JP2008041948A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ゲート配線GWと低電圧側電極Eの間に、コンデンサ18と抵抗20の直列回路が接続されている。コンデンサ18の容量は、スイッチング構造12のゲート電極Gとゲート絶縁膜と半導体領域で形成されるコンデンサ成分の容量よりも小さい。抵抗20の抵抗値は、ゲート配線GWに所定のオン電圧を印加したときに、コンデンサ18が短絡していても、スイッチング構造12のゲート絶縁膜に対向している半導体領域にチャネルを形成する電圧をゲート電極Gに発生させる抵抗値に設定されている。
【選択図】 図1
Description
容量の小さいコンデンサがゲート配線と低電圧側電極の間に接続されていると、ゲート配線に静電気等に由来する高電圧が印加されたときに、ゲート絶縁膜が破壊するよりも先にコンデンサを形成している絶縁膜が破壊されてコンデンサが短絡する。コンデンサが短絡すると、ゲート電極に高電圧が印加されることがなく、ゲート絶縁膜が破壊されることが防止される。
本発明の他の一つの目的は、使用環境が苛酷であってゲート配線に高電圧が印加されることがあっても、いきなりゲート絶縁膜が破壊されてしまうことがないように保護する保護回路が組み込まれている半導体装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、半導体装置の保護回路が機能したことを報知することによって、事前に必要な措置を講じられるようにした半導体装置を提供することである。
製造工程で保護用コンデンサが短絡したとしても、所定の抵抗値を持つ抵抗が挿入されていることから、ゲート配線に所定のオン電圧が印加されれば、半導体装置はオンする。半導体装置は正常に動作することができる。動作しない半導体装置を出荷することはない。なお、半導体装置を使用している間にゲート配線に高電圧が印加され、保護用コンデンサが短絡したとしても、その半導体装置はなおも正常に動作を続ける。保護用コンデンサが短絡したことを検知すれば、半導体装置が正常に動作していている間に、保護用コンデンサが短絡していない半導体装置に交換することができ、半導体装置が正常に動作し続けられるようにすることができる。
上記の半導体装置によると、一つの半導体基板に保護回路を形成することができる。さらに、ゲート絶縁膜と同一の絶縁膜でコンデンサを形成することもできるため、保護回路付の半導体装置の製造工程を簡略化できる。ゲート絶縁膜と同一の絶縁膜でコンデンサを形成しても、対向する電極のサイズ等によって、ゲート配線と低電圧側電極の間に挿入するコンデンサの容量がゲート電極とゲート絶縁膜と半導体領域で形成されるコンデンサ成分の容量よりも小さいという関係を実現することができる。
この場合、ゲート絶縁膜の寿命(耐久性)よりも、コンデンサを形成する絶縁膜の寿命の方が短い。ゲート配線に静電気等に由来する高電圧が繰り返し印加される場合も、ゲート絶縁膜よりも先に、コンデンサを形成する絶縁膜が破壊する。半導体装置が突然に動作しなくなる事態の発生を防止できる。
この場合の半導体装置は、同一の半導体基板に、高電圧側電極に接続されている高電圧側領域と、低電圧側電極に接続されている低電圧側領域と、高電圧側領域と低電圧側領域の間を伸びている半導体領域と、その半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向している複数個のゲート電極を備えている。高電圧側領域は、複数個のゲート電極に対応して複数の領域に分割されていてもよいし、複数個のゲート電極に対して共通であってもよい。低電圧側領域も、複数個のゲート電極に対応して複数の領域に分割されていてもよいし、複数個のゲート電極に対して共通であってもよい。半導体領域も、複数個のゲート電極に対応して複数の領域に分割されていてもよいし、複数個のゲート電極に対して共通であってもよい。
複数個のゲート電極の内の1つのゲート電極で形成されるコンデンサ成分の容量は、残余のゲート電極で形成されるコンデンサ成分の容量よりも小さい。電力供給用の半導体構造のためのゲート電極で形成されるコンデンサ成分の容量が大きいのに対し、電流検出用の半導体構造のためのゲート電極で形成されるコンデンサ成分の容量は小さい。
