JP4718004B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

【0001】
従来の技術
本発明は、独立請求項の上位概念に記載のフィールド制御形の半導体モジュールに関する。この種の半導体モジュールは既にドイツ連邦共和国特許出願第3942640号明細書から公知である。ここではアイランド形状のp型ウェルのコーナーに高い正孔電流密度が発生することがあり、モジュールのラッチアップ耐性は制限されている。
【0002】
本発明の利点
本発明の独立請求項に記載の特徴部分を有する半導体モジュールは、従来技術に比べて、高い動作温度のもとでも高い電流密度を切り換えることができ、その際にラッチないし隣接する集積回路装置(例えば論理回路)への影響が発生しない。これは特に、点弧に適用する電流をMOS素子として構成された半導体モジュールを通して切り換え、誘導負荷を駆動すべき場合に有利である。本発明のモジュールはさらに静的にスイッチオフされた状態で数100Vの高いブレークダウン電圧を有しており、良好な順方向特性、すなわち静的にスイッチオンされた状態での数Vのみの電圧降下と、約100A/cm2モジュール面積のオーダの電流密度とを有している。このモジュールはさらに高度にパルス耐性を有しており、すなわち高電圧と高い電流密度との同時の発生を克服できる。アノード領域に直接に隣接するカソード領域を特別に構成すると特に有利であると判明した。
【0003】
従属請求項に記載された手段により、独立請求項に記載された半導体モジュールの有利な実施形態および改善形態が可能となる。特に有利にはカソード領域の遮断部をこの領域のコーナーに配置する。
【0004】
有利にはさらにカソード領域を2つのグループに分割し、これらのグループを分離されたゲートを介して駆動する。これは特に内部での電圧制限(クランピング)に対して有利であると判明した。
【0005】
チップ内のモジュールをその縁部に配置されたp型ウェルを介してアイソレーションすることにより、埋め込まれた酸化物層を用いたアイソレーションに比べて、高い阻止能力を有する導電率変調された複数の出力段(本発明の形態の半導体モジュール)または論理回路を同一チップ上に低コストで集積できる。
【0006】
図面
本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。図1には第1の実施例および第2の実施例が示されている。図2にはゲート電極を含めた第1の実施例の斜視図が示されている。図1のaには図1の詳細図が示されている。図3にはa−d、e−n、o−zdで別の実施例が示されている。図4には分離した2つのゲート電極を備えた実施例が示されている。図5にはクランプ回路および制御回路を備えた実施例が示されている。図6にはアイソレーション装置が示されている。図7には別のアイソレーション装置が示されている。図8にはアイソレーション装置の平面図が示されている。
【0007】
実施例の説明
図1には弱くp型にドープされた層1上の半導体モジュールが示されており、このモジュールの後面には強くp型にドープされた層2が配置されている。モジュールの前面には弱くn型にドープされた領域3が配置されており、このn型の領域内に強くp型にドープされたアノード領域4が埋め込まれている。このアノード領域はさらにn型にドープされた層3および弱くp型にドープされた層1からの分離のために、n型にドープされたバッファゾーン5によって包囲されている。n型領域3に付加的に収容されているp型の溝7はn型の領域3のドリフト領域をp型ウェル9、10の配置された領域から分離している。p型ウェル9、10の詳細は図1のaの断面8に沿って示されている。すなわちp型ウェル9内では、このp型ウェルの縁部に平行に延在して強くn型にドープされた環状のカソード領域12が収容されており、このカソード領域は強くp型にドープされた領域11を包囲しており、このp型の領域11はp型ウェル9の中央に位置している。カソード領域12とp型ウェル9の縁部との間に存在するp型ウェル9の領域を以下ではチャネル領域と称する。拡散によりp型ウェルの製造時に発生するチャネル領域のコーナーの丸めの図示は解りやすくするために省略してある。