(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子又はその周辺の温度を検出するための温度検出用ダイオードとを備えた温度検出機能付き半導体装置であって、
前記半導体素子のソース、ドレイン、エミッタ、コレクタのうち半導体素子の使用状態において接地側となる領域の端子と、前記温度検出用ダイオードのカソード側領域の端子との間に前記温度検出用ダイオードを介することなく保護ダイオードが接続され、
前記温度検出用ダイオードは、該温度検出用ダイオードに対して絶縁層を介して設けられた前記半導体素子の温度を検出する温度検出機能付き半導体装置。
【請求項２】
前記保護ダイオードは、ダイオードがそれぞれ逆方向に直列に接続された構成となっている請求項１に記載の温度検出機能付き半導体装置。
【請求項３】
前記保護ダイオードは、２個のダイオードがアノード側同士が接続される状態で、直列且つ逆方向に接続された構成となっている請求項２に記載の温度検出機能付き半導体装置。
【請求項４】
前記保護ダイオードは、２個のダイオードが並列且つ逆方向に接続された構成となっている請求項１に記載の温度検出機能付き半導体装置。
【請求項５】
前記半導体素子はＮチャネルのＭＯＳＦＥＴであり、前記保護ダイオードはＭＯＳＦＥＴのソース側領域の端子と、前記温度検出用ダイオードのカソード側領域の端子との間に接続されている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の温度検出機能付き半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子は、ＩＧＢＴである請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の温度検出機能付き半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子又はその周辺の温度を検出する機能を備えた温度検出機能付き半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の動作時の異常な温度上昇による破壊を防止するために、半導体素子を含む半導体装置に感熱素子部を設け、半導体装置の温度が異常に上昇した時にその温度上昇を感熱素子部で検出し、その検出信号に基づいて半導体素子の動作を停止させて熱破壊を避けるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この半導体装置は、図７に示すように、ＭＯＳトランジスタ４０及びそのＭＯＳトランジスタ４０の近傍に形成された感熱素子部としてのダイオード４１を備えている。そして、このダイオード４１に順方向電流を流しながら順方向の電圧を測定することにより、その周辺温度が検出される。
【０００４】
ところで、半導体装置の設計に際しては、通常、静電放電（ＥＳＤ：Electro Static Discharge）耐量が考慮される。ここで、ＥＳＤとは、いわゆる静電気であり、これが半導体装置の端子に加わるとサージ電流が流れる。そして、このサージ電流は、半導体装置を構成する各素子に悪影響を及ぼすことがある。
【０００５】
前記特許文献１に記載の半導体装置では、温度検出用のダイオード４１に対して並列かつ逆方向に保護用のダイオード４２を接続することにより、温度検出用のダイオード４１のＥＳＤ耐量が高められている。即ち、この構成においては、ダイオード４１のアノード端子４１ａ側に静電放電が加えられたとき（アノード端子４１ａの電位がカソード端子４１ｂの電位よりも高くなるような静電放電が加えられたとき）は、その静電放電に起因する電流は温度検出用のダイオード４１を介して流れる。一方、ダイオード４１のカソード端子４１ｂ側に静電放電が加えられたとき（カソード端子４１ｂの電位がアノード端子４１ａの電位よりも高くなるような静電放電が加えられたとき）は、その静電放電に起因する電流は保護用のダイオード４２を介して流れるので、温度検出用のダイオード４１に大きな逆電圧が加わることが回避される。その結果、温度検出用のダイオード４１のＥＳＤ耐量が向上する。
