JP2007227615A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー素子を内部から積極的に冷却する。
【解決手段】ＩＧＢＴ１００は、トレンチゲート部Ｇ１〜Ｇ６を有し、高濃度ｎ型シリコン層１０ｎがエミッタ領域、ｐ型シリコン層１１ｐがｐベース領域、ｎ型シリコン層１２ｎがｎベース領域、高濃度ｐ型シリコン層１４ｐがコレクタ領域として作用する。高濃度ｎ型シリコン層１０ｎとｐ型シリコン層１１ｐはエミッタ電極２１ｅに接続され、高濃度ｐ型シリコン層１４ｐはコレクタ電極２２ｃに接続される。ゲート部Ｇ１及びＧ２の間、Ｇ３及びＧ４の間、Ｇ５及びＧ６の間にはペルチェ素子Ｐ１、Ｐ２及びＰ３が形成されている。ペルチェ素子は、薄板状の放熱用埋め込み金属２４、それと接して上側にｎ型半導体型シリコン層１５ｎ（及び図示しないｐ型シリコン層１６ｐ）、それと接して上側に導電性部材２５Ｒ、間に絶縁膜３２Ｐを介して上側に放熱部材２６Ｒの積層構造を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却機構を有する半導体装置に関する。本発明はいわゆるパワー素子、例えば絶縁ゲートパイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴと略すことがある）に有効である。

大電流用の半導体素子、いわゆるパワー素子は、極めて多量に発熱する素子でもある。軌道車両や電気自動車、或いはいわゆるハイブリッド車等において、モーターの駆動電流を生成するためのスイッチング素子として用いられる絶縁ゲートパイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）は、例えばヒートパイプを用いるなどの冷却機構が実用化されている。

一方、下記特許文献１には、ＩＧＢＴの冷却のため、ペルチェ素子をＩＧＢＴに熱的に接合させる技術が開示されている。
特開２０００−３４０７２３

特許文献１の技術は、ＩＧＢＴ外部にペルチェ素子を熱的に接合させるものであり、冷却が十分でない。実際、ＩＧＢＴ表面とペルチェ素子のいわゆるコールドジャンクションとの間には、絶縁基板と導電体部が存在し、ＩＧＢＴ内部の発熱部との距離は決して小さくない。更に、短絡時のように１０μ秒程度の短時間で発熱が素子表面（絶縁基板の反対側）のエミッタ電極側で生じると、更にＩＧＢＴを形成した半導体基板自体の厚さも加わり、十分に冷却されることは期待できない。エミッタ電極側に冷却機構を設けた場合でも、１０μ秒程度の短時間で半導体内部の温度が６５０〜７００Ｋの真性温度まで達して熱破壊に至るが、例えば短絡部位の上部にアルミニウム電極が形成されている場合には、アルミニウム電極の厚さ方向で１０μ秒の間に１００μｍ程度迄しか熱が伝導しない。また、高温では短絡に至る電力エネルギー（短絡耐量）が小さくなるので、高温の状態が長く続くと素子内部で短絡が生じやすくなり、素子寿命が短くなってしまう。

また、ＩＧＢＴはエミッタ電極側表面においても一様に発熱するものでなく、例えばエミッタへのボンディング部分がより発熱しやすく、ＩＧＢＴのエミッタ側表面内においても温度分布が生じることとなる。通電状態と非通電状態を繰り返すと、ボンディング面内に大きな温度差（熱ストレス）が生じ、ワイヤボンディング部は剥がれやすくなる。また、チップ面内温度分布によって、チップ面内の電流にアンバランスが生じ、ターンオフ時に局所的な電流集中が生じ易くなる。このため、電流集中による素子破壊が起こり易くなる。

本発明は発熱性の半導体装置を内部から積極的に冷却することを目的とする。更に、一様には発熱しない、或いは一様には放熱しにくい半導体装置において、発熱量又は蓄熱量の大きい部分をより積極的に冷却することを目的とする。

請求項１に係る発明は、半導体装置であって、半導体層中に埋め込まれ、他の構成要素と電気的に絶縁された放熱用埋め込み部材を有することを特徴とする。また、請求項２に係る発明は、放熱用埋め込み部材に熱的に接続された、半導体装置の外部に熱を放出するための放熱部材を有することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、放熱用埋め込み部材は金属であって絶縁体に覆われており、同じく絶縁体に覆われて半導体装置の他の構成要素と電気的に絶縁されたｐ型及び／又はｎ型の半導体と接触することで、ペルチェ素子を形成していることを特徴とする。請求項４に係る発明は、ペルチェ素子を形成するｐ型及び／又はｎ型の半導体に熱的に接続された、半導体装置の外部に熱を放出するための放熱部材を有することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、縦方向に形成された伝導型が異なる半導体層に沿って電流が流れる縦型半導体装置であって、ペルチェ素子は水平面方向の配列においてその疎密が生じるように複数個形成されていることを特徴とする。尚、例えば「密に形成された部分」と「疎に形成された部分」は、縦方向に形成された半導体素子単位が前後左右に平面的に密集した半導体装置においては、当該縦方向の部分を意味するものでなく、当該平面内に密に形成された部分と疎に形成された部分が存在するものを言う。また、ペルチェ素子がある部分で密とは、ペルチェ素子を形成する放熱用埋め込み金属が当該部分（当該部分から素子外周方向等に至って形成されるものを含む）で面積若しくは体積が大きい、又は複数個集中する場合、ペルチェ素子が当該部分に複数個集中することで密となる場合、当該部分（当該部分から素子外周方向等に至って形成されるものを含む）に形成されるペルチェ素子の、放熱用埋め込み金属とｐ型及び／又はｎ型の半導体との接触面積が他の位置のペルチェ素子の対応する接触面積よりも大きい場合の何れかを言うものとする。

