JP2011103478A - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧印加によるフィールドプレートの劣化を防止し、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、電流を通電するアクティブ領域に隣接して形成したターミネーション領域に、フィールドリミッティングリング１１４と、フィールドプレート１１１，１１５とを形成し、前記フィールドプレートが抵抗体であって、前記フィールドプレートの抵抗率が、５×１０^-3Ωcm以上であって、前記フィールドプレートが多結晶シリコンであり、前記フィールドプレートとフィールドリミッティングリングとの間に絶縁物層を形成して、フィールドリミッティングリングとフィールドプレートとを絶縁した。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータなどの電力変換装置に使われる半導体装置にかかり、特にフィールドプレートを備えた半導体装置に関する。

現在、ＩＧＢＴが電力制御に広く使われている。ＩＧＢＴは、制御が簡単、大電力を扱える、数Ｈｚから数ｋＨｚの幅広い周波数で使える、などの特徴を持つので、家庭用エアコンや電子レンジなどの小電力から、工場の空調やエレベータのモーター制御などの大電力まで幅広く使われている。

前記大電力用途ではＩＧＢＴに３００Ｖ〜１２００Ｖの高い電圧が印加される。この電圧に耐えるためにＩＧＢＴチップの周辺部分には電界を緩和するためのターミネーション領域が設けられている。従来技術のＩＧＢＴのターミネーションの構造に、フィールドリミッティングリングとフィールドプレートを組合せた構成がある。この詳細は、コロナ社刊のパワーデバイス・パワーＩＣハンドブックｐ５９に記載がある。

図２にフィールドリミッティングリングとフィールドプレートとを組合せた従来技術のターミネーションの断面構造例を示す。図２の左側は電流の通電領域であるアクティブ領域であり、右側がターミネーション領域である。図２で符号１０１は高濃度のｐ導電型のコレクタ層、１０２は高濃度のｎ導電型のバッファ層、１０３は低濃度のｎ導電型のドリフト層、１０４はｐ導電型のベース層、１０５は高濃度のｐ導電型のコンタクト層、１０６は高濃度のｎ導電型のエミッタ層、１０７はｐ導電型のウェル層、１０８はゲート酸化膜、１０９は多結晶シリコンゲート、１１０は層間絶縁膜、１１１はフィールドプレート、１１２は表面保護膜、１１３はフィールド酸化膜、１１４はフィールドリミッティングリング層、１１５はフィールドプレート、１１６はガードリング、１１７は高濃度のｎ導電型のチャネルストッパー層、１１８はコレクタ電極、１１９はエミッタ電極を示す。

図２の構造の働きを簡単に説明する。エミッタ電極１１９の電位を０電位（アース電位）とし、多結晶シリコンゲート１０９の電位をエミッタ電極１１９の電位と同じかもしくはエミッタ電極１０９の電位より低く、例えば−１５Ｖとし、コレクタ電極１１８に正の電圧を加えると、ベース層１０４及びウェル層１０７とドリフト層１０３との間に形成されているｐｎ接合から空乏層が拡がる。

空乏層がフィールドリミッティングリング１１４に到達すると、フィールドリミッティングリング１１４とアルミのフィールドプレート２０１との働きによりチップ外周部（図２の右側）に空乏層がさらに引き延ばされて電界の集中を緩和し、降伏を阻止する。また、空乏層が延び過ぎてチップ端部に接地して電流が流れることを防止するために、アルミのガードリング２０２が設けられており、チャネルストッパー層１１７を介してコレクタ電極１１８の電位をガードリング２０２に伝え、空乏層の延びを抑制する。

しかしながら、上記従来技術では以下の問題点がある。図２の構造の等価回路を図３に示す。図３で、符号３０１はウェル層１０７とドリフト層１０３との接合の静電容量Ｃｐｎ１、３０２はウェル層１０７とフィールドリミッティングリング１１４との間のドリフト層の抵抗Ｒｄ１、３０３はフィールドリミッティングリング１１４と多結晶シリコンのフィールドプレート２０１との接触抵抗Ｒｃｎｔ、３０４はフィールドプレート２０１の抵抗Ｒｆｐ、３０５はフィールドプレート２０１とドリフト層１０３との間に形成される静電容量Ｃｆｐ、３０６はフィールドリミッティングリング１１４とドリフト層１０３の間の静電容量Ｃｐｎ２、３０７はドリフト層１０３の抵抗Ｒｄ２である。

