JP2002083964A - 半導体素子及びこれを用いた半導体装置と変換器 - Google Patents
半導体素子及びこれを用いた半導体装置と変換器Info
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Abstract
体素子の並列接続時におけるスイッチング動作を安定化
し、かつ、半導体素子内部での不均一動作を抑える。 【解決手段】半導体素子内部に外付けチップ抵抗と同等
の効果を有するゲート抵抗としてゲート制御配線膜22
に接続する制御配線電極膜32と制御電極33との間に
ポリシリコンやセラミック材料からなる高電気抵抗領域
40を内蔵する。
Description
り、特に均一なスイッチング動作に優れた半導体素子及
びこれを用いた半導体装置並びに電力変換器に関する。
導体パワーデバイスのインバータ装置等への適用が進め
られている。特に高い耐電圧性能を有する半導体素子の
開発も進められており、最近では絶縁ゲート型バイポー
ラトランジスタ(以降IGBTと記す)やMOSFET
等の半導体素子が広く用いられている。また、半導体装
置の電流容量を向上させる場合には、上記の半導体素子
を複数、並列接続して所望の大きな電流容量を得ること
が行われている。
続する場合に、半導体素子間で特性にバラツキがあると
素子の均一動作が難しく、素子の破壊が生じる。これら
の問題に対して、日本国特許第02608451号公報では、制
御端子に外付けチップ抵抗を接続して、半導体素子の均
一動作を図る方法が開示されている。さらに、各々の制
御電極同士も並列接続されるが、スイッチング動作時に
は配線のインダクタンスによって過渡的に制御電流振動
が生じ、素子の誤動作や、最悪の場合は素子の破壊が生
じる。これを抑制する目的で素子の制御電極と外部端子
との間に外付けチップ抵抗を接続することが行われてい
る。
置の大容量化を図ろうとする場合、並列接続される半導
体素子数が増えると、各半導体素子に接続される外付け
チップ抵抗の数も増大するため、製造プロセスの複雑化
やコストが上昇するという問題があった。
ものであり、複数半導体素子の並列接続時に於けるスイ
ッチング動作を安定化し、かつ、半導体素子内部での不
均一動作を抑えた、高信頼な半導体素子及びこれを用い
た半導体装置と電力変換器を提供することにある。
においては、外付けチップ抵抗と同等の効果を有するゲ
ート抵抗を、半導体素子に内蔵させる。
面上に、半導体素子の通電動作に関与する半導体能動領
域と、半導体基板から絶縁されて半導体能動領域を制御
する制御配線と、制御配線と電気的に接続され、かつ外
部制御端子と接続するために設けられた制御電極が設け
られる。さらに、制御配線と制御電極との接続間に電気
抵抗領域を有し、かつ電気抵抗領域と制御配線の接続位
置を基準とした場合の電気抵抗領域側の抵抗値が、制御
配線側の最大の配線抵抗値よりも大きくなる構造とす
る。
接続され、他の一端が低抵抗配線を介して複数の制御配
線端部と接続される構造とすることが、半導体内部の均
一動作という点でより好ましい。
抵抗を内蔵させることで、半導体素子間の不均一動作を
抑制することが出来る。また、半導体素子内部の動作も
均一性が向上する。
に説明する。ただし、本発明は下記実施例に限定される
ものではない。
Tの一部断面及び表面鳥瞰図である。シリコンで形成さ
れたn型半導体基板1の一方の表面にはp導電型半導体
層11及びn型半導体層12が形成されている。このn
型半導体基板1の表面には、隣り合ったp型半導体層1
1の間に挟まれる形で、シリコン酸化物(SiO2)で形
成されたゲート酸化膜21及び多結晶シリコンで形成さ
れた制御配線膜22が形成される。このゲート酸化膜2
1及び制御配線膜22の全面を被うように、りんガラス
(PSG)で層間絶縁膜23が形成される。さらにこれ
らを被い、p導電型半導体層11及びn型半導体層12
の露出面に接触した形で、Siを1〜3wt%含有する
Al合金により構成されるエミッタ電極膜30を形成す
る。ここで、エミッタ電極膜に接続されて半導体素子の
通電動作に寄与する部分を、半導体能動領域と呼ぶ。
のp+ 型半導体層13及びn+ 型半導体層14が形成さ
れる。n型半導体基板1の表面には、p+ 型半導体層1
3及びn+ 型半導体層14の間に隣接してSiO2 によ
るフィールド酸化膜24が形成される。さらにフィール
ド酸化膜24の間でp+ 型半導体層13及びn+ 型半導
体層14に接するように、Siを1〜3wt%含有する
Al合金で金属層31が形成される。これらの領域は特
にターミネーション領域と呼ぶ。
3の一部に開口部を設け、隣接するエミッタ電極膜とは
