特許 7101878 パワー半導体モジュール、マスク、測定方法、コンピュータソフトウェア、及び記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-07

(45)【発行日】2022-07-15

(54)【発明の名称】パワー半導体モジュール、マスク、測定方法、コンピュータソフトウェア、及び記録媒体

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/78 20060101AFI20220708BHJP

   H01L 29/739 20060101ALI20220708BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20220708BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20220708BHJP

   H01L 27/06 20060101ALI20220708BHJP

   H01L 27/088 20060101ALI20220708BHJP

   H01L 21/822 20060101ALI20220708BHJP

   H01L 27/04 20060101ALI20220708BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20220708BHJP

   G01K 7/01 20060101ALI20220708BHJP

   H03K 17/00 20060101ALN20220708BHJP

   H03K 17/567 20060101ALN20220708BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 652S

H01L29/78 652Q

H01L29/78 653A

H01L29/78 652J

H01L29/78 655A

H01L29/78 655G

H01L29/78 652K

H01L29/78 652M

H01L29/78 658L

H01L29/78 657E

H01L29/78 657Z

H01L29/78 657G

H01L27/06 102A

H01L27/088 C

H01L27/04 P

H01L27/04 U

H01L27/04 H

H01L21/66 T

G01K7/01 C

H03K17/00 B

H03K17/567

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021517158

(86)(22)【出願日】2019-06-04

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-09-30

(86)【国際出願番号】 JP2019022841

(87)【国際公開番号】W WO2020017185

(87)【国際公開日】2020-01-23

【審査請求日】2020-12-02

(31)【優先権主張番号】18305988.0

(32)【優先日】2018-07-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】503163527

【氏名又は名称】ミツビシ・エレクトリック・アールアンドディー・センター・ヨーロッパ・ビーヴィ

【氏名又は名称原語表記】ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｒ＆Ｄ ＣＥＮＴＲＥ ＥＵＲＯＰＥ Ｂ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｃａｐｒｏｎｉｌａａｎ ４６， １１１９ ＮＳ Ｓｃｈｉｐｈｏｌ Ｒｉｊｋ， Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(72)【発明者】

【氏名】デグランヌ、ニコラ

【審査官】石塚 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】特表２００５－５０３０２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２５８２３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２１８６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０８８５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３３８１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２４６６７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１３４４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０００１７８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１６３６８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１９４６３５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２９／７３９

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３４

Ｈ０１Ｌ ２１／８２２

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

Ｇ０１Ｋ ７／０１

Ｈ０３Ｋ １７／００

Ｈ０３Ｋ １７／５６７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の電極であるゲートＧ及び第２の電極であるエミッタＥを有する少なくとも１つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ、又は、
第１の電極であるゲートＧ及び第２の電極であるソースＳを有する少なくとも１つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴを備え、
前記第１の電極は一体で作られたポリシリコン材料を含む、パワー半導体モジュールであって、
一体部は、モニタリング部分の一部を構成し、
前記モニタリング部分は、前記ポリシリコン材料を含み、前記第２の電極と電気接触しており、前記パワー半導体モジュールの動作状態において、漏洩電流が前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れ、
前記モニタリング部分は、前記パワー半導体モジュールの動作状態中に、前記モニタリング部分の温度に応じた可変抵抗を有するように合わせて選択される場所、形態、サイズ、及び材料組成を有し、
前記モニタリング部分は、
少なくとも前記第１の電極のトレンチ及び前記第２の電極のダミートレンチを連続して覆うポリシリコン層、
前記第１の電極および前記第２の電極の間の電気的接続を確保するように、前記第１の電極のポリシリコン材料と前記第２の電極のポリシリコン材料との間に配設される伸長部、
のうちの少なくとも１つを備える、パワー半導体モジュール。

【請求項2】

前記モニタリング部分は、
前記モニタリング部分の抵抗値が、前記パワー半導体モジュールの予想動作温度範囲について１０ｋΩ～１ＭΩの値を有し、及び／又は、
前記モニタリング部分の抵抗値が、前記パワー半導体モジュールの前記予想動作温度範囲内で少なくとも２％の係数の変動を有するように、
合わせて選択される材料組成及び有効断面を有する、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。

【請求項3】

前記モニタリング部分は、
前記第１の電極のトレンチの壁を覆う酸化物層を貫通して配置される通路、
をさらに備える、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。

【請求項4】

前記第１の電極と前記第２の電極との間に電気接続される測定回路を更に備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュール。

【請求項5】

前記測定回路は、
少なくとも１つのアナログ・デジタル変換器と、
抵抗値Ｒｍを有する抵抗であって、Ｒｍはα×Ｒに等しく、Ｒは前記モニタリング部分の抵抗であり、αは０．１～１０にある係数である、抵抗と、
前記第１の電極、前記第２の電極、及びゲートドライバの電圧源を含む閉じた電気回路に前記抵抗を接続し、および前記電気回路から前記抵抗を切り離すように配置されるスイッチのセットと、
を含む、請求項４に記載のパワー半導体モジュール。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールの温度を推定する測定方法であって、
ａ）絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴのエミッタＥから、または、金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのソースＳから、それぞれ電流が提供されないときに測定をトリガーすることと、
ｂ）前記パワー半導体モジュールの前記第１の電極の診断モードを生成することであって、前記診断モード中に、前記第１の電極、前記第２の電極、及びゲートドライバの電圧源を含む閉じた電気回路内に抵抗が配置されるように、生成することと、
ｃ）前記電気回路上で少なくとも電圧又は電流をモニタすることと、および
ｄ）前記モニタされた値を較正データに従って温度に変換することと、
を含む、方法。

