JP2010283205A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、IGBTとFWDとが併設された半導体基板を備える半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device including a semiconductor substrate in which an IGBT and an FWD are provided.
従来、電力変換装置等に用いられる半導体装置として、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、Insulated Gate Bipolar Transistor)と、負荷電流を転流させるためのFWD(Free Wheeling Diode)とを備えたものがあった(例えば特許文献1,2)。 2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor devices used for power conversion devices and the like have been provided with IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and FWDs (Free Wheeling Diodes) for commutating load currents. (For example, Patent Documents 1 and 2).
特許文献1の半導体装置においては、半導体基板の主表面側に設けられたワイヤボンディング領域(ワイヤボンディング部)に金属ワイヤを接合することで通電が行われるようになっていた。 In the semiconductor device of Patent Document 1, energization is performed by bonding a metal wire to a wire bonding region (wire bonding portion) provided on the main surface side of the semiconductor substrate.
また、こうした半導体装置には、特許文献2に示すように、小型化のためにIGBTとFWDとが共通の半導体基板に併設されたものがあった。すなわち、図3及び図4に示す従来の半導体装置111は、共通の半導体基板112にトレンチゲート構造のIGBT部113とFWD部114とが併設されている。
In addition, as shown in Patent Document 2, such a semiconductor device includes one in which IGBT and FWD are provided on a common semiconductor substrate for miniaturization. That is, the
図3に示すように、半導体基板112の主表面側のアクティブ領域Ac上には、ワイヤボンディング領域115,116が設けられている。ワイヤボンディング領域115は、IGBT部113のゲート電極に通電するためのワイヤが接合される領域である。また、ワイヤボンディング領域116は、IGBT部113のエミッタ電極及びFWD部114のアノード電極として機能する電極に通電するためのワイヤ117が接合される領域である。なお、半導体基板112の主表面側にはゲート電極用の配線をする必要があるために、ワイヤボンディング領域116は複数に分割される態様となっている。そして、ワイヤボンディング領域116に対してアルミニウム系のワイヤ117が超音波等で接合されることで、接合部118が形成される。
As shown in FIG. 3,
図4に示すように、半導体装置111においては、半導体基板112のN導電型(n−)層119が、IGBT部113及びFWD部114のドリフト層となっている。また、N導電型(n−)層119の主表面側にはIGBT部113のベース領域となるP導電型(P)層120が形成されている。
As shown in FIG. 4, in the
P導電型(P)層120には主表面側からP導電型(P)層120を貫通して底面がN導電型(n−)層119に達するトレンチが複数形成されている。そして、各トレンチにはゲート絶縁膜121を介してゲート電極122が埋め込まれている。
A plurality of trenches are formed in the P conductivity type (P)
P導電型(P)層120の主表面側にはIGBT部113のエミッタ領域となるN導電型(n+)領域123とFWD部114のアノード領域となるP導電型(P+)領域124とが選択的に形成されている。そして、半導体基板112の主表面側には、各ゲート電極122を主表面側から覆いつつ、P導電型(P+)領域124及びN導電型(n+)領域123の一部を露出するように層間絶縁膜125が形成されている。
On the main surface side of the P conductivity type (P)
さらに、半導体基板112の主表面には、アルミニウム系材料からなる電極126がN導電型(n+)領域123及びP導電型(P+)領域124と電気的に接続されるように形成されている。すなわち、電極126はエミッタ領域に接続されるエミッタ電極及びアノード領域に接続されるアノード電極として機能するようになっている。
Furthermore, an
また、N導電型(n−)層119の裏面側には、フィールドストップ層となるN導電型(n)層127が形成されている。さらに、N導電型(n)層127の裏面側には、IGBT部113のコレクタ領域となるP導電型(P+)層128及びFWD部114のカソード領域となるN導電型(n+)領域129が形成されている。
Further, an N conductivity type (n)
ところで、半導体装置111においては、ワイヤ117を通じて大電流が繰り返し通電される。通電時には、IGBT部113及びFWD部114において損失に伴う発熱が生じるとともに、ワイヤ117においても同様に発熱が生じる。その結果、接合部118においては、半導体基板112側からの熱とワイヤ117側からの熱が伝わることにより、局所的な温度上昇が生じていた。そして、繰り返し通電に伴って接合部118で温度の上昇と下降が繰り返されることにより、熱応力によってワイヤ117が剥がれてしまうという問題があった。
By the way, in the
こうした問題に対応するため、特許文献1の半導体装置においては、ワイヤの材質及び線径、並びに接合部のサイズ等を規定することで、接合強度を確保するようにしていた。
一方、ワイヤボンディング領域に接続されるワイヤの本数は少ない方が製造効率上好ましいため、従来から、電流容量を確保しつつワイヤの本数を削減する工夫がなされてきた。しかし、ワイヤの本数を削減すると、ワイヤ1本あたりの電流密度が高まる分、発熱量も増すことになる。
In order to cope with such a problem, in the semiconductor device of Patent Document 1, the bonding strength is ensured by defining the material and diameter of the wire, the size of the bonding portion, and the like.
