JP2023147422A - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＲＣ－ＩＧＢＴのダイオード部のｐボディ層面積を低減してホール注入を抑制し、リカバリー特性を向上させる半導体装置及び電力変換装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００のＲＣ－ＩＧＢＴは、２つのボディ層５と、その間に設けられた第１のトレンチ１３と、第１のボディ層側の側壁にゲート絶縁膜を介して形成された第１のゲート電極７と、第２のボディ層側の側壁にゲート絶縁膜を介して形成された第２のゲート電極１６とを有し、第１のゲート電極と第２のゲート電極とが間に第１の絶縁膜１４ａを介して離間している。ダイオードは、２つのボディ層５と、その間に設けられたトレンチ１３と、を有する。ダイオードのトレンチ１３は、第３のボディ層側の側壁に絶縁膜を介して形成された第１の電極１０と、第３のボディ層側の側壁に絶縁膜を介して形成された第２の電極１７と、を有し、両電極が間に第２の絶縁膜１４ａを介して離間している。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置および電力変換装置に関する。
同一チップ内にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とダイオードを内蔵した逆導通ＩＧＢＴ（以降、「ＲＣ－ＩＧＢＴ」と称する。）は、（１）ＩＧＢＴとダイオードのターミネーション領域を共通化できることによるチップサイズ低減および（２）ＩＧＢＴ領域またはダイオード領域で発生した損失がチップ全体で放熱されるために熱抵抗が低減、といったメリットがある。一方、ＩＧＢＴとダイオードを同一チップ内に作りこむため、各々のチップの同時最適化が難しく、特にダイオード部のライフタイム制御が困難であり、ダイオードの低注入化やリカバリー損失低減が課題である。
ＲＣ－ＩＧＢＴのダイオード部の低注入化を課題とする技術として、例えば、特許文献１がある。特許文献１には、領域Ａ（ＩＧＢＴ領域）に第１の溝６が複数設けられ、これらの溝は、第１の間隔で等間隔に設けられており、領域Ｂ（ダイオード領域）では、第２の溝１０が複数設けられ、これらの溝は、第２の間隔で等間隔に設けられており、上記第２の間隔を、上記第１の間隔よりも小さくするようにした半導体装置の構成が開示されている。特許文献１の構成によれば、領域Ｂ（ダイオード領域）により多くの溝が設けられているため、ダイオードがオンした時にダイオードのアノードとして寄与するＰベース層２の面積が相対的に減少するため、Ｐベース層２からのホールの注入が抑制され、第１主面近傍のキャリア密度が減少し、リカバリー動作時のピーク電流を下げることが可能となり、ダイオードのリカバリー特性を改善することができるとされている。
特開２００８－５３６４８号公報
上記特許文献１では、ＲＣ－ＩＧＢＴのダイオード部のＰベース層２（ｐボディ層）の面積を減少することで、ホール注入が抑制するものであるが、上記特許文献１の手法では、トレンチ間隔を小さくすることで、ｐボディ層面積を減少させているため、トレンチの加工の限界で、ｐボディ層面積の低減には限界がある。
本発明は、上記事情に鑑み、ＲＣ－ＩＧＢＴのダイオード部のｐボディ層面積を低減してホール注入を抑制し、リカバリー特性を向上できる半導体装置および電力変換装置を提供する。
上記課題を解決する本発明の一態様は、１つのチップ内にＩＧＢＴ部とダイオード部とを有するＲＣ－ＩＧＢＴにおいて、ＩＧＢＴは、第１導電型の第１のボディ層および第２のボディ層と、第１のボディ層および第２のボディ層の間に設けられた第１のトレンチと、を有し、第１のトレンチは、第１のボディ層側の側壁にゲート絶縁膜を介して形成された第１のゲート電極と、第２のボディ層側の側壁にゲート絶縁膜を介して形成された第２のゲート電極とを有するとともに、第１のゲート電極と第２のゲート電極とが間に少なくとも第１の絶縁膜を介して離間しており、ダイオードは、第１導電型の第３のボディ層および第４のボディ層と、第３のボディ層および第４のボディ層の間に設けられた第２のトレンチと、を有し、第２のトレンチは、第３のボディ層側の側壁に絶縁膜を介して形成された第１の電極と、第３のボディ層側の側壁に絶縁膜を介して形成された第２の電極とを有するとともに、第１の電極と前記第２の電極とが間に少なくとも第２の絶縁膜を介して離間していることを特徴とする半導体装置である。
