JP2005175054A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ゲート絶縁型半導体装置と、該ゲート絶縁型半導体装置のゲート・エミッタ間をクランプするクランプ素子とが同一チップ上に形成された半導体装置において、製造途中で、クランプ電圧より大きな所定の電圧をゲート絶縁膜に印加して試験をし、不良チップを除去することでゲート絶縁膜の品質を維持できるようにする。
【解決手段】IGBT11のゲートをゲート端子Gに接続する。そして、クランプ素子12の一端をアノード端子Aに接続する。ゲート・エミッタ間にクランプ電圧より大きな電圧を印加することで、IGBT11のゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を試験する。そして、本来あるべき絶縁破壊電圧分布を外れるゲート絶縁膜のIGBT11を除去した後、正常なIGBT11について、ゲート端子Gとアノード端子Aをワイヤボンディングにより接続する。
【選択図】図1
【解決手段】IGBT11のゲートをゲート端子Gに接続する。そして、クランプ素子12の一端をアノード端子Aに接続する。ゲート・エミッタ間にクランプ電圧より大きな電圧を印加することで、IGBT11のゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を試験する。そして、本来あるべき絶縁破壊電圧分布を外れるゲート絶縁膜のIGBT11を除去した後、正常なIGBT11について、ゲート端子Gとアノード端子Aをワイヤボンディングにより接続する。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置に関し、特にゲート絶縁型半導体装置と、該ゲート絶縁型半導体装置のゲート・エミッタ間をクランプするためのクランプ素子とを備えた半導体装置に関するものである。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やパワーMOSFET等のゲート絶縁型半導体装置は、電力変換装置に広く用いられている。特にIGBTは、MOSFETの高速動作とバイポーラトランジスタ素子の低オン電圧の両方の性質を兼ね備えているため、インバータを始めとする電力変換装置に幅広く利用されている。
IGBTはMOSFET部とバイポーラトランジスタ部との組合せにより等価的に表せる。そしてIGBTの低損失化のため、MOSFET部の微細化等により通電能力の向上が図られている。しかし、アーム短絡等の負荷短絡が生じた場合に、通電能力が高いと短絡電流が増大する。そして、ゲートに存在する寄生インダクタンスにより印加電圧以上の電圧がゲートに印加された場合、この短絡電流はさらに増大するのでIGBTが破壊される可能性が高くなる。また、ゲート・エミッタ間に過剰な電圧が印加された場合、ゲート絶縁膜が破壊される可能性もある。そこで、ゲート・エミッタ間電圧への過電圧を防止するため、クランプ素子の開発が行われている(特許文献1,2参照)。
ところで、IGBTの品質管理の観点から、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧が本来あるべき絶縁破壊電圧分布から外れるIGBTを除去することが望ましい。そして、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧の試験は、ゲート・エミッタ間にある程度の大きさの電圧を印加することで行われる。しかしながら、ゲート・エミッタ間にクランプ素子を接続すると、クランプ電圧より大きなゲート・エミッタ間電圧を印加できなくなる。
そこで、本発明の課題は、製造途中でクランプ電圧より大きな電圧をゲート絶縁膜に印加できる構成にすることで、不良素子を排除し、IGBTの信頼性を高める発明を提供することにある。
この発明の半導体装置は、ゲート絶縁型半導体装置と、該ゲート絶縁型半導体装置の制御電極・第1電流電極間をクランプするためのクランプ素子とが同一チップ上に形成された半導体装置であって、前記チップ上に形成され、前記ゲート絶縁型半導体装置の前記制御電極に接続された第1端子と、前記チップ上に形成され、前記クランプ素子の一端に接続された第2端子とを備え、前記第1端子と前記第2端子とがワイヤボンディングによって接続されていることを特徴とする。
この発明の半導体装置では、第1端子と第2端子とがワイヤボンディングによって接続されている。従って、ワイヤボンディング前には、クランプ素子が制御電極・第1電流電極間に接続されていないので、クランプ電圧より大きな電圧を制御電極・第1電流電極間に印加することができる。ゲート絶縁膜にクランプ電圧より大きな電圧を印加して、本来あるべき絶縁破壊電圧分布から外れるような不良チップを除去できるので、ゲート絶縁膜の信頼性を向上することができる。そしてワイヤボンディング後は、制御電極・第1電流電極間に過剰なゲート電圧が印加されないようにできる。
実施の形態1.
