JP5407390B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。特に、素子領域にトレンチゲート電極が形成されている半導体装置に関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）など大電流を制御する半導体装置として、素子領域にトレンチゲート電極が形成されている半導体装置が開発されている。この種の半導体装置は、トレンチゲート電極に接続されているゲート端子を備えている。ゲート端子にゲート信号が入力されると、トレンチゲート電極にゲート信号が入力し、トレンチゲート電極のゲート電圧が上昇／下降する。これによって、半導体装置がオン／オフされる。

特許文献１，２には、素子領域の中央部と周辺部にトレンチゲート電極が形成されている半導体装置が開示されている。この半導体装置では、ゲート端子から伸びているゲート配線が、素子領域の中央部に形成されているトレンチゲート電極（以下、中央部のトレンチゲート電極と称する）と素子領域の周辺部に形成されているトレンチゲート電極（以下、周辺部のトレンチゲート電極と称する）の両者に接続されている。この場合に、ゲート端子にゲート信号が入力されると、中央部のトレンチゲート電極と周辺部のトレンチゲート電極に略同時にゲート信号が入力する。このため、中央部のトレンチゲート電極と周辺部のトレンチゲート電極のゲート電圧が略同一のタイミングで上昇／下降する。これによって、素子領域の中央部の素子群と周辺部の素子群が略同時にオン／オフされる。

特開２００５−２８６０４２号公報 特開２００１−３３２７２７号公報

図１０に、ゲート端子から伸びているゲート配線が、中央部のトレンチゲート電極と周辺部のトレンチゲート電極の両者に接続されているＩＧＢＴのタイミングチャートを示す。図の横軸は時間軸を示している。Ｖ_Ｐは、ゲート端子に一定のパルスで印加されるゲート信号を示している。Ｖ_Ｇは、トレンチゲート電極のゲート電圧を示している。Ｉ_Ｃは、素子領域を流れるコレクタ電流を示している。Ｖ_ＣＥは、コレクタ電極とエミッタ電極の間に印加される電圧（コレクタ電圧）を示している。Ｗは、コレクタ電流が増加／減少するときに消費される電力（コレクタ損失）を示している。ここで、ゲート配線は金属など抵抗が低い材料で形成されるのに対し、トレンチゲート電極は、一般的に、ポリシリコンなど抵抗が高い材料で形成される。このため、トレンチゲート電極の一端に入力されたゲート信号がトレンチゲート電極の全体に伝達されるまでに所定の時間を要する。即ち、トレンチゲート電極にＩＧＢＴをオン／オフするゲート信号が入力されたときに、ゲート電圧の上昇／下降が完了するまでに所定の時間を要する。従って、図１０に示すように、ＩＧＢＴをオンするゲート信号Ｖ_Ｐが時刻ｔ_５で入力されると、時刻ｔ_５から時刻ｔ_６にかけて、ゲート電圧Ｖ_Ｇが徐々に上昇する。ＩＧＢＴをオフするゲート信号Ｖ_Ｐが時刻ｔ_７で入力されると、時刻ｔ_７から時刻ｔ_８にかけて、ゲート電圧Ｖ_Ｇが徐々に下降する。コレクタ電流Ｉ_Ｃは、ゲート電圧Ｖ_Ｇの上昇／下降に伴って増加／減少する。また、コレクタ電圧Ｖ_ＣＥは、コレクタ電流Ｉ_Ｃの増加に伴って下降し、コレクタ電流Ｉ_Ｃの減少に伴って上昇する。また、コレクタ損失Ｗは、コレクタ電流Ｉ_Ｃが増加／減少するときに発生し、コレクタ電流Ｉ_Ｃが増加／減少する時間に比例する。

素子領域内でコレクタ損失Ｗが発生すると、素子領域に熱が発生する。素子領域の中央部に発生した熱は周囲に発散され難いため、素子領域の中央部では素子領域の周辺部に比べて熱がこもりやすい。このため、従来のＩＧＢＴでは、素子領域の中央部の温度が許容範囲以上まで上昇した場合に、ＩＧＢＴをオフするゲート信号を入力する機能が備えられている。しかしながら、従来のＩＧＢＴでは、上述したようにＩＧＢＴをオフするゲート信号を入力してからゲート電圧の下降が完了（即ち、コレクタ電流が遮断）するまでに所定の時間を要する。このため、コレクタ電流が遮断されるまでの間に素子領域の中央部の温度がさらに上昇し、素子領域が破壊されることがあった。

