JP2007273931A - 電力用半導体素子、その製造方法及びその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置1において、半導体層2内にストライプ状のゲート電極6を設け、半導体層2上に層間絶縁膜11を設ける。そして、層間絶縁膜11を貫通するように、ゲート電極6と同じ方向に延びるエミッタプラグ12及びゲートプラグ13を設ける。エミッタプラグ12は、N型層4を貫通させてP型層3に接続し、ゲートプラグ13は、ゲート電極6内に埋め込み、その長手方向に沿ってゲート電極6に接続する。また、絶縁膜11上にエミッタパッド14及びゲートパッド15を設け、エミッタプラグ12をエミッタパッド14に接続し、ゲートプラグ13をその長手方向の一端部においてゲートパッド15に接続する。
【選択図】図1
Description
先ず、本発明の第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体装置を例示する斜視図である。
本実施形態に係る半導体装置1は、例えば、縦型の電力用半導体素子であり、例えば、IGBTである。
近年、電力用半導体素子の特性を向上させるために、素子の微細化が進んでおり、これに伴って、ゲート電極の抵抗が増大している。この結果、ゲート信号の遅延及び電圧低下が顕在化し、チップ面内で同時に且つ均一にスイッチングすることが困難になりつつある。しかしながら、本実施形態によれば、ゲート電極6の内部にゲートプラグ13が埋め込まれており、ゲート電極6の長手方向に沿ってゲートプラグ13が接続されているため、長手方向におけるゲート電極の抵抗が低い。従って、ゲート電極6の長さを長くして、その端部のみをゲートパッド15に接続しても、信号の遅延及び電圧の低下が少ない。これにより、同時に且つ均一なスイッチングを確保しつつ、電力用半導体素子の微細化を図ることができる。
先ず、本第1の実施形態の第1の具体例について説明する。本具体例に係る半導体装置は、縦型のIGBTである。
図2は、本具体例に係るIGBTを例示する平面図であり、
図3は、図2に示すA−A’線による断面図であり、
図4は、図2に示すB−B’線による断面図であり、
図5は、図2に示すC−C’線による断面図であり、
図6は、図2に示すD−D’線による断面図である。
なお、図を見易くするために、図2においては、後述するゲート絶縁膜、キャップ膜及び層間絶縁膜は図示を省略している。
(2×Wt)>Wm>(0.5×Wt) ・・・(1)
図7乃至図13は、本具体例に係るIGBTの製造方法を例示する断面図である。なお、図7乃至図13は、図3と同じ断面を示している。
次に、シリコン層22上にポリシリコンを堆積させてトレンチ溝46内を埋め込み、その後、このポリシリコンがトレンチ溝46の内部のみに残留するように選択的にエッチングする。これにより、ストライプ状のゲート電極24が形成される。
次に、層間絶縁膜31上にTEOSを堆積させて、これをエッチングして選択的に除去し、エミッタプラグ32の上面の一部を選択的に覆うと共に、ゲートプラグ33の上面の一部を選択的に覆う絶縁膜41を形成する。
IGBT21のエミッタパッド36を負極に接続し、コレクタ電極(図示せず)を正極に接続する。なお、このとき、ガードリングであるP型層23は、例えば、フローティング状態とする。この状態で、ゲートパッド37にゲートしきい値以上の電位を印加すると、この電位が、ゲートプラグ33の一端部に印加され、ゲートプラグ33を介して、ゲート電極24の長手方向全体に印加される。これにより、P型層26が導通し、ソース層であるN型層27からシリコン層22内に電子が供給され、コレクタ層であるP型層(図示せず)からシリコン層22内に正孔が供給されることにより、シリコン層22内に電流が流れる。このとき、シリコン層22内において電子と結合しなかった正孔の一部は、PベースであるP型層26を通って、エミッタプラグ32に吸収される。
図14(a)及び(b)は、本具体例の効果を示す模式的平面図であり、(a)は本具体例に係るIGBTを示し、(b)は比較例に係るIGBTを示す。なお、図14(a)及び(b)においては、便宜上、シリコン層、エミッタパッド、ゲートパッド及び後述するゲートフィンガー配線のみを図示している。
また、図15は、本具体例の他の態様に係るIGBTを示す断面図である。
これにより、このエミッタパッドに対して半田等による大面積接続を行ったときに、エミッタパッドの上面から熱及び電流を取り出す際の抵抗を低減することができる。一例では、エミッタパッド36の上面にメッキを施し、更に半田等による接続を行うことにより、メッキを施さずにボンディングワイヤを使用して接続した場合と比較して、抵抗値を3分の1以下に低減することができる。
