JP5609087B2

JP5609087B2 - 内燃機関点火装置用半導体装置

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Publication number: JP5609087B2
Application number: JP2009276804A
Authority: JP
Inventors: 上野　勝典; 勝典上野
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Description

本発明は、内燃機関点火装置（イグナイタ）に用いられる半導体装置に関する。

図２に示す回路は、誘導負荷である一次側コイル４５、二次側コイル４２を備え、電源４１から一次側コイル４５に流れる断続電流に対応して、二次側コイル４２に生じる高電圧により断続スパークを発生させる機能を有する。この回路の応用製品として、前記二次側コイル４２に接続された内燃機関用点火プラグ４４に発生する断続スパークを利用する内燃機関点火装置（以降、イグナイタと記すこともある）がある。この内燃機関点火装置（イグナイタ）では、前記一次側コイルに断続電流を流すためのスイッチング手段４３として、従来はバイポーラトランジスタが用いられていたが、近年、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）に置き換えられつつある（特許文献１、２、３）。このようなイグナイタに使用されるＩＧＢＴでは、図５のＩＧＢＴの要部断面図に示すように、ＩＧＢＴが過電流や過電圧、また発熱により破壊されることを防止するための制御回路部２１を内蔵するとともに、動作状況を監視して異常時にはゲート信号を制御する機能を有するように、図３の前記ＩＧＢＴの等価回路に示すゲート制御回路部１７を内蔵する場合がある。

Ｌ負荷のターンオフ時のサージ電圧を小さくするために、ＩＧＢＴの高抵抗ｎ型ベース層と高不純物濃度ｎ型バッファ層との間に中間不純物濃度のｎ型領域を設けることは知られている（特許文献４、５）。また、Ｌ負荷回路でＩＧＢＴがターンオフする際に発生する、コレクタ側を負とするサージ電圧により、ＩＧＢＴが破壊されることを防ぐために、表面側のＩＧＢＴ領域に対向するコレクタ側の位置にコレクタ領域を設ける構成のＩＧＢＴについては知られている（特許文献６）。また、イグナイタ回路でＩＧＢＴがターンオフする際に発生するコレクタ側を負とするサージ電圧により破壊され難くするために、コレクタ側のｐｎ接合界面に自動車のバッテリ電圧より高いｐｎ接合耐圧を有するｎ型バッファ領域を有するＩＧＢＴについても公知である（特許文献７）。ｎ型バッファ層を不純物濃度の異なる２層構成にするＩＧＢＴに関する記述がある（特許文献８）。

特開２０００−３１０１７３号公報特開２００２−４９９１号公報特許第４２６３１０２号公報特許第４１６４９６２号公報特開平６−２６８２２６号公報特開２００９−１０５２６５号公報特開２００９−１３００９６号公報特許第３７６４３４３号公報

前述したイグナイタ用の誘導負荷回路（図２）では、ＩＧＢＴがオン状態からオフ状態に移る際に、電流が急激に減少する過程では、一次側コイル４５にはそのコイルインダクタンスＬとそのコイルに流れる電流変化とに対応してその変化を抑制する方向の電圧（ＩＧＢＴのコレクタ側が正の方向）が急激に上昇し、オフ状態になると急激に前記電圧が下降する。この急激に発生するサージ電圧（数１００Ｖ）がＩＧＢＴのコレクタ−ゲート間に配置されるツエナーダイオード１６（図３）のツエナー電圧によってクランプされると、前記一次側コイルの電圧が二次側コイルに誘起され、二次側コイルに逆方向の電圧が発生し、放電が開始され、インダクタンスに蓄積されたエネルギーが放出される。

しかしながら、なんらかの原因で前記放電が生じなかった場合、インダクタンスに蓄積されたエネルギーが直接ＩＧＢＴ側へと戻ってきて、そのエネルギーをＩＧＢＴ自身で消費しなければならない事態が発生する場合がある。このときの様子を図４に示した。横軸は時間、縦軸は電流または電圧を示す。すなわち、コレクタ側に発生した電圧Ｖｃがゲート・コレクタ間のダイオードのクランプ電圧Ｖｂに達すると電圧がクランプされ、ダイオードに流れる電流が図３におけるゲート抵抗３６に流れることによって、ゲート電圧が正にバイアスされて、ＩＧＢＴがオン状態となり、電流が流れる。この状態を保ちながらＩＧＢＴには大きな電圧Ｖｂが印加された状態で電流が０になるまで続く。この間、大きな発生損失によってＩＧＢＴの内部温度が上昇しても、ＩＧＢＴが破壊せずに耐える必要がある。このときの最大発生損失エネルギー量をエネルギー耐量と呼ぶ。このエネルギー耐量は、回路やＩＧＢＴの構成、構造に起因するラッチアップなどの局部的な発熱によるデバイス破壊がなければ、シリコン半導体としての物性的な熱的破壊温度に到達するエネルギー量が限界となる。そのため、チップサイズが大きいほど耐量が大きくなる。また、外部への熱の放熱性がよければ温度上昇が抑えられて、耐量が向上する。従って、エネルギー耐量は製品のコストを下げるためにチップサイズを削減したい場合の限界を決める要因の一つとなる。このようなイグナイタ用ＩＧＢＴの従来の断面構造を示したのが図５である。図５のＩＧＢＴはｐ⁺基板２５上にｎ⁺バッファ層２４とｎベース層２６を備え、ｎベース層表面の中央部にはＩＧＢＴの主電流を流す活性領域２０が設けられている。この活性領域２０の表面はｐベース領域６、ｎエミッタ領域７、ゲート絶縁膜１３、ゲート端子２、ゲート電極１４、エミッタ端子３が接続されるエミッタ電極等を含む。活性領域２０を取り巻く周囲には耐圧領域１８が配置されている。図５で活性領域２０の右側には、横型ＭＯＦＥＴを含む制御回路部ブロック２１が、チャネル領域９、ソース１０−１、ドレイン１０−２、ゲート酸化膜１１、ゲート電極１２などによってモノリシックに形成されている。ｐ領域８はエミッタ電極と短絡することにより、前記チャネル領域９へ流れ込む電流をエミッタ電極へ逃がして回路部２１へ流れる電流を少なくしてＩＧＢＴを寄生電流による素子破壊から保護するための領域である。ＩＧＢＴのゲート２・コレクタ１間に接続されるクランプダイオード１６は、製造的にはＩＧＢＴ基板表面上に絶縁膜を介して堆積されるポリシリコン層によって表面に沿って電流が流れるように形成されることが多い。

