JP2008235856A

JP2008235856A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2008235856A
Application number: JP2007316045A
Authority: JP
Inventors: Saichiro Kaneko; 佐一郎金子; Takashi Kunimatsu; 崇國松
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-10-02
Also published as: CN101252129A; CN101252129B; US7919818B2; US20080203533A1

Abstract

【課題】横型ＩＧＢＴに対する過電流保護機能を有する半導体装置において、過電流保護機能が働く電流値のバラツキを低減する。
【解決手段】ゲート電圧により制御可能な主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ１と、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０とが並列に接続されている。電流検出用横型ＩＧＢＴ１０ののベース領域１０９と、横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６とが電気的に接続されている。電流検出用横型ＩＧＢＴ１０のエミッタ領域１０８と、横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６とが、電流検出回路７のセンス抵抗４を介して電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の保護回路の構成に関するものであり、特に、絶縁ゲート型スイッチング素子を有する半導体装置において当該スイッチング素子を過電流から保護する過電流保護回路に関するものである。

図７は、横型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor ：以下、ＩＧＢＴと称する）の一般的な断面構成を示している。図７に示す横型ＩＧＢＴ５１においては、Ｎ^-型の半導体基板２０１の表面部にＰ^-型のベース領域２０５が形成されている。ベース領域２０５の表面部には、Ｎ⁺型のエミッタ領域２０６が形成されている。また、エミッタ領域２０６上からベース領域２０５上をまたいで半導体基板２０１の表面上まで延設するように、ゲート絶縁膜２０３が形成されており、当該ゲート絶縁膜２０３上にはゲート電極２０４が形成されている。また、半導体基板２０１の表面部には、ベース領域２０５と離隔してＰ型のコレクタ領域２０２が形成されている。

さらに、半導体基板２０１上には、コレクタ領域２０２と電気的に接続するコレクタ端子Ｐ１’、ゲート電極２０４と電気的に接続するゲート端子Ｐ２’、及びエミッタ領域２０６と電気的に接続するエミッタ端子Ｐ３’が形成されている。

図７に示す横型ＩＧＢＴ５１においては、コレクタ端子Ｐ１’の側を高電位にした状態で、ゲート端子Ｐ２’とエミッタ端子Ｐ３’との間に順バイアスの電圧を印加すると、オン状態に移行する。また、逆にゲート端子Ｐ２’とエミッタ端子Ｐ３’との間に零バイアスの電圧又は逆バイアスの電圧を印加するとオフ状態に移行する。このように横型ＩＧＢＴ５１は、ゲート電極２０４に印加されるゲート電圧により、オン状態からオフ状態へ、又はオフ状態からオン状態へと移行するスイッチング特性を有している。

このような横型ＩＧＢＴ５１を有する半導体装置は、横型ＩＧＢＴ５１のコレクタ端子Ｐ１’と電源との間に誘導性負荷をつないだ状態で用いられることが多い。このような場合に事故が起きると、この誘導性負荷が短絡状態となり、横型ＩＧＢＴ５１に定格電流の数倍以上の電流が流れることになる。このような負荷短絡時には過電流を検出して、ゲート電圧又はコレクタ電圧を遮断しないと、横型ＩＧＢＴ５１が温度上昇による熱破壊を生じるに至る。

そこで、図８に示すような、横型ＩＧＢＴ５１に対する過電流保護機能を有する半導体装置が提案されている。図８に示す半導体装置５０は、ゲート電圧により制御可能な主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ５１を有し、電流検出用横型ＩＧＢＴ５２が横型ＩＧＢＴ５１と並列に接続されている。ここで、電流検出用横型ＩＧＢＴ５２のエミッタ領域は、電流検出用抵抗であるセンス抵抗５４と電気的に接続されている。また、電流検出用横型ＩＧＢＴ５２と電気的に接続された電流検出回路５７は、電圧比較器５６と、電圧比較器５６にそれぞれ接続されている基準電圧回路５５及び前記のセンス抵抗５４とから構成されている。

図８に示す半導体装置５０においては、電流検出用横型ＩＧＢＴ５２を流れる電流５９がセンス抵抗５４を通ってエミッタ端子Ｐ３’へと流れる。このとき、センス抵抗５４の両端に発生する電圧と基準電圧回路５５が生じる電圧とが電圧比較器５６によって比較され、その電圧差に基づいて、主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ５１に流れる電流５８が制御される。
特開平０９−２６０５９２号公報

