(57)【要約】【課題】検出対象素子の瞬間的な発熱状態を検知することができるようにした半導体装置を提供する。【解決手段】抵抗素子１は、支持基板２に絶縁膜３を介して形成される半導体層４に不純物を導入した抵抗層４ａにより構成される。抵抗層４ａは、絶縁膜６に形成した多数のコンタクトホール６ａを介して電極部７により電気的に接続される。電極部７は、アルミニウムなどの熱溶融性の金属膜である。検出用配線８は、電流が流入する側の電極部７の外周に絶縁膜９を介して矩形枠状で設けられる。抵抗素子１の電流で局所的に発熱して過熱状態になると、電極部７が溶融して検出用配線８と短絡状態になる。これにより、検出用配線８の電位が変動し、短絡状態が検出されて、過熱状態を検知することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電用端子（１ａ、１ｂ）を備えた検出対象素子（１、１６）と、
前記通電用端子のうちの少なくとも電流が流入する側に設けられる熱溶融性の電極部（７）と、
前記電極部に絶縁膜（９）を介して隣接配置されるに検出用配線（８、８ａ、８ｂ）と
前記検出用配線に接続される電位検出抵抗（１３、１３ａ）と、
前記電位検出抵抗の端子電圧を検出して前記検出対象素子の発熱状態を判断する検出部（１４）とを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記検出用配線（８）は、前記電極部を包囲する形状に形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記検出用配線（８ａ、８ｂ）は、前記電極部と所定距離を存した辺部であって、前記検出対象素子の通電経路に沿う側に配置形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記検出対象素子（１）は、抵抗素子であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置において、
前記抵抗素子は、半導体基板に不純物を導入して形成される拡散抵抗（４ａ）であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１から３の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記検出対象素子（１６）は、能動素子であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記検出対象素子がハイサイドで使用される回路では、
前記電位検出用抵抗（１３）は、前記検出用配線と負側電源端子との間に接続されることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記検出対象素子がローサイドで使用される回路では、
前記電位検出用抵抗（１３ａ）は、前記検出用配線と正側電源端子との間に接続されることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置に作りこまれる抵抗素子の異常発熱を検出する構成としては、例えば、抵抗素子の近傍に感温ダイオードを配置したものがある。ダイオードは順方向電圧Ｖｆの大きさが温度によって変化するので、ダイオードに定電流を流した状態で順方向電圧Ｖｆを検出し、これによって抵抗素子の異常発熱を検出するものである。
【０００３】
しかしながら、抵抗素子から感温ダイオードまでの距離によって熱勾配が発生するため、瞬間的な発熱を検出することができない。例えば、容量性負荷を伴うチャージ電流などのごく瞬間的なピーク電流で抵抗素子が局所的に異常発熱する場合、抵抗素子内の一部の部位で異常発熱して内部に熱がこもることがある。
【０００４】
この場合、熱伝導率が低い酸化膜絶縁分離構造を採用するウエハを用いたものでは、隣接配置される感温ダイオードまで熱がさらに伝わりにくくなる。したがって、感温ダイオードが異常と判断されるタイミングでは、すでに抵抗素子は熱破壊しており、それが外周に配置される素子や回路に波及し、周辺回路やＩＣ自体の破壊を促すことになりかねないという懸念がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１０８７５１号公報