一方、イグナイタなどの自動車用の点火装置では、自動車に搭載されるバッテリの１２Ｖ電源が不用意に切断されオフになると、前述したように、負荷のインダクタンスに流れていた電流が急激に減少するために、インダクタンスが逆バイアス電圧（−Ｌｄｉ／ｄｔ）を発生させるというモードがある。その際、スイッチング用の半導体素子（ＩＧＢＴ）には、逆電圧がかかって電流が流れても破壊しないという負サージ耐量（Ｖ）が要求される。図７は負サージ電圧を印加する試験回路を示している。電源４９からコンデンサ４８に充電して、それを半導体側にスイッチして電流を流す。このとき、半導体素子であるＩＧＢＴには逆耐圧以上の電圧がかかって電流が流れて、コンデンサに蓄えられたエネルギーが放出される。このときの、充電電圧を負サージ耐量（Ｖ）と呼ぶ。図６はそのときのＩＧＢＴ内部の状況を図５を用いて示している。ＩＧＢＴの逆耐圧は、ｐ型基板２５とバッファ層２４とからなるｐｎ接合（ダイオード１９）の耐圧特性によって決まる。エミッタ３を正、コレクタ１を負とする逆電圧がＩＧＢＴに印加されると、デバイス表面側の、ＩＧＢＴの活性領域２０や制御回路部２１に含まれるｐｎ接合１７は順方向バイアス状態となり、低い電圧で電流が流れる。このとき、ＩＧＢＴが消費するエネルギーは、図７からＩＧＢＴの逆耐圧特性の動作抵抗が０と仮定した場合、

と計算される。この式から分かるように、消費エネルギーはＩＧＢＴの逆耐圧ＶＢが低下するとともに低下する。これは、ＩＧＢＴに直列に接続されている抵抗Ｒ１や並列に接続されている抵抗Ｒ２が残りのエネルギーを消費するためである。ＩＧＢＴの逆耐圧ＶＢが低いほど、負サージ耐量（Ｖ）は増加する。それを示したのが、図８、９で、図８はＩＧＢＴのバッファ層２４の不純物濃度と逆耐圧の関係を示しており、図９は逆耐圧と実際に測定した場合の負サージ耐量を示している。このため、負サージ耐量を確保するためには、逆耐圧を低くする必要がある。しかしながら、自動車用途においては、バッテリを誤って極性を逆に接続してしまっても、半導体が破壊しないことが求められる。このため、逆耐圧は少なくとも電池電圧（１２Ｖ）以上が要求される。電池を２直列で使用する場合もあることから、逆耐圧は最低でも３０Ｖ以上、逆耐圧のばらつきなどを考慮すれば４０Ｖの設計が必要となる。このため、最低でも逆耐圧は４０Ｖ程度にしながら、負サージ耐量を確保していかなければならない。

本発明は、以上述べた点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、エネルギー耐量、負サージ耐量を確保しながら、できる限り低コストの内燃機関点火装置用半導体装置を提供することである。

前記本発明の目的を達成するために、半導体基板が第１導電型コレクタ層と第２導電型バッファ層と第２導電型ベース層とをこの順に備え、前記第２導電型バッファ層が、前記第２導電型ベース層より高不純物濃度で前記第２導電型ベース層側に配置される第２バッファ層と該第２バッファ層より高不純物濃度で前記第１導電型コレクタ層側に配置される第１バッファ層とを有し、前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面には、主電流を流す活性領域と、該活性領域に隣接し、活性領域の破壊を防止するための制御回路領域と、前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面外周側に形成され、前記活性領域および前記制御回路領域を環状に取り囲む耐圧領域と、を有し、前記制御回路領域は、前記耐圧領域および前記活性領域に取り囲まれ、前記活性領域には、前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面層に配置される第１導電型ベース領域と、該第１導電型ベース領域内の表面層に配置される第２導電型エミッタ領域と前記第２導電型ベース層表面とに挟まれる前記第１導電型ベース領域の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極とを有し、前記第１導電型コレクタ層表面にコレクタ電極、前記第１導電型ベース領域と前記第２導電型エミッタ領域とに共通に接触するエミッタ電極とを備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含み、前記ゲート電極と前記コレクタ電極間には前記ゲート電極側をアノード側とするクランプダイオードを有し、前記制御回路領域には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと共通の前記半導体基板上にあって、電気的に接続する第１導電型拡散領域と、該拡散領域の表面層に形成され、前記エミッタ電極からの信号により前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの異常状態を検知して、ゲート電圧を制御することによって絶縁ゲートバイポーラトランジスタの破壊を防止するように構成される制御回路を複数備え、該制御回路の拡散領域は、前記第２導電型ベース層を挟んで互いに分離されており、前記制御回路領域と、前記耐圧領域および前記活性領域との間には、前記エミッタ電極に接続配線されるとともに前記制御回路領域を環状に取り囲む第１導電型の他導電型領域を備え、前記第１バッファ層と前記第２バッファ層の合計の厚さが５０μｍ以下で、両層の総不純物量が２０×１０¹³ｃｍ^-2以下であり、前記第１バッファ層の厚さが１乃至１０μｍ以下、前記第１バッファ層の不純物濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至８×１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲であり、前記第２バッファ層の厚さが４９μｍ以下、前記第２バッファ層の不純物濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至４×１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲であり、前記第１バッファ層と前記第２バッファ層の合計の厚さが３０μｍ以上である内燃機関点火装置用半導体装置とする。

