JP4002319B2 - 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、捕捉されない、すなわちゲート信号が印加されず、あるいはゲート電極がソースに対して短絡している場合にオフ状態に戻る、複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT’s)に関する。
【0002】
【従来の技術】
IGBT型デバイスは、デバイス実行に影響を与える欠陥を結果として有する可能性をもった非常に精緻な形状を要求する。1つのデバイス内の種々のセルは並行して動作するため、永続的な状態でセルに生起する欠陥は悲劇的な結末となる。それゆえ、大きく、高いパワーデバイスで要求されるセル群の複合は、特に製造上、重大な問題を与える。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この問題の抜け道を考え出す種々の方法は、大きなデバイスの製造において用いられる。これらは、単一のデバイス内部に閉じこめられた複数の選択されたより小さなユニットの集合、あるいは単一のシリコンウェーハの開回路の欠陥部分のソースコンタクトを残すことを含む。このようなアプローチの制限は、デバイス利用の効率を非常に束縛する。特に、伝統的なパワー半導体で共通してなされるように、効率的な電流媒体として動作するための2つの大きな電極間でのデバイスを押え、かつ熱を取り除くという二面性のある能力が失われる。さらに、小さなユニットの集合の複合的な内部閉じ込めによって大きなデバイスを作成する必要性が、主電圧阻止結合の全周囲に増大し、実質的に、平面集合への結合を、高電圧阻止能力が要求される表面ガードリング構造までの有効領域の引渡しを結果的にもって、この結合のデザインを制限する。
【0004】
なお、EP−A−0237932及びEP−A−0649176のそれぞれには、単一シリコンウェーハ上のグループとして配列されたIGBTのような複数のセルを有したデバイスが記載され、各セル群は、1つに結合されたゲート構造と、このゲート構造から電気的に絶縁されるが物理的にこのゲート構造を覆う、1つに結合されたソース構造をもっている。
【0005】
また、「可融性リンク技術を用いた大領域MOSゲートパワーデバイス(Large Area MOS-Gated Power Devices Using Fusible Link Technology)」(P.Venkatraman & B.Jayant Baliga著,"IEEE Transactions on Electric Devices",Vol.43,No.2,February 1996)と題した論文には、いくつかの小さなセグメントに区分けした大領域MOSゲートパワーデバイスが記載されている。このセグメントのソースは、デバイス全体の上部を覆うソース金属層によって短絡されている。各セグメントのゲートは、可融性リンクを介して共通ゲートバスに接続され、欠陥セグメントはこの可融性リンクを介して分離される。
【0006】
そこで、本発明は、上述した問題点を除去し、使用できないセルグループのオフ状態の安定性を保証し、使用できるセルグループを十分に動作させることができる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明では、単一のシリコンウェーハ上にグループで配列された複数のIGBTのようなセルのセルグループを有する半導体デバイスを提供し、各セルグループは1つに結合されたゲート構造と、このゲート構造から電気的に絶縁されるが物理的にこのゲート構造を覆う1つに結合されたソース構造とを有し、各セルグループのゲート構造は、デバイス全体に対する単一のゲート電極に、取り外し可能なリンクを介して導かれることを特徴とし、これによりどのセルグループに対するゲート接続もこのリンクの取り外しによって切り離され、対応するセルグループは使用できなくなり、各セルグループには、それぞれ、ソース構造とゲート構造との間のはめ込み制御される分岐コンダクタンスが提供される。
【0008】
普通、必要な絶縁がなされるセル群のソース構造とゲート構造との間に意図しないコンダクタンスが存在するが、この意図しないコンダクタンスは信頼できず、はめ込み制御される分岐コンダクタンスの制御されたコンダクタンスは、使用できないセル群のオフ状態の安定性を保証するのに用いられる。
【0009】
適切な絶縁が達成される処理及び手段は、欠陥、すなわちゲート構造とソース構造との間における意図した分岐コンダクタンスによって提供されるものよりも実質的に高いコンダクタンスを含むセル群をまず確認し、その後、例えば電流パルスの放電、レーザ照射、化学エッチング、機械的摩滅等によってゲートリンクを取り除く。
【0010】
全セル群のソース構造の電極表面は、好ましくは、同一平面上にあり、同時に広領域の電気及び熱シンクを提供する平面的な電気的及び熱的な導電部材によって接合される。
【0011】
この部材から離隔されたシリコンウェーハの面は、全てのセル群に対する共通コレクタを提供し、さらに、上述した平面導電部材に実質的に対応する領域で支持電極にはんだ付けされ、または強い接触がもたれる導電部材が提供される。
【0012】
デバイスの基本的な電圧阻止接合は、外側周辺で、シリコンディスクの角度を持たせた表面で終端される。
【0013】