【特許文献２】特開２００８−１９８８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、検出対象素子の瞬間的な発熱状態を検知することができるようにした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】
【０００７】
請求項１に記載の半導体装置は、通電用端子を備えた検出対象素子と、前記通電用端子のうちの少なくとも電流が流入する側に設けられる熱溶融性の電極部と、前記電極部に絶縁膜を介して隣接配置されるに検出用配線と、前記検出用配線に接続される電位検出抵抗と、前記電位検出抵抗の端子電圧を検出して前記検出対象素子の発熱状態を判断する検出部とを備えている。
【０００８】
上記構成を採用することにより、検出対象素子が通電により発熱をする場合に、その発熱が局所的に異常に高くなると、発熱部分と至近距離に位置する電極部が溶融し、さらにその発熱で絶縁膜が破壊されて隣接配置される検出用配線と短絡する。検出用配線と通電用端子とが短絡状態になると、通電用端子に係っている電圧が検出用配線にも印加され、これにより検出部においては、検出用配線の電位が変化することから短絡状態を検出することができ、これによって検出対象素子が発熱状態にあることを検出することができる。
【０００９】
検出対象素子において通電により発熱する部位は、電流が集中しやすい部分であり、例えば検出対象素子の通電用端子のうちの電流が流入する側において局所的に発熱が発生することが起こりやすい。この部分に最も近い電極部を熱溶融性の材料で設けているので、異常な発熱が発生すると、迅速にこれに反応して溶融状態に移行し、検出用配線と短絡状態に至るようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態を示す全体構成図で、（ａ）は図１（ｂ）中Ｘ−Ｘ線で切断したときの縦断側面図、（ｂ）はコンタクトホールを形成した状態で示す平面図
【図２】等価回路図
【図３】図１（ａ）の電極部部分の縦断側面を示す作用説明図
【図４】各部の電気的な状態を示すタイムチャート
【図５】第２実施形態を示す平面図（その１）
【図６】第２実施形態を示す平面図（その２）
【図７】第３実施形態を示す等価回路図
【図８】各部の電気的な状態を示すタイムチャート
【図９】第４実施形態を示す等価回路図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）において、検出対象素子としての抵抗素子１は、半導体支持基板２にシリコン酸化膜などの絶縁膜３を介して設けた半導体層４に形成されている。半導体層４は、例えばシリコン単結晶により形成されている。このように半導体支持基板２、絶縁膜３および半導体層４からなる半導体基板はいわゆるＳＯＩ（silicon on insulator）基板と呼ばれる半導体基板である。
【００１２】
半導体層４をさらにシリコン酸化膜などの絶縁膜５により分離した領域の上部に不純物が所定濃度で導入された抵抗層４ａを設けている。絶縁膜５は、半導体層４に素子形成用の区画をした境界部分にトレンチを形成し、そのトレンチ内に埋め込んで形成したものである。抵抗層４ａは抵抗素子１として機能する部分で、ここでは検出対象素子である。抵抗層４ａの上面付近にはさらに不純物を高濃度で導入したコンタクト用の高濃度領域４ｂが形成されている。抵抗層４ａ、高濃度領域４ｂは、半導体支持基板２との間の絶縁膜３と、隣接する半導体層４との間の絶縁膜５により、絶縁分離された状態で設けられている。
【００１３】
半導体層４および高濃度領域４ｂの上面には、これらを覆うようにシリコン酸化膜などの絶縁膜６が形成されている。抵抗層４ａの上部に位置する絶縁膜６には、２つのコンタクト領域に対応して微小矩形状の多数のコンタクトホール６ａがマトリクス状に配置形成されている。これらの２つのコンタクト領域に対応する上面にアルミニウムなどの金属からなる熱溶融性を有する電極部７が設けられる。電極部７は、コンタクトホール６ａを介して高濃度層４ｂとオーミックコンタクトを形成している。２つの電極部７は図２に示す通電用端子１ａ、１ｂとして機能する。