【特許文献１】特許第２６３０２４２号公報（明細書の段落［０００８］、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１に開示された半導体装置の構成においては、保護用のダイオード４２を設けることにより温度検出用のダイオード４１のＥＳＤ耐量は向上している。しかし、ダイオード４１に対して逆並列に接続された保護用のダイオード４２の漏れ電流の影響を受けて、温度検出精度が悪くなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、温度検出用のダイオードのＥＳＤ耐量を向上させ、かつ温度検出精度も良好な温度検出機能付き半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、半導体素子と、前記半導体素子又はその周辺の温度を検出するための温度検出用ダイオードとを備えた温度検出機能付き半導体装置である。そして、前記半導体素子のソース、ドレイン、エミッタ、コレクタのうち半導体素子の使用状態において接地側となる領域の端子と、前記温度検出用ダイオードのカソード側領域の端子との間に前記温度検出用ダイオードを介することなく保護ダイオードが接続され、前記温度検出用ダイオードは、該温度検出用ダイオードに対して絶縁層を介して設けられた前記半導体素子の温度を検出する。ここで、「半導体素子のソース、ドレイン、エミッタ、コレクタの領域のうち半導体素子の使用状態において接地側となる領域の端子」とは、例えば、半導体素子がＮチャネルのＭＯＳＦＥＴであればソース側領域の端子となり、半導体素子がＰチャネルのＭＯＳＦＥＴであればドレイン側領域の端子となる。また、半導体素子がＮ型のＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）であればエミッタ側領域の端子となり、半導体素子がＰ型のＩＧＢＴであればコレクタ側領域の端子となる。
【０００９】
この発明では、温度検出用ダイオードのアノード側領域の端子からカソード側領域の端子に向かって定電流を流すことにより温度検出用ダイオードにダイオードの順方向電圧が発生する。この電圧値は温度依存性があるため、前記電圧値を検出することにより温度が検出される。温度検出用ダイオードには従来技術と異なり逆並列に接続された保護ダイオードがないため、逆並列に接続された保護ダイオードの漏れ電流の影響を受けて温度検出精度が悪くなることはない。半導体素子は温度検出用ダイオードに比較して大面積であり、寄生容量も大きいため、静電放電に起因する電流を吸収できる。従って、温度検出用ダイオードは静電放電から保護される。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記保護ダイオードは、ダイオードがそれぞれ逆方向に直列に接続された構成となっている。この発明では、温度検出用ダイオードのカソード側領域の端子に静電放電が加えられた場合を除き、温度検出用ダイオードのカソード側領域の端子から半導体素子側及び、半導体素子側からカソード側領域の端子へは電流が流れないため、温度検出精度がより高くなる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記保護ダイオードは、２個のダイオードがアノード側同士が接続される状態で、直列且つ逆方向に接続された構成となっている。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記保護ダイオードは、２個のダイオードが並列且つ逆方向に接続された構成となっている。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記半導体素子はＮチャネルのＭＯＳＦＥＴであり、前記保護ダイオードはＭＯＳＦＥＴのソース側領域の端子と、前記温度検出用ダイオードのカソード側領域の端子との間に接続されている。この発明では、ＮチャネルのＭＯＳＦＥＴにおいて、請求項１〜請求項４に記載の発明と同様な効果が得られる。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記半導体素子は、ＩＧＢＴである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、温度検出用のダイオードのＥＳＤ耐量を向上させることができ、かつ温度検出精度も良好にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明をＮチャネルのＭＯＳＦＥＴを備えた半導体装置に具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。図１は温度検出機能付き半導体装置としての半導体装置の等価回路図であり、図２は半導体装置の模式部分断面図である。なお、図２において断面のハッチングを省略している。