さらに、前記エミッタ電極に接続される他導電型領域に代えて、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと前記制御回路との間に、絶縁体が充填されたトレンチを備えることも望ましい。前記トレンチの深さが前記第１導電型コレクタ層に達することが好適である。前記トレンチの幅が１μｍ以下であって、並行に複数備えている構成とすることもよい。前記複数の制御回路が島状の回路ブロックを形成し、該島状の回路ブロックが互いに分離するとともにそれぞれ前記エミッタ電極に接続配線されていることがより好ましい。また、前記島状の回路ブロックの間に高濃度の他導電型帯状領域が介在し、該高濃度の他導電型帯状領域が前記エミッタ電極と前記拡散領域とに接続配線されているようにしても良い。
半導体基板が第１導電型コレクタ層と、該コレクタ層に接する第２導電型バッファ層と、該バッファ層に接する第２導電型ベース層と、をこの順に備え、
前記半導体基板の前記ベース層の表面層に配置される第１導電型ベース領域と、
該ベース領域内の表面には、
主電流を流す活性領域と、
該活性領域に隣接し、活性領域の破壊を防止するための制御回路領域と、
前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面外周側に形成され、前記活性領域および前記制御回路領域を環状に取り囲む耐圧領域と、を有し、
前記制御回路領域は、前記耐圧領域および前記活性領域に取り囲まれ、
前記活性領域には、前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面層に配置される第２導電型エミッタ領域と前記ベース層表面とに挟まれる前記ベース領域の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極とを有し、
前記コレクタ層表面にコレクタ電極、前記ベース領域と前記エミッタ領域とに共通に接触するエミッタ電極とを備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含み、
前記ゲート電極と前記コレクタ電極間には前記ゲート電極側をアノード側とするクランプダイオードを有し、
前記制御回路領域には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと共通の前記半導体基板上にあって、前記エミッタ電極に電気的に接続する第１導電型拡散領域と、該拡散領域の表面層に形成され、前記エミッタ電極からの信号により前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの異常状態を検知して、ゲート電圧を制御することによって絶縁ゲートバイポーラトランジスタの破壊を防止するように構成される制御回路を複数備え、
該制御回路の拡散領域は、前記第２導電型ベース層を挟んで互いに分離されており、
前記制御回路領域と、前記耐圧領域および前記活性領域との間には、前記エミッタ電極に接続配線されるとともに前記制御回路領域を環状に取り囲む第１導電型環状領域を備え、
前記環状領域は前記ベース領域に隣接する内燃機関用点火装置用半導体装置とする。

本発明によれば、エネルギー耐量を確保または向上しながら、オン電圧の上昇を抑えることが可能となる。さらに、チップサイズの縮小ができ、安価な内燃機関点火装置用半導体装置を提供することができる。

本発明の実施例１にかかるＩＧＢＴの要部断面図である。イグナイタ点火回路の基本構成図である。本発明にかかるイグナイタ用ＩＧＢＴの等価回路である。エネルギー耐量測定時の電圧、電流、ゲート電圧波形図である。従来のイグナイタ用ＩＧＢＴの要部断面図である。図５を用いた負コレクタサージ電圧の印加時の要部断面図である。負コレクタサージ試験回路図である。ＩＧＢＴのバッファ層の不純物濃度と逆耐圧の関係図である。ＩＧＢＴの逆耐圧と逆サージ耐量の関係図である。ＩＧＢＴのバッファ層厚とエネルギー耐量の関係図である。ＩＧＢＴのバッファ層の不純物濃度とエネルギー耐量の関係図である。ＩＧＢＴのバッファ層総不純物量とオン電圧の関係図である。本発明の実施例２に記載の半導体装置を示す要部断面図である。本発明の実施例２に記載の半導体装置を示す要部断面図である。本発明の実施例２に記載の半導体装置を示す要部断面図である。本発明の実施例２に記載の半導体装置を示す平面図である。図１６のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施例３に記載の半導体装置を示す平面図である。図１８のＢ−Ｂ断面図である。本発明の実施例３に記載の半導体装置を得るための実験用半導体装置の平面図である。本発明の実施例３に記載の半導体装置にかかる制御回路部とＩＧＢＴ部の分離距離による分離効果を示す関係図である。

