DE112014001811B4 - Halbleitervorrichtungsansteuerverfahren - Google Patents

Abstract

Ansteuerverfahren einer Halbleitervorrichtung, enthaltend eine Temperaturerfassungsdiode (3) mit einem über einen Isolierfilm (2) auf einem Substrat (1), auf welchem ein aktives Halbleiterelement gebildet ist, gebildeten pn-Übergang, wobei,
wenn eine durch Erregen der Temperaturerfassungsdiode (3) mit einem Konstantstrom in der Temperaturerfassungsdiode (3) erzeugte Spannung erfasst wird,
die Obergrenze einer die Temperaturerfassungsdiode (3) erregenden Stromdichte auf der Grundlage der Lebensdauer der Temperaturerfassungsdiode (3) definiert ist,
die Untergrenze der die Temperaturerfassungsdiode (3) erregenden Stromdichte auf der Grundlage einer zulässigen Spannungsabweichung einer Ausgangsspannung der Temperaturerfassungsdiode (3) bezüglich einer Standardabweichung definiert ist, und
ein die Temperaturerfassungsdiode (3) erregender Stromwert in einem Bereich zwischen der Obergrenze und der Untergrenze festgelegt ist.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitervorrichtungs-Ansteuerverfahren, durch welches es möglich ist, ein Gleichgewicht zwischen einer Leistung und einer Lebensdauer, welche für eine über einen Isolierfilm auf einem Substrat, auf welchem ein aktives Element gebildet ist, gebildete Temperaturerfassungsdiode erforderlich sind, zu erreichen.
• Stand der Technik
• In einer ein aktives Halbleiterelement wie einen MOSFET oder einen IGBT enthaltenden Halbleitervorrichtung ist es häufig der Fall, dass ein Temperaturerfassungselement über einen Isolierfilm auf einem Substrat, auf welchem das aktive Halbleiterelement gebildet ist, das heißt, auf einem Aktivelement-Substrat, gebildet ist. Das Temperaturerfassungselement, welches gewöhnlich aus einer als eine aus polykristallinem Silicium gebildete pn-Übergangs-Diode realisierten Temperaturerfassungsdiode gebildet ist, ist durch In-Reihe-Schalten einer oder einer Vielzahl der Temperaturerfassungsdioden konfiguriert. Die Temperaturerfassungsdiode wird ausschließlich dann mit einem Konstantstrom erregt und angesteuert, wenn das aktive Halbleiterelement in Betrieb ist. Ferner wird die Betriebstemperatur des aktiven Halbleiterelements mittels einer in der Temperaturerfassungsdiode erzeugten Spannung Vf überwacht (siehe zum Beispiel PTL 1).
• PTL 2 offenbart ein Verfahren zum Kalibrieren einer Sperrschichtspannung an einer Flächendiode 110 bei verschiedenen Temperaturen, um die Diode in einer Temperaturmessschaltung zu verwenden.
• Druckschriftenverzeichnis
• Patentliteratur
• PTL 1: JP S62 - 229 866 A
• PTL 2: US 2005 / 0 232 333 A1
• PTL 3: US 4 760 434 A
• Kurzbeschreibung der Erfindung
• Technisches Problem
• Unterdessen existieren viele Kristallfehler im polykristallinen Silicium. Überdies nehmen die Kristallfehler des polykristallinen Siliciums bei dem mit einer Erregung des Temperaturerfassungselements verbundenen Rekombinationsvorgang im Polykristall zu. Die Erzeugungsgeschwindigkeit der Kristallfehler ist ausschließlich zum Erregungsstrom der Temperaturerfassungsdiode proportional. Daher ändert sich die Ausgangsspannung Vf der Temperaturerfassungsdiode bei Fortsetzen des Erregens der Temperaturerfassungsdiode mit einem Konstantstrom allmählich.
• Eine Alterungsabweichung dieser Art von Ausgangskennlinie (der Ausgangsspannung Vf) der Temperaturerfassungsdiode ist proportional zum Erregungsstrom der Temperaturerfassungsdiode, und je höher der Erregungsstrom, desto größer eine Schwankung der Ausgangsspannung Vf, wie in 5 gezeigt. Anders ausgedrückt, ist, wenn der Zeitpunkt, zu welchem der Schwankungsbetrag der Ausgangsspannung Vf zum Beispiel 2% überschreitet, als das Ende der Lebensdauer der Temperaturerfassungsdiode definiert ist, je größer der Erregungsstrom, desto kürzer die Lebensdauer, wie in 5 gezeigt. Folglich ist es, um die Lebensdauer der Temperaturerfassungsdiode zu verlängern, erforderlich, den Erregungsstrom der Temperaturerfassungsdiode zu verringern.
