JPH10290006A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ゲート電極の開口部が長方形のストライプ構造
のＩＧＢＴでは、ゲートの端部と中央部間の抵抗が大き
いとゲート中央部の電流の遮断が遅いため、電流集中を
生じ、ＩＧＢＴが破壊してしまう。従来は、ゲート電極
材料としてポリシリコンが使われてきた。ポリシリコン
は抵抗が大きいため、ゲートの端部と中央部間の抵抗を
下げるためには、多くのゲート配線領域を設け、ゲート
の端部と中央部間の距離を小さくしなければならず、チ
ップが有効に使えないという問題があった。ゲート抵抗
を低減し、遮断電流を向上するとともに、ゲート領域を
小さくしチップ面積利用率を向上する。 【解決手段】ゲート電極材料にシリサイド層１１を使用
する。 【効果】シリサイドは、ポリシリコンに比べ抵抗が１桁
以上低いので、ストライプ構造にて、端部と中央部の長
さを長くしてもゲート抵抗を小さくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】絶縁ゲートバイポーラトラン
ジスタ（Insulated Gate bipolar Transistor 以下ＩＧ
ＢＴと称す）は、電圧駆動型素子であるため、電流駆動
型のバイポーラトランジスタやＧＴＯより駆動電力が小
さく、このため駆動回路を簡単にでき、またMOSFETに比
べオン電圧が小さく損失が少ないため、電源やインバー
タ等の分野に急速に広まっている。

【０００２】図６に断面構造を示す。ｐ+ 層の上には、
ｎ- 層が形成されている。ｎ- 層中には選択的にｐ層が
形成されている。ｐ層内部には選択的にｎ+ 層が形成さ
れている。ｎ+ 層，ｐ層，ｎ- 層表面にはゲート酸化膜
及びゲート電極が設けられており、絶縁ゲートトランジ
スタを形成している。ｐ層，ｎ+ 層はこの図には現れて
いないエミッタ電極により短絡されている。またｐ+ 層
にはこの図には現れていない、コレクタ電極が接触して
いる。ＩＧＢＴは次のように動作する。エミッタ電極を
接地し、コレクタ電極に正の電圧を加えた状態で、ゲー
ト電極に所定以上の正の電圧を加える。するとゲート電
極下のｐ層が反転し、チャネルができ、ｎ+ 層よりｎ-
層に電子が流れ出す。この電子によりｐ+ 層／ｎ- 層の
ｐｎ接合が順バイアスされホールがｎ- 層中に注入され
る。このため高抵抗のｎ- 層が伝導度変調され抵抗が下
がる。このため少数キャリアであるホールの注入がない
MOSFETより低オン電圧となる。

【０００３】ｐ+ 層より注入されたホールは、ｎ- 層か
らｎ+ 層下のｐ層を通ってエミッタ電極に達する。この
とき、ホール電流とｎ+ 層下のｐ層の積で与えられる電
圧が発生する。この電圧は、ｐ層とｎ+ 層の間を順バイ
アスする。流れる電流が大きくなり、この電圧がｐ層と
ｎ+ 層の拡散電位を越えると、ｎ+ 層から電子が注入さ
れ、寄生のサイリスタがラッチアップする。この状態に
なると、ゲートで電流を制御できなくなりＩＧＢＴは破
壊してしまう。このように、ＩＧＢＴには制御できる最
大の電流がある。

【０００４】ところで、ＩＧＢＴの表面のゲート構造に
は、ゲート電極が一方向に伸び、開口部が一方向に長い
長方形の開口部が設けられているストライプ構造(図６
(ａ))と、ゲートの開口部が網目状に設けられ、ゲート
電極が互いに格子状に接続されているメッシュ構造（図
６（ｂ））の２種類がある。パワーMOSFETでは、単位面
積当たりのソースの長さを長くでき、オン電圧を低減す
ることができるのでメッシュ構造が一般的に使われてい
る。一方、ＩＧＢＴでは、メッシュ構造では端部で電流
の集中が起きるとともに、メッシュ構造よりｐ+ 層とエ
ミッタ電極の接触面積を大きくでき、ホール電流による
ラッチアップを防止できるため、ストライプ構造が一般
的に使われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図７は、ストライプ構
造のＩＧＢＴチップの表面構造を示す。中心にゲートパ
ットが設けられ、ゲートパットよりゲート配線が伸びて
いる。ゲート配線に囲まれた中にＩＧＢＴセルが設けら
れ、ゲート配線間に一方向に伸びてゲート電極の開口部
が設けられている。なお、ゲート電極とゲート配線は端
部にて接続されている。このため、ゲート電極開口部の
長手方向では端部と中央部でゲート抵抗に差ができる。