絶縁されて制御配線膜22の露出部に接続するように、
Siを1〜3wt%含有するAl合金で制御配線電極膜
32が形成される。この制御配線電極膜32が接続され
た部分の制御配線膜22は、それ以外の部分に比べて配
線抵抗が低くなることから、半導体能動領域内に所定の
間隔で形成して、半導体能動領域全体の単位素子への信
号の伝達が均等になる。なお、半導体領域の動作を制御
するための制御配線は、制御配線膜22と制御配線電極
膜32との複合構造であっても良い。また、制御配線膜
22と外部端子との接続を行うために、隣接するエミッ
タ電極膜とは絶縁されて、Siを1〜3wt%含有する
Al合金で制御電極33が形成される。さらに、制御電
極33と制御配線膜22との間には、多結晶シリコンで
形成された電気抵抗領域40が接続される。また、n型
半導体基板1の他方の表面には、p導電型半導体層2を
有しており、このp導電型半導体層2の露出した表面に
は裏面電極膜3が接続して形成されている。ここで、本
実施例では電気抵抗領域40を個別に設けて形成してい
るが、例えば制御配線電極膜32を接続しない制御配線
膜22の一部を利用してもかまわない。なお本実施例に
おいて、電気抵抗領域40と制御配線膜22との接続位
置を基準位置とした場合に、制御電極33までの電気抵
抗値が、制御配線膜22の配線抵抗値の最大値より大き
くなるように、電気抵抗領域40を設けている。ここで
配線抵抗値とは、基準位置と、アクティブ領域のある位
置との間における、制御配線膜22の電気抵抗値であ
る。
作り込むことで、外付け部品の実装工数の増加が無く、
外付けチップ抵抗部品も不要となるため、並列動作に優
れた半導体素子を低コストで得ることができる。電気抵
抗領域の材質として多結晶シリコンを用いる場合、電気
抵抗領域の幅や厚みなどの形状を調節すれば所望の抵抗
値を得ることができる。この他、TiSi2,MoS
i2,WSi2 等のシリサイド系材料や、RuO2,Sn
O2,Ta−N,Ta−Si等のセラミックス材料を用
いることももちろん可能である。さらには、半導体基体
中に不純物を拡散して形成した半導体層を電気抵抗領域
として用いることもできる。
面図を示す。図3(a)は制御電極33を半導体素子の
コーナー部分に配置し、制御配線膜22との間に電気抵
抗領域40を設けた場合の平面図である。図3(b)は
制御電極33を半導体素子のある一辺の中央部に配置し
た場合の平面図である。図3(c)は制御電極33を中
央に配置した場合の平面図である。この時、制御電極に
入力されたゲート信号は各電気抵抗領域を通って制御配
線によりチップ全体へ分配され、半導体能動領域に伝え
られる。
Tの断面・鳥瞰図であり、電気抵抗領域40と制御配線
膜22とが接続される複数の箇所同士を、Siを1〜3
wt%含有するAl合金により構成される低抵抗配線41
で一体に接続したものである。この場合ゲート信号は、
電気抵抗領域40から各制御配線膜22に伝わる際に低
抵抗配線41で一旦均一化されるため、各半導体能動領
域の動作もより均一化することができる。
に、図2の等価回路を図4(c)に示す。rg1,rg
2,rg3,rg4はそれぞれ電気抵抗領域を表す。ま
た、igbt1,igbt2,igbt3,igbt4
は、同一チップ内にあってそれぞれ主としてrg1,r
g2,rg3,rg4を通るゲート信号により制御され
る単位素子の集まりを表す。図2のように低抵抗配線4
1が無い場合、例えば製造条件の変動などでrg1が規
定の抵抗値から変化した場合には、rg1が接続される
igbt1ではほかのigbt2,igbt3,igb
t4と比べて動作にばらつきが生じることがある。一
方、図1のように低抵抗配線41を設けた場合、図4
(a)のように高電気抵抗領域rg1,rg2,rg
3,rg4は図1に示した低抵抗配線41により一旦並
列接続された後、それぞれのigbt1,igbt2,
igbt3,igbt4に分配して接続される。この場
合、例えばrg1の抵抗値が規定からずれていたとして
もigbt1の動作だけがずれることはなく、各igb
tには合成抵抗Rgが接続されたものとして動作する
(図4(b))ため、半導体素子内部での動作不均一を
抑制することができる。
面図を示す。図5(a)は制御電極33を半導体素子の
コーナー部分に配置し、制御配線膜22との間に電気抵
抗領域40を設けた場合の平面図である。図5(b)は
制御電極33を半導体素子のある一辺の中央部に配置し
た場合の平面図である。図5(c)は制御電極を中央に
配置した場合の平面図である。また、図5(d)のよう
に低抵抗配線41と制御電極33の間の全体に電気抵抗
領域40を設けた場合でも、一旦低抵抗配線41でゲー