ターミネーション領域に急激に高い電圧が加わると空乏層が急速に拡がる。電圧が増加すると初めにＣｐｎ１が充電される。この時、図３中のノードＡからコレクタまでは同電位であり、電圧はＣｐｎ１に加わっている。次に、空乏層がフィールドリミッティングリング１１４に到達すると、Ｃｐｎ２とＣｆｐとの充電が始まり、フィールドリミッティングリング１１４から空乏層が拡がり始める。この時、ノードＢはコレクタ電位になっている。Ｃｐｎ２とＣｆｐには容量を充電するための電流がそれぞれ流れる。Ｃｆｐの充電電流はフィールドプレート２０１の内部を流れフィールドリミッティング層１１４に流れ込む。

フィールドプレート２０１がアルミやタングステンなどの金属電極で形成されていると、抵抗率が小さいためにＲｆｐはほぼ０と見なせる。また、フィールドリミッティングリング１１４は、空乏層を広げるために高濃度のｐ型不純物で形成されており、フィールドリミッティング層１１４とフィールドプレートの接触抵抗は十分に小さいため、Ｒｃｎｔもほぼ０と見なせる。Ｃｐｎ２は空乏層の広がりとともに小さくなるので、電圧が増加し空乏層が拡大すると、Ｃｆｐに比べて十分に小さくなる。

このために、Ｃｆｐには空乏層の広がりに伴い大きな電流が流れ、短時間であるが１×１０⁵Ａ／cm²もの高い電流密度になる場合がある。このような大きな電流密度の電流が生じると、電子の運動エネルギーでアルミの原子が電子の流れの方向に移動を起こすエレクトロマイグレーション現象が発生し、アルミ中に隙間ができたり、アルミが断線したりする問題が生じる。また、マイグレーションが起こるとフィールドプレート２０１とフィールド酸化膜１１３、またはフィールドプレート２０１と表面保護膜１１２の間の剥離も引き起こし、耐圧を低下させる問題がある。

本発明の目的は、上述の問題点を解決するものであって、電圧印加によるフィールドプレートの劣化を防止し、信頼性の高い半導体装置を提供することである。

本発明の半導体装置は、電流を通電するアクティブ領域と、アクティブ領域に隣接して形成され、電界を緩和するターミネーション領域とを備え、前記ターミネーション領域には、フィールドリミッティングリングと、該フィールドリミッティングリングに接触形成され、電界を緩和するフィールドプレートとが形成され、前記フィールドプレートが抵抗体であって、前記フィールドプレートの抵抗率が、５×１０^-3Ωcm以上である。

本発明の半導体装置は、前記フィールドプレートが多結晶シリコンであり、前記フィールドプレートとフィールドリミッティングリングとの間に絶縁物層を形成して、フィールドリミッティングリングとフィールドプレートとを絶縁した。

本発明の半導体装置は、一対の主表面を有する一方導電型の半導体基体と、前記半導体基体の一方の主表面に隣接して形成され、電流を通電するアクティブ領域と、前記半導体基体の一方の主表面に隣接し、前記アクティブ領域を包囲して前記半導体基体内に形成された他方導電型のフィールドリミッティング層とを備え、前記フィールドリミッティング層に接触し、前記半導体基体の一方の主表面上で前記フィールドリミッティング層に接触形成され、前記半導体基体上に絶縁膜を介して延在する抵抗体からなるフィールドプレートとを有する。

以上説明したように本発明によれば、ターミネーション領域への急激な電圧印加時にフィールドプレートに流れる電流を低減して、エレクトロマイグレーション現象や、フィールドプレートとフィールド酸化膜，フィールドプレートと表面保護膜の剥離を防止でき、素子の寿命を向上出来る。また、素子に印加される電圧の増加率を抑えることにより、素子から発生するノイズを低減でき、電力変換装置の小型化，低コスト化が達成できる。