【００１４】
図１に示すように、半導体装置１１は、半導体素子としてのＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ１２と、温度検出用ダイオード１３と、保護ダイオード１４とを備えている。保護ダイオード１４は、ＭＯＳＦＥＴ１２のソースＳと、温度検出用ダイオード１３のカソードＫとの間に接続されている。即ち、ＭＯＳＦＥＴ１２のソースＳ及びドレインＤの領域のうちＭＯＳＦＥＴ１２の使用状態において接地側となる領域と、温度検出用ダイオード１３のカソードＫとの間に保護ダイオード１４が接続されている。
【００１５】
ＭＯＳＦＥＴ１２はパワーＭＯＳＦＥＴであり、ゲートＧに入力される信号に従って主電流（ドレインＤからソースＳへ流れる電流）を制御する。
温度検出用ダイオード１３はｎ個（ｎは自然数）のダイオードが直列接続された構成である。保護ダイオード１４は２個のダイオード１４ａ，１４ｂがそれぞれ逆方向に直列接続された構成となっている。この実施形態では両ダイオード１４ａ，１４ｂはアノード同士が接続され、カソードがソースＳと、温度検出用ダイオード１３のカソードＫとにそれぞれ接続されている。
【００１６】
図２に示すように、半導体装置１１は、Ｎ＋型のシリコンからなる半導体基板２１を備え、半導体基板２１の片面（図２において上面）にドレイン領域を構成するＮ−型のエピタキシャル層２２が設けられている。エピタキシャル層２２の半導体基板２１と反対側の面（図２において上面）には、Ｐ型のチャネル領域２３が設けられている。チャネル領域２３の表面（図２において上面）の一部にＮ＋型のソース領域２４が設けられている。チャネル領域２３の表面にはエピタキシャル層２２の上面からソース領域２４の上面に達するようにゲート酸化膜２６が形成されており、ゲート酸化膜２６の表面（図２において上面）にゲートポリシリコン層２７が形成されている。
【００１７】
エピタキシャル層２２の上面の温度検出用ダイオード１３及び保護ダイオード１４が形成される部分にはＰ型の半導体層２８が形され、半導体層２８の表面を覆うように絶縁膜２９が形成されている。絶縁膜２９上にＮ型ポリシリコン層３０とＰ型ポリシリコン層３１とが互いに接触する状態で交互に並んで形成されている。
【００１８】
前記互いに接触して交互に並んだＮ型ポリシリコン層３０及びＰ型ポリシリコン層３１のうち、一方の端（図２における左端）から順に並んだＮ型ポリシリコン層３０、Ｐ型ポリシリコン層３１及びＮ型ポリシリコン層３０の３個の組が保護ダイオード１４を構成する。即ち、保護ダイオード１４は、２個のダイオードがアノード同士が接続される状態で、逆方向に直列に接続された構成となっている。保護ダイオード１４はソースＳに配線３２により接続されている。
【００１９】
また、図２における右端から左側に順に並んだ偶数個（図２では図示の都合上２個のみ図示）のＰ型ポリシリコン層３１及びＮ型ポリシリコン層３０が温度検出用ダイオード１３を構成する。温度検出用ダイオード１３の左端のＮ型ポリシリコン層３０は、保護ダイオード１４の右端のＮ型ポリシリコン層３０として共用されるようになっている。即ち、温度検出用ダイオード１３と保護ダイオード１４とはカソード同士が接続された構成となっている。
【００２０】
なお、チャネル領域２３、ソース領域２４の露出表面を覆うようにソース電極（図示せず）が形成されている。また、半導体基板２１の裏面（図２の下面）にはドレイン電極（図示せず）が形成されている。
【００２１】
次に、前記のように構成された半導体装置１１の作用について説明する。
半導体装置１１はゲートＧが制御部（図示せず）に接続され、ソースＳが接地され、ドレインＤが電源（図示せず）に接続されて、温度検出用ダイオード１３のアノードＡに定電流源（図示せず）から一定の電流が供給される状態で使用される。
【００２２】
ＭＯＳＦＥＴ１２はゲートＧに入力される信号に従って主電流を制御する。ドレインＤの電位がソースＳの電位より高く、ゲートＧの電位がソースＳの電位より高くなるようにゲート電圧が印加され、ゲート電圧が閾値電圧を超えると、ＭＯＳＦＥＴ１２がオン状態となる。
【００２３】
温度検出用ダイオード１３のアノードＡからカソードＫに向かって電流が流れることにより温度検出用ダイオード１３にダイオードの順方向電圧が発生する。この電圧値は温度依存性があるため、電流値を一定として前記電圧値を検出することにより温度が検出される。なお、温度検出用ダイオード１３の電流／電圧特性の温度依存性に関するデータは予め求められている。
