JPWO2015198435A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、面内における電流分布の偏りを解消することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。本発明による半導体装置は、半導体基板（９）上に複数のトランジスタのセルが配置されたトランジスタセル領域（３７）を有する半導体装置（１）であって、半導体基板（９）上にトランジスタセル領域（３７）を避けて配置され、かつ各セルの一方電流電極と電気的に接続された電極パッド（２）を備え、トランジスタセル領域（３７）は、電極パッド（２）からの距離に依存して電流駆動能力が異なる複数の領域（６，７，８）からなることを特徴とする。

Description

本発明は、例えば内燃機関のイグニッションシステムにおいて誘導性負荷を駆動するのに適した半導体装置に関する。
従来、イグナイタに用いられるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子を備える半導体装置（半導体チップ）のレイアウトでは、半導体装置の面内で同一の構造を採用しているが、半導体装置を通電する電流密度が面内において均一ではなく局所的に偏りが生じる。従って、半導体装置の破壊耐量は、局所的に電流密度が高くなる部分によって律速され、局所的に電流密度が高くなる部分以外の部分は、電流密度に対して余裕がある（例えば、特許文献１，２参照）。
特開昭５９−８７８２８号公報 特開平５−１６０４０９号公報
上記の半導体装置では、エミッタパッド（基準電位領域）に対して、導電性のワイヤ（一般的にはアルミニウム）が超音波接合技術によって電気的に接続されている。当該接合時のストレスによってスイッチング素子の構造がダメージを受けないように、エミッタパッドが形成される領域には、ＩＧＢＴセル等のＤＭＯＳ構造（以下、単にＩＧＢＴセルという）を設けないレイアウトを採用することが多い。
半導体装置のチップ面積は有限であり、エミッタパッドからＩＧＢＴセルが形成される各領域（以下、ＩＧＢＴセル領域という）までの距離が異なるため、エミッタパッドから離れた部分よりもエミッタパッドに近い部分の方が、電流負荷が大きくなる傾向がある。一方、ＩＧＢＴセルを設けないエミッタパッドの近傍のＩＧＢＴセル領域では、高速遮断時に導電性に寄与する半導体装置内のキャリア濃度の過渡的な変動によって、電流密度が低いことが実験で判明している。その結果、エミッタパッドから離れた領域と、エミッタパッド近傍の領域との間に電流密度が最大になる領域が存在することとなり、当該領域が通電破壊の起点になる。
このように、半導体装置の面内の領域によって電流密度の違いがあるため、スイッチング素子の電流駆動能力と破壊耐量とのトレードオフの関係が生じ、半導体装置のサイズやコストに制約がかかるという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、面内における電流分布の偏りを解消することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明による半導体装置は、半導体基板上に複数のトランジスタのセルが配置されたトランジスタセル領域を有する半導体装置であって、半導体基板上にトランジスタセル領域を避けて配置され、かつ各セルの一方電流電極と電気的に接続された電極パッドを備え、トランジスタセル領域は、電極パッドからの距離に依存して電流駆動能力が異なる複数の領域からなることを特徴とする。
本発明によると、半導体装置は、半導体基板上に複数のトランジスタのセルが配置されたトランジスタセル領域を有する半導体装置であって、半導体基板上にトランジスタセル領域を避けて配置され、かつ各セルの一方電流電極と電気的に接続された電極パッドを備え、トランジスタセル領域は、電極パッドからの距離に依存して電流駆動能力が異なる複数の領域からなるため、面内における電流分布の偏りを解消することが可能となる。
本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
本発明の実施の形態１による半導体装置の構成の一例を示す図である。 図１のＡ１−Ａ２断面を示す図である。 図１のＢ１−Ｂ２断面を示す図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の構成の他の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の構成の他の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１による半導体装置の構成の他の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２による半導体装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３による半導体装置の構成の一例を示す図である。 