【０００６】図８に端部ａと中央部ａ′のターンオフ時
のコレクタ電流を示す。まず、抵抗の小さいａの領域か
ら電流が遮断され、ゲート抵抗が最も大きい中央部ａ′
は最も遅く電流が切れるため、中央部ａ′に電流が集中
し過渡的に大きな電流が流れる。この電流があまり大き
いとＩＧＢＴはラッチアップし、破壊してしまう。

【０００７】図９は、ａ−ａ′間の抵抗と最大遮断電流
の関係を示す。抵抗が１０００オームくらいまでは、遮
断電流は一定であるがそれを越えると電流集中が無視で
きなくなり、最大遮断電流は低下する。

【０００８】従来は、ゲート電極材料としてポリシリコ
ンが使われてきた。ポリシリコンは抵抗が大きいため、
ａ−ａ′間の抵抗を下げるためには、多くのゲート配線
領域を設け、ａ−ａ′間の距離を小さくしなければなら
ず、チップが有効に使えないという問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記問題を解決
するため、ゲート電極材料にシリサイドを使用したもの
である。

【００１０】シリサイドは、ポリシリコンに比べ抵抗が
１桁以上低いので、ストライプ構造にて、端部と中央部
の長さを長くしてもゲート抵抗を小さくでき、ポリシリ
コンを使った従来例に比べ、ゲートの配線領域を狭くし
ても電流の集中を防ぐことができ、チップを有効に利用
しながら、遮断電流の大きなＩＧＢＴが得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明第１の実施例の断面
図である。ｐ+ 層１上にはｎ- 層２が形成されている。
ｎ- 層２中には表面より複数個のｐ層３が形成されてい
る。ｐ層３中にはｎ+ 層４が形成されている。ｎ+ ５，
ｐ層３は図面には現れていないエミッタ電極により短絡
されている。ｐ+ 層１には、この図に現れていないコレ
クタ電極が接続されている。ｎ+ ５，ｐ層３，ｎ- 層２
にまたがってゲート酸化膜１０が形成され、その上にゲ
ート電極としてシリサイド層１１が設けられている。ゲ
ート電極は一方向のみに伸び、長方形の開口部が設けら
れた、ストライプ構造をしている。本実施例では、ゲー
ト電極材料としてシリサイドを使っているため、ポリシ
リコンを使った従来構造に比べ、ゲート抵抗を小さくで
きるため、ゲート電極の端部と中央部の長さを長くして
もゲート抵抗を小さくでき、ポリシリコンを使った従来
例に比べ、ゲートの配線領域を狭くしても電流の集中を
防ぐことができ、チップを有効に利用しながら、遮断電
流の大きなＩＧＢＴが得られる。

【００１２】ＩＧＢＴはｐ層及びｎ+ 層をゲート電極を
マスクとして、イオン注入し、拡散により形成する。こ
のため、高温（１０００℃以上）にシリサイドがさらさ
れるため、高温でも安定であることが必要とされる。ま
た、シリコンプロセスで使われる薬品で安定であること
が必要である。更に、ゲート酸化膜に悪影響を及ぼさず
ポリシリコンと同等のゲート絶縁耐圧が必要である。上
記の要求を満たすシリサイドの材料としては、タングス
テンシリサイド（ＷＳｉＯ₂ ）あるいは、モリブデンシ
リサイド（ＭｏＳｉＯ₂ ）が望ましい。

【００１３】図２は、第２の実施例である。ｎ+ ５，ｐ
層３，ｎ- 層２にまたがってゲート酸化膜１０が形成さ
れ、その上にゲート電極としてポリシリコン層１２が設
けられ更にその上にシリサイド層１１が設けられてい
る。酸化膜上に直接シリサイドを設けると、酸化膜とシ
リサイドの熱膨張率の差が大きく、ｐ層形成の時の高温
の熱処理の応力によりシリサイドと酸化膜が剥離してし
まう。本実施例では、酸化膜とシリサイドの間にポリシ
リコンを設けることにより応力を緩和し、シリサイドが
はがれるのを防止する。

【００１４】図３は、本発明第３の実施例である。ｎ+
５，ｐ層３，ｎ- 層２にまたがってゲート酸化膜１０が
形成され、その上にゲート電極としてポリシリコン層１
２が設けられ更にその上にシリサイド層１１が設けら
れ、更にその上に酸化膜１３が設けられている。ＩＧＢ
Ｔでは、ｐ層３はゲート電極をマスクとして、イオン注
入及び拡散によって形成される。このとき、酸素雰囲気
で拡散するとシリサイドの粒界に沿って酸化が進み面荒
れを生じる。特にＩＧＢＴはラッチアップ防止のため、
ｐ層を深く形成するため高温かつ長い時間熱処理するた
め酸化されやすい。本実施例では、シリサイド層上に熱
処理前に酸化膜を堆積しておくことで、面荒れを防止す
ることができる。

