相殺して順電圧ＶＦの線形性が改善すると考えられる。
【００１６】
図８はライフタイムを振ったときの温度計測誤差の±ε１変動と電流密度との関係を表す図である。図８はライフタイムを１μｓ以下にすることで、順方向電流密度ＪＦの高いところでも温度計測誤差を抑えることができることを示している。
【００１７】
以上述べたように、実施例１では、ライフタイムキラーを半導体装置に導入することにより、少なくともダイオード２０のｎ⁺ウェル内の電子とホールのライフタイムを１μｓ程度（ライフタイムの通常条件の１／１０）以下とすることにより、順電圧ＶＦの温度依存性の１次関数近似が良くなるので、温度計測誤差を±１℃以内にすることができる。なお、実施例１の半導体装置では、コレクタ層２は高不純物濃度であっても低不純物濃度であってもかまわない。コレクタ層２の不純物濃度を変えても温度センサダイオード２０の順電圧ＶＦの線形性に全く影響を及ぼさないので、温度センサダイオード２０の順電圧ＶＦの線形性改善効果はコレクタ層２の不純物濃度に依存しないからである。なお、コレクタ層２の不純物濃度制御によりキャリアの注入効率をコントロールすることができる。
【実施例２】
【００１８】
図９は本発明の実施例２にかかる半導体装置の要部断面図を表す。図１に示す実施例１の半導体装置との違いは、図９では温度センサダイオード２０部分のみにライフタイムキラーを導入することにより、温度センサダイオード２０部分のライフタイムを、ライフタイムキラーを導入しない領域（例えばＩＧＢＴ）より１／１０以下にしている点である。逆に言えば、ＩＧＢＴ１０の活性領域（主電流の流れる領域）のライフタイムが温度センサダイオード２０部分のライフタイムの１０倍以上にされていることになる。すなわち、温度センサダイオード２０にはライフタイムキラーを導入することにより、ライフタイムを１μｓ以下にし、ＩＧＢＴにはライフタイムキラーを導入しない構成にする。ノンライフタイムキラーのＩＧＢＴのライフタイムは通常１０μｓ程度である。よって、実施例２ではＩＧＢＴ１０のライフタイムは１０μｓと長いので、実施例１に比べ、オン電圧Ｖｏｎは低くできる効果を得られる。
【実施例３】
【００１９】
前述の実施例１および実施例２では、半導体基板１上に温度センサダイオード２０と一体化するＩＧＢＴ１０をプレーナーゲート型としていたが、例えば図１０や図１２に示すようにＩＧＢＴ１０がトレンチゲート型であってもかまわない。前述の実施例１および実施例２で、ＩＧＢＴ１０をトレンチゲート型に置き換えた場合の効果はそれぞれ実施例１および実施例２と同様である。なお、実施例３においてコレクタ層２とｎ^-ドリフト層１との聞に、例えば図１１や図１３に示すようにｎフィールドストップ層２１を設けてもかまわない。ｎフィールドストップ層２１の有無によらず温度センサダイオード２０の順電圧ＶＦの線形性は変わらないので、温度センサダイオード２０の順電圧ＶＦの線形性改善効果はｎフィールドストップ層の有無によらず変わらない。なお、ｎフィールドストップ層２１を設けることでＩＧＢＴ１０のオン電圧とターンオフ損失とのトレードオフが改善できる。
【符号の説明】
【００２０】
１第１導電型半導体基板、ｎ^-ドリフト層
２ｐコレクタ層
３ｐベース領域
４ｎ⁺エミッタ領域
５コレクタ電極
６エミッタ電極
７ゲート絶縁膜
８ゲート電極
９層間絶縁膜
１０ＩＧＢＴ
１１ｎ⁺カソード領域
１２ｐ⁺アノード領域
１３カソード電極
１４アノード電極
１５ｎ⁺ウェル領域
１６ｐ⁺ウェル領域
２０温度センサダイオード
２１ｎフィールドストップ層
２３ｐ引き抜き領域
２４ｐ引き抜き領域

【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基板の第１主面に、第２導電型ベース領域と、該第２導電型ベース領域の表面層に設けられる第１導電型エミッタ領域と、前記第１導電型半導体基板からなる第１導電型ドリフト層の表面と前記第１導電型エミッタ領域表面とに挟まれる第２導電型ベース領域表面上にゲート酸化膜を介して設けられるゲート電極と、前記第１導電型エミッタ領域表面および前記第２導電型ベース領域表面に共通に接触するエミッタ電極と、第２主面に設けられる第２導電型コレクタ層とを有するＩＧＢＴと、該ＩＧＢＴに対して離間して前記第１導電型半導体基板の第１主面に形成される第１導電型ウェル領域内の表面層にそれぞれ離間して形成される第１導電型カソード領域と第２導電型アノード領域からなる温度センサダイオードを備える半導体装置において、前記第１導電型ウェル領域が第２導電型ウェル領域の表面層に形成され、前記温度センサダイオードのホールおよび電子のライフタイムが１μｓ以下に設定されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ＩＧＢＴの活性領域のライフタイムが前記温度センサダイオードのライフタイムの１０倍以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ＩＧＢＴがトレンチゲート型ＩＧＢＴであることを特徴とする請求項１または２記載半導体装置。

【図１】