図８の等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態４による半導体装置の構成の一例を示す図である。 図１０の等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態５による半導体装置の構成の一例を示す図である。 図１２の等価回路を示す図である。 本発明の実施の形態６による半導体装置の構成の一例を示す図である。 図１４の等価回路を示す図である。 内燃機関のイグニッションシステムの回路構成の一例を示す図である。 図１６の回路における動作の一例を示す図である。 前提技術による半導体装置の構成の一例を示す図である。 図１８の等価回路を示す図である。
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。
＜前提技術＞
まず、内燃機関のイグニションシステムについて説明する。
図１６は、内燃機関のイグニションシステムの回路構成の一例を示す図である。また、図１７は、図１６の回路における動作の一例を示す図である。
制御回路２９は、制御端子３０を介して制御コンピュータからのオン信号を受信し、受信したオン信号に基づく駆動信号によってトランジスタ３１（スイッチング素子）を駆動する。具体的には、トランス３２（誘導性負荷）に電流を流してエネルギーを蓄積させる。ここで、トランジスタ３１は、例えばＩＧＢＴである。
点火タイミング時（図１７の駆動信号Ｖのオフ時）において、制御回路２９は、制御端子３０を介して制御コンピュータからオフ信号を受信し、受信したオフ信号に基づく駆動信号によってトランジスタ３１をターンオフする。ターンオフしてトランジスタ３１が遮断されるとＶｃｅ電圧が上昇し、巻き数比倍された高電圧がトランス３２の２次側に励起される（一般的には、Ｖ２は−３０ｋＶ程度）。
一般的には、トランス３２の巻き線の絶縁破壊を防止するために、Ｖｃｅは５００Ｖ程度でクランプするように、コレクタ−ゲート間にクランプダイオード３４（ツェナーダイオード）が設けられる。このように、コレクタ電圧の上昇によって、クランプダイオード３４を用いてトランジスタ３１の駆動信号を上昇させ、トランジスタ３１がオンすることを「アクティブクランプ」といい、負荷（ここではトランス３２）に過剰な電圧が発生しないような電圧（図１７の例では約５００Ｖ）が設定される。
負荷電流Ｉｃの値は、駆動信号のオン時間や電源電圧Ｖｐに依存して変動するが、トランス３２の巻き線の溶断や、トランス３２のコア（通常は、鉄などの磁性素材）の磁気飽和のリスク回避するために、電流が予め定められた値以上にならないように制御される。このときの最大許容電流値は、「電流制限値」と定義される。
自動車エンジン等の内燃機関用のイグニションシステムに用いられるトランス３２の１次側電流を制御するトランジスタ３１は、点火のタイミングで遮断動作し、トランス３２の２次側に高電圧を発生させて点火プラグ３３でアーク放電を生じさせている。当該アーク放電が生じることによって燃料が着火される。このような点火時において、トランジスタ３１は、トランス３２の巻き線の絶縁破壊を回避するためにアクティブクランプ動作を行っている。当該アクティブクランプ動作は、トランジスタ３１に局所的な発熱をもたらしており、最も発熱する部分が破壊に至るエネルギーを、トランジスタ３１の定格として規定している。
次に、上記のトランジスタ３１を含む前提技術による半導体装置について説明する。
図１８は、前提技術による半導体装置３６の構成の一例を示す図であり、半導体装置３６を上方から見たときの外観図である。また、図１９は、図１８の等価回路を示す図である。
半導体装置３６は、エミッタパッド２（基準電位領域）と、ゲートパッド３（駆動信号用領域）と、クランプダイオード４と、コレクタ電極２２と、トランジスタ３１とを備えている。
トランジスタセル領域３７には、複数のトランジスタ３１が形成されている。コレクタ電極２２は、半導体装置３６の裏面側（図１８の紙面の裏面側）に形成されており、各トランジスタ３１のコレクタに接続されている。ゲートパッド３は、各トランジスタ３１のゲートに接続されている。クランプダイオード４は、各トランジスタ３１のゲート−コレクタ間に接続されている。
エミッタパッド２には、導電性のワイヤが電気的に接続されている。また、エミッタパッド２が形成される領域には、トランジスタ３１が形成されていない。
