JP2019149558A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、メインIGBTおよびセンスIGBTのレイアウトによっては、メインIGBTのためのアクティブ領域の外周からホール電流がセンスIGBTに流れ込む場合がある。その場合、メインIGBTのエミッタとのスイッチング位相のずれ等によって、センスIGBTに過電流が流れることがある。センスIGBTは、電流監視の役割として、所定の過電流が流れるとシステムを停止させるため、この一時的な過電流が誤動作の原因になる。そのため、従来は、誤動作を回避するため、フィルター回路の導入や過電流検出値を高くする等のマージン設計が必要であり、その結果、センスIGBTの感度が低下するという問題があった。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置1の模式的な斜視図である。図2は、図1の半導体装置1の模式的な平面図である。図2では、明瞭化のため、ゲート配線7にハッチングを付してある。
半導体基板2の上には、メインエミッタ電極6、ゲート配線7およびセンスエミッタ電極8を含む電極膜9が形成されている。半導体基板2の裏面には、ほぼ全面に、コレクタ電極10が形成されている。半導体基板2は、たとえば、平面視矩形に形成されており、それに応じて半導体装置1は平面視において矩形形状を有している。
ゲート配線7は、半導体装置1の一角部に形成されたパッド部11と、半導体装置1の表面の外周部の全周に亘って形成された本発明の主線部の一例としての外周配線部12と、外周配線部12から半導体装置1の表面の内方領域に向かって延びた複数本(この実施形態では4本)のメインゲートフィンガー部13と、同じく外周配線部12から半導体装置1の表面の内方領域に向かって延びた複数本(この実施形態では2本)のセンスゲートフィンガー部14を含む。
メインゲートフィンガー部13は、外周配線部12の一対の長辺部分から各2本ずつ間隔を空けて互いに平行に延びるように形成されている。
センスゲートフィンガー部14は、外周配線部12の一角部を構成する長辺部分および短辺部分から1本ずつ、その内方に所定のパッド領域23が区画されるように形成されている。センスゲートフィンガー部14の一方および他方は、それぞれ、本発明の第1分岐部および第2分岐部の一例としてのオン側フィンガー15およびオフ側フィンガー16である。オン側フィンガー15およびオフ側フィンガー16は、互いの先端部間にパッド領域23の一部を開放させる開放部22が形成されるように対向している。
図3は、図2の破線IIで囲まれた部分の拡大図である。図4A〜4Cは、センスセル領域25およびメインセル領域26のセルパターンを示す模式図である。
図4Aおよび4Bに示すように、センスセル領域25およびメインセル領域26には、共に複数本のセンス側トレンチ27およびメイン側トレンチ28が等間隔で配列されている。そして、各センス側トレンチ27およびメイン側トレンチ28の両端が、外周配線部12、メインゲートフィンガー部13またはセンスゲートフィンガー部14にそれぞれ電気的に接続されている。センス側トレンチ27およびメイン側トレンチ28によって、センスセル領域25およびメインセル領域26は、それぞれ、ストライプ状のセンスセル31(センスIGBTセル)およびメインセル32(メインIGBTセル)に区画されている。
次に、図5〜図9A,9B,9Cを参照して、半導体装置1の構成をより詳細に説明する。
p+型コレクタ領域3のp型ドーパントとしては、たとえば、B(ホウ素)、Al(アルミニウム)等を使用できる(以下、p型不純物領域において同じ)。一方、n型バッファ領域4およびn−型ドリフト領域5のn型ドーパントとしては、たとえば、N(窒素)、P(リン)、As(ひ素)等を使用できる(以下、n型不純物領域において同じ)。
n−型ドリフト領域5の表面部には、p型ベース領域35が形成されている。p型ベース領域35は、センスセル領域25およびメインセル領域26に跨るように、半導体基板2のほぼ全域に亘って形成されている。p型ベース領域35のドーパント濃度は、たとえば、1×1016cm−3〜1×1018cm−3である。また、p型ベース領域35の表面からの深さは、たとえば、1.0μm〜3.0μmである。