その容量が小さい電流検出用の半導体構造のためのゲート電極のゲート配線と低電圧側電極の間に、コンデンサと抵抗の直列回路が接続されている。そのコンデンサの容量は、前記した容量が小さいコンデンサ成分(電流検出用の半導体構造のためのゲート電極とゲート絶縁膜と半導体領域で形成される擬似的コンデンサの容量)の容量よりも小さい。また保護回路の抵抗の抵抗値は、ゲート配線に所定のオン電圧を印加したときに、たとえ保護用コンデンサが短絡していても、ゲート絶縁膜に対向している半導体領域にチャネルを形成する電圧をゲート電極に発生させる抵抗値に設定されている。
コンデンサが短絡している直列回路に流れる電流値は相違することから、コンデンサが短絡していないのか短絡しているのかの別が報知される。
半導体装置が正常に動作している間にコンデンサが短絡したことがわかるので、コンデンサが短絡していない半導体装置に交換するといったことが可能となり、半導体装置を使用するシステムの信頼性が向上する。
請求項5の半導体装置によると、半導体装置の動作が異常になるのに先立って、半導体装置の寿命が近いことを認識することができる。
(第1形態) 半導体領域のゲート電極と、コンデンサを形成する一方の電極が同一の電極で形成されている。
(第2形態) スイッチング構造のためのボディ領域と、抵抗領域を他の半導体領域から分離する分離領域が、同時に形成される。
(第3形態) 半導体領域のゲート絶縁膜と、コンデンサを形成する絶縁膜が同時に形成される。
(実施例1)
図1は、本実施例の半導体装置10の回路図を示している。図2は、半導体装置10のスイッチング構造12と直列回路16が形成されている部分の要部断面図を示している。図1を参照して半導体装置10の概略を説明した後に、図2を参照して半導体装置10の詳細な構成を説明する。なお、本明細書では、断面図の紙面上下方向の距離を厚みと称し、断面図の紙面左右方向の距離を面積と称することがある。
図1に示しているように、半導体装置10は、スイッチング構造12のゲート電極Gと制御端子(ゲート端子ともいう)GTを結ぶゲート配線GWと、スイッチング構造12の低電圧側電極(エミッタ電極ともいう)Eの間を直列回路16で接続している。直列回路16は、コンデンサ18と抵抗20を有している。
スイッチング構造12を、図2の紙面右側に示している。n−型半導体領域40の表面に、島状のp−型半導体領域(ボディ領域ともいう)34aが形成されている。図2では省略しているが、実際には、p−型半導体領域34aが紙面右側に複数個形成されている。p−型半導体領域34a内の表面側に、n+型半導体領域(エミッタ領域ともいう)22が形成されている。p−型半導体領域34a内の表面側に、p+型半導体領域(ボディコンタクト領域ともいう)36aが形成されている。
ボディ領域34a,34a間の表面に、ゲート絶縁膜25aが形成されている。ゲート絶縁膜25aは、ボディ領域34a, 34aに挟まれたn−型半導体領域40の表面と、ボディ領域34aのn+型半導体領域22が形成されていない表面を覆うように形成されている。ゲート絶縁膜25aの表面に、ゲート電極24aが形成されている。
n+型半導体領域22とp+型半導体領域36aの両方に接続するエミッタ電極26が形成されている。エミッタ電極26は、n+型半導体領域22とp+型半導体領域36aの表面に接している。エミッタ電極26はエミッタ端子Eに接続している。ゲート電極24aとエミッタ電極26の間と、エミッタ電極26が形成されていないn+型半導体領域22,p+型半導体領域36a,p−型半導体領域34a,n−型半導体領域40の表面に、絶縁膜28が形成されている。
n−型半導体領域20の一部の表面に、絶縁膜25bが形成されている。絶縁膜25bの厚みはゲート絶縁膜25aの厚みと同じであり、絶縁膜25bの面積はゲート絶縁膜25aの面積よりも小さい。絶縁膜25bの表面に、電極24bが形成されている。電極24bの厚みは、ゲート電極24aの厚みと同じである。電極24bとゲート電極24aは図示しないゲート配線GWによって電気的に接続している。電極24bと絶縁膜25bとn−型半導体領域20によって、コンデンサ18(図1を参照)が形成されている。n−型半導体領域20の絶縁膜25bが形成されていない表面に、n+型半導体領域32が形成されている。
