JP3612226B2 - 半導体装置及び半導体モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及び半導体モジュールに係わり、特に高耐圧の半導体装置及びこれを1又は複数個含む半導体モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、絶縁ゲート型トランジスタ(IGBT)、注入促進型ゲートトランジスタ(IEGT)などの定格電圧が大きい高耐圧半導体素子においては、一般に定格電流も大きく、複数個の高耐圧半導体チップを並列に搭載した半導体モジュールが使用されている。
【0003】
図26は、高耐圧半導体素子(IGBT)を備えた従来の半導体チップの終端部構造を示す断面図である。この図26に示すように、n− 型基板からなるn− 型ベース層301の一方の面にはn型バッファ層302、及びp+ 型コレクタ層303が順次形成され、n− 型ベース層301の他方の面にはp型ベース層304が選択的に形成され、p型ベース層304中にはn+ 型ソース層305が選択的に形成されている。
【0004】
また、p+ 型コレクタ層303の表面にはコレクタ電極306が形成され、p型ベース層304とn+ 型ソース層305に跨ってエミッタ電極307が形成されている。さらに、n+ 型ソース層305とn− 型ベース層301との間のp型ベース層304の表面にはゲート絶縁膜309aを介してゲート電極308が形成されている。このゲート電極308上には絶縁膜309bが形成され、さらにこの絶縁膜309b上に前述したエミッタ電極307が形成された構造となっている。以上のように、高耐圧半導体素子としてIGBTが半導体基板(チップ)上に設けられている。
【0005】
かかるIGBTが設けられた半導体チップの終端部表面には、絶縁膜(シリコン酸化膜等)あるいは高抵抗膜(半絶縁性多結晶シリコン膜等)からなるパッシベーション膜309b´が形成されている。パッシベーション膜309b´の一方の端はp型ベース層304の終端部に接続され、他端は電極310を介してn+ 型ストッパ層311に接続されて基板電位に保持される。電極310及びn+ 型ストッパ層311は終端部における空乏層がチップ端まで延びることを防止する役割を果たす。さらにまた、高耐圧構造を強化するため、パッシベーション膜309b´が形成された半導体基板表面に、リサーフ層やガードリング層など、電界緩和構造が追加されることも多い。
【0006】
次に、かかるIGBT等の高耐圧半導体素子が設けられた半導体チップを搭載した半導体モジュールについて説明する。図27は、従来の半導体モジュールの構造を示す概略図である。図27(a)は半導体モジュールの平面図、図27(b)は図27(a)の線分A−A´における断面図である。
【0007】
図27に示すように、図26で述べたIGBT等の高耐圧半導体素子が設けられた半導体チップ330は複数個モジュール基板320上に並列接続して搭載されている。この半導体チップ330の第1の主面上に形成された第1の主電極(コレクタ電極。図26の306に相当。)は、モジュール基板320上の第1の配線パターン321に半田付けされ、第2の主面上の第2の主電極(エミッタ電極。図26の307に相当。)、及び制御電極(ゲート電極。図26の308に相当。)は、モジュール基板320上の第2及び第3の配線パターン322、323にそれぞれボンディングワイヤー324、325により接続される。第1、第2、及び第3の配線パターン321、322、323には、それぞれコレクタ電極引き出し部326、エミッタ電極引き出し部327、ゲート電極引き出し部328が設けられ、これらの引き出し部により外部機器に対する電気的な接続が行われる。
【0008】
このような従来の半導体モジュールにおいては、複数個の半導体チップ330をモジュール基板320にマウント、ボンディングした後に、図示しないゲル状のパッシベーション剤で全体を封印することにより、エミッタ電極307と電極310間、及び近接する配線パターンやボンディングワイヤーとの間の沿面放電に対する防止処置が施されてきた。
【0009】
しかしながら、この方法では、並列接続された複数個の半導体チップ330の中に耐圧、最大遮断電流などの点で1つでも不良チップがあると、モジュール全体が不良モジュールとなってしまう。この段階では、不良チップの選別、リペアは極めて困難である。特に、多数のチップを含む、定格電流の大きなモジュールほど、不良チップが混載される可能性が高くなってしまうという問題があった。
【0010】
また、従来の半導体モジュールにおいては、コレクタ、エミッタ、ゲートの各配線パターン321、322、323が全てモジュール基板320に固定されており、各配線パターンの絶縁距離確保のためにモジュール基板320が大型化していた。このため、半導体チップ330と配線パターン322、323とを接続するボンディングワイヤー324、325の長さが長くなり、そのインダクタンス成分が大きくなってしまうという問題があった。
【0011】
一方、半導体チップに設けられたIGBT等の高耐圧半導体素子については、以下に述べるような問題があった。
即ち、従来のIGBT等の高耐圧半導体素子においては、大電流を流すことにより素子の温度が上昇して例えば150℃といった高温に達した場合、この温度上昇により素子が破壊してしまって動作しなくなるという問題があった。
【0012】
この問題を解決するため、従来、かかる温度上昇を検知し検知結果を素子にフィードバックする方法が知られていた。この方法によれば、素子温度が高温に達した場合に、温度上昇の検知結果を素子にフィードバックして素子のスイッチを制御することにより、高耐圧半導体素子の保護を行うことができる。
【0013】
かかる従来の方法では、高耐圧半導体素子の外部に素子温度をモニターしてフィードバックを行う保護回路を別に設ける必要がある。この保護回路は、素子温度を測定するために常に電流を流し、この電流によって生ずる電圧値、即ち素子温度をモニターする温度検知回路と、素子温度が上昇した場合に素子のスイッチを制御して素子を保護すべく素子に対してフィードバック信号を送るフィードバック回路とからなる。
【0014】
図24は、かかる従来の保護回路中の温度検知回路において用いられる素子構造を示す断面図である。図24に示すように、IGBT等の高耐圧半導体素子が形成されている半導体基板241上に絶縁膜242を介してポリシリコン等の堆積膜が形成されており、この堆積膜に複数のダイオードがお互いに直列に配置するように形成されている。243はp型のアノード領域、244はn型のカソード領域であり、これらの領域がお互いに交互に配列されている。さらに、p型のアノード領域243上にはアノード電極245aが形成されており、n型のカソード領域とp型のアノード領域との間には、アノード電極245aに近い側から順に接続電極245b、245c、245dが形成されており、n型のカソード領域244上にはカソード電極245eが形成されている。アノード電極245aとカソード電極245eとは定電流源(外部直流電源)246を介してお互いに電気的に接続されており、アノード電極245aとカソード電極245e間に常時一定の直流電流が流れている。アノード電極245aとカソード電極245e間の電圧値はモニターされ、その電圧値に応じて素子保護のためのフィードバックが行われるようになっている。
【0015】
かかるダイオードを用いた高耐圧半導体素子へのフィードバックは次のようにして行われる。図25はダイオードのオン電流−電圧特性を示す特性図であり、この図に示すようにダイオードの温度が上昇(例えば、25℃から125℃へ上昇)すると、一定の電流がダイオードに流れている場合、ダイオードに現れる電圧値は減少するようになる。したがって、高耐圧半導体素子の素子温度が急上昇した場合、隣接して設けられているダイオードの素子温度も上昇し、ダイオードに現れる電圧値は減少する。この電圧値をモニターすることにより素子温度を検知し、その検知結果に応じて素子保護のためのフィードバックを行い素子のスイッチを制御することにより、高耐圧半導体素子の保護を行うことができる。