しかしながら、前述の従来例に係る横型ＩＧＢＴ５１に対する過電流保護機能を有する半導体装置５０には、以下に述べるような問題点がある。

すなわち、センス抵抗５４の両端に発生する電圧が大きくなると、電流検出用横型ＩＧＢＴ５２のエミッタ領域の電位が高くなるため、電流検出用横型ＩＧＢＴ５２に電流が流れにくくなる結果、過電流保護機能が正常に働かなくなる。そのため、センス抵抗５４の両端に発生する電圧を最大でも０．３Ｖ程度に抑える必要がある。

ここで、センス抵抗５４を流れる電流５９と横型ＩＧＢＴ５１を流れる電流５８との比（電流５８／電流５９）をセンス比とすると、従来の半導体装置５０のセンス比は例えば３００程度と小さかった。このため、例えば電流５８の値が６Ａのときに過電流保護機能を働かせようとすると、そのときに流れる電流５９の大きさは２０ｍＡ程度になる。従って、センス抵抗５４の両端に発生する電圧を０．３Ｖ程度以下にするためには、センス抵抗５４の抵抗値を１５Ω程度以下という小さい値にしなくてはならない。ところが、センス抵抗５４をその抵抗値が１５Ω程度以下という小さい値になるように形成すると、当該抵抗値の製造バラツキが大きくなるので、過電流保護機能が働く電流値（電流５８の値）のバラツキも大きくなってしまう。

一方、センス抵抗５４の抵抗値をある程度の大きさに設定するためには、センス比を大きくすればよいが、そのためには、電流検出用横型ＩＧＢＴ５２のサイズを小さくしてセンス抵抗５４を流れる電流５９の値を小さくする必要がある。しかし、電流検出用横型ＩＧＢＴ５２のサイズを小さくすると、センス抵抗５４を流れる電流５９の値のバラツキが大きくなるので、結局、過電流保護機能が働く電流値（電流５８の値）のバラツキも大きくなってしまう。

以上に述べたように、従来の過電流保護機能を有する半導体装置５０においてはセンス比を十分に大きくすることができないため、センス抵抗５４の抵抗値や電流検出用横型ＩＧＢＴ５２のサイズを小さく設計せざるをえず、その結果、過電流保護機能が働く電流値のバラツキが大きくなるという問題があった。

前記に鑑み、本発明は、横型ＩＧＢＴに対する過電流保護機能を有する半導体装置において、センス抵抗を流れる電流と主スイッチング素子を流れる電流との比を大きくすることにより、過電流保護機能が働く電流値のバラツキを低減することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、ゲート電極に印加されるゲート電圧により制御可能な主ＩＧＢＴと、前記主ＩＧＢＴに並列に接続された電流検出用ＩＧＢＴと、前記電流検出用ＩＧＢＴに流れる電流を検出できる検出抵抗を有する電流検出手段とを備えた半導体装置であって、前記主ＩＧＢＴは、第１のベース領域と、前記第１のベース領域の表面部に形成された第１のエミッタ領域とを有し、前記電流検出用ＩＧＢＴは、第２のベース領域と、前記第２のベース領域の表面部に形成された第２のエミッタ領域とを有し、前記電流検出用ＩＧＢＴの前記第２のベース領域と、前記主ＩＧＢＴの前記第１のエミッタ領域とが電気的に接続されており、前記電流検出用ＩＧＢＴの前記第２のエミッタ領域と、前記主ＩＧＢＴの前記第１のエミッタ領域とが前記検出抵抗を介して電気的に接続されている。

また、本発明の半導体装置において、前記主ＩＧＢＴと前記電流検出用ＩＧＢＴとは同一の半導体基板上に形成されていてもよい。

さらに、本発明の半導体装置において、前記主ＩＧＢＴと前記電流検出用ＩＧＢＴとはそれぞれ横型素子であってもよい。

本発明の半導体装置によれば、主ＩＧＢＴに対する過電流保護機能を有する半導体装置において、検出抵抗を流れる電流と主ＩＧＢＴを流れる電流との比つまりセンス比を従来の半導体装置と比較して２倍以上に大きくすることができる。従って、検出抵抗の値や電流検出用ＩＧＢＴのサイズを大きく設計することができるので、過電流保護機能が働く電流値のバラツキを低減することができる。