また、上記課題を解決するための本発明の他の態様は、一対の直流端子と、交流出力の相数と同数の交流端子と、一対の直流端子間に接続され、スイッチング素子とスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとで構成された並列回路が２個直列に接続された、交流出力の相数と同数のスイッチングレッグと、スイッチング素子を制御するゲート回路と、を有する電力変換装置であって、ダイオード、スイッチング素子およびゲート回路は、上記半導体装置であることを特徴とする電力変換装置である。
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
本発明によれば、ＲＣ－ＩＧＢＴのダイオード部のｐボディ層面積を低減してホール注入を抑制し、リカバリー特性を向上できる半導体装置および電力変換装置を提供できる。
なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。
本発明の半導体装置の第１の例を模式的に示す断面図 本発明の半導体装置の第２の例を模式的に示す断面図 本発明の半導体装置の第３の例を模式的に示す断面図 本発明の電力変換装置の概略構成を示す回路図
以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。
［半導体装置］
図１は本発明の半導体装置の第１の例を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本発明の半導体装置（ＲＣ－ＩＧＢＴ）１００は、ＩＧＢＴ部とＤｉｏｄｅ部を有する。裏面側から表面側に向かって、コレクタ電極層／カソード電極層１、コレクタ層／カソード層２、バッファ層３、ドリフト層４およびボディ層５、絶縁層１４およびエミッタ／アノード電極層６が積層された構造を有している。なお、図１中の導電型「ｐ」および「ｎ」は、反転しても良い。
表面側の構造は、ＩＧＢＴ部、Ｄｉｏｄｅ部共に、２つのボディ層５と、ボディ層５に挟まれたトレンチ１３を有する。ＩＧＢＴ部側のボディ層を第１のボディ層および第２のボディ層とし、Ｄｉｏｄｅ部側のボディ層を、第３のボディ層および第４のボディ層とする。また、第１のボディ層および第２のボディ層の間に設けられたトレンチを第１のトレンチ、第３のボディ層および第４のボディ層の間に設けられたトレンチを第２のトレンチとする。
ＩＧＢＴ部のトレンチ１３（第１のトレンチ）は、第１のボディ層５側の側壁にゲート絶縁膜１２を介してポリシリコンのゲート電極（第１のゲート電極）７が形成されている。第２のボディ層５側の側壁にゲート絶縁膜１２を介してポリシリコンのゲート電極（第２のゲート電極）１６が形成されている。そして、２つのゲート電極７，１６の間は、絶縁膜１４と接続されている絶縁膜１４ａを介して離間されており、また２つのゲート電極７，１６の間には、絶縁膜１４ａを介して離間され、エミッタ／アノード電極層６に接続されたポリシリコンのエミッタ電極８が形成されている。
Ｄｉｏｄｅ部のトレンチ１３（第２のトレンチ）は、第３のボディ層５側の側壁に絶縁膜１５を介してポリシリコンの電極（第１の電極）１０が形成され、第４のボディ層５側の側壁１５に絶縁膜を介してポリシリコンの電極（第２の電極）１７が形成されている。そして、２つの電極１０，１７の間は絶縁膜１４ａを介して離間されており、また２つのゲート電極１０，１７の間には、絶縁膜１４ａを介して離間され、エミッタ／アノード電極層６に接続されたポリシリコンのアノード電極１１が形成されている。
ＩＧＢＴ部とＤｉｏｄｅ部の境界部のトレンチ１３（第３のトレンチ）は、第２のボディ層５側の側壁に絶縁膜１５を介してポリシリコンの電極（第３の電極）
１９が形成され、第４のボディ層５側の側壁１５に絶縁膜を介してポリシリコンの電極（第４の電極）２０が形成されている。そして、２つの電極１９，２０の間は絶縁膜１４ａを介して離間されており、また２つのゲート電極１９，２０の間には、絶縁膜１４ａを介して離間され、エミッタ／アノード電極層６に接続されたポリシリコンのエミッタ／アノード電極１８が形成されている。