本発明は、上記の課題に鑑みて提案されたものである。本発明は、素子領域の中央部と周辺部にトレンチゲート電極が形成されている半導体装置において、素子領域の熱破壊を抑制することができる技術を提供することを目的とする。

本明細書に開示する半導体装置の第１の態様は、素子領域内に少なくとも１本のトレンチゲート電極を有している半導体装置に関する。この半導体装置は、トレンチゲート電極が、接続部と、周辺部を備えている。接続部は、素子領域の中央部に形成されており、ゲート信号が入力されるゲート端子が接続されている。周辺部は、素子領域の周辺部に形成されており、素子領域の中央部側から外側に向かって伸びている。周辺部は、接続部を介してゲート端子と導通している。

上記の半導体装置では、ゲート端子にゲート信号が入力されると、トレンチゲート電極の接続部を介してトレンチゲート電極の周辺部にゲート信号が伝達される。即ち、トレンチゲート電極の周辺部よりも先にトレンチゲート電極の接続部にゲート信号が入力する。このため、半導体装置をオン／オフするゲート信号が入力されると、トレンチゲート電極の周辺部よりも先に接続部のゲート電圧が上昇／下降する。このため、トレンチゲート電極の接続部では、ゲート電圧の上昇／下降が完了するまでに要する時間をトレンチゲート電極の周辺部よりも短くすることができる。これによって、半導体装置をオフするゲート信号が入力されたときに、素子領域の中央部を流れるコレクタ電流が遮断されるまでの時間を短くすることができる。素子領域の中央部の温度が許容温度以上に上昇した場合には、素子領域の中央部を流れるコレクタ電流が短時間で遮断され、素子領域の中央部が熱破壊されることを抑制することができる。

第１の態様の半導体装置では、トレンチゲート電極の周辺部が、接続部の周囲を素子領域の外側に向かって渦巻状に伸びていてもよい。または、トレンチゲート電極の周辺部が、接続部から素子領域の外側に向かって蛇行する形状で伸びていてもよい。ゲート端子にゲート信号が入力されてから、素子領域を流れるコレクタ電流の増加／減少が完了するまでの時間が短すぎると、素子領域内にサージ電圧が発生し、素子領域が破壊されてしまうことがある。上記の構成によると、トレンチゲート電極の周辺部を渦巻状又は蛇行する形状にすることで、トレンチゲート電極の周辺部を長くすることができ、トレンチゲート電極の周辺部の寄生容量を大きくすることができる。ここで、ゲート電圧の上昇／下降が完了するまでに要する時間はトレンチゲート電極の寄生容量にも依存する。このため、トレンチゲート電極の周辺部の寄生容量を大きくすることで、ゲート端子にゲート信号が入力されてから、素子領域の周辺部を流れるコレクタ電流の増加／減少が完了するまでに要する時間を長くすることができる。これによって、素子領域内にサージ電圧が発生することを抑制することができる。

本明細書に開示する半導体装置の第２の態様は、第１トレンチゲート電極と、第２トレンチゲート電極を有している半導体装置に関する。第１トレンチゲート電極は、素子領域の中央部に少なくとも１本形成されている。第２トレンチゲート電極は、第２素子領域の周辺部に形成されており、素子領域の中央部の周りに少なくとも１本形成されている。この半導体装置では、第１トレンチゲート電極が、直線形状であり、ゲート信号が入力されるゲート端子と接続されている。第２トレンチゲート電極が、前記第１トレンチゲート電極の周囲を素子領域の外側に向かって渦巻状に伸びており、第１トレンチゲート電極を介してゲート端子と導通している。

上記の半導体装置では、ゲート端子にゲート信号が入力されると、第２トレンチゲート電極よりも先に第１トレンチゲート電極にゲート信号が入力する。このため、半導体装置をオン／オフするゲート信号が入力されると、第２トレンチゲート電極のゲート電圧よりも先に第１トレンチゲート電極のゲート電圧が上昇／下降する。第１トレンチゲート電極では、ゲート電圧の上昇／下降が完了するまでに要する時間を第２トレンチゲート電極よりも短くすることができる。これによって、半導体装置をオフするゲート信号が入力されたときに、素子領域の中央部を流れるコレクタ電流が遮断されるまでの時間を短くすることができる。素子領域の中央部の温度が許容温度以上に上昇した場合には、素子領域の中央部を流れるコレクタ電流が短時間で遮断され、素子領域の中央部が熱破壊されることを抑制することができる。

