(57)【要約】【課題】トランジスタ素子の動作に影響されない温度センサ素子を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００は、基板１２の主面に窪み２０が形成されているとともに、窪み２０の表面に沿って形成されたダイオード４０を備える。ダイオード４０は、絶縁膜２２によって基板１２と絶縁されている。半導体装置１００は、ダイオード４０が窪み２０に沿って形成されているので、基板内部の熱がよくダイオード４０に伝わり、基板１２の温度を正確に測定することができる。同時にダイオード４０は、絶縁膜２２によって基板１２から絶縁されているので、基板１２に形成されたトランジスタ素子の動作による基板内の電流変化の影響を受けることがなく、基板温度の計測精度が低下しない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面に窪みが形成されているとともに、窪みの表面に沿って絶縁膜を介して温度センサ素子が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
温度センサ素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
窪みは半導体基板の略中央に略半球状に形成されており、温度センサ素子の表面が窪み表面に略平行に湾曲していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板自体の温度を計測する温度センサ素子を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴなどのいわゆるパワーデバイスと呼ばれる半導体装置は、発熱により装置自体の温度が上昇する。半導体装置の過熱を防止するためには半導体装置の温度を検出する必要がある。そのため、半導体装置の基板に温度センサ素子が作り込まれることがある。温度センサ素子は、温度と抵抗の間に一定の関係がある素子であり、典型的にはダイオードが用いられることが多い。温度計測のためのダイオードは特に「感温ダイオード」と呼ばれることがある。以下、本明細書において「ダイオード」は「感温ダイオード」を意味する。ダイオードは、トランジスタ素子を形成する工程と同様の工程で形成できるため、比較的に低コストで形成できる。同時に、基板の表層に直接に温度センサ素子を形成できるので基板の温度を正確に計測することができる。しかしながら、基板の表層に温度検出のための温度センサ素子を形成すると、ＩＧＢＴ素子など、半導体装置の本来の機能を担うトランジスタ素子の動作に伴って基板内を流れる電流が変化し、その変化が温度センサ素子に流れる電流に影響を与えてしまう。その結果、基板温度の計測精度が低下してしまう可能性がある。
【０００３】
トランジスタ素子の動作による温度計測精度の低下を抑える技術のひとつが特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された半導体装置は、一対の感温ダイオードを基板に設けている。そして、定電圧源によって一対の感温ダイオードのアノードを一定の電圧に維持しながら夫々の感温ダイオードに異なる大きさの電流を流し、一対の感温ダイオードの電位差に基づいて温度を検出する。そのような構成によって特許文献１の半導体装置は、基板温度の計測精度の低下を抑制する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３０２９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術は、一対の感温ダイオードと定電圧源で構成される複雑な回路を必要とする。本発明は、従来の技術よりも単純な構成で、トランジスタ素子の動作による温度計測精度の低下を防止する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体装置は、半導体基板の主面に窪みが形成されているとともに、窪みの表面に沿って絶縁膜を介して温度センサ素子が形成されていることを特徴とする。温度センサ素子は、ｐ型半導体とｎ型半導体が接合したダイオード（感温ダイオード）であってよい。この半導体装置は、温度センサ素子が基板の窪みに沿って形成されているので、基板内部の熱がよく温度センサ素子に伝わって基板の温度を正確に測定することができる。同時にこの半導体装置は、絶縁膜によって温度センサ素子と基板の間が絶縁されているので、基板に形成されたトランジスタ素子の動作による基板内の電流変化の温度センサ素子への影響を遮断することができる。この半導体装置は、単純な構成で基板温度の計測精度の低下を防止することができる。
【０００７】