請求項６に係る発明は、縦方向に形成された伝導型が異なる半導体層に沿って電流が流れる縦型半導体装置であって、放熱用埋め込み部材は平面方向の配列においてその疎密が生じるように形成されていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、放熱用埋め込み部材は、その法線が横方向となる板状に形成されたことを特徴とする。請求項８に係る発明は、半導体装置は絶縁ゲートパイポーラトランジスタ又はパワーＭＯＳＦＥＴであってトレンチゲートを有し、放熱用埋め込み部材は、当該トレンチゲートに平行に形成されていることを特徴とする。

本発明の第１の効果は、短時間熱破壊に対する信頼性を向上させるものである。熱容量の大きな部材を半導体内部の発熱部位により近い位置に形成すると、短時間の温度上昇に対しても、温度上昇を抑える効果を発揮する事ができる。短絡時には、自己発熱によって寄生素子が動作（熱暴走）するのでこれを抑える効果も有する。パワー素子が負荷短絡しても熱破壊に至らない電気エネルギーの最大値を短絡耐量と呼ぶと、この短絡耐量は、周囲温度が上昇すると低下する。本発明の第２の効果は、例えばパワー素子では単一セルの並列接続によって全体が形成されており、チップ面内に温度分布が生じると、温度の高い箇所に律速して耐量が低下することから、逆に、温度分布を均一に近づける事によって、耐量が向上することである。

絶縁体に覆われることにより他の構成要素と電気的に絶縁されて、半導体層中に埋め込まれた放熱用埋め込み部材を有するので、当該放熱用埋め込み部材を介して、半導体装置の内部から熱を外部に放出することが可能となる。これにより、短絡耐量を高く維持することができる。また、素子内部に冷却機構を埋め込む形となるので、寄生素子の近傍を効果的に冷却できる。これらにより、熱破壊を防ぎ、素子寿命を長くすることができる（請求項１）。この際、当該放熱用埋め込み部材自体を半導体装置外部まで連接しても良いが、当該放熱用埋め込み部材と熱的に接続された他の放熱部材を用いれば、半導体装置の設計及び構成の自由度が高くなる（請求項２）。

更に、放熱用埋め込み部材を金属で形成し、ｐ型及び／又はｎ型半導体を接触させた構造のペルチェ素子を形成するならば、ペルチェ素子に電流を流すことで、放熱用埋め込み金属からｐ型及び／又はｎ型半導体へ熱流を生じさせることができる（請求項３）。この際、ｐ型及び／又はｎ型半導体に電流を流すための伝導性材料自体を半導体装置外部まで連接しても良いが、ｐ型及び／又はｎ型半導体に直接又は間接的に熱的に接続された他の放熱部材を用いれば、半導体装置の設計及び構成の自由度が高くなる（請求項４）。

以上の構成は、主として半導体素子表面に平行電流が流れる半導体装置よりも、半導体装置の基板の厚み方向に電流が流れる、縦方向に形成された伝導型が異なる半導体層に沿って電流が流れる縦型半導体装置に特に有効である。縦型半導体装置では発熱及び蓄熱が半導体装置の表面よりも内部に生じるからである。この時、ペルチェ素子を複数個形成し、当該縦方向に形成された半導体素子単位が前後左右に平面的に密集した半導体装置の、当該平面において疎密が生じるように形成すると良い（請求項５）。或いは放熱用埋め込み部材を疎密が生じるように形成しても良い（請求項６）。この放熱用埋め込み金属はペルチェ素子を形成していなくても良い。

ペルチェ素子及び／又は放熱用埋め込み部材の疎密を設けることで、発熱しやすい、又は放熱しにくい部分を積極的に冷却することができ、例えば発熱しやすいボンディングワイヤ部の電極内部の温度をより均一にすることができる。或いは、通電状態と非通電状態を繰り返した場合でも、当該電極内部の温度変化を面内で均一にすることができる。これにより熱ストレスを抑制し、ボンディング部の剥がれを防止することができ、素子の信頼性が向上する。また、チップ温度分布が平滑になるので、特定の部位の温度上昇が抑えられ、短時間熱破壊耐量が向上する。

放熱用の埋め込み金属は、板状に形成することで、半導体装置中の占有体積を抑制しながら半導体装置と熱的に接触する面積を大きくすることができる。これにより効果的に放熱作用を奏することができる（請求項７）。更に、半導体装置が絶縁ゲートパイポーラトランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴであって、トレンチゲートを有し、前記放熱用埋め込み部材は、当該トレンチゲートに平行に形成されいれば、以下に示す構成例のように、ゲートのトレンチを形成するときに同時に放熱用埋め込み部材を埋め込むトレンチを形成することができるので、製造工程が簡易となる（請求項８）。

放熱用埋め込み部材は、導体に限らず半導体や絶縁体でも良い。この際、体積当たりの熱容量や熱伝導率が大きいものを選択する。放熱用埋め込み金属の体積当たりに換算した熱容量は、半導体装置を構成する半導体の体積当たりに換算した熱容量よりも大きいものを用いると良い。これにより半導体の熱伝導よりも早く放熱用埋め込み金属を介して放熱が可能となる。例えばシリコン基板に形成した半導体装置に対し、銅、アルミニウムその他の金属を用いる。放熱用埋め込み金属は板状に形成すると良く、トレンチゲート状に当該板が半導体基板面に垂直となるように形成すると良い。特に、トレンチゲートを実際に有するＩＧＢＴその他の半導体装置においては、当該トレンチゲートに平行に形成すると良く、更にはトレンチゲートと同じ深さで形成すると、絶縁膜形成工程も同時とでき、簡易である。絶縁膜形成の後、トレンチに金属蒸着等により放熱用埋め込み金属を形成する。トレンチゲートのゲートも同じ金属を用いると、蒸着工程も同時に実施できる。