また、ＩＧＢＴ部の第１のボディ層及び第２のボディ層内にはｎ＋層が設けられ、Ｄｉｏｄｅ部の第３のボディ層及び第４のボディ層内にはｎ＋層は設けられていない。
図１に示す半導体装置１００の特徴は、Ｄｉｏｄｅ部において、ボディ層５の幅Ｗ＿Ｄｐよりもトレンチ１３の幅Ｗ＿ＤＴが広い点にある。これにより、Ｄｉｏｄｅ部のボディ層面積を低減でき、Ｄｉｏｄｅ部でのホール注入を抑制できる。
また、ＩＧＢＴ部のボディ層側の反対側は厚い絶縁膜１２で覆われているため、ゲート容量を小さくすることができる。
図２は本発明の半導体装置の第２の例を模式的に示す断面図である。図２に示す半導体装置２００の特徴は、Ｄｉｏｄｅ部におけるトレンチ１３の幅Ｗ＿ＤｔがＩＧＢＴ部のトレンチ１３の幅Ｗ＿ＩＴと異なっている点にある。このようにダイオード部のトレンチ１３の幅Ｗ＿Ｄｔを変えることで、ボディ層５の面積が変わり、ホール注入をコントロールできるため、ライフタイム制御等をしなくても順方向電圧とリカバリー損失のトレードオフを調整することができ、ＩＧＢＴ部とは独立してＤｉｏｄｅ部の特性を制御できる。
なお、図２では、Ｗ＿ＤＴ＞Ｗ＿ＩＴとしているが、Ｗ＿ＩＴ＞Ｗ＿ＤＴであっても良い。
図３は本発明の半導体装置の第３の例を模式的に示す断面図である。図３に示す半導体装置３００の特徴は、ＩＧＢＴ部とＤｉｏｄｅ部の境界に設けられたトレンチ１３の幅Ｗ＿ＢＴが、ＩＧＢＴ部のトレンチ１３の幅Ｗ＿ＩＴよりも広い点にある。
ＲＣ－ＩＧＢＴにおいて、Ｄｉｏｄｅ部のリカバリー時に、Ｄｉｏｄｅ部との境界のＩＧＢＴ部にホールが流れ込み、境界部で素子が破壊するおそれがある。そこで、図３に示す半導体装置３００では、Ｄｉｏｄｅ部とＩＧＢＴ部の境界に設けられたトレンチ１３の幅Ｗ＿ＢＴを広くすることで、Ｄｉｏｄｅ部とＩＧＢＴ部の間の距離を広くすることができ、上記のような、Ｄｉｏｄｅ部との境界のＩＧＢＴ部へのホールの流れ込みを抑制し、装置の破壊を抑制することができる。
［電力変換装置］
図８は本発明の電力変換装置の概略構成を示す回路図である。図８は、本実施形態の電力変換装置５００の回路構成の一例と直流電源と三相交流モータ（交流負荷）との接続の関係を示す。
本実施形態の電力変換装置５００では、本発明の半導体装置を素子５２１～５２６として使用する。
図８に示すように、本実施形態の電力変換装置５００は、一対の直流端子であるＰ端子５３１、Ｎ端子５３２と、交流出力の相数と同数の交流端子であるＵ端子５３３、Ｖ端子５３４、Ｗ端子５３５とを備えている。
また、一対の電力スイッチング素子５０１および５０２の直列接続からなり、その直列接続点に接続されるＵ端子５３３を出力とするスイッチングレッグを備える。また、それと同じ構成の電力スイッチング素子５０３および５０４の直列接続からなり、その直列接続点に接続されるＶ端子５３４を出力とするスイッチングレッグを備える。また、それと同じ構成の電力スイッチング素子５０５および５０６の直列接続からなり、その直列接続点に接続されるＷ端子５３５を出力とするスイッチングレッグを備える。
電力スイッチング素子５０１～５０６からなる３相分のスイッチングレッグは、Ｐ端子５３１、Ｎ端子５３２の直流端子間に接続されて、図示しない直流電源から直流電力が供給される。電力変換装置５００の３相の交流端子であるＵ端子５３３、Ｖ端子５３４、Ｗ端子５３５は図示しない三相交流モータに三相交流電源として接続されている。
電力スイッチング素子５０１～５０６には、それぞれ逆並列にダイオード５２１～５２６が接続されている。例えばＩＧＢＴからなる電力スイッチング素子５０１～５０６のそれぞれのゲートの入力端子には、ゲート回路５１１～５１６が接続されており、電力スイッチング素子５０１～５０６はゲート回路５１１～５１６によりそれぞれ制御される。なお、ゲート回路５１１～５１６は統括制御回路（不図示）によって統括的に制御されている。
ゲート回路５１１～５１６によって、電力スイッチング素子５０１～５０６を統括的に適切に制御して、直流電源Ｖｃｃの直流電力は、三相交流電力に変換され、Ｕ端子５３３、Ｖ端子５３４、Ｗ端子５３５から出力される。
本発明の半導体装置（ＲＣ－ＩＧＢＴ）を電力変換装置５００に適用することで、電力スイッチング素子５０１～５０６およびダイオード５２１～５２６を１つにまとめることができ、装置の小型化を図ることができる。また、上述した通り、本発明の半導体装置を用いることで、ダイオード部のリカバリー特性を向上した電力変換装置を提供することができる。
