JP2010258328A - ワイドバンドギャップ半導体装置 - Google Patents

ワイドバンドギャップ半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】インバータ回路のスイッチング素子としてWBG半導体を用い、オン抵抗を低く保ちながら負荷短絡耐量が高い信頼性の高い半導体装置を得る。
【解決手段】インバータ回路のスイッチング素子に適用される半導体装置であって、半導体材料のバンドギャップがシリコンよりも広く、主トランジスタの短絡時の電流制限回路を有しており、電流を主に流すための主トランジスタと、該主トランジスタに並列に接続され主トランジスタに流れる電流に比例した微小電流を検知するセンストランジスタと、センストランジスタの出力に基づき主トランジスタのゲートを制御する横型MOSFETを同一半導体上に形成する。
【選択図】図1

Description

この発明は、ドリフト領域がシリコン(Si)よりもバンドギャプの広い半導体材料(以下、WBG半導体と称する)で構成されたパワー半導体装置に関する。
パワースイッチング用電界効果トランジスタ(以下、パワーMOSFETと称する)の半導体材料として、炭化ケイ素(以下、SiCと称する)やチッ化ガリウム(以下、GaNと称する)などのシリコンよりもワイドバンドギャップな半導体を用いることによって、シリコンと比較して非常に低いオン抵抗を実現できることが報告されている(例えば、特許文献1参照。)。
パワースイッチング用の半導体装置としては、いわゆるIGBTが使用されることが多いが、その用途の一つにインバータがある。図8はインバータの構成を示す回路図である。図8に示すように、一般的な3相のインバータ回路では、U,VおよびWの各相において、上アーム部50,51,52と下アーム部53,54,55がそれぞれ直列に接続されており、それら上下アーム部の直列接続体が並列に接続されている。各アーム部は、IGBTとIGBTのコレクタ・エミッタ間にカソード・アノードを接続したFWD(ダイオード)で構成されている。
図8に示すような回路構成においては、IGBTへのゲートパルスの異常やノイズによる誤動作及び接続ミス等のさまざまな要因で負荷短絡が発生する場合が考えられる。負荷短絡が発生すると、インバータ制御システムが異常を検出して、素子に流れる電流を制限したり、システムを遮断したりする。しかし、負荷短絡時にその保護回路が動作するまでの短期間においては、IGBTは高電圧、大電流のストレス状態にさらされる。
したがって、各アーム部のスイッチング素子として用いられるIGBTやFETには、負荷短絡耐量と呼ばれる破壊耐量が要求される。負荷短絡耐量は、負荷短絡時に保護回路が動作するまでの短期間において、素子が高電圧、大電流のストレス状態に耐えられる期間を示す指標である。負荷短絡耐量の規格としては、素子の絶対定格の2/3の電源電圧において、通常オン状態のゲート電圧が印加されたときに、10μ秒以内には素子が破壊しないこと、というのが一般的であるが、近年はオン電圧重視の設計をするために、短絡検知時間をさらに短くするような設計がなされている。
WBG半導体でできたFETを用いてインバータを構成する場合、そのFETは従来のSiでできたFETと同程度の負荷短絡耐量を有することが強く望まれる。スイッチング素子として主流である薄型IGBTに関しては、負荷短絡時に破壊に至るまでのメカニズムが詳細に解析されている(たとえば、非特許文献2参照。)。それによると、負荷短絡時の過大な発生損失によって素子の温度が上昇し、それによってPN接合の漏れ電流が増大して熱暴走が起こり、破壊に至る。
Siのバンドギャップは約1.1eVと狭い。そのため、Siは200℃以上の温度では局部的に真性領域に突入して半導体としての特性を失って導体となる。したがって、このような200℃以上への温度上昇による素子破壊が頻繁に起こる。これを回避するために、SiでできたIGBTやFETにおいては、負荷短絡時の電流が適当な値となるような設計を行うことによって、半導体領域の動作温度が臨界点を超えないようにしている。あるいは、外部回路によって電流制限機能を付加することによって、負荷短絡破壊を防いでいる(たとえば、非特許文献3参照。)。