上記の半導体装置は、窪みが半導体基板の主面略中央に形成されているとともに、深さ方向には略半球状に形成されており、温度センサ素子の表面が窪み表面に略平行に湾曲していることが好ましい。発明者の検討によれば、基板内の温度分布は、基板の主面中央が最も高く、中央から離れるにしたがって低下することが判明した。温度センサ素子を基板の主面中央に半球状に形成することによって、温度センサ素子のボリュームを最高温の位置に集中することができるので、半導体基板の最高温度を正確に検出することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、基板温度の計測精度の高い温度センサ素子を備えた半導体装置を単純な構成で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施例の半導体装置の平面図を示す。
【図２】図１のII−II線に沿った断面図を示す。
【図３】第２実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図４】第３実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図５】第４実施例の半導体装置の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施例の半導体装置が有する技術的特徴のいくつかを列挙する。
（１）ｎ型半導体とｐ型半導体から構成されるダイオードは、基板の略中央の窪み内に形成されている。
（２）感温ダイオードが形成されている窪みは、略半球状に形成されている。
（３）ダイオードは、基板の窪みに直接形成されている。即ち、アノード（ダイオードのｐ型半導体層）とカソード（ダイオードのｎ型半導体層）の少なくとも一方が、半導体装置の成膜工程で窪み内の絶縁膜の上に形成されている。
（４）窪み表面に沿って形成されている絶縁膜にアノード（ダイオードのｐ型半導体層）とカソード（ダイオードのｎ型半導体層）が接している。
（５）窪み表面に沿って形成されている絶縁膜にアノードとカソードのいずれか一方が接しており、その上に他方が積層している。
【実施例１】
【００１１】
図１と図２を参照して、第１実施例の半導体装置を説明する。図１は、半導体装置１００の平面図である。図２は、図１のII−II線に沿った断面図である。半導体装置１００は、ＩＧＢＴ素子（トランジスタ素子）が形成されたいわゆるパワーデバイスである。
【００１２】
半導体装置１００は、平面視したときに閉ループをなすガードリング３０を有している。ガードリング３０が形成するループの内側にＩＧＢＴ素子（トランジスタ素子）が形成されている。なお、ＩＧＢＴ素子の図示は省略している。ガードリング３０に囲まれている領域であり、ＩＧＢＴ素子が形成される領域をトランジスタ素子領域３２と称する。
【００１３】
図１に示されているように、半導体装置１００を平面視したときに基板１２の略中央にダイオード（感温ダイオード）４０が形成されている。図１から明らかなとおり、ダイオード４０は、トランジスタ素子領域３２に隣接して形成されている。
【００１４】
図２を参照して、基板１２とダイオード４０の構造を説明する。基板１２は、ｎ型半導体層（第１導電型半導体層）１４と、ｎ＋型半導体層１６とｐ型半導体層（第２導電型半導体層）１８の３層構造を有している。ＩＧＢＴ素子が形成されているトランジスタ素子領域３２においては、ｎ型半導体層１４はドリフト層に相当し、ｎ＋型半導体層１６はバッファ層に相当し、ｐ型半導体層１８はコレクタ層に相当する。ｐ型半導体層１８が形成されている主面１２ｂにコレクタ電極１９が形成されている。図２に示すように、ガードリング３０は、一方の主面１２ａからｎ型半導体層１４の所定の深さまで伸びている。ガードリング３０は、ｐ型半導体で形成されている。基板１２の一方の主面１２ａは、酸化シリコンの絶縁膜２２で覆われている。
【００１５】
図２に示されているように、主面１２ａに半球状の窪み２０が形成されおり、窪み２０の表面も絶縁膜２２で覆われている。ダイオード４０は、窪み２０の表面に沿って、絶縁膜２２を介して基板１２に形成されている。図２に示す通り、ダイオード４０は、ｐ型半導体のアノード４８と、アノード４８を囲んでいるｎ型半導体のカソード４２が接合している構造を有する。アノード４８とカソード４２は共に絶縁膜２２に接している。また、アノード４８とカソード４２は、共に同じ厚みＷを有している。即ち、ダイオード４０は、その厚みがＷで略一定であり、窪み２０の表面に沿って湾曲している。別言すれば、ダイオード４０の表面が窪み４０の表面に略平行に湾曲している。
【００１６】
アノード４８の表面にはアノード電極４６が貼着されており、カソード４２の表面にはカソード電極４４が貼着されている。図１に示されているように、アノード電極４６とカソード電極４４は、窪み２０から基板１２の縁まで伸びており、基板の縁で矩形の電極パッドを形成している。また、図１に示すように、カソード電極４４は、カソード４２の上面であって窪み２０の開口部付近で周方向にほぼ一巡している。