図１８に示すような前提技術による半導体装置３６では、上述の通り、半導体装置３６の面内の領域によって電流密度の違いがあるため、各領域においてトランジスタ３１の電流駆動能力と破壊耐量とのトレードオフの関係が生じ、半導体装置３６のサイズやコストに制約がかかるという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、以下に詳細に説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置１の構成の一例を示す図であり、半導体装置１を上方から見たときの外観図である。図２は、図１のＡ１−Ａ２の断面図である。図３は、図１のＢ１−Ｂ２の断面図である。
なお、図１の等価回路は、図１９と同様である。また、トランジスタ３１としてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、半導体基板９は、ケイ素基板である。
半導体装置１は、エミッタパッド２（基準電位領域、電極パッド）と、ゲートパッド３（駆動信号用領域）と、クランプダイオード４と、コレクタ電極２２と、トランジスタ３１とを備えている。また、半導体装置１は、図１６に示すような内燃機関のイグニションシステムに用いられ、図１７に示すような動作を行う。
トランジスタ３１は、後述の領域６〜８（図１８のトランジスタセル領域３７に対応）に複数形成されている。すなわち、領域６〜８には、複数のトランジスタ３１のセルが配置されている。
エミッタパッド２は、長方形または正方形の形状であり、導電配線１５（一般的にはアルミニウム）が超音波接合技術によって電気的に接続されている。図３の例では、エミッタパッド２を構成する金属層１２の下層には、酸化膜である層間膜１４が形成されているが、コンタクト処理によって半導体基板９（具体的には、半導体基板９のフィールド酸化膜１３）に直接オーミック接続するようにしてもよい。
また、エミッタパッド２が形成される領域には、トランジスタ３１が形成されていない。すなわち、エミッタパッド２は、領域６〜８を避けて配置され、かつ金属層１２を介して各トランジスタ３１のエミッタ電極Ｅ（一方電流電極）と電気的に接続されている。
コレクタ電極２２は、半導体装置１の裏面側（図１の紙面の裏面側）に形成されており、各トランジスタ３１のコレクタに接続されている。ゲートパッド３は、各トランジスタ３１のゲートに接続されている。クランプダイオード４は、各トランジスタ３１のゲート−コレクタ間に接続されている。
トランジスタ３１が形成される領域（図１８のトランジスタセル領域３７に対応）には、エミッタパッド２からの距離に依存して電流駆動能力が異なる複数の領域（領域６、領域７、領域８）が設けられている。なお、本実施の形態１では、３つの領域を設ける場合について説明するが、２つ以上の領域であればよい。
領域６、領域７、および領域８は、各々におけるトランジスタ３１の単位面積当たりの電流駆動能力の関係が、領域７＜領域６≦領域８となるように調整する。電流駆動能力の調整は、例えばトランジスタ３１がＩＧＢＴであれば、ゲート間ピッチ、あるいはエミッタコンタクト部および当該エミッタコンタクト部近傍の不純物領域１１の不純物注入パターンの形状を変更することによって行われる。
上記の半導体装置１は、上述のアクティブクランプ動作時の過渡的な状態において、領域７に電流が集中しやすく、瞬間的な発熱によって周囲環境の条件における破壊の起点になることが実験から判明している。このことは、半導体装置１の面内で電流密度が不均一であるため、半導体装置１の破壊耐量が領域７に設けられるトランジスタ３１の破壊耐量で律速されることを意味している。しかし、半導体装置１では、電流密度が高い領域（領域７）における電流負担を周囲の領域（領域６、領域８）に分散させているため、半導体装置１全体がより均一な電流負担となり、同一面積の半導体装置であればより高い破壊耐量を実現することができる。
以上のことから、本実施の形態１によれば、面内における電流分布の偏りを解消することが可能となる。また、従来問題となっていた、トランジスタの電流駆動能力と破壊耐量とのトレードオフの関係を改善することが可能となり、より低コストな半導体装置を提供することが可能となる。
なお、上記の図１では、エミッタパッド２を均等に囲むように各領域６〜８を設けているが、トランジスタ３１のゲートのレイアウトパターンや、各パッドの配置場所によっては、エミッタパッド２からの距離に依存するように、各領域を図４〜６（図４，５では、領域６，７のみ）に示すように設けても、上記と同様の効果が得られる。
＜実施の形態２＞
図７は、本発明の実施の形態２による半導体装置１９の構成の一例を示す図であり、半導体装置１９を上方から見たときの外観図である。
本実施の形態２では、エミッタパッド２の形状が、円形、楕円形、あるいは少なくとも５つ以上の頂点を有する多角形であることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図７に示すように、エミッタパッド２は楕円形で形成されている。また、領域６〜８は、エミッタパッド２の周囲を囲むように設けられている。
