(57)【要約】【課題】活性素子領域を有効活用して半導体素子のコンパクト化を可能とする半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１に、ゲート電極１９に所定のゲート電圧ＶＧを印可することにより活性素子領域１１を介してコレクタ電極１７とエミッタ電極１８との間で通電可能となる半導体素子１０と、カソード３０ａがゲート電極１９に接続され、半導体素子１０の温度を検出するための温度検出素子３０と、半導体素子１０のゲートが閉じているときに温度検出素子３０に通電し、通電時の温度検出素子３０のアノードパッド３０ｂとゲート電極１９との間の電圧値または電流値に基づいて半導体素子１０の温度を検出する制御部５０と、を具備した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極に所定のゲート電圧を印可することにより、活性素子領域を介してコレクタ電極とエミッタ電極との間で通電可能となる半導体素子と、
カソードが前記ゲート電極に接続され、前記半導体素子の温度を検出するための温度検出素子と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子のゲートのオフ時に前記温度検出素子に通電し、通電時の前記温度検出素子の端子間の電圧値または電流値に基づいて前記半導体素子の温度を検出する制御部を具備す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】
前記ゲート電極を前記半導体素子の素子分離領域の上面に配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記温度検出素子を前記ゲート電極と前記半導体素子の素子分離領域との間に配置することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記温度検出素子を前記半導体素子の略中央部に配置することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項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、半導体装置の技術に関する。より詳細には、温度管理を要する半導体装置（例えば、パワー半導体装置等）のコンパクト化に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体素子は過度の高温になると破壊され、機能不全に陥る恐れがあることから、その温度管理は重要である。
特に近年、パワー半導体装置はハイブリッド車等に広く用いられ、パワー半導体装置の大電流・高電圧化がますます進む傾向にある。それに伴い、パワー半導体装置の内部に設けられる半導体素子の発熱量も大きくなり、半導体装置の温度管理の重要性が増している。
【０００３】
従来、温度検出素子を半導体素子に設け、当該温度検出素子に通電して電流値または電圧値を検出することにより、温度検出素子の温度を算出し、ひいては半導体素子の温度を検出する半導体素子は公知となっている。例えば特許文献１に記載の如くである。
特許文献１に記載の半導体装置は、半導体素子の活性素子領域（アクティブ領域）に温度検出素子を形成している。
【特許文献１】特開平１０−４１５１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の半導体装置は、半導体素子の活性素子領域の一部が温度検出素子を形成するために使われることとなり、活性素子領域の有効活用による半導体素子のコンパクト化を阻害するという問題がある。
本発明は以上の如き状況に鑑み、活性素子領域を有効活用して半導体素子のコンパクト化を可能とする半導体装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００６】
即ち、請求項１においては、
ゲート電極に所定のゲート電圧を印可することにより、活性素子領域を介してコレクタ電極とエミッタ電極との間で通電可能となる半導体素子と、
カソードが前記ゲート電極に接続され、前記半導体素子の温度を検出するための温度検出素子と、を具備するものである。
【０００７】
請求項２においては、
前記半導体素子のゲートのオフ時に前記温度検出素子に通電し、通電時の前記温度検出素子の端子間の電圧値または電流値に基づいて前記半導体素子の温度を検出する制御部を具備するものである。
【０００８】
請求項３においては、
前記ゲート電極を前記半導体素子の素子分離領域の上面に配置するものである。
【０００９】
請求項４においては、
前記温度検出素子を前記ゲート電極と前記半導体素子の素子分離領域との間に配置するものである。
【００１０】
請求項５においては、
前記温度検出素子を前記半導体素子の略中央部に配置するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１２】
請求項１においては、半導体素子の活性素子領域を有効活用することが可能であり、半導体装置のコンパクト化に寄与する。
【００１３】
請求項２においては、半導体素子を動作させるためのゲート電極へのゲート電圧の印加の邪魔をすることなく温度検出素子の温度を検出することが可能である。