p−型半導体領域34bの表面のn−型半導体領域20が形成されていない部分に、p+型半導体領域36bが形成されている。
n+型半導体領域32とp+型半導体領域36bの両方に接続するエミッタ電極26が形成されている。エミッタ電極26は、n+型半導体領域32とp+型半導体領域36bの表面に接している。このエミッタ電極26は、スイッチング構造12のn+型半導体領域22とp+型半導体領域36aの両方に接続するエミッタ電極26と同一である。電極24bとエミッタ電極26の間と、エミッタ電極26が形成されていないp−型半導体領域34b,n−型半導体領域20,n+型半導体領域32,p+型半導体領域36b,n−型半導体領域40の表面に、絶縁膜28が形成されている。
半導体装置10がオンしても、電極24bとn−型半導体領域20の間の絶縁膜25aは破壊しない。すなわち、半導体装置10がオンしても、コンデンサ18(図1を参照)は短絡しない。
図1から明らかなように、コンデンサ18が破壊された後は、ゲート配線GWとエミッタ電極Eの間を抵抗20で接続する回路が完成する。すなわち、電極24bとn−型半導体領域20の間が短絡する。n−型半導体領域20はn型の不純物濃度が低く、電子が流れにくい。すなわち、絶縁膜25bが破壊しても、電極24bとエミッタ電極26の間は電子が流れにくい。n−型半導体領域20のn型の不純物濃度を所定値に設定することによって、絶縁膜25bが破壊しても、ゲート電極24aに対向しているp−型半導体領域34aにチャネルを形成する電圧をゲート電極24aに発生させることができる。
図7に示すように、n−型の半導体基板60を用意する。次に、CVD法を利用して半導体基板60の表面の全面に酸化シリコンを成膜して保護膜62を形成する。次に図8に示すように、p−型半導体領域38a,38bを形成する部分の保護膜62を除去した後、半導体基板60にp型の不純物を注入する。スイッチング構造12と直列回路16を電気的に分離させるp−型半導体領域38a,38bが完成する。
次に図9に示すように、保護膜62を除去した後、半導体基板60の表面の全面に保護膜64を形成する。p−型半導体領域34a,34bを形成する部分の保護膜64を除去した後、半導体基板60にp型の不純物を注入する。スイッチング構造12のn+型半導体領域22(図2を参照)とn−型半導体領域40を分離させるボディ領域34aと、直列回路16の抵抗20とn−型半導体領域40を分離させる分離領域34bを同時に形成する。図8に示した工程と、図9に示した工程はどちらが先でもよい。
次に図10に示すように、保護膜64を除去した後、半導体基板60の表面の全面に保護膜66を形成する。抵抗20を形成する部分の保護膜66を除去した後、半導体基板60にn型の不純物を注入する。この段階で、直列回路16の抵抗20が完成する。
次に図12に示すように、保護膜68を除去した後、半導体基板60の表面の全面に保護膜70を形成する。スイッチング構造12のp−型半導体領域34a及びp−型半導体領域38aと、エミッタ電極26をオーミックコンタクトさせるためのp−型半導体領域36aを形成する部分と、直列回路16のp−型半導体領域34b及びp−型半導体領域38bと、エミッタ電極26をオーミックコンタクトさせるためのp−型半導体領域36bを形成する部分の保護膜70を除去した後、半導体基板60にp型の不純物を注入する。図11に示した工程と、図12に示した工程はどちらが先でもよい。
次に図14に示すように、半導体基板60の表面の全面と、ゲート絶縁膜25a,25bの側壁と、電極24a,24bの全面を覆うように保護膜28を形成する。次に半導体基板60の裏面にp型の不純物を注入し、p+型半導体領域42を形成する。この段階で、半導体基板60からn−型半導体領域40とp+型半導体領域42が完成する。その後、半導体装置10を熱処理して、注入した不純物を活性化させる。次に、エミッタ電極26を形成する部分の保護膜28を除去し、エミッタ電極26を形成する。残った保護膜28は、図2に示している絶縁膜28になる。p+型半導体領域42の表面にコレクタ電極44を形成する。