また、メッキを施して厚膜化することにより、エミッタパッド自体の熱容量が増えるため、短絡耐量を向上させることができる。
更に、エミッタパッドにメッキを施すことにより、素子の全面において横方向の抵抗値を大幅に低減することができる。これにより、電流集中が起こりにくく、耐破壊性が高い素子を作製することができる。
このように、本具体例によれば、大面積の連続したエミッタパッドを設けることができるため、エミッタパッドの上面にメッキを施すことができ、上述の効果を得ることができる。これに対して、従来のセグメント化されたエミッタパッドにおいて、エミッタパッド同士が分離されているため、このような効果は得られない。
図16乃至図20は、第1の具体例の各変形例に係るIGBTを例示する模式的平面図である。なお、図16乃至図20においては、便宜上、シリコン層、エミッタパッド及びゲートパッドのみを図示している。
図21は、本具体例に係るIGBTを例示する平面図である。
図21に示すように、本具体例に係るIGBT21aは、前述の第1の具体例に係るIGBT21(図2参照)と比較して、ゲートパッドが2つ設けられている点が異なっている。すなわち、IGBT21aにおいては、ゲートパッド37の他に、ゲートパッド37bが設けられている。ゲートパッド37bは、ゲート電極24におけるゲートパッド37の直下域に位置する側の端部の反対側の端部の直上域に設けられており、ゲートプラグ33に接続されている。すなわち、ゲートプラグ33の一端部はゲートパッド37に接続されており、ゲートプラグ33の他端部はゲートパッド37bに接続されている。本具体例における上記以外の構成は、前述の第1の具体例と同様である。
図22は、本具体例に係るIGBTを例示する断面図である。
本具体例に係るIGBT21bにおいては、トレンチ開口部幅がメサ部幅の2倍以上となっている。これにより、ゲート抵抗をより一層低減することができる。また、1本のゲート電極24に対して2本のゲートプラグ33が接続されている。一方、ゲート電極24間の領域には、第1の具体例と同様に、各1本のエミッタプラグ32が接続されている。従って、エミッタプラグ32とゲートプラグ33との配列は交互ではなく、1本のエミッタプラグ32と2本のゲートプラグ33とが繰り返し配列されている。これにより、メサ部の幅を狭くして、ラッチアップの発生をより確実に防止することができる。また、1本のゲート電極に2本のゲートプラグを接続することにより、ゲート抵抗をより一層低減することができると共に、トレンチ開口部幅をメサ部幅の2倍以上としても、プラグの配列間隔を一定にすることができ、プラグの形成が容易になる。本具体例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第1の具体例と同様である。
本具体例に係る半導体装置は、IGBTである。
図23及び図24は、本具体例に係るIGBTを例示する断面図である。なお、図23が示す断面は、第1の具体例において図4が示す断面に相当する。また、図24が示す断面は、図23と平行な断面であり、N型層27(図23参照)が形成されてない部分の断面である。
図25は、本具体例に係るIGBTを例示する断面図である。
本具体例に係るIGBT51aにおいては、トレンチ開口部幅がメサ部幅の約3倍となっている。また、ゲート電極24の上部の中央部には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁部52が埋め込まれている。そして、1本のゲート電極24の直上域には、3本のゲートプラグ33aが設けられており、そのうち、両側に配置された2本のゲートプラグ33aの下面は、ゲート電極24の上面に接しており、これにより、この2本のゲートプラグ33aはゲート電極24に接続されている。一方、中央に配置された1本のゲートプラグ33aの下面は、絶縁部52の上面に接しており、従って、このゲートプラグ33aはゲート電極24には接続されていない。
図26は、本具体例に係るIGBTを例示する断面図である。
本具体例に係るIGBT21cにおいては、層間絶縁膜が2層設けられている。すなわち、層間絶縁膜31a上に、層間絶縁膜31bが設けられている。そして、層間絶縁膜31aと層間絶縁膜31bとの界面におけるゲート電極24の直上域には、ゲート電極24と同じ方向に延びる複数のゲート配線40が設けられている。ゲート配線40は、IGBT21cの端部においてゲートパッド(図示せず)に接続されている。また、層間絶縁膜31b上の全面には、エミッタパッド36aが設けられている。更に、エミッタプラグ32bは、層間絶縁膜31a及び31bを貫通して、エミッタパッド36aに接続されており、ゲートプラグ33は、層間絶縁膜31aのみを貫通して、ゲート配線40に接続されている。本具体例によっても、エミッタパッドを1枚の大きな連続膜として形成することができる。本具体例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第1の具体例と同様である。