【００１４】
電極部７の一方には、電極部７を一定距離を存して包囲するように矩形枠状の検出用配線８が形成されている。電極部７および検出用配線８は、これらを覆うように全面に絶縁膜９が形成されている。電極部７と検出用配線８とは、絶縁膜９により隔絶された状態に設けられている。２つの電極部７の上部には絶縁膜９にビアが形成されこのビア内を埋めるようにビアコンタクト１０が形成され、その上部に、各ビアコンタクト１０と電気的に接続された配線パターン１１が形成されている。ビアコンタクト１０と配線パターン１１は、一体に形成したものでも良い。
【００１５】
なお、検出用配線８は、図１には示していないが配線パターン（図１、２中の配線１２で示す部分）により電位検出抵抗１３を介してグランドに接続されている。電位検出用抵抗１３は、半導体層４を絶縁膜５で区画した別の領域に形成されている。電位検出用抵抗１３の端子電圧Ｖ１は検出電圧として後述する検出部１４（図２参照）に入力するように構成されている。
【００１６】
図２は検出回路の電機的構成の等価回路を示している。抵抗素子１の通電用端子１ａは電源ＶＤに接続され、通電用端子１ｂは他の回路に接続されている。抵抗素子１の通電用端子１ａ側の電極部７の外周部に形成された検出用配線８は、配線１２を介して検出部１４の入力端子に接続されると共に、電位検出用抵抗１３を介してグランドに接続されている。検出部１４は、コンパレータにより構成されており、他方の入力端子に検出用の基準電圧Ｖｔｈを与える基準電源１５が接続されている。
【００１７】
次に、図３および図４も参照して上記構成の作用について説明する。図３は抵抗素子１の通電用端子１ａ側の電極部７を中心として示した縦断側面図である。まず、図３を参照して検出原理について説明する。絶縁膜６に形成された多数のコンタクトホール６ａ内には、電極部７を形成する金属が内部に充填されており、埋め込み電極部７ａとされている。いま、抵抗素子１に電流Ｉが流れるときに、微視的に見ると、多数のコンタクトホール６ａ内の埋め込み電極部７ａを介して抵抗層４ａに電流が分散して流れた状態である。
【００１８】
ここで、抵抗層４ａのコンタクト領域の内側の抵抗値をＲとし、各コンタクトホール６ａ部分から他方の電極部７の方向に隣接するコンタクトホール６ａ部分までの抵抗層４ａ内の距離に応じた抵抗をｒとする。電流Ｉは、各コンタクトホール６ａを介して流れた電流ｉ０〜ｉ４（図示の状態では５個のコンタクトホール６ａが形成されている）の総和になる。
【００１９】
しかし、他方の電極部７に近いコンタクトホール６ａは距離が近いので、コンタクト領域内の抵抗値はｒであり、電流はｉ０で最も大きい。外側のコンタクトホール６ａ部分から流れる電流ｉ１〜ｉ４は、それぞれ抵抗ｒを加算した分だけ電流値が小さくなる。このため、図中破線で囲った領域Ｈの近傍が最も電流が流れる部分となる。
【００２０】
回路の駆動条件によっては、パルス電流Ｉが抵抗素子１に流れることがある。パルス電流Ｉが例えば時間間隔Δｔで繰り返し流れると、瞬時的には高い電流が流れることで発熱をするが、電流が流れていない時間が長いので全体としては個々のパルス電流Ｉでは発熱量が少ない。しかし、局所的な発熱が発生する場合には、放熱条件が悪いと温度が下がる前に次のパルス電流Ｉが流れることで、累積的に発熱して過熱状態になることがある。上記した領域Ｈでは電流が集中しやすいことから、過熱状態となる可能性が高い部分である。
【００２１】
このため、領域Ｈ部分で局所的に過熱状態になると、電極部７が溶融して隣接する検出用配線８との間の絶縁膜９の絶縁状態が破れて溶融して形成された短絡部７ｘにより短絡することになる。短絡が発生する前の状態では、検出用配線８は電位検出用抵抗１３を介してグランドに接続されていることで、プルダウンされた状態に保持されている。これに対して、短絡が発生すると、抵抗素子１の端子１ａ側と同電位になるので、電位検出用抵抗１３の端子電圧が電源ＶＤの電位に近くなる。これにより、検出用配線８の短絡状態が検出部１４により検出され、検出信号Ｓが出力される。
【００２２】