以下、本発明の内燃機関点火装置用半導体装置にかかる実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。

以下に添付図面を参照して、本発明である内燃機関点火装置用半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。発明の実施内容を説明する前に、これまでのイグナイタ用のＩＧＢＴの検討を行って得られた結果について説明する。
図１０および図１１はそれぞれバッファ層の厚さと不純物濃度に対して、エネルギー耐量との関係を示した図である。図１１から、エネルギー耐量に対するバッファ層の不純物濃度の依存性は低く、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の高不純物濃度でやや特性が改善する程度である。しかし、図１０では、エネルギー耐量に対するバッファ層厚さの依存性は強く、バッファ層が厚いほど耐量が向上することを示している。この理由は、ＩＧＢＴに高電圧が印加されている状態で、電流が流れている場合には、空乏層の広がっている図５のｎ型ベース層２６で損失が発生して温度が上昇するからである。すなわち、熱破壊を引き起こす熱暴走は裏面ｐ⁺基板２５からの正孔の注入が大きくなって起きるので、損失が発生するｎ型ベース層２６からｐｎ接合２７が遠いほど、熱暴走にいたる時間が遅くなる。その結果、温度上昇が緩やかになり、熱破壊が緩和されるのである。さらに、前記損失によって最も温度が高くなるときは電流のもっとも大きい初期の時間であることから、この時間帯を過ぎれば放熱によって温度が低下する。従って、バッファ層２４を設けることにより、ｐｎ接合２７をｎ型ベース層２６から遠ざけることができるので、エネルギー耐量が大きくなるのである。

しかし、ｐｎ接合２７をｎ型ベース層２６から遠ざけようとして、バッファ層２４の厚さを厚くしていくと（不純物濃度一定）、ＩＧＢＴのオン電圧が上昇する現象が生じる。図１２はバッファ層２４の不純物濃度と厚さの積、すなわち総不純物量とオン電圧の関係を示したものである。図１２では、バッファ層２４の総不純物量が２０×１０¹³ｃｍ^-2を越えるあたりから急激にオン電圧が上昇することを示している。総不純物量が非常に高くてオン電圧が高くなったＩＧＢＴでは、そのＩＶ特性は滑らかではなく、コレクタ電圧が上昇しても電流がわずかにしか流れず、一定の電圧に達してから急激に流れるような、いわゆるとび波形といわれる異常波形となる。この現象は、コレクタ側からの少数キャリアの注入がわずかの場合、ｎ型ベース層２６中でのキャリア蓄積がうまくできないため発生する現象であることが知られている。このような異常波形のＩＶ特性を有するＩＧＢＴは回路のノイズや大きな損失を発生することから好ましくない。すなわち、バッファ層２４は厚いほどエネルギー耐量が高くなるが、その厚さには上限があることを意味する。

一方、イグナイタ用ＩＧＢＴでは、前述のように１２Ｖバッテリの場合、逆耐圧は好ましくは４０Ｖ以上を必要とする。ＩＧＢＴの逆耐圧を４０Ｖとすると、自動車のバッテリ（１２Ｖ）２直列の逆接続にも安全に対応しながら、逆接続時にＩＧＢＴに流れるエネルギーを最小にすることができる。逆耐圧と逆サージ耐量の関係を示す図９から、負サージ耐量は逆耐圧が低いほど高くなる。また、前記逆耐圧４０Ｖが得られるバッファ層の不純物濃度は図８から、４×１０¹⁶ｃｍ^-3程度となる。ところが、この不純物濃度４×１０¹⁶ｃｍ^-3の場合に、エネルギー耐量を向上させようとしてバッファ層の厚さを厚くして、５０μｍを超えるようになると、それらの積である総不純物量は２０×１０¹³ｃｍ^-2を超えるようになる。この結果、図１２に示すようにオン電圧が急激に上昇して、ＩＶ特性に飛び波形が見られるようになる。従って、ＩＧＢＴの逆耐圧として４０Ｖ必要な場合、バッファ層の厚さはオン電圧の急激な上昇を避けるためには５０μｍが上限である。

また、図５に示す従来のＩＧＢＴのバッファ層（単層）の厚さは３０μｍであるので、従来のＩＧＢＴよりエネルギー耐量を高くするために、本発明にかかるバッファ層の厚さは３０μｍを超え、５０μｍ以下（３０μｍ＜バッファ層厚さ≦５０μｍ）とし、なおかつ総不純物量が２０×１０¹³ｃｍ^-2であって、ゲート・コレクタ間にクランプダイオードを挿入したＩＧＢＴを本発明の実施例１にかかるイグナイタ用ＩＧＢＴとした。このような内燃機関点火装置用半導体装置とすることで、前述の説明から明らかなように、従来のＩＧＢＴよりエネルギー耐量を向上させつつ、オン電圧の上昇を抑えることができる。

たとえば、バッファ層の厚さを４０μｍにすると、エネルギー耐量はバッファ層の厚さ３０μｍの従来の場合に比べて約１０％向上するため、それに相当するだけチップサイズを縮小することが可能となる。バッファ層の厚さが４０μｍで、不純物濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3であれば、総不純物量は４０μｍ×１×１０¹⁶ｃｍ^-3から４×１０¹³ｃｍ^-2となるので、前述したバッファ層の総不純物量が２０×１０¹³ｃｍ^-2以下という条件を満たしており、オン電圧の大幅な上昇はない。また、図１０に示すようにエネルギー耐量も向上する。