【請求項7】

請求項１～５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールの接続部の健全状態を推定する測定方法であって、
１）絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴのエミッタＥの接続部に、または、金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのソースＳの接続部に、それぞれ大電流が通過するときに測定をトリガーすることと、
２）前記パワー半導体モジュールの前記第１の電極の診断モードを生成することであって、前記診断モード中に、前記第１の電極が電気的に切り離される、生成することと、
３）少なくとも電圧をモニタすることと、および
４）前記モニタされた値を較正データに従って損傷指標に変換することと、
を含む、方法。

【請求項8】

コンピュータソフトウェアであって、前記コンピュータソフトウェアがプロセッサによって実行されるときに、請求項６又は請求項７に記載の方法を実施する命令を含む、コンピュータソフトウェア。

【請求項9】

コンピュータソフトウェアがプロセッサによって実行されるときに、請求項６又は請求項７に記載の方法を実装するための前記コンピュータソフトウェアが記憶されている、コンピュータ可読非一時的記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワー半導体デバイスの技術分野に関する。より詳細には、本発明は、そのようなデバイスのモニタリングに関する。

【背景技術】

【0002】

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistors）及び金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors）のようなパワー半導体デバイス内の温度をモニタすることは重要である。例えば、温度をモニタすることは、保護、条件、及び健全度をモニタリングするために必要である。温度モニタリングでは、特定のセンサをダイのできる限り近くに配置することが知られている。ダイは、概してそのようなデバイスの最も重要であり、かつ最も高温の部分である。温度は、温度センサを使用することによって直接的に、又は、他のセンサを使用することによって間接的に測定することができる。

【0003】

一般的に、自由に扱えるダイの表面は非常に小さい。自由に扱える表面上にセンサを固定することは、難しく、場合によっては、不可能ですらある。この問題を回避するため、ダイから或る距離を置いてセンサを配設し、ダイに隣接する箇所で測定した温度又は推定した温度に応じて補正して、ダイ自身の温度を推定する数学的関数を使用することが通例である。しかしながら、これで推定された温度は不正確である。

【0004】

さらに、そのようなセンサを使用することは、半導体デバイスを得るために、更なる機器、接続部、及びプロセスを付加することになる。そのため、コストが高くなる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、この状況を改善するためのものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

－第１の電極であるゲートＧ及び第２の電極であるエミッタＥを有する少なくとも１つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ、又は、
－第１の電極であるゲートＧ及び第２の電極であるソースＳを有する少なくとも１つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴを備える、
パワー半導体モジュールについて考える。第１の電極は一体に作られたポリシリコン材料を含む。一体部は、モニタリング部分の一部を構成している。モニタリング部分は、第２の電極と電気的に接触している。したがって、モジュールが動作している状態において、漏洩電流が第１の電極と第２の電極との間に流れる。モニタリング部分は、モジュールが動作している状態において、モニタリング部分の温度に応じた抵抗の変化を有するように合わせて選択された場所、形態、サイズ、及び材料組成を有する。

【0007】

別の態様では、本明細書で述べるようなモジュールの作製中におけるポリシリコン堆積工程用のマスクが提案される。このマスクは、第１の電極及びモニタリング部分を形成するためのポリシリコン材料が、１回の堆積工程で、一体で堆積されるように構成される。

【0008】

別の態様では、本明細書で述べるようなパワー半導体モジュールの温度を推定する測定方法が提案される。この方法は、
ａ）絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴのエミッタＥから、又は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのソースＳから、電流が提供されないときに測定をトリガーすること；
ｂ）モジュールの第１の電極の診断モードを生成することであって、診断モード中に、第１の電極、第２の電極、及びゲートドライバの電圧源を含む閉じた電気回路内に抵抗が配置される間、診断モードを生成すること；
ｃ）上記回路上で少なくとも電圧又は電流をモニタすること；および、
ｄ）モニタされた値を較正データに従って温度に変換すること、
を含む。

【0009】

別の態様では、ソフトウェアがプロセッサによって実行されるときに、本明細書で規定されるような方法の少なくとも一部を実施する命令を含むコンピュータソフトウェアが提案される。別の態様では、ソフトウェアがプロセッサによって実行されるときに、本明細書で規定されるような方法を実施するためのソフトウェアが記憶されているコンピュータ可読非一時的記録媒体が提案される。

【0010】

以下の特徴は、任意選択で、別々に又は互いに組み合わせて実行することができる。

【0011】

モニタリング部分は、
－モニタリング部分の抵抗値Ｒが、モジュールの予想動作温度範囲において１０ｋΩ～１ＭΩの値を有し、及び／又は、
－モニタリング部分の抵抗値Ｒが、モジュールの予想動作温度範囲内で少なくとも２％の係数の変動を有するように、
合わせて選択される材料組成及び有効断面を有する。

【0012】

モニタリング部分は、以下、すなわち、
－第１の電極のトレンチの壁を覆う酸化物層を貫通して配置される通路、
－少なくとも第１の電極のトレンチ及び第２の電極のダミートレンチを連続して覆うポリシリコン層、
－上記２つの電極の間の電気的接続を確保するように、第１の電極のポリシリコン材料と第２の電極のポリシリコン材料との間に配設される伸長部、
のうちの少なくとも１つを備える。

【0013】

モジュールは、第１の電極と第２の電極との間に電気接続される測定回路を更に備える。

【0014】

測定回路は、
－少なくとも１つのアナログ・デジタル変換器と、
－抵抗値Ｒｍを有する抵抗であって、Ｒｍはα×Ｒに等しく、Ｒはモニタリング部分の抵抗であり、αは０．１～１０にある係数である、抵抗と、
－第１の電極、第２の電極、及びゲートドライバの電圧源を含む閉じた電気回路に上記抵抗を接続し、および、この電気回路から上記抵抗を切り離すように配置されるスイッチのセットと、
を含む。