ペルチェ素子を形成する場合、放熱用埋め込み金属を蒸着により形成した後、その上に例えばドープされたポリシリコンを形成してコールドジャンクションを形成する。この時、絶縁膜を上方向に成長させて、トレンチを上方向に延ばしてからからドープされたポリシリコンを形成すると良い。ペルチェ素子の半導体層と電源の正負電位（或いは正電位とグランド電位）との接続用配線に用いる導電性材料は、銅、アルミニウム、金、その他入手可能な任意の金属、合金、その他導電性材料を用いて良い。また、ホットジャンクション側においてペルチェ素子の半導体層と熱的に接続されるべき放熱部材は、やはり体積当たりに換算した熱容量が大きい金属を用いることが好ましい。その他熱伝導率が高いものが好ましい。

以下、図を参照しながら本発明の特徴を有する実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

本実施例は、平板状のトレンチゲートを有する縦型ＩＧＢＴに本発明を適用したものである。図１は本実施例に係るＩＧＢＴ１００の平板状のトレンチゲートに垂直な断面図、図２．Ａは冷却機構を形成するペルチェ素子付近での、平板状のトレンチゲートに平行な断面図である。図１において、一点鎖線でＩＩ−ＩＩ’と示した部分が図２．Ａの断面図の位置を示し、図２．Ａにおいて、一点鎖線でＩ−Ｉ’と示した部分が図１の断面図の位置を示す。尚、図２．Ｂ及び図２．Ｃは、図２．Ａの変形例に当たるものであり、後に説明する。

図１のように、ＩＧＢＴ１００は、ｐ型シリコン基板に、ドナー及びアクセプタをドープして、高濃度ｎ型シリコン層１３ｎ、ｎ型シリコン層１２ｎ、ｐ型シリコン層１１ｐ及び高濃度ｎ型シリコン層１０ｎを形成したものである。ｐ型シリコン基板の、ドープされなかった部分が高濃度ｐ型シリコン層１４ｐである。例えばまず３３０μｍ厚のｐ型シリコン基板に対し、表面から１００μｍ付近にドナーをドープして高濃度ｎ型シリコン層１３ｎを形成し、それよりも表面側にドナーをドープしてｎ型シリコン層１２ｎを形成し、更に表面側をアクセプタドープしてｐ型シリコン層１１ｐを順に形成する。表面層であるｐ型シリコン層１１ｐの浅い位置に部分的にドナーをドープして高濃度ｎ型シリコン層１０ｎを形成する。また、トレンチゲートであるゲート部Ｇ１〜Ｇ６を形成する。高濃度ｎ型シリコン層１０ｎがエミッタ領域、ｐ型シリコン層１１ｐがｐベース領域、ｎ型シリコン層１２ｎがｎベース領域、高濃度ｐ型シリコン層１４ｐがコレクタ領域として作用する。高濃度ｎ型シリコン層１０ｎとｐ型シリコン層１１ｐはエミッタ電極２１ｅに接続され、高濃度ｐ型シリコン層１４ｐはコレクタ電極２２ｃに接続される。

図１において板状のゲート部Ｇ６は、ドープされたポリシリコンから成るゲート電極２３ｇとそれを覆う絶縁膜３１ｇから構成される。他のゲート部Ｇ１〜Ｇ５の構成は符号を省略しているがゲート部Ｇ６の構成と同様である。尚、後に示す図３から図６においては、ゲート部としては、ゲート電極２３ｇとそれを覆う絶縁膜３１ｇ、更にエミッタである高濃度ｎ型シリコン層１０ｎをも含めて表現していることを付記する。

板状のゲート部Ｇ１及びＧ２の間には、それらに平行に板状に形成されたペルチェ素子Ｐ１が形成されている。同様に、ゲート部Ｇ３及びＧ４の間にはそれらに平行にペルチェ素子Ｐ２が、ゲート部Ｇ５及びＧ６の間にはそれらに平行にペルチェ素子Ｐ３が形成されている。ペルチェ素子Ｐ３は、板状の放熱用埋め込み金属２４、それと接して上側にｎ型半導体型シリコン層１５ｎ、それと接して上側に導電性部材２５Ｒ、間に絶縁膜３２Ｐを介して上側に放熱部材２６Ｒの積層構造を有する。尚、図２．Ａで示すが、図１で図示できない部分で、ペルチェ素子Ｐ３は、板状の放熱用埋め込み金属２４、それと接して上側にｐ型半導体型シリコン層１６ｐ、それと接して上側に導電性部材２５Ｌ、間に絶縁膜３２Ｐを介して上側に放熱部材２６Ｌの積層構造を有している。ペルチェ素子Ｐ１及びＰ２についても同様の構成である。絶縁膜３２Ｐはペルチェ素子Ｐ１乃至Ｐ３全体を覆い、エミッタ電極２１ｅ、高濃度ｎ型シリコン層１０ｎ、ｐ型シリコン層１１ｐ及びｎ型シリコン層１２ｎと絶縁分離を成している。

板状の放熱用埋め込み金属２４は、ゲート部のゲート電極２３ｇと同様に、その最下端はｐ型シリコン層１１ｐとｎ型シリコン層１２ｎとの界面よりも深い位置に達しており、最上端はｐ型シリコン層１１ｐの最上端とほぼ同じ位置となっている。これは作業工程の容易さからこのように示したが、板状の放熱用埋め込み金属２４及び／又はゲート部のゲート電極２３ｇの最上端については、ｐ型シリコン層１１ｐの最上端より低くても良く、それを越える構成としても良い。