【００１７】
ダイオード４０の特徴を説明する。ダイオード４０は、アノード４８とカソード４２のｐｎ接合部の抵抗が温度に応じて敏感に変化する。即ち、ダイオード４０は、温度に依存して抵抗が変化する。ダイオード４０の抵抗を計測することでダイオード４０の温度を計測することができる。ダイオード４０は基板１２に作り込まれているので、ダイオード４０の温度は、基板１２の温度を代表している。特に、絶縁膜２２にアノード４８とカソード４２が密着しているので、ダイオード４０の温度は基板１２の温度をよく表す。即ち、ダイオード４０によって半導体装置１００の基板１２の温度を計測することができる。
【００１８】
また、ダイオード４０は、絶縁膜２２を介して基板１２の窪み２０に沿って形成されている。トランジスタ素子の動作によって、ｎ型半導体層１４内の電流の流れが変化する。しかしながらダイオード４０は、絶縁膜２２を介してｎ型半導体層１４に接しているが絶縁されているので、トランジスタ素子領域３２に形成されたトランジスタ素子の動作に起因する電流変化の影響を受けない。
【００１９】
さらに、ダイオード４０は、基板１２の略中央に半球状の窪み２０の表面に沿って形成されている。基板１２の熱分布は表面（主面１２ａ）の中央部が最も高く、中央部から離れるにしたがって低下する。即ち、基板１２内部における等温面は、中央部から半球状に広がる。従って基板中央に半球状に位置するダイオード４０は、そのボリュームが基板１２において最も温度が高い部分に集中しているので基板１２の最高温度を正確に計測することができる。
【００２０】
なお、ダイオード４０は、半導体装置１００の成膜工程で窪み内の絶縁膜２２の上に直接に形成されている。即ち、アノード４８とカソード４２は、窪み内の絶縁膜２２の上に直接に形成されている。
【実施例２】
【００２１】
図３に、第２実施例の半導体装置３００の断面図を示す。図３に示す断面は、第１実施例の図２に示す断面に対応している。図３では、基板１２の下層（第１実施例のｎ＋型半導体層１６とｐ型半導体層１８）の図示を省略しているが、第１実施例の半導体装置１００と同様に、領域３２にトランジスタ素子が形成されている。半導体装置３００は、ダイオード（感温ダイオード）３４０を有している。ダイオード３４０は、基板１２の主面１２ａの中央に形成された窪み２０の表面に沿って形成されている。ダイオード３４０は、一対のダイオード３４０ａ、３４０ｂから構成される。一方のダイオード３４０ａは、窪み２０の中央に位置する第１アノード４８ａと、第１アノード４８ａを囲んでこれに接合している第１カソード４２ａから構成されている。第１アノード４８ａにはアノード電極４６が接触している。第１カソード４２ａを囲むように、導電層４９が形成されている。他方のダイオード３４０ｂは、導電層４９を囲んでこれに接触している第２アノード４８ｂと、第２アノード４８ｂを囲んでこれに接合している第２カソード４２ｂから構成される。第２カソード４２ｂにはカソード電極４４が接触している。一対のダイオード３４０ａと３４０ｂは、同心円状に形成されている。一対のダイオード３４０ａと３４０ｂは電気的に直列に結合している。第２実施例のダイオード３４０は、主面１２ａの中央の窪み２０内に形成されているとともに絶縁膜２２で基板１２から絶縁されているので、第１実施例のダイオード４０と同じ効果を奏する。
【００２２】
また、絶縁膜２２を介して窪み２０に沿って形成されている一対のダイオード３４０ａ、３４０ｂを備えることによって、温度変化によって抵抗値が敏感に変化するｐｎ接合部の面積が増大するので、ダイオード３４０の温度感度が向上する。
【実施例３】
【００２３】
図４に、第３実施例の半導体装置４００の断面図を示す。図４に示す断面は、第１実施例の図２に示す断面に対応している。図４では、基板１２の下層（第１実施例のｎ＋型半導体層１６とｐ型半導体層１８）の図示を省略しているが、第１実施例の半導体装置１００と同様に、領域３２にトランジスタ素子が形成されている。半導体装置４００は、ダイオード（感温ダイオード）４４０を有している。ダイオード４４０は、基板１２の主面中央に形成された窪み２０の表面に沿って形成されている。ダイオード４４０は、ｐ型半導体のアノード４８とｎ型半導体のカソード４２で構成されている。カソード４２は、絶縁膜２２を介して窪み２０の表面に沿って形成されている。アノード４８は、カソード４２の上面に接合して積層している。カソード４２の上面に、周方向に一巡するリング状のカソード電極４４が接触しており、アノード４８の上面にアノード電極４６が接触している。第３実施例のダイオード４４０は、主面１２ａの中央の窪み２０内に形成されているとともに絶縁膜２２で基板１２から絶縁されているので、第１実施例のダイオード４０と同じ効果を奏する。
【００２４】
この半導体装置４００では、アノード４８とカソード４２のｐｎ接合面が窪み２０の湾曲に略平行である。従って、基板１２の熱が窪み２０の表面からｐｎ接合部全体へ均等に伝わるので、基板１２の温度を正確に計測することができる。