図27は、本具体例に係るIGBTを例示する断面図である。
なお、図27においては、IGBTの中央領域、すなわちアクティブエリアのみを示している。本具体例に係るIGBTの周辺領域の構成は、前述の第1の具体例と同様である。
図28乃至図32は、本具体例に係るIGBTの製造方法を例示する断面図である。なお、図28乃至図32はIGBTの中央領域のみを示しており、以下の説明においては、IGBTの中央領域の製造方法を中心に説明する。本具体例に係るIGBTの製造方法においても、前述の第1の具体例と同様に、中央領域と共に周辺領域も形成され、各工程における周辺領域の形成状態は、前述の第1の具体例と同様である。
本具体例においては、エミッタプラグ32はストライプ状に一方向に延びているため、エミッタプラグ32とNソースであるN型層27との接触面積は、エミッタプラグが延びる方向から見たエミッタプラグとN型層との接触長さによって表すことができる。そして、エミッタプラグ32はその底面ではなく側面によってN型層27と接しているため、エミッタプラグの両側の接触長さの合計が、エミッタプラグの底面の長さ以上でないと、接触面積を増大させる効果が得られない。従って、エミッタプラグが延びる方向から見て、エミッタプラグの片側におけるN型層と接触している領域の長さは、エミッタプラグの幅の0.5倍以上とすることが好ましい。
なお、この領域の長さには特に上限はないが、この長さを長くしようとすると、必然的にエミッタプラグが深くなり、その形成が困難になるため、エミッタプラグの形成安定性の観点から、この領域の長さはエミッタプラグの幅の10倍以下とすることが好ましい。
図33は、横軸にチタンの堆積量をとり、縦軸に素子のシート抵抗をとって、本具体例におけるチタンの堆積量が素子のシート抵抗に及ぼす影響を示すグラフ図である。
また、図34(a)乃至(c)は、トレンチ溝の内面にチタンを堆積させてシリコンと反応させた後のサンプルのSEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)写真をトレースした線図であり、(a)はチタンの堆積量が1ナノメートルである場合を示し、(b)はチタンの堆積量が10ナノメートルである場合を示し、(c)はチタンの堆積量が50ナノメートルである場合を示す。
本具体例においては、エミッタプラグ及びゲートプラグをそれぞれシリコン層及びゲート電極に埋め込んでいるため、エミッタプラグとシリコン層との間の抵抗及びゲートプラグとゲート電極との間の抵抗を低減することができる。
図35は、横軸にエミッタプラグのシリコン層に埋設されている部分の深さ(以下、「コンタクト深さ」ともいう)をとり、縦軸に素子のシート抵抗をとって、シート抵抗に及ぼすコンタクト深さの影響を示すグラフ図である。
図36にその特性を示したIGBTは、図27に示す構成のIGBTにおいて、トレンチ溝の幅を0.3ミクロン、コンタクト深さを0.5ミクロンとしたものである。
図36に示すように、スパッタ法によりチタン等を堆積させると、トレンチ溝の側面上にチタン膜を成膜することができず、素子のシート抵抗は100Ω以上と極めて高い値となる。これに対して、CVD法によりチタン等を堆積させれば、トレンチ溝の側面上に連続的なチタン膜を成膜することができ、素子のシート抵抗を15Ω程度の低い値に抑えることができる。
すなわち、トレンチ溝を形成した後、最初に堆積させる材料としては、CVDにより堆積可能であり、半導体層及びゲート電極に含有されている材料と反応し、この反応により生成された反応物が電気伝導度を有する材料であればよい。本具体例においては、半導体層がシリコン層であり、ゲート電極をポリシリコンにより形成しているため、シリコンと反応する金属又は合金であればよく、例えば、遷移金属であってもよく、例えば、チタンの他に、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)又はバナジウム(V)であってもよい。これらの材料がシリサイド化することにより、シリコンを含む反応層が形成される。
更に、コア材を形成する材料もタングステンには限定されず、ゲート電極を形成する材料(本具体例においてはポリシリコン)よりも導電率が高い材料であればよいが、堆積後にCMPにより平坦化処理ができる程度に軟質な材料であることが好ましい。例えば、タングステンの他に、銅(Cu)を使用することもできる。
図37は、本具体例に係るIGBTを例示する断面図である。なお、図37においては、IGBTの中央領域及び周辺領域の双方を示している。
