JP5092548B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
実際には、ゲート配線4は、絶縁層を介して半導体基板6の表面に形成されている。例えば、図8(c)に示すように、中央ゲート配線4aは、絶縁層6aを介して半導体基板6の表面に形成されている。中央ゲート配線4aと、IGBT領域2およびFWD活性領域3との間には、IGBTおよびFWDの動作時には、積極的な役割を担わない不活性領域が形成されている。以下、中央ゲート配線4aの端部とFWD活性領域3の終端との間に形成された不活性領域をFWD側ランナ9bといい、中央ゲート配線4aの端部とIGBT領域2の終端との間に形成された不活性領域をIGBT側ランナ9aという。また、中央ゲート配線4aと、IGBT側ランナ9aと、FWD側ランナ9bとからなる領域をゲート配線領域(ゲートランナ領域)9という。
図11に示すように、半導体装置5は、IGBTのオン電圧の低下を図るため、複数の連続したIGBTセルからなるIGBTセル領域からIGBTセル10が周期的に間引かれたような構造(いわゆる間引き構造)となっている。IGBTセル10は、トレンチ型の構造である。IGBTセル10は、半導体基板6に形成されており、IGBTセル10を形成する半導体基板6は、P型の不純物が高濃度で導入されたP+層12と、そのP+層12の表面に形成されたN型の不純物拡散層よりなるFS(Field Stop)層13と、そのFS層13の表面に形成された低濃度のN−層14と、そのN−層14の表面から内部に向けてP型の不純物が導入されたP層19とから構成される。
半導体装置51のIGBT5aがターンオンすると、電源Eから供給される直流電流は図12において矢印(1)で示すように、半導体装置51を流れ、誘導負荷Lを駆動する。続いて、半導体装置51のIGBT5aがターンオフし、半導体装置50のIGBT5aがターンオンすると、半導体装置50がターンオン状態の通電時に誘導負荷Lに蓄積されていたエネルギがフリー・ホイール電流(還流電流)IDとして図12において矢印(2)で示すように、半導体装置50のFWD5bに還流される。
図15に示すように、リカバリ電流Irrは、FWDセル領域と、IGBTセル領域と、ゲート配線領域(ゲートランナ領域)とを流れることが分かった。図中、Irunnerはゲート配線領域を流れるリカバリ電流、IdiodeはFWDセル領域を流れるリカバリ電流、IbodyはIGBTセル領域を流れるリカバリ電流をそれぞれ示す。
従って、リカバリ電流によって破壊され難い半導体装置を実現することができる。
従って、リカバリ電流によって破壊され難い半導体装置を実現することができる。
従って、リカバリ電流によって破壊され難い半導体装置を実現することができる。
従って、リカバリ電流が集中する領域には、トランジスタとして機能する領域が無くなるため、リカバリ電流がトランジスタ(寄生トランジスタ)として機能する領域に流れることによるラッチアップ破壊が起き難い半導体装置を実現することができる。
従って、FWDセル領域に近い位置に配置され、IGBTとして機能するIGBTセルへのリカバリ電流の集中を緩和することができるため、リカバリ電流によって破壊され難い半導体装置を実現することができる。
従って、FWDセル領域に近い位置に配置され、IGBTとして機能するIGBTセルへのリカバリ電流の集中を緩和することができるため、リカバリ電流によって破壊され難い半導体装置を実現することができる。
従って、各溝の到達深度を調節することにより、FWDセル領域に近い位置に配置され、IGBTとして機能するIGBTセルへのリカバリ電流の集中を緩和することができるため、リカバリ電流によって破壊され難い半導体装置を実現することができる。
従って、上記のような不活性領域を有する半導体装置に対して請求項1ないし請求項7のいずれか1つに記載の技術的手段を適用することにより、FWDセル領域に近いIGBTセルへのリカバリ電流の集中を緩和することができるため、半導体装置が破壊されるおそれを少なくすることができる。
しかし、請求項1ないし請求項7のいずれか1つに記載の技術的手段を適用することにより、FWDセル領域に近いIGBTセルへのリカバリ電流の集中を緩和することができるため、半導体装置が破壊されるおそれを少なくすることができる。
しかし、請求項1ないし請求項7のいずれか1つに記載の技術的手段を適用することにより、FWDセル領域に近いIGBTセルへのリカバリ電流の集中を緩和することができるため、半導体装置が破壊されるおそれを少なくすることができる。
この発明に係る実施形態について図を参照して説明する。図1は、この実施形態に係る半導体装置の部分断面図であって図11に示した従来の半導体装置の断面図に相当する図である。図2は、リカバリ電流が集中するIGBTセルでの電流密度をシミュレーションにより測定した結果を示すグラフである。
なお、この実施形態に係る半導体装置の主な断面構造は、図11に示した従来の構造と同一であるため説明を省略する。また、従来の半導体装置と同一の構成については同一の符号を使用し、説明を省略する。