【0015】

パワー半導体モジュールの接続部の健全状態を推定する測定方法は、
１）絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴのエミッタＥの接続部に、または、金属酸化物半導体電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴのソースＳの接続部に、大電流が通過するときに測定をトリガーすること；
２）モジュールの第１の電極の診断モードを生成することであって、診断モード中に、上記第１の電極が電気的に切り離されるように、生成すること；
３）少なくとも電圧をモニタすること；および
４）モニタされた値を較正データに従って損傷指標に変換すること、
を含む。

【0016】

本発明及びその種々の実施形態によると、埋め込み式温度センサを有する半導体デバイスを提案することができる。多くの場合、ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴ上でモニタリング要素によって占有される補足エリアはゼロ又はほぼゼロである。提案される技術的解決策は、半導体デバイスの既存のアーキテクチャのほとんどの部分に容易に適応可能かつ、また互換性がある。半導体を作成するために使用される既存のマスクに対するわずかな修正によって、一体化された熱センサを有する半導体を得ることができる。

【0017】

他の特徴、詳細及び利点について、以下の詳細な説明かつ図において示す。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態による電気回路図である。

【図2】本発明の一実施形態による電気回路図である。

【図3】本発明の一実施形態による電気回路図である。

【図4】図３の回路図に関連する時間範囲における電圧の挙動を示す図である。

【図5】本発明の一実施形態によるモジュールの上面図である。

【図6】図５の詳細を示す上面図である。

【図7】図６と同様の図であり、以降の図の断面図の場所を示した、図である。

【図8】半導体モジュールの断面図である。

【図9】本発明の１つの実施形態に対応する断面図である。

【図10】半導体モジュールの断面図である。

【図11】本発明の１つの実施形態に対応する断面図である。

【図12】半導体モジュールの断面図である。

【図13】本発明の１つの実施形態に対応する断面図である。

【図14】本発明によるかつ図７上で示す部分に対応するモジュールの写真である；写真は、本出願人のパートナーである「SYSTEM PLUS CONSULTING」社によって作成されたものである。

【図15】本発明によるかつ図９上で示す部分に対応するモジュールの写真である；写真は、本出願人のパートナーである「SYSTEM PLUS CONSULTING」社によって作成されたものである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図及び以下の詳細な説明は、本質的に、幾つかの厳密な要素を含む。それらは、本発明をわかりやすくするために、また、必要な場合は本発明を定義するために使用することができる。

【0020】

図１及び図２を参照する。これらの図のそれぞれは、パワー半導体モジュール１を示す。図１では、モジュール１は、第１の電極１１であるゲート（Ｇ）及び第２の電極１２であるエミッタ（Ｅ）を有するＩＧＢＴを備える。図２では、モジュール１は、第１の電極１１であるゲート（Ｇ）及び第２の電極１２であるソース（Ｓ）を有するＭＯＳＦＥＴを備える。以下で、「第１の電極１１（first electrode 11）」及び「第２の電極１２（second electrode 12）」という用語は、２つのタイプの半導体（ＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴ）のそれぞれの電極を指定するために使用される。換言すれば、以下で述べる特徴及び実施形態が、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴといったタイプを問わず、任意の半導体コンポーネントに適用できることを当業者は理解するであろう。

【0021】

モジュール１はモニタリング部分１３を備える。モニタリング部分１３は、第１の電極１１と第２の電極１２との間に電気的に配設される。以下で述べるように、モジュール１の動作状態中に、モニタリング部分１３は、感温抵抗器（又は「サーミスタ」）の挙動を有することになる。モニタリング部分１３は、ＩＧＢＴのゲート・エミッタ間に並列に、または、ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間に並列に、それぞれ配設され、それにより、ゲート・エミッタ間電圧、または、ゲート・ソース間電圧がそれぞれ印加されると、定常状態において漏洩電流がモニタリング部分１３を通して流れる。

【0022】

ここで、図３及び図４を参照する。この実施形態において、逆並列ダイオードが、ＩＧＢＴのコレクタ（Ｃ）とエミッタ（Ｅ）との間に接続される。モジュール１は、第１の電極１１と第２の電極１２との間でかつモニタリング部分１３に並列に電気接続された測定回路２を更に備える。モニタリング部分１３は、
－正の、又は負の電圧が２つの電極１１、１２の間に印加されると、第１の電極１１と第２の電極１２との間に感温電流を生成し、
－正の、又は負の電流が２つの電極１１、１２の間に印加されると、第１の電極１１と第２の電極１２との間に感温電圧を生成する、
という効果を有する。
そのため、温度の効果は、電流Ｉ_ｍｅａｓ又は電圧Ｖ_ｍｅａｓをモニタすることによって、第１の電極１１の側（ゲート側）で測定することができる。

【0023】

図３では、測定回路２は、
－＋Ｖ_Ｃ及び－Ｖ_Ｃ（例えば、＋１５Ｖ及び－１５Ｖ）で参照される２つの電圧発生器と、
－第１の電極１１、モニタリング部分１３、及び第２の電極１２から構成される閉じた電気回路内で２つの電圧発生器＋Ｖ_Ｃ及び－Ｖ_Ｃに交互に接続するように配置された２つのスイッチ１４、１５と、
－ＡＤＣ（ＡＤＣは「アナログ・デジタル変換器（Analog-to-Digital Converter）」を表す）の形態の出力及び抵抗１７に直列接続されたスイッチ１６を含むセンサ部３と、
を備える。例において、抵抗１７の抵抗値Ｒｍは、モニタリング部分１３の抵抗Ｒと同じオーダーの大きさである。例えば、Ｒｍ＝α×Ｒであり、係数αは０．１～１０にある。そのような回路によると、第１の電極１１上の漏洩電流Ｉ_ｌｅａｋ（Ｔｊ）又は第１の電極１１と第２の電極１２との間の電圧Ｖ_ｇｅを検出し測定することが可能になる。