図37に示すように、本具体例に係るIGBT81においては、その周辺領域85において、シリコン層22上にシリコン酸化物(SiO2)からなるガードリング絶縁膜82が設けられており、ガードリングを構成するP型層23を覆っている。また、このガードリング絶縁膜82上に、ダイオード83が設けられている。ダイオード83は、P型領域及びN型領域(図示せず)が相互に接するように作り分けられたポリシリコンにより形成されている。そして、ダイオード83の温度が変化すると、その抵抗が変化するため、ダイオード83は温度検出部として機能する。更に、ガードリング絶縁膜82及びダイオード83は、TEOSからなる層間絶縁膜31及びTEOSからなる絶縁膜41により覆われている。更にまた、ダイオード83の上面はフィールドプレート38に接続されている。なお、ゲートパッド37及びフィールドプレート38は、それぞれ、チタン層72、チタンナイトライド層73及びアルミニウム層74が積層されて形成されている。
図38は、本具体例に係るIGBTを例示する断面図である。図38は、この素子のコンタクト部分を抽出して模式的に示している。
図39乃至図45は、本具体例に係るIGBTの製造方法を例示する工程断面図である。
先ず、図39に示すように、シリコン単結晶基板401の上面にトレンチゲート電極402を形成した後、シリコン酸化物からなる第1の層間絶縁膜405(バッファー絶縁膜)を熱酸化法にて形成する。層間絶縁膜405の厚さは、例えば50ナノメートルとする。続いて、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、BPSG(Boron Phosphorus doped Silicon Glass)からなり、厚さが例えば1.2ミクロンである第2の層間絶縁膜406を成膜する。さらに、CVD法により、TEOS(Tetra Ethoxy Silicon)からなり、厚さが例えば0.3ミクロンである第3の層間絶縁膜407(キャップ膜)を成膜する。
図46は、反り量の評価方法を示す図である。
上述の方法により作製した直径が200ミリメートルのシリコンウェーハ(725ミクロン厚)(サンプルA)を、裏面方向から200ミクロンの厚さになるまで研削し、ウェーハ薄化を行った。そして、図46に図示するように、ウェーハの端から10ミリメートルの箇所を支持台に置き、支持点からのウェーハ反り量を測定した。その結果、本具体例におけるウェーハでは、10個のサンプル(n数が10)の反り量の平均値が、2.2ミリメートルとなった。
図47は、本具体例に係るIGBTを例示する断面図である。
図47に示すように、本具体例に係るIGBT91においては、層間絶縁膜31が、BPSG(Boro-Phospho Silicate Glass:ボロン−リンドープドシリコンガラス)層92と、BPSG層92上に形成されたシリコン酸化物層93とからなる二層膜となっている。層間絶縁膜31全体の厚さは例えば1.5ミクロンであり、そのうち下層をなすBPSG層92の厚さは例えば1.3ミクロンであり、上層をなすシリコン酸化物層93の厚さは例えば0.2ミクロンである。
図48は、本実施形態に係る電力用半導体素子を例示する模式的平面図である。
本実施形態に係る電力用半導体素子201においては、半導体基板202が設けられており、この半導体基板202の上面に、複数本のゲート電極(図示せず)が設けられている。ゲート電極は、半導体基板202の上面に平行な方向301に延びている。このゲート電極は、電圧が印加されることにより、半導体基板202内を流れる電流を制御する。
更に、コンタクト線203の上方には、導電材料からなる複数本の制御線204が設けられている。制御線204は、半導体基板202の上面に平行な方向であって方向301に交差する方向302に延びている。方向302は例えば方向301と直交する方向である。なお、制御線204は、コンタクト線203に直接は接しておらず、両線はねじれの位置関係にある。
先ず、本実施形態の第1の具体例について説明する。本具体例においては、電力用半導体素子として、IGBTについて説明する。
図49は、本具体例に係るIGBTを例示する平面図である。なお、図49においては、図を見易くするために、制御線及びコンタクト線は実際よりも太く示しており、従って、本数は実際よりも少なく示している。
図50は、このIGBTにおける半導体基板及びコンタクト線を例示する部分平面図であり、
図51は、このIGBTの図50に表した部分における接続部材が設けられた接続層を例示する部分平面図であり、
また、図52は、図49〜図51に示すA−A’線による部分断面図であり、
図53は、図49〜図51に示すB−B’線による部分断面図であり、
図54は、図49〜図51に示すC−C’線による部分断面図である。
図55は、横軸にオン電圧をとり、縦軸にスイッチング損失をとって、本具体例に係るIGBTの動作を模式的に例示するグラフ図である。