半導体装置の平面構造は、図9に示した従来の構造と同じである。図1に示すように、半導体装置1のフロートP層25の表面には、電極26が形成されており、その電極26は接地(ground)されている。接地箇所は、半導体装置1が接続されている電気回路の接地端子(グランド端子)、または、その電気回路が設けられた装置の接地端子などである。電極26はシリコン酸化膜によって覆われ、エミッタ電極16と絶縁されている。このように、フロートP層25が接地されてなるため、IGBTセル領域2とFWDセル領域3との間の領域に流れるリカバリ電流の一部をフロートP層25を通して逃がすことができる。
本願発明者らは、従来の半導体装置および本発明の半導体装置1について、リカバリ電流が集中するIGBTセル(図10においてCで示す領域)での電流密度をシミュレーションにより測定した。このシミュレーションでは図12に示した回路と同じ回路を使用した。また、図9に示した立体構造を解析モデルとして使用した。図9に示す解析モデルにおける幅Wは201μm、IGBTセル領域2aの幅W1は144μm、FWDセル領域3aの幅W2は57μm、奥行きDは190μm、FWD領域3aの奥行きD1は123μm、FWD側ランナ9bの奥行きD2は67μm、解析モデルの厚さHは135μmである。また、解析モデルのIGBTセル10の配置間隔は24μmである。
FWDセル30を構成するP+層31(図9(b))は溝状に形成されている。また、P+層31の配置間隔は8μmであり、P+層31の濃度は1e19cm-3である。また、P−層32の濃度は2e16cm-3であり、N−層14の濃度は7e13cm-3である。N+層33の濃度は1e18cm-3である。なお、前述の各濃度は、各層の表面付近のピーク濃度である。
また、半導体装置1にリカバリ電流が流れるときのみフロートP層25の電位を取る回路を設け、その回路とフロートP層25とを電気的に接続する構成でも上記と同じ効果を奏することができる。
次に、この発明の第2実施形態について図を参照して説明する。図3は、この実施形態に係る半導体装置の部分断面図である。
FWDセル領域に最も近いIGBTセル10(この実施形態では、FWDセル領域に隣接するダミートレンチ24に隣接するIGBTセル10)には2つのエミッタN層21が形成されていない。つまり、FWDセル領域に最も近いIGBTセル10はIGBTとして機能せず、ダイオードとして機能するように形成されている。
従って、FWDセル領域に最も近いIGBTセル10には、トランジスタとして機能する領域が無くなるため、リカバリ電流がトランジスタ(寄生トランジスタ)として機能する領域に流れることによるラッチアップ破壊が起き難い半導体装置を実現することができる。
なお、上記のIGBTとして機能しないIGBTセルのトレンチは、IGBTとして機能するIGBTセルのトレンチと異なる深さでもよい。
次に、この発明の第3実施形態について図を参照して説明する。図4は、半導体装置の部分断面図であり、(a)は従来の半導体装置の部分断面図、(b)はこの実施形態に係る半導体装置の部分断面図である。
なお、FWDセル領域に近い順にIGBTセル10を3つ以上形成しない構造にすることにより、リカバリ電流密度をさらに削減することもできる。
次に、この発明の第4実施形態について図を参照して説明する。図6は、この実施形態の半導体装置の部分断面図である。
FWDセル領域に最も近いIGBTセル10とFWDセル領域との間に形成されたフロートP層25には、IGBTとして機能するIGBTセル10のトレンチ22よりも深く、かつ、深さの異なる複数のダミートレンチ24が形成されている。
なお、ダミートレンチ24の数、深さ、位置および配置間隔は、リカバリ電流密度、リカバリ電流が集中する領域の広さや深さなどに応じて設計変更することができる。
しかし、上記の各実施形態に係る構造を適用することにより、FWDセル領域3に近いIGBTセル10へのリカバリ電流の集中を緩和することができるため、半導体装置1が破壊されるおそれを少なくすることができる。
しかし、上記の各実施形態に係る構造を適用することにより、FWDセル領域3に近いIGBTセル10へのリカバリ電流の集中を緩和することができるため、半導体装置1が破壊されるおそれを少なくすることができる。
しかし、上記の各実施形態に係る構造を適用することにより、FWDセル領域3に近いIGBTセル10へのリカバリ電流の集中を緩和することができるため、半導体装置1が破壊されるおそれを少なくすることができる。
(1)FWDセル30を構成するP+層31は、ドット状に形成することもできる。また、隣接するP+層31の配置は、千鳥状でもよいし、同じ位置でもよい。さらに、全面がP+層31であってもよい。配置間隔は、等間隔でもよいし、等間隔でなくてもよい。
(2)IGBTセル10は、プレーナ型の構造でもよく、IGBTとして機能すれば構造は限定されない。
2c・・IGBT活性領域の終端、2d・・IGBTセル領域の終端、
3,3a・・FWD活性領域(FWDセル領域)、3c・・FWD活性領域の終端、
4・・ゲート配線、4a・・中央ゲート配線、4b・・外周ゲート配線、
5a・・IGBT、5b・・FWD、6・・半導体基板、7・・インバータ回路、
8・・昇降圧コンバータ、9・・ゲート配線領域、9a・・IGBT側ランナ、
9b・・FWD側ランナ、10・・IGBTセル、11・・コレクタ電極、
12・・P+層、13・・FS層、14・・N−層、15・・シリコン酸化膜、
16・・エミッタ電極、17・・BPSG層、18・・ゲート電極、
19・・P層、20・・Pボディ層、21・・エミッタN層、22・・トレンチ、
23・・チャネルP領域、24・・ダミートレンチ、25・・フロートP層、