以上、本発明によれば、ＲＣ－ＩＧＢＴのダイオード部のｐボディ層面積を低減してホール注入を抑制し、リカバリー特性を向上できる半導体装置および電力変換装置を提供できることが示された。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。
１…コレクタ電極層／カソード電極層、２…コレクタ層／カソード層、３…バッファ層、４…ドリフト層、５…ボディ層、６…エミッタ電極層／アノード電極層、７…ポリシリコン電極（ゲート）、８…ポリシリコン電極（エミッタ）、１０…ポリシリコン電極（ゲート／アノード）、１１…ポリシリコン電極（アノード）、１２…絶縁層、１３…トレンチ、１４，１４ａ，１５…絶縁層、１６…ポリシリコン電極（ゲート）、１７…ポリシリコン電極（ゲート／アノード）、１８…ポリシリコン電極（エミッタ／アノード）、１９…ポリシリコン電極（ゲート／アノード）、２０…ポリシリコン電極（ゲート／アノード）、１００，２００，３００…半導体装置、５００…電力変換装置、５０１～５０６…電力スイッチング素子、５１１～５１６…ゲート回路、５２１～５２６…ダイオード、５３１…Ｐ端子、５３２…Ｎ端子、５３３…Ｕ端子、５３４…Ｖ端子、５３５…Ｗ端子。

Claims (6)

  1. １つのチップ内にＩＧＢＴ部とダイオード部とを有するＲＣ－ＩＧＢＴにおいて、
    前記ＩＧＢＴは、第１導電型の第１のボディ層および第２のボディ層と、前記第１のボディ層および前記第２のボディ層の間に設けられた第１のトレンチと、を有し、
    前記第１のトレンチは、前記第１のボディ層側の側壁にゲート絶縁膜を介して形成された第１のゲート電極と、前記第２のボディ層側の側壁にゲート絶縁膜を介して形成された第２のゲート電極とを有するとともに、前記第１のゲート電極と前記第２のゲート電極とが間に少なくとも第１の絶縁膜を介して離間しており、
    前記ダイオードは、前記第１導電型の第３のボディ層および第４のボディ層と、前記第３のボディ層および前記第４のボディ層の間に設けられた第２のトレンチと、を有し、
    前記第２のトレンチは、前記第３のボディ層側の側壁に絶縁膜を介して形成された第１の電極と、前記第３のボディ層側の側壁に絶縁膜を介して形成された第２の電極とを有するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極とが間に少なくとも第２の絶縁膜を介して離間していることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記第２のトレンチの幅が、前記第３ボディ層および前記第４のボディ層の幅よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記第１のトレンチの幅と前記第２のトレンチの幅とが異なることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
    前記ＩＧＢＴと前記ダイオードとの境界に第３のトレンチを有し、前記第３のトレンチの幅が、前記第１のトレンチの幅よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
    、前記第１の電極および第２の電極はゲート電位に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  6. 一対の直流端子と、
    交流出力の相数と同数の交流端子と、
    前記一対の直流端子間に接続され、スイッチング素子と前記スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとで構成された並列回路が２個直列に接続された、交流出力の相数と同数のスイッチングレッグと、
    前記スイッチング素子を制御するゲート回路と、を有する電力変換装置であって、
    前記ダイオードおよび前記スイッチング素子は、請求項１に記載の半導体装置であることを特徴とする電力変換装置。
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