本具体例に係るIGBT211においては、主電極234を主電極232に対して高電位とした状態において、いずれかのゲート電極と主電極232との間にゲート閾値以上の電圧を印加することによりオン状態とすることができる。すなわち、ゲート閾値以上の電圧によりp型層216内に形成されたn型チャネルを介して、n型層217からn−型層215内に電子が供給され、p型層213側からn−型層215内に正孔が供給される。このようにして、主電極234から主電極232に電流が流れる。
すなわち、図56は、本変型例における配線層229の一部を表す模式平面図であり、図49に対応する。
また、図57乃至図59は、それぞれ図56のA−A’線、B−B’線、C−C’線による部分断面図である。
図56乃至図59については、図48乃至図55に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
具体的には、図59に表したように、ゲート線218a及び218dは、コンタクト線223a、223gと接続部材228a、228dを介して第1の制御線231aに接続されている。
また、図58に表したように、ゲート線218bは、コンタクト線223cと接続部材228bを介して第2の制御線231bに接続されている。
そして、図57に表したように、ゲート線218cは、コンタクト線223eと接続部材228cを介して制御線231cに接続されている。図示しない他のゲート線もこのように3本の制御線231a〜231cのいずれかに接続され、グループ分けされている。
すなわち、駆動周波数が低いときは、例えば3つの全てのグループのゲートに同一のゲート駆動信号を入力する。一方、駆動周波数が中程度の範囲においては、3つのグループのうちのいずれか2つのグループに同一のゲート駆動信号を入力して駆動する。そして、駆動周波数が高いときには、3つのグループのうちのいずれか1つのグループのみにゲート駆動信号を入力して駆動する。なおここで、駆動周波数の「低」、「中」及び「高」の範囲の境界、すなわち、動作態様を切り替える周波数は、適宜決定することができる。
図61は、横軸に時間をとり、縦軸にゲート駆動信号の電位をとって、本具体例に係るIGBTの動作を例示するタイミングチャートである。
本具体例に係るIGBTの構成は、前述の第1の具体例と同様である。
図62は、本具体例に係るIGBTの接続部材が設けられた接続層を例示する部分平面図である。
本具体例に係るIGBTにおいては、前述の第1の具体例に係るIGBTと比較して、接続層226の替わりに接続層226aが設けられている。接続層226aにおいては、上方から見て、接続部材228aはIGBTの中央領域に配置されており、接続部材228bはIGBTの周辺領域に配置されている。これにより、IGBTの中央領域に位置するゲート電極218は、コンタクト線223を介して制御線231aに接続され、IGBTの周辺領域に位置するゲート電極218は、コンタクト線223を介して制御線231bに接続されている。本具体例における上記以外の構成は、上述の第1の具体例と同様である。
図63は、本具体例に係るIGBTの接続部材が設けられた接続層を例示する部分平面図であり、
図64は、このIGBTを示す図63のD−D’線による断面図である。
図65は、本実施形態に係る電力用半導体素子を例示する模式的平面図である。
本実施形態に係る電力用半導体素子206においては、半導体基板207が設けられている。この半導体基板207の上面には、半導体基板207の上面に平行な方向301に延びる複数本のゲート電極(図示せず)が設けられている。このゲート電極は、電圧が印加されることにより、半導体基板7内を流れる電流を制御するものである。また、前述の第1の実施形態と同様に、ゲート電極の直上域には、方向301に延びる複数本のコンタクト線(図示せず)と、方向302に延びる複数本の制御線(図示せず)とが設けられており、コンタクト線と制御線とは複数個の接続部材(図示せず)によって接続されている。これにより、複数本のゲート電極は、接続された制御線により、複数のグループに分けられている。
先ず、本実施形態の第1の具体例について説明する。本具体例においては、電力用半導体素子として、IGBTについて説明する。
図66は、本具体例に係るIGBTを例示する平面図である。なお、図66においては、図を見易くするために、制御線及びコンタクト線は実際よりも太く示しており、本数は実際よりも少なく示している。
図67は、本具体例に係るIGBTの接続部材が設けられた接続層を例示する部分平面図であり、
図68は、図66及び図67に示すE−E’線による部分断面図であり、
図69は、図66及び図67に示すF−F’線による部分断面図である。なお、図66〜図69において、前述の第2の実施形態の第1の具体例(図49〜図54参照)と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