本発明は、以下の添付図面とともに実施例によって以下述べられる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、1つのIGBTセルの典型的な構造の断面図を示し、図2は、先行技術で示されるようなセル群の配列を示している。n型シリコンのウェーハ1は、第1の面2で、n及びp型不純物の連続する拡散によってそれぞれ領域3,4を形成している。この第1の面2の反対の面5で、ウェーハ1は、熱成長した酸化シリコンの薄膜6からなる表面マスクの内側に狭い線状(ストリップ)の窓20の精緻なパターンを有し、この表面マスクはドープされた多結晶シリコンのCVD(化学気相堆積法:Chemical Vapour Deposition)層7によって覆われ、さらに酸化シリコンのCVD絶縁層8によって覆われる。各窓20は、単一のIGBTセルの中心エリアを定めている。窓内では拡散されたp型ドープ領域9があり、この領域9の周辺は、注入と、マスキングエージェントとしての同じ窓の利用によってこの周辺に配列され、さらなるn+添加物11による、より低い濃度のp型添加物10の拡散とによって広げられるが、広げられるp型領域10の境界以内に完全に存在させるため、より狭い範囲に拡散される。第2の面5での主電極は、ソース電極であり、このソース電極は、図2に示すように、CVD絶縁層8を覆うとともに、n型添加領域11の長さを超える窓内の領域で接触させるため、堆積され焼結された金属化物12で構成される。(図1は、A−A1線断面図であり、1つのセルを示す。)多結晶シリコンは、全ての多結晶シリコンストリップの各終端に電気的に結合するフレームを形成する各セルグループの周囲をめぐる金属化層14によって、ゲート電極としての接触を可能とする絶縁層8内のさらに続く窓13の構造によって各セルの終端7aでさらされている。このようなゲート金属化フレームのいくつかは共通接続される。このフレームは、ワイヤボンドの取付としてのパッドとして用いられる金属化物14aの広い領域を含む。ウェーハ1の面2は、アノード電極として接合するため、金属化物21によって接触され、あるいは支持電極に強くはんだ付けされる。同様な先行技術デバイスの構造及び構成上のさらなる情報は、近代電力デバイス(MODERN POWER DEVICES ,B Jayant Baliga著;John Wiley and Sons N.Y.,1987[ISBN 0-471-63781-5] p.350ff)に記載されている。
【0015】
ここで、図3を参照すると、図1(図1はまた図3のA−A1線断面図でもある。)のストリップ状のセル群は、同様に、多結晶シリコンゲート電極7の終端7aに対して接続するフレームによって囲まれている。しかし、対照的に図3では、このフレームは、第2のフレーム114であり、このように呼ぶのは、他の第2のフレームがこの他のセルグループに対して同じ機能を発揮する一方、この第2のフレームはこのセルグループのみのゲート電極の終端に接続されることに制限するからである。それぞれが結合されたゲート構造を形成するこのような第2のフレーム114は、取り外し可能なリンク115によって、第1のゲートフレーム116を構成する金属化領域に接続されている。第2のゲートフレーム114によって囲まれたどのセル群も、適切な取り外し可能なリンク115の取り外しによって第1のフレーム116から切り離されるゲートをもっている。この切り離された第2のフレームによって供給されるセル群が全くアクティブでなくなると、デバイスの動作に関する役割を全く果たさなくなる。このようにして、どのセルグループも、セルグループのゲート7と、結合されるソース構造12との間の不適切な絶縁によるゲート信号の短絡出力による故障の潜在的な原因を有するものとして確認され、残るセルグループが十分な動作に復帰させるため、第2のフレーム114は取り外し可能なリンク115で第1のフレーム116から切り離される。リンク115の切り離しの適切な種々の方法は知られており、化学的浸食、摩擦、電気的電流パルス、及びレーザ照射を含むが、これらに限定されるものではない。
【0016】
ここで、図4を参照すると、図4には、本発明に従ったデバイスを提供するために、各第2のゲートフレーム114とともに適用される付加的な構造が示されている。絶縁の欠乏によるゲート7とソース12との間の短絡回路の存在は、永続的なオフ状態によって、影響されるセルグループを保持することが期待される。しかし、このような特性は単に欠点を示すのみであるため、信頼できない。第2のフレーム114とソース12との間ではめ込み制御される分岐コンダクタンスが、信頼できる動作を保証するために付加される。この目的のため、多結晶シリコンの付加ストリップ117が、第2のフレーム114から各セル群の中心に広がるゲート酸化膜6の表面を横切って堆積され、CVD酸化膜8によって覆われる。ストリップ117の内側端は、接触領域117aを形成するために広げられ、この接触領域117aは、ソース12によって酸化膜8内の窓118を介して接触される。多結晶シリコンストリップ117の電気的抵抗は、例えばドーピングによって調整され、第2のフレームの金属化層114,12とソースとの間のそれぞれに要求されるコンダクタンスを提供する。B−B1線断面図及びC−C1線断面図の構造は、それぞれ図5及び図6に示される。
【0017】