また、本発明の半導体装置において、主ＩＧＢＴと電流検出用ＩＧＢＴとが同一の半導体基板上に形成されていると、主ＩＧＢＴと電流検出用ＩＧＢＴとが同一の半導体基板上に形成されていない場合と比べて、電流検出用ＩＧＢＴのベース領域と主ＩＧＢＴのエミッタ領域とが電気的に接続された構造を実現しやすくなる。

さらに、本発明の半導体装置において、主ＩＧＢＴと電流検出用ＩＧＢＴとがそれぞれ横型素子であると、素子表面がエミッタ電極によって覆われる縦型ＩＧＢＴと比べて電極や配線の配置の自由度が大きくなるので、電流検出用ＩＧＢＴのベース領域と主ＩＧＢＴのエミッタ領域とが電気的に接続された構造を実現しやすくなる。

以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態の半導体装置、具体的には、横型ＩＧＢＴに対する過電流保護機能を有する半導体装置の概略回路構成を示している。

図１に示す半導体装置１４は、ゲート電圧により制御可能な主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ１を有し、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０が横型ＩＧＢＴ１と並列に接続されている。横型ＩＧＢＴ１及び電流検出用横型ＩＧＢＴ１０のそれぞれのコレクタ領域及びゲート電極はコレクタ端子Ｐ１及びゲート端子Ｐ２と電気的に接続されている。横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域（エミッタ領域１０６）はエミッタ端子Ｐ３と電気的に接続されている。一方、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０のエミッタ領域（エミッタ領域１０８）は、電流検出用抵抗であるセンス抵抗４と電気的に接続されていると共に、センス抵抗４を介して横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６つまりエミッタ端子Ｐ３と電気的に接続されている。尚、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０と電気的に接続された電流検出回路７は、電圧比較器６と、電圧比較器６にそれぞれ接続された基準電圧回路５及び前記のセンス抵抗４とから構成されている。

本実施形態の半導体装置１４において注目すべき特徴は、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０のベース領域１０９と、主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６とが電気的に接続されていることである。そのため、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０を流れる電流のうち正孔電流は、ベース領域１０９から横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６を経てエミッタ端子Ｐ３へと電流１１となって流れる。一方、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０を流れる電流のうち電子電流のみがセンス抵抗４を通ってエミッタ端子Ｐ３へと電流（センス電流）１３となって流れる。このとき、センス抵抗４の両端に発生する電圧と基準電圧回路５が生じる電圧とが電圧比較器６によって比較され、その電圧差に基づいて、主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ１を流れる電流（コレクタ電流）１２が制御される。

以上に説明したように、本実施形態の半導体装置１４においては、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０を流れる電流のうち正孔電流（電流１１）がセンス抵抗４を流れないので、センス抵抗４を流れる電流１３がその正孔電流分小さくなる。従って、センス抵抗４を流れる電流１３と横型ＩＧＢＴ１を流れる電流１２との比をセンス比とすると、本実施形態の半導体装置１４においては、図８に示す従来の半導体装置５０と比較して、センス比を大きくすることが可能である。

本願発明者らが実際に実験を行った結果、従来の半導体装置５０においてセンス比が３００程度である条件において、本実施形態の半導体装置１４のように、電流検出用ＩＧＢＴのベース領域と主スイッチング素子であるＩＧＢＴのエミッタ領域とを電気的に接続してセンス比の値を求めたところ６００程度となり、従来の半導体装置５０と比べてセンス比を約２倍程度大きくすることができた。

このように、本実施形態によると、主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ１に対する過電流保護機能を有する半導体装置１４において、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０のベース領域１０９と横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６とを電気的に接続することによって、センス抵抗４を流れる電流１３と横型ＩＧＢＴ１を流れる電流１２との比つまりセンス比を従来の半導体装置５０と比較して十分に大きくすることができる。従って、センス抵抗４の値や電流検出用横型ＩＧＢＴ１０のサイズを大きく設計することができるので、過電流保護機能が働く電流値のバラツキを低減することができる。

図２は、本実施形態の半導体装置における主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ１及びそれと並列に接続された電流検出用横型ＩＧＢＴ１０の構成の一例を示す平面図である。また、図３〜図６はそれぞれ図２におけるＡ−Ｂ線、Ｇ−Ｈ線、Ｃ−Ｄ線及びＥ−Ｆ線の断面図である。