従来、インバータ用途で用いられるSiのIGBTは、バイポーラ効果を利用したデバイスであることから、オン電圧を低く抑えながら、同時に飽和電流を低く制限することが可能である。また、600V以上の高耐圧領域では、SiではMOSFETのオン抵抗は、表面のMOSFETの抵抗がシリコン基板の抵抗よりもはるかに低いことから、MOSFET自体の飽和電流を少なくしても、オン抵抗への影響が少ないという状況であったので、オン抵抗を下げる方策と負荷短絡耐量を上げるという方策が必ずしも両立しないものではなかった。
特開平11−354786号公報
ヨシタカ・スガワラ(Yoshitaka Sugawara)、「リースント プログレス イン SiC パワー デバイス ディベロップメンツ アンド アプリケーション スタディーズ(Recent Progress in SiC Power Device Developments and Application Studies)」、ISPSD2003 エム.オーツキ(M.Otsuki)、他6名、「アドバンスト スィン ウェハ IGBTs ウィズ ニュー サーマル マネジメント ソリューション(Advanced thin wafer IGBTs with new thermal management solution)」、ISPSD’2003会報、p.144−147 エム.オーツキ(M.Otsuki)、他3名、「ザ 3RD ジェネレイション IGBT トオード ア リミテーション オブ IGBT パフォーマンス(THE3RD GENERATION IGBT TOWARD A LIMITATION OF IGBT PERFORMANCE)」、第5回ISPSD開放、1993年、p.24−29
SiCやGaNを用いたパワーMOSFETではMOSFETの移動度がシリコンと比較して低いために、さまざまな工夫をして、それを克服するような検討が重ねられている。たとえば、ゲート酸化膜の製造方法を工夫したりしてMOSFETの移動度の向上を図ったり、あるいはMOSFETの構造にトレンチ構造を導入したり、またMOSFETの微細化をすることによって、単位面積あたりのMOSFET密度を増加させることによってオン抵抗の低減が図られている。図6は、従来の縦型トレンチMOSFETの断面図であり、図7は、従来の縦型プレーナMOSFETの断面図である。図6において、13はn型の高濃度半導体基板、14は、nベース層、15はpウェル、16はポリシリコンのゲート電極、17はゲート絶縁膜、18はn型ソース領域、19はソース電極、20は層間絶縁膜である。図7のプレーナ型MOSFETの場合は、pウェル21が選択的に形成され、そのpウェル21の表面にn型ソース領域18が選択的に形成されており、半導体基板上に絶縁膜20を介してゲート電極22が形成されている。図9には1200V耐圧のMOSFETにおいて、MOSFETの移動度の向上について、構造がトレンチ構造を採用した場合とプレーナ構造を採用した場合のそれぞれについて、横軸に単位セル寸法を取った場合のオン抵抗の依存性を示した特性図である。図9のように、トレンチ構造を用いたり、移動度を向上させたり、あるいは微細化によってオン抵抗が低減して、限界となる基板抵抗に近づくことがわかる。
ところが、これらの手段は、そのどの方法においても、上述で議論した負荷短絡耐量において大きな問題が発生する。すなわち、上記のどの手段においてもMOSFETの抵抗を小さくすることが、短絡電流値の増加を招くという点である。このSiとの違いは、SiCやGaNなどのWBG半導体の場合、半導体基板自体の抵抗がSiと比較して著しく小さく、オン抵抗のほとんどが半導体基板表面のMOSFET部分に依存しているという点である。図10は横軸にオン抵抗を、左側の縦軸に飽和電流を示したもので、オン抵抗を下げていき、限界抵抗に近づくにしたがって急激に飽和電流が上昇する。1200V素子の場合、電源電圧が800Vとして、1μsの間に上昇する温度を示したのが、同図の右側の軸となる。すなわち、電圧は800Vと一定なので、発生損失は飽和電流に比例し、したがって温度上昇は電流に比例するため、このような関係となる。短絡時間が1μsと短時間のため、熱伝導による放熱の影響はほとんど無く、半導体の熱容量だけで温度が決定される。このため、本来のWBG半導体の性能を引き出すようにオン抵抗の低減を図れば図るほど、負荷短絡耐量を確保することが困難で、負荷短絡耐量を確保しようとすると、図10からオン抵抗がせいぜい2mΩcm2程度に制限され、WBG半導体を使用するメリットが失われてしまう。