実施例１の断面図である。 従来技術のターミネーション領域の断面図である。 従来技術のターミネーション領域の等価回路である。 本実施例２の平面図である。 図４のＡ−Ｂの断面図である。 図４のＣ−Ｄの断面図である。 実施例３の断面図である。 実施例４の平面図である。 実施例４の回路図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、各実施例を説明する図において、同一の機能を有するものには同一の符号で示す。以下、本発明の実施例をＩＧＢＴを例に説明するが、半導体装置はＩＧＢＴに限定されるものではなく、フィールドリミッティングリングとフィールドプレートを備えたＭＯＳＦＥＴやその他の半導体装置にも同様に適用できる。

（実施例１）
図１に本実施例を示す。図１の符号１１１と１１５とは多結晶シリコンのフィールドプレート、１１６は多結晶シリコンのガードリングを示す。

本実施例では、フィールドプレートに多結晶シリコンを用いる。この多結晶シリコンは、化学的堆積法によってシリコン基板表面に堆積された膜であり、膜の堆積時に不純物を混入して膜の電気抵抗率を５００×１０^-6Ωcm〜１Ωcmというアルミニウムやタングステンやクロムなどの金属電極の１０倍以上の大きさにできる。また、混入する不純物濃度を調整し抵抗率を高くすると、フィールドプレートの抵抗Ｒｆｐが大きくなる。フィールドプレートの抵抗Ｒｆｐが大きくなると、フィールドプレートに電流が流れ難くなるので、急激な高電圧の印加時にフィールドプレートに流れる突入電流を抑制する。

エレクトロマイグレーション現象は、フィールドプレートを流れる電流の密度が１×１０⁵Ａ／cm²になると発生する。電流密度を、この値の約１／１０より小さくするとエレクトロマイグレーションが発生しないことが既にわかっている。従って、フィールドプレートの抵抗Ｒｆｐを金属電極の１０倍とし、突入電流密度を前記のように１／１０に抑制すれば、エレクトロマイグレーション現象が防止できる。そこで、本実施例ではフィールドプレートの多結晶シリコンの抵抗率を５×１０^-3Ωcm以上にした。また、本実施例ではフィールドプレートの抵抗率を金属電極と同じにして、厚みを金属電極の１／１０以下にしてもよい。

さらに、本実施例では、空乏層の拡大時のフィールドプレートとドリフト層との間に形成される静電容量Ｃｆｐの充電電流を抑制するので、空乏層が広がる速度が低下する。空乏層が広がる速度が低下するとＩＧＢＴ両主端子に印加される電圧の増加が遅くなり、電圧変化が原因で発生するノイズが低減する。

（実施例２）
図４に本実施例の平面構造を示す。また図５と図６に図４中の断面Ａ−Ｂ及び断面Ｃ−Ｄをそれぞれ示す。図４乃至図６において、図１から図３と同一の構成要素には同じ符号を付けてある。図４で、符号４０１はアルミコンタクト電極、４０２はコンタクトを示す。

本実施例は、多結晶シリコンのフィールドプレート１１５とフィールドリミッティング層１１４との接続を、アルミコンタクト電極４０１のコンタクト４０２の部分だけに制限した。本実施例の構成は、多結晶シリコンのフィールドプレート１１５とフィールドリミッティングリング１１４との接続面積が少ないため、フィールドプレートとシリコンとの接触点との距離が長くでき、図３に示す抵抗Ｒｆｐを大きくできる。

また、本実施例の構成は接触点の面積が小さいので、図３に示すＲｃｎｔも大きくでき、さらに抵抗を増大できる。このように本実施例によれば、平面レイアウトを変更してＲｆｐとＲｃｎｔとを大きくでき、エレクトロマイグレーション現象を防止する。また、本実施例の構成によれば、平面レイアウトの変更だけでＲｆｐとＲｃｎｔを増やせるので、不純物濃度を調整したり電極の厚みを変更するなどの製造プロセスの変更無しで、エレクトロマイグレーションを防止できる。本実施例でも実施例１と同様に、ＩＧＢＴ両主端子の印加電圧の増加速度を抑え、ノイズを低減する。