アノード領域4およびp型の溝7に対して反対側のp型ウェル9は、選択的にn型領域3に収容されているp型にドープされたウェブ13を介して、ゲート電極が配置される場合に相互接続される。このことは図4に示されている。図2のゲート電極を配置する際には、この種のp型ウェブ13を介したp型ウェル9の接続が遮断される。図1の斜視図は左側と右側とにそれぞれ鏡対称に続いており、複数のアノード領域の並列接続が実現されている。ここで各アノード領域には1つ以上のチャネル領域が配属されている。ラテラルヴァーティカル絶縁ゲートバイポーラトランジスタLVIGBTとして構成された半導体モジュールは、強くp型にドープされた後面(領域2)で金属化されており、基準電位(グラウンド)に置かれている。またカソード領域12および強くp型にドープされた領域11はこれらの領域の上方に被着された金属化部を介して同様に基準電位に接続されている。前述の金属化部は図1には示されていない。強くp型にドープされたアノード領域4の金属化部は順方向動作中は正の電位に置かれるが、これも簡単のために図示していない。
【0008】
半導体モジュールのゲート電極15の配置構成は図2に示されている。ここではゲート電極15と半導体ボディとの間に存在するアイソレーション層の図示は省略してある。有利にはポリシリコンから成るゲート電極15はn型領域3およびp型ウェルの部分をカバーしている。この場合ゲート電極15はチャネル領域を完全にカバーしており、強くn型にドープされているカソード領域12は部分的にオーバラップされている。このようにして電極表面に切欠部が形成され、この切欠部の輪郭はp型ウェルの輪郭ないしウェル内に配置されたn型のカソード領域12の輪郭に適合化される。n型領域3はゲート電極15からp型の溝7までをカバーしている。p型の溝7は、ゲート電極15に導電接続されるフィールドプレートによって部分的にオーバラップされている。このフィールドプレートは半導体ボディに対してゲート電極15よりも大きな間隔で配置されている。フィールドプレートはこの場合n型領域3のドリフト領域6の一部もカバーしている。
【0009】
正のゲート電位がある場合、p型ウェル9、10のチャネル領域14に逆方向チャネルが形成され、このチャネルを介して電子がドリフト領域6内へ達する。これに応じてアノード領域は正孔をドリフト領域内へ誘導するので、アノードとカソードとの間にラテラル方向の電流の流れが発生する。同時にアノード領域と半導体モジュールの後面との間にヴァーティカル方向での電流の流れが発生する。p型の溝7はゲート電極15のエッジでの電界のピークを低減するために用いられる。
【0010】
図3のa−dにはp型ウェル9、10の4つの実施例が示されている。図3のaには従来の技術から周知のp型ウェル9の配置構成が環状に閉じられたカソード領域12とともに示されている。このカソード領域は強くp型にドープされた領域11を完全に包囲している。図3のbには本発明のp型ウェルの配置構成が示されており、ここでのp型ウェルはアノード領域4に直接に隣接しては配置されない。このp型ウェルは相互に分離された複数のカソード領域を有しており、これらのカソード領域は全体がコーナーのないカソード領域として参照番号20を付されて示されている。図3のbの配置構成のコンセプトは図3のaの配置構成に基づいて、強くn型にドープされた領域の参照番号23の付された個所を除去することによって生じる。遮断部23ではp型ウェル9とこのウェルに収容された強くp型にドープされた領域11とが可視となっている。図3のcには本発明によるアノード領域4に直接に隣接したp型ウェルの配置構成が示されている。ここでp型ウェル10はU字形のカソード領域21を有しており、この領域は図3のaの配置構成から参照番号23を付された個所のn型ドープ領域を除去することによって生じる。この領域では図3のbと同様に強くp型にドープされた領域11とp型ウェル10との間の境界が見て取れる。遮断部23はここではアノード領域4に向かって配向されている。図3のdにはアノード領域4に直接隣接して存在するp型ウェル領域10の別の実施例が示されている。ここではコーナーのないU字形のカソード領域22は複数の部分領域を有しており、これらの部分領域はp型ウェル10のコーナー内のアノード領域4側に配向された側に遮断部23を有している。この遮断部では図示のように強くp型にドープされた領域11とp型ウェル領域10との間の境界が可視となっている。