ｎ型ポリシリコン層１５ｎと導電性部材２５Ｒの接合面は、放熱性を考慮してエミッタ電極２１ｅの最上端よりも上側としているが、この位置も任意である。

図２．Ａは、板状のペルチェ素子Ｐ１の法線方向に垂直な面での断面図である。左側に配置されたｎ型ポリシリコン層１５ｎの上部に接して導電性部材２５Ｒが、導電性部材２５Ｒと絶縁膜３２Ｐを介して上側に放熱部材２６Ｒが配置されている。ｎ型ポリシリコン層１５ｎと対応して右側にｐ型ポリシリコン層１６ｐが配置されてその上部に接して導電性部材２５Ｌが、導電性部材２５Ｌと絶縁膜３２Ｐを介して上側に放熱部材２６Ｌが配置されている。ｎ型ポリシリコン層１５ｎとｐ型ポリシリコン層１６ｐは放熱用埋め込み金属２４と直接接合している。図２．Ａにおいて、紙面に対し前後方向（縦型ＩＧＢＴ１００の横方向）の法線を有する板状の放熱用埋め込み金属２４の中央部上側は、絶縁膜３２Ｐを介してエミッタ電極２１ｅが形成されており、ペルチェ素子Ｐ１の、ゲート部Ｇ１側及びＧ２側に形成されているエミッタ電極２１ｅが接続された構成である。即ち、各ペルチェ素子Ｐ１乃至Ｐ３が図２．Ａのように構成されていることにより、図１のエミッタ電極２１ｅの全体が電気的に接続されている。

図２．Ａの構成によれば、正電位を導電性部材２５Ｒに接続し、負電位又はグランドを導電性部材２５Ｌに接続することで、電流は導電性部材２５Ｒ、ｎ型ポリシリコン層１５ｎ、放熱用埋め込み金属２４、ｐ型ポリシリコン層１６ｐ、導電性部材２５Ｌの順に流れる。この時、ｎ型ポリシリコン層１５ｎの内部では主として電子が放熱用埋め込み金属２４との接合面から導電性部材２５Ｒとの接合面に向かって流れると同時に、放熱用埋め込み金属２４との接合面で吸熱が、導電性部材２５Ｒとの接合面で発熱が生じる。同様に、ｐ型ポリシリコン層１６ｐの内部では主として正孔が放熱用埋め込み金属２４との接合面から導電性部材２５Ｌとの接合面に向かって流れると同時に、放熱用埋め込み金属２４との接合面で吸熱が、導電性部材２５Ｌとの接合面で発熱が生じる。

即ち、図２．Ａの構成により、正電位を導電性部材２５Ｒに接続し、負電位又はグランドを導電性部材２５Ｌに接続することで、放熱用埋め込み金属２４が冷却され、奪われた熱は導電性部材２５Ｒ及び導電性部材２５Ｌに移動する。この熱を放熱部材２６Ｒ及び２６Ｌに更に伝導させて、図示しない、ＩＧＢＴ１００の外部のヒートシンク等に排出することで、極めて効率的な冷却機構を構成することができる。また、放熱用埋め込み金属２４は、縦型ＩＧＢＴ１００の横方向の法線を有する板状に形成されているので、素子を構成する半導体層との接触面積が大きく、効率的な冷却機構となる。

さらに、ｐ型シリコン層１１ｐとｎ型シリコン層１２ｎとの接合面が真性温度付近まで上昇すると、寄生のｎｐｎトランジスタ（１０ｎ、１１ｐ、１２ｎ）が動作することによって熱破壊に至る。ｐ型シリコン層１１ｐとｎ型シリコン層１２ｎとの接合面の深さに達するように放熱用埋め込み金属２４を設けて当該接合面付近を効果的に冷却することによって、寄生のｎｐｎトランジスタが動作しにくくなり、熱破壊しにくくなるため、短絡耐量が向上する。このように、板状のゲート電極２３ｇと平行且つ同じ深さに板状の放熱用埋め込み金属２４を設けることで、ＩＧＢＴ１００のチャネルの位置（深さ）を効果的に冷却することができる。

図１及び図２．Ａに示した構成のＩＧＢＴ１００の、ペルチェ素子Ｐ１乃至Ｐ３及びゲート部Ｇ１乃至Ｇ６は、次のような構成とすることができる。アクセプタ不純物によりｐ型となったｐ型シリコン層１１ｐに、深さ５．５μｍ、幅ｗが０．５μｍのトレンチをピッチｄが２μｍ（トレンチ間１．５μｍ）で形成する。ここに厚さ０．１μｍのＳｉＯ₂層を形成する。ゲート部Ｇ１乃至Ｇ６においては、例えばドナーをドープされたポリシリコンをトレンチに形成し、ゲート電極２３ｇを形成する。一方、ペルチェ素子Ｐ１乃至Ｐ３においては、トレンチにアルミニウムを埋め込み、放熱用埋め込み金属２４を形成する。更に放熱用埋め込み金属２４の上にｐ型ポリシリコン層１６ｐ及びｎ型ポリシリコン層１５ｎを形成して、この後、ゲート電極２３ｇ及びペルチェ素子Ｐ１〜Ｐ６の配線層（導電性部材２５他）を形成した後、絶縁膜３１ｇ及び３２Ｐで覆う。ペルチェ素子Ｐ１〜Ｐ６の導電性部材２５上部には放熱部材２６を形成し、これも絶縁膜３２Ｐで覆う。ｐ型シリコン層１１ｐの表面を露出させて、ゲート部横にｎエミッタ領域を形成するため、ドナー不純物を打ち込む。この後、表側面全体をエミッタ電極２１ｅで覆う。