【0024】

図４において、参照符号１４、１５、１６は、対応するスイッチ１４、１５、１６が閉じる状態に対応する。スイッチは、第１の電極１１、第２の電極１２、及びゲートドライバの電圧源を含む閉じた電気回路内に抵抗１７を接続し、または、電気回路から抵抗１７を切り離す手段の例である。

【0025】

種々の実施形態において、測定回路２は、逆並列ダイオードを通って流れる電流が通過するときの、第２の電極接続部１８内の電圧降下を測定することを実施するために使用される。この場合、第１の電極１１（ゲート）は、フローティングに維持される。その電位は、第２の電極１２（エミッタ）の電位である。第１の電極１１と第２の電極接続部１８との間で測定される電位は、第２の電極接続部１８の抵抗に相関する。この測定により、第２の電極接続部１８（エミッタ接続部）、例えば、ワイヤボンドの健全度をモニタすることができる。そのような方法は、後で述べる。

【0026】

構造的に、第１の電極１１は、一体で作られたポリシリコン材料を含む。一体部は、部分的にモニタリング部分１３も作る。第１の電極１１及びモニタリング部分１３は、全てワンブロックで作られ、上記ブロックはポリシリコン材料を含む。モニタリング部分１３は、第２の電極１２と電気接触しており、それにより、モジュール１の動作状態において、漏洩電流が、モニタリング部分１３を介して第１の電極１１と第２の電極１２との間に流れる。モニタリング部分１３は、モジュール１の動作状態中に、その温度Ｔに応じた可変抵抗Ｒを有するように合わせて選択される場所、形態、サイズ、及び材料組成（ポリシリコン）を有する。

【0027】

以下で、トレンチ構造についての例を詳述する。上記の、また以下の特徴は、トレンチ構造と異なる構造、例えば、プレーナ構造（トレンチなし）にも適用することができる。

【0028】

図５は、トレンチ構造におけるダイレイアウトの例を示す。モジュール１の上面のみを図５で見ることができる。第１の電極１１（ゲート）はモジュール１の周縁に沿って延在する。第２の電極１２は、図５で内部エリアの上部表面に対応する。トレンチ２１は上部表面の下に形成される。トレンチ２１は、図５では水平で、細く、暗いラインに対応する。トレンチ２１は、図５の水平方向に、実質的に直線状でかつ互いに平行である。電気絶縁体２３は、周縁（第１の電極１１）と内部エリアの上部表面（第２の電極１２）との間に設けられる。図５で、電気絶縁体２３は、トレンチ２１の両端において、第１の電極１１のラインに沿って延在する垂直ラインに対応する。電気絶縁体２３は、導電性材料が局所的に存在しないことによって、例えば、上部導電性層が局所的に存在しないことによって得ることができる。

【0029】

ここで、図６を参照する。図６は、図５上でＶＩで参照される部分の詳細を示す。２つのタイプのトレンチ２１、すなわち、第１の電極トレンチ２１１１（又はゲートトレンチ）とダミートレンチ２１１２（第２の電極トレンチに対応する）とを区別することが可能である。第１の電極トレンチ２１１１は周縁（第１の電極１１；ゲートライン）まで延在し、一方、ダミートレンチ２１１２は、周縁から或る距離を置いて中断される。以下の例において、また部分ＶＩにおいて、ダミートレンチ２１１２は第２の電極１２に電気接続される。モジュール１の残りにおいて、トレンチの一部は、非アクティブであり、第１の電極１１にも、第２の電極１２にも接続されない可能性がある。モジュール１は、電気を伝導するために必要である数より多くのトレンチ２１を備えることができる。例えば、幾つかの実施形態において、未接続トレンチ（自由トレンチ）を許すことは、デバイス内の電界を低減することを可能にする。

【0030】

電気的観点において、第１の電極１１（ゲート）は、電気的に相互接続されるモジュール１を３つの部分に分解することができ、第１の電極電位が存在する：
－第１の電極パッド（ゲートパッド）は、ライン（ゲートライン）を通して第１の電極トレンチ２１１１（ゲートトレンチ）に接続される。例えば、パッドは、少なくとも１つのワイヤボンドを介してモジュール１と別個の要素に接続される。例えば、パッドはアルミニウムで作られる；
－第１の電極ライン又は層（ゲートライン又はゲート層）は、モジュール１のアクティブエリア内で第１の電極電位（ゲート電位）を分配する。例えば、ゲートラインは、アルミニウム及び／又はポリシリコンで作られる；
－モジュール１のアクティブエリアに対応する第１の電極トレンチ２１１１（ゲートトレンチ）は、例えばポリシリコンで充填される。

【0031】

電気的観点において、第２の電極１２（エミッタ／コレクタ）は、電気的に相互接続されるモジュール１を５つの部分に分解することができ、第２の電極電位が存在する：
－第２の電極パッド（エミッタ／コレクタパッド）は、プラグを通してシリコンのＮ^＋ドーピング領域及びダミートレンチ２１１２に接続される。例えば、パッドは、少なくとも１つのワイヤボンドを介してモジュール１と別個の要素に接続される。例えば、パッドはアルミニウムで作られる；
－第２の電極プラグ（エミッタ／コレクタプラグ）は、第２の電極パッドを第２の電極ライン及び／又はＮ^＋ドーピング領域及び／又はダミートレンチ２１１２に接続する垂直接続部を形成する。例えば、第２の電極プラグはタングステンで作られる；
－第２の電極ライン又は層（エミッタ／コレクタライン）は、例えば、非アクティブポリシリコン層を形成する；
－Ｎ^＋ドーピング領域は、半導体材料のアクティブエリアに対応する；
－第２の電極トレンチ２１１２（エミッタ／コレクタトレンチ）は、ゲート電位に直接的に接続されるのではなく、エミッタ／コレクタ電位に接続される。例えば、ダミートレンチ２１１２はポリシリコンで充填される。