ト信号が均一化される。さらに、図5(e)のように電
気抵抗領域40が一つだけの場合でも、低抵抗配線41
によってゲート信号が均一化され、これに接続される複
数の制御配線膜22にも均等に信号が伝えられ、不均一
動作が改善できる。なお、低抵抗配線の電気抵抗配線と
制御電極との間の電気抵抗値より小さくする。
について説明する。図3に示すように、半導体素子の半
導体能動領域や制御電極,制御配線の配置はその形状あ
るいは電気的にみて、ある対称性を持たせるのが一般的
である。これは半導体素子製造用のホトマスク設計を容
易にするほか、複数の半導体素子を一枚のウエハから効
率よく得るためには必然的にチップ形状が正方形或いは
長方形となるため、この半導体素子内部を均一動作させ
るためには、外形に沿った対称構造とすることが好まし
いためである。電気抵抗領域の配置に関しては、例えば
半導体能動領域配置の対称軸に対して、電気抵抗領域も
同様に対称配置とすることが、半導体素子内部の均一動
作に有効で好ましい。これにより制御電極から半導体能
動領域の最遠部分までの距離を揃えること等で半導体素
子内部の均一動作を図ることができる。図3(a)は斜
め方向に対称軸がある場合の配置例を示した。図3
(b)は横方向に対称軸がある場合の配置例、図3
(c)は縦横に対称軸がある場合の配置例を示してい
る。
相対する位置にそれぞれ配置することが、素子内部の均
一動作に有効であり、よって、高電気抵抗領域の数は対
称軸の数に応じて2,4,6・・・と、2の倍数だけ配
置することがより好ましい。
で、特に制御電極周辺の構造について述べる。本実施例
は電気抵抗領域の形状に関するものである。電気抵抗領
域40に所望の抵抗値を持たせるため、細長い形状にす
る場合がある。しかし、例えば制御電極33から放射状
に接続した場合には半導体能動領域内に深く入り込むこ
とになる等、構造が複雑となる。そこでこの細長い抵抗
体を、図6(a)のように長手方向が制御電極33の外
周形状に沿うように配置することで、電気抵抗領域40
を制御電極33の近傍に集約できるため、半導体能動領
域の構造も簡略化されて、設計が容易となる利点があ
る。また、前述のように電気抵抗領域の対称性を考慮し
て、図6(b)のように、電気抵抗領域40の長手方向
の中央部と制御電極33とを導体により電気的に接続す
ることも好ましい。
施例について説明する。本実施例は電気抵抗領域の抵抗
値設計に関するものである。図7は2つのIBGTチッ
プ(点線内)が並列接続される場合で、それぞれの制御
電極及びエミッタ電極同士が短絡されている場合の等価
回路を示している。Rgは半導体素子に内蔵される電気
抵抗領域の抵抗値、Cieは半導体素子のゲート・エミ
ッタ間入力容量、Lはそれぞれの半導体素子間のエミッ
タ配線のインダクタンスである。一般に抵抗R,キャパ
シタC,インダクタLの直列回路では R2<4L/C …(1) という関係が成り立つ場合には電流の振動が生じる。こ
こではゲート電流の振動を引き起こすことになり、これ
が半導体素子の誤動作や、破壊につながる。このゲート
電流振動の防止策としては、 R2>4L/C …(2) の関係を満たすようにして、電流振動が生じないように
する必要がある。
g,C=Cie/2、とおいて、 (2・Rg)2>4L/(Cie/2) …(3) Rg2>2(L/Cie) …(4) 従って、この(4)を満たすRg値を有する電気抵抗領
域を各々の半導体素子内部の制御電極と制御配線との接
続間に設けることにより、複数チップ間でのゲート電流
振動を起こさず、高信頼で良好な特性を有する半導体素
子を低コストで得ることが可能となる。
抗領域を内蔵することで、外付けチップ抵抗は不要とす
ることができる。しかし、図8のように外付けチップ抵
抗Rgeと電気抵抗領域Rgを同時に接続して各半導体
素子のゲート抵抗値を同等に揃えて、動作の均一化を図
ることも有効である。この時、例えばトリミング等が可
能な外付け抵抗体を設けて抵抗値の微調整を行えば、よ
り動作の均一性が向上した半導体装置を得ることができ
る。
してIGBTを中心に述べてきたが、本発明は他のMO
S制御型半導体素子等について適用した場合にも同様の
効果を得ることができ、IGBTに制限されるものでは
ない。
の半導体素子を、平型半導体装置に組み込み、この平型
半導体装置を主変換素子として電力変換器に応用した場
合の例を、1ブリッジ分の構成回路図で示す。主変換素
子となるIGBT51とダイオード52が逆並列に配置
され、これらがn個直列に接続された構成となってい
る。図中の各IGBT51とダイオード52は、本発明
によるそれぞれ多数の半導体素子を並列実装した平型半