尚、図２．ＡでＡと示した空白域は、放熱部材２６Ｒ及び２６Ｌを放熱部材で連結しても良い。この場合、連結に用いる放熱部材の、下側は絶縁膜３２Ｐを充填し、周囲は絶縁膜３２Ｐで覆う。尚、連結に用いる放熱部材の周囲を絶縁膜３２Ｐで覆いつつ、その下側にエミッタ電極２１ｅを形成し得る様に空隙を設けても良い。このような場合、図２．Ａの放熱部材２６Ｒ及び２６Ｌからの放熱先である図示しないヒートシンク等は、図２．Ａのペルチェ素子Ｐ１の左右両側に設けないで、左右のいずれか１方のみとして良い。

図２．Ｂは、２個のペルチェ素子を連結（直列接続）することを示すものである。左右に放熱用埋め込み金属２４−１及び２４−２を形成し、各々の上部に、図２．Ａと同様にｎ型ポリシリコン層１５ｎ−１及びｐ型ポリシリコン層１６ｐ−１、並びに、ｎ型ポリシリコン層１５ｎ−２及びｐ型ポリシリコン層１６ｐ−２を形成する。ｎ型ポリシリコン層１５ｎ−１の上部に導電性部材２５Ｒを形成し、その上部に絶縁膜３２Ｐを介して放熱部材２６Ｒを形成する。一方、ｐ型ポリシリコン層１６ｐ−１及びｎ型ポリシリコン層１５ｎ−２の上部に、それらを電気的に接続するように導電性部材２５ｍを形成し、その上部に絶縁膜３２Ｐを介して放熱部材２６ｍを形成する。更にｐ型ポリシリコン層１６ｐ−２の上部に導電性部材２５Ｌを形成し、その上部に絶縁膜３２Ｐを介して放熱部材２６Ｌを形成する。

図２．Ｂの構成によれば、正電位を導電性部材２５Ｒに接続し、負電位又はグランドを導電性部材２５Ｌに接続することで、電流は導電性部材２５Ｒ、ｎ型ポリシリコン層１５ｎ−１、放熱用埋め込み金属２４−１、ｐ型ポリシリコン層１６ｐ−１、導電性部材２５ｍ、ｎ型ポリシリコン層１５ｎ−２、放熱用埋め込み金属２４−２、ｐ型ポリシリコン層１６ｐ−２、導電性部材２５Ｌの順に流れる。こうして図２．Ａと全く同様に、放熱用埋め込み金属２４−１及び２４−２が冷却され、奪われた熱は放熱部材２６Ｒ、２６ｍ及び２６Ｌに伝導され、図示しない、ＩＧＢＴ１００の外部のヒートシンク等に排出することで、極めて効率的な冷却機構を構成することができる。容易に理解できる通り、図２．Ｂの構成は、任意個数のペルチェ素子を直列接続することが可能であること示している。尚、図２．Ｂの２つの空白域Ｂ１及びＢ２については、図２．Ａの空白域Ａと同様に変形することができる。いずれにせよ、放熱部材２６Ｒ、２６ｍ及び２６Ｌの放熱先は、周知の技術を所望に用いて設計すれば良く、個々のペルチェ素子の、図２．Ｂでの左右方向（図１での紙面に対して前後方向）に限定されるものではない。

図２．Ｃは、単に放熱用埋め込み金属２４と放熱部材２６Ｒ及び２６Ｌとにより構成する例である。図２．Ｃにおいてはペルチェ素子を形成しないので、電源を接続する必要がなく、導電性部材２５Ｒ及び２５Ｌは省略でき、放熱用埋め込み金属２４が絶縁膜３２Ｐを介して放熱部材２６Ｒ及び２６Ｌに熱的に接続されている。図２．Ｃでは１つのトレンチのみを示しているが、図２．Ｂのような連結構造とすることも可能である。図２．Ｃの空白域Ｃについては、図２．Ａの空白域Ａと同様に変形することができる。

〔中央部に密となる構成〕
ペルチェ素子を、チップ温度分布が平滑になるようにレイアウトすることについて説明する。例えば、温度の高い（発熱しやすく、放熱しにくい）チップ中央部やワイヤーボンディング部では密にレイアウトし、チップ周辺部では疎にレイアウトするものである。これにより、発熱部位がより冷却される為、チップ面内の温度分布が平滑になる。パワー素子の設計、特にチャネル（ゲート電極）の配置や個数と、ワイヤボンディング位置を考慮の上、ペルチェ素子の疎密度合いを最適化してレイアウトすればよい。

図３乃至図６では、ペルチェ素子を中央部に密となるように形成する例を示す。尚、水平面による断面図的な模式図として示す。当該水平面は、図１における、ｐ型シリコン層１１ｐとエミッタ電極２１ｅの接合面に当たる。図３乃至図５においては、断面図としてはｐ型シリコン層１１ｐの最上面を想定し、絶縁膜３２Ｐを含めてペルチェ素子の占める領域をＰ１〜Ｐ７（図５ではＰ１１〜Ｐ７１）と矩形で示し、絶縁膜３１ｇ及び高濃度ｎ型シリコン層１０ｎを含めてゲート部の占める領域をＧ１〜Ｇ１４と矩形で示した。図３においては、図１での説明に合わせ、ペルチェ素子Ｐ１〜Ｐ７とゲート部Ｇ１〜Ｇ１４は、紙面内において合同且つ等間隔に配置された横長の長方形で示した。尚、ｐ型シリコン層１１ｐの最上面のＩＧＢＴ２１０〜２４０の外周部には、周知のガードリング領域４０を設けている。