このような状況を回避するためには、上述のように電流制限機能を備えることが必須となる。図11や図12はその一例である電流制限の保護機能付MOSFETの回路図である。すなわち、図11に示すように、主トランジスタ3とは別に主電流をモニタするセンストランジスタ4のソース側にセンス抵抗5を挿入する。センス抵抗5の挿入により、流れる電流によってソース電位が上昇する。この電圧がシャントMOSFET2のしきい値に近づくとシャントMOSFET2に電流が流れ、主トランジスタ3のゲート電圧を下げて電流制限動作を行う。図12では、センス抵抗を用いずに、デプレションMOSFET6を用いているという違いがある。この場合はデプレションMOSFET6が定電流源のように働き、所定の電流が流れるようになると、センスMOSFET4のソース電位が急激に上昇してシャントMOSFET2がオンして、上記と同様の電流制限動作をする。1と7はゲート抵抗である。
インバータに用いるトランジスタにおいては、このような電流制限回路を導入することが不可欠である。
インバータに用いるWBG半導体を用いたトランジスタにおいては、電流制限回路の一部を主トランジスタと同一チップ内にモノリシックに形成し、主トランジスタがトレンチMOSの場合には、pウェルの濃度分布が最表面よりも内部においてピークを持つようなプロファイルとして、主トランジスタであるトレンチMOSFETと電流制限回路の一部であるプレーナ型MOSFETのしきい値を異なる値にする。プレーナ型MOSFETの場合は、電流制限回路の一部である横型MOSFETのしきい値が主トランジスタのしきい値よりも低くなるようにする。
本発明にかかる半導体装置によれば、WBG半導体を用いて構成され、オン抵抗を低く保ちながら負荷短絡耐量が高い信頼性の高い半導体装置が得られるという効果がある。またモノリシックに保護回路を内蔵することから、素子の温度上昇に伴って保護回路に用いるMOSFETの特性も変化することから、より精度の高い電流制限が可能となる。
本発明の第1の実施例のシャントMOSFETを内蔵したセンス付トレンチMOSFETの断面図 第1の実施例におけるpウェルの濃度分布を示すプロファイル図 本発明の第2の実施例のシャントMOSFETを内蔵したセンス付プレーナ型MOSFETの断面図 本発明の第3の実施例のデプレッションMOSを内蔵した保護機能付トレンチMOSFETの断面図 本発明の第4の実施例のデプレッションMOSを内蔵した保護機能付プレーナ型MOSFETの断面図 従来の高耐圧トレンチMOSFETの断面図 従来の高耐圧プレーナ型MOSFETの断面図 インバータの回路図 各種改善手法によるオン抵抗の低減を示す特性図 オン電圧と飽和電流値および短絡時の温度上昇を示す特性図 従来の保護機能を有する縦型MOSFETの回路図 従来の保護機能を有する縦型MOSFETの回路図
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明にかかる半導体装置の構成の一例を示す断面図である。この実施例では主トランジスタがトレンチMOSFETの場合で、電流モニタする電流センスMOS36が主トランジスタ35と分離されて、同一半導体基板上に形成されている。このとき、センス用MOS36のpウェル30は主トランジスタ35のソース電位とは分離されていることが好ましい。分離されていない場合においては、pウェル電位をソース電位にするために、センスMOS36のソースと別に電極を形成することが必要になることから、面積が大きくなるためである。