さらに、図１にあるように、前記図５に示す従来のＩＧＢＴに新たに不純物濃度の異なる第１バッファ層５０の追加による２層構造のバッファ層を有するＩＧＢＴとし、ｐ⁺コレクタ層に近い側の第１バッファ層５０の不純物濃度を、逆耐圧を決定するような高い不純物濃度とする。たとえば、逆耐圧４０Ｖが必要なら、前述のように４×１０¹⁶ｃｍ^-3程度以下、バッテリ電池（１２Ｖ）が１直列なら逆耐圧は２０Ｖ程度でよいので、８×１０¹⁶ｃｍ^-3程度以下となる。この第１バッファ層５０の厚さは、逆耐圧印加時の空乏層の広がりがせいぜい１μｍ程度であることから、１μｍを超える程度の厚さであればよい。ただし、エピタキシャル成長でバッファ層を形成することを考慮すれば、安定して形成可能な２、３μｍの厚さが好ましい。さらに、総不純物量を２０×１０¹³ｃｍ^-3以下に抑えるために最大でも１０μｍ以下の厚さにすることが好ましい。

一方、ｐ⁺コレクタ層から遠い側の第２バッファ層２４は、前述のように、エネルギー耐量を確保できるように厚く形成する。ただし、総不純物量を２０×１０¹³ｃｍ^-2以下に抑えるため、不純物濃度は低めに設定する。たとえば、追加した第１バッファ層５０を、逆耐圧２０Ｖが得られる８×１０¹⁶ｃｍ^-3、厚さ２μｍ（２×１０^-4ｃｍ）とした場合、総不純物量は１．６×１０¹³ｃｍ^-2となる。第２バッファ層を２×１０¹⁶ｃｍ^-3で、厚さ４０μｍとすると総不純物量は８×１０¹³ｃｍ^-2となる。合計の総不純物量は９．６×１０¹³ｃｍ^-2となって前述の総不純物量を２０×１０¹³ｃｍ^-2以下を満足する。また、第１バッファ層５０を、逆耐圧４０Ｖが得られる４×１０¹⁶ｃｍ^-3、厚さ１０μｍ（１０×１０^-4ｃｍ）とした場合、総不純物量は４×１０¹³ｃｍ^-2となる。第２バッファ層を２×１０¹⁶ｃｍ^-3で最大厚さ４０μｍとすると総不純物量は８×１０¹³ｃｍ^-2となる。合計の総不純物量は１２×１０¹³ｃｍ^-2となって前述の総不純物量２０×１０¹³ｃｍ^-2以下を満足する。

このように、第１バッファ層と第２バッファ層の厚さと不純物濃度の組み合わせは総不純物量２０×１０¹³ｃｍ^-3以下と合計層厚さ５０μｍ以下の条件を満たせば、次の好ましい不純物濃度と厚さの範囲から選択することができる。好ましい第１バッファ層と第２バッファ層の不純物濃度と厚さの範囲は第１バッファ層の厚さが１μｍ〜１０μｍ、第１バッファ層の不純物濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3〜８×１０¹⁶ｃｍ^-3、第２バッファ層の厚さが４９μｍ以下、第２バッファ層の不純物濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3〜４×１０¹⁶ｃｍ^-3である。さらに、第１バッファ層と第２バッファ層の厚さの合計を３０μｍ以上にすると、従来のイグナイタ用ＩＧＢＴより、エネルギー耐量が向上するのでより好ましい。

なお、バッファ層を不純物濃度の異なる２層構造とする層構造自体は前記特許文献４、５および特許第３７６４３４３号公報に既に記載されている。しかし、前者２件の特許文献は本発明とは第１バッファ層の不純物濃度が異なる。最も後者の特許文献では、半導体基板を研磨して薄くして半導体のｎ型ベース層を形成する構成であり、研磨誤差がオン電圧とスイッチング特性へ大きな影響をおよぼすのを防止するための構造である。この構造は、数ｋＨｚ以上での動作を行うインバータなどに応用する場合に、オン電圧とスイッチング損失によって、デバイスの特性が決まる場合を想定したものである。従って、２層のバッファ層の総不純物量が本発明とは異なる。一方、本発明にかかるイグナイタでは動作周波数が５０Ｈｚ程度で、しかもデューティが１０％程度であることから、発生損失は問題ではないのでスイッチング速度は遅くてもよく、ライフタイムなどによるスイッチング速度の制御は行わないのが普通である。

以上説明したように、本発明によれば、エネルギー耐量を最大限に確保し、また、同時に負サージ耐量を確保しながら、オン電圧の上昇を抑えて、低コストのイグナイタ用半導体装置とすることができる。

前述した実施例１の制御回路付きＩＧＢＴでは、制御回路部とＩＧＢＴ主要部との間に、寄生素子動作による寄生電流の流れ込みを抑制して素子破壊を防ぐためにｐ領域８を設け、ＩＧＢＴの活性領域２０表面のエミッタ電極２２および制御回路２１のＭＯＳＦＥＴのソース・ドレインに接続する構成を備えている。このような寄生電流抑制手段を設けずに、分離距離だけで前記寄生電流による素子破壊を抑制しようとすると、制御回路部とＩＧＢＴ主要部の間の分離距離は５００μｍを必要とする。その分チップサイズが大きくなり、チップコストが増大する。

