JP2012004428A

JP2012004428A - パワー半導体素子

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Publication number: JP2012004428A
Application number: JP2010139484A
Authority: JP
Inventors: Eisuke Suekawa; 英介末川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】本発明は、半絶縁膜の特性の測定が容易にできるパワー半導体素子を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るパワー半導体素子は、基板と、該基板に形成された表面電極と、該基板内に該表面電極を囲むように形成された複数のガードリングと、該複数のガードリングに個別に形成された複数の導体と、該複数の導体を一体的に覆う半絶縁膜と、該基板の該ガードリングよりも外周側に形成された導電率モニターと、を有する。そして、該導電率モニターは該半絶縁膜と同じ材料で形成された測定用半絶縁膜の導電率を測定するモニターであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガードリングを備えたパワー半導体素子に関する。

特許文献１に記載のパワー半導体素子は、高耐圧化を目的に、パワー半導体素子の外周部分に複数のガードリングを備えている。ガードリングとはパワー半導体素子の外周部分に環状のｐｎ接合を作るように形成される環状の半導体層である。ガードリングはパワー半導体素子内の空乏層を延伸させることによりパワー半導体素子の耐圧向上に寄与する。

ガードリングを十分機能させるためには、複数のガードリング間の電位が最適値に固定されていることが好ましい。そのため、引用文献１に記載のパワー半導体素子は、複数のガードリング上にこれらを覆うように高抵抗の半絶縁膜（シリコン窒化膜）が形成されている。半絶縁膜は、パワー半導体素子の主電流が流れているときに、ガードリング間に微小電流を流す媒体となる。そして、ガードリング間の電位は、この微小電流と半絶縁膜の抵抗成分により発生する電位に固定される。このような半絶縁膜は、半絶縁膜の導電率、及び半絶縁膜とその下地の膜との間の界面電荷量（以後単に、界面電荷量と称することがある）が一定であることを前提として形成される。

特開平７−３２６７４４号公報

半絶縁膜の導電率又は界面電荷量はウエハ面内、ウエハ間、又はロット間でばらつく場合がある。この場合、ガードリング間の電位が最適値から逸脱し、パワー半導体素子の耐圧が低下することがあった。

また、周知のパワー半導体素子では半絶縁膜の導電率又は界面電荷量の値を測定できない。そのため、半絶縁膜の導電率又は界面電荷量のばらつきが原因でパワー半導体素子の耐圧低下が生じた場合には、その原因を特定するのが困難であった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半絶縁膜の特性の測定が容易にできるパワー半導体素子を提供することを目的とする。

第１の発明に係るパワー半導体素子は、基板と、該基板に形成された表面電極と、該基板内に該表面電極を囲むように形成された複数のガードリングと、該複数のガードリングに個別に形成された複数の導体と、該複数の導体を一体的に覆う半絶縁膜と、該基板の該ガードリングよりも外周側に形成された導電率モニターと、を有する。そして、該導電率モニターは該半絶縁膜と同じ材料で形成された測定用半絶縁膜の導電率を測定するモニターであることを特徴とする。

第２の発明に係るパワー半導体素子は、基板と、該基板に形成された表面電極と、該基板内に該表面電極を囲むように形成された複数のガードリングと、該複数のガードリングに個別に形成された複数の導体と、該複数の導体の間に形成された酸化膜と、該複数の導体を一体的に覆う半絶縁膜と、該基板の該ガードリングよりも外周側に形成された界面電荷量モニターと、を有する。そして、該界面電荷量モニターは、該半絶縁膜と同じ材料で形成された測定用半絶縁膜と、該酸化膜と同じ材料で形成された測定用酸化膜との界面の界面電荷量を測定するモニターであることを特徴とする。

本発明によれば、パワー半導体素子が備える半絶縁膜の特性の測定が容易にできる。

本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴの平面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。図１の破線枠で示す部分の拡大図である。図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。図１の破線枠で示す部分の拡大図である。図５のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴの平面図である。ＩＧＢＴ１０は中央部にエミッタ電極１２とゲート電極１４（以後、これらをまとめて表面電極と称することがある）とを備えている。表面電極を囲むように半絶縁膜１６が形成されている。半絶縁膜１６は半絶縁性窒化膜で形成されている。ＩＧＢＴ１０のコーナー部（角部）には導電率モニター１８が形成されている。導電率モニター１８は半絶縁膜１６が所望の導電率であるかモニターするために形成されている。ＩＧＢＴ１０の別のコーナー部には界面電荷量モニター２２が形成されている。界面電荷量モニター２２は半絶縁膜１６が所定の界面電荷量で形成されているかモニターするために形成されている。