On the other hand, since it is preferable from the viewpoint of manufacturing efficiency that the number of wires connected to the wire bonding region is small, there has been conventionally devised to reduce the number of wires while securing the current capacity. However, if the number of wires is reduced, the amount of heat generated increases as the current density per wire increases.
すなわち、接続するワイヤの本数の削減や大電流化によって各ワイヤの電流容量が大きくなる場合には、ワイヤの材質及び線径、並びに接合部のサイズを適正化しても、接合部における信頼性を確保することができない虞があった。 In other words, if the current capacity of each wire increases due to a reduction in the number of wires to be connected or an increase in current, the reliability of the joint can be improved even if the material and diameter of the wire and the size of the joint are optimized. There was a possibility that it could not be secured.
この発明はこうした事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、通電時における信頼性を確保することができる半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of ensuring reliability during energization.
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明は、複数のIGBTセルを含むIGBT部と、間に前記IGBT部を介して分散するように配置された、複数のFWDセルを含むFWD部とが併設された半導体基板を備え、該半導体基板の一面側において、前記FWD部と対応する位置にワイヤボンディング領域が設けられたことをその要旨とする。
In the following, means for achieving the above object and its effects are described.
The invention according to claim 1 is a semiconductor substrate in which an IGBT unit including a plurality of IGBT cells and an FWD unit including a plurality of FWD cells disposed so as to be distributed between the IGBT units are provided. And a wire bonding region is provided at a position corresponding to the FWD portion on one surface side of the semiconductor substrate.
同構成では、複数のIGBTセルを含むIGBT部と、複数のFWDセルを含むFWD部とが併設された半導体基板の一面側において、FWD部と対応する位置にワイヤボンディング領域が設けられている。そして、IGBT部よりも通電時の発熱量が少ないFWD部に対応して設けられたワイヤボンディング領域にワイヤが接合されることにより、ワイヤと半導体基板との接合部における局所的な温度上昇を抑制することができる。そして、FWD部を、間にIGBT部を介して分散するように配置することにより、ワイヤとIGBT部の熱をFWD部に拡散させて、全体の温度分布を調整することができる。これにより、接合部における温度上昇を抑制し、通電時における信頼性を確保することができる。 In this configuration, a wire bonding region is provided at a position corresponding to the FWD portion on one surface side of a semiconductor substrate where an IGBT portion including a plurality of IGBT cells and an FWD portion including a plurality of FWD cells are provided. In addition, the wire is bonded to the wire bonding region provided corresponding to the FWD portion that generates less heat when energized than the IGBT portion, thereby suppressing a local temperature rise at the bonding portion between the wire and the semiconductor substrate. can do. And by arrange | positioning an FWD part so that it may disperse | distribute via an IGBT part in between, the heat | fever of a wire and an IGBT part can be spread | diffused to an FWD part, and the whole temperature distribution can be adjusted. Thereby, the temperature rise in a junction part can be suppressed and the reliability at the time of electricity supply can be ensured.
以下、本発明を大容量の電力変換装置として用いられる半導体装置に具体化した一実施形態について、図1及び図2を併せ参照して説明する。
図1及び図2に示す本実施形態の半導体装置11は、共通の半導体基板12に複数のIGBTセルを含むIGBT部13と複数のFDWセルを含むFWD部14とが併設されている。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a semiconductor device used as a large-capacity power conversion device will be described with reference to FIGS.