図２〜図４に示すように、横型ＩＧＢＴ１においては、Ｎ^-型の半導体基板１０１の表面部にＰ^-型のベース領域１０５が形成されている。ベース領域１０５の表面部には、Ｎ⁺型のエミッタ領域１０６が形成されている。また、エミッタ領域１０６上からベース領域１０５上をまたいで半導体基板１０１の表面上まで延設するように、ゲート絶縁膜１０３が形成されており、当該ゲート絶縁膜１０３上にはゲート電極１０４が形成されている。また、半導体基板１０１の表面部には、ベース領域１０５と離隔してＰ型のコレクタ領域１０２が形成されている。

ここで、本実施形態の横型ＩＧＢＴ１においては、エミッタ領域１０６は互いに離隔した複数の部分から構成されており、当該複数の部分はコレクタ領域１０２からベース領域１０５に向かう方向に対して垂直な方向に沿って配列されている。また、ベース領域１０５におけるエミッタ領域１０６の各構成部分の間には、Ｐ⁺型のベースコンタクト領域１０７を構成する複数の部分が配置されている。これにより、Ｐ^-型のベース領域１０５がＰ⁺型のベースコンタクト領域１０７を通じてＮ⁺型のエミッタ領域１０６と電気的に接続される。

さらに、半導体基板１０１上には、コレクタ領域１０２と電気的に接続するコレクタ端子Ｐ１と、ゲート電極１０４と電気的に接続するゲート端子Ｐ２と、エミッタ領域１０６及びベースコンタクト領域１０７と電気的に接続するエミッタ端子Ｐ３とが形成されている。

図２〜図４に示す横型ＩＧＢＴ１においては、コレクタ端子Ｐ１の側を高電位にした状態で、ゲート端子Ｐ２とエミッタ端子Ｐ３との間に順バイアスの電圧を印加すると、オン状態に移行する。また、逆にゲート端子Ｐ２とエミッタ端子Ｐ３との間に零バイアスの電圧又は逆バイアスの電圧を印加するとオフ状態に移行する。このように横型ＩＧＢＴ１は、ゲート電極１０４に印加されるゲート電圧により、オン状態からオフ状態へ、又はオフ状態からオン状態へと移行するスイッチング特性を有している。

一方、図２、図５及び図６に示す電流検出用横型ＩＧＢＴ１０は、横型ＩＧＢＴ１と同一のＮ^-型の半導体基板１０１上に形成されている。具体的には、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０においては、半導体基板１０１の表面部にＰ^-型のベース領域１０９が形成されている。ベース領域１０９の表面部には、Ｎ⁺型のエミッタ領域１０８が形成されている。また、エミッタ領域１０８上からベース領域１０９上をまたいで半導体基板１０１の表面上まで延設するように、ゲート絶縁膜１０３が形成されており、当該ゲート絶縁膜１０３上にはゲート電極１０４が形成されている。また、半導体基板１０１の表面部には、ベース領域１０９と離隔してＰ型のコレクタ領域１０２が形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜１０３、ゲート電極１０４及びコレクタ領域１０２は横型ＩＧＢＴ１及び電流検出用横型ＩＧＢＴ１０で共通に形成されている。

ここで、本実施形態の電流検出用横型ＩＧＢＴ１０においては、エミッタ領域１０８は互いに離隔した複数の部分から構成されており、当該複数の部分はコレクタ領域１０２からベース領域１０９に向かう方向に対して垂直な方向に沿って配列されている。また、ベース領域１０９におけるエミッタ領域１０８の各構成部分の間には、Ｐ⁺型のベースコンタクト領域１１０を構成する複数の部分が配置されている。

尚、本実施形態の特徴として、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０において、エミッタ領域１０８は電流検出用抵抗であるセンス抵抗４と電気的に接続されている。一方、ベースコンタクト領域１１０はエミッタ端子Ｐ３に電気的に接続されている。その結果、本実施形態においては、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０のベース領域１０９と横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６とがＰ⁺型のベースコンタクト領域１１０を介して電気的に接続されることになる。

また、図２及び図６に示すように、電流検出用横型ＩＧＢＴ１０のエミッタ領域１０８と横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６とはセンス抵抗４を介して電気的に接続されている。