そして、ゲート絶縁膜36を介して各トレンチ27,28には、たとえばポリシリコン等からなる電極材料が埋め込まれている。これにより、センス側トレンチ27にセンス側ゲート電極37が形成され、メイン側トレンチ28にメイン側ゲート電極38が形成されている。各電極(抵抗部)37,38は、この実施形態では、それぞれ、各トレンチ27,28の開口端まで埋め込まれている。
また、各センスセル31およびメインセル32においてp型ベース領域35の表面部には、それぞれ、p+型ベースコンタクト領域48,49が形成されている。p+型ベースコンタクト領域48,49は、半導体基板2の表面からn+型エミッタ領域46,47の底部を超えて延びるように形成されている。p+型ベースコンタクト領域48,49の深さは、たとえば、0.2μm〜0.8μmである。また、p+型ベースコンタクト領域48,49のドーパント濃度は、たとえば、5×1018cm−3〜1×1020cm−3である。
同様に、オフ側ダイオード34は、図9A,9Bに示すように、たとえば円形の本発明の中央部の一例としてのp型部43と、当該p型部43の全周を取り囲む四角環状の本発明の周縁部の一例としてのn型部44とを含み、p型部43の外周に沿ってpn接合が形成されている。
なお、p型部41,43は円形である必要はなく、たとえば、三角形状や四角形状等であってもよい。また、n型部42,44は四角環状である必要はなく、たとえば、円環状であってもよい。
メインエミッタ電極6、ゲート配線7およびセンスエミッタ電極8は、層間絶縁膜50上に形成されている。図5に示すように、メインエミッタ電極6およびセンスエミッタ電極8は、それぞれ、コンタクトホール53,52を介して、n+型エミッタ領域47,46およびp+型ベースコンタクト領域49,48に接続されている。
まず、図8Aに示すように、オン側フィンガー15の先端部は、中央のp型部41の外周に沿って形成され、この実施形態では、円形に形成されている。コンタクトホール56も同様に円形に形成されている。
半導体基板2の裏面に形成されたコレクタ電極10は、裏面から順に積層されたAlSi/Ti/Ni/Au積層構造を有している。このコレクタ電極10は、図5に示すように、センスセル31とメインセル32との間の共通の電極となっている。
そして、半導体装置1によれば、正のゲート電圧に対して、オン側ダイオード33が順方向に接続され、オフ側ダイオード34が逆方向に接続されている。これにより、ゲート電極37,38に印加される電圧の極性(正負)に応じて、オン側フィンガー15を利用するオン側ダイオード33経路、もしくはオフ側フィンガー16を利用するオフ側ダイオード34経路のどちらを通ってセンスゲート電圧を印加するかを選択的に指定することができる。
図11に示すように、メインセル32のターンオン(turn-on)時には、センスセル31のゲート抵抗が小さいほど、ピークセンス電流(つまり、電流ノイズのピーク値)が小さいことが分かる。一方、メインセル32のターンオフ(turn-off)時には、センスセル31のゲート抵抗が大きいほど、ピークセンス電流が小さいことが分かる。
これらの結果、センスセル31が誤動作することを回避するために、半導体装置1にフィルター回路を導入したり、ドライバIC21(図1参照)において過電流検出値を高くしたりする等のマージン設計をする必要がなくなる。これにより、ドライバIC21の検出感度を向上できるので、本発明の半導体装置1を備えたシステムの性能を向上させることができる。
半導体装置1を製造するには、まず、半導体基板2(n−型ドリフト領域5)が選択的にエッチングされることによって、センス側トレンチ27およびメイン側トレンチ28が同時に形成される(S1)。
次に、たとえばLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法によって、ポリシリコンが半導体基板2上に堆積される(S3)。ポリシリコンの堆積は、トレンチ27,28を完全に埋め戻し、半導体基板2がポリシリコン覆われるまで続けられる。
次に、インプラ後のポリシリコンが選択的にエッチングされることによって、オン側ダイオード33、オフ側ダイオード34、オン側抵抗配線39およびオフ側抵抗配線40が同時に形成される(S6)。
次に、半導体基板2の表面に対してn型ドーパントがイオン注入(インプラ)され、その後、半導体基板2がアニール処理される。これにより、n型ドーパントがドライブイン拡散してn+型エミッタ領域46,47が形成される(S8)。