【0016】
しかしながら、保護回路は高耐圧半導体素子の外部に設けられており、かかる外部回路からの制御を用いているために、素子の温度上昇に迅速かつ正確に対応することが難しくタイムラグが存在していた。したがって、素子温度の瞬間的な上昇等に対応することが不可能であり、素子の保護を十分に行うことができなかった。また、一定の電流が常時ダイオードに流れているために、消費電力が増加するという問題もあった。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の高耐圧の半導体装置及び半導体モジュールでは、不良チップが混載される可能性があり、モジュールの製造歩留まり及び信頼性を低下させるという問題があった。さらに、モジュールの小型化及びチップ間配線の低インダクタンス化も困難であった。
【0018】
また、従来の高耐圧の半導体装置においては、素子温度が高温に達した場合の素子破壊を防止するために、高耐圧半導体素子の外部に保護回路が設けられていたが、素子温度の急上昇に対応することは不可能であり、素子の保護を十分に行うことができなかった。
【0019】
このように、従来の高耐圧の半導体装置及び半導体モジュールには、信頼性、性能等といった点において解決すべき問題があった。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、信頼性、性能等の点で優れた半導体装置及び半導体モジュールを提供することを目的とするものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】
前述した問題を解決するため、本発明の第1は、半導体基板と、該半導体基板に設けられた高耐圧半導体素子及び接合終端領域と、該接合終端領域を覆って前記半導体基板の外周部に設けられた絶縁性フレームと、前記絶縁性フレーム上に設けられた高耐圧半導体素子の電極と電気的に接続される配線パターンの導電膜とを備えたことを特徴とする半導体装置を提供する。
【0021】
また、本発明の第2は、前記第1の発明において、前記導電膜が回路成分を有することを特徴とする半導体装置を提供する。
【0026】
また、本発明の第3は、配線基板と、この配線基板上に設けられた半導体装置とを備え、該半導体装置は、半導体基板に設けられた高耐圧半導体素子及び接合終端領域と、該接合終端領域を覆って前記半導体基板の外周部に設けられた絶縁性フレームとを具備し、前記高耐圧半導体素子の電極と前記配線基板の電極とは前記絶縁性フレーム上を経て電気的に接続されていることを特徴とする半導体モジュールを提供する。
【0027】
さらにまた、本発明の第4は、配線基板と、この配線基板上に配列して設けられた複数の半導体装置とを備え、該複数の半導体装置のそれぞれは、半導体基板に設けられた高耐圧半導体素子及び接合終端領域と、該接合終端領域を覆って前記半導体基板の外周部に設けられた絶縁性フレームとを具備し、前記高耐圧半導体素子の電極と前記配線基板の電極とは前記絶縁性フレーム上を経て電気的に接続されていることを特徴とする半導体モジュールを提供する。
【0028】
かかる本発明の第3及び第4において、以下の構成を備えることが望ましい。(1)前記高耐圧半導体素子の電極と前記配線基板の電極とは、ボンディングワイヤーにより電気的に接続されていること。
【0029】
(2)前記絶縁性フレーム上には導電膜が設けられ、該導電膜を介して前記高耐圧半導体素子の電極と前記配線基板の電極とは電気的に接続されていること。
(3)前記複数の半導体装置のうち隣接する半導体装置には、それぞれの絶縁性フレーム上に設けられた導電膜を電気的に接続する導電板が該導電膜に接して設けられていること。
【0030】
(4)前記高耐圧半導体素子の電極と前記導電膜とは、ボンディングワイヤーにより電気的に接続されていること。
(5)前記高耐圧半導体素子の電極は、導電性のピン若しくはブロック部材により前記絶縁性フレーム上面の位置まで引き出され、前記複数の半導体装置のうち隣接する半導体装置の間で、前記絶縁性フレーム上に設けられた導電板を介してお互いに電気的に接続されること。
【0031】
(6)前記半導体基板と前記絶縁性フレームとの間には前記半導体基板の表面を覆って絶縁性若しくは半絶縁性の第1の膜が形成されており、この第1の膜には開口部が設けられて、該開口部底部から前記第1の膜上にかけて前記高耐圧半導体素子の電極及び前記接合終端領域の電極が形成されていること。
【0032】
(7)前記第1の膜と前記絶縁性フレームとの間には絶縁性の第2の膜が形成されていること。
(8)前記第2の膜は前記半導体基板の外周端部を覆って形成されていること。
【0033】
(9)前記第2の膜は、前記第1の膜、前記高耐圧半導体素子の電極、及び前記接合終端領域の電極を覆って形成されており、その上面が平坦に形成されていること。
【0034】
(10)前記絶縁性フレームは樹脂からなること。
(11)前記樹脂はシリコーン、ポリエーテルイミドから選ばれる樹脂であること。
【0035】
上述した本発明の第1乃至第4によれば、半導体基板(半導体チップ)は絶縁性フレームにより接合終端部での沿面放電から保護されるため、配線基板(モジュール基板)へのマウントに先立って、半導体基板の耐圧試験、遮断試験(各半導体基板の最大定格電圧試験、高電圧印加時のスイッチング試験等)等の高電圧印加試験を実施することが可能であり、予め不良の半導体基板(耐圧不良、最大遮断電流不良等のもの)を予め抽出・除外することができる。
【0036】
また、絶縁性フレームの使用により、配線基板へのマウント時に半導体基板の外周部に損傷を受けるのを防止することができる。さらに、ボンディングワイヤーが半導体基板の最外周の基板電位電極や基板上のコレクタ配線パターン等に近接、接触することによる絶縁耐圧の低下を防止することが可能である。さらにまた、絶縁性フレームは、複数個の半導体基板を配線基板上に配列する際の位置決めにも使用することが可能である。
【0037】
また、絶縁性フレームにエミッタ配線パターンやゲート配線パターン等の導電膜を形成し、配線基板上に搭載するのに先立って、各半導体基板の電極(エミッタ電極、ゲート電極等)と上記導電膜との間をボンディングにより接続することにより、配線基板上でのボンディング作業を不要とすることが可能になる。かかるボンディング済みの各半導体基板に対して不良チップの抽出作業を行うことにより、ボンディング段階で素子が破壊することを防止することができ、モジュールの製造歩留りをさらに向上させることができる。
【0038】
さらにまた、絶縁性フレーム上の複数の導電膜(エミッタ配線パターン、ゲート配線パターン等)同志を当該絶縁性フレーム上で接続することにより、モジュール基板上のエミッタ配線パターン、ゲート配線パターン等が不要となり、モジュールの小型化が可能となる。さらに、各半導体基板に対するボンディングワイヤー長を低減して低インダクタンス接続を行うことが可能となり、並列チップ間での均一動作を実現できる。
【0047】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置及び半導体モジュールの実施形態を、図面及び参考例を参照しつつ詳細に説明する。
(参考例)図1は、この参考例における半導体装置の構造を示す断面図である。また、図2は図1の半導体装置を用いた半導体モジュールの構造を示す平面図、図3は図2に示す半導体モジュールの線分A−A´における断面を示す断面図である。
【0048】
図1に示すように、n− 型基板からなるn− 型ベース層1の一方の面にはn型バッファ層2、及びp+ 型コレクタ層3が順次形成され、n− 型ベース層1の他方の面にはp型ベース層4が選択的に形成され、p型ベース層4中にはn+ 型ソース層5が選択的に形成されている。
【0049】