• Wenn der Erregungsstrom des Temperaturerfassungselements verringert wird, um eine beträchtliche Alterungsabweichung der Temperaturerfassungsdiode zu vermeiden, verschlechtert sich jedoch die Element-Kennlinie der Temperaturerfassungsdiode in nachteiliger Weise. Dann nimmt die Abweichung der Ausgangsspannung Vf der Temperaturerfassungsdiode zu, was das Problem aufwirft, dass die Temperaturerfassungsempfindlichkeit abnimmt. Daher besteht das Problem, dass es schwierig ist, beim Verringern der Alterungsabweichung der Temperaturerfassungsdiode und somit Erhöhen der Lebensdauer derselben und gleichzeitigem hinreichendem Sicherstellen der Erfassungsempfindlichkeit der Temperaturerfassungsdiode auf der Grundlage der in 5 gezeigten Art von Ausgangskennlinien der Temperaturerfassungsdiode einen Erregungsstrom optimal einzustellen.
• Die Erfindung, welche in Anbetracht dieser Arten von Umständen gemacht wurde, hat die Aufgabe, ein Halbleitervorrichtungs-Ansteuerverfahren bereitzustellen, durch welches es in einer eine über einen Isolierfilm auf einem Substrat, auf welchem ein aktives Element gebildet ist, gebildete Temperaturerfassungsdiode enthaltenden Halbleitervorrichtung möglich ist, ein Gleichgewicht zwischen einer Lebensdauer und einer Erfassungsempfindlichkeit, welche für die Temperaturerfassungsdiode erforderlich sind, zu erreichen.
• Problemlösung
• Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu erfüllen, ist ein Halbleitervorrichtungs-Ansteuerverfahren gemäß der Erfindung ein Ansteuerverfahren einer Halbleitervorrichtung, welche eine zum Beispiel aus polykristallinem Silicium gebildete Temperaturerfassungsdiode, welche einen über einen Isolierfilm auf einem Substrat, auf welchem ein aktives Halbleiterelement gebildet ist, gebildeten pn-Übergang aufweist, enthält, wobei, wenn eine durch Erregen der Temperaturerfassungsdiode mit einem Konstantstrom in der Temperaturerfassungsdiode erzeugte Spannung erfasst wird, die Obergrenze einer die Temperaturerfassungsdiode erregenden Stromdichte auf der Grundlage der Lebensdauer der Temperaturerfassungsdiode definiert ist und die Untergrenze der die Temperaturerfassungsdiode erregenden Stromdichte auf der Grundlage einer zulässigen Spannungsabweichung einer Ausgangsspannung der Temperaturerfassungsdiode bezüglich einer Standardabweichung definiert ist. Ferner ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass ein die Temperaturerfassungsdiode erregender Stromwert in einem Bereich zwischen der Obergrenze und der Untergrenze festgelegt ist.
• Das heißt, das Halbleitervorrichtungs-Ansteuerverfahren gemäß der Erfindung lenkt die Aufmerksamkeit auf die Tatsache, dass, wenn ein die Temperaturerfassungsdiode erregender Strom als eine Stromdichte der Temperaturerfassungsdiode aufgefasst wird, Lebensdauerkennlinien, welche Kennlinien der bis zum Auftreten eines Fehlers in der Temperaturerfassungsdiode verstrichenen Zeit sind, ungeachtet der pn-Übergangs-Fläche der Temperaturerfassungsdiode, speziell einer pn-Übergangs-Diode, von der Stromdichte abhängen. Außerdem lenkt das Verfahren die Aufmerksamkeit gleichzeitig auf die Tatsache, dass eine Standardabweichung, welche eine Abweichung der Ausgangsspannung angibt, welche eine Temperaturerfassungsempfindlichkeit der Temperaturerfassungsdiode anzeigt, von der Stromdichte abhängt.
• Übrigens wird die Obergrenze der Stromdichte auf 1213 A/cm² eingestellt, wenn die für die Temperaturerfassungsdiode erforderliche Lebensdauer zum Beispiel 15 Jahre beträgt. Außerdem wird die Untergrenze der Stromdichte auf 50 A/cm² eingestellt, wenn die zulässige Spannungsabweichung der Ausgangsspannung der Temperaturerfassungsdiode bezüglich der Standardabweichung zum Beispiel 2,5 mV beträgt.
• Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
• Gemäß dem Halbleitervorrichtungs-Ansteuerverfahren, durch welches der Erregungsstrom der Temperaturerfassungsdiode unter den vordem beschriebenen Bedingungen definiert ist, ist es möglich, bei gleichzeitigem Erreichen der Ausgangskennlinie, insbesondere der Temperaturerfassungsempfindlichkeit, welche für die Temperaturerfassungsdiode erforderlich ist, die für die Temperaturerfassungsdiode erforderliche Lebensdauer zu erreichen. Folglich ist es durch Festlegen des Erregungsstroms der Temperaturerfassungsdiode entsprechend der Größe, das heißt, der pn-Übergangs-Fläche der Temperaturerfassungsdiode bei der Stromdichte möglich, ein Gleichgewicht zwischen einer erforderlichen Lebensdauer und einer Temperaturerfassungsempfindlichkeit zu erreichen. Deshalb sind die praktischen Vorteile des Halbleitervorrichtungs-Verfahrens gewaltig.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• 1 ist eine schematische Konfigurationszeichnung in Draufsicht, welche ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung, auf welche die Erfindung angewendet ist, zeigt.