次に、たとえばCVD法によって、半導体基板2上に層間絶縁膜50が形成される(S10)。
次に、必要に応じて半導体基板2を裏面からの研削によって薄化させた後、半導体基板2の裏面に対して選択的にn型およびp型ドーパントがイオン注入(インプラ)され、その後、半導体基板2がアニール処理(この実施形態では、レーザアニール)される。これにより、n型およびp型ドーパントがドライブイン拡散してn型バッファ領域4およびp+型コレクタ領域3が形成される(S12)。
以上のような工程を経て、図1〜図7A,7B,7Cに示す半導体装置1が得られる。なお、上記の製造工程は、半導体装置1の製造工程の一部を表したに過ぎず、半導体装置1の製造工程は、上で説明しなかった工程を含んでいてもよい。
<半導体パッケージ>
図13は、半導体装置1が組み込まれた半導体パッケージ71の模式的な平面図である。図14は、図13の半導体パッケージ71の実装構造を示す断面図である。
半導体パッケージ71は、半導体装置1と、電極72〜74と、のワイヤ75〜77と、樹脂パッケージ78とを含む。図13において、樹脂パッケージ78は、2点鎖線で示されている。半導体パッケージ71は、実装基板79に実装されている。図14に示すように、半導体パッケージ71は、半導体装置1の種類により、電気回路におけるスイッチング機能、整流機能、増幅機能などを果たす電子部品として用いられる。
ダイボンディングパッド80は、半導体装置1を搭載するためのものである。ダイボンディングパッド80は、平板状である。ダイボンディングパッド80は、配置面801と、裏面802とを有する。配置面801は方向z1を向く。裏面802は、方向z2を向く。配置面801には、半導体装置1が配置されている。ダイボンディングパッド80には半導体装置1にて発生した熱が伝わる。ダイボンディングパッド80には、配置面801から裏面802にわたって貫通する孔82が形成されている。図13に示すように、孔82は、xy平面視において、ダイボンディングパッド80の方向x2側の端部からx1方向に凹む形状であってもよい。
電極73は、ワイヤボンディングパッド85と、リード86とを含む。電極73は、xy平面視において、ダイボンディングパッド80の方向x1側、且つ、リード81の方向y1側、に位置する。
ワイヤボンディングパッド87およびリード88は、一体成型されていてもよい。ワイヤボンディングパッド87およびリード88は、たとえば銅などの導電性材料よりなる。ワイヤボンディングパッド87は、ダイボンディングパッド80より小さい略矩形の平板状である。リード88は、ワイヤボンディングパッド87とつながる。リード88は、ワイヤボンディングパッド87から方向x1に向かって線状に延びる形状である。リード88を実装基板79に固定するために、孔83にハンダ84が充填されている。リード88は、リード81に並列されている。リード88とリード86との間に、リード81が位置する。リード88は、樹脂パッケージ78から突出する部位を有する。リード88は挿入実装用のものである。図14に示すように、リード88が孔83に挿入される。これにより、半導体パッケージ71が実装基板79に実装される。
第1面781は、平坦面783とテーパ面784とを有する。図14に示すように、平坦面783は、半導体パッケージ71を実装基板79に実装するための実装面である。平坦面783からは、ダイボンディングパッド80の裏面802が露出している。平坦面783は、裏面802と面一となっていてもよいし、裏面802と面一でなくてもよい。テーパ面784は、平坦面783につながる。テーパ面784は、方向z1に向かうにつれ、xy平面における外側に向かう形状である。
樹脂パッケージ78には、複数の平坦面785の一つから凹むピン跡787が形成されている。また、樹脂パッケージ78には、ネジ穴788が形成されている。ネジ穴788には、半導体パッケージ71を放熱板89に固定するためのネジ90が挿通される。
<半導体モジュール>
図15は、半導体装置1が組み込まれた半導体モジュール91の模式的な平面図である。図16は、図15の半導体モジュール91の樹脂製ベース部92を省略した図である。図17は、図15の半導体モジュール91によって構成されたインバータ回路101を示す図である。