【0011】
前述の半導体モジュールにおけるラッチアップは、強くp型にドープされた領域11と強くn型にドープされた領域12との間のn+/p+接合部の順方向の極性付けによりp型ウェル9、10内でカソード領域12の電流が正孔電流によって迂回されるためにトリガされる。望ましくないこの効果を低減するために、本発明のp型ウェルの実施形態では、p型ウェル10、例えばドリフト領域に隣接するエッジの個所に強いn型のドープ物質を有する領域を有さない(図3のc、d)。これにより正孔電流に対するバイパスが形成されてIGBTのラッチアップ耐性が高められる。なぜなら最大の正孔電流密度を有する側に強くn型にドープされた領域が存在せず、早期のラッチアップにいたらないからである。p型ウェルではドリフト領域6に対する距離が大きいことに基づいてエッジのバイパスを無視することができる。ただしジオメトリによりp型ウェル9のコーナーにおいて正孔電流密度が上昇する。この作用には2つの手段によって対処することができる。すなわち一方では格子パターンと同様に相互にシフトして配置されたp型ウェルによって、他方ではp型ウェル9、10のコーナーの正孔のバイパスによって対処できる(図3のb、dを参照)。ラッチアップ耐性はさらに正孔電流を複数のp型ウェルへ分割し、これらのウェルを介してLVIGBT内で特に遮断時に生じるヴァーティカルな電流の流れが上昇する。並列接続された複数のチャネル領域はアイランド構造体および環状のカソード領域12の配置構成によって得られ、これらのチャネル領域が同時に良好な順方向特性を保証する。順方向特性は良好である。なぜならp型ウェル9、10の体積と面積との商が大きく、さらに複数のアイランドがアノード領域4ごとに配置されているからである。前述の商の大きな値は、所定のチャネル抵抗のもとでp型ウェルを介して形成されたMOS制御ヘッドの領域における良好な導電率変調を表している。全チャネル抵抗自体は、複数のチャネル領域が並列接続されているので小さい。図1について既に言及したように、p型ウェル9、10はカソードの金属化部を介して相互接続され、さらに基準電位に接続されている。コンタクトはこの場合、強くp型にドープされた領域11およびカソード領域12が相互に短絡されるように構成されている。
【0012】
図3のe、fには図3のbの実施例の変化形態が示されている。すなわちn型領域20が幾分延長され、これによりこの領域はコーナーに接触ないし幾分オーバラップしている(図3のe)か、統合された唯一のn型領域20が形成される(図3のf)。後者の場合には遮断部がコーナーの切欠部を形成している。図3のg−lには図3のb、e、fの実施例の変化形態が示されており、ここではp型ウェル9が丸められたコーナーまたは角を取られたコーナーを有しており、これにともなって相応に、その上方に位置するゲート電極15、26のコーナーも丸められた開口部または角が取られた開口部を有している。この場合有利には図3のa、b、e、fの装置に比べて高いブレークダウン電圧が得られる。図3のm−tには図3のdの配置構成の変化形態が示されており、これは図3のe−lが図3のbの装置の全ての変化形態となっているのと同様である。2つのタイプのウェル9、10においてこれらのウェルの中央に存在する強くドープされたp型領域11のコーナーも同様に丸められているか、または角が取られている(図3のu、v、z、za)。またこのコーナーはp型ウェル9、10の形状を定める開口部の縁部までゲート電極15、26内を貫通される(図3のw、x、y、zb、zc、zd)。この場合有利には、ウェル10において領域11がアノード4に配向されている側全体でゲート電極の開口部の縁部まで貫通される。図示上の理由から図3のu−zdには単にp型ウェル9、10およびp型領域11のみが示されている。
【0013】
図4には、p型ウェブ13を含めた図1と同様のLVIGBTが示されている。ここでは既に図1に関連して説明したように、チャネル領域、特にアノード領域4に隣接するチャネル領域が制御ゲート26を介して駆動される。これに対してドリフト領域6およびアノード領域4から離して配置されたチャネル領域は、制御ゲート26から電気的に絶縁されたクランプゲート27を介して駆動される。
【0014】