• 2 ist eine Zeichnung, welche ein Beispiel einer in der in 1 gezeigten Halbleitervorrichtung enthaltenen Temperaturerfassungsdiode zeigt.
• 3 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen einem Durchschnittswert sowie einer Standardabweichung der Abweichung einer Ausgangsspannung und einer die Temperaturerfassungsdiode erregenden Stromdichte zeigt.
• 4 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen einer bis zum Auftreten eines Fehlers verstrichenen Zeit und der die Temperaturerfassungsdiode erregenden Stromdichte zeigt.
• 5 ist ein Schaubild, welches eine Alterungsabweichung von Ausgangskennlinien einer Temperaturerfassungsdiode für die Temperaturerfassungsdiode erregenden Strom zeigt.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Im Folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Halbleitervorrichtungs-Ansteuerverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
• 1 ist eine schematische Konfigurationszeichnung in Draufsicht, welche ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung, auf welche die Erfindung angewendet ist, zeigt.
• Die Halbleitervorrichtung enthält ein Temperaturerfassungselement, speziell eine Temperaturerfassungsdiode 3, welches bzw. welche einen über einen Isolierfilm 2 auf einem Substrat 1, auf welchem ein aktives Halbleiterelement wie ein MOSFET oder ein IGBT gebildet ist, gebildeten pn-Übergang aufweist. Übrigens ist die Temperaturerfassungsdiode 3 so beschaffen, dass ein p-Gebiet 3p, in welchem Bor- (B-) Ionen in polykristallines Silicium implantiert sind, und ein n-Gebiet 3n, in welchem Phosphor- (P-) Ionen implantiert sind, in im wesentlichen dem zentralen Teil des Substrats 1 vorgesehen sind und dass ein pn-Übergang zum Beispiel zwischen den Gebieten 3p und 3n gebildet ist, wie in 2 gezeigt. Eine pn-Übergangs-Fläche, welche die Größe des pn-Übergangs ist, ist zum Beispiel [380 µm × 0,5 µm = 190 µm²].
• In 2 sind 4p und 4n die Elektrode des p-Gebiets 3p und die Elektrode des n-Gebiets 3n. Außerdem zeigt 1 ein Beispiel, in welchem drei Temperaturerfassungsdioden 3 in im Wesentlichen dem zentralen Teil des Substrats 1 als das Temperaturerfassungselement gebildet sind und die drei Temperaturerfassungsdioden 3 in Reihe geschaltet sind. Die Reihenschaltung der Temperaturerfassungsdioden 3 erfolgt durch Verbinden der Elektroden 4p und 4n in Reihenfolge unter Verwendung eines Leiters (nicht gezeigt) aus Gold (Au) oder dergleichen. Außerdem ist 5 in der Zeichnung der Anodenanschluss des aus den in Reihe geschalteten Temperaturerfassungsdioden 3 gebildeten Temperaturerfassungselements und ist 6 der Kathodenanschluss des Temperaturerfassungselements.
• Hierin werden die unten gezeigten Kennlinien nach Untersuchen der Ausgangskennlinien der auf die vordem beschriebene Weise gebildeten Temperaturerfassungsdioden 3 ermittelt. 3 zeigt eine Veränderung einer Ausgangsspannung Vf, wenn 30 IGBT-Chips (Halbleitervorrichtungen), von welchen jeder ein Temperaturerfassungselement enthält, in welchem drei Temperaturerfassungsdioden 3 in Reihe geschaltet sind, angefertigt werden und ein die Temperaturerfassungsdioden 3 erregender Stromwert verändert wird. Insbesondere ist in 3 der die Temperaturerfassungsdioden 3 erregende Stromwert als ein Wert normiert, wobei eine durch den pn-Übergang fließende Stromdichte, das heißt, der erregende Stromwert, durch die pn-Übergangs-Fläche geteilt ist. Ferner zeigt 3 die Normierung als die Beziehung zwischen dem Mittelwert sowie der Standardabweichung der Ausgangsspannung Vf und der Stromdichte.
• Die Standardabweichung gibt das Maß (die Größe) der Abweichung der Ausgangsspannung Vf an. Übrigens ist es, um eine erforderliche Temperaturerfassungsempfindlichkeit zu erreichen, erforderlich, dass die Abweichung der Ausgangsspannung Vf höher als oder gleich einer einer minimalen Erfassungstemperatur entsprechenden Ausgangsspannung ist. Folglich sind Bedingungen zum Erreichen der erforderlichen Temperaturerfassungsempfindlichkeit als eine zulässige Spannungsabweichung der Ausgangsspannung Vf in den Temperaturerfassungsdioden 3, welche durch die Standardabweichung angegeben ist, definiert.