また、p+ 型コレクタ層3の表面にはコレクタ電極6が形成され、p型ベース層4とn+ 型ソース層5に跨ってエミッタ電極7が形成されている。さらに、n+ 型ソース層5とn− 型ベース層1との間のp型ベース層4の表面にはゲート絶縁膜9aを介してゲート電極8が形成されている。このゲート電極8上には絶縁膜9bが形成され、さらにこの絶縁膜9b上に前述したエミッタ電極7が形成された構造となっている。以上のように、高耐圧半導体素子としてIGBTが半導体基板(チップ)30に設けられている。
【0050】
かかるIGBTが設けられた半導体チップ30の終端部表面には、絶縁膜(シリコン酸化膜等)あるいは高抵抗膜(半絶縁性多結晶シリコン膜等)からなるパッシベーション膜9b´が形成されている。パッシベーション膜9b´の一方の端はp型ベース層4の終端部に接続され、他端(チップ最外周部)は基板電位のリング状の電極(基板電位リング)10を介してn+ 型ストッパ層11に接続されて基板電位に保持される。ここで、絶縁膜(シリコン酸化膜等)及び高抵抗膜(半絶縁性多結晶シリコン膜等)が下層からこの順に形成されていても良く、当該高抵抗膜がパッシベーション膜9b´として上記の如く電気的接続がなされていても良い。電極10及びn+ 型ストッパ層11は終端部における空乏層がチップ端まで延び耐圧が低下することを防止する役割を果たす。さらにまた、高耐圧構造を強化するため、パッシベーション膜9b´が形成された半導体基板表面に、リサーフ層やガードリング層など、電界緩和構造が追加されることも多い。
【0051】
さらに、図1に示すように、パッシベーション膜9b´、並びにエミッタ電極7の一端及び電極10を覆うように、シリコーン、ポリイミドなどの絶縁性の接着層32が形成されており、この接着層32を介して絶縁性のチップフレーム31が半導体チップ30の外周に装着されている。その結果、チップフレーム31は半導体チップ30の接合終端部を覆った構造となっている。チップフレーム31は、さらに半導体チップ30の側面部まで接着層32を介して覆うように延びており、完全に半導体チップ30の外周端部を覆っている。
【0052】
チップフレーム31は、シリコーン、ポリエーテルイミドなどから選ばれる絶縁性樹脂から成型されたものであり、その大きさはチップの最大定格電圧に応じた空間沿面距離を満たすものとする。ここで、絶縁性樹脂として上記樹脂材料とガラス繊維とを含む複合体を用いることも可能であり、特にポリエーテルイミドとガラス繊維とを含む複合体を用いることが好ましい。
【0053】
以上述べた半導体チップ30は、その接合終端部を覆うようにチップフレーム31が装着された状態で、モジュール基板の配線パターン上に複数個マウント、ボンディングされている。図2及び図3はその半導体モジュールの構造を示した概略図である。図2は半導体モジュールの平面図、図3は図2の線分A−A´における断面図である。
【0054】
図2及び図3に示すように、図1で述べたIGBT等の高耐圧半導体素子が設けられた半導体チップ30は複数個モジュール基板20上に並列接続して搭載されている。この半導体チップ30の第1の主面上に形成された第1の主電極(コレクタ電極。図1の6に相当。)は、モジュール基板20上の第1の配線パターン(コレクタ配線パターン)21に半田付けなどによりマウントされている。
【0055】
また、第2の主面上の第2の主電極(エミッタ電極。図1の7に相当。)、及び制御電極(ゲート電極。図1の8に相当。)は、それぞれモジュール基板20上の第2の配線パターン(エミッタ配線パターン)22及び第3の配線パターン(ゲート配線パターン)23に対してボンディングワイヤー24a、25aによりそれぞれ接続されている。ボンディングワイヤー24a、25aはチップフレーム31の上を跨ぐように設けられている。
【0056】
上記第1、第2、及び第3の配線パターン21、22、23には、それぞれコレクタ電極引き出し部26a、エミッタ電極引き出し部27a、ゲート電極引き出し部28aが設けられ、これらの引き出し部により外部機器に対する電気的な接続が行われている。
【0057】
上記した参考例の半導体チップ30及びこれを用いた半導体モジュールによれば、絶縁性樹脂からなるチップフレーム31により、半導体チップ30は接合終端部での沿面放電から保護されるため、マウントに先立って半導体チップの耐圧試験、遮断試験などの高電圧印加試験を実施することが可能であり、不良チップを予め抽出・除外することができる。なお、試験治具は、半導体チップの各電極と試験回路とを接続するために、ばね構造や油圧装置などの圧接装置を含んでいる。
【0058】
また、本参考例のチップフレーム31の使用により、チップマウント時にチップ外周部に損傷を受けるのを防止することができる。さらに、ボンディングワイヤーがチップ最外周の基板電位リング10や基板上のコレクタ配線パターン21に近接することによる絶縁耐圧の低下を防止することが可能である。また、本実施形態において、図示しないゲル状のパッシベーション剤で封印することにより長期信頼性を向上させることが可能である。さらにまた、チップフレーム31は、複数個の半導体チップ30をモジュール基板20上に配列する際の位置決めにも使用することが可能である。
【0059】
図4は、上述した本参考例における半導体装置の構造の変形例を示す断面図である。図1と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。図4に示すように、チップフレーム31の代わりに、塗布型フレーム33がチップフレームとして用いられている。即ち、チップフレーム31を接着層32により半導体チップ30に装着する以外に、チップの最大定格電圧に応じた空間沿面距離を満たすように、シリコーン、ポリエーテルイミドなどから選ばれる絶縁性樹脂を、半導体チップ30の接合終端部、またはこの部分と外周端部に塗布することも可能である。この変形例によっても上述した実施形態と同様な効果が得られる他、接着剤を使用せずに簡便に半導体チップにチップフレームを設けることが可能である。なお、上記絶縁性樹脂として上記樹脂材料とガラス繊維とを含む複合体を用いることも可能であり、特にポリエーテルイミドとガラス繊維とを含む複合体を用いることが好ましい。
【0060】
(第1の実施形態)図5は、本発明に係る第1の実施形態における半導体装置の構造を示す斜視図である。また、図6は図5の半導体装置を用いた半導体モジュールの構造を示す平面図である。図1、図2、図3と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
【0061】
図5(a)に示すように、IGBTが形成された半導体チップ30にはチップフレーム31が装着されており、このチップフレーム31の上面にはエミッタ配線パターン22´及びゲート配線パターン23´が設けられている。このエミッタ配線パターン22´及びゲート配線パターン23´は、それぞれ半導体チップ30上のエミッタ電極7及びゲート電極8に対してボンディングワイヤー24b、25bによりそれぞれ接続されている。
【0062】
また、チップフレーム31の上面には配線パターン以外の回路成分(抵抗、キャパシタなど)を設けることも可能である。例えば、図5(b)に示すように、ゲート配線パターンとして23´の他に23a´を設け、この配線パターン23a´と上記ゲート電極8との間をボンディングワイヤー25b´により接続し、さらにゲート配線パターン23´、23a´間にゲート抵抗23b´を設けることができる。
【0063】
本実施形態によれば、半導体チップ30へのボンディング後に不良チップの選別作業を行えるため、ボンディングによって破壊した不良チップを抽出することができ、第1の実施形態より更にモジュール製造歩留りを向上させることが可能である。
【0064】
このようにボンディング工程を経た半導体チップ30は、図6に示すようにモジュール基板20上に複数個並列接続して搭載される。それぞれの半導体チップ30は、それらのチップフレーム31の辺同志をお互いに密着させるようにしてモジュール基板20上に搭載されている。本実施形態では、モジュール基板20上のエミッタ配線パターン22及びゲート配線パターン23は、それぞれチップフレーム31上のエミッタ配線パターン22´及びゲート配線パターン23´に対してボンディングワイヤ24c、25cによりそれぞれ接続されている。