（実施例３）
図７に本実施例の断面構造を示す。また、図８は図７の等価回路を示す。図７と図８において、図１から図６と同一の構成要素には同じ符号を付けてある。図８の符号８０１は多結晶シリコンのフィールドプレート１１５とフィールドリミッティングリング１１４との間に形成される静電容量Ｃｃｎｔである。

本実施例では、多結晶シリコンのフィールドプレート１１５とフィールドリミッティングリング１１４との間に、ゲート酸化膜１０８によって静電容量Ｃcntを形成した。Ｃｆｐと直列にＣｃｎｔを挿入すると、（数１）式に示すようにドリフト層１０３から多結晶シリコンのフィールドプレート１１５を経由してフィールドリミッティングリング１１４に至るパスの全静電容量Ｃａｌｌが小さくなる。

Ｃａｌｌ＝Ｃｆｐ×Ｃｃｎｔ／（Ｃｆｐ＋Ｃｃｎｔ） …（数１）
フィールドプレート１１５に流れる電流Ｉｆｐは（数２）式で表現できる。

Ｉｆｐ＝ｄＱ／ｄｔ
＝ｄ（Ｃａ１１Ｖ）／ｄｔ
＝ＣａｌｌｄＶ／ｄｔ＋Ｖｄ（Ｃａｌｌ）／ｄｔ …（数２）
（数２）式中、Ｖはドリフト層１０３とフィールドリミッティング層１１４の電位差である。ここで、全静電容量Ｃａｌｌは酸化膜の容量であって、変化しないので（数２）式のＶｄ（Ｃａｌｌ）／ｄｔの項は０となるので、（数２）式は（数３）式になる。

Ｉｆｐ＝ＣａｌｌｄＶ／ｄｔ …（数３）
（数１）式に示したようにＣｃｎｔをＣｆｐに直列に挿入して全静電容量Ca11を低減すると、（数３）式に示すようにＩｆｐを低減できる。

このように本実施例は、多結晶シリコンのフィールドプレート１１５とフィールドリミッティングリング１１４の間に絶縁膜で容量Ｃｃｎｔを形成して、Ifpを低減し、エレクトロマイグレーション現象を防止する。

また、Ｃｆｐそのものを低減して全静電容量Ｃａｌｌを低減しても良い。ここで、Ｃｆｐは（数４）式のよう表現できる。

Ｃｆｐ＝εＳｉＯ×Ａ／ｄ …（数４）
（数４）中、εＳｉＯは酸化膜の誘電率、Ａは多結晶シリコンのフィールドプレート１１５とドリフト層１０３が対向する面積、ｄはフィールド酸化膜１１３の厚みをそれぞれ示す。（数４）式から、酸化膜の誘電率を低減することと、フィールド酸化膜１１３とドリフト層１０３の対向する面積を低減することと、フィールド酸化膜１１３の厚さを低減することとの何れか１つ以上を行うことで
Ｃｆｐを低減できる。

本実施例では、多結晶シリコンのフィールドプレート１１５とフィールドリミッティングリング１１４との間にゲート酸化膜１０８を配置し、静電容量Ccntを形成する構成を説明したが、Ｃｃｎｔを構成する酸化膜は、ゲート酸化膜１０８だけでなく、フィールド酸化膜１１３でも良い。フィールド酸化膜１１３は、ゲート酸化膜１０８より厚いために容量が小さく、Ｃａｌｌをより小さくできる。しかし、あまり静電容量Ｃｃｎｔを小さくすると、フィールドリミッティングリング層１１４と多結晶シリコンのフィールドプレート１１５との間の電位差が大きくなり、期待するフィールドプレート効果が得られないため、望ましくはCcntを構成する酸化膜はフィールド酸化膜１１３と同じかそれより薄いものがよい。