本発明によると、素子領域の中央部と周辺部にトレンチゲート電極が形成されている半導体装置において、素子領域が熱破壊されることを抑制することができる。

実施例１に係るＩＧＢＴ１０の素子領域の上面図を示す。 実施例１に係るＩＧＢＴ１０をオンした後に、ＩＧＢＴ１０をオフするゲート信号が入力されたときのタイミングチャートを示す。 ＩＧＢＴをオフするゲート信号が入力されたときのＩＧＢＴの素子領域の温度分布を示す。 実施例２に係るＩＧＢＴ３０の素子領域の上面図を示す。 実施例３に係るＩＧＢＴ４０の素子領域の上面図を示す。 実施例４に係るＩＧＢＴ５０の素子領域の上面図を示す。 実施例５に係るＩＧＢＴ６０の素子領域の上面図を示す。 実施例６に係るＩＧＢＴ７０の素子領域の上面図を示す。 実施例６に係るＩＧＢＴ７０の一部の断面図を示す。 従来のＩＧＢＴにゲート信号を入力したときのタイミングチャートを示す。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（形態１）ゲート端子であるゲートパッドを素子領域の略中央に設ける。この形態によると、素子領域の中央を有効に活用することができる。

（形態２）トレンチゲート電極の間隔を約１０μｍとする。この形態によると、素子領域内でトレンチゲート電極が占める面積を十分に確保することができ、デバイス特性を向上することができる。

（形態３）素子領域の中央部の面積を素子領域全体の面積の約１／３とする。この形態によると、熱がこもりやすい領域を素子領域の中央部とし、優先的にオン／オフすることができる。

図１に、実施例１に係るＩＧＢＴ（半導体装置）１０の素子領域の上面図を示す。ＩＧＢＴ１０は、素子領域内に１本のトレンチゲート電極６を有している。トレンチゲート電極６は、接続部６ａと、接続部６ａから連続する周辺部６ｂを備えている。トレンチゲート電極６の接続部６ａは、素子領域の中央部８Ａに形成されている。トレンチゲート電極６の周辺部６ｂは、素子領域の周辺部８Ｂに形成されている。トレンチゲート電極６は、ゲートパッド（ゲート端子）４の周囲を素子領域の外側に向かって渦巻状に伸びている。素子領域の表面には、ゲートパッド４とゲート配線２ａ、２ｂが設けられている。ゲートパッド４は、素子領域の中央に設けられている。ゲート配線２ａは、ゲートパッド４の外側を一巡している。ゲート配線２ｂは、素子領域の外周を一巡している。素子領域内には、図示しないＩＧＢＴ１０の素子構造が形成されており、素子領域の表面と裏面には、図示しないエミッタ電極とコレクタ電極が設けられている。
トレンチゲート電極６の接続部６ａの一端（素子領域の中央側の端部）は、ゲート配線２ａを介してゲートパッド４と接続されている。トレンチゲート電極６の周辺部６ｂの一端（素子領域の外側の端部）は、ゲート配線２ｂと接続されている。ゲートパッド４には、外部配線（図示しない）がワイヤボンディングされており、外部配線からゲート信号が入力される。ゲート配線２ａは、ゲートパッド４とトレンチゲート電極６の接続部６ａに接続されている。ＩＧＢＴ１０では、トレンチゲート電極６の周辺部６ｂが、トレンチゲート電極６の接続部６ａを介してゲートパッド４と導通している。なお、ゲート配線２ａ、２ｂはアルミニウムで形成されており、ゲート配線２ａ，２ｂの電気抵抗は小さい。このため、ゲート配線２ａ、２ｂに入力されたゲート信号はゲート配線２ａ、２ｂ全体に瞬時に伝達される。