図1は本実施の形態に係る半導体装置を示す図である。ゲート絶縁型半導体装置として、IGBT11を用いた例を示している。そしてIGBT11とクランプ素子12とが同一半導体チップ(以下単にチップと称する)上に形成されている。
図1は本実施の形態に係る半導体装置を示す図である。ゲート絶縁型半導体装置として、IGBT11を用いた例を示している。そしてIGBT11とクランプ素子12とが同一半導体チップ(以下単にチップと称する)上に形成されている。
外部電極GR,CR,ERは、チップ上に形成されたゲート端子(第1端子)G,コレクタ端子C,エミッタ端子Eとワイヤボンディングによって接続されている。外部電極GRはゲート端子GとワイヤボンディングWGによって接続されている。外部電極CRはコレクタ端子CとワイヤボンディングWCによって接続されている。そして外部電極ERはエミッタ端子EとワイヤボンディングWEによって接続されている。IGBT11のゲート(制御電極)は、チップ上に形成されたゲート端子Gに接続されている。エミッタ(第1電流電極)はチップ上に形成されたエミッタ端子Eに接続されている。そして、コレクタ(第2電流電極)はチップ上に形成されたコレクタ端子Cに接続されている。
また、IGBT11のゲート・エミッタ(制御電極・第1電流電極)間をクランプするためのクランプ素子12がIGBT11と同一チップ上に形成されている。クランプ素子12の一端は、チップ上に形成されたアノード端子(第2端子)Aに接続されている。そしてエミッタには、クランプ素子12の他端が接続されている。そしてアノード端子Aとゲート端子GはワイヤボンディングWAによって接続されている。
クランプ素子12はダイオードDから構成されている。そしてダイオードDは複数(図1の例では4個)のダイオードD1〜D4を備えている。夫々のダイオードは直列接続されている。つまり、夫々のダイオードの接続はアノードとカソードとが接続されている。そして、ダイオードD1のカソードはエミッタに接続されている。ダイオードD4のアノードはアノード端子Aに接続されている。
前述したように、IGBT11とダイオードD1〜D4とは同一チップ上に形成されている。一般に、IGBT等のゲート絶縁型半導体装置では、ゲート電極としてポリシリコン膜が用いられている。IGBT11のゲート電極形成工程で成膜したポリシリコン膜にPN接合を選択的に形成することで、ダイオードD1〜D4を同一チップ上に形成することができる。
図2は、本実施の形態に係る半導体装置の製造途中での構成を示している。外部電極とチップ上の端子とが、ワイヤボンディングによって接続される前の状態を示している。この状態でゲート端子G・エミッタ端子E間に電圧を印加することで、ゲート絶縁膜に電圧を印加する。所定の大きさの電圧を印加し、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧の低いチップを除去する。
その後、ゲート端子Gとゲート外部電極GRをワイヤボンディングWGによって接続する。そして、エミッタ端子Eとエミッタ外部電極ERをワイヤボンディングWEによって接続する。さらに、コレクタ端子Cとコレクタ外部電極CRをワイヤボンディングWCによって接続する。また、ダイオードD4のアノード端子Aとゲート端子GをワイヤボンディングWAによって接続する(図1参照)。その後、通常の工程にしたがって半導体装置を完成させる。
IGBTのゲート・エミッタ間にクランプ素子を接続した場合、ゲート・エミッタ間電圧はクランプ電圧より大きな電圧を印加することができない。IGBT11のゲート絶縁膜の試験を行う場合、クランプ電圧より大きな電圧を印加して、本来あるべき絶縁破壊電圧の分布から外れるような不良チップを除去することが望ましい。
本実施の形態に係る発明では、ゲート端子Gとアノード端子AがワイヤボンディングWAによって接続されている。従ってワイヤボンディング前には、ゲート端子Aとエミッタ端子Eの間にクランプ電圧より大きな電圧を印加することができる。
従って、ゲート絶縁膜にクランプ電圧より大きな電圧を印加して、絶縁破壊電圧の分布から外れるような不良素子を除去できるので、ゲート絶縁膜の信頼性を向上することができる。そして、ワイヤボンディングによりゲート端子Gとアノード端子Aを接続した後は、ダイオードDはクランプ素子として動作し、過剰なゲート電圧がゲート・エミッタ間に印加されないようにすることができる。
また、クランプ素子としてツェナーダイオードを用い、ツェナーダイオードの降伏電圧をクランプ電圧として利用することが一般的に行われている。しかし、降伏電圧のばらつきが大きい場合、クランプ電圧を精度良く制御することは難しい。本実施の形態では、ダイオードの順方向電圧(一般に約0.5V〜0.6V)をクランプ電圧として用いている。従って、降伏電圧を用いる場合に比べて精度良くクランプ電圧を設定できる。そしてクランプ電圧の値は、接続するダイオードの数を変えることで容易に制御できる。
さらに、本実施の形態に係る構成では、同一チップ上にダイオードD及びIGBT11を作成している。単体のダイオード素子をゲート・エミッタ間にリード線等によって接続する場合に比べて寄生インダクタンスを低減することができる。
なお、上記説明では、nチャネルIGBTを例に説明をしたが、異なる極性であるpチャネルIGBTであってもよい。また、IGBTに限定されるものでは無く、CSTBT(Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor)、パワーMOSFETあるいはIEGT(Injection Enhanced Gate Bipolar Transistar)などの他の絶縁ゲート型半導体装置へも適用することができる。そして、これらの絶縁ゲート型半導体装置においても、nチャネル、pチャネルの極性は問わない。
実施の形態2.