【００２４】
温度検出用ダイオード１３には従来技術と異なり温度検出用ダイオード１３に対して逆並列に接続された保護ダイオードがないため、逆並列に接続された保護ダイオードの漏れ電流の影響を受けて温度検出精度が悪くなることはない。また、温度検出用ダイオード１３のアノードＡ側に静電放電が加えられると、その静電放電に起因する電流は温度検出用ダイオード１３を介して流れる。一方、温度検出用ダイオード１３のカソードＫ側に静電放電が加えられると、保護ダイオード１４はツェナーダイオードとして機能して、その静電放電に起因する電流は、保護ダイオード１４を介してＭＯＳＦＥＴ１２のソース領域２４へと流れる。ＭＯＳＦＥＴ１２は温度検出用ダイオード１３に比較して大面積であり、寄生容量も大きいため、静電放電に起因する電流を吸収できる。従って、温度検出用ダイオード１３は静電放電から保護される。
【００２５】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）  半導体装置１１に設けられたＭＯＳＦＥＴ１２のソースＳと、温度検出用ダイオード１３のカソードＫとの間に保護ダイオード１４が接続されている。従って、温度検出用ダイオード１３には従来技術と異なり逆並列に接続された保護ダイオードがないため、従来の半導体装置より温度検出用ダイオード１３の温度検出精度が良くなる。また、温度検出用ダイオード１３のカソードＫ側に静電放電が加えられると、その静電放電に起因する電流は、保護ダイオード１４を介してソースＳへと流れてＭＯＳＦＥＴ１２の寄生容量に吸収される。その結果、温度検出用ダイオード１３は静電放電から保護される。
【００２６】
（２）  保護ダイオード１４は、ダイオード１４ａ，１４ｂがそれぞれ逆方向に直列に接続された構成となっている。従って、温度検出用ダイオード１３のカソードＫに静電放電が加えられた場合を除き、温度検出用ダイオード１３のカソードＫから半導体素子（ＭＯＳＦＥＴ１２）側及び、半導体素子側からカソードＫへは電流が流れないため、温度検出精度がより高くなる。
【００２７】
（３）  保護ダイオード１４は２個のダイオード１４ａ，１４ｂのアノード同士が接続されて、逆方向に直列接続された構成となっている。従って、保護ダイオード１４を構成する２個のダイオード１４ａ，１４ｂをカソード同士が接続された状態で、逆方向に直列接続された構成に比較して、ポリシリコン層を一つ少なくできる。
【００２８】
（４）  半導体素子としてはＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ１２が使用されており、保護ダイオード１４はＭＯＳＦＥＴ１２のソースＳと、温度検出用ダイオード１３のカソードＫとの間に接続されている。従って、ＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ１２において、前記（１）〜（３）効果が得られる。
【００２９】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  保護ダイオード１４を、２個のダイオード１４ａ，１４ｂのカソード同士が接続される状態で、逆方向に直列に接続された構成としてもよい。
【００３０】
○  逆方向に直列に接続されて保護ダイオード１４を構成するダイオード１４ａ，１４ｂは、それぞれ１個ずつに限らず、ダイオード１４ａと同じ向きに接続されるダイオードあるいはダイオード１４ｂと同じ向きに接続されるダイオードをそれぞれ複数としたり、一方の向きのダイオードを１個他方の向きのダイオードを複数個としてもよい。
【００３１】
○  図３（ａ），（ｂ）に示すように、保護ダイオード１４としてアノードがソースＳ側に接続され、カソードが温度検出用ダイオード１３のカソードＫに接続される構成としてもよい。温度検出用ダイオード１３の図３（ｂ）における左端のＮ型ポリシリコン層３０は、保護ダイオード１４の図３（ｂ）における右端のＮ型ポリシリコン層３０として共用されるようになっている。なお、保護ダイオード１４を構成するダイオードの数は１個に限らず複数個でもよい。この場合、ソースＳ側の電位が温度検出用ダイオード１３のカソードＫの電位より高くなると、ソースＳ側からカソードＫ側に電流が流れる。しかし、通常ソースＳ側の電位は温度検出用ダイオード１３のカソードＫ側の電位とほぼ同じであるため、温度検出用ダイオード１３による温度検出精度は従来のものより良くなる。
【００３２】