また、領域263bに配置されたゲート電極218の直上域であって制御線231bの直下域には、接続部材228bが配置されている。これにより、領域263bに配置されたゲート電極218は、コンタクト線223及び接続部材228bを介して、制御線231bに接続されている。
また、領域263dに配置されたゲート電極218の直上域であって制御線231dの直下域にも、接続部材(図示せず)が配置されている。これにより、領域263dに配置されたゲート電極218は、コンタクト線223及び接続部材を介して、制御線231dに接続されている。
このように、シリコン基板262の上面は複数の領域263に区画されており、各領域263に配置された複数本のゲート電極218は、全て同一の制御線231a若しくは231b又は主電極232に接続されることにより、同一のグループに属している。
通常、IGBT261を導通させるときには、制御線231a〜231dに印加するゲート駆動信号を全てハイレベルとする。これにより、領域263a〜263dの全てが導通状態となる。
近年、電力用半導体素子の高パワー密度化に伴い、1個のチップで扱う定格電流が増大している。このため、素子温度をある許容温度範囲(例えば150℃以下)に抑制するために、半導体チップ上に温度検出素子を設け、ある許容温度範囲の上限値を超えたときに、素子をターンオフすることも行われている。しかしながら、この場合、チップの温度が上限値を超えると、チップがターンオフするため、このチップを組み込んだシステムが急激にパワーダウンしてしまい、トラブルの原因となる。
図70は、本具体例に係るIGBTを例示する平面図である。
本具体例に係るIGBT261aにおいては、ゲート電極及びコンタクト線223が、その長手方向中央部で分断されずに、IGBT261aの能動領域全体にわたって方向311に延びている。また、制御線231a〜231dはIGBT261aの一方の端部に集められており、領域263a〜263dは方向312に沿って一列に配列されている。このため、上方から見て、IGBT261aの形状が正方形である場合、各領域263の形状は方向311に延びる短冊状となっている。そして、各領域263に設けられた温度検出部264は、IGBT261aにおける片側の端部に配置されている。本具体例における上記以外の構成は、前述の第3の実施形態の第1の具体例と同様である。
図71は、本具体例に係るIBGTにおける温度検出部近傍を例示する模式的回路図である。
本具体例に係るIGBT261bにおいては、エミッタである主電極232と制御線231a〜231dとの間に、それぞれスイッチ265が接続されており、このスイッチ265を切替える信号が、各領域263の温度検出部264から入力される。スイッチ265は、例えば、シリコン基板262の表面に設けられたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)であり、温度検出部264の出力端子が、このMOSFETのゲートに接続されている。本具体例における上記以外の構成は、前述の第2の具体例と同様である。
図72は、本具体例に係るIBGTにおける温度検出部近傍を例示する模式的回路図である。
本具体例に係るIGBT261cは、前述の第3の具体例に係るIGBT261bと比較して、各制御線231a〜231dが、ゲート抵抗266を介して、IGBT261cの外部に設けられた制御回路267に接続されている。ゲート抵抗266は、例えば、シリコン基板262上に形成されたポリシリコンからなる抵抗体である。本具体例における上記以外の構成は、前述の第3の具体例と同様である。
図73は、本具体例に係るIGBTを例示する平面図である。
本具体例に係るIGBT261dは、3行3列のマトリクス状に配列された9個の領域263a〜263iに分けられている。すなわち、IGBT261dにおいては、9本の制御線231a〜231iが設けられており、例えば、IGBT261dの両端部及び中央部に3本ずつ配置されている。そして、領域263a〜263iに配置されたゲート電極218が、制御線231a〜231iにそれぞれ接続されている。また、各領域263には、温度検出部(図示せず)が設けられている。
図74は、本具体例に係るIGBTが実装された電力変換装置を例示する側面図である。
本具体例に係るIGBT261dは、ストラップ構造の電力変換装置271に実装されている。すなわち、電力変換装置271においては、ヒートシンク272が設けられており、このヒートシンク272上にセラミック基板273が設けられている。セラミック基板273の上面上には、電極274及びこの電極274に接続された端子275が設けられており、電極274上に、IGBT261dが搭載されている。また、端子275には配線276が接続されている。更に、IGBT261dの中央領域の上部には、例えば銅(Cu)等の導電性及び伝熱性が優れた材料からなる導電ブロック277が接続されており、導電ブロック277には配線278が接続されている。これにより、配線276と配線278との間で、端子275、電極274、IGBT261d及び導電ブロック277を介して電流が流れる。本具体例に係るIGBT261dの構成は、第5の具体例に係るIGBT261dの構成と同じである。