図２に、ＩＧＢＴ１０のゲートパッド４にゲート信号が入力されたときのタイミングチャートを示す。図の横軸は時間軸を示している。図２の実線は、トレンチゲート電極の接続部６ａ（又は素子領域の中央部８Ａ）におけるタイミングチャートを示している。図２の破線は、トレンチゲート電極の周辺部６ｂ（又は素子領域の周辺部８Ｂ）におけるタイミングチャートを示している。Ｖ_Ｐは、ゲートパッド４に一定のパルスで印加されるゲート信号を示している。Ｖ_Ｇは、トレンチゲート電極６のゲート電圧を示している。Ｉ_Ｃは、素子領域を流れるコレクタ電流を示している。Ｖ_ＣＥは、コレクタ電圧を示している。Ｗは、コレクタ損失を示している。図２の実線で示すように、トレンチゲート電極６の接続部６ａでは、ＩＧＢＴ１０をオンするゲート信号Ｖ_Ｐが時刻ｔ_１で入力されると、ゲート電圧Ｖ_Ｇは瞬時に上昇する。ＩＧＢＴをオフするゲート信号Ｖ_Ｐが時刻ｔ_３で入力されると、ゲート電圧Ｖ_Ｇが瞬時に下降する。このため、素子領域の中央部８Ａで発生するコレクタ損失Ｗは少ない。一方で、図２の破線で示すように、トレンチゲート電極６の周辺部６ｂでは、ＩＧＢＴ１０をオンするゲート信号Ｖ_Ｐが時刻ｔ_１で入力されると、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２にかけて、ゲート電圧Ｖ_Ｇは緩やかに上昇する。ＩＧＢＴをオフするゲート信号Ｖ_Ｐが時刻ｔ_３で入力されると、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４にかけて、ゲート電圧Ｖ_Ｇは緩やかに下降する。このため、素子領域の周辺部８Ｂで発生するコレクタ損失Ｗは大きい。従って、ＩＧＢＴ１０では、素子領域の中央部８Ａでのコレクタ損失Ｗを周辺部８Ｂでのコレクタ損失Ｗより小さくすることで、素子領域の中央部８Ａでの温度上昇が抑制されている。

図３に、ＩＧＢＴ１０をオン／オフしたときの素子領域の温度分布を示す。図３の横軸は素子領域における位置を示している。図３の横軸の中央部分は素子領域の中央部８Ａを示しており、図３の横軸の両側部分は素子領域の周辺部８Ｂを示している。図３の縦軸は素子領域の温度を示しており、図の上側に向かうほど温度が高い。図３の実線１４は、本実施例のＩＧＢＴ１０の素子領域の温度分布を示している。図３の破線１２は、従来のＩＧＢＴの素子領域の温度分布を示している。
従来のＩＧＢＴでは、ＩＧＢＴをオン／オフするゲート信号が入力されたときに、素子領域の中央部を流れるコレクタ電流が瞬時に上昇／下降しないため（図１０参照）、素子領域の中央部でのコレクタ損失が大きい。また、素子領域の中央部に熱がこもる。このため、図３の破線１２に示すように、素子領域の中央部で温度が上昇する。
一方、本実施例のＩＧＢＴ１０では、ＩＧＢＴをオン／オフするゲート信号が入力されたときに、素子領域の中央部８Ａを流れるコレクタ電流が瞬時に上昇／下降するため、素子領域の中央部８Ａでのコレクタ損失が小さい。このため、従来のＩＧＢＴと比較して、素子領域の中央部８Ａの温度は上昇し難い。また、ＩＧＢＴ１０では、ＩＧＢＴ１０をオン／オフするゲート信号が入力されると、素子領域の周辺部８Ｂを流れるコレクタ電流が緩やかに上昇／下降するため、素子領域の周辺部８Ｂでのコレクタ損失が大きい。このため、従来のＩＧＢＴに比べて温度が低下し難い。ただし、素子領域の周辺部８Ｂに発生した熱は素子領域の外周から放熱されるため、素子領域の周辺部８Ｂの温度上昇が抑えられる。これらによって、本実施例のＩＧＢＴ１０では、素子領域の中央部８Ａと周辺部８Ｂで略同一の温度となる。

実施例１のＩＧＢＴ１０では、ゲートパッド４にゲート信号が入力されると、トレンチゲート電極６の周辺部６ｂよりも先にトレンチゲート電極６の接続部６ａにゲート信号が入力する。このため、トレンチゲート電極６の接続部６ａでは、ゲート電圧の上昇／下降が完了するまでに要する時間をトレンチゲート電極６の周辺部６ｂよりも短くすることができる。このため、ＩＧＢＴ１０をオフするゲート信号が入力されたときに、素子領域の中央部８Ａを流れるコレクタ電流が遮断されるまでの時間を短くすることができる。素子領域の中央部８Ａの温度が許容温度以上に上昇した場合に、素子領域の中央部８Ａを流れるコレクタ電流を優先的に遮断することができ、素子領域の中央部８Ａが熱破壊されることを抑制することができる。また、トレンチゲート電極６を素子領域の外側に向かって伸びる渦巻状に形成することで、トレンチゲート電極６の寄生容量を大きくすることができる。これによって、素子領域内にサージ電圧が発生することを抑制することができる。
また、図２に示すように、素子領域の周辺部８Ｂにおけるコレクタ損失Ｗが従来のＩＧＢＴより大きいとしても、素子領域の中央部８Ａにおけるコレクタ損失Ｗが従来のＩＧＢＴより小さいため、ＩＧＢＴ１０の素子領域全体におけるコレクタ損失Ｗは従来のＩＧＢＴと等しい。このため、ＩＧＢＴ１０では、従来のＩＧＢＴと同等のデバイス性能を維持することができる。
さらに、図２に示すように、ＩＧＢＴ１０では、素子領域の中央部８Ａにおけるコレクタ損失Ｗが従来のＩＧＢＴより少ないため、素子領域の中央部８Ａの温度が許容温度以上まで上昇し難い。