【0032】

以下の実施形態において、サーミスタは、３つの第１の電極部分のうちの１つと、５つの第２の電極部分のうちの１つとの間に作成される。例えば、ポリシリコンパターンは、サーミスタを作成するために局所的に適応される。

【0033】

ここで、図７を参照する。図７は図６と同様であり、３つの別個の切断平面を示しており、それぞれが詳細な実施形態の１つに対応する。参照符号ＶＩＩＩを有する切断平面は、図８及び図９の平面に対応する。参照符号Ｘを有する切断平面は、図１０及び図１１の平面に対応する。参照符号ＸＩＩを有する切断平面は、図１２及び図１３の平面に対応する。３つの切断平面の位置は、実施形態を理解し比較することを助けるために同じ図７上に示されている。３つの切断平面がたとえ同じ図７上に示されていても、３つの実施形態は、互いに独立であり、同じモジュール１内で必ずしも組み合わされない。

【0034】

図８～図１３上に示す実施形態のそれぞれ１つの実施形態において、モジュール１は、複数の層の積層部１００を含む。図８で、例えば、積層部１００は、下部から上部に、以下の層：
－仕上げ層１０１（又は「支持層」）；
－第１のＰドープ層１０２；
－Ｎ^＋ドープ層１０３（又は「緩衝層」）；
－第１のＮ^－ドープ層１０４（又は「半導体ベース層」）；
－第２のＮ^－ドープ層１０５（又は「キャリア蓄積層」）；
－第２のＰドープ層１０６；
－酸化物層１０７；
－ＢＰＳＧ層１０８（珪酸ガラス；ＢＰＳＧは「ほうりん珪酸ガラス」を表す）；
－金属層１０９（例えば、アルミニウム）、
を備える。

【0035】

ここで、図８及び図９を参照する。第１の実施形態において、サーミスタは、少なくとも第１の電極トレンチ２１１１と、半導体材料のアクティブエリアに対応するＮ^＋ドーピング領域との間にポリシリコンリンクを作成することによって形成される。図８で見ることができるように、３つのダミートレンチ２１１２のそれぞれの内壁は、酸化物層１０７の酸化物と同様の酸化物である絶縁膜１２３によってコーティングされる。それによって、トレンチの内部は、積層部１００の他の部分から電気絶縁される。３つのダミートレンチ２１１２のそれぞれでは、絶縁膜１２３の内部に、ポリシリコン充填剤１２１が充填される。ポリシリコン１２１によって、ダミートレンチ２１１２に沿った（図７の水平方向に）電気伝導が可能になる。第１の電極トレンチ２１１１は、酸化物層１０７の酸化物と同様の酸化物である絶縁膜１３３によってコーティングされる。それによって、トレンチの内部は、積層部１００の他の部分から電気絶縁される。第１の電極トレンチ２１１１では、絶縁膜１３３の内部に、ポリシリコン充填剤１３１が充填される。ポリシリコン１３１によって、第１の電極トレンチ２１１１に沿った（図７の水平方向に）電気伝導が可能になる。トレンチ２１１１、２１１２は、垂直方向に積層部１００を貫通して、Ｎ^－ドープ層１０４から酸化物層１０７まで延在する。

【0036】

図８で見ることができるように、モジュール１は、第１の電極トレンチ２１１１の両側にそれぞれ配設される一対のプラグを更に備える。プラグは、垂直方向に：
－第２のＰドープ層１０６から酸化物層１０７まで延在し、それぞれ、下部分１５１、１５３；を含み、及び、
－酸化物層１０７から金属層１０９まで延在し、それぞれの下部分と連続する上部分１４１、１４３、
を含む。

【0037】

下部分１５１、１５３は、Ｎ^＋ドープであり、上部分１４１、１４３を介して第２の電極１２と電気的に接触している。

【0038】

図８と図９とを比較することにより、モニタリング部分１３（サーミスタ）を得る方法を理解することができる。モニタリング部分１３は、第１の電極１１（ポリシリコン充填剤１３１）と一体で作られ、ポリシリコン材料を含む。モニタリング部分１３は、下部分１５１、１５３、上部分１４１、１４３、及び金属層１０９を介して第２の電極１２と電気接触している。モジュール１の動作状態において、漏洩電流は、第１の電極１１と第２の電極１２との間に流れる。

【0039】

第１の実施形態において、モニタリング部分１３は、上記膜が形成されるときに、第１の電極トレンチ２１１１の絶縁膜１３３内の局所ギャップを維持することによって得られる。ここで、「ギャップ（gap）」は、膜内に中空部又は「窓（window）」を形成するためなどにおいて、特定の場所における、膜の自発的な欠如又は膜内に穴が開いているとして理解される必要がある。絶縁膜１３３を形成する酸化ステップは、例えば、選択的でない熱酸化である。ギャップを作成するため、所望のエリアが、例えば、窒化シリコン膜で前もって覆われる。窒化シリコン膜は、ずっと遅いレートで酸化されるため、酸素及び水蒸気の拡散を阻止する。その後、窒化シリコン膜は、酸化が完了した後に除去される。