尚、各ペルチェ素子領域は、放熱用埋め込み金属２４の最上面とそれを取り巻く絶縁膜３２Ｐを合わせた領域であるが、放熱用埋め込み金属２４とｎ型ポリシリコン層１５ｎが接する領域については、外周を破線で、内部を右上がりハッチングで示した。一方、放熱用埋め込み金属２４とｐ型ポリシリコン層１６ｐが接する領域については、外周を破線で、内部を右下がりハッチングで示した。また、図６においては、ゲート部の占める領域を中空きの矩形（四角ドーナツ状）で示した。

図１においては、各ゲート部Ｇ１〜Ｇ６のｎエミッタを形成する高濃度ｎ型シリコン層１０ｎは、ペルチェ素子Ｐ１〜Ｐ３と相対しない側にのみ形成する例を示したが、図３乃至図５においては、各ゲート部のｎエミッタを形成する高濃度ｎ型シリコン層は、ペルチェ素子と相対する側にも設けるものとする。同様に、図６においては中空きの矩形（四角ドーナツ状）で示した各ゲート部のｎエミッタを形成する高濃度ｎ型シリコン層は、中空きの矩形の内側及び外側に形成するものとし、ペルチェ素子と相対する側（ペルチェ素子がある場合の各ゲート部の外側）にも設けるものとする。

図３は、ペルチェ素子を中央部に密となるように形成した、実施例のＩＧＢＴ２１０の構成を示す、水平面による断面図的な模式図である。ＩＧＢＴ２１０は、図３内で左右方向に形成された２１個のトレンチに、１４個のゲート部Ｇ１乃至Ｇ１４と、７個のペルチェ素子Ｐ１乃至Ｐ７が形成さている。既に述べたように、ガードリング領域４０内に、ｐ型シリコン層１１ｐが形成されており、また、各ペルチェ素子内の左端付近に、ｎ型ポリシリコン層１５ｎが接する領域Ｐ１ｎ〜Ｐ７ｎが、右端付近にｐ型ポリシリコン層１６ｐが接する領域Ｐ１ｐ〜Ｐ７ｐが形成されている。７個のペルチェ素子Ｐ１乃至Ｐ７は全く同一の構成であるものとする。また、１４個のゲート部Ｇ１乃至Ｇ１４も同一構成であって、各々その領域の紙面内上下両方にｎエミッタを有しているものとする。

図３のＩＧＢＴ２１０の７個のペルチェ素子Ｐ１乃至Ｐ７と１４個のゲート部Ｇ１乃至Ｇ１４の配置は紙面内上下対称である。中央部にペルチェ素子Ｐ４が、その紙面内上側に１個のゲート部Ｇ７が、その上側にペルチェ素子Ｐ３が、その上側に２個のゲート部Ｇ６及びＧ５が、その上側にペルチェ素子Ｐ２が、その上側に３個のゲート部Ｇ４乃至Ｇ２が、その上側にペルチェ素子Ｐ１が、その上側に１個のゲート部Ｇ１が配置されている。ペルチェ素子Ｐ４乃至Ｐ７と７個のゲート部Ｇ８乃至Ｇ１４の配置も同様である。こうして、図３のＩＧＢＴ２１０の中央部の２個のゲート部Ｇ７及びＧ８は、３個のペルチェ素子Ｐ３乃至Ｐ５で、その外側（上下方向）に位置する４個のゲート部Ｇ５及びＧ６とＧ９及びＧ１０とは、各々２個のペルチェ素子Ｐ２及びＰ３とＰ５及びＰ６とで、その次に外側（上下方向）６個のゲート部Ｇ２乃至Ｇ４とＧ１１乃至Ｇ１３とは、各々２個のペルチェ素子Ｐ１及びＰ２とＰ６及びＰ７とで、最外周のゲート部Ｇ１とＧ１４とは各々１個のＰ１とＰ７とで冷却されることとなる。このように、図３のＩＧＢＴ２１０は、その紙面内上下方向の中央部にペルチェ素子を密に形成し、所望の電流を各ペルチェ素子に流すことで、放熱しにくいパワー素子の中央部を積極的に冷却することができる。これにより、パワー素子の駆動時の素子特性を安定化させ、素子寿命の延長を図ることができる。尚、本実施例においては、放熱用埋め込み金属２４の体積（図３でペルチェ素子Ｐ１乃至Ｐ７の矩形の面積）が紙面内上下方向に対し、中央部で密となっている。

図４は、ペルチェ素子を中央部に密となるように形成した、他の実施例のＩＧＢＴ２２０の構成を示す、水平面による断面図的な模式図である。図４のＩＧＢＴ２２０は、図３のＩＧＢＴ２１０の構成において、各ペルチェ素子の紙面内左右方向の放熱用埋め込み金属２４の長さを個々に変えたものである。

即ち、図４のＩＧＢＴ２２０は、図３のＩＧＢＴ２１０の構成のうち、中央部のペルチェ素子Ｐ４は、ゲート部Ｇ１〜Ｇ１４と左右方向の長さが同一、ペルチェ素子Ｐ３及びＰ５は左右方向の長さをペルチェ素子Ｐ４のそれよりも短くし、ペルチェ素子Ｐ２及びＰ６は左右方向の長さをペルチェ素子Ｐ３及びＰ５のそれよりも更に短くし、ペルチェ素子Ｐ１及びＰ７は左右方向の長さをペルチェ素子Ｐ２及びＰ６のそれよりも更に短くした。但し、ｎ型ポリシリコン層１５ｎが接する領域Ｐ１ｎ〜Ｐ７ｎと、ｐ型ポリシリコン層１６ｐが接する領域Ｐ１ｐ〜Ｐ７ｐは、全て同一面積とした。これにより、図４のＩＧＢＴ２２０は、その紙面内上下方向及び左右方向の中央部にペルチェ素子を密に形成し、所望の電流を各ペルチェ素子に流すことで、放熱しにくいパワー素子の中央部を積極的に冷却することができる。これにより、パワー素子の駆動時の素子特性を安定化させ、素子寿命の延長を図ることができる。尚、本実施例においては、放熱用埋め込み金属２４の体積が紙面内上下方向及び左右方向に対し、中央部で密となっている。