次に、上記の動作について図２および図４を参照して回路動作的に説明する。抵抗素子１は、電源ＶＤから通電用端子１ａを介して通電され、通電用端子１ｂを介して他の回路に電流が流れる構成である。この場合、抵抗素子１には例えば図４に示すように、短期間Δｔで繰り返すパルス状の電流が流れる。一方、検出用配線８は抵抗素子１とは絶縁膜９を介して絶縁された状態で電位検出用抵抗１３でプルダウンされているので、配線１２には電位が発生しておらず、電位検出抵抗１３の端子電圧Ｖ１はゼロである。これにより、検出部１４は、入力される電圧Ｖ１が基準電圧Ｖｔｈよりも低いことにより検出信号Ｓは出力していない状態である。
【００２３】
これに対して、抵抗素子１に流れる電流に起因した何らかの原因で繰り返し流れるパルス状の電流による発熱が熱拡散によって消える前に発熱が発生すると、電極部７が熱溶融して検出用配線８と短絡する状態になる（時刻ｔ１）。これにより、検出用配線８には、抵抗素子１に印加されている電源ＶＤと同じ電位がかかることになり、検出部１４は、入力される電圧Ｖ１が基準電圧Ｖｔｈよりも高くなり、検出信号Ｓを出力する。
【００２４】
図示しないＥＣＵ（electronic control unit）などにより、検出信号Ｓに基づいて他の回路の電源を遮断するなど、他の回路が過熱により破壊に至るのを極力抑制することができるようになる。この結果、抵抗素子１が熱で破壊されることでこれを含む回路は使用不能となるが、迅速にこれを検出することができるので、他の回路がこの影響をうけて破壊されたり使用不能になるのを抑制することができる。
【００２５】
このような本実施形態では、抵抗素子１のコンタクトを形成する部分に熱溶融性の材料としてアルミニウムなどの材料からなる電極部７を設け、電流が流入する側の電極部７を包囲するように絶縁膜９を介して検出用配線８を設ける構成とした。これにより、抵抗素子１に流れる電流で局所的な過熱状態が発生した場合に、その過熱状態で電極部７が熱溶融して検出用配線８と短絡させることで検出することができる。この結果、抵抗素子１に流れる電流が、繰り返し流れるパルス状の電流などの場合で、電流が集中する部分では局所的に過熱状態となるが、周辺部への熱が大きく伝わることがない状況でも、確実にこれを検出することができるようになる。
【００２６】
上記実施形態では、検出用配線８を一方の電極部７を包囲するように設けたが、２つの電極部７をそれぞれ包囲するように検出用配線を設ける構成とすることもできる。この場合、２つの矩形枠状の検出用配線を各電極部７に対応して設けることもできるし、２つのコンタクト領域を包囲すると共にコンタクト領域の境界部分を共有するように掛け渡す部分を形成した検出用配線として設けることもできる。
【００２７】
また、検出用配線は、矩形枠状に形成した検出用配線８以外に、枠の角部を丸くした形状に形成することもできる。さらには、矩形枠状の形状を部分的に分断した形状として配線により接続する構成としたり、矩形枠状の形状の一部を検出用配線として用いる構成とすることもできる。
【００２８】
（第２実施形態）
図５および図６は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、検出用配線８の形状を変更している。
図５に示すものは、抵抗素子１の上面の２つのコンタクト領域の間に掛け渡すように検出用配線８ａを直線形状で配置形成した構成である。前述したように、抵抗素子１に電流が流れるときに、電流密度が高くなって発熱しやすい部分は、電流が流入する側のコンタクトホール６ａで、他の電極部７側に近い部分となることを考慮して、その部分だけに検出用配線８ａを形成したものである。
【００２９】
また、図６に示すものは、図５の構成の検出用配線８ａに対して、両端部をコンタクト領域の形状に沿うように角部を設けた検出用配線８ｂを配置したものである。この場合には、コンタクト領域の端部において電流が外側を経由して他方のコンタクト領域側に流れる部分で過熱が発生する場合においても対応可能となる。
【００３０】
したがって、このような第２実施形態によっても、第１実施形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記構成において、図６の検出用配線８ｂでは、端部において矩形状に曲がる部分を短い形状としたが、曲がった部分の長さは適宜に設定することができる。
【００３１】