【００１４】
請求項３においては、半導体素子の活性素子領域を有効活用することが可能であり、半導体装置のコンパクト化に寄与する。
【００１５】
請求項４においては、半導体素子の活性素子領域を有効活用することが可能であり、半導体装置のコンパクト化に寄与する。
【００１６】
請求項５においては、半導体素子の熱による破壊の防止がより確実となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下では、図１乃至図４を用いて、本発明に係る半導体装置の実施の一形態である半導体装置１について説明する。
【００１８】
半導体装置１はパワー半導体装置の一種であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ（またはＩｎｅｒｔｅｄ）  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）モジュールであり、図１に示す如く、主としてＩＧＢＴ素子に構成される半導体素子１０、温度検出素子３０、電源４０、制御部５０を具備する。
なお、本発明はＩＧＢＴモジュールに限らず、他の半導体装置にも広く適用可能である。
【００１９】
以下では、半導体素子１０について説明する。
図２に示す如く、半導体素子１０は、単結晶シリコン基板を出発材とし、これにＰ型のドーパント（硼素等）やＮ型のドーパント（燐、砒素、アンチモン等）を適宜拡散することにより種々の半導体素子が形成される活性素子領域１１・１１、および、ＳｉＯ２等からなるフィールド酸化膜を表面に形成することにより活性素子領域１１・１１の間を絶縁（素子分離）する素子分離領域１２を有する。
【００２０】
図３に示す如く、半導体素子１０の下面側にはＰ型領域１３が形成され、上面側にはＮ型領域１４が形成される。また、Ｎ型領域１４の上面側にはＰウェル１５およびＮウェル１６が形成される。
半導体素子１０の下面にはパッド状のコレクタ電極１７が設けられ、半導体素子１０の活性素子領域１１の上面にはパッド状のエミッタ電極１８が配置される。
【００２１】
半導体素子１０の素子分離領域１２の上面、すなわち、素子分離領域１２に対向する位置にはゲート電極１９が配置される。
【００２２】
仮に活性素子領域１１に対向する位置にゲート電極１９を配置した場合、その分だけ活性素子領域１１・１１が実質的に減少するため、活性素子領域１１・１１のうち本来の機能に用いられる部分の面積が減少することとなる。
ゲート電極１９を素子分離領域１２の上面に配置することにより、ゲート電極１９を仮に活性素子領域１１に対向する位置に配置する場合に比べて半導体素子１０の活性素子領域１１・１１を有効活用することが可能（半導体素子１０の面積に占める活性素子領域１１の割合を大きくすることが可能）である。結果として、半導体装置１のコンパクト化に寄与する。
【００２３】
図３に示す如く、ゲート電極１９はポリシリコン膜１９ａおよびゲートパッド１９ｂからなり、ポリシリコン膜１９ａの先端部はＰウェル１５の上方に配置され、ポリシリコン膜１９ａと半導体素子１０の上面との間にはＳｉＯ２からなる絶縁酸化膜２０が形成される。
【００２４】
ゲート電極１９に所定のゲート閾値電圧Ｖｔｈ以上の電圧（本実施例の場合、ゲート電圧ＶＧ）が印加されない状態では、Ｐウェル１５にチャネルは形成されず、活性素子領域１１を介してコレクタ電極１７からエミッタ電極１８に向かって通電しない。以下、この状態を、「半導体素子１０のゲートがオフしている状態」とする。
ゲート電極１９に所定のゲート閾値電圧Ｖｔｈ以上の電圧（本実施例の場合、ゲート電圧ＶＧ）が印加された状態では、Ｐウェル１５にチャネルが形成され、活性素子領域１１を介してコレクタ電極１７からエミッタ電極１８に向かって通電することが可能となる。以下、この状態を、「半導体素子１０のゲートがオンしている状態」とする。
このように、半導体素子１０はゲート電極１９への電圧の印加によりコレクタ電極１７とエミッタ電極１８との間でスイッチのオン・オフを行うスイッチング素子としての機能を有する。
【００２５】
以下では、温度検出素子３０について説明する。
温度検出素子３０は半導体素子１０の温度を検出するためのものであり、その電気抵抗特性が温度依存性を有するダイオードからなる。
【００２６】
図３に示す如く、温度検出素子３０のカソード（陰極）３０ａはゲート電極１９に接続される。
温度検出素子３０のカソード３０ａをゲート電極１９に接続し、ゲート電極１９が温度検出素子３０のカソードパッドを兼ねる構成とすることにより、カソードパッドを省略することが可能となり、カソードパッドを仮に活性素子領域１１に対向する位置に配置する場合に比べて半導体素子１０の活性素子領域１１・１１を有効活用することが可能（半導体素子１０の面積に占める活性素子領域１１の割合を大きくすることが可能）である。結果として、半導体装置１のコンパクト化に寄与する。
【００２７】
また、図２に示す如く、温度検出素子３０のアノード（陽極）パッド３０ｂは半導体素子１０の素子分離領域１２の上面、すなわち、素子分離領域１２に対向する位置に配置される。