【００２５】
また、カソード４２は絶縁膜２２によって基板１２と絶縁されているため、ダイオード４４０はトランジスタ素子領域３２に形成されているトランジスタ素子の動作の影響を受けない。
【実施例４】
【００２６】
図５に、第４実施例の半導体装置５００の断面図を示す。図５に示す断面は、第１実施例の図２に示す断面に対応している。図５では、基板１２の下層（第１実施例のｎ＋型半導体層１６とｐ型半導体層１８）の図示を省略しているが、第１実施例の半導体装置１００と同様に、領域３２にトランジスタ素子が形成されている。半導体装置５００は、ダイオード（感温ダイオード）５４０を有している。ダイオード５４０は、基板１２の主面１２ａの中央に形成された窪み２０の表面に沿って形成されている。ダイオード５４０は、一対のダイオード５４０ａ、５４０ｂから構成されている。窪み２０の表面に沿って、絶縁膜２２を介して第１カソード４２ａが形成されている。第１カソード４２ａの上面に周方向に一巡するリング状のカソード電極４４が接触している。リング状のカソード電極４４の内側で第１カソード４２ａの上面に、第１アノード４８ａが接合している。第１アノード４８ａの上面に導電層４９が形成されている。第１アノード４８ａと第１カソード４２ａがダイオード５４０ａを構成する。導電層４９の上面に、第２カソード４２ｂが形成されている。第２カソード４２ｂの上面に第２アノード４８ｂが接合している。第２アノード４８ｂと第２カソード４２ｂがダイオード５４０ｂを構成する。第２アノード４８ｂの上面にアノード電極４６が接触している。この半導体装置５００は、導電層４９によって直列に接続された一対のダイオード５４０ａと５４０ｂからなるダイオード５４０を備えている。一対のダイオード５４０ａと５４０ｂは、窪み２０の湾曲面の上に積層されている。第４実施例のダイオード５４０は、主面１２ａの中央の窪み２０内に形成されているとともに絶縁膜２２で基板１２から絶縁されているので、第１実施例のダイオード４０と同じ効果を奏する。
【００２７】
以上説明した半導体装置はいずれも、基板の主面に形成された窪みに沿って形成されている温度センサ素子（感温ダイオード）を有している。基板と温度センサ素子は絶縁膜で絶縁されている。従って、温度センサ素子は、基板が有するトランジスタ素子の動作に起因する基板内の電流変化の影響を受けずに正確に基板温度を計測することができる。
【００２８】
また、いずれの実施例においても、ダイオード４０は、半導体装置の成膜工程で窪み内の絶縁膜２２の上に直接に形成されている。即ち、アノード４８とカソード４２の少なくとも一方は、窪み内の絶縁膜２２の上に直接に形成されている。絶縁膜２２の上に直接に形成されているので、ダイオードは基板温度を正確に計測することができる。
【００２９】
第２実施例の半導体装置３００と第４実施例の半導体装置５００では、直列に接続された一対のダイオードが窪み２０の内部に形成されている。本発明は、並列あるいは直列に接続された３個以上のダイオードを有していてもよい。本発明は、トランジスタ素子が形成されたｎ型半導体の基板１２の主面に窪みが形成されており、その窪みに絶縁膜を介してダイオードが窪みの表面に沿って形成されていればよい。
【００３０】
また、実施例のダイオードとはアノードとカソードの位置が逆転していても同様の効果を得ることができる。また、トランジスタ素子領域には縦型のトランジスタ素子が形成されていても平面型のトランジスタ素子が形成されていてもよい。実施例の半導体装置はいずれもトランジスタ素子領域とダイオードがガードリングで区分されていたが、ガードリングがなくとも本発明は成立する。また、実施例ではダイオードを用いて説明したが、例えば温度依存の抵抗値を有する温度センサ素子をダイオードの代わりに用いることも好適である。温度センサ素子が、基板の主面に形成された窪みの中に、絶縁膜を介して形成されていればよい。
【００３１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００３２】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３３】
１２：半導体基板
１４：ｎ型半導体層
１６：ｎ＋型半導体層
１８：ｐ型半導体層
１９：コレクタ電極
２０：窪み
２２：絶縁膜
４２、４２ａ、４２ｂ：カソード
４４：カソード電極
４６：アノード電極
４８、４８ａ、４８ｂ：アノード
４０、３４０、４４０、５４０：ダイオード
１００、３００、４００、５００：半導体装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010212292.tif 000005
【図４】
2010212292.tif 000006
【図５】
2010212292.tif 000007