図４に、実施例２に係るＩＧＢＴ３０の素子領域の上面図を示す。ＩＧＢＴ３０は、第１トレンチゲート電極２６ａと第２トレンチゲート電極２６ｂを有している。第１トレンチゲート電極２６ａは直線状であり、素子領域の中央部２８Ａに平行に複数本形成されている。第２トレンチゲート電極２６ｂは、素子領域の周辺部２８Ｂに１本形成されており、素子領域の外側に向かって素子領域の中央部２８Ａの周りに渦巻状に伸びている。素子領域の表面には、ゲートパッド２４とアルミニウムで形成されたゲート配線２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが設けられている。ゲートパッド２４は、素子領域の中央に設けられている。ゲート配線２２ａは、ゲートパッド２４の外側を一巡している。ゲート配線２２ｂは、第１トレンチゲート電極２６ａと第２トレンチゲート電極２６ｂの間に設けられており、第１トレンチゲート電極２６ａの外側を一巡している。ゲート配線２２ｃは、素子領域の外周を一巡している。素子領域内には、図示しないＩＧＢＴ３０の素子構造が形成されており、素子領域の表面と裏面には、図示しないエミッタ電極とコレクタ電極が設けられている。
第１トレンチゲート電極２６ａの一部は、ゲート配線２２ａを介してゲートパッド２４と接続されている。第１トレンチゲート電極の両端は、ゲート配線２２ｂの内側に接続されている。第２トレンチゲート電極２６ｂの一端（素子領域の中央側の端部）は、ゲート配線２２ｂと接続されている。第２トレンチゲート電極２６ｂの他端（素子領域の外側の端部）は、ゲート配線２２ｃと接続されている。ゲートパッド２４には、外部配線（図示しない）がワイヤボンディングされており、外部配線からゲート信号が入力される。ゲート配線２２ａは第１トレンチゲート電極２６ａとゲートパッド２４に接続されている。ＩＧＢＴ３０では、第２トレンチゲート電極２６ｂが、第１トレンチゲート電極２６ａを介してゲートパッド２４と導通している。

実施例２のＩＧＢＴ３０では、第１トレンチゲート電極２６ａが直線状に形成されているため、ゲートパッド２４にゲート信号が入力されると、第１トレンチゲート電極２６ａのゲート電圧が瞬時に上昇／下降する。ＩＧＢＴ３０では、第１トレンチゲート電極２６ａを直線状に形成し、第２トレンチゲート電極２６ｂを渦巻状に形成することで、第１トレンチゲート電極２６ａと第２トレンチゲート電極２６ｂの合成寄生容量を調整することができる。これによって、ＩＧＢＴ３０をオフするゲート信号が入力されたときに、素子領域の周辺部２８Ｂを流れるコレクタ電流が遮断されるまでの時間を調整することができる。