The semiconductor device 11 of this embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is provided with an
図1に示すように、半導体基板12の主表面側のアクティブ領域Acには、ワイヤボンディング領域15,16が設けられている。ワイヤボンディング領域15は、IGBT部13のゲート電極に通電するためのワイヤが接合される領域である。また、ワイヤボンディング領域16は、IGBT部13のエミッタ電極及びFWD部14のアノード電極として機能する電極に通電するためのワイヤ17が接合される領域である。
As shown in FIG. 1,
なお、半導体基板112の主表面側にはゲート電極用の配線をする必要があるために、ワイヤボンディング領域16は複数に分割される態様となっている。そして、ワイヤボンディング領域16に対しては、アルミニウム系のワイヤ17が超音波等で接合されることで、接合部18が形成される。
In addition, since it is necessary to wire for the gate electrode on the main surface side of the
そして、本実施形態の半導体装置11は、IGBT部13のアクティブ領域Ac内に、FWD部14が、間にIGBT部13を介して分散するように配置され、半導体基板12の一面側となる主表面側において、FWD部14と対応する位置にワイヤボンディング領域16が設けられている点が、図3及び図4に示す従来の半導体装置111と異なる。
In the semiconductor device 11 according to the present embodiment, the
図2に示すように、半導体装置11においては、半導体基板12のN導電型(n−)層19が、IGBT部13及びFWD部14のドリフト層となっている。また、N導電型(n−)層19の主表面側にはIGBT部13のベース領域となるP導電型(P)層20が形成されている。
As shown in FIG. 2, in the semiconductor device 11, the N conductivity type (n−)
そして、IGBT部13のP導電型(P)層20には、主表面側からP導電型(P)層20を貫通して底面がN導電型(n−)層19に達するトレンチが複数形成されている。そして、各トレンチにはゲート絶縁膜21を介してゲート電極22が埋め込まれている。
The P conductivity type (P)
さらに、IGBT部13のP導電型(P)層20の主表面側には、エミッタ領域となるN導電型(n+)領域23とコンタクト領域となるP導電型(P+)領域24aとが選択的に形成されている。そして、半導体基板12の主表面側には、各ゲート電極22を主表面側から覆いつつ、P導電型(P+)領域24a及びN導電型(n+)領域23の一部を露出するように層間絶縁膜25が形成されている。
Further, an N conductivity type (n +)
一方、FWD部14のP導電型(P)層20には、アノード領域となるP導電型(p+)領域24bが選択的に形成されている。
そして、半導体基板12の主表面には、アルミニウム系材料からなる電極26がN導電型(n+)領域23、P導電型(P+)領域24a及びP導電型(P+)領域24bと電気的に接続されるように形成されている。すなわち、電極126はエミッタ領域に接続されるエミッタ電極及びアノード領域に接続されるアノード電極として機能するようになっている。
On the other hand, the P conductivity type (P)
On the main surface of the
また、N導電型(n−)層19の裏面側には、フィールドストップ層となるN導電型(n)層27が形成されている。さらに、N導電型(n)層27の裏面側には、IGBT部13のコレクタ領域となるP導電型(P+)層28及びFWD部14のカソード領域となるN導電型(n+)領域29が形成されている。そして、P導電型(P+)層28及びN導電型(n+)領域29は、IGBT部13のコレクタ電極及びFWD部14のカソード電極として機能する電極基板に接続されるようになっている。
Further, an N conductivity type (n)
次に、IGBT部13の動作を説明する。
エミッタ電極とコレクタ電極との間に所定のコレクタ電圧を印可するとともに、エミッタ電極とゲート電極22との間に所定のゲート電圧を印可すると、エミッタ領域であるN導電型(n+)領域23とN導電型(n−)層19との間の部分(チャネル領域)がN型に反転してチャネルが形成される。すると、このチャネルを通じて、エミッタ電極からN導電型(n−)層19に電子が注入される。
Next, the operation of the
When a predetermined collector voltage is applied between the emitter electrode and the collector electrode and a predetermined gate voltage is applied between the emitter electrode and the
そして、注入された電子により、コレクタ領域であるP導電型(P+)層28とN導電型(n−)層19が順バイアスされ、P導電型(P+)層28からホールが注入されてN導電型(n−)層19の抵抗が大幅に下がり、IGBTの電流容量が増大する。
Then, by the injected electrons, the P conductivity type (P +)
また、エミッタ電極とゲート電極22との間に印可されていたゲート電圧を0Vにする、又は逆バイアスすると、N型に反転していたチャネル領域がP型に戻り、エミッタ電極からの電子の注入が止まる。これにより、P導電型(P+)層28からのホールの注入も止まる。その後、N導電型(n−)層19に蓄積されていたキャリア(電子とホール)がそれぞれコレクタ電極とエミッタ電極から排出されるか、互いに再結合して消滅する。
Further, when the gate voltage applied between the emitter electrode and the
次に、FWD部14の動作を説明する。
FWD部14においては、アノード電極である電極26とN導電型(n−)層19との間にアノード電圧(順バイアス)を印可し、アノード電圧が閾値を超えると、アノード領域であるP導電型(p+)領域24bとN導電型(n−)層19とが順バイアスされ、FWDが導電する。一方、電極26とN導電型(n−)層19との間に逆バイアスを印可すると、空乏層がアノード領域よりN導電型(n−)層19側へ伸びることで、逆方向耐圧を保持することができる。
Next, the operation of the
In the