LIGBTモジュールには複数の並列接続されたチャネル領域がアノード領域ごとに設けられているので、一般にゲートの駆動を制御ゲートとクランプゲートとに分割することができる。その際にゲートに配属されたMOSチャネル領域はそのつど同じアノード領域を駆動する。したがってp型ウェルがストリップ形状を有する場合でも、この種の分割は可能である。これは例えばドイツ連邦共和国特許第19725091.2号明細書に記載されている。電子回路においてこの種の分割を使用する例を図5に関連して詳細に説明する。
【0015】
図5にはフィールド制御形の半導体モジュールを電子回路において分離された制御ゲートとクランプゲートとに結合する種々の実施例が示されている。図5のaにはLIGBT30が示されており、このLIGBTはアノード端子A、カソード端子K、および後面端子RSを有する。カソード端子および後面端子はグラウンドに接続されている。アノード端子Aは誘導負荷31を介して給電電圧Uに接続されている。モジュール30では抵抗として構成された制御回路36を介して入力側38に制御信号が印加され、この制御信号により制御ゲート26が駆動される。クランプ回路35は2つのツェナーダイオードと1つのダイオードと別の1つの抵抗との直列回路から成っており、モジュールのアノード端子Aとクランプゲート27とを接続している。図5のbでは制御回路36がクランプ回路35とともに1つのユニットとして融合されており、制御入力側38に印加される制御信号およびアノード電位により接続部35、36に応じて相応の電位が制御ゲート26およびクランプゲート27へ与えられる。図5のcには一般的な図示でLIGBT30の制御ゲート26およびクランプゲート27の駆動が示されている。ここでアノード端子Aに接続されるクランプ回路35が設けられており、このクランプ回路の出力信号は制御回路39に印加される。この回路はクランプ回路35の出力信号とともに制御入力側38に印加される制御信号を処理し、制御ゲート26およびクランプゲート27に適切な電位を印加する。既に上述したように、ラッチアップはp型ウェル内のn+/p接合部の順方向の極性付けにより正孔電流がカソード領域を迂回して流れるためにトリガされる。負荷31のインダクタンスが高い場合には、高い電圧ピークがアノード端子Aに発生する可能性がある。この電圧ピークを迅速に低減し、しかもその際にラッチアップを生じさせないためには、クランプ回路35およびクランプゲート27を介して、有利にはドリフト領域6ないしアノード領域4から遠く隔たっているチャネル領域のグループを駆動する。これによりドリフト領域の近傍に配置されたp型ウェルにおける高い正孔電流密度が阻止され、ひいては早期のラッチアップが遮断される。他方では近接して配置されたp型ウェル10が正孔電流の一部を吸収するので、ドリフト領域から遠く隔たったp型ウェル9の負荷も軽減される。後者のウェルは、電圧ピークがアノード端子Aに発生する場合に制御ゲートを介して駆動されるp型ウェルに比べてより強く駆動されるため、電流の大部分を担っている。図5のaにはクランプ回路と制御回路との完全な分離の様子が示されており、これは図5のbの実施例とは異なる。図5のcには一般的な形でクランプ回路と制御回路との分離が示されており、この実施例には駆動回路の負荷が軽減される利点がある。なぜならクランプ回路で発生する急峻なエッジの信号が駆動回路から遠く離れて保持されるからである。ラッチアップ耐性はさらにLVIGBTにおいて特に遮断時およびクランプ時に発生するヴァーティカルな電流の流れにより上昇する。アノード領域から後面へ流れる電流成分は所定のアノード電流密度に対してラテラル方向の電流路の負荷を軽減し、これは遮断時ないしクランプ時に特に強くなる。
【0016】
図6には半導体チップの部分49が示されており、この半導体チップは前述の形式のLIGBTが配置された領域40を備えている。LIGBTは特にp型ウェル9の領域に概略的に示されているだけである。付加的にゲート電極Gとアノード領域4上に構成されたアノード端子Aとの他に、半導体チップ49の後面に構成された後面コンタクトRSが示されており、この後面コンタクトはグラウンド46に接続されている。弱くp型にドープされた領域1は領域40の範囲で層厚さ10μmよりも大きな層厚さ45を有している。さらにここには別のLIGBTないし論理回路を配置可能な領域43が設けられている。