【0065】
このように、半導体チップ30上のエミッタ電極7及びゲート電極8をそれぞれモジュール基板20上のエミッタ配線パターン22及びゲート配線パターン23と接続する場合に、それぞれチップフレーム31上のエミッタ配線パターン22´及びゲート配線パターン23´を経由して接続するようにすれば、第1の実施形態のようにこれらの間に直接ボンディングワイヤー24a、25aがチップフレーム31上を跨ぐように設けられる場合と比べて、ボンディングワイヤーによる接続を確実に行うことができるようになり、ボンディング工程の製造歩留まりを向上させることが可能となる。また、半導体モジュールの小型化も可能となる。
【0066】
(第2の実施形態)図7は、本発明に係る第2の実施形態における半導体モジュールの構造を示す平面図である。図1乃至図6と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
【0067】
図7に示すように、モジュール基板20にはコレクタ配線パターン21のみが形成されており、このコレクタ配線パターン21上に半導体チップ30が複数個並列接続して搭載されている。それぞれの半導体チップ30は、それらのチップフレーム31の辺同志をお互いに密着させるようにしてコレクタ配線パターン21上に搭載されている。
【0068】
これらのチップフレーム31上のエミッタ配線パターン22´は、隣接する半導体チップ30間で金属板51により接続されている。また、同様にチップフレーム31上のゲート配線パターン23´は、隣接するチップフレーム31間で金属板52により接続されている。コレクタ配線パターン21、金属板51、及び金属板52には、それぞれコレクタ電極引き出し部26b、エミッタ電極引き出し部27b、ゲート電極引き出し部28bが設けられ、これらの引き出し部により外部機器に対する電気的な接続が行われている。
【0069】
本実施形態による半導体モジュールによれば、チップフレーム31上のエミッタ配線パターン及びゲート配線パターンをそれぞれ隣接する半導体チップ30間でチップフレーム31上において接続することにより、モジュール基板20上のエミッタ配線パターン及びゲート配線パターンが不要となり、モジュール基板面積を削減し、半導体モジュールを小型化することが可能となる。また、各半導体チップ30からのボンディングワイヤーの長さを低減することができ、これにより低インダクタンス接続が可能となる。したがって、並列接続された半導体チップ間での均一動作を実現することができ、安定なスイッチング動作が可能となる。
【0070】
(第3の実施形態)図8は、本発明に係る第3の実施形態における半導体モジュールの構造を示す平面図である。図1乃至図6と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
【0071】
図8に示すように、モジュール基板20上にはコレクタ配線パターン21´のみが形成されており、このコレクタ配線パターン21´上に半導体チップ(IGBTチップ)30が複数個並列接続して搭載される他、複数個のFWD(フリーホイールダイオード)用の半導体チップ(FRD(First Recovery Diode)チップ)30´がIGBTチップ30に対して導通方向が逆になるように並列接続して搭載されている。FWD用の半導体チップ30´にもチップフレーム31´が装着されている。具体的には、IGBTチップ30が4チップ、FRDチップ30´が2チップ搭載されており、これらの半導体チップ30、30´は、それらのチップフレーム31、31´の辺同志をお互いに密着させるようにしてコレクタ配線パターン21´上に正確に配列して搭載されている。
【0072】
FRD用の半導体チップ30´に装着されたチップフレーム31´上にはアノード配線パターン29が設けられている。チップフレーム31´上にはゲート配線パターン23´が設けられる必要はない。アノード配線パターン29は、FRD上のアノード電極に対してボンディングワイヤー24dにより接続されており、一方、FRDチップ30´の裏面に設けられるFRDのカソード電極は、モジュール基板20上のコレクタ配線パターン21´に半田付けされている。
【0073】
チップフレーム31上のエミッタ配線パターン22´及びチップフレーム31´上のアノード配線パターン29は、隣接する半導体チップ30、30´間で金属板53により接続されている。また、同様にチップフレーム31上のゲート配線パターン23´は、隣接するチップフレーム31間で金属板54a、54bにより接続されている。コレクタ配線パターン21´、金属板53、及び金属板54a、54bには、それぞれコレクタ電極引き出し部26c、エミッタ電極引き出し部27c、ゲート電極引き出し部28cが設けられ、これらの引き出し部により外部機器に対する電気的な接続が行われている。このようにして逆導通IGBTをコンパクトに構成することができ、インバータ回路等に容易に応用することが可能となる。
【0074】
(参考例)図9は、参考例の半導体モジュール及び半導体チップの構造を示す概略図である。図9(a)は半導体モジュールの構造を示す平面図、図9(b)は図9(a)の半導体モジュールに搭載される半導体チップ(IGBTチップ)1つの構造を示す斜視図である。図1乃至図6と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
【0075】
図9(b)に示すように、本参考例のIGBTチップ30においては、チップフレーム31及び31´上には配線パターンは形成されておらず、ボンディング接続も使用されていない。IGBTチップ30の各チップに形成されるIGBTの電極には金属製のブロック57やピン58が半田付けされている。本参考例では、金属製のブロック57がIGBTのエミッタ電極に、金属製のピン58がゲート電極に接続されている。
【0076】
かかるIGBTチップ30は、図9(a)に示すように、コレクタ配線パターン21´のみが形成されたモジュール基板20上に搭載される。本実施形態でも、第3の実施形態と同様にコレクタ配線パターン21´上に4チップのIGBTチップ30が並列接続して搭載される他、2チップのFRDチップ30´がIGBTチップ30に対して逆並列接続して搭載されている。
【0077】
IGBTチップ30及びFRDチップ30´にそれぞれ装着されているチップフレーム31及び31´の上面には、金属板55及び56がそれぞれ4つのIGBTチップ30の金属製のブロック57及びピン58に対して半田付けにより接続されている。
【0078】
また、FRDチップ30´上のアノード電極にも同様に、当該電極と電気的接続を保って図示しない金属製ブロックが設けられている。前述した金属板55は、FRDチップ30´の当該金属製ブロックに対しても電気的に接続している。
【0079】
かかる金属板55及び56により、4つのIGBTチップ30はお互いに並列接続され、これらのIGBTチップ30に対して2チップのFRDチップ30´が逆並列接続されることとなる。
【0080】
さらに、コレクタ配線パターン21´、金属板55、及び56には、それぞれコレクタ電極引き出し部26d、エミッタ電極引き出し部27d、ゲート電極引き出し部28dが設けられ、これらの引き出し部により外部機器に対する電気的な接続が行われている。この場合、ボンディング接続を使用しないため、低インダクタンス接続が可能であり、並列接続された半導体チップ間での均一動作を実現することができる。このようにして高性能な逆導通IGBTをコンパクトに構成することができ、インバータ回路等に容易に応用することが可能となる。
【0081】
以上、第1乃至第3の実施形態においてIGBTを例に説明したが、IGBTに限らず、高耐圧MOSFET、IEGTなど他の半導体素子のモジュールにも本発明は適用可能である。また、半導体素子のゲート形状や接合終端部の電界緩和構造についても、上記実施形態に限定されることなく適用可能である。その他、本発明の趣旨を逸脱しないで種々変形して実施することが可能である。
【0082】