図3は、本実施の形態に係る半導体装置を示す図である。実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態においては、実施の形態1に対して、クランプ素子31はダイオードDRをさらに備えている。
図3は、本実施の形態に係る半導体装置を示す図である。実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態においては、実施の形態1に対して、クランプ素子31はダイオードDRをさらに備えている。
ダイオードDRの一端はアノード端子Aに接続され、他端はエミッタに接続されている。即ち、ダイオードDRは、ダイオードDに対して逆並列にアノード端子Aとエミッタ間に接続されている。ダイオードDRは複数個(図3の例では4個)のダイオードDR1〜DR4を備えている。夫々のダイオードは直列接続されている。つまり、夫々のダイオードの接続は、アノードとカソードとが接続されている。そして、ダイオードDR1のカソードがアノード端子Aに接続されている。ダイオードDR4のアノードは、IGBT11のエミッタに接続されている。ここで、実施の形態1と同様にダイオードDRはIGBT11と同一チップ上に形成されている。
ゲート端子Gとゲート外部電極GRはワイヤボンディングWG、エミッタ端子Eとエミッタ外部電極ERはワイヤボンディングWE、及びコレクタ端子Cとコレクタ外部電極CRはワイヤボンディングWCにより夫々接続されている。そしてアノード端子Aは、ゲート端子GとワイヤボンディングWAにより接続されている。
図4は、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程の途中段階を示している。夫々の外部電極とチップ上の端子とがワイヤボンディングにより接続される前の状態を示している。この状態で、ゲート端子G・エミッタ端子E間に電圧を印加することで、ゲート絶縁膜に電圧を印加する。所定の大きさの電圧を印加し、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧の低いIGBT11を除去する。その後、ゲート端子Gとゲート外部電極GRをワイヤボンディングWG、エミッタ端子Eとエミッタ外部電極ERをワイヤボンディングWE、及びコレクタ端子Cとコレクタ外部電極CRをワイヤボンディングWCによりそれぞれ接続する。そして、ダイオードD4のアノード端子Aとゲート端子GもまたワイヤボンディングWAにより接続する(図3参照)。その後、通常の工程により半導体装置を完成させる。
本実施の形態においても、ゲート端子Gとアノード端子AがワイヤボンディングWAによって接続されている。ワイヤボンディング前にゲート端子Gとエミッタ端子Eに電圧を印加することで、クランプ電圧以上の電圧を印加することができる。クランプ電圧以上の電圧を印加して、ゲート絶縁膜が絶縁破壊電圧の分布から外れるような不良チップを除去できるので、ゲート絶縁膜の信頼性を向上することができる。
また、ゲート・エミッタ間には静電気等により、エミッタ側に高電圧が印加される可能性がある。つまり、逆方向に過電圧が印加される可能性がある。実施の形態1の発明では、このような逆方向の過電圧に対しては、ダイオードの降伏電圧を用いることになる。従って、クランプ特性の精度が劣る可能性がある。
本実施の形態では、クランプ素子31にダイオードDRをさらに備えている。ここで、ダイオードDRの順方向電圧VF2は、ダイオードDの降伏電圧BVR1より小さく設定されているものとする。このように設定することで、逆方向の過電圧に対してもダイオードDRの順方向電圧によってクランプできるので、精度良くクランプすることができる。なお、ゲートに過電圧が印加された場合に、ダイオードDの順方向電圧VF1によってクランプできるように、ダイオードDの順方向電圧VF1は、ダイオードDRの降伏電圧BVR2より小さく設定されている。
なお、上記説明では、nチャネルIGBTを例に説明をしたが、異なる極性であるpチャネルIGBTであってもよい。また、IGBTに限定されるものでは無く、CSTBT(Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor)、パワーMOSFETあるいはIEGT(Injection Enhanced Gate Bipolar Transistar)などの他の絶縁ゲート型半導体装置へも適用することができる。そして、これらの絶縁ゲート型半導体装置においても、nチャネル、pチャネルの極性は問わない。
実施の形態3.