図５は、ペルチェ素子を中央部に密となるように形成した、他の実施例のＩＧＢＴ２３０の構成を示す、水平面による断面図的な模式図である。図５のＩＧＢＴ２３０は、図４のＩＧＢＴ２２０の構成において、放熱用埋め込み金属２４の長さを単に変えるのではなく、左右方向の長さの短いペルチェ素子を直列接続する個数を変えて、ペルチェ素子が中央部に密となる構成とするものである。

図５のＩＧＢＴ２３０は、図５紙面内上部中央付近のペルチェ素子Ｐ１１と同一構成のペルチェ素子Ｐ２１及びＰ２２、Ｐ３１乃至Ｐ３３、Ｐ４１乃至Ｐ４４、Ｐ５１乃至Ｐ５３、Ｐ６１及びＰ６２並びにＰ７１を、配置された位置によって連結個数を変化させて構成したものである。尚、ゲート部Ｇ１乃至Ｇ１４は図４のＩＧＢＴ２１０、図５のＩＧＢＴ２２０と全く同様に配置する。

ゲート部Ｇ１及びＧ２の間に形成されるペルチェ素子Ｐ１１は、その左端付近に、ｎ型ポリシリコン層１５ｎが接する領域Ｐ１１ｎが、右端付近にｐ型ポリシリコン層１６ｐが接する領域Ｐ１１ｐが形成されている。ゲート部Ｇ４及びＧ５の間に形成されるペルチェ素子Ｐ２１及びＰ２２は、各々の左端付近に、ｎ型ポリシリコン層１５ｎが接する領域Ｐ２１ｎ及びＰ２２ｎが、右端付近にｐ型ポリシリコン層１６ｐが接する領域Ｐ２１ｐ及びＰ２２ｐが形成されている。これらは、図２．Ｂで示した構成と同様に、Ｐ２１ｐ上部のｐ型ポリシリコン層１６ｐとＰ２２ｎ上部のｎ型ポリシリコン層１５ｎが電気的に接続されている。図５では簡単のため、領域Ｐ２１ｐと領域Ｐ２２ｎを太線で結んで示した。こうして、ゲート部Ｇ４及びＧ５の間に形成されるペルチェ素子Ｐ２１及びＰ２２は直列接続されている。

全く同様に、３個のペルチェ素子Ｐ３１乃至Ｐ３３を直列接続してゲート部Ｇ６とＧ７の間に配置する。また、４個のペルチェ素子Ｐ４１乃至Ｐ４４を直列接続してゲート部Ｇ７とＧ８の間に配置する。また、３個のペルチェ素子Ｐ５１乃至Ｐ５３を直列接続してゲート部Ｇ８とＧ９の間に配置する。また、２個のペルチェ素子Ｐ６１及びＰ６２を直列接続してゲート部Ｇ１０とＧ１１の間に配置する。また、１個のペルチェ素子Ｐ７１をゲート部Ｇ１３とＧ１４の間に配置する。以上のペルチェ素子Ｐ１１〜７１は、その配置される領域が、図５の紙面内左右対称となるように配置される。

このように形成したＩＧＢＴ２３０は、図４のＩＧＢＴ２２０よりも効果的に、その紙面内上下方向及び左右方向の中央部にペルチェ素子を密に形成し、所望の電流を各ペルチェ素子に流すことで、放熱しにくいパワー素子の中央部を積極的に冷却することができる。これにより、パワー素子の駆動時の素子特性を安定化させ、素子寿命の延長を更に図ることができる。尚、本実施例においては、放熱用埋め込み金属２４の面積が紙面内上下方向及び左右方向に対し、中央部で密となっている他、ｎ型ポリシリコン層１５ｎが接する領域の面積と、ｐ型ポリシリコン層１６ｐが接する領域の面積が、紙面内上下方向及び左右方向に対し、中央部で密となっている。

〔変形例〕
図４のＩＧＢＴ２２０において、図５のＩＧＢＴ２３０のように、ｎ型ポリシリコン層１５ｎが接する領域の面積と、ｐ型ポリシリコン層１６ｐが接する領域の面積が、紙面内上下方向及び左右方向に対し、中央部で密となっている様に構成するためには、例えば次のようにすると良い。図４のＩＧＢＴ２２０において、ｎ型ポリシリコン層１５ｎが接する領域（右上がりハッチング部分）の面積と、ｐ型ポリシリコン層１６ｐが接する領域（右下がりハッチング）の面積が、中央のペルチェ素子Ｐ４に対し大きく、ペルチェ素子Ｐ３及びＰ５、ペルチェ素子Ｐ２及びＰ６、ペルチェ素子Ｐ１及びＰ７の順にそれらの面積を小くなるように構成する。また、図３のＩＧＢＴ２１０においてこの構成を適用すれば、少なくと紙面内上下方向に対し、中央部で密となっている様に構成できる。このようにしても、パワー素子中央部において積極的に冷却する構成とすることができる。その他、実施例４乃至６において、中央部に設けられたペルチェ素子Ｐ４（又はＰ４１乃至Ｐ４４）に供給される電流量を最も大きく、ペルチェ素子Ｐ３及びＰ５、ペルチェ素子Ｐ２及びＰ６、ペルチェ素子Ｐ１及びＰ７の順にそれらの電流量を減じる構成としても良い。また、以上の個々に述べた構成は、設計に応じ適宜組み合わせることができる。