次に、高耐圧半導体装置における高温化による素子破壊を防止するための半導体装置について説明を行う。
(第1の参考例)図10は、半導体装置に係る第1の参考例を示す回路図である。また、図12はその素子構造を示す断面図である。
【0083】
図10に示すように、半導体装置は、コレクタ電極、エミッタ電極、及びゲート電極を有するゲート駆動型パワー素子101と、このパワー素子101に接続された保護用ダイオード102及び電界効果トランジスタ(nチャネル型MOSFET)104と、保護用ダイオード102に直列接続された抵抗103とから構成される。なお、図10において、Gはゲート電極端子、Eはエミッタ電極端子、Cはコレクタ電極端子である。
【0084】
パワー素子101のゲート電極には、保護用ダイオード102のカソード電極及びnチャネル型MOSFET104のドレイン電極が接続されており、当該nチャネル型MOSFET104のソース電極はパワー素子101のエミッタ電極に接続されている。また、保護用ダイオード102のアノード電極は直列接続された抵抗103を介してパワー素子101のエミッタ電極に接続されており、当該アノード電極はnチャネル型MOSFET104のゲート電極にも接続されている。
【0085】
次に、図10に示した半導体装置における素子保護動作の原理を説明する。図11は、この素子保護動作の原理を説明するための保護用ダイオードの逆方向電流−電圧特性を示す特性図である。
【0086】
図11において、線Aは低温(室温)における保護用ダイオードの特性を示し、線Bは高温(例えば100℃以上)における保護用ダイオードの特性を示す。図11に示すように、低温(室温)では保護用ダイオードに微少なリーク電流(例えば(100μA))しか流れないが、高温になると大きな電流(例えば125℃において(10mA))が流れるようになる。
【0087】
したがって、ゲート駆動型パワー素子101がオン状態となり、素子で発生する熱量が増大して素子温度が急上昇すると、保護用ダイオード102に流れる電流は急激に増大する。その結果、保護用ダイオード102に直列接続された抵抗103に流れる電流も急激に増大し、この部分で電位降下が増大して、nチャネル型MOSFET104のゲート電極には十分な正の電圧が印加されることとなる。
【0088】
これにより、nチャネル型MOSFET104はオン状態となるので、パワー素子101のゲート電極とエミッタ電極との間が短絡されるようになり(即ち、ゲート電圧が減少して)、パワー素子101はオフ状態となる。したがって、パワー素子101における熱の発生は抑制されて、当該パワー素子101の熱による破壊を事前に防止することが可能となる。
【0089】
図12は、上述した保護用ダイオード102及びnチャネル型MOSFET104をゲート駆動型パワー素子101と同じ半導体基板に形成した場合の素子構造を示す断面図である。温度を検出する保護用ダイオード102は、パワー素子101に近接して設けることが好ましいが、パワー素子101の有効面積を減少させないために主素子部(パワー素子の形成部分)には設けず、耐圧確保のための接合終端部を利用して形成されている。また、nチャネル型MOSFET104も同様にこの接合終端部を利用して形成されている。
【0090】
図12に示すように、n− 型の半導体基板111の表面にはp型領域112及び114が選択的に形成されており、p型領域(アノード領域)112には保護用ダイオード102が、p型領域114にはnチャネル型MOSFET104がそれぞれ形成されている。
【0091】
即ち、アノード領域112にはその表面にn+ 型のカソード領域113が選択的に形成されており、アノード領域112及びカソード領域113にはそれぞれアノード電極117及びカソード領域118が設けられている。
【0092】
一方、p型領域114にはその表面にn+ 型のソース領域116及びドレイン領域115が選択的に形成されており、ソース領域116とドレイン領域115間のp型領域114の表面にはゲート絶縁膜121を介してゲート電極120が設けられている。また、ソース領域116及びp型領域114に跨るようにソース電極122が設けられ、ドレイン領域115にはドレイン電極119が設けられている。
【0093】
また、保護用ダイオード102のカソード電極118及びnチャネル型MOSFET104のドレイン電極119はパワー素子101のゲート電極に接続され、nチャネル型MOSFET104のソース電極はパワー素子101のエミッタ電極に接続されている。さらに、保護用ダイオード102のアノード電極117は直列接続された抵抗103を介してパワー素子101のエミッタ電極に接続されており、当該アノード電極117はnチャネル型MOSFET104のゲート電極120にも接続されている。
【0094】
(第2の参考例)図13は、半導体装置に係る第2の参考例を示す回路図である。第1の参考例において説明したものと異なる点は、制御用の素子にMOSFET104ではなくバイポーラトランジスタ105を利用する点である。即ち、図13に示すように、パワー素子101のゲート電極には、保護用ダイオード102のカソード電極及びバイポーラトランジスタ105のコレクタ電極が接続されており、当該バイポーラトランジスタ105のエミッタ電極はパワー素子101のエミッタ電極に接続されている。また、保護用ダイオード102のアノード電極はバイポーラトランジスタ105のベース電極に接続されている。
【0095】
図13に示した半導体装置における素子保護動作の原理を説明する。ゲート駆動型パワー素子101がオン状態となり、素子で発生する熱量が増大して素子温度が急上昇すると、保護用ダイオード102に流れる電流は急激に増大する。その結果、バイポーラトランジスタ105のベース電極に流れ込む電流値も急激に増大し、バイポーラトランジスタ105はオン状態となるので、パワー素子101のゲート電極とエミッタ電極との間が短絡されるようになり(即ち、ゲート電圧が減少して)、パワー素子101はオフ状態となる。したがって、パワー素子101における熱の発生は抑制されて、当該パワー素子101の熱による破壊を事前に防止することが可能となる。
【0096】
このように、保護用ダイオード102のリーク電流をそのままバイポーラトランジスタ105のベース電流として使用して制御を行うので、第1の参考例で示した抵抗103を省略することができ構成を簡単にすることが可能である。また、バイポーラトランジスタ105は保護用ダイオード102と同様の温度特性を有し、素子温度が高くなるほどオンしやすいので、高耐圧半導体装置の保護をより簡単にかつ確実に行うことが可能である。
【0097】
図14は第2の参考例の保護回路を全てパワー素子と同じ半導体基板に形成した場合の断面図である。図12と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。図14に示すように、上述した保護用ダイオード102及びバイポーラトランジスタ105は、ゲート駆動型パワー素子101と同じ半導体基板に形成されている。保護用ダイオード102(可能であればバイポーラトランジスタ105も。)は、パワー素子101に近接して設けることが好ましいが、パワー素子101の有効面積を減少させないために主素子部(パワー素子の形成部分)には設けず、耐圧確保のための接合終端部を利用して形成されている。また、バイポーラトランジスタ105も同様にこの接合終端部を利用して形成されている。
【0098】
図14に示すように、n− 型の半導体基板111の表面にはp型領域(アノード領域)112の他にp型領域(ベース領域)124が選択的に形成されており、このp型領域124にはバイポーラトランジスタ105が形成されている。
【0099】
即ち、ベース領域124にはその表面にn+ 型のエミッタ領域125及びコレクタ領域123が選択的に形成されており、エミッタ領域125及びコレクタ領域123にはそれぞれエミッタ電極128及びコレクタ電極126が設けられている。また、エミッタ領域125とコレクタ領域123間のベース領域124の表面にはベース電極127が設けられている。
【0100】