26・・電極、30・・FWDセル、31・・P+層、32・・P−層、
33・・N+層。
Claims (10)
- 第1導電型の第1半導体層と、
この第1半導体層の表面に形成された第2導電型の第2半導体層と、
この第2半導体層の表面下に形成された第1導電型の第3半導体層と、
この第3半導体層の表面下に形成されており、前記第3半導体層よりも不純物濃度が高濃度に設定された第1導電型の第4半導体層と、
この第4半導体層と接して形成された第2導電型のエミッタ層と、
このエミッタ層と電気的に接触したエミッタ電極と、
前記第3半導体層の表層に絶縁膜を介して前記エミッタ層およびエミッタ電極に隣接して形成されたゲート電極と、
前記第1半導体層の裏面に形成されたコレクタ電極と、を有し、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBTという)として機能する複数のIGBTセルからなるIGBTセル領域と、
このIGBTセル領域に並設されており、前記IGBTに逆並列接続されたフリーホイールダイオード(以下、FWDという)として機能する複数のFWDセルからなるFWDセル領域と、
前記IGBTセル領域と前記FWDセル領域との間において前記第2半導体層の表面下に形成される第1導電型の第5半導体層と、を備えた半導体装置において、
前記第5半導体層を所定の電位にしてなることを特徴とする半導体装置。 - 第1導電型の第1半導体層と、
この第1半導体層の表面に形成された第2導電型の第2半導体層と、
この第2半導体層の表面下に形成された第1導電型の第3半導体層と、
この第3半導体層の表面下に形成されており、前記第3半導体層よりも不純物濃度が高濃度に設定された第1導電型の第4半導体層と、
この第4半導体層と接して形成された第2導電型のエミッタ層と、
このエミッタ層と電気的に接触したエミッタ電極と、
前記第3半導体層の表層に絶縁膜を介して前記エミッタ層およびエミッタ電極に隣接して形成されたゲート電極と、
前記第1半導体層の裏面に形成されたコレクタ電極と、を有し、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBTという)として機能する複数のIGBTセルからなるIGBTセル領域と、
このIGBTセル領域に並設されており、前記IGBTに逆並列接続されたフリーホイールダイオード(以下、FWDという)として機能する複数のFWDセルからなるFWDセル領域と、を備えた半導体装置において、
前記FWDセル領域寄りに配置された前記IGBTセルのうち、少なくとも前記FWDセル領域に最も近いIGBTセルを含む1つ以上のIGBTセルがIGBTとして機能しない構造になっていることを特徴とする半導体装置。 - 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBTという)として機能する複数のIGBTセルからなるIGBTセル領域と、前記IGBTに逆並列接続されたフリーホイールダイオード(以下、FWDという)として機能する複数のFWDセルからなるFWDセル領域とが半導体基板に並設された半導体装置において、
前記FWDセル領域に最も近いIGBTセルと前記FWDセル領域との間の距離が、他のIGBTセル同士間の距離よりも長くなるように形成されることを特徴とする半導体装置。 - 前記1つ以上のIGBTセルは、それぞれ前記エミッタ層を備えていないことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記1つ以上のIGBTセルにそれぞれ備えられた前記ゲート電極またはエミッタ電極がそれぞれ電極として機能していないことを特徴とする請求項2または請求項4に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極は、前記第3半導体層の表面から内部に向けて形成された溝の内部に絶縁膜を介して形成されており、
前記1つ以上のIGBTセルの前記溝は、そのIGBTセル以外のIGBTの溝よりも深い溝であって、その溝の内部に絶縁膜を介して前記ゲート電極が形成されてなることを特徴とする請求項2または請求項4または請求項5に記載の半導体装置。 - 前記1つ以上のIGBTセルの前記溝は、深さの異なる複数の溝であり、各溝の内部には前記ゲート電極が絶縁膜を介して形成されてなることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
- 前記IGBTとして機能する各IGBTセルの各ゲート電極と外部電極とを電気的に接続するゲート配線が、前記IGBTセル領域およびFWDセル領域の各終端に沿って配置されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 前記IGBTセル領域と、これに並設された前記FWDセル領域とからなる組が、前記ゲート配線の両側にそれぞれ配置されてなることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
- 前記組を複数配列してなるセル領域列が前記ゲート配線の両側にそれぞれ配置されてなることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
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