以下、前述の実施例２のＩＧＢＴにおいて特徴とするバッファ層を濃度の異なる２層にする構成はそのままにして、新たな寄生電流抑制手段を設けることにより、制御回路部とＩＧＢＴ主要部の間の分離距離を前記実施例１、２よりさらに短くしてチップサイズを小さくする構成に関して説明する。

図１３に、前記制御回路部と同様の構成を、チップサイズを大きくすることなく面積的に効率よく、寄生電流抑制機能を発揮する保護回路付のＩＧＢＴの要部断面図を示す。この図１３のＩＧＢＴは、前述の図１に示す、制御回路部の横型ＭＯＳＦＥＴのラッチアップ抑制のためにその周囲を取り囲むように配置されるｐ領域８およびその表面に接触しＩＧＢＴのエミッタ電極および制御回路部のソース・ドレインに同電位接続される電極構成を備えない点で異なる。その代わり、図１３に示すようにＩＧＢＴ部（活性領域）５４と保護回路部５１との間に深いトレンチ１０ａとその中を絶縁物、たとえばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）で埋め込んだ構造を備えている。ＳｉＯ₂の熱伝導度はシリコンと比較して１００分の１しかない。このため、わずか１μｍの厚さでシリコンの厚さ１００μｍに相当する熱抵抗が実現できる。さらに、正孔電流はトレンチ１０ａによってブロックされるため、保護回路部５１への正孔電流の流れ込みを抑制することにもなり、ＩＧＢＴ動作に伴う寄生電流に対して２重の抑制効果をもたらす。

しかし、トレンチ１０ａの深さを変えて保護回路部５１への正孔電流の流れ込み量を測定したところ、図１４に示すようにトレンチ１０ｂ深さがアノード側のｐ⁺コレクタ領域近傍に到る深さになってようやく効果が大きくなることが判明した。この現象は特にスイッチングスピードが遅くても良い用途、特にエンジン点火装置などにおいては顕著である。この理由は、シリコン内のｎおよびｎ⁺層での少数キャリアのライフタイムを長く設定しているため、少数キャリアが遠くまで拡散するからである。このような構成にすると、ライフタイムの長いｎベース層２６およびｎ⁺バッファ層２４ではトレンチ１０ｂによって分離されており、一方ｐ領域６では高濃度のｐ型不純物によって、ライフタイムが短いため、少数キャリアの拡散がほとんど無く、ＩＧＢＴ５４側の電流が保護回路５１側へ流れ込むことがなくなる。従って、正孔電流の流れ込みの影響を抑えたい場合には、図１４に示すように、トレンチ１０ｂ深さをコレクタのｐ＋コレクタ領域２５に達するまで深く形成することが好ましい。

通常、トレンチを形成して絶縁物で埋める場合、幅の広いトレンチではそれを埋めるために非常に厚い絶縁膜を堆積しなければならない。前述のように、正孔電流の流れ込みをシリコン領域の分離距離だけで抑制する場合、幅５００μｍ以上の分離領域を必要とする、絶縁体分離で、この幅の広い分離領域に相当する熱抵抗を得ようとした場合には、少なくとも５μｍ以上の幅の絶縁体領域が必要となる。トレンチ幅を５μｍとすると、堆積する絶縁膜は３μｍ以上が必要となるが、トレンチ幅を１μｍ以下に狭くすれば、堆積絶縁膜の厚さは１μｍ以下とすることができる。そこで、図１５に示すように幅１μｍのトレンチ１０ｃを必要な本数だけ掘ることによって、堆積絶縁膜の厚さを薄くしても実質的に大きな熱抵抗を得ることが可能となる。この手法を用いれば、製造工程において厚い絶縁膜を堆積する必要がなく、安価な工程で製造可能となる。

この手法を用いれば、従来のＩＧＢＴ部５４と保護回路部５１の分離距離を１００分の１程度にまで縮めることが可能となる。さらに寄生電流による破壊を抑制するための保護回路の設計が不要となるため、保護回路５１部分のレイアウト設計の自由度が高まり、不要な面積を除去できるため、開発期間の短縮、半導体チップの面積の著しい縮小を実現することが可能となる。

以下、前記分離距離を短くする構成部分に関して、前述の構成とはさらに異なる構成で、そのより好ましい例について説明する。その他の構成やバッファ層を２層にする構成に関しては、前述と同様の構成を備える。図１６、図１８は、前記制御回路部とは平面配置が異なるが機能的には同様の機能を有し、該制御回路部とＩＧＢＴ部との間の分離構成が異なる保護回路付のＩＧＢＴの好ましい例を示す平面図である。図１７、図１９に、それぞれ対応する前記図１６、図１８のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図を示す。