ベース部92は、平面視長方形のケース状に形成され、上方が開口している。電極板93〜95は、たとえば、Cu(銅)、Al(アルミニウム)またはこれらの合金からなっていてもよい。
電極板94u、94v、94wは、それぞれの低段部96が互いの間に隙間を設けて横方向に並べられ、この並んだ電極板94の各低段部96の端縁と対向して電極板93が配置されている。
電極板93の連通部65と電極板95の連通部97とは、それぞれ一端側(ここでは延設部98d側)で互いの間隙を保持したまま上方へ垂直に折り曲げられてベース部92から上へ延び、その後、外部接続部68,69として互いに逆方向、かつ連通部65,97と平行に折り曲げられている。
同様に、ベース部92の底面にある電極板94の低段部96上にも、電極板95の連通部97と延設部98(98a、98b)でコ字形に囲まれた領域において、各延設部にそって半導体装置(IGBT)1nとFWD70nの組が1組ずつ半田により接合されている。
金属電極板94u上の半導体装置1nは、上面のメインエミッタ電極6が電極板95の延設部98(98a,98b)に複数本の金属ワイヤW1によって接続され、ゲート配線7はゲート端子102nと金属ワイヤW3によって接続され、センスエミッタ電極8はセンスエミッタ端子103nと金属ワイヤW4によって接続されている。また、FWD70nは、上面のアノード電極が延設部98に複数本の金属ワイヤW2によって接続されている。
電極板93の外部接続部68が回路入力のP端子になり、電極板95の外部接続部69がN端子、電極板94(94u、94v、94w)の各外部接続部100が出力端子U、V、Wとなる。これらの入出力端子はさらにインバータ装置における図示しないバスバーあるいは強電ケーブルに接続される。また、ゲート端子102p、102nおよびセンスエミッタ端子103p,103nは、たとえば、半導体モジュール91のベース部92の上に取り付けられる駆動信号制御基板の駆動信号出力端子(図示せず)に接続される。
たとえば、半導体装置1の各半導体部分の導電型を反転した構成が採用されてもよい。つまり、半導体装置1において、p型の部分がn型であり、n型の部分がp型であってもよい。
また、前述の実施形態では、オン側抵抗配線39の抵抗値Rg1とオフ側抵抗配線40の抵抗値Rg2との差を、抵抗配線39,40の長さLon、Loffによって規定したが、たとえば、オン側抵抗配線39の幅Wonをオフ側抵抗配線40のWoffよりも広くすることによって、Rg1<Rg2の関係を規定してもよい。
また、前述の実施形態では、トレンチゲート構造を有するIGBTの形態のみを示したが、本発明はプレーナゲート構造を有するIGBTに適用することもできる。この場合、半導体基板2上に形成されるゲート電極のパターンを工夫することによって、相対的に幅の広いオン側抵抗電極(配線)、およびオン側抵抗電極よりも相対的に幅の狭いオフ側抵抗電極(配線)を設ければよい。
なお、前述の実施形態の内容から、特許請求の範囲に記載した発明以外にも、以下のような特徴が抽出され得る。
(項1)互いに並列に接続されたメインIGBTセルおよびセンスIGBTセルを備える半導体層と、前記センスIGBTセルのゲート配線部を利用して形成された第1抵抗値を有する第1抵抗部、および前記第1抵抗値よりも高い第2抵抗値を有する第2抵抗部と、前記第1抵抗部および前記第2抵抗部に、互いに異なる経路で電気的に接続されたゲート配線と、前記ゲート配線と前記第1抵抗部との間に設けられた第1ダイオードと、前記ゲート配線と前記第2抵抗部との間に前記第1ダイオードとは逆向きに設けられた第2ダイオードと、前記半導体層上に配置され、前記メインIGBTセルのエミッタに電気的に接続されたエミッタ電極と、前記半導体層上に配置され、前記センスIGBTセルのエミッタに電気的に接続されたセンスエミッタ電極とを含む、半導体装置。
メインIGBTをターンオンするときに第1ダイオード経路が導通するようにしておけば、ターンオン時には、相対的に低抵抗な第1抵抗部(第1ゲート抵抗)を通ってセンスゲート電圧が印加される。したがって、第1抵抗値Rg1を、メインIGBTのゲート抵抗Rgmと同程度に設計しておくことで、センスIGBTがターンオンするタイミングを、メインIGBTがターンオンするタイミングに近づけることができる。その結果、両者の位相ずれ(位相差)を小さくできるので、意図しない過電流がセンスIGBTに流れることを抑制することができる。よって、ターンオン時の電流ノイズを低減することができる。