• Übrigens wird gemäß den in 3 gezeigten Kennlinien (Versuchsdaten) gezeigt, dass, wenn die zulässige Spannungsabweichung der Ausgangsspannung Vf beim Erreichen der erforderlichen Temperaturerfassungsempfindlichkeit eine Standardabweichung von [2,5 mV] ist, die Stromdichte nur größer als oder gleich [im wesentlichen 50 A/cm²] zu sein braucht. Der Mittelwert der Ausgangsspannung Vf zu diesem Zeitpunkt beträgt [1811 mV]. Außerdem wird gezeigt, dass, wenn die zulässige Spannungsabweichung eine Standardabweichung von [3,0 mV] ist, die Stromdichte nur größer als oder gleich [im wesentlichen 5,0 A/cm²] zu sein braucht. Der Mittelwert der Ausgangsspannung Vf zu diesem Zeitpunkt beträgt [1502 mV]. Ferner wird gezeigt, dass, wenn die zulässige Spannungsabweichung eine Standardabweichung von [4,0 mV] ist, die Stromdichte nur größer als oder gleich [im wesentlichen 0,5 A/cm²] zu sein braucht. Der Mittelwert der Ausgangsspannung Vf zu diesem Zeitpunkt beträgt [1195 mV].
• Hierin ist in den Temperaturerfassungsdioden 3, je kleiner der die Temperaturerfassungsdioden 3 erregende Stromwert ist, desto größer die aus einem Kristallfehler resultierende Abweichung der Ausgangsspannung Vf, wie vordem beschrieben. Folglich wird die die Temperaturerfassungsdioden 3 erregende Stromdichte auf mindestens größer als oder gleich [50 A/cm²] eingestellt. Infolgedessen ist es möglich, die Bedingungen hinreichend zu erfüllen, selbst wenn die erforderliche Temperaturerfassungsempfindlichkeit hoch ist und es folglich erforderlich ist, die zulässige Spannungsabweichung auf zum Beispiel einen Wert kleiner als oder gleich einer Standardabweichung von [2,5 mV] zu unterdrücken.
• Unterdessen, wenn die Lebensdauer der Temperaturerfassungsdioden 3 so definiert ist, dass sie zu dem Zeitpunkt endet, zu welchem unter bestimmten Temperaturbedingungen eine Abweichung von der Ausgangsspannung Vf der Temperaturerfassungsdioden 3 um 2% von einem Spannungswert zu Beginn der Erregung vorliegt, ändert sich die Lebensdauer bezüglich der die Temperaturerfassungsdioden 3 erregenden Stromdichte zum Beispiel wie in 4 gezeigt. 4 zeigt eine Veränderung der jeweiligen Lebensdauern der Temperaturerfassungsdiode 3 mit einer pn-Übergangs-Fläche von [190 µm²] und der Temperaturerfassungsdiode 3 mit einer pn-Übergangs-Fläche von [89,7 µm²], welche die in 3 gezeigten Kennlinien erreicht haben, bei einer auf 150°C gehaltenen Umgebungstemperatur der beiden Temperaturerfassungsdioden 3. Außerdem weisen die zwei Temperaturerfassungsdioden 3, da sie aus dem gleichen polykristallinen Silicium gebildet sind, die gleichen Lebensdauerkennlinien auf, selbst wenn die pn-ÜbergangsFlächen der zwei Temperaturerfassungsdioden 3 voneinander verschieden sind.
• Ferner wird gemäß der in 4 gezeigten Lebensdauerkennlinie gezeigt, dass, wenn als Lebensdauer der Temperaturerfassungsdioden 3 10 Jahre (3.154 × 10⁸ s) angesetzt wird, die die Temperaturerfassungsdioden 3 erregende Stromdichte auf ein Maximum von [1331 A/cm²] eingestellt werden kann. Außerdem wird gezeigt, dass, wenn als Lebensdauer der Temperaturerfassungsdioden 3 15 Jahre (4.730 × 10⁸ s) angesetzt wird, die die Temperaturerfassungsdioden 3 erregende Stromdichte auf ein Maximum von [1213 A/cm²] eingestellt werden kann. Ferner wird gezeigt, dass, wenn als Lebensdauer 20 Jahre (6.307 × 10⁸s) angesetzt wird, die die Temperaturerfassungsdioden 3 erregende Stromdichte auf ein Maximum von [1136 A/cm²] eingestellt wird.
• Übrigens beträgt eine für diese zum Beispiel in einem Automobil verwendete Art von Halbleitervorrichtung erforderliche Lebensdauer gewöhnlich 15 Jahre. Folglich ist es, wenn man dies berücksichtigt, vorstellbar, dass es möglich ist, die Lebensdaueranforderung durch Einstellen der die Temperaturerfassungsdioden 3 erregenden Stromdichte auf kleiner als oder gleich [1213 A/cm²] hinreichend zu erfüllen. Überdies ist es auf die vordem beschriebene Weise möglich, ungeachtet der Größe der Temperaturerfassungsdioden 3, speziell der pn-Übergangs-Fläche der Temperaturerfassungsdioden 3 eine Stromdichte zu definieren, welche die Lebensdaueranforderung erfüllen kann.
• Folglich wird eine Stromdichte Jf, welche die Temperaturerfassungsdioden 3 auf der Grundlage der auf die vordem beschriebene Weise definierten Stromdichte-Bedingungen erregen soll, in einem Bereich von $$50\text{ A}/{\text{cm}}^2\le \text{Jf}\le \text{1213 A}/{\text{cm}}^2,$$