仮に活性素子領域１１の上面にアノードパッド３０ｂを配置した場合、その分だけ活性素子領域１１・１１が実質的に減少するため、活性素子領域１１・１１のうち本来の機能に用いられる部分の面積が減少することとなる。
アノードパッド３０ｂを素子分離領域１２の上面に配置することにより、アノードパッド３０ｂを仮に活性素子領域１１に対向する位置に配置する場合に比べて半導体素子１０の活性素子領域１１・１１を有効活用することが可能（半導体素子１０の面積に占める活性素子領域１１の割合を大きくすることが可能）である。結果として、半導体装置１のコンパクト化に寄与する。
【００２８】
温度検出素子３０は半導体素子１０からの熱伝導により半導体素子１０の温度と略同じ温度となる。従って、半導体素子１０の温度に応じて温度検出素子３０の温度は変化し、その電気抵抗も変化する。
温度検出素子３０に通電して電流または電圧値を検出することにより、温度検出素子３０の温度、ひいては半導体素子１０の温度を検出することが可能である。
なお、通常、温度検出素子３０の温度が上昇するほど温度検出素子３０の電気抵抗（順方向）は大きくなる。
【００２９】
図２および図３に示す如く、温度検出素子３０はゲート電極１９と素子分離領域１２との間に配置される。
【００３０】
仮に活性素子領域１１に温度検出素子３０を形成した場合、その分だけ活性素子領域１１・１１が実質的に減少するため、活性素子領域１１・１１のうち本来の機能に用いられる部分の面積が減少することとなる。
温度検出素子３０をゲート電極１９と素子分離領域１２との間に配置することにより、温度検出素子３０を仮に活性素子領域１１に形成する場合に比べて半導体素子１０の活性素子領域１１・１１を有効活用することが可能（半導体素子１０の面積に占める活性素子領域１１の割合を大きくすることが可能）である。結果として、半導体装置１のコンパクト化に寄与する。
【００３１】
また、温度検出素子３０をゲート電極１９と素子分離領域１２との間に配置することは、平面視（図２参照）で温度検出素子３０をゲート電極１９とが重なることを意味し、温度検出素子３０とゲート電極１９とが別々の場所に配置される場合（図５参照）に比べて半導体素子１０の活性素子領域１１・１１をさらに有効活用することが可能（半導体素子１０の面積に占める活性素子領域１１の割合を大きくすることが可能）である。結果として、半導体装置１のコンパクト化に寄与する。
【００３２】
図２に示す如く、温度検出素子３０は平面視で半導体素子１０の略中央部となる位置に配置される。
このように構成することにより、温度検出素子３０は動作時の半導体素子１０において最も高温となる部分の温度を検出することが可能であり、ひいては半導体素子１０の保護（熱による破壊の防止）がより確実となる。
【００３３】
以下では電源４０について説明する。
電源４０は温度検出素子３０に所定の参照電圧Ｖｒｅｆを印加するものである。電源４０は温度検出素子３０のアノードパッド３０ｂに接続される。
【００３４】
以下では、制御部５０について説明する。
制御部５０は、温度検出素子３０に通電した時の温度検出素子３０の端子間の（アノードパッド３０ｂとゲート電極１９との間の）電圧値および電流値に基づいて温度検出素子３０の温度を検出するものである。
図１に示す如く、制御部５０は温度検出素子３０のアノードパッド３０ｂおよびゲート電極１９に接続される。
制御部５０は温度検出素子３０の温度を検出するためのプログラム（温度検出プログラム）、半導体素子１０のスイッチングを行うためのプログラム（スイッチングプログラム）等を格納する格納手段、これらのプログラム等を展開する展開手段、これらのプログラム等に従って所定の演算を行う演算手段、演算結果等を記憶する記憶手段等を具備する。
制御部５０は、より具体的にはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であっても良く、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であっても良い。
本実施例の制御部５０は専用品であるが、例えば本発明に係る半導体装置を自動車に搭載する場合には、制御部としての機能を自動車のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）等に組み込んでも同様の効果を奏する。また、市販のパーソナルコンピュータやワークステーション等に温度検出素子の温度を算出するためのプログラムを格納したものを制御部として用いても同様の効果を達成することが可能である。
【００３５】
以下では、図１および図４を用いて、半導体素子１０の温度検出方法の一例について説明する。
図４に示す如く、制御部５０は内部にクロックを有し、当該クロックに同期させて、（１）ゲート電極１９に所定のゲート電圧を印加した状態すなわち半導体素子１０のゲートがオンした状態と、（２）ゲート電極１９に所定のゲート電圧ＶＧを印加しない状態すなわち半導体素子１０のゲートがオフした状態と、を切り替える（半導体素子１０のゲートの開閉を行う）。
なお、温度検出素子３０のカソード３０ａがゲート電極１９に接続されているため、ゲート電極１９に所定のゲート電圧ＶＧを印加しても温度検出素子３０に通電されない。
【００３６】