(項2)前記センスIGBTセルのゲート配線部は、前記センスIGBTセルを各セル単位に分割する所定の配線パターンで形成されたゲート電極を含み、前記第1抵抗部および前記第2抵抗部は、それぞれ、前記ゲート電極の周縁部に配置されている、項1に記載の半導体装置。
(項3)前記ゲート電極は、ストライプパターンを含み、前記第1抵抗部および前記第2抵抗部は、それぞれ、前記ストライプパターンのゲート電極の一端部およびその反対側の他端部に配置されている、項2に記載の半導体装置。
(項4)前記第1抵抗部は、前記第2抵抗部に比べて短い配線長を有している、項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項5)前記第1抵抗部は、前記第2抵抗部に比べて広い配線幅を有している、項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項6)前記第1ダイオードは、前記半導体層上に配置され、第1導電型の中央部および当該中央部を取り囲む第2導電型の周縁部を有する第1堆積層からなり、前記第2ダイオードは、前記半導体層上に配置され、第1導電型の中央部および当該中央部を取り囲む第2導電型の周縁部を有する第2堆積層からなる、項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項7)前記第1堆積層の周縁部および/または前記第2堆積層の周縁部は、それぞれ、内方の前記中央部の全周を取り囲むように形成されている、項6に記載の半導体装置。
この構成によれば、第1堆積層および/または第2堆積層の各中央部の全周に亘ってpn接合を形成できるので、リーク電流の発生を抑制することができる。
(項8)前記第1堆積層の周縁部および/または前記第2堆積層の周縁部は、それぞれ、内方の前記中央部の一部を選択的に取り囲むように形成されている、項6に記載の半導体装置。
(項9)前記第1堆積層および/または前記第2堆積層は、ドープトポリシリコンからなる、項6〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項10)前記ゲート配線は、前記第1堆積層の中央部および前記第2堆積層の周縁部に接続され、前記半導体装置は、前記第1堆積層の周縁部と前記第1抵抗部とを接続する第1コンタクト配線と、前記第2堆積層の中央部と前記第2抵抗部とを接続する第2コンタクト配線とを含む、項6〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項11)前記第1抵抗部および前記第2抵抗部は、前記第1堆積層および前記第2堆積層と同じ堆積層を用いて形成されている、項6〜10のいずれか一項に記載の半導体装置。
(項12)前記ゲート配線は、主線部と、前記主線部から分岐した第1分岐部および第2分岐部とを含み、前記第1分岐部および前記第2分岐部は、それぞれ、前記第1ダイオードおよび前記第2ダイオードに接続されている、項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置
(項13)前記半導体層の裏面に配置され、前記メインIGBTと前記センスIGBTとの間で共通のコレクタ電極を含む、項1〜12のいずれか一項に記載の半導体装置。
2 半導体基板
3 p+型コレクタ領域
4 n型バッファ領域
5 n−型ドリフト領域
6 メインエミッタ電極
7 ゲート配線
8 センスエミッタ電極
10 コレクタ電極
12 外周配線部
15 オン側フィンガー
16 オフ側フィンガー
21 ドライバIC
25 センスセル領域
26 メインセル領域
27 センス側トレンチ
28 メイン側トレンチ
29 オン側コンタクト部
30 オフ側コンタクト部
31 センスセル
32 メインセル
33 オン側ダイオード
34 オフ側ダイオード
35 p型ベース領域
36 ゲート絶縁膜
37 センス側ゲート電極
38 メイン側ゲート電極
39 オン側抵抗配線
40 オフ側抵抗配線
41 (オン側)p型部
42 (オン側)n型部
43 (オフ側)p型部
44 (オフ側)n型部
46 n+型エミッタ領域
47 n+型エミッタ領域
50 層間絶縁膜
60 オン側コンタクト配線
61 オフ側コンタクト配線
Claims (13)