  

  festgelegt und ist es dadurch möglich, die Lebensdauer und die Temperaturerfassungsempfindlichkeit, welche für die Temperaturerfassungsdioden 3 erforderlich sind, gleichzeitig zu erreichen. Deshalb wird der Stromwert, welcher die Temperaturerfassungsdioden 3 entsprechend der Größe, speziell der pn-Übergangs-Fläche der Temperaturerfassungsdioden 3 erregen soll, unter den Bedingungen zum Einstellen der Stromdichte Jf festgelegt und ist es dadurch möglich, die Lebensdauer der Temperaturerfassungsdioden 3 hinreichend sicherzustellen, während gleichzeitig die erforderliche Temperaturerfassungsempfindlichkeit erreicht wird.
• Es versteht sich von selbst, dass zum Beispiel die Anzahl und die Größe die Temperaturerfassungsdioden 3 konfigurierender pn-Übergangs-Dioden nur unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur oder dergleichen einer Halbleitervorrichtung wie eines IGBT oder eines MOSFET festgelegt zu werden brauchen. Wenn die für die Temperaturerfassungsdioden 3 erforderlichen Lebensdauern voneinander verschieden sind, braucht außerdem die Obergrenze der Stromdichte nur entsprechend jeder verschiedenen Lebensdauer definiert zu werden und braucht genauso die Untergrenze der Stromdichte nur entsprechend der für die Temperaturerfassungsdioden 3 erforderlichen Temperaturerfassungsempfindlichkeit definiert zu werden.
• Bezugszeichenliste