図２は図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。ＩＩ−ＩＩ線は半絶縁膜１６が形成された部分を横断するように引かれた線である。ＩＧＢＴ１０はｎ型の基板２６を備えている。基板２６の表面には表面構造が形成され、裏面には裏面構造が形成されている。

まず表面構造を説明する。基板２６内の中央部分にはＰベース層２８とｎソース層３０が形成されている。Ｐベース層２８とｎソース層３０を覆うようにエミッタ電極１２が形成されている。基板２６の中央部分については周知の構成であるため、詳細な説明は省略する。基板２６内の外周部分には複数のガードリング３２が形成されている。基板２６の最外周にはチャネルストッパ３４が形成されている。ガードリング３２とチャネルストッパ３４はｐ型の導電型である。ガードリング３２とチャネルストッパ３４には、それぞれ個別に対応する導体３６が形成されている。複数の導体３６の間には、それらの絶縁を確保するために酸化膜３８が形成されている。複数の導体３６は高抵抗の半絶縁膜１６によって一体的に覆われている。すなわち、複数の導体３６は半絶縁膜１６を介して相互に接続されている。

次いで、裏面構造について説明する。基板２６の裏面にはｎ＋バッファ層４０が形成されている。ｎ＋バッファ層４０の表面にはｐ＋コレクタ層４２が形成されている。更に、ｐ＋コレクタ層４２の表面にはコレクタ電極４４が形成されている。

図３は図１の破線枠２０で示す部分の拡大図である。破線枠２０は導電率モニター１８を含むように描かれた破線である。導電率モニター１８はチャネルストッパ３４を下地とする部分に形成されている。導電率モニター１８には、第１電極５０と第２電極５２とが形成されている。第１電極５０と第２電極５２は表面電極と同一工程で形成されたものである。第１電極５０と第２電極５２の間には測定用半絶縁膜５４が形成されている。測定用半絶縁膜５４は半絶縁膜１６と同一工程で形成された膜である。そのため、測定用半絶縁膜５４は半絶縁膜１６と同じ特性を示すように形成されている。

図４は図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。ＩＶ−ＩＶ線は導電率モニター１８を横断するように引かれた線である。測定用半絶縁膜５４は第１電極５０と第２電極５２の間を埋めるように形成されている。第１電極５０、第２電極５２、及び測定用半絶縁膜５４は測定用酸化膜５６の表面に形成されている。測定用酸化膜５６は酸化膜３８と同一工程で形成された膜である。このような導電率モニター１８は、ガードリング３２よりもさらにＩＧＢＴ１０の外周側に形成されている。

図５は図１の破線枠２４で示す部分の拡大図である。破線枠２４は界面電荷量モニター２２を含むように描かれた破線である。界面電荷量モニター２２を平面的に見ると、基板２６と測定用電極６０が露出している。測定用電極６０は、表面電極と同一工程で形成されたものである。

図６は図５のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。ＶＩ−ＶＩ線は界面電荷量モニター２２を横断するように引かれた線である。界面電荷量モニター２２には、基板２６と接するように測定用酸化膜６２が形成されている。測定用酸化膜６２は酸化膜３８と同一工程で形成された膜である。そのため、測定用酸化膜６２は酸化膜３８と同じ特性を示す。測定用酸化膜６２には測定用半絶縁膜６４が形成されている。測定用半絶縁膜６４は半絶縁膜１６と同一工程で形成された膜である。そのため、測定用半絶縁膜６４は半絶縁膜１６と同じ特性を示す。測定用半絶縁膜６４には測定用電極６０が形成されている。

導電率モニター１８を利用した導電率の求め方について説明する。第１電極５０と第２電極５２にプローブを押圧し、測定用半絶縁膜５４に電流を流したときの電圧を測定する。この測定結果より測定用半絶縁膜５４の導電率を算出する。

界面電荷量モニター２２を利用した界面電荷量の求め方について説明する。測定用電極６０とコレクタ電極４４にプローブを押圧して以下の方法で界面電荷量(Ｑ_ＳＳ)を求める。測定用電極６０とコレクタ電極４４の間に、０〜３０Ｖ程度の電圧を印加しＣ−Ｖ特性を測定する。そして、そのＣ−Ｖ特性よりフラットバンド電圧(Ｖ_ＦＢ)を求めて、以下の計算式に基づき界面電荷量(Ｑ_ＳＳ)を算出する。