- 互いに並列に接続されたメインIGBTセルおよびセンスIGBTセルを備える半導体層と、
第1経路および前記第1経路とは異なる第2経路を利用することによって前記メインIGBTセルのゲート配線部と前記センスIGBTセルのゲート配線部とに接続された第1抵抗部および第2抵抗部であって、第1抵抗値を有する前記第1抵抗部、および前記第1抵抗値よりも高い第2抵抗値を有する前記第2抵抗部と、
前記第1経路に含まれた第1ダイオードと、
前記第2経路に含まれ、かつ前記第1ダイオードとは逆向きに設けられた第2ダイオードとを含む、半導体装置。 - 前記センスIGBTセルのゲート配線部は、前記センスIGBTセルを各セル単位に分割する所定の配線パターンで形成されたゲート電極を含み、
前記第1抵抗部および前記第2抵抗部は、それぞれ、前記ゲート電極の周縁部に配置されている、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記ゲート電極は、ストライプパターンを含み、
前記第1抵抗部および前記第2抵抗部は、それぞれ、前記ストライプパターンのゲート電極の一端部およびその反対側の他端部に配置されている、請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第1抵抗部は、前記第2抵抗部に比べて短い配線長を有している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1抵抗部は、前記第2抵抗部に比べて広い配線幅を有している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1ダイオードは、前記半導体層上に配置され、第1導電型の中央部および当該中央部を取り囲む第2導電型の周縁部を有する第1堆積層からなり、
前記第2ダイオードは、前記半導体層上に配置され、第1導電型の中央部および当該中央部を取り囲む第2導電型の周縁部を有する第2堆積層からなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記第1堆積層の周縁部および/または前記第2堆積層の周縁部は、それぞれ、内方の前記中央部の全周を取り囲むように形成されている、請求項6に記載の半導体装置。
- 前記第1堆積層の周縁部および/または前記第2堆積層の周縁部は、それぞれ、内方の前記中央部の一部を選択的に取り囲むように形成されている、請求項6に記載の半導体装置。
- 前記第1堆積層および/または前記第2堆積層は、ドープトポリシリコンからなる、請求項6〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1堆積層の中央部および前記第2堆積層の周縁部に接続されたゲート配線を含み、
前記半導体装置は、前記第1堆積層の周縁部と前記第1抵抗部とを接続する第1コンタクト配線と、前記第2堆積層の中央部と前記第2抵抗部とを接続する第2コンタクト配線とを含む、請求項6〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記第1抵抗部および前記第2抵抗部は、前記第1堆積層および前記第2堆積層と同じ堆積層を用いて形成されている、請求項6〜10のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1抵抗部および前記第2抵抗部に電気的に接続されたゲート配線を含み、
前記ゲート配線は、主線部と、前記主線部から分岐した第1分岐部および第2分岐部とを含み、
前記第1分岐部および前記第2分岐部は、それぞれ、前記第1ダイオードおよび前記第2ダイオードに接続されている、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記半導体層上に配置され、前記メインIGBTセルに電気的に接続された第1電極と、
前記半導体層上に配置され、前記センスIGBTセルに電気的に接続されたセンス第1電極と、
前記半導体層の裏面に配置され、前記メインIGBTと前記センスIGBTとの間で共通の第2電極とを含む、請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体装置。
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