【００１５】図４は、本発明第４の実施例である。ｎ+
５，ｐ層３，ｎ- 層２にまたがってゲート酸化膜１０が
形成され、その上にゲート電極としてポリシリコン層１
２が設けられ更にその上にシリサイド層１１が設けら
れ、更にその上にポリシリコン層１４が設けられてい
る。図３では、酸化膜をシリサイド形成後堆積する事
で、面荒れを防止しているがシリサイドと酸化膜は熱膨
張係数が違い熱処理した場合はがれやすい。特にＩＧＢ
Ｔはラッチアップ防止のため、ｐ層を深く形成するため
高温かつ長い時間熱処理するため、応力の差が大きい。
本実施剤では、シリサイドとの熱膨張率の差が小さいポ
リシリコンをシリサイドの上に設けることにより、シリ
サイドが酸化されるのを防止するとともに熱処理により
はがれるのを防止する。

【００１６】図５は、本発明のＩＧＢＴを使って構成し
たモータ駆動用インバータ回路の例を示す。IGBT200 に
は逆並列にダイオード２０１が接続されており、ＩＧＢ
Ｔが２個直列に接続され１相が形成されている。ＩＧＢ
Ｔが接続された中点より出力がでており、モータ２０６
と接続されている。上アーム側のIGBT200a，b，c，dの
コレクタは共通であり、整流回路の高電位側と接続され
ている。また、下アーム側のIGBT200d，e，fのエミッタ
は共通であり、整流回路のアース側と接続されている。
整流回路２０３は、交流２０２を直流に変換する。IGBT
200 は、この直流を受電し、再度交流に変換してモータ
を駆動する。上下の駆動回路２０４，２０５は、ＩＧＢ
Ｔのゲートに駆動信号を伝え、所定の周期でＩＧＢＴを
オン，オフさせる。インバータ回路では、事故や過負荷
を想定して定常状態の数倍の遮断ができるＩＧＢＴを選
ぶ。

【００１７】

【発明の効果】本発明のＩＧＢＴは同じチップサイズ
で、従来のものより大きな遮断耐量が得られるので、チ
ップの値段が安くなり安価なインバータが構成できる。
また、同じチップを使った場合、従来より大きな電流を
遮断できるので信頼性が増す。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例。

【図２】第２の実施例。

【図３】第３の実施例。

【図４】第４の実施例。

【図５】本発明を使ったインバータ回路。

【図６】従来構造のＩＧＢＴの断面図。

【図７】従来構造のＩＧＢＴの表面図。

【図８】ゲート端部と中央部のターンオフ波形。

【図９】ゲート抵抗と最大遮断電流の関係。

【符号の説明】

１…ｐ+ 層、２…ｎ- 層、３…ｐ層、４…ｎ+ 層、１０
…ゲート酸化膜、１１…シリサイド層、１２…ポリシリ
コン層、１３…酸化膜、１４…ポリシリコン層、２００
…ＩＧＢＴ、２０１…ダイオード、２０２…交流電源、
２０３…整流回路、２０４…上アーム駆動回路、２０５
…下アーム駆動回路、２０６…モータ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型の第１の半導体層と、 前記第１の半導体層上に形成された第２導電型の第２の
   半導体層と、 前記第２の半導体層内に複数個形成された第１導電型の
   第３の半導体層と、 前記第３の半導体層内に形成された第２導電型の第４の
   半導体層と、 前記第１の半導体層とオーミック接触する第１の主電極
   と前記第３の半導体層と前記第４の半導体層にオーミッ
   ク接触する第２の主電極と前記第２，３及び４の半導体
   層上に形成された絶縁膜と前記絶縁膜上に形成されたゲ
   ート電極を有し、 前記ゲート電極の開口部が長方形に設けられている半導
   体装置において、 前記ゲート電極がシリサイドであることを特徴とする半
   導体装置。
2. 【請求項２】請求項１の半導体装置において前記絶縁膜
   上に形成されたポリシリコンと前記ポリシリコン上に形
   成されたシリサイドを有することを特徴とする半導体装
   置。
3. 【請求項３】請求項１の半導体装置において前記絶縁膜
   上に形成されたポリシリコンと前記ポリシリコン上に形
   成されたシリサイドと前記シリサイド上に形成された酸
   化膜を有することを特徴とする半導体装置。
4. 【請求項４】請求項１の半導体装置において前記絶縁膜
   上に形成されたポリシリコンと前記ポリシリコン上に形
   成されたシリサイドと前記シリサイド上に形成されたポ
   リシリコンを有することを特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】請求項１から４のいずれかにおいてシリサ
   イドはタングステンシリサイドあるいはモリブデンシリ
   サイドであることを特徴とする半導体装置。