ここで、図7を参照すると、図7には、単一のシリコンウェーハを構成する平円盤上に配列されたIGBTセルグループの組立が示され、上述した形状と同じようにして適用したものである。各セルグループは、台形の平行側に配列された窓ストリップの長さをもち、この長さに適切な傾斜をもたせた台形の第2のゲートフレーム114が含まれている。図8は、図7のA−A1線断面図、すなわち2つのストリップウィンドウ間の中心線に沿ったものであり、どのようにして電圧阻止接合が結合されるかを説明するために、シリコンディスク1の端を介して半径方向に広がる。台形セル群の配列は、シリコンディスク1の効率的使用を可能にする。取り外し可能なリンク115を介して第2のフレーム114に接続する第1のゲートフレーム116は、ゲートコンタクト領域116aを形成するためにディスクの中心で都合良く結合される。伝統的に、ワイヤボンドあるいは接合はこのエリアでなされるが、弾力のある接触を用いることがより便利である。ソース層12の全ての必要な部分に対する接合は、広いエリアの平坦なプレート130、例えば厚いモリブデンディスクを、その表面12aにプレスすることによってなされる。最適な絶縁コーティング131、例えばポリイミドは、第1及び第2のゲートフレームエリアに適用されるとともに、取り外し可能なリンク上にも適用され、ソースとゲート電極との間の短絡回路が生起する熱的応力及び圧力の潜在的動作によって、導電的に異質の本体あるいは金属が押し出される可能性を排除する。示されたシリコンディスク1の端領域は、深く拡散されたp型領域140を含み、このp型領域140は、サイリスタの前方阻止接合として使用されるような適切な添加物濃度の傾斜を有している。この手段によって、傾斜された表面のエッチング及びシリアストマ(silastomer)あるいは樹脂の絶縁コーティング143の適用によって行われる、負の傾斜141と正の傾斜142をもつ伝統的な2重傾斜が、用いられる。択一的なプロファイル例えば2重の正の傾斜は、周知技術として用いられる。高い反転阻止電圧は、nバッファ層を除去し、元のn型シリコンディスク1を適切に厚くすることによってなされる。全てのセルに共通するコレクタを提供する面2は、アノード金属化物21を提供し、このアノード金属化物21は、プレート130の実質的な領域に対応する支持電極にはんだ付けされ、または強く接触される。
【0018】
【発明の効果】
このように本発明では、使用できないセルグループのオフ状態の安定性を保証でき、使用できるセルグループを十分に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】1つのIGBTセルの典型的な構造を示す図。
【図2】ある先行技術のデバイスで用いられるセルグループの配列を示す図。
【図3】本発明の実施例で用いられる1つのセルグループを示す図。
【図4】本発明の実施例で用いられる1つのセルグループを示す図。
【図5】図4におけるB−B1線断面図。
【図6】図4におけるC−C1線断面図。
【図7】本発明の他の実施例に従って周囲に阻止終端部をもたせた単一ウェーハ上のセルグループの配列を示す図。
【図8】図7におけるA−A1線断面図。
【図9】図7におけるB−B1線断面図。
【符号の説明】
1 シリコンウェーハ
2,5 面
3,4,9 領域
6,8 絶縁膜
7 ゲート
10 p型添加物
11 n+添加物
12 ソース
13,20 窓
114 第2のゲートフレーム
115 リンク
116 第1のゲートフレーム
117 ストリップ(分岐コンダクタンス)
Claims (5)
- 単一のシリコンウェーハ(1)上にグループで配列された複数のIGBTセルのセルグループを有し、
各セルグループのゲート電極(7)の終端に対して接続され、各セルグループを囲む第2のゲートフレーム(114)および第2のゲートフレーム(114)から電気的に絶縁され、物理的に各セルグループを覆うソース電極を有し、
前記各セルグループの第2のゲートフレーム(114)は取り外し可能なリンク(115)を介して第1のゲートフレーム(116)に導かれ、
各セルグループの第2のゲートフレーム(114)と第1のゲートフレーム(116)との間の電気的接続が取り外し可能な各リンク(115)によって切り離されることで、対応するセルグループが動作不能になり、
ソース電極(12)の下方に埋め込まれ、ソース電極(12)と第2のゲートフレーム(114)との間に接続され、動作不能になったセルグループのオフ状態の安定性を保証するのに用いられるコンダクダンスが各セルグループに含まれる
ことを特徴とする半導体デバイス。 - 全セルグループのソース電極(12)の電極表面(12a)は、広領域の電気および熱シンクを提供する平面的な電気的および熱的な平坦なプレート(130)によって接合される
ことを特徴とする請求項1記載の半導体デバイス。 - プレート(130)が接合されたシリコンウェーハ(1)の面とは反対の面(2)は、全セルに共通するコレクタを提供し、アノード電極として導電部材(21)によって接触される
ことを特徴とする請求項2記載の半導体デバイス。 - 導電部材(21)は、プレート(130)の実質的な領域の支持電極にはんだ付けされ、または強く接触される
ことを特徴とする請求項3記載の半導体デバイス。 - 前記シリコンウェーハ(1)のp型領域(140)を含む端領域の終端は傾斜を有する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体デバイス。
Applications Claiming Priority (2)
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