更に、図３乃至図５の各図の各ペルチェ素子を、単に図２．Ｃのような板状の放熱用埋め込み金属２４で構成しても良く、ペルチェ素子と、ペルチェ素子を構成しない板状の放熱用埋め込み金属２４のみとの混在により構成しても良い。
また、図３乃至図５の各図において、ゲート部Ｇ１〜Ｇ１４は紙面内左右方向に１つの連続した領域としたが、各ゲート部を更に横方向に分離した、左右方向に長さの短い矩形領域、いわゆるドット型により構成しても良い。

図６は、ゲート部を中空きの矩形（四角ドーナツ状）とした場合の実施例のＩＧＢＴ２４０の構成を示す、水平面による断面図的な模式図である。図６においては、上下方向にゲート部が７個、左右方向にゲート部が５個並んだ、７行５列のマトリックス状の配置を示している。図５ではｉ行ｊ列のゲートをＧｉｊと示した。図５のペルチェ素子Ｐ１１と同一の構成のペルチエ素子を、マトリックス状に配置されたゲート部の４辺に隣接させて形成する。各ペルチェ素子は、縦方向又は横方向に連結されている。縦に連結されたペルチェ素子と横方向に連結されたペルチェ素子は各々電気的に独立していても良い。この場合、図２．Ｂのように１本につながれたペルチェ素子は、自己のｐ型ポリシリコン層は隣接する素子のｎ型ポリシリコン層と電気的に接続される。或いは逆に図６の十字の太線の交点で電気的に接続されていても良い。この際、各ペルチェ素子のｐ型ポリシリコン層とｎ型ポリシリコン層を左右（上下）のいずれに配置するかは様々に設計することが可能である。このため、図６では破線の矩形でｐ型ポリシリコン層とｎ型ポリシリコン層との接続領域を示したが、ハッチングは示していない。また、図６でペルチェ素子のｐ型ポリシリコン層にもｎ型ポリシリコン層にも接していない太線の端の電位を如何に設定するかは、当該各ペルチェ素子のｐ型ポリシリコン層とｎ型ポリシリコン層の配置及び各ペルチェ素子に流すべき電流により、所望に設定される。

実施例１に係るＩＧＢＴ１００の構成を示す、板状のトレンチゲートに垂直な面での断面図。 ２．Ａは、実施例１に係るＩＧＢＴ１００のペルチェ素子Ｐ１の構成を示す、板状のトレンチゲートに平行な断面図、２．Ｂは、実施例２に係るＩＧＢＴの断面図、２．Ｃは、実施例３に係るＩＧＢＴの断面図。 実施例４のＩＧＢＴ２１０のペルチェ素子の配置を示す、水平面による断面図的な模式図。 実施例５のＩＧＢＴ２２０のペルチェ素子の配置を示す、水平面による断面図的な模式図。 実施例６のＩＧＢＴ２３０のペルチェ素子の配置を示す、水平面による断面図的な模式図。 実施例７のＩＧＢＴ２４０のペルチェ素子の配置を示す、水平面による断面図的な模式図。

符号の説明

１０ｎ：エミッタ領域のｎ型シリコン層
１１ｐ：ｐベース領域のｐ型シリコン層
１２ｎ：ドリフト領域のｎ型シリコン層
１３ｎ：ｎ型シリコン層
１４ｐ：コレクタ領域のｐ型シリコン層（ｐ型シリコン基板の、ドープされなかった部分）
１５ｎ、１５ｎ−１、１５ｎ−２：ｎ型ポリシリコン層
１６ｐ、１６ｐ−１、１６ｐ−２：ｐ型ポリシリコン層
２１ｅ：エミッタ電極
２２ｃ：コレクタ電極
２３ｇ：ゲート電極
２４、２４−１、２４−２：放熱用埋め込み金属
２５Ｒ、２５ｍ、２５Ｌ：導電性部材
２６Ｒ、２６ｍ、２６Ｌ：放熱部材
３１ｇ：ゲート部の絶縁膜
３２Ｐ：ペルチェ素子の絶縁膜
Ｐ１〜Ｐ７、Ｐ１１〜Ｐ７１：ペルチェ素子
Ｐ１ｎ：ペルチェ素子Ｐ１の領域の、ｎ型ポリシリコン層１５ｎが存在する領域
Ｐ１ｐ：ペルチェ素子Ｐ１の領域の、ｐ型ポリシリコン層１６ｐが存在する領域

Claims (8)

1. 半導体装置であって、半導体層中に埋め込まれ、他の構成要素と電気的に絶縁された放熱用埋め込み部材を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記放熱用埋め込み部材に熱的に接続された、前記半導体装置の外部に熱を放出するための放熱部材を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記放熱用埋め込み部材は金属であって絶縁体に覆われており、
   同じく絶縁体に覆われて前記半導体装置の他の構成要素と電気的に絶縁されたｐ型及び／又はｎ型の半導体と接触することで、ペルチェ素子を形成していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記ペルチェ素子を形成するｐ型及び／又はｎ型の半導体に熱的に接続された、前記半導体装置の外部に熱を放出するための放熱部材を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 縦方向に形成された伝導型が異なる半導体層に沿って電流が流れる縦型半導体装置であって、
   前記ペルチェ素子は、水平面方向の配列においてその疎密が生じるように複数個形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体装置。
6. 縦方向に形成された伝導型が異なる半導体層に沿って電流が流れる縦型半導体装置であって、
   前記放熱用埋め込み部材は、水平面方向の配列においてその疎密が生じるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記放熱用埋め込み部材は、その法線が横方向となる板状に形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記半導体装置は絶縁ゲートパイポーラトランジスタ又はパワーＭＯＳＦＥＴであって板状のトレンチゲートを有し、前記放熱用埋め込み部材は、当該トレンチゲートに平行に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。

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