さらに、保護用ダイオード102のカソード電極118及びバイポーラトランジスタ105のコレクタ電極126は、パワー素子101のゲート電極に対して接続されており、バイポーラトランジスタ105のエミッタ電極128はパワー素子101のエミッタ電極に接続されている。保護用ダイオード102のアノード電極117はバイポーラトランジスタ105のベース電極127に接続されている。
【0101】
図15は、参考例における素子構造の変形例を示す断面図である。図14と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。図15に示すように、p型領域(アノード領域)112とp型領域(ベース領域)124とは合体して一つのp型領域110aとなっている。このような構成であれば、より簡単なプロセスでより集積した素子を作製することが可能である。
【0102】
なお、図15のp型領域110aにはカソード領域113及びコレクタ領域123より下層の領域にp型領域110aより高濃度のp+ 型領域110a´が形成されている。このp+ 型領域110a´は、カソード領域113の下層領域からエミッタ領域125とコレクタ領域123間の下層領域にわたって延在している。かかる構成により、保護用ダイオード102のリーク電流はp+ 型領域110a´を通って、エミッタ領域125とコレクタ領域123間のp型領域110a(ベース領域)に効率よく到達することが可能であり、効率の良い素子保護動作を図ることが可能である。
【0103】
また、コレクタ領域123を複数に分割して、かかるコレクタ領域123間を保護用ダイオード102のリーク電流が流れるようにしても、当該リーク電流の上記ベース領域への到達効率を向上させることができ、効率の良い素子保護動作を確保することが可能である。
【0104】
図16は、参考例における素子構造の他の変形例を示す断面図である。図14と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。図16に示すように、p型領域(ベース領域)110bとp型領域(アノード領域)110cとはお互いに接するように形成されている。これらのp型領域110b及び110cはそれぞれ素子動作に適する所望のp型不純物濃度で形成されている。
【0105】
p型領域110b及び110cの形成方法としては、例えばp型不純物の二重拡散を用いることが可能である。
この図16の実施形態においても、図15の実施形態と同様に、高濃度のp+ 型領域110a´に相当する領域を設けたり、コレクタ領域123を複数に分割することが可能であり、この場合にも効率の良い素子保護動作を図ることが可能である。
【0106】
(第3の参考例)図17は、半導体装置に係る第3の参考例を示す回路図である。第1の参考例において説明したものと異なる点は、制御用の素子にMOSFET104ではなくサイリスタ106を利用する点である。即ち、図17に示すように、パワー素子101のゲート電極には、保護用ダイオード102のカソード電極及びサイリスタ106のアノード電極が接続されており、当該サイリスタ106のカソード電極はパワー素子101のエミッタ電極に接続されている。また、保護用ダイオード102のアノード電極はサイリスタ106のベース電極に接続されている。
【0107】
図17に示した半導体装置における素子保護動作の原理を説明する。ゲート駆動型パワー素子101がオン状態となり、素子で発生する熱量が増大して素子温度が急上昇すると、保護用ダイオード102に流れる電流は急激に増大する。その結果、サイリスタ106のベース電極に流れ込む電流値も急激に増大し、サイリスタ106はオン状態となるので、パワー素子101のゲート電極とエミッタ電極との間が短絡されるようになり(即ち、ゲート電圧が減少して)、パワー素子101はオフ状態となる。したがって、パワー素子101における熱の発生は抑制されて、当該パワー素子101の熱による破壊を事前に防止することが可能となる。
【0108】
この参考例によれば、保護用ダイオード102のリーク電流をそのままサイリスタ106のベース電流として使用して制御を行うので、第2の参考例と同様に第2の参考例で示した抵抗103を省略することができ構成を簡単にすることが可能である。また、サイリスタ106は保護用ダイオード102と同様の温度特性を有し、素子温度が高くなるほどオンしやすいので、高耐圧半導体装置の保護をより簡単にかつ確実に行うことが可能である。
【0109】
さらにこの参考例では、素子温度が上昇した場合、サイリスタ106をオン状態とすることによりパワー素子101をオフ状態とするが、このサイリスタ106は、一度オン状態となると、外部からの電圧印加によりゲート電圧を負とするまでオン状態を保ち続ける。したがって、パワー素子101をオフ状態に保ちオン状態には戻さないようにすることができ、素子温度が高温の場合においてより確実に素子の保護を行うことが可能である。
【0110】
図18は第3の参考例の保護回路を全てパワー素子と同じ半導体基板に形成した場合の断面図である。図12と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。図18に示すように、上述した保護用ダイオード102及びサイリスタ106は、ゲート駆動型パワー素子101と同じ半導体基板に形成されている。保護用ダイオード102(可能であればサイリスタ106も。)は、パワー素子101に近接して設けることが好ましいが、パワー素子101の有効面積を減少させないために主素子部(パワー素子の形成部分)には設けず、耐圧確保のための接合終端部を利用して形成されている。また、サイリスタ106も同様にこの接合終端部を利用して形成されている。
【0111】
図18に示すように、n− 型の半導体基板111の表面にはp型領域(アノード領域)112の他にp型領域(p型のベース領域)129が選択的に形成されており、このp型領域129にはサイリスタ106が形成されている。
【0112】
即ち、p型のベース領域129にはその表面にn型のベース領域131が選択的に形成されており、このn型のベース領域131の表面にはp型のアノード領域132が選択的に形成されている。また、p型のベース領域129の表面にはn型のベース領域131から離間してn型のカソード領域130が形成されている。p型のアノード領域132及びn型のカソード領域130にはそれぞれアノード電極134及びカソード電極133が設けられている。また、n型のベース領域131とn型のカソード領域130間のp型のベース領域129の表面にはベース電極135が設けられている。
【0113】
さらに、保護用ダイオード102のカソード電極118及びサイリスタ106のアノード電極134は、パワー素子101のゲート電極に対して接続されており、サイリスタ106のカソード電極133はパワー素子101のエミッタ電極に接続されている。また、保護用ダイオード102のアノード電極117はサイリスタ106のベース電極135(p型のベース領域129上の電極)に接続されている。
【0114】
図19は、この参考例における素子構造の変形例を示す断面図である。図18と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。図19に示すように、p型領域(アノード領域)112とp型領域(p型のベース領域)129とは合体して一つのp型領域110dとなっている。このような構成であれば、より簡単なプロセスでより集積した素子を作製することが可能である。
【0115】
なお、図19のp型領域110dにはカソード領域113及びカソード領域130より下層の領域にp型領域110dより高濃度のp+ 型領域110d´が形成されている。このp+ 型領域110d´は、カソード領域113の下層領域からカソード領域130とベース領域131間の下層領域にわたって延在している。かかる構成により、保護用ダイオード102のリーク電流はp+ 型領域110d´を通って、カソード領域130とベース領域131間のp型領域110d(ベース領域)に効率よく到達することが可能であり、効率の良い素子保護動作を図ることが可能である。