1

Substrat mit darauf gebildetem aktivem Halbleiterelement

2

Isolierfilm

3

Temperaturerfassungsdiode

3p

p-Gebiet

3n

n-Gebiet

4p, 4n

Elektrode

5

Anodenanschluss

6

Kathodenanschluss

Claims (4)

1. Ansteuerverfahren einer Halbleitervorrichtung, enthaltend eine Temperaturerfassungsdiode (3) mit einem über einen Isolierfilm (2) auf einem Substrat (1), auf welchem ein aktives Halbleiterelement gebildet ist, gebildeten pn-Übergang, wobei, wenn eine durch Erregen der Temperaturerfassungsdiode (3) mit einem Konstantstrom in der Temperaturerfassungsdiode (3) erzeugte Spannung erfasst wird, die Obergrenze einer die Temperaturerfassungsdiode (3) erregenden Stromdichte auf der Grundlage der Lebensdauer der Temperaturerfassungsdiode (3) definiert ist, die Untergrenze der die Temperaturerfassungsdiode (3) erregenden Stromdichte auf der Grundlage einer zulässigen Spannungsabweichung einer Ausgangsspannung der Temperaturerfassungsdiode (3) bezüglich einer Standardabweichung definiert ist, und ein die Temperaturerfassungsdiode (3) erregender Stromwert in einem Bereich zwischen der Obergrenze und der Untergrenze festgelegt ist.
2. Halbleitervorrichtungs-Ansteuerverfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperaturerfassungsdiode (3) eine aus polykristallinem Silicium gebildete pn-Übergangs-Diode ist.
3. Halbleitervorrichtungs-Ansteuerverfahren nach Anspruch 1, wobei die Obergrenze der Stromdichte 1213 A/cm² beträgt, wenn die für die Temperaturerfassungsdiode (3) erforderliche Lebensdauer 15 Jahre beträgt.
4. Halbleitervorrichtungs-Ansteuerverfahren nach Anspruch 1, wobei die Untergrenze der Stromdichte 50 A/cm² beträgt, wenn die zulässige Spannungsabweichung der Ausgangsspannung der Temperaturerfassungsdiode (3) bezüglich der Standardabweichung 2,5 mV beträgt.

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