本実施例でも実施例１と同様に、ＩＧＢＴ両主端子の印加電圧の増加速度を抑え、ノイズを低減する。

（実施例４）
本実施例は、実施例１〜３のＩＧＢＴを電力変換装置であるインバータ装置に適用した。本実施例のインバータ装置は図示しないが、交流電源を入力して直流に変換するコンバータ部と、コンバータ部が出力する直流を平滑する平滑コンデンサと、直流を３相交流に変換するインバータ部と、コンバータ部とインバータ部とを制御する制御部とを備えている。インバータ部は、制御部の出力信号を受けて、ゲート信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）し、ＩＧＢＴの出力を制御している。

図９に本実施例のインバータ部のＩＧＢＴモジュール部の等価回路図を示す。図９において符号９０１〜９０６は本発明のＩＧＢＴ、９０７〜９１２はIGBTのゲート端子、９１３〜９１４は直流入力端子、９１５〜９１７は交流出力端子を示す。

本実施例のインバータ装置は、実施例１〜３のＩＧＢＴを適用したので発生するノイズが小さい。このため、従来のインバータ装置に必須であった、ノイズフィルターや、インバータからのノイズの漏れを防止するための隔壁や容器を使用条件に応じて不要にできるので、インバータ装置を小型で低コストにできる。

本実施例のインバータ装置は、直流電源を利用できる場合には上記コンバータ部を省いた構成にすればよい。本実施例のインバータ装置は、素子の寿命が長く、ノイズの発生が少ないので、電車や自動車など高い電圧条件下で１０年程度の長期間に渡って使用される用途にも好適である。

本実施例ではインバータ装置について説明したが、コンバータ装置や、チョッパーなどの半導体電力変換装置にも同様に本発明のＩＧＢＴを適用できる。

１０１…コレタタ層、１０２…バッファ層、１０３…ドリフト層、１０４…ベース層、１０５…コンタクト層、１０６…エミッタ層、１０７…ウェル層、108…ゲート酸化膜、１０９…多結晶シリコンゲート、１１０…層間絶縁膜、１１１…フィールドプレート、１１２…表面保護膜、１１３…フィールド酸化膜、114…フィールドリミッティングリング、１１５…フィールドプレート、１１６…ガードリング、１１７…チャネルストッパー層、１１８…コレクタ電極、１１９…エミッタ電極、２０１…フィールドプレート、２０２…ガードリング、４０１…アルミコンタクト電極、４０２…コンタクト、９０１〜９０６…ＩＧＢＴ、907〜９１２…ゲート端子、９１３〜９１４…入力端子、９１５〜９１７…出力端子。

Claims (4)

1. 半導体基板の主表面に電流を通電するアクティブ領域と、該アクティブ領域に隣接して形成され、電界を緩和するターミネーション領域とを備えた半導体装置において、
   前記ターミネーション領域に設けられたフィールドリミッティングリングと、
   前記アクティブ領域に設けられたフィールドプレートと、
   該アクティブ領域のフィールドプレートとは分離して、前記ターミネーション領域に形成された電界を緩和するフィールドプレートと、
   該フィールドプレートと前記フィールドリミッティングリングとの間に形成されたフィールド酸化膜とを備え、
   前記ターミネーション領域のフィールドプレートは多結晶シリコンで形成されたことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記アクティブ領域に設けられたフィールドプレートは、前記アクティブ領域の電極と電気的に接続していることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記ターミネーション領域のフィールドプレートの抵抗率が、５×１０^−３Ωｃｍ以上であることを特徴とする半導体装置。
4. 一対の直流端子と、交流出力の相数と同数の交流端子と、一対の直流端子間に接続され、それぞれスイッチング素子と逆極性のダイオードの並列回路を２個直列接続した構成からなり、並列回路の相互接続点が異なる交流端子に接続された交流出力の相数と同数のインバータ単位とを具備する電力変換装置において、
   前記スイッチング素子が請求項１乃至３に記載の半導体装置であることを特徴とする電力変換装置。

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