例えば、ひとつのコンタクト線(あるいはゲート電極)を複数の制御線に接続してもよい。具体的には、シリコン基板の上からみて、領域の両側に複数の制御線をそれぞれ形成する。そして、領域から伸びるコンタクト線(あるいはゲート電極)をその領域の一方の側に設けられた複数の制御線のいずれかに接続するとともに、その領域の他方側に設けられた複数の制御線のいずれかにも接続する。このようにすると、その領域の両側の制御線からそれぞれ所定のコンタクト線(あるいはゲート電極)に給電できるので、配線抵抗の抑制の点で有利となる。
Claims (16)
- 第1の方向に沿ってストライプ状に延在するトレンチを有する半導体層と、
前記トレンチ内に充填され、前記半導体層内に流れる電流を制御するゲート電極と、
前記ゲート電極よりも導電率が高い材料からなり前記第1の方向に沿って前記ゲート電極に接続されたストライプ状のゲートプラグと、
を備え、
前記半導体層は、
第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の上面の一部に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層上の一部に設けられた第1導電型の第3半導体層と、
前記第1半導体層の下面上に設けられた第2導電型の第4半導体層と、
を有したことを特徴とする電力用半導体素子。 - 前記半導体層と前記ゲート電極とを絶縁するゲート絶縁膜と、
前記半導体層に接続されたエミッタプラグと、
をさらに備え、
前記エミッタプラグの先端が前記第2半導体層に到達するように前記半導体層内に埋め込まれていることを特徴とする請求項1記載の電力用半導体素子。 - 前記半導体層上に設けられ、その内部に前記ゲートプラグの少なくとも一部及び前記エミッタプラグの少なくとも一部が埋設された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に設けられ前記ゲートプラグに接続されたゲートパッドと、
前記ゲートパッドと同一平面上に設けられ前記エミッタプラグに接続されたエミッタパッドと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項2記載の電力用半導体素子。 - 前記半導体層と前記層間絶縁膜との間に窒化膜が形成されていることを特徴とする請求項3記載の電力用半導体素子。
- 前記ゲートプラグ及び前記エミッタプラグは、それぞれ、
コア材と、
前記コア材と前記トレンチの内面との間に形成され、前記ゲート電極又は前記半導体層を形成する材料を含有する反応層と、
を有することを特徴とする請求項2〜4のいずれか1つに記載の電力用半導体素子。 - 前記第1の方向から見て、
前記エミッタプラグの側面における前記第3半導体層と接触している領域の長さは、前記エミッタプラグの幅の0.5倍以上であり、
前記反応層の厚さは、2.5ナノメートルより大きく、前記エミッタプラグの幅の0.25倍以下であることを特徴とする請求項5記載の電力用半導体素子。 - 前記ゲートプラグ及び前記エミッタプラグの内部には、それぞれボイドが形成されていることを特徴とする請求項2〜6のいずれか1つに記載の電力用半導体素子。
- 前記半導体層は、複数の前記トレンチを有し、
前記複数のトレンチのそれぞれの内部に前記ゲート電極が充填され、
前記第1の方向に対して垂直な方向にみた前記ゲート電極の幅は、隣接する前記ゲート電極間の領域の幅よりも広く、前記ゲート電極のそれぞれの上に前記ゲートプラグが複数本設けられたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の電力用半導体素子。 - 第1導電型の半導体層の上部の一部に第2導電型の第2半導体層を形成し、前記第2半導体層上の一部に第1導電型の第3半導体層を形成し、前記半導体層の下部に第2導電型の第4半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の上面に、第1の方向に沿ってストライプ状に延在する第1のトレンチ溝を形成する工程と、
前記第1のトレンチ溝の内部に前記半導体層内に流れる電流を制御するゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の上面に前記第1の方向に沿ってストライプ状に延在する第2のトレンチ溝を形成すると共に、前記半導体層の上面における前記ゲート電極間の領域に前記第1の方向に沿ってストライプ状に延在する第3のトレンチ溝を形成する工程と、