【0116】
また、カソード領域130を複数に分割して、かかるカソード領域130間を保護用ダイオード102のリーク電流が流れるようにしても、当該リーク電流の上記ベース領域への到達効率を向上させることができ、効率の良い素子保護動作を確保することが可能である。
【0117】
図20は、この参考例における素子構造の他の変形例を示す断面図である。図18と同一部分には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。図20に示すように、p型領域(p型のベース領域)110eとp型領域(アノード領域)110fとはお互いに接するように形成されている。これらのp型領域110e及び110fはそれぞれ素子動作に適する所望のp型不純物濃度で形成されている。p型領域110e及び110fの形成方法としては、例えばp型不純物の二重拡散を用いることが可能である。
【0118】
この図20においても、図19と同様に、高濃度のp+ 型領域110d´に相当する領域を設けたり、コレクタ領域130を複数に分割することが可能であり、この場合にも効率の良い素子保護動作を図ることが可能である。
【0119】
(第4の参考例)図21は、半導体装置に係る参考例を示す回路図である。また、図22はこの参考例における構造を示す斜視図、図23はこの参考例における素子構造を示す断面図である。図10と同一部分には同一の符号を付して示す。
【0120】
図21に示すように、半導体装置は二つの部分P、Qに分かれており、Qの部分は高耐圧の半導体装置(ゲート駆動型パワー素子101)と同一の基板に作製されており、Pの部分は当該高耐圧半導体装置(ゲート駆動型パワー素子101)が設けられた基板とは別の部分(例えば、配線等が形成されたモジュール基板、圧接パッケージの蓋の部分、前述の実施形態におけるチップフレーム等)に作製されている。
【0121】
Qの部分は、コレクタ電極、エミッタ電極、及びゲート電極を有するゲート駆動型パワー素子101と、このパワー素子101に接続された保護用ダイオード102とから構成されている。パワー素子101のゲート電極には保護用ダイオード102のカソード電極が接続され、これらのゲート電極及びカソード電極は電極端子Gを介して外部と接続可能となっている。また、保護用ダイオード102のアノード電極は電極端子Aを介して外部と接続可能となっている。
【0122】
一方、Pの部分は、電界効果トランジスタ(nチャネル型MOSFET)104と、この電界効果トランジスタ104に接続された抵抗103とから構成されている。nチャネル型MOSFET104のゲート電極は抵抗103を介して当該MOSFET104のソース電極と接続され、これらのゲート電極及びソース電極はそれぞれ電極端子A´、E´を介して外部と接続可能となっている。また、nチャネル型MOSFET104のドレイン電極は電極端子G´を介して外部と接続可能となっている。
【0123】
以上の構成の半導体装置においては、P部分の電極端子G´、電極端子A´、及び電極端子E´が、それぞれQ部分の電極端子G、電極端子A、及び電極端子Eと接続されるようになっており、接続した場合には図10に示した回路と同一の構成となるようになっている。
【0124】
このように、半導体装置を二つの部分P、Qに分け、パワー素子101と同一の基板に作製されるQの部分に保護用ダイオード102を含め、またパワー素子101が設けられた基板とは別の部分に作製されるPの部分に電界効果トランジスタ104を含めるようにすれば、保護用ダイオード102がパワー素子101と近接して設けられることになるので、保護用ダイオード102によりパワー素子101の素子温度を正確に検知しパワー素子101に対して正確かつ迅速にフィードバックを行うことができ、パワー素子101を確実に保護することが可能である。
【0125】
さらに、素子温度の検知とは直接関係のない電界効果トランジスタ104は、パワー素子101が設けられた基板とは異なる部分に設けられるので、素子温度の検知に影響を与えることなく、かつパワー素子101の有効面積を減少させないで、装置全体のコンパクト化を図ることが可能である。
【0126】
次に、チップフレームを用いて半導体装置の実装を行った場合について説明する。図22に示すように、半導体基板(半導体チップ)201にはパワー素子101及び保護用ダイオード102が形成されており、第1の実施形態と同様に当該半導体基板201の外周部にはチップフレーム208が装着されている。このチップフレーム208は、半導体基板201モジュールに組み込む際の耐圧歩留りを向上させるために、第1の実施形態と同様に半導体基板201の接合終端部をカバーしている。さらに、チップフレーム208の上面にはゲート配線パターン207a、アノード配線パターン207b、エミッタ配線パターン207c、抵抗203、及びnチャネル型MOSFET204が設けられている。
【0127】
ゲート配線パターン207aとnチャネル型MOSFET204のドレイン電極とは配線により電気的に接続され、このnチャネル型MOSFET204のゲート電極及びソース電極は、それぞれアノード配線パターン207b、エミッタ配線パターン207cに対して配線により電気的に接続されている。また、nチャネル型MOSFET204のソース電極は抵抗203を介してアノード配線パターン207bに対して配線により電気的に接続されている
さらに、半導体基板201の保護用ダイオード102のカソード電極(図23の222に相当。)及びアノード電極(図23の221に相当。)は、それぞれボンディングワイヤー209a、209bによりそれぞれゲート配線パターン207a、アノード配線パターン207bに電気的に接続されている。また、半導体基板201のパワー素子101のエミッタ電極(図23の216に相当。)及びゲート電極(図23の215に相当。)は、それぞれボンディングワイヤー209c、209dによりそれぞれエミッタ配線パターン207c、ゲート配線パターン207aに電気的に接続されている。なお、半導体基板201の裏面にはパワー素子101のコレクタ電極207dが設けられている。
【0128】
また一方、図23に示すように、半導体基板201にはn− 型の半導体層211が設けられ、その表面にはp型領域(p型のベース領域)212及びリング状のp型領域(アノード領域)219が選択的に形成されており、このアノード領域219の外側にはp− 型のリサーフ層(終端領域)223が形成されている。p型のベース領域212にはパワー素子101としてIGBTが設けられ、アノード領域219には保護用ダイオード102がそれぞれ設けられている。
【0129】
即ち、p型のベース領域212にはその表面にn+ 型のソース領域(エミッタ領域、カソード領域)213が例えばリング状に選択的に形成されており、ソース領域213とn− 型の半導体層211間のp型のベース領域212の表面にはゲート絶縁膜214を介してゲート電極215が設けられている。ソース電極(エミッタ電極、カソード電極)216は、ソース領域213及びp型のベース領域212に跨るように設けられている。また、半導体基板201の裏面にはp+ 型のドレイン領域(アノード領域)217が形成されており、このドレイン領域217にはドレイン電極(アノード電極)218が設けられている。
【0130】
また、アノード領域219にはその表面にn+ 型のカソード領域220が選択的に形成されており、アノード領域219及びカソード領域220にはそれぞれアノード電極221、カソード電極222が設けられている。
【0131】
さらに、パワー素子101のゲート電極215には保護用ダイオード102のカソード電極222が接続され、これらのゲート電極215及びカソード電極222は上述したように電極端子Gを介してゲート配線パターン207aと接続されている。保護用ダイオード102のアノード電極221及びパワー素子101のソース電極(エミッタ電極、カソード電極)216は、それぞれ電極端子A、電極端子K(E)を介して上述の如くそれぞれアノード配線パターン207b、エミッタ配線パターン207cと接続されている。