以上に説明したように、本実施形態においては、主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ１と電流検出用横型ＩＧＢＴ１０とが同一の半導体基板１０１上に形成されているため、両ＩＧＢＴが同一の半導体基板上に形成されていない場合と比べて、電流検出用ＩＧＢＴ１０のベース領域１０９と横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６とが電気的に接続された構造を容易に作製することができる。

また、本実施形態においては、横型ＩＧＢＴ１と電流検出用横型ＩＧＢＴ１０とはそれぞれ横型素子であるため、素子表面がエミッタ電極によって覆われる縦型ＩＧＢＴと比べて電極や配線の配置の自由度が大きくなるので、電流検出用ＩＧＢＴ１０のベース領域１０９と横型ＩＧＢＴ１のエミッタ領域１０６とが電気的に接続された構造を容易に作製することができる。

尚、本実施形態においては、横型ＩＧＢＴ１と電流検出用横型ＩＧＢＴ１０とがそれぞれ横型素子である場合を例として説明したが、これらのＩＧＢＴを縦型素子として作製して電流検出用縦型ＩＧＢＴのベース領域と主スイッチング素子である縦型ＩＧＢＴのエミッタ領域とを電気的に接続する構造とした場合にも、検出抵抗を流れる電流と主スイッチング素子である縦型ＩＧＢＴを流れる電流との比つまりセンス比を従来の半導体装置と比較して大きくできる効果が得られる。

本発明に係る半導体装置は、検出抵抗を流れる電流と主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴを流れる電流との比を従来の半導体装置と比較して２倍以上に大きくすることができ、それにより、検出抵抗の値や電流検出用ＩＧＢＴのサイズを大きく設計することができる結果、過電流保護機能が働く電流値のバラツキを低減することができるので、過電流保護回路を有する絶縁ゲート型スイッチング素子に有用である。

図１は本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す回路図である。図２は本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す平面図である。図３は本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図（図２のＡ−Ｂ線の断面図）である。図４は本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図（図２のＧ−Ｈ線の断面図）である。図５は本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図（図２のＣ−Ｄ線の断面図）である。図６は本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図（図２のＥ−Ｆ線の断面図）である。図７は従来の横型ＩＧＢＴの構成を示す断面図である。図８は横型ＩＧＢＴに対する過電流保護回路を有する従来の半導体装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴ
４センス抵抗
５基準電圧回路
６電圧比較器
７電流検出回路
１０電流検出用横型ＩＧＢＴ
１１電流検出用横型ＩＧＢＴのベース領域から主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴのエミッタ端子へと流れる電流
１２主スイッチング素子である横型ＩＧＢＴを流れるコレクタ電流
１３センス抵抗を流れるセンス電流
１４半導体装置
１０１半導体基板
１０２コレクタ領域
１０３ゲート絶縁膜
１０４ゲート電極
１０５、１０９ベース領域
１０６、１０８エミッタ領域
１０７、１１０ベースコンタクト領域
Ｐ１コレクタ端子
Ｐ２ゲート端子
Ｐ３エミッタ端子

Claims

ゲート電極に印加されるゲート電圧により制御可能な主ＩＧＢＴと、
前記主ＩＧＢＴに並列に接続された電流検出用ＩＧＢＴと、
前記電流検出用ＩＧＢＴに流れる電流を検出できる検出抵抗を有する電流検出手段とを備えた半導体装置であって、
前記主ＩＧＢＴは、第１のベース領域と、前記第１のベース領域の表面部に形成された第１のエミッタ領域とを有し、
前記電流検出用ＩＧＢＴは、第２のベース領域と、前記第２のベース領域の表面部に形成された第２のエミッタ領域とを有し、
前記電流検出用ＩＧＢＴの前記第２のベース領域と、前記主ＩＧＢＴの前記第１のエミッタ領域とが電気的に接続されており、
前記電流検出用ＩＧＢＴの前記第２のエミッタ領域と、前記主ＩＧＢＴの前記第１のエミッタ領域とが前記検出抵抗を介して電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置において、
前記主ＩＧＢＴと前記電流検出用ＩＧＢＴとは同一の半導体基板上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記主ＩＧＢＴと前記電流検出用ＩＧＢＴとはそれぞれ横型素子であることを特徴とする半導体装置。