エミッタパッド２の形状は、楕円形や円形などの丸みを帯びた形状に限らず、５つ以上の頂点を有する多角形であってもよい。半導体装置のパターンを写真製版技術によって形成する際に使用する露光装置用のパターンマスクは、電子計算機を用いてパターン形状が設計される。円形パターンは、実際には多角形に近似された形に変換され、多角形の各頂点の座標データに基づいてパターンマスクが作製される。すなわち、多角形の頂点の数を増やすと、最終的には楕円形あるいは円形に近い形状になる。
以上のことから、本実施の形態２によれば、各領域６〜８の境界とエミッタパッド２との距離が実施の形態１よりも均一になるため、各領域６〜８内における電流（発熱）の偏りが緩和し、トランジスタ３１の利用効率をさらに高めることが可能となる。
＜実施の形態３＞
図８は、本発明の実施の形態３による半導体装置２０の構成の一例を示す図であり、半導体装置２０を上方から見たときの外観図である。また、図９は、図８の等価回路を示す図である。
本実施の形態３では、トランジスタ３１（トランジスタのセル）が、エミッタ電極に加え、当該エミッタ電極よりも面積が小さい電流検出電極を備えることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図８，９に示すように、トランジスタ３１の電流検出電極は、電流検出用エミッタパッド２１に接続されている。すなわち、半導体装置２０は、エミッタ電極パッド２、ゲート電極パッド３、およびコレクタ電極２２の各々に接続して構成されるトランジスタ３１と、電流検出用エミッタパッド２１、ゲート電極パッド３、およびコレクタ電極２２の各々に接続して構成される電流検出用トランジスタとを備えている。また、電流検出用トランジスタは、トランジスタ３１よりもサイズが小さい。電流検出用トランジスタは、図８の破線で示される領域に形成される。
以上のことから、本実施の形態３によれば、トランジスタ３１よりもサイズが小さい電流検出用トランジスタを備えることによって、より小さな検出抵抗を用いた電流検出が可能となり、制御回路への信号伝達が可能となる。また、図１６に示すような従来の電流検出用抵抗３５よりも小さな抵抗で従来と同様の効果を実現することができるため、半導体装置の小型化および低コスト化を実現することができる。
なお、上記では、実施の形態１に適用する場合について説明したが、実施の形態２にも適用可能である。また、電流検出用トランジスタは、図８の破線で示される領域に限らず、任意の領域に設けるようにしてもよい。
＜実施の形態４＞
図１０は、本発明の実施の形態４による半導体装置２３の構成の一例を示す図であり、半導体装置２３を上方から見たときの外観図である。また、図１１は、図１０の等価回路を示す図である。
本実施の形態４では、半導体装置２３の温度を検出する温度検出用ダイオード２４をさらに備えることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図１０，１１に示すように、温度検出用ダイオード２４のアノードはアノード電極２５に接続されており、温度検出用ダイオード２４のカソードはカソード電極２６に接続されている。
なお、温度検出用ダイオード２４は、ポリシリコンで形成されることが一般的であるが、ポリシリコン以外の素材で形成してもよい。また、図１１の例では、ダイオードは１段であるが、直列に多段化してもよい。
以上のことから、本実施の形態４によれば、アノード電極２５およびカソード電極と、制御回路２９が備える温度検出回路（図示せず）とを接続し、半導体装置２３の温度検出を可能とすることによって、発熱モニタや過熱遮断による事故保護が容易になるため、異常動作時のトランジスタにて生じる不具合を回避し、より信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
なお、上記では、実施の形態１に適用する場合について説明したが、実施の形態２にも適用可能である。
＜実施の形態５＞
図１２は、本発明の実施の形態５による半導体装置２７の構成の一例を示す図であり、半導体装置２７を上方から見たときの外観図である。また、図１３は、図１２の等価回路を示す図である。
本実施の形態５では、温度検出用ダイオード２４のアノードがエミッタパッド２に接続されることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態４と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図１２，１３に示すように、温度検出用ダイオード２４のアノードは、エミッタパッド２に接続されている。すなわち、温度検出用ダイオード２４のアノードと、トランジスタ３１のエミッタ電極とは、エミッタパッド２を共有している。このように、実施の形態４にて設けていたアノード電極２５（図１１参照）を省略することができるため、半導体装置２７を小型化することができ、低コスト化が図れる。