前記第2及び第3のトレンチ溝の内面上に、前記半導体層を形成する材料及び前記ゲート電極を形成する材料と反応可能な導電材料をCVD法により堆積させ、前記導電材料を前記半導体層を形成する材料及び前記ゲート電極を形成する材料と反応させて反応層を形成する工程と、
前記反応層上に、前記ゲート電極よりも導電率が高い材料をCVD法により堆積させる工程と、
を備えたことを特徴とする電力用半導体素子の製造方法。 - 前記第2及び第3のトレンチ溝を形成する工程において、前記第1の方向から見て、前記第3のトレンチ溝の側面における前記第3半導体層と接触している領域の長さを、前記第3のトレンチ溝の幅の0.5倍以上とし、
前記反応層を形成する工程において、前記導電材料の堆積量を1ナノメートルより大きく、前記第3のトレンチ溝の幅の0.1倍以下とすることを特徴とする請求項9記載の電力用半導体素子の製造方法。 - ゲート電極を形成する工程と前記第2及び第3のトレンチ溝を形成する工程との間に、
第1の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成する工程と、
をさらに備え、
前記第2及び第3のトレンチ溝を形成する工程は、前記第1の絶縁層のエッチング速度が前記第2の絶縁層のエッチング速度よりも速くなるような条件でエッチングを行う工程を有することを特徴とする請求項9または10に記載の電力用半導体素子の製造方法。 - 半導体基板と、
前記半導体基板を流れる電流を制御する複数のゲート電極の少なくともいずれかに接続され、前記半導体基板の上面に第1の方向に延びるように設けられた複数本のコンタクト線と、
前記半導体基板上に設けられ前記第1の方向と交差する第2の方向に延びる複数本の制御線と、
前記複数本の制御線のそれぞれを前記複数本のコンタクト線の少なくとも1本に接続する接続部材と、
を備え、
前記複数のゲート電極は、前記コンタクト線及び前記接続部材を介して接続された前記制御線毎に複数のグループに分けられていることを特徴とする電力用半導体素子。 - 前記半導体基板と前記ゲート電極とを絶縁するゲート絶縁膜と、
前記半導体基板の上面における前記ゲート電極間の領域に前記第1の方向に沿って接続された他のコンタクト線と、
前記半導体基板の上方に設けられた第1の主電極と、
前記半導体基板の下方に設けられた第2の主電極と、
前記第1の主電極と前記他のコンタクト線とを接続する接続部材と、
をさらに備え、
前記半導体基板は、
第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層上に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層上の少なくとも一部に設けられた第1導電型の第3半導体層と、
を有し、
前記ゲート電極は、前記第3半導体層及び前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層の深さに達するように前記半導体基板に埋め込まれていることを特徴とする請求項12記載の電力用半導体素子。 - 前記半導体基板の上面に設定された複数の領域毎に設けられ、前記半導体基板における前記領域の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出部をさらに備え、
それぞれの前記グループに属する前記ゲート電極は、相互に異なる前記領域に配置されており、前記温度検出部が所定の温度を超える温度を検出したときは、その温度検出部と同じ前記領域に配置された前記ゲート電極に接続された前記制御線に、前記領域を非導通とするような電位を印加することを特徴とする請求項12または13に記載の電力用半導体素子。 - 半導体基板に複数のゲート電極が設けられた電力用半導体素子の駆動方法であって、
所定の周波数未満の周波数で駆動するときは、全ての前記ゲート電極に同一のゲート駆動信号を入力し、前記所定の周波数以上の周波数で駆動するときは、一部の前記ゲート電極のみに前記ゲート駆動信号を入力し、残りの前記ゲート電極には前記半導体基板を非導通とする電位を印加することを特徴とする電力用半導体素子の駆動方法。 - 半導体基板に複数のゲート電極が設けられた電力用半導体素子の駆動方法であって、
前記半導体基板に設定された複数の領域毎に前記半導体基板の温度を検出し、一の前記領域において所定の温度を超える温度が検出されたときは、前記一の領域に配置された前記ゲート電極に前記一の領域を非導通とするような電位を印加することを特徴とする電力用半導体素子の駆動方法。
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