【0040】

その後、第１の電極トレンチ２１１１がポリシリコン充填剤１３１を充填されると、ギャップも充填される。すなわち、ポリシリコン充填剤１３１及びモニタリング部分１３は一体で作られる。本実施形態において、ポリシリコン充填剤１３１及びモニタリング部分１３は単一ステップで作られる。

【0041】

ポリシリコンで作られるモニタリング部分１３によって置換されるゲート酸化物内の局所ギャップによって、ゲート電位にある第１の電極トレンチ２１１１内のポリシリコン充填剤１３１から、（エミッタ／コレクタ電位にある）第２の電極１２に接続される下部分１５１のＮ^＋ドープ領域までの電気接続部を作ることができる。ギャップの（そして、結果として得られるモニタリング部分１３の）場所、形態、及びサイズは、サーミスタンス（thermistance）を設定するために合わせて選択される。サーミスタンスは、温度に応じた電気コンポーネントの抵抗挙動を規定し、ＮＴＣ（「負の温度係数（Negative Temperature Coefficient）」）又はＰＴＣ（「正の温度係数（Positive Temperature Coefficient）」）のいずれにも定義することができる。

【0042】

換言すれば、モニタリング部分１３の場所、形態、及びサイズは、抵抗Ｒが、モジュール１の動作状態中に、温度Ｔに応じて所定のかつ制御された方法で変動するようなモニタリング部分１３の挙動を決定するために選択される。

【0043】

単一ギャップ（単一モニタリング部分１３）を作ることができる。そのような場合、モニタリング部分１３に、さらに高い抵抗値が設定される。ギャップの場所は、例えば、温度が一般的に最も高いモジュール１の中央に配置することができる。それに代わり、配置する場所は、温度が最も高いあるワイヤボンドの下にすることもできる。

【0044】

種々の実施形態において、複数のギャップを作ることができる。これによって、局所抵抗値を低減すること及び／又はモジュール１内の種々の部分の温度モニタリングを得ることができる。

【0045】

サーミスタンスを精密にセットアップする方法は、ギャップの面積（又は有効断面）を設定することである（他のパラメータは一定として考える）。本出願人が行った試験では、ギャップの面積が１μｍ^２より小さい場合、良好なサーミスタンス挙動に達することができた。当業者は、モジュール１の特定の構造に応じた所望のサーミスタンスを有するために他のパラメータ（場所、形態、材料組成）を調整することになる。

【0046】

ポリシリコンは、一般的に、ドーピング濃度に依存して１０^－３Ω・ｃｍ～１０^５Ω・ｃｍに及ぶ抵抗率を有すると考えられる。温度の良好なモニタリングを有するため、モジュール１の予想される動作温度範囲について、抵抗値Ｒが１０ｋΩ（デバイスの損傷によって規定される最小値）～１ＭΩ（測定回路の感度及びゲート酸化物の等価抵抗によって規定される最大値）の値を有するように、サーミスタンスがセットアップされるべきであると、本出願人は判断した。本明細書において、「モジュール１の予想される動作温度範囲」は、モジュール１の製造業者によって特に計画される温度範囲に対応する。そのような範囲は、任意の半導体モジュールとともに必ず提供される技術文書に示される。例えば、本出願人が試験を行ったモジュール１の温度範囲は２５℃～１２５℃である。抵抗値Ｒが、モジュール１の予想される動作温度範囲内（例えば、２５℃～１２５℃）で少なくとも２％の係数の変動を有するようにサーミスタンスがセットアップされるべきであるとも、本出願人は判断した。

【0047】

そのようなモニタリング部分１３の挙動は、パワー半導体デバイス分野で使用される通常のポリシリコン材料によって得ることができる。種々の実施形態において、モニタリング部分１３を構成するポリシリコンの特定のドーピング特性を使用することができる。そのようなドーピング特性は、モニタリング部分１３に特有であり、（局所ドーピングによる）ポリシリコン充填剤１３１の残りの部分と異なるものとすることができるか、又は、一体型ポリシリコンにおいて均質とすることができる。換言すれば、ポリシリコンがたとえ一体で作られる場合でも、化学的組成は必ずしも均質でない。

【0048】

ここで、図１０及び図１１を参照する。第２の実施形態において、サーミスタは、少なくともダミートレンチ２１１２と第１の電極トレンチ２１１１との間にポリシリコンリンクを作成することによって形成される。第２の実施形態は、第１の実施形態より実装するのが容易である。

【0049】

図１０及び図１１において、先行する図の要素と同様の要素は、同じ参照符号を有する。第１の実施形態（図８及び図９）と比較すると、下部のプラグは存在しない。プラグ１４４は、ダミートレンチ２１１２の上部に、ＢＰＳＧ層１０８を通して設けられる。積層部１００の酸化物層１０７のほとんどの部分は、ダミートレンチ２１１２の上部においてポリシリコン層１２０によって置換される。ポリシリコン層１２０は、少なくともダミートレンチ２１１２の上部を覆う。

【0050】

通常、また、図１０に示すように、ダミートレンチ２１１２内のポリシリコン充填剤１２１と第１の電極トレンチ２１１１内のポリシリコン充填剤１３１との間の電気絶縁は、第１の電極トレンチ２１１１の上部に保存される酸化物層１０７の部分１３０によって確保される。図１１の例では、酸化物層１０７の部分１３０は存在しない。その代わり、ポリシリコン層１２０は、ダミートレンチ２１１２内のポリシリコン充填剤１２１及び第１の電極トレンチ２１１１内のポリシリコン充填剤１３１と一体で作られる。換言すれば、ポリシリコン層１２０は、第１の電極トレンチ２１１１の上部を含むトレンチ上に延在する。第１の電極トレンチ２１１１の上部に延在するポリシリコン層１２０の一部は、第２の実施形態のモニタリング部分１３を形成する。モニタリング部分１３は、第１の電極１１と第２の電極１２との間に、意図する抵抗経路を作成する。第２の実施形態において、モニタリング部分１３のサイズ、特に厚さは、所望のサーミスタンス挙動を生成するために規定される。