上記の測定及び算出により導電率と界面電荷量のデータを得ることができる。これらのデータは、２通りに利用される。第１には、半絶縁膜形成工程の処理条件の変更に利用される。具体的には、前述のデータに基づき、半絶縁膜１６を形成する工程の処理条件を、半絶縁膜１６の導電率と界面電荷量のばらつきを抑制できるように変更する。この変更は、ＩＧＢＴの商業的生産の前に処理条件の条件出しを行う段階で実施する。これにより、導電率と界面電荷量のばらつきを抑制する処理条件により半絶縁膜を形成できるため、当該ばらつきを抑制できる。なお、この処理条件の変更は、商業的生産開始後も継続することとしても良い。

第２には、前述のデータをＩＧＢＴ１０自体の検査のために利用する。具体的には、半絶縁膜の導電率又は界面電荷量のばらつきが原因でＩＧＢＴの耐圧低下が発生した場合、導電率モニター１８と界面電荷量モニター２２を測定することで、容易に異常の原因を特定することができる。

ところで、導電率モニター１８の測定用半絶縁膜５４は半絶縁膜１６と同一特性を示す。そのため、導電率モニター１８の測定値は半絶縁膜１６の測定値とみなすことができる。また、界面電荷量モニター２２の測定用酸化膜６２は酸化膜３８と同一特性を示し、測定用半絶縁膜６４は半絶縁膜１６と同一特性を示す。そのため、界面電荷量モニター２２の測定値は半絶縁膜１６と酸化膜３８の間の界面電荷量の測定値とみなすことができる。従って、精度よく半絶縁膜１６の導電率と界面電荷量のばらつきを抑制できる。

また、導電率モニター１８と界面電荷量モニター２２の形成は上述のとおり他の工程と共に実施されるため、工程増加を回避できる。よって、製造コストを上昇させずに、導電率モニター１８と界面電荷量モニター２２を形成することができる。

本発明の実施の形態では、導電率モニター１８と界面電荷量モニター２２は、ガードリング３２よりもさらにＩＧＢＴの外周側の領域（外周無効領域という）に形成されている。そのため、導電率モニター１８と界面電荷量モニター２２がＩＧＢＴ１０の動作や特性（コレクタ・エミッタ間飽和電圧、しきい値電圧、ターンオン特性、又はターンオフ特性等）に影響することを回避できる。

本発明の実施の形態に係るＩＧＢＴ１０は、導電率モニター１８と界面電荷量モニター２２の両方を備えるが、必要に応じて一方のモニターだけを備えることとしても良い。

本発明は、ＩＧＢＴに限定されず、複数のガードリング間の電位を最適値に固定するために半絶縁膜を形成するパワー半導体素子全般に応用できる。よって、たとえば、パワーＭＯＳＦＥＴやダイオードなどに導電率モニター１８と界面電荷量モニター２２の両方あるいは一方を形成しても本発明の効果を得ることができる。

１０ＩＧＢＴ、１２エミッタ電極、１４ゲート電極、１６半絶縁膜、１８導電率モニター、２２界面電荷量モニター、２６基板

Claims

基板と、
前記基板に形成された表面電極と、
前記基板内に前記表面電極を囲むように形成された複数のガードリングと、
前記複数のガードリングに個別に形成された複数の導体と、
前記複数の導体を一体的に覆う半絶縁膜と、
前記基板の前記ガードリングよりも外周側に形成された導電率モニターと、を有し、
前記導電率モニターは前記半絶縁膜と同じ材料で形成された測定用半絶縁膜の導電率を測定するモニターであることを特徴とするパワー半導体素子。
前記導電率モニターは、
前記表面電極と同じ材料で形成された第１電極と、
前記表面電極と同じ材料で形成された第２電極とを備え、
前記測定用半絶縁膜は、前記第１電極と前記第２電極の間を埋めるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体素子。
基板と、
前記基板に形成された表面電極と、
前記基板内に前記表面電極を囲むように形成された複数のガードリングと、
前記複数のガードリングに個別に形成された複数の導体と、
前記複数の導体の間に形成された酸化膜と、
前記複数の導体を一体的に覆う半絶縁膜と、
前記基板の前記ガードリングよりも外周側に形成された界面電荷量モニターと、を有し、
前記界面電荷量モニターは、前記半絶縁膜と同じ材料で形成された測定用半絶縁膜と、前記酸化膜と同じ材料で形成された測定用酸化膜との界面の界面電荷量を測定するモニターであることを特徴とするパワー半導体素子。
前記測定用酸化膜は前記基板に形成され、
前記測定用半絶縁膜は前記測定用酸化膜に形成され、
前記表面電極と同じ材料で前記測定用半絶縁膜に形成された電極を備えたことを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体素子。