（第３実施形態）
図７および図８は第３実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、抵抗素子１の使用形態がプルダウン方式で使用される場合である。回路内における抵抗素子１の使用形態は、通電用端子１ａが回路側に接続され、他方の通電用端子１ｂがグランドに接続されるものである。
【００３２】
このような使用形態においては、検出対象素子である抵抗素子１が過熱状態となって電極部７が溶融し、検出用配線８と短絡する場合に、グランドに近い電位まで下がる可能性が高い。このことを想定して、検出用配線８を電位検出抵抗１３ａを介して電源ＶＤに接続する構成としている。また、検出部１４の入力端子の接続態様は、検出用配線８に接続される配線１２を反転入力端子に接続し、基準電源１５は非反転入力端子に接続されている。
【００３３】
上記構成において、抵抗素子１の電極部７と検出用配線８とが短絡していない状態では、検出用配線８は電位検出抵抗１３ａにより電源ＶＤにプルアップされた状態であるから、検出部１４に入力される電圧Ｖ１は電源電圧ＶＤに近い電位である。検出部１４は、検出電圧Ｖ１が閾値電圧Ｖｔｈを上回っていることから、検出信号Ｓを出力していない。
【００３４】
また、抵抗素子１の電極部７と検出用配線８とが短絡すると（時刻ｔ１）、検出用配線８はグランドレベルに近い電位に変化するので、検出電圧Ｖ１は閾値電圧Ｖｔｈよりも低くなる。この結果、検出部１４は、短絡状態を検出する検出信号Ｓを出力するようになる。
したがって、このような第３実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
（第４実施形態）
図９は第４実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態においては、検出対象素子として、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ１６を設ける構成としている。この場合、バイポーラトランジスタ１６は、ｐｎｐ型あるいはｎｐｎ型のいずれのものでも適用可能である。検出用配線８は、バイポーラトランジスタ１６の電流が流入する側、例えばコレクタあるいはエミッタに形成される電極部７に対応して設けられる。また、検出用配線８は、電極部７を包囲するように設けられるが、検出用配線８ａあるいは８ｂのような形状のものを用いることもできる。
【００３６】
このような構成においても、検出対象素子としてのバイポーラトランジスタ１６に流れる電流によって発熱し、過熱状態となって電極部７が溶融し検出用配線８と短絡すると、第１実施形態と同様にして過熱による異常状態を検出信号Ｓにより判断することができるようになる。この結果、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。
【００３８】
検出対象素子は、抵抗素子１、バイポーラトランジスタ１６以外に、ダイオードやＭＯＳＦＥＴ、あるいはＩＧＢＴなどの種々の半導体素子に適用することができる。
抵抗素子１は、ＳＯＩ基板に形成する拡散抵抗によるものを示したが、これに限らず、薄膜抵抗なども適用することができる。
【００３９】
電極部７の熱溶融性の材料は、アルミニウム以外の熱溶融性の高い金属や導電性を有する材料を用いることができる。
半導体基板は、ＳＯＩ基板を用いて検出対象素子を設ける場合の例を示したが、これに限らず、通常の半導体基板を用いてｐｎ接合により素子分離を行う半導体装置にも適用できる。また、シリコン基板に限らず、他の半導体基板を用いた半導体素子に適用することもできる。
【符号の説明】
【００４０】
図面中、１は抵抗素子（検出対象素子）、１ａ、１ｂは通電用端子、３は絶縁膜、４は半導体層、４ａは抵抗層（拡散抵抗）、５、６は絶縁膜、７は電極部、８、８ａ、８ｂは検出用配線、１３，１３ａは電位検出抵抗、１４は検出部、１６はバイポーラトランジスタ（能動素子、検出対象素子）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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