ところで、IGBT部13及びFWD部14においては、通電時に電流が流れることで発生する定常損失やスイッチ動作の際に発生するスイッチング損失が原因となって発熱を生じる。また、通電時には各ワイヤ17も発熱するため、ワイヤ17側からの熱と半導体基板12側の熱とにより、接合部18において局所的な温度上昇が生じる虞がある。
By the way, in the
ここで、本実施形態の半導体装置11は、FWD部14の直上にのみワイヤボンディング領域16が配置されている。そして、一般にFWD部14はIGBT部13よりも損失が少ないため、通電時の発熱量も小さい傾向にある。したがって、FWD部14の直上に配置されたワイヤボンディング領域16にワイヤ17が接合されることにより、ワイヤ17とIGBT部13の熱はFWD部14に拡散され、接合部18における温度上昇が抑制される。
Here, in the semiconductor device 11 of the present embodiment, the
これに対して、従来の半導体装置111においては、ワイヤボンディング領域116と対応する位置にはIGBT部113とFWD部114とが混在しているために、ワイヤ117とIGBT部113の発熱により接合部118における温度上昇が顕著となる。
On the other hand, in the
すなわち、本実施形態の半導体装置11においては、半導体基板12の温度分布を均一化させるのに適切なサイズ及び間隔で配置したFWD部14と対応する位置にワイヤボンディング領域16を設けたことで、接合部18における温度上昇を抑制することが可能となる。したがって、繰り返し通電に伴う接合部18の温度変化の幅を小さくすることにより、熱応力による接合部18の劣化やワイヤ17の剥離を抑制することができる。
That is, in the semiconductor device 11 of the present embodiment, the
以上説明した本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)複数のIGBTセルを含むIGBT部13と、複数のFWDセルを含むFWD部14とが併設された半導体基板12の主表面側において、FWD部14と対応する位置にワイヤボンディング領域16が設けられている。そして、IGBT部13よりも通電時の発熱量が少ないFWD部14に対応して設けられたワイヤボンディング領域16にワイヤ17が接合されることにより、接合部18における局所的な温度上昇を抑制することができる。
According to this embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) On the main surface side of the
そして、FWD部14を、間にIGBT部13を介して分散するように配置することにより、ワイヤ17とIGBT部13の熱をFWD部14に拡散させて、全体の温度分布を調整することができる。これにより、接合部18における温度上昇を抑制し、通電時における信頼性を確保することができる。
And by arrange | positioning the
(2)半導体基板12において、FWD部14を、間にIGBT部13を介して分散するように配置することで、全体の温度分布を調整することができる。これにより、ワイヤ17の電流容量を確保しつつ、接合部18の温度上昇を抑制することができる。したがって、接合部18は従来の半導体装置111よりも電力集中に耐えることができるため、ワイヤ17の本数を削減することで製造効率を向上させ、コストダウンに貢献することができる。
(2) In the
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・ワイヤボンディング領域16は電極26の表面側に設けてもよいし、電極26の表面側に別途ボンディングパットを形成するようにしてもよい。
In addition, the said embodiment can also be changed and implemented as follows.
The
・フィールドストップ層は省略してもよい。
・IGBTセルはトレンチゲート構造に限らず、例えばプレーナ型のセル構造を採用してもよい。
-The field stop layer may be omitted.
The IGBT cell is not limited to the trench gate structure, and may be a planar cell structure, for example.
・IGBTセル及びFWDセルのIGBT部13及びFWD部14における配置数や、IGBT部13とFWD部14のサイズ及び配置、ワイヤ17の本数や接合部18の数は任意に設定することができる。
The number of IGBT cells and FWD cells arranged in the
・半導体装置11は、n−p−n型のIGBTセルとしてもよいし、pとnの導電型を逆にしたp−n−p型のIGBTセルとしてもよい。
・ワイヤ17は、より断面積の大きいテープ形状やリボン形状のものを用いてもよい。
The semiconductor device 11 may be an npn type IGBT cell, or may be a pnp type IGBT cell in which the conductivity types of p and n are reversed.
The
11…半導体装置、12…半導体基板、13…IGBT部、14…FWD部、16…ワイヤボンディング領域。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Semiconductor device, 12 ... Semiconductor substrate, 13 ... IGBT part, 14 ... FWD part, 16 ... Wire bonding area | region.
Claims (1)
該半導体基板の一面側において、前記FWD部と対応する位置にワイヤボンディング領域が設けられたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate provided with an IGBT section including a plurality of IGBT cells and an FWD section including a plurality of FWD cells arranged so as to be dispersed through the IGBT section between the IGBT sections;
A semiconductor device, wherein a wire bonding region is provided at a position corresponding to the FWD portion on one surface side of the semiconductor substrate.
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