別のn型領域48は領域40のn型領域3に比べてより厚く構成されていてもよいし、また別のドープ物質濃度を有していてもよい。したがって領域40ではn型領域3は比較的薄く構成されている。なぜなら特にRESURF形の装置が本発明のモジュールの別の有利な実施形態であるからであり、このことはすでに特許明細書第19725091.2号に記載されている。領域43は領域40からアイソレーション装置41を介して分離されている。このアイソレーション装置41は強くp型にドープされたバリア47を有しており、このバリアは弱くn型にドープされた領域48と弱くn型にドープされた領域3とを完全に貫通して、弱くp型にドープされた領域1に導電接続されている。このp型のバリア47はカソード端子Kに短絡されており、かつ基準電位すなわちグラウンド46に接続されている。図7ではアイソレーション装置41は内部にp型のバリア47を含んでおらず、これに代えて2つの部分バリア50、51を有しており、これらのバリアは弱くn型にドープされた領域52をラテラル方向に有している。ラテラル方向で含まれているn型領域52は正の保護電位Vに接続されている。図6、図7のアイソレーション装置41は、領域40内に配置されたLIGBTの周囲を包囲している。ここで図7では、領域43の方向のみに向かって領域40が付加的にp型バリアによって遮蔽されている。n型領域52はここではp型バリア50、51によってラテラル方向で完全に包囲されている。すなわち図7に図示されている領域の前後では(図示していないが)領域50、51が別の強くp型にドープされた領域を介して接続されており、n型領域52はラテラル方向で強くp型にドープされた領域によって完全に包囲されている。
【0017】
図6、図7のアイソレーション装置41は特に導電率変調されたパワーモジュール、例えば高い阻止能力を有するLIGBTに適している。LIGBTと互換性のある層の配列として、弱くp型にドープされた基板1と強くp型にドープされた領域2とを利用している。チップ表面に収容されている強くp型にドープされたバリアは、チップの後面に配置される強くp型にドープされた層2と同様に正孔を吸収する。この正孔はチップ(特にLIGBT)内部の電流輸送の一部を担っている。LIGBTの順方向電圧の降下を小さく維持するために、アイソレーション装置41はそれぞれ出力段の近傍ないし出力段のみで使用される。チップの縁部ではアイソレーション装置は同時に所定の縁部の閉鎖という目的を果たしている。さらに付加的に設けられた中間領域52を図7に示されているように正の電位Vに接続して、全電流の一部を担う電子の一部を吸収するように利用することができる。チップ後面の強くp型にドープされた領域2は、深いバリア47、51、50に加えて正孔を吸収し、これらのバリアとともにアイソレーション装置を良好にグラウンドに接続する。図7に示された深いn型領域52は強いn型のドーピングゾーン54を介して正の電圧Vに接続されており、さらに電子を吸収する。ラテラル方向での電流の流れ、ひいては領域40、43の横方向での影響は効果的に防止される。アイソレーション装置41は領域43内に配置された論理回路の領域に埋め込まれたアイソレーション層と互換性がある。アイソレーション装置は、アイランド形状の構造に代えてアノードおよびカソードが相互にかみ合うフィンガー構造を有する半導体モジュールにも使用可能である。このことは例えばドイツ連邦共和国特許出願第19725091.2号明細書に記載されている。
【0018】
図8には例として2つのLVIGBT領域40を備えた半導体装置の平面図が示されており、これらのLVIGBTの間に2つの論理回路領域43が配置されている。装置の縁部および領域40は部分バリア51によって包囲されており、一方論理回路領域43は付加的に別の部分バリア50を介してLIGBT領域から分離されている。部分バリア50、51間に前述の中間領域52が存在しており、この中間領域は保護電位に置かれている。図8に示されていない部分バリアのコンタクトは共通のグラウンド点に共通に接続されており、これによりまずそれぞれ領域50、51が相互に導電接続され、さらに領域50、51の共通のコンタクトが共通に接続される。共通のグラウンド点はチップ内に配置されていてもよいし、また外部に配置されていてもよい。