図3は、本実施例の半導体装置100の回路図を示している。図4は、半導体装置100の平面図を簡略的に示している。図5は、図4に示しているA−A’線に沿った要部断面図を示している。
図3に示しているように、半導体装置100は、電力供給用のスイッチング構造12と電流検出用のスイッチング構造14を備えている。スイッチング構造12のゲート電極G1とスイッチング構造14のゲート電極G2は、ゲート配線GWによって、同じ制御端子GTに接続されている。ゲート配線GWと、スイッチング構造14のエミッタ電極E2の間を直列回路16で接続している。直列回路16は、コンデンサ18と抵抗20を有している。スイッチング構造12と直列回路16の構成は、実施例1と実質的に同じため説明を省略する。
まず、図4を参照してスイッチング構造12とスイッチング構造14の関係について説明する。図4は、スイッチング構造12のエミッタ電極26(図5も参照)とスイッチング構造14のエミッタ電極46を示している。図示は省略しているが、各々のエミッタ電極26は互いに接続されている。図4から明らかなように、エミッタ電極26の面積よりもエミッタ電極46の面積の方が小さい。すなわち、エミッタ電極26に流れる電流よりもエミッタ電極46に流れる電流の方が小さい。
スイッチング構造12は、コレクタ電極44とエミッタ電極26の間に形成されている。スイッチング構造14は、コレクタ電極44とエミッタ電極46の間に形成されている。エミッタ電極26とエミッタ電極46の間は絶縁膜28で絶縁されている。エミッタ電極26はエミッタ端子E1に接続しており、エミッタ電極46はエミッタ端子E2に接続している。スイッチング構造14の構成は、スイッチング構造12と実質的に同様なため、同じ参照番号(但し、番号の末尾に付しているアルファベットの添え字は異なることがある)を付して説明を省略する。
電流検出用のスイッチング構造14のコレクタ電極44とエミッタ電極46の間に流れる電流と、電力供給用スイッチング構造12のコレクタ電極44とエミッタ電極26の間に流れる電流は比例関係にある。すなわち。スイッチング構造14のコレクタ電極44とエミッタ電極46の間に流れる電流を測定することによって、スイッチング構造12のコレクタ電極44とエミッタ電極26の間に流れる電流を測定することができる。
図3に示しているように、スイッチング構造14のゲート電極G2に接続されているゲート配線GWと、スイッチング構造14のエミッタ電極E2の間を直列回路16で接続している。
図4からも明らかなように、スイッチング構造12を形成するセルは、スイッチング構造14を形成するセルの数よりも多い。すなわち、ゲート電極24aとゲート絶縁膜25aとn−型半導体領域40で形成されるコンデンサ成分の容量よりも、ゲート電極24cと絶縁膜25cとn−型半導体領域40で形成されるコンデンサ成分の容量の方が小さい。すなわち、ゲート絶縁膜25aよりもゲート絶縁膜25cの方が破壊されやすい。しかしながら、半導体装置100は、ゲート端子GTに静電気等に由来する高電圧が印加されても、ゲート絶縁膜25cが破壊されるよりも前に、絶縁膜25b(図2を参照)が破壊される。すなわち、コンデンサ18が短絡する。また、絶縁膜25bが破壊しても、ゲート電極24cに対向しているp−型半導体領域34cにチャネルを形成する電圧をゲート電極24cに発生させることができる。
図6は、半導体装置50の回路図を示している。半導体装置50は、実施例2の半導体装置100に、直列回路16を流れる電流値を検知する電流値検知装置54と、電流値検知装置54が検知した電流値が予め設定されている電流値を超えている場合に報知する電流値報知装置52が接続している。
図示56は、電圧印加装置を示しており、半導体装置100のゲート端子GTに電圧を印加することができる。電圧印加装置56とゲート端子GTの間に電流値検知装置54が接続されている。半導体装置100のゲート端子GTに静電気等に由来する高電圧が印加され、直列回路16のコンデンサ18が短絡すると、直列回路16に流れる電流値が、コンデンサ18が短絡する前に直列回路16に流れる電流値と相違する。電流値検知装置54が、所定の電流値(コンデンサ18が短絡した後に直列回路16に流れる電流値)を検知すると、電流値報知装置52が、コンデンサ18が短絡していることを報知する。