○  図４（ａ），（ｂ）に示すように、保護ダイオード１４としてカソードがソースＳ側に接続され、アノードが温度検出用ダイオード１３のカソードＫに接続される構成としてもよい。なお、保護ダイオード１４を構成するダイオードの数は１個に限らず複数個でもよい。この構成では保護ダイオード１４と温度検出用ダイオード１３とはポリシリコン層を共用せず、保護ダイオード１４のアノードを構成するＰ型ポリシリコン層３１は温度検出用ダイオード１３のカソードＫを構成するＮ型ポリシリコン層３０に配線３６により接続されている。この構成でも図３（ａ），（ｂ）に示す半導体装置１１とほぼ同様の効果が得られる。
【００３３】
○  図５（ａ），（ｂ）に示すように、保護ダイオード１４として２個のダイオード１４ａ，１４ｂを並列かつ逆方向に接続した構成としてもよい。ダイオード１４ａ，１４ｂは１個に限らず複数個が同じ向きに接続されたものでもよい。この構成でも図３（ａ），（ｂ）に示す半導体装置１１とほぼ同様の効果が得られる。
【００３４】
○  半導体素子はＭＯＳＦＥＴ１２に限らず、ＩＧＢＴに適用してもよい。ＩＧＢＴに適用する場合は、例えば、図６に示すように、Ｐ＋型半導体基板３３上にＮ＋型半導体層３４が設けられる点を除いて、ＭＯＳＦＥＴ１２と同じ構成となる。ただし、ＩＧＢＴ３５の場合は、ＭＯＳＦＥＴ１２においてソースＳと呼ばれた電極がエミッタＥと呼ばれ、ドレインＤと呼ばれた電極がコレクタＣと呼ばれる。また、ソース領域はエミッタ領域と呼ばれる。この場合も、ＩＧＢＴにおいて、前記実施形態の（１）〜（３）等と同様な効果が得られる。
【００３５】
○  半導体素子としてＩＧＢＴ３５を使用する構成において、図３〜図５に示す構成と同様な保護ダイオード１４を設けてもよい。
○  Ｎチャネル型の半導体装置に代えて、Ｐチャネル型の半導体装置としてもよい。この場合、Ｎ型の不純物とＰ型の不純物とを逆に用いればよい。例えば、ＭＯＳＦＥＴ１２の場合、半導体基板２１をＰ＋型、エピタキシャル層２２をＰ−型、チャネル領域２３をＮ型、ソース領域２４をＰ＋型とする。そして、保護ダイオード１４はＭＯＳＦＥＴ１２のドレインＤと、温度検出用ダイオード１３のカソードＫとの間に接続される。
【００３６】
○  半導体素子として、トレンチゲート構造のＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴに適用してもよい。
○  半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ以外の半導体素子例えば、バイポーラトランジスタ、静電誘導トランジスタに適用してもよい。
【００３７】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）  前記保護ダイオードは、２個のダイオードがアノード同士が接続される状態で、逆方向に直列に接続された構成となっている。
【００３８】
（２）  前記保護ダイオードは、２個のダイオードが並列かつ逆方向に接続された構成となっている。
（３）  前記半導体素子はＩＧＢＴである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】一実施形態の半導体装置の等価回路図。
【図２】同じく半導体装置の模式部分断面図。
【図３】（ａ）は別の実施形態の半導体装置の等価回路図、（ｂ）は同じく半導体装置の模式部分断面図。
【図４】（ａ）は別の実施形態の半導体装置の等価回路図、（ｂ）は同じく半導体装置の模式部分断面図。
【図５】（ａ）は別の実施形態の半導体装置の等価回路図、（ｂ）は同じく半導体装置の模式部分断面図。
【図６】別の実施形態の半導体装置の模式部分断面図。
【図７】従来技術の半導体装置の等価回路図。
【符号の説明】
【００４０】
Ｃ…コレクタ、Ｄ…ドレイン、Ｅ…エミッタ、Ｋ…カソード、Ｓ…ソース、１１…半導体装置、１２…半導体素子としてのＭＯＳＦＥＴ、１３…温度検出用ダイオード、１４…保護ダイオード、１４ａ，１４ｂ…ダイオード、３５…半導体素子としてのＩＧＢＴ。
【図１】
0004765252.tif 000002
【図２】
0004765252.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004765252.tif 000006
【図６】
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【図７】
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