また、そのために、pウェルと電極コンタクトまでの距離が大きくなり、寄生トランジスタが動作しやすくなって副次的な破壊を招く危険性が出てくるという不都合もある。このように、センスMOS36をモノリシックに主トランジスタと同一チップに形成することで、同じ温度条件での電流をモニタすることができ、制御性の良い電流制限が可能である。さらにシャントMOSとなる横型MOS39を内蔵する。このようにすることによって、当然のことながら外付け部品を減らすことができる。40はセンスMOS36のゲート端子であり、37はシャントMOS39のドレイン端子、47はシャントMOS39のn型ドレイン領域、38はシャントMOS39のソース端子、48はシャントMOS39のソース領域、5はセンス抵抗である。シャントMOS39のゲートは、センス抵抗5とセンスMOS36のソース電極の接続点に接続されている。電流制限回路で用いられるシャントMOS39は、主トランジスタ35の電流制限回路であることからわかるように、そのゲート電圧が主トランジスタ35のゲート電圧よりも大きくすることができない。したがって、主トランジスタ35のしきい値と別に設計できるようになっていることが好ましい。 図1に用いられるトレンチMOSFETのpウェルのA−A’線断面の不純物分布を図2に示した。縦型のトレンチMOSはpウェルの最大濃度によってしきい値が決められる。一方横型MOSFETはpウェルの表面濃度によってしきい値が決められる。図2に示すように、pウェルの濃度を表面濃度Np2よりも所定の深さに最大濃度Np1が位置するように形成する(表面濃度Np2を下げるようにしてもよい)。このように横型MOSFETのしきい値を決める表面濃度と、トレンチMOSFETのしきい値を決める最大濃度とをpウェルの最大濃度のピーク深さを変えることで別々の濃度に設定し、それぞれのMOSFETのしきい値を設定することが可能となる。この不純物分布は、pウェルを形成する際、エピタキシャル成長によるか、または高エネルギーのイオン注入の方法によって、容易に実現可能である。 また、そのほかの要素部品である抵抗などは、半導体中にも容易に形成することが可能である。
図3は、本発明にかかる半導体装置の第2の実施例を示す断面図である。この実施例は、主トランジスタがプレーナ型パワーMOSFETの場合で、センスMOS36が主トランジスタ35と分離されて、同一半導体上に形成されている。上述の第一の実施例と同様に、センスMOS36のpウェル34は主トランジスタ35のソースとは分離されていることが好ましい。プレーナ構造の場合、ゲート酸化膜への電界集中が緩和されるという特徴があり、特にWBG半導体の場合には、半導体の最大電界強度が大きいことから、酸化膜への電界強度が大きくなる傾向があるため、WBG半導体の場合には特にプレーナ型パワーMOSFET構造が重要である。さらにシャントMOSとなる横型MOSを内蔵するものである。この場合には、上述のように横型MOSFETのしきい値をパワーMOSFETと異なる設定とするために、しきい値調整のためのイオン注入をマスクを用いてチャネル部43に部分的に施すことによって調整可能となる。
図4は本発明にかかる半導体装置の第3の実施例を示す断面図である。この例ではデプレッションMOSFETを保護回路の一部に用いる場合であって、従来の保護回路図である図12などのような回路構成を形成することが可能である。この場合には、pウェルの濃度分布において、図2のように表面での濃度を下げていき、N型にまで反転するように設定する方法があるが、この場合には、主トランジスタ35やセンストランジスタ36の表面でのpウェルとのコンタクトが困難になる場合があるので、pウェルとのコンタクトをとるために、コンタクト部分を表面から掘り下げてトレンチコンタクトを形成して行う。または、デプレッションMOSFET部のチャネル領域45のみに、しきい値制御用のイオン注入を行う方法でも良い。