図5は本実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。クランプ素子61の一端がゲートに接続され、抵抗R2の一端に接続されている。抵抗R2の他端は、エミッタに接続されている。クランプ素子61はセンス端子Sをさらに備えている。また、ゲート端子Gには、図示しないゲート外部電極を介してゲート駆動回路52が接続されている。ゲート駆動回路52は、IGBT11を駆動するためのゲート電圧をゲートに印加する。そして、センス端子Sは図示しないセンス外部端子を介してゲート駆動回路52に接続されている。
図5は本実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。クランプ素子61の一端がゲートに接続され、抵抗R2の一端に接続されている。抵抗R2の他端は、エミッタに接続されている。クランプ素子61はセンス端子Sをさらに備えている。また、ゲート端子Gには、図示しないゲート外部電極を介してゲート駆動回路52が接続されている。ゲート駆動回路52は、IGBT11を駆動するためのゲート電圧をゲートに印加する。そして、センス端子Sは図示しないセンス外部端子を介してゲート駆動回路52に接続されている。
クランプ素子61は、ダイオードD、ダイオードDRから構成されている。ダイオードDは複数個(図5の例では4個)のダイオードD1〜D4を備えている。ダイオードD4のアノードがゲートに接続され、ダイオードD1のカソードは抵抗R2の一端及びセンス端子Sに接続されている。ダイオードD1〜D4は直列接続されている。つまり、夫々のダイオード同士はアノードとカソードとが接続されている。
また、ダイオードDRは複数個(図5の例では4個)のダイオードDR1〜DR4を備えている。ダイオードDR1のカソードはゲートに接続されている。そしてダイオードDR4のアノードはセンス端子S、抵抗R2の一端に接続されている。ダイオードDR1〜DR4間は直列接続されている。つまり、夫々のダイオード同士はアノードとカソードとが接続されている。ここで、IGBT11、抵抗R2、ダイオードD1〜D4及びダイオードDR1〜DR4はIGBT11と同一チップ上に形成されている。
ゲート端子Gに印加されるゲート電圧は、ダイオードDと抵抗R2によって分圧される。そして、抵抗R2の分圧値はセンス端子Sを介してゲート駆動回路52に入力されている。ゲート駆動回路52はこの分圧値を監視している。ゲート電圧に過電圧が印加された場合、センス端子Sから出力される分圧値が大きくなる。このような過電圧が発生するとゲート駆動回路52は、ゲートの駆動を即座にオフにする。あるいは、ゲートに印加する電圧を下げてゲートに印加される電圧を許容電圧以下に抑える。
本実施の形態では、ゲートに印加された電圧を抵抗の分圧値を介して監視している。そして、過電圧が生じた場合は即座にゲート駆動回路52にフィードバックし、ゲート電圧を下げるもしくは遮断する。以上のように構成されているので、本実施の形態に係るIGBT素子は、安定した動作をすることができる。
なお、上記説明では、nチャネルIGBTを例に説明をしたが、異なる極性であるpチャネルIGBTであってもよい。また、IGBTに限定されるものでは無く、CSTBT(Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor)、パワーMOSFETあるいはIEGT(Injection Enhanced Gate Bipolar Transistar)などの他の絶縁ゲート型半導体装置へも適用することができる。そして、これらの絶縁ゲート型半導体装置においても、nチャネル、pチャネルの極性は問わない。
11 IGBT、12,31,61 クランプ素子、WG,WC,WE,WA ワイヤボンディング、52 ゲート駆動回路。
Claims (4)
- ゲート絶縁型半導体装置と、該ゲート絶縁型半導体装置の制御電極・第1電流電極間をクランプするためのクランプ素子とが同一チップ上に形成された半導体装置であって、
前記チップ上に形成され、前記ゲート絶縁型半導体装置の前記制御電極に接続された第1端子と、
前記チップ上に形成され、前記クランプ素子の一端に接続された第2端子とを備え、
前記第1端子と前記第2端子とがワイヤボンディングによって接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記クランプ素子は、直列接続された第1の複数のダイオード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。
- 前記クランプ素子は、前記第1の複数のダイオードに対して逆並列に接続された第2の複数のダイオードの直列接続をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 請求項1から3の何れかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記制御電極・前記第1電流電極間に所定の電圧を印加する工程と、
前記工程の後に、前記第1端子と前記第2端子とをワイヤボンディングにより接続する工程と
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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