制御部５０は、ゲート電極１９に所定のゲート電圧ＶＧを印加していないとき、すなわち半導体素子１０のゲートがオフしているときに電源４０を用いて温度検出素子３０に順方向の電圧を印加する。
なお、一般的なパワー半導体装置の場合、スイッチング周期（ゲートの開閉周期）は１０μｓ程度（＝１００ｋＨｚ）であるため、ゲート電極１９に所定のゲート電圧ＶＧを印加していないときにのみ電源４０を用いて温度検出素子３０に順方向の電圧を印加することは可能である。
【００３７】
また、電源４０の参照電圧Ｖｒｅｆはゲート閾値電圧Ｖｔｈよりも小さくなるように設定される。
これは、電源４０の参照電圧Ｖｒｅｆがゲート閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合、電源４０を用いて温度検出素子３０に順方向の電圧を印加すると半導体素子１０のゲートがオンした状態となってしまい、結果として半導体素子１０のゲートが常時オンした状態となる虞があるからである。
【００３８】
制御部５０は、温度検出素子３０のカソード電位Ｖｆを検出し、これと所定の加熱保護閾電圧（ＶＴＬＴＡ）とを比較する。
ここで、電源４０の参照電圧Ｖｒｅｆから温度検出素子３０のカソード電位Ｖｆを引いた値が温度検出素子３０の両端電圧値となる。
また、加熱保護閾電圧（ＶＴＬＴＡ）は、半導体素子１０が熱により破壊される（機能不全に陥る）ことを防止しするための指標となる電圧である。
半導体素子１０が熱により破壊される（機能不全に陥る）ことを防止し得る上限の温度（加熱保護温度）に温度検出素子３０を保持した状態で制御部５０が温度検出素子３０に通電したとき、温度検出素子３０による電圧降下は（Ｖｒｅｆ−ＶＴＬＴＡ）となる。
【００３９】
制御部５０は、温度検出素子３０のカソード電位Ｖｆと所定の加熱保護閾電圧（ＶＴＬＴＡ）とを比較した結果、温度検出素子３０のカソード電位Ｖｆが加熱保護閾電圧（ＶＴＬＴＡ）よりも高いときは、半導体素子１０の温度が加熱保護温度よりも低いと判定し、引き続き半導体素子１０のゲートの開閉に同期して、ゲート電極１９に所定のゲート電圧ＶＧを印加していないときに電源４０を用いて温度検出素子３０に順方向の電圧を印加する。
【００４０】
制御部５０は、温度検出素子３０のカソード電位Ｖｆと所定の加熱保護閾電圧（ＶＴＬＴＡ）とを比較した結果、温度検出素子３０のカソード電位Ｖｆが加熱保護閾電圧（ＶＴＬＴＡ）よりも低いときは、半導体素子１０の温度が加熱保護温度以上であると判定し、半導体素子１０が温度異常である旨のフェイルフラグをたてるとともに、ゲート電極１９に所定のゲート電圧ＶＧを印加することを停止する。
【００４１】
このように、制御部５０は、温度検出素子３０のカソード電位Ｖｆを検出し、ひいては半導体素子１０の温度を検出する（本実施例の場合、温度検出素子３０の温度が加熱保護温度以上か否かを判定することにより、半導体素子１０の温度が加熱保護温度以上か否かを判定する）ことが可能である。
また、制御部５０は、半導体素子１０のゲート電極１９への印加が行われていないときにゲート閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧（本実施例の場合、参照電圧Ｖｒｅｆ）で温度検出素子３０に順方向の電圧を印可することにより、温度検出素子３０のカソード３０ａが半導体素子１０のゲート電極１９に接続された構成であっても、半導体素子１０を動作させるためのゲート電極１９へのゲート電圧ＶＧの印加の邪魔をすることなく温度検出素子３０のカソード電位Ｖｆを検出し、ひいては半導体素子１０の温度を検出することが可能である。
さらに、制御部５０は、温度検出素子３０の温度が所定の温度（加熱保護温度）以上にあるときに半導体素子１０の動作を停止することにより、半導体素子１０の発熱を抑え、半導体素子１０の保護（破壊防止）を可能としている。
【００４２】
なお、本実施例では制御部５０が温度検出素子３０のカソード電位Ｖｆ（電圧値）を検出することにより半導体素子１０の温度を検出する構成としたが、温度検出素子３０の通電時の電流値を検出することにより半導体素子１０の温度を検出する構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る半導体装置の実施の一形態の回路構成を示す図。
【図２】本発明に係る半導体装置の実施の一形態の半導体素子の平面図。
【図３】本発明に係る半導体装置の実施の一形態の半導体素子の側面断面図。
【図４】本発明に係る半導体装置の実施の一形態の制御部の動作を示す図。
【図５】本発明に係る半導体装置の別実施例の半導体素子の平面図。
【符号の説明】
【００４４】
１      半導体装置
１０    半導体素子
１１    活性素子領域（アクティブ領域）
１２    素子分離領域
１７    コレクタ電極
１８    エミッタ電極
１９    ゲート電極
３０    温度検出素子
３０ａ  カソード
【図１】
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【図２】
2007266089.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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