図5は本発明にかかる半導体装置の第4の実施例を示す断面図である。この例では主トランジスタがプレーナ型MOSFETであって、デプレッションMOSFETを保護回路の一部に用いる場合であって、従来の保護回路図である図12などのような回路構成を形成することが可能である。この場合は、デプレッションMOSFET部のチャネル領域46のみに、しきい値制御用のイオン注入を行っている。
以上のようなデバイス構成を適用することによって、オン電圧低減の手段と短絡耐量確保の方策を同時に実現して、モーター駆動やインバータ用途へのWBG半導体の実用的な適用が可能となる。
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、パワースイッチング用トランジスタに有用であり、特にインバータ回路などのパワースイッチング素子に適している。
1 ゲート抵抗
2 シャントMOSFET
3 主トランジスタ
4 センストランジスタ
5 センス抵抗
6 センス用デプレッションMOSFET
7 ゲート抵抗
10 ドレイン端子
11 ゲート端子
12 ソース端子
13 高濃度半導体基板
14 nベース
15 pウェル
16 ゲート電極
17 ゲート絶縁膜
18 ソース領域
19 ソース電極
20 絶縁膜
21 pウェル
22 ゲート電極
30 pウェル
31 センストランジスタと主トランジスタの分離領域
32 センストランジスタのゲート端子
33 センストランジスタのソース端子
34 センストランジスタのpウェル
35 主トランジスタ
36 センストランジスタ
37 シャントMOSのドレイン端子
38 シャントMOSのソース端子
39 シャントMOS
40 センスMOSのゲート端子
41 nベース領域
42 pウェル領域
43 シャントMOSのチャネル領域
44 デプレッションMOSのチャネル領域
46 デプレッションMOSのチャネル領域
50 U相上アーム
51 V相上アーム
52 W相上アーム
53 U相下アーム
54 V相下アーム
55 W相下アーム

Claims (6)

  1. インバータ回路のスイッチング素子に適用される半導体装置であって、半導体材料のバンドギャップがシリコンよりも広く、主トランジスタの短絡時の電流制限回路を有しており、電流を主に流すための主トランジスタと、該主トランジスタに並列に接続され主トランジスタに流れる電流に比例した微小電流を検知するセンストランジスタと、センストランジスタの出力に基づき主トランジスタのゲートを制御する横型MOSFETを同一半導体上に形成してなることを特徴とするワイドバンドギャップ半導体装置。
  2. 前記主トランジスタおよび前記センストランジスタは、ゲート構造がトレンチ溝に形成され、pウェルの表面濃度が所定の深さでの濃度よりも低くなるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載のワイドバンドギャップ半導体装置。
  3. 前記主トランジスタおよび前記センストランジスタは、ゲート構造がプレーナ構造であり、前記横型MOSFETのしきい値が前記主トランジスタおよびセンストランジスタよりも低くなるように設定されている請求項1に記載のワイドバンドギャップ半導体装置。
  4. インバータ回路のスイッチング素子に適用される半導体装置であって、半導体材料のバンドギャップがシリコンよりも広く、主トランジスタの短絡時の電流制限回路を有しており、電流を主に流すための主トランジスタと、該主トランジスタに並列に接続され主トランジスタに流れる電流に比例した微小電流を検知するセンストランジスタと、センストランジスタの出力に基づき主トランジスタのゲートを制御する横型デプレッションMOSFETを同一半導体上に形成してなることを特徴とするワイドバンドギャップ半導体装置。
  5. 前記主トランジスタおよび前記センストランジスタは、ゲート構造がトレンチ溝に形成されていることを特徴とする請求項4に記載のワイドバンドギャップ半導体装置。
  6. 前記主トランジスタおよび前記センストランジスタは、ゲート構造がプレーナ構造であることを特徴とする請求項4に記載のワイドバンドギャップ半導体装置。
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