図２０は前述の図１６〜図１９に示す好ましい分離構成を有するＩＧＢＴを決定するための実験に使用した試験用ＩＧＢＴのチップ配置を示す平面図である。図２０に示すチップの右側領域はＩＧＢＴ１５４であり、チップ左側のｐ領域１５３（斜線ハッチング）はｐ型領域で覆われた、保護回路部に相当する部分である。このｐ領域１５３中に、部分的にｐ領域の無いところ（図２０中の白抜き部分）を複数箇所（図２０では４箇所）形成し、それらの中心にそれぞれ電極を形成し、ＩＧＢＴからの距離を少しずつ離した電流検出用の電極パッド１５６とする。この電極パッド１５６直下にはｐ型領域が形成されている。それとは、別に、ｐ領域１５３中を流れる寄生電流を測定するための電極パッド１５５を、ｐ領域１５３表面に同様にＩＧＢＴから少しずつ離して複数箇所（図２０では４箇所）設ける。右側のＩＧＢＴ１５４に電流を流して、それぞれの電極パッド１５５、１５６の電位をＩＧＢＴ１５４のエミッタと同電位に保ちながら、流れる電流を測定する。このことによって、実際の保護回路部ではどのような寄生電流が流れているかをモニタすることができる。配置した測定用電極パッド１５５、１５６の大きさは一辺１００μｍである。その結果の一例を図２１に示す。測定はＩＧＢＴ１５４に１Ａの電流を流した場合に、各測定用電極パッド１５５、１５６に流れた電流を示したもので、横軸がＩＧＢＴ１５４から各測定用電極パッド１５５、１５６までの距離を示している。図２１から明らかなように、大きなｐ領域１５３の中にある測定用電極パッド１５５では、分離したｐ領域の測定用電極パッド１５６の約１０倍以上の電流が流れている。また、分離したｐ領域の測定用電極パッド１５６ではＩＧＢＴ１５４からの距離が大きくなると急激に電流が減少して１０分の１以下になっている。一方で、大きなｐ領域中の測定用電極パッド１５５では、一定の減少はあるものの、３０％程度の減少にとどまっている。２次元シミュレーションでは、このような現象を説明することはできないが、３次元シミュレーションによると、大きなｐ領域中の測定用電極パッド１５５の場合、周囲のｐ領域１５３に存在する分布抵抗によって、周囲に流入した正孔電流が測定用電極パッド１５５に集まってくることがわかった。一方、分離したｐ領域の測定用電極パッド１５６では、ｐ領域１５３直下の正孔密度分布に依存した正孔電流が流れるだけで、周囲のｐ領域１５３からの影響をほとんど受けないことがわかった。これらの結果は、従来の２次元シミュレーションからでは単純に導出できない結果であり、実際の測定によって明らかとなった事実である。

以上の実験結果をふまえて、図１６〜図１９に示す好ましいＩＧＢＴの構成に至った。以下、添付図面を参照して、前述の内燃機関点火装置用半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１６は、実施例３にかかる保護回路付のＩＧＢＴのチップ構成を示す平面図である。得られた実験結果を応用するため、チップ左側の保護回路部を適当な回路ブロック１３４、１３８、１５７、１５８ごとにｐ領域を分離した。この回路ブロック１３４、１３８、１５７、１５８は、一定の働きをする回路ブロックでもかまわないし、単なる配置上の都合で分離してもかまわない。各回路ブロック１３４、１３８、１５７、１５８のｐ領域は表面で金属電極１３１（図１７）と接続し、ＩＧＢＴ１５４のエミッタ領域へと接続される。符号１５０はｐ⁺基板、符号１５１はツエナーダイオード、符号１５２はゲートパッドである（図１６）。図１７に図１６のＡ−Ａ間の断面図を示す。図１７中、ＩＧＢＴが１５４、分離された回路ブロックが１３４，１３８である。各回路ブロックの少なくとも周囲、またＭＯＳＦＥＴの周囲は従来と同様に高濃度のｐ領域１３７によって囲むようにする。このことによって、前述の実験結果から得られたように各回路ブロック１３４、１３８、１５７、１５８へと流れ込む寄生電流が小さくなり、容易にはラッチアップが発生しなくなる。結果として、静電気耐量（ＥＳＤ）、アバランシェ耐量などの破壊耐量が大幅に向上する。

図１８は、さらにより前記実験に近い構成にするため、回路ブロック１３４、１３８、１５７、１５８ごとのｐ領域の間を、高濃度ｐ領域１５９で囲むように配置することを示す平面図である。図中Ｂ−Ｂ領域の断面構造を図１９に示した。図１９の構成の場合、各回路ブロック１３８の周辺を取り囲み、さらにＩＧＢＴ１５４のエミッタに接続される高濃度ｐ領域１５９が存在するため、周囲の正孔電流の分布からの影響がさらに軽減されるという特徴がある。ただし、図１６のＩＧＢＴと比較すると、余分なｐ領域１５９が追加されるため、面積がやや大きくなる。

１コレクタ
２ゲート
３エミッタ
６ｐベース領域
７ｎ⁺エミッタ領域
８ｐ領域
９チャネル領域
１０−１、１０−２ソースまたはドレイン
１０ａ、１０ｂ分離用トレンチ
１１ゲート絶縁膜
１２ゲート電極
１３ゲート絶縁膜
１４ゲート電極
１６クランプ用ツエナーダイオード
１７ゲート制御回路
１８耐圧構造部
２０ＩＧＢＴ部
２１制御回路部
２４第２バッファ層
２５ｐ⁺コレクタ層
２６ｎベース層
３６第１のゲート抵抗
３７第２のゲート抵抗
４１電源
４２２次側コイル
４３放電用スイッチ
４４スパークギャップ
４５一次側コイル
４６抵抗Ｒ１
４７抵抗Ｒ２
４８コンデンサ
４９電源
５０第１バッファ層
５１保護回路
１３１金属電極
１３４回路ブロック
１３７ｐ⁺領域
１３８回路ブロック
１５０高濃度ｐ⁺領域
１５１ツエナーダイオード
１５２ゲートパッド
１５３ｐ領域
１５４ＩＧＢＴ
１５５測定用電極パッド
１５６測定用電極パッド
１５７回路ブロック
１５８回路ブロック
１５９ｐ⁺領域