【0051】

関係するダミートレンチのプラグ材料は、エミッタとの接触がダミートレンチの他の側（対向端）で実施されるように、局所的に除去することができる。そのような方法で、ダミートレンチ自身の抵抗がサーミスタンスに付加される。幾つかの隣接するダミートレンチを、例えば、蛇行構造で端と端とで接続することができる。そのような方法で、ダミートレンチの抵抗は、累積され、サーミスタンスに付加される。ダミープラグを賢明な方法で除去し、ダミートレンチをともに接続するポリシリコン層を修正することによって、サーミスタンスの値を意のままに適応させることが可能である。

【0052】

ポリシリコン要素（ポリシリコン充填剤１２１、ポリシリコン充填剤１３１、ポリシリコン層１２０、及びそのモニタリング部分１３）を設けるために、既知のプロセスを使用することができる。例えば、ポリシリコンは、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ：Low-Pressure Chemical Vapor Deposition）、リソグラフィー（樹脂コーティング、マスク堆積、アクティベーション、選択的樹脂除去）、及び／又はドライエッチング（ポリシリコンの選択的除去、残留樹脂の除去）によって堆積する。モニタリング部分１３を作成するために、酸化物層１０７の通常の部分１３０（図１０参照）をポリシリコン層１２０の一部から作ったモニタリング部分１３（図１１参照）によって置換するために、リソグラフィーで使用される既知のマスクを用いることが可能である。そのようなモニタリング部分を得るためにマスクを用いる正確な方法は、当業者によって、各モジュール１に応じて容易に決定されることになる。

【0053】

ここで、図１２及び図１３を参照する。これらの図の平面は、先行する実施形態の１つ（図７参照）に実質的に垂直である。先行する図の要素と同様の要素は同じ参照符号を有する。図の右部分上で、第１の電極１１の上部の金属層１０９の一部が、それが通例であるが、第２の電極１２の上部の金属層１０９の一部から分離されていることを見ることができる。第１の電極１１（ゲート）の部分において、積層部１００は、トレンチ２１１１、２１１２を含む部分内の積層部と異なる。積層部１００は、下部から上部に、以下の層：
－仕上げ層１０１（又は「支持層」）；
－第１のＰドープ層１０２；
－Ｎ^＋ドープ層１０３（又は「緩衝層」）；
－第１のＮ^－ドープ層１０４（又は「半導体ベース層」）；
－第２のＰドープ層１０６；
－酸化物層１０７の肉厚部；
－ＢＰＳＧ層１０８（珪酸ガラス；ＢＰＳＧは「ほうりん珪酸ガラス」を表す）；
－金属層１０９（例えば、アルミニウム）、
を備える。

【0054】

ＢＰＳＧ層１０８において、酸化物層１０７の肉厚部上に、ポリシリコン層１６１が設けられる。ポリシリコン層１６１は、図１２及び図１３の平面に実質的に垂直な方向に延在する。第１の電極トレンチ２１１１（図では見えず）を含む平面内で、ポリシリコン層１６１は、トレンチ２１１１のポリシリコン充填剤１３１と一体で作られる。ポリシリコン層１６１上で、ポリシリコン層１６１と金属層１０９の上記一部との間の電気接続部を確保するためにプラグ１６７が設けられる。例えばポリアミドの保護層１７０が上部に付加される。

【0055】

第３の実施形態において、サーミスタが、少なくとも１つのダミートレンチ２１１２の、第１の電極１１（ゲートライン）までの伸長によって形成される。そのため、エミッタ／コレクタ電位は、ゲート電位のラインに達し接触する。種々の実施形態において、ラインパターンは、伸長したトレンチに対する接続を容易にするために修正することもできる。

【0056】

図１２に見ることができるように、ダミートレンチ２１１２内のポリシリコン充填剤１２１及び第１の電極部のポリシリコン層１６１は、通常、互いに分離される。さらに、それぞれは、環境から電気絶縁するために、絶縁膜１２３（酸化物層）、１６３によってそれぞれ囲まれる。比較すると、第３の実施形態の図１３に見ることができるように、ポリシリコン材料の伸長部が、ダミートレンチ２１１２内のポリシリコン充填剤１２１と第１の電極部のポリシリコン層１６１との間に設けられる。第３の実施形態において、上記伸長部はモニタリング部分１３を形成する。

【0057】

モニタリング部分１３を形成する伸長部は、第１の電極１１（ポリシリコン層１６１及びポリシリコン充填剤１３１）と一体で作られる。伸長部は、プラグ１４４及び金属層１０９を介して第２の電極１２に電気接触している。モジュール１の動作状態において、漏洩電流は、第１の電極１１と第２の電極１２との間に流れる。

【0058】

３つの主要な実施形態を述べた。これらの３つの実施形態が例であり、本発明の範囲の制限として解釈される必要がないことを当業者は理解するであろう。１つの実施形態に関して述べるほとんどの特徴は、別の実施形態に対して置き換える／適応することができる。例えば、サーミスタンス挙動を設定する方法に関する特徴は、第１の実施形態に関して説明される。そのような特徴は、他の実施形態に適応することができる。当業者は、モジュール１の各実施形態に応じてモニタリング部分１３の場所、形態、及びサイズを適応させることによって、サーミスタンス挙動をセットアップする方法を知ることになる。サーミスタンスをセットアップするために適応させる有効断面は、第１の実施形態のギャップの高さ及び幅に、第２の実施形態のポリシリコン層１２０の幅及び厚さに、また、第３の実施形態の伸長部の幅及び厚さに対応することができる。