図５に、実施例３に係るＩＧＢＴ４０の上面図を示す。ＩＧＢＴ４０は、素子領域内に２本のトレンチゲート電極３６、３７を有している。各トレンチゲート電極３６、３７は、接続部３６ａ、３７ａと周辺部３６ｂ、３７ｂを備えている。トレンチゲート電極３６、３７の各接続部３６ａ、３７ａは、素子領域の中央部３８Ａに形成されている。トレンチゲート電極３６、３７の各周辺部３６ｂ、３７ｂは、素子領域の周辺部３８Ｂに形成されている。各トレンチゲート電極３６、３７は、ゲートパッド３４の周囲を素子領域の外側に向かって渦巻状に伸びている。素子領域の表面には、ゲートパッド３４とアルミニウムで形成されたゲート配線３２ａ、３２ｂが設けられている。ゲートパッド３４は、素子領域の中央に設けられている。ゲート配線３２ａは、ゲートパッド３４の外側を一巡している。ゲート配線３２ｂは、素子領域の外周を一巡している。素子領域内には、図示しないＩＧＢＴ４０の素子構造が形成されており、素子領域の表面と裏面には、図示しないエミッタ電極とコレクタ電極が設けられている。
トレンチゲート電極３６、３７の各接続部３６ａ、３７ａの一端（素子領域の中央側の端部）は、ゲート配線３２ａを介してゲートパッド３４と接続されている。トレンチゲート電極３６、３７の各周辺部３６ｂ、３７ｂの一端（素子領域の外側の端部）は、ゲート配線３２ｂと接続されている。ゲートパッド３４には、外部配線（図示しない）がワイヤボンディングされており、外部配線からゲート信号が入力される。ゲート配線３２ａは、ゲートパッド３４とトレンチゲート電極３６、３７の各接続部３６ａ、３７ａに接続されている。ＩＧＢＴ４０では、トレンチゲート電極３６、３７の各周辺部３６ｂ、３７ｂが、トレンチゲート電極３６、３７の各接続部３６ａ、３７ａを介してゲートパッド３４と導通している。

実施例３のＩＧＢＴ４０では、素子領域の外側に向かって伸びる渦巻状のトレンチゲート電極を複数本形成することで、トレンチゲート電極３６、３７の寄生容量を調整することができる。これによって、ＩＧＢＴ３０をオフするゲート信号が入力されたときに、コレクタ電流が遮断されるまでの時間を調整することができる。

図６に、実施例４に係るＩＧＢＴ５０の素子領域の上面図を示す。ＩＧＢＴ５０は、素子領域内に４本のトレンチゲート電極４３、４５、４６、４７を有している。各トレンチゲート電極４３、４５、４６、４７は、接続部４３ａ、４５ａ、４６ａ、４７ａと周辺部４３ｂ、４５ｂ、４６ｂ、４７ｂを備えている。トレンチゲート電極４３、４５、４６、４７の各接続部４３ａ、４５ａ、４６ａ、４７ａは、素子領域の中央部４８Ａに形成されている。トレンチゲート電極４３、４５、４６、４７の各周辺部４３ｂ、４５ｂ、４６ｂ、４７ｂは、素子領域の周辺部３８Ｂに形成されている。各トレンチゲート電極４３、４５、４６、４７は、ゲートパッド４４から素子領域の外側に向かって蛇行する形状で伸びている。素子領域の表面には、ゲートパッド４４とアルミニウムで形成されたゲート配線４２ａ、４２ｂが設けられている。ゲートパッド４４は、素子領域の中央に設けられている。ゲート配線４２ａは、ゲートパッド４４の外側を一巡している。ゲート配線４２ｂは、素子領域の外周を一巡している。素子領域内には、図示しないＩＧＢＴ５０の素子構造が形成されており、素子領域の表面と裏面には、図示しないエミッタ電極とコレクタ電極が設けられている。
トレンチゲート電極４３、４５、４６、４７の各接続部４３ａ、４５ａ、４６ａ、４７ａの一端（素子領域の中央側の端部）は、ゲート配線４２ａを介してゲートパッド４４と接続されている。トレンチゲート電極４３、４５、４６、４７の各周辺部部４３ｂ、４５ｂ、４６ｂ、４７ｂの一端（素子領域の外側の端部）は、ゲート配線４２ｂと接続されている。ゲートパッド４４には、外部配線（図示しない）がワイヤボンディングされており、外部配線からゲート信号が入力される。ゲート配線４２ａは、ゲートパッド４４とトレンチゲート電極４３、４５、４６、４７の各接続部４３ａ、４５ａ、４６ａ、４７ａに接続されている。ＩＧＢＴ５０では、トレンチゲート電極の各周辺部４３ｂ、４５ｂ、４６ｂ、４７ｂが、トレンチゲート電極４６の各接続部４３ａ、４５ａ、４６ａ、４７ａを介してゲートパッド４と導通している。

実施例４のＩＧＢＴ５０では、４本のトレンチゲート電極４３、４５、４６、４７を、ゲートパッド４４から素子領域の外側に向かって蛇行する形状とすることで、各トレンチゲート電極４３、４５、４６、４７を長くすることができ、各トレンチゲート電極４３、４５、４６、４７の寄生容量を大きくすることができる。これによって、ＩＧＢＴ４０をオフするゲート信号が入力されたときに、コレクタ電流が遮断されるまでの時間を調整することができる。