Claims

半導体基板が第１導電型コレクタ層と第２導電型バッファ層と第２導電型ベース層とをこの順に備え、
前記第２導電型バッファ層が、前記第２導電型ベース層より高不純物濃度で前記第２導電型ベース層側に配置される第２バッファ層と該第２バッファ層より高不純物濃度で前記第１導電型コレクタ層側に配置される第１バッファ層とを有し、
前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面には、
主電流を流す活性領域と、
該活性領域に隣接し、活性領域の破壊を防止するための制御回路領域と、
前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面外周側に形成され、前記活性領域および前記制御回路領域を環状に取り囲む耐圧領域と、を有し、
前記制御回路領域は、前記耐圧領域および前記活性領域に取り囲まれ、
前記活性領域には、前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面層に配置される第１導電型ベース領域と、
該第１導電型ベース領域内の表面層に配置される第２導電型エミッタ領域と前記第２導電型ベース層表面とに挟まれる前記第１導電型ベース領域の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極とを有し、
前記第１導電型コレクタ層表面にコレクタ電極、前記第１導電型ベース領域と前記第２導電型エミッタ領域とに共通に接触するエミッタ電極とを備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含み、
前記ゲート電極と前記コレクタ電極間には前記ゲート電極側をアノード側とするクランプダイオードを有し、
前記制御回路領域には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと共通の前記半導体基板上にあって、前記エミッタ電極に電気的に接続する第１導電型拡散領域と、該拡散領域の表面層に形成され、前記エミッタ電極からの信号により前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの異常状態を検知して、ゲート電圧を制御することによって絶縁ゲートバイポーラトランジスタの破壊を防止するように構成される制御回路を複数備え、
該制御回路の拡散領域は、前記第２導電型ベース層を挟んで互いに分離されており、
前記制御回路領域と、前記耐圧領域および前記活性領域との間には、前記エミッタ電極に接続配線されるとともに前記制御回路領域を環状に取り囲む第１導電型の他導電型領域を備え、
前記第１バッファ層と前記第２バッファ層の合計の厚さが５０μｍ以下で、両層の総不純物量が２０×１０¹³ｃｍ^-2以下であり、
前記第１バッファ層の厚さが１乃至１０μｍ以下、前記第１バッファ層の不純物濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至８×１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲であり、前記第２バッファ層の厚さが４９μｍ以下、前記第２バッファ層の不純物濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3乃至４×１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲であり、
前記第１バッファ層と前記第２バッファ層の合計の厚さが３０μｍ以上であることを特徴とする内燃機関用点火装置用半導体装置。
前記エミッタ電極に接続される他導電型領域に代えて、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと前記制御回路との間に、絶縁体が充填されたトレンチを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
前記トレンチの深さが前記第１導電型コレクタ層に達することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
前記トレンチの幅が１μｍ以下であって、並行に複数備えていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
前記複数の制御回路が島状の回路ブロックを形成し、該島状の回路ブロックが互いに分離するとともにそれぞれ前記エミッタ電極に接続配線されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
前記島状の回路ブロックの間に高濃度の他導電型帯状領域が介在し、該高濃度の他導電型帯状領域が前記エミッタ電極と前記拡散領域とに接続配線されていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用点火装置用半導体装置。
半導体基板が第１導電型コレクタ層と、該コレクタ層に接する第２導電型バッファ層と、該バッファ層に接する第２導電型ベース層と、をこの順に備え、
前記半導体基板の前記ベース層の表面には、
主電流を流す活性領域と、
該活性領域に隣接し、活性領域の破壊を防止するための制御回路領域と、
前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面外周側に形成され、前記活性領域および前記制御回路領域を環状に取り囲む耐圧領域と、を有し、
前記制御回路領域は、前記耐圧領域および前記活性領域に取り囲まれ、
前記活性領域には、前記半導体基板の前記第２導電型ベース層の表面層に配置される第１導電型ベース領域と、
該ベース領域内の表面層に配置される第２導電型エミッタ領域と前記ベース層表面とに挟まれる前記ベース領域の表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極とを有し、
前記コレクタ層表面にコレクタ電極、前記ベース領域と前記エミッタ領域とに共通に接触するエミッタ電極とを備える絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含み、
前記ゲート電極と前記コレクタ電極間には前記ゲート電極側をアノード側とするクランプダイオードを有し、
前記制御回路領域には、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタと共通の前記半導体基板上にあって、前記エミッタ電極に電気的に接続する第１導電型拡散領域と、該拡散領域の表面層に形成され、前記エミッタ電極からの信号により前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタの異常状態を検知して、ゲート電圧を制御することによって絶縁ゲートバイポーラトランジスタの破壊を防止するように構成される制御回路を複数備え、
該制御回路の拡散領域は、前記第２導電型ベース層を挟んで互いに分離されており、
前記制御回路領域と、前記耐圧領域および前記活性領域との間には、前記エミッタ電極に接続配線されるとともに前記制御回路領域を環状に取り囲む第１導電型環状領域を備え、
前記環状領域は前記ベース領域に隣接することを特徴とする内燃機関用点火装置用半導体装置。