【0059】

図１４及び図１５は、モジュール１の写真であり、その写真上で、寸法スケールは例として示される。

【0060】

上述したモジュール１、特に、測定回路２（図３参照）は、モジュール１の動作寿命中に、２つの方法、すなわち、モジュール１の温度を推定する測定方法、及び、モジュール１の接続部、特に、第２の電極接続部１８の健全状態を推定する測定方法を実施するために使用することができる。

【0061】

モジュール１の温度を推定する測定方法は、例えば、
ａ）ＩＧＢＴのエミッタＥから、または、ＭＯＳＦＥＴのソースＳから、電流が提供されないときに測定をトリガーすること；
ｂ）モジュール１の第１の電極１１（ゲート）の診断モードを生成することであって、診断モード中に、第１の電極１１－第２の電極１２－電圧源の電流回路内に抵抗１７が配置されるように、生成すること；
ｃ）上記回路上で少なくとも電圧Ｖ_ｍｅａｓ又は電流Ｉ_ｍｅａｓをモニタすること；および
ｄ）モニタされた値を較正データに従って温度に変換すること、
を含む。

【0062】

ステップａ）すなわちＩＧＢＴのエミッタ接続部に電流が通過しないときに、測定トリガーが実施される。そのため、エミッタ接続部における温度及び電流依存電圧降下のいずれも測定と相互作用しない。この状況は、例えば、電流がオフであるときに可能である。逆並列ダイオードがエミッタ接続部を共有している（図３参照）場合、ダイオードもオフであるべきである。これらの状況は、電流センサ及び／又はコントローラ情報を使用して検出される。代替の実施形態において、エミッタ接続部における電圧降下は、厳密にゼロであるのではなく、小さい値、例えば、２００ｍＶ未満と考えられる。そのような場合、電圧降下は、無視又は補償することができる。

【0063】

ステップｄ）すなわち較正データに基づく変換は、モジュール１が予め特徴付けられることを示唆する。特徴付けは、例えば、Ｒ_ｇｅ＝ｆ（Ｔ）又はＶ_ｍｅａｓ＝ｆ（Ｔ）又はＩ_ｍｅａｓ＝ｆ（Ｔ）のように、パラメータとして温度（Ｔ）を有する関数「ｆ」の形態でモジュール１のサーミスタンスプロファイルを生成することを含む。

【0064】

モジュール１の接続部の健全状態を推定する測定方法は、例えば：
１）ＩＧＢＴのエミッタＥの接続部（例えば、第２の電極接続部１８）に、または、ＭＯＳＦＥＴのソースＳの接続部に、大電流が通過するときに測定をトリガーすること；
２）モジュール１の第１の電極１１の診断モードを生成することであって、診断モード中に、上記第１の電極１１が電気的に切り離される、これは、例えば、第１の電極１１を、モニタリング部分１３の抵抗値Ｒの１０倍より大きい抵抗値を有する抵抗器（図３の抵抗器１７と異なる）に接続することによって行うことができる、生成すること；
３）少なくとも電圧Ｖ_ｍｅａｓをモニタすること；および
４）モニタされた値を較正データに従って損傷指標に変換すること、
を含む。

【0065】

サーミスタンス挙動は、材料不安定性（機械的、化学的）の影響として経時的にドリフトする場合がある。この現象は、ダイの高温環境によって加速される。

【0066】

ドリフトの影響に対抗するために、再較正を、一定間隔で実施することができる。そのような再較正は、例えば、モジュール１が、オフ状態の動作において均一温度に達すると、実施される。較正は、例えば、モジュール１のベースプレート上で、モジュール１の別の温度センサを使用して実施される。広い温度範囲において温度に特徴的なドリフトを得ることが難しいため、特定の温度におけるドリフト値を使用し、モデルを使用することによって他の温度値についてのドリフト値を推定することが可能である。幾つかの実施形態において、特定の温度におけるドリフト値は、モジュール１の健全度の指標として使用される。例えば、２５℃におけるドリフトを定期的にモニタする。ドリフトが予め規定された閾値を超えると、警告メッセージが生成される。

【0067】

本明細書で述べる方法は、例えば、チップによって実施される又はプロセッサによって実装されるコンピュータプログラムの形態で実装することができる。本発明は、本明細書で述べる、モジュール、マスク、方法、コンピュータプログラム、及びコンピュータ可読非一時的記録媒体に限定されず、それらは例に過ぎない。本発明は、当業者が、本文書を読むと想定することになる全ての代替物を包含する。

【符号の説明】

【0068】

１ モジュール、２ 測定回路、３ センサ部、１１ 第１の電極、１２ 第２の電極、１３ モニタリング部分、１７ 抵抗、１８ 第２の電極接続部、２１ トレンチ、２３ 電気絶縁体、１００ 積層部、１０１ 仕上げ層、１０２ 第１のＰドープ層、１０３ Ｎ^＋ドープ層、１０４ 第１のＮ^－ドープ層、１０５ 第２のＮ^－ドープ層、１０６ 第２のＰドープ層、１０７ 酸化物層、１０８ ＢＰＳＧ層、１０９ 金属層、１２０ ポリシリコン層、１２１ ポリシリコン充填剤、１２３ 絶縁膜、１３０ 酸化物層の部分、１３１ ポリシリコン充填剤、１３３ 絶縁膜、１４１ プラグの上部分、１４３ プラグの上部分、１４４ プラグ、１５１ プラグの下部分、１５３ プラグの下部分、１６１ ポリシリコン層、１６３ 絶縁膜、１６７ プラグ、１７０ 保護層、２１１１ 第１の電極トレンチ、２１１２ ダミートレンチ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】