図７に、実施例５に係るＩＧＢＴ６０の素子領域の上面図を示す。ＩＧＢＴ６０は、素子領域内に同心状の５本のトレンチゲート電極５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅを有している。素子領域の表面には、ゲートパッド５４とアルミニウムで形成されたゲート配線５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄが設けられている。ゲートパッド５４は、素子領域の中央に設けられている。ゲート配線５２ａは、最も内側のトレンチゲート電極５６ａとゲートパッド５４の間の一部に設けられている。ゲート配線５２ｂは、最も外側のトレンチゲート電極５６ｅとゲート配線５２ｄの間の一部に設けられている。各ゲート配線５２ｃは、トレンチゲート電極５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅの間の一部に設けられている。ゲート配線５２ｄは、素子領域の外周を一巡している。素子領域内には、図示しないＩＧＢＴ６０の素子構造が形成されており、素子領域の表面と裏面には、図示しないエミッタ電極とコレクタ電極が設けられている。
最も内側のトレンチゲート電極５６ａは、ゲート配線５２ａを介してゲートパッド５２ａと接続されている。各トレンチゲート電極５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅは、隣接するトレンチゲート電極同士がゲート配線５２ｃによって接続されている。最も外側のトレンチゲート電極５６ｅは、ゲート配線５２ｂによってゲート配線５２ｄと接続されている。ゲートパッド５４には、外部配線（図示しない）がワイヤボンディングされており、外部配線からゲート信号が入力される。ＩＧＢＴ６０では、最も内側のトレンチゲート電極５６ａを除いた各トレンチゲート電極５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅが、内側に隣接するトレンチゲート電極を介してゲートパッド５４と導通している。

実施例５のＩＧＢＴ６０では、ゲートパッド５４にゲート信号が入力されると、最も内側のトレンチゲート電極５６ａにゲート信号が伝達され、その後に、外側に隣接するトレンチゲート電極５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ，５６ｅに向かって順にゲート信号が伝達される。従って、ＩＧＢＴ６０をオン／オフするゲート信号が入力されると、最も内側のトレンチゲート電極５６ａから順にゲート電圧が上昇／下降する。このため、素子領域の中央部５８Ａの温度が許容温度以上に上昇した場合に、素子領域の中央部５８Ａを流れるコレクタ電流を優先的に遮断することができ、素子領域の中央部５８Ａが熱破壊されることを抑制することができる。また、各トレンチゲート電極５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅを同心状に複数形成することで、周辺部５８Ｂのトレンチゲート電極５６ｃ、５６ｄ、５６ｅの寄生容量を大きくすることができ、素子領域内にサージ電圧が発生することを抑制することができる。

図８に、実施例６に係るＩＧＢＴ７０の素子領域の上面図を示す。ＩＧＢＴ７０は、素子領域内に１本のトレンチゲート電極６６を有している。トレンチゲート電極６６は、接続部６６ａと周辺部６６ｂを備えている。トレンチゲート電極６６の接続部６６ａは、素子領域の中央部６８Ａに形成されている。トレンチゲート電極６６の周辺部６６ｂは、素子領域の周辺部６８Ｂに形成されている。トレンチゲート電極６６は、ゲート配線６２ａの一端（素子領域の中央側の端部）の周囲を素子領域の外側に向かって渦巻状に伸びている。素子領域外（図示しない）には、ゲートパッド６４が設けられている。素子領域の表面には、アルミニウムで形成されたゲート配線６２ａ、６２ｂが設けられている。ゲート配線６２ａは、ゲートパッド６４からトレンチゲート電極６６の接続部６６ａに向かって伸びている。ゲート配線６２ｂは、素子領域の外周を一巡している。素子領域内には、図示しないＩＧＢＴ７０の素子構造が形成されており、素子領域の表面と裏面には、図示しないエミッタ電極とコレクタ電極が設けられている。
トレンチゲート電極６６の接続部６６ａの一端（素子領域の中央側の端部）は、ゲート配線６２ａを介してゲートパッド６４と接続されている。トレンチゲート電極６６の周辺部６６ｂの一端（素子領域の外側の端部）は、ゲート配線６２ｂと接続されている。ゲートパッド６４には、外部配線（図示しない）がワイヤボンディングされており、外部配線からゲート信号が入力される。ゲート配線６２ａは、ゲートパッド６４とトレンチゲート電極６６の接続部６６ａを接続している。ゲート配線６２ａとトレンチゲート電極６６が交差する位置では、トレンチゲート電極６６がゲート配線６２ａの下方を通過している。