導体装置を示している。なお、図9のような逆導通型I
GBT平型半導体装置の場合には図中のIGBT51と
ダイオード52がまとめて一つのパッケージに収められ
た形となる。これにスナバ回路53、及び限流回路が設
けてある。
た自励式変換器の構成を示したものである。本発明の半
導体装置は、複数個をその主電極板外側と面接触する形
で水冷電極を挟んで直列接続するスタック構造と呼ぶ形
に実装され、スタック全体を一括で加圧する。また、平
型半導体装置のみでなくモジュール型と呼ばれる実装形
態による半導体装置としてももちろん可能である。モジ
ュール型半導体装置の場合には上記装置間は直列接続よ
り、むしろ並列接続の方が好ましい。
広く各種変換器に用いられる。特に平型半導体装置は、
電力系統に用いられる自励式大容量変換器の他、ミル用
変換器として用いられる大容量変換器等に適しており、
また、可変速揚水発電,ビル内変電所設備,電鉄用変電
設備,ナトリウム硫黄(NaS)電池システム,車両等
の変換器にも用いることができる。一方、モジュール型
半導体装置は車両,電鉄用地上設備,鉄鋼などの産業用
大型変換器や、中・小型容量の変換器を用いる家電機
器,自動車などあらゆる分野で広く用いることができ
る。
半導体素子を得ることができる。
回路図。
路図。
列接続したときの等価回路図。
構成回路図。
電極膜、11…p導電型半導体層、12…n型半導体
層、13…p+型半導体層、14…n+型半導体層、21
…ゲート酸化膜、22…制御配線膜、23…層間絶縁
膜、24…フィールド酸化膜、30…エミッタ電極膜、
31…金属層、32…制御配線電極膜、33…制御電
極、40…電気抵抗領域、41…低抵抗配線、51…I
GBT、52…ダイオード、53…スナバ回路、60…
半導体能動領域、61…ターミネーション領域。
Claims (7)
- 【請求項1】半導体基板の一方の主表面上に、 通電動作に関与する半導体能動領域と、 半導体基板から絶縁されて、前記半導体能動領域を制御
する制御配線と、 前記制御配線と電気的に接続され、外部制御端子と接続
するために設けられた制御電極と、 前記制御配線と前記制御電極との間に電気的に接続され
る電気抵抗領域と、を有し、 前記電気抵抗領域と前記制御配線の接続位置を基準とし
た場合に、前記電気抵抗領域側の抵抗値が前記制御配線
側の最大の配線抵抗値よりも大きい半導体素子。 - 【請求項2】半導体基板の一方の主表面上に、 通電動作に関与する半導体能動領域と、 半導体基板から絶縁されて、前記半導体能動領域を制御
する制御配線と、 前記制御配線と電気的に接続され、かつ外部制御端子と
接続するために設けられた制御電極と、 前記制御配線と前記制御電極の間に電気的に接続される
電気抵抗領域と、を有し、 さらに前記電気抵抗領域の一端が前記制御電極に接続さ
れ、他の一端が低抵抗配線を介して前記制御配線の複数
の端部と接続される半導体素子。 - 【請求項3】半導体基板の一方の主表面上に、 通電動作に関与する半導体能動領域と、 半導体基板から絶縁されて、前記半導体能動領域を制御
する制御配線と、 前記制御配線と電気的に接続され、かつ外部制御端子と
接続するために設けられた制御電極と、 前記制御配線と前記制御電極の間に電気的に接続される
複数の電気抵抗領域と、 前記制御配線と前記複数の電気抵抗領域との間におい
て、前記複数の電気抵抗領域を接続する低抵抗配線と、
を有する半導体素子。 - 【請求項4】前記低抵抗配線の電気抵抗値が、前記低抵
抗配線と前記制御電極との間の電気抵抗値よりも小さ
い、請求項2または3の半導体素子。 - 【請求項5】前記半導体基板の一方の主表面上に形成さ
れた、前記半導体能動領域と、前記制御配線と、 前記制御電極とが、 平面的に見て、少なくとも一つの対称軸を有する形状に
配置されており、かつ前記電気抵抗領域が、前記対称軸
に対して対称となる形状に配置されている請求項1乃至
4のいずれか1項に記載の半導体素子。 - 【請求項6】請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半
導体素子を複数個、外部配線を用いて並列接続し、 前記電気抵抗領域の抵抗値をRg、前記半導体能動領域
のゲート・エミッタ間入力容量をCie、それぞれの隣
接する二つの半導体素子のエミッタ電極間の配線インダ
クタンスをLとした場合に、 Rg2>2(L/Cie) を満たす半導体装置。 - 【請求項7】請求項1乃至5のいずれか1項の半導体素
子または請求項6の半導体装置を主変換素子として用い
た電力変換器。
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