例えば、上記実施例では、IGBTについて説明しているが、本発明の技術はIGBTに限定されるものではない。例えば、MOSFETやGTO等のように、ゲート電極に電圧を印加することによって装置をオン・オフさせる半導体装置のいずれにも本発明の技術を適用することができる。
上記実施例3では、実施例2の半導体装置に、直列回路を流れる電流値を検知する電流値検知装置と、電流値検知装置が検知した電流値が予め設定されている電流値を超えている場合に報知する電流値出力装置が接続している。実施例2の半導体装置に代えて実施例1の半導体装置を使用することもできる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12,14:スイッチング構造
16:直列回路
18:コンデンサ
20:抵抗
24:電極
25a,25c:ゲート絶縁膜
25b:絶縁膜
26,46:エミッタ電極
44:コレクタ電極
Claims (5)
- 高電圧側電極に接続されている高電圧側領域と低電圧側電極に接続されている低電圧側領域の間を伸びている半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えており、
ゲート配線と低電圧側電極の間にコンデンサと抵抗の直列回路が接続されており、
前記コンデンサの容量は、ゲート電極とゲート絶縁膜と半導体領域で形成されるコンデンサ成分の容量よりも小さく、
前記抵抗の抵抗値は、ゲート配線に所定のオン電圧を印加したときに、前記コンデンサが短絡していても、ゲート絶縁膜に対向している半導体領域にチャネルを形成する電圧をゲート電極に発生させる抵抗値に設定されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体領域と前記抵抗が同一の半導体基板に形成されており、
ゲート絶縁膜と同一の絶縁膜で前記コンデンサが形成されていることを特徴とする請求項1の半導体装置。 - 前記コンデンサを形成する絶縁膜の厚みが、ゲート絶縁膜の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項1の半導体装置。
- 同一の半導体基板に、高電圧側電極に接続されている高電圧側領域と、低電圧側電極に接続されている低電圧側領域と、高電圧側領域と低電圧側領域の間を伸びている半導体領域と、その半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向している複数個のゲート電極を備えており、
その内の1つのゲート電極で形成されるコンデンサ成分の容量は、残余のゲート電極で形成されるコンデンサ成分の容量よりも小さく、
容量が小さいゲート電極のゲート配線と低電圧側電極の間に、コンデンサと抵抗の直列回路が接続されており、
前記コンデンサの容量は、前記の容量が小さいコンデンサ成分の容量よりも小さく、
前記抵抗の抵抗値は、ゲート配線に所定のオン電圧を印加したときに、前記コンデンサが短絡していても、ゲート絶縁膜に対向している半導体領域にチャネルを形成する電圧をゲート電極に発生させる抵抗値に設定されていることを特徴とする半導体装置。 - 高電圧側電極に接続されている高電圧側領域と低電圧側電極に接続されている低電圧側領域の間を伸びている半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えており、
ゲート配線と低電圧側電極の間にコンデンサと抵抗の直列回路が接続されており、
前記コンデンサの容量は、ゲート電極とゲート絶縁膜と半導体領域で形成されるコンデンサ成分の容量よりも小さく、
前記抵抗の抵抗値は、ゲート配線に所定のオン電圧を印加したときに、前記コンデンサが短絡していても、ゲート絶縁膜に対向している半導体領域にチャネルを形成する電圧をゲート電極に発生させる抵抗値に設定されている半導体装置に、
前記直列回路を流れる電流値を検知する手段と、
検知した電流値が予め設定されている電流値を超えたことを報知する手段と、
が付加されていることを特徴とする半導体装置。
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