後者の場合領域50、51のコンタクトはワイヤボンディングを介して集積回路装置のケーシングの脚部に接続されており、さらに外部へ接続されている。このように分離されたグラウンド接続部はLVIGBT領域間のクロストークないしLVIBGT領域と論理回路領域との間のクロストークを最小化する。こうしたクロストークは、動作中にグラウンド金属化部を介して大電流が流れる場合に、このグラウンド金属化部での電圧降下により発生する。したがって種々のグラウンドを最良の状態でほぼ星形に共通の一点のみに共通接続しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施例および第2の実施例を示す図である。
【図2】 ゲート電極を含めて第1の実施例を示す図である。
【図3】 別の実施例を示す図である。
【図4】 分離した2つのゲート電極を有する実施例を示す図である。
【図5】 クランプ回路および制御回路を有する実施例を示す図である。
【図6】 アイソレーション装置を示す図である。
【図7】 別のアイソレーション装置を示す図である。
【図8】 アイソレーション装置の平面図である。

Claims (6)

  1. p型層(1)の上面にn型領域(3)が配置されており、
    該n型領域にはそれぞれ別個に複数のp型ウェル(9、10)および1つのアノード領域(4)が配置されており、
    各p型ウェルはゲート電極(15)を介して駆動可能なチャネル領域(14)を有しており、
    各p型ウェル内にnドープされたカソード領域(12)が埋め込まれている、
    フィールド制御形の半導体モジュール、すなわちLIGBTにおいて、
    前記複数のp型ウェルのうち前記アノード領域から遠いp型ウェル(9)のカソード領域(12)は、該p型ウェルの縁部に対して平行に延在しかつ少なくとも1つの個所で切欠部を有しており、
    前記複数のp型ウェルのうち前記アノード領域(4)に近いp型ウェル(10)のカソード領域(12)は、該p型ウェルの縁部に対して平行に延在しかつ該アノード領域に配向される側全体に遮断部を有しており、
    前記アノード領域から遠いp型ウェル(9)のチャネル領域はクランプゲート(27)を介して駆動され、前記アノード領域に近いp型ウェル(10)のチャネル領域は制御ゲート(26)を介して駆動され、該制御ゲートは前記クランプゲート(27)から電気的に絶縁されている
    ことを特徴とするフィールド制御形の半導体モジュール。
  2. 前記p型ウェルは正方形であり、前記カソード領域の切欠部(23)はコーナーに配置されている、請求項1記載の半導体モジュール。
  3. 前記アノード領域に近いp型ウェルと前記アノード領域との間に、前記n型領域(3)内に埋め込まれたp型の溝(7)が配置されている、請求項1または2記載の半導体モジュール。
  4. 外部の誘導負荷が直列接続されており、制御回路(36、39)が設けられており、該制御回路は制御信号の印加される制御入力側(38)を有しており、クランプ回路(35)が設けられており、該クランプ回路はモジュールのアノード端子に接続されており、クランプ回路または制御回路を介してクランプゲートまたは制御ゲートがアノード電位および制御信号に依存して種々に駆動される、請求項1から3までのいずれか1項記載の半導体モジュール。
  5. アイソレーション装置(41)が設けられており、前記複数のp型ウェル(9、10)および前記アノード領域(4)は該アイソレーション装置(41)によってラテラル方向で完全に包囲されており、前記アイソレーション装置(41)はアノード領域を完全に含みpドープされたバリア(47、51)を有しており、該バリアはこれを包囲するn型領域(3、48)を貫通してp型層(1)に接続され、かつカソード領域(12)に短絡されており、前記バリアは部分的に2つの部分バリア(50、51)を有しており、該部分バリアは正の保護電位(V)の印加される中間領域(52)を含んでいる、請求項1からまでのいずれか1項記載の半導体モジュール。
  6. n型のドープ物質およびp型のドープ物質が交換され、グラウンド基準電位とは異なる全ての電位が前述の請求項に対して逆の符号を有する、請求項1からまでのいずれか1項記載の半導体モジュール。
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