図９に、図８におけるIX−IX線（ゲート配線６２ａとトレンチゲート電極６６が交差する位置の一部）の断面図を示す。図９において、参照符号７２は、ポリシリコンを示している。参照符号７２はゲート絶縁膜を示している。参照符号７８はエミッタ電極を示している。参照符号８０はシリコン基板を示している。参照符号７６は絶縁膜を示している。図９に示すように、ゲート配線６２ａとトレンチゲート電極６６が交差する位置では、ゲート配線６２ａとトレンチゲート電極６６の間がゲート絶縁膜７２と絶縁膜７６によって絶縁されている。このため、ＩＧＢＴ７０では、トレンチゲート電極６６の周辺部６６ｂが、トレンチゲート電極６６の接続部６６ａを介してゲートパッド６４と導通している。

実施例６のＩＧＢＴ７０では、ゲートパッド６４にゲート信号が入力されたときに、トレンチゲート電極６６の接続部６６ａからゲート信号が入力される。このため、ゲートパッド６４が素子領域の外部に設けられている場合でも、素子領域の中央部６８Ａの温度が許容温度以上に上昇した場合に、素子領域の中央部６８Ａを流れるコレクタ電流を優先的に遮断することができ、素子領域の中央部６８Ａが熱破壊されることを抑制することができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、実施例ではＩＧＢＴを記載したが、ＭＯＳＦＥＴなどトレンチゲート電極を有する他の半導体装置であってもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ａ、２ｂ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、６２ａ、６２ｂ：ゲート配線
４、２４、３４、４４、５４、６４：ゲートパッド
６、３６、３７、４３、４５、４６、４７、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅ、６６：トレンチゲート電極
６ａ、３６ａ、３７ａ、４３ａ、４５ａ、４６ａ、４７ａ、６６ａ：（トレンチゲート電極の）接続部
６ｂ、３６ｂ、３７ｂ、４３ｂ、４５ｂ、４６ｂ、４７ｂ、６６ｂ：（トレンチゲート電極の）周辺部
８Ａ、２８Ａ、３８Ａ、４８Ａ、５８Ａ、６８Ａ：素子領域の中央部
８Ｂ、２８Ｂ、３８Ｂ、４８Ｂ、５８Ｂ、６８Ｂ：素子領域の周辺部
１０、３０、４０、５０、６０、７０：ＩＧＢＴ
１２：従来のＩＧＢＴの素子領域の熱量分布
１４：実施例１に係るＩＧＢＴ１０の素子領域の熱量分布
２６ａ：第１トレンチゲート電極
２６ｂ：第２トレンチゲート電極
７２：ポリシリコン
７４：ゲート絶縁膜
７６：絶縁膜
７８：エミッタ電極
８０：シリコン基板

Claims (3)

1. 素子領域内に少なくとも１本のトレンチゲート電極を有している半導体装置であり、
   前記トレンチゲート電極が、
   素子領域の中央部に形成されており、ゲート信号が入力されるゲート端子が接続されている接続部と、
   素子領域の周辺部に形成されており、素子領域の中央部側から外側に向かって伸びている周辺部と、を備えており、
   前記周辺部が、前記接続部の周囲を素子領域の外側に向かって渦巻状に伸びており、前記接続部を介してゲート端子と導通していることを特徴とする半導体装置。
2. 素子領域内に少なくとも１本のトレンチゲート電極を有している半導体装置であり、
   前記トレンチゲート電極が、
   素子領域の中央部に形成されており、ゲート信号が入力されるゲート端子が接続されている接続部と、
   素子領域の周辺部に形成されており、素子領域の中央部側から外側に向かって伸びている周辺部と、を備えており、
   前記周辺部が、前記接続部から素子領域の外側に向かって蛇行する形状で伸びており、前記接続部を介してゲート端子と導通していることを特徴とする半導体装置。
3. 素子領域の中央部に形成されている少なくとも１本の第１トレンチゲート電極と、
   素子領域の周辺部に形成されており、素子領域の中央部の周りに形成されている少なくとも１本の第２トレンチゲート電極を有している半導体装置であり、
   第１トレンチゲート電極が、直線形状であり、ゲート信号が入力されるゲート端子と接続されており、
   第２トレンチゲート電極が、前記第１トレンチゲート電極の周囲を素子領域の外側に向かって渦巻状に伸びており、第１トレンチゲート電極を介して前記ゲート端子と導通していることを特徴とする半導体装置。
   
   

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