温度検出方法は、一般的には、温度検出用ダイオード２４のアノードからカソードに向かって定電流を流し、アノードとカソードとの間にて発生する電圧をモニタすることによって半導体装置２７の温度を計測する。
なお、図１３の例では、ダイオードは１段であるが、直列に多段化してもよい。
以上のことから、本実施の形態５によれば、エミッタパッド２と、温度検出用ダイオード２４のカソード電極２６に電圧を印加し、流れ込む電流を制御回路２９の温度検出回路がモニタすることによって、半導体装置２７の過熱状態を検出することが可能となる。
＜実施の形態６＞
図１４は、本発明の実施の形態６による半導体装置２８の構成の一例を示す図であり、半導体装置２８を上方から見たときの外観図である。また、図１５は、図１４の等価回路を示す図である。
本実施の形態６では、半導体装置２８が、電流検出用トランジスタと温度検出用ダイオードとを備えることを特徴としている。すなわち、本実施の形態６は、実施の形態３（図８，９）と実施の形態５（図１２，１３）とを組み合わせたものであることを特徴としている。構成は、実施の形態３および実施の形態５と同様であるため、ここでは説明を省略する。
以上のことから、本実施の形態６によれば、半導体装置２８における負荷電流および温度検出が可能となり、過電流保護や過熱保護に利用することができる。従って、異常動作時のトランジスタにて生じる不具合を回避し、より信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
＜実施の形態７＞
本発明の実施の形態７では、実施の形態１〜６における半導体基板９を、ケイ素基板に代えて炭化ケイ素基板とすることを特徴としている。構成は、実施の形態１〜６と同様であるため、ここでは説明を省略する。
以上のことから、本実施の形態７によれば、実施の形態１〜６によるケイ素基板を用いた半導体装置よりも高温で動作可能となるため、半導体装置のサイズおよび放熱機構をより小さくすることが可能となる。従って、当該半導体装置を用いた製品の小型化と軽量化に貢献することができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
１ 半導体装置、２ エミッタパッド、３ ゲートパッド、４ クランプダイオード、５ 表面電界緩和領域、６ 領域、７ 領域、８ 領域、９ 半導体基板、１０ ゲート、１１ 不純物領域、１２ 金属層、１３ フィールド酸化膜、１４ 層間膜、１５ 導電性配線、１６ 半導体装置、１７ 半導体装置、１８ 半導体装置、１９ 半導体装置、２０ 半導体装置、２１ 電流検出量エミッタパッド、２２ コレクタ電極、２３ 半導体装置、２４ 温度検出用ダイオード、２５ アノード電極、２６ カソード電極、２７ 半導体装置、２８ 半導体装置、２９ 制御回路、３０ 制御端子、３１ トランジスタ、３２ トランス、３３ 点火プラグ、３４ クランプダイオード、３５ 電流検出用抵抗、３６ 半導体装置、３７ トランジスタセル領域。

Claims (7)

  1. 半導体基板（９）上に複数のトランジスタのセルが配置されたトランジスタセル領域（３７）を有する半導体装置（１）であって、
    前記半導体基板（９）上に前記トランジスタセル領域（３７）を避けて配置され、かつ各前記セルの一方電流電極と電気的に接続された電極パッド（２）を備え、
    前記トランジスタセル領域（３７）は、前記電極パッド（２）からの距離に依存して電流駆動能力が異なる複数の領域（６，７，８）からなることを特徴とする、半導体装置。
  2. 前記電極パッド（２）の形状は、円形、楕円形、あるいは少なくとも５つ以上の頂点を有する多角形であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 少なくとも一部の前記セルは、前記一方電流電極に加え、当該一方電流電極よりも面積が小さい電流検出電極を備えることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体装置の温度を検出する温度検出用ダイオード（２４）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記温度検出用ダイオード（２４）のアノードは、前記電極パッド（２）に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体装置の温度を検出する温度検出用ダイオード（２４）をさらに備えることを特徴とする、請求項３に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体基板（９）は、炭化ケイ素基板であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
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