【0132】
このように、保護用ダイオード102を半導体基板201に設け、かつnチャネル型MOSFET204をチップフレーム208の上面に設けることにより、パワー素子101の素子温度を正確に検知することができ、パワー素子101に対する正確かつ迅速なフィードバックによりパワー素子101を確実に保護することが可能であるとともに、素子温度の検知に影響を与えることなく、かつパワー素子101の有効面積を減少させないで、装置全体のコンパクト化を図ることが可能である。
【0135】
また、第1乃至第5の実施形態と第1乃至第4の参考例とを適宜組み合わせて実施することも可能である。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【0136】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体チップにフレームを設けることにより製造歩留まり及び信頼性の高い半導体装置及び半導体モジュールを提供することができる。さらに、フレーム上に配線パターン等を形成することによりモジュールの小型化や低インダクタンス化が可能な半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例における半導体装置の構造を示す断面図。
【図2】参考例における半導体モジュールの構造を示す平面図。
【図3】図2に示す半導体モジュールの線分A−A´における断面を示す断面図。
【図4】参考例における半導体装置の構造の変形例を示す断面図。
【図5】本発明に係る第1の実施形態における半導体装置の構造を示す斜視図。
【図6】本発明に係る第1の実施形態における半導体モジュールの構造を示す平面図。
【図7】本発明に係る第2の実施形態における半導体モジュールの構造を示す平面図。
【図8】本発明に係る第3の実施形態における半導体モジュールの構造を示す平面図。
【図9】本発明に係る第5の実施形態における半導体モジュールの構造を示す平面図。
【図10】半導体装置に係る第1の参考例を示す回路図。
【図11】半導体装置における素子保護動作の原理を説明するための保護用ダイオードの逆方向電流−電圧特性を示す特性図。
【図12】半導体装置に係る第1の参考例における素子構造を示す断面図。
【図13】半導体装置に係る第2の参考例を示す回路図。
【図14】半導体装置に係る第2の参考例における素子構造を示す断面図。
【図15】半導体装置に係る第2の参考例における素子構造の変形例を示す断面図。
【図16】半導体装置に係る第2の参考例における素子構造の他の変形例を示す断面図。
【図17】半導体装置に係る第3の参考例を示す回路図。
【図18】半導体装置に係る第3の参考例における素子構造を示す断面図。
【図19】半導体装置に係る第3の参考例における素子構造の変形例を示す断面図。
【図20】半導体装置に係る第4の参考例における素子構造の他の変形例を示す断面図。
【図21】半導体装置に係る第4の参考例を示す回路図。
【図22】半導体装置に係る第4の参考例における構造を示す斜視図。
【図23】半導体装置に係る第4の参考例における素子構造を示す断面図。
【図24】温度検知回路の素子構造を示す断面図。
【図25】ダイオードのオン電流−電圧特性を示す特性図。
【図26】従来の高耐圧半導体装置のチップ終端部構造を示す断面図。
【図27】従来の半導体モジュールの構造を示す平面図及び断面図。
【符号の説明】
1... n- 型基板(n- 型ベース層)
2... n型バッファ層
3... p+ 型コレクタ層
4... p型ベース層
5... n+ 型ソース層
6... コレクタ電極
7... エミッタ電極
8... ゲート電極
9a... ゲート絶縁膜
9b... 絶縁膜
9b´... パッシベーション膜
10... 電極
11... n+ 型ストッパ層
20... モジュール基板
21、21´... コレクタ配線パターン
22、22´... エミッタ配線パターン
23、23´、23a´... ゲート配線パターン
23b´... ゲート抵抗
24a、24b、24c... エミッタボンディングワイヤー
24d... アノードボンディングワイヤー
25a、25b、25c、25b´... ゲートボンディングワイヤー
26a、26b、26c、26d... コレクタ電極引き出し部
27a、27b、27c... エミッタ電極引き出し部
28a、28b、28c... ゲート電極引き出し部
30... 半導体チップ(IGBT)
30´... 半導体チップ(FRD)
31、33... チップフレーム
32... 接着層
101... 主スイッチング素子
102... 保護用ダイオード
103... 保護用抵抗
104... 保護用MOSFET
105... 保護用トランジスタ
106... 保護用サイリスタ
111... n- 型基板層
112... p型アノード層
113... n+ 型カソード層
114... p型ウエル層
115... n+ 型ドレイン層
116... n+ 型ソース層
117... アノード電極
118... カソード電極
119... ドレイン電極
120... ゲート電極
121... ゲート絶縁膜
122... ソース電極
123... n+ 型コレクタ層
124... p型ベース層
125... n+ 型エミッタ層
126... コレクタ電極
127... ベース電極
128... エミッタ電極
129... p型ベース電極
130... n型エミッタ(カソード)層
131... n型ベース層
132... p型エミッタ(アノード)層
133... カソード電極
134... アノード電極
135... ベース電極
219... p型リング層
223... p- 型リサーフ層
Claims (7)
- 半導体基板と、該半導体基板に設けられた高耐圧半導体素子及び接合終端領域と、該接合終端領域を覆って前記半導体基板の外周部に設けられた絶縁性フレームと、前記絶縁性フレーム上に設けられた前記高耐圧半導体素子の電極と電気的に接続された配線パターンとして用いられる導電膜とを備えたことを特徴とする半導体装置。
- 前記導電膜は、回路成分を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 配線基板と、この配線基板上に配列して設けられた半導体装置とを備え、該半導体装置は、半導体基板に設けられた高耐圧半導体素子及び接合終端領域と、該接合終端領域を覆って前記半導体基板の外周部に設けられた絶縁性フレームとを具備し、前記絶縁性フレーム上には前記高耐圧半導体素子の電極と電気的に接続された配線パターンとして用いられる導電膜が設けられ、前記高耐圧半導体素子の電極と前記導電膜とは電気的に接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
- 配線基板と、この配線基板上に配列して設けられた複数の半導体装置とを備え、該複数の半導体装置のそれぞれは、半導体基板に設けられた高耐圧半導体素子及び接合終端領域と、該接合終端領域を覆って前記半導体基板の外周部に設けられた絶縁性フレームとを具備し、前記絶縁性フレーム上には配線パターンとして用いられる導電膜が設けられ、前記高耐圧半導体素子の電極と前記導電膜とは電気的に接続されていることを特徴とする半導体モジュール。
- 前記複数の半導体装置のうち隣接する半導体装置には、それぞれの絶縁性フレーム上に設けられた導電膜を電気的に接続する導電板が該導電膜に接して設けられていることを特徴とする請求項4記載の半導体モジュール。
- 前記高耐圧半導体素子の電極と前記導電膜とは、ボンディングワイヤーにより電気的に接続されていることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか記載の半導体モジュール。
- 前記導電膜は、回路成分を有することを特徴とする請求項3乃至6のいずれか記載の半導体モジュール。
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