JP6780787B2 - パワーモジュール及び逆導通ｉｇｂｔ - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュール及び逆導通ＩＧＢＴに関し、より具体的には、ダミートレンチゲート構造を有するＩＧＢＴの制御性を向上することが可能なパワーモジュール及び逆導通ＩＧＢＴ（還流ダイオードを同一チップ内に形成したＩＧＢＴ）に関する。
車載用のＩＧＢＴは、高い信頼性が求められており、ゲート酸化膜の初期不良を製造段階において排除する必要がある。この種のＩＧＢＴとして、ＩＧＢＴと還流ダイオードとを一体化した逆導通ＩＧＢＴが知られており、例えば電界の偏りを低減して耐圧向上を図るためにダミートレンチゲートが設けられているものがある。ダミートレンチゲートについても、ゲート酸化膜同様に品質確保が重要であり、例えば、特許文献１では、実際の製品となった際にエミッタ端子と接続して用いるダミートレンチゲートに対してスクリーニング検査用のパッドを設けるとともに、ＩＧＢＴチップ内部の配線の影響を少なくした構造が開示されている。
特開２０１４−５３５５２号公報
しかしながら、上記特許文献１の技術では、ＩＧＢＴチップの内部配線の影響、つまり、内部寄生成分の影響をある程度減らすことはできても技術的なハードルがあり、得られる効果には限界がある。特に、ＩＧＢＴチップをパッケージ化して例えばＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）を形成した場合、内部配線の影響はより大きくなる。また、従来の技術は、還流ダイオードを有する逆導通ＩＧＢＴにおいて、還流ダイオードを流れる順方向電流の変動によって、ターンオフスイッチング動作時にノイズが生じて制御性が悪化する、といった逆導通ＩＧＢＴの特性に起因する問題点については何ら考慮していない。
本発明は上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、ダミートレンチゲート構造を有するＩＧＢＴの制御性を向上させることが可能なパワーモジュール及び逆導通ＩＧＢＴを提供することである。
上記の目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るパワーモジュールは、ダミートレンチゲートを含むトレンチゲート構造のＩＧＢＴと、前記ＩＧＢＴのエミッタの過剰キャリアを前記ＩＧＢＴのコレクタに戻すための還流ダイオードと、が同一のチップ内に形成されたパワー半導体チップと、
前記ＩＧＢＴをオン・オフ駆動するための駆動チップと、を備え、前記パワー半導体チップと前記駆動チップとをパッケージ化したパワーモジュールであって、
前記ダミートレンチゲートをスクリーニング検査に供するために擬似的に形成され得るダミーＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に接続された電荷蓄積素子をさらに備えたことを特徴とする。
近年、耐圧向上のために形成されたダミートレンチゲートを含むトレンチゲート構造のＩＧＢＴが主流となってきている。このダミートレンチゲートも、ＩＧＢＴの高信頼性を確保するためにスクリーニング検査の対象となる。還流ダイオードとＩＧＢＴとが同一のチップ内に形成された逆導通ＩＧＢＴでは、ターンオフスイッチング動作時に還流ダイオードに流れる電流の急峻な変動がノイズの原因となり、逆導通ＩＧＢＴの制御性を低下させる。還流ダイオードに流れる電流の急峻な変動の要因の一つは、内部Ｌ、Ｃ、Ｒ寄生成分に起因する瞬時起電力であり、この瞬時起電力によって、ＩＧＢＴのターンオフ動作時に還流ダイオードに流れる電流が急峻に変動し、ゲートやエミッタの電位が変動する。ダミートレンチゲートに対応して形成されるダミーＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に、瞬時起電力の発生を抑制する電荷蓄積素子を接続することで、還流ダイオードを流れる電流の急峻な変動を抑制し、ノイズの発生を抑制することで、ＩＧＢＴの制御性を向上させることが可能となる。
また、上記の目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る逆導通ＩＧＢＴは、ダミートレンチゲートを含むトレンチゲート構造のＩＧＢＴと、前記ＩＧＢＴのエミッタの過剰キャリアを前記ＩＧＢＴのコレクタに戻すための還流ダイオードと、が同一のチップ内に形成された逆導通ＩＧＢＴであって、
前記ダミートレンチゲートをスクリーニング検査に供するために擬似的に形成され得るダミーＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に接続された電荷蓄積素子をさらに備えたことを特徴とする。
本発明によれば、還流ダイオードを流れる電流の急峻な変動を抑制し、ノイズの発生を抑制することで、ダミートレンチゲート構造を有するＩＧＢＴの制御性を向上させることが可能となる。
逆導通ＩＧＢＴにおいてゲート−エミッタ間電位と還流ダイオードを流れる順方向電流との関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るパワーモジュールの構成を示す回路図である。 ゲート信号とゲート電位との関係についての回路シミュレーションの結果を示す波形図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、コンデンサの形成についての一例を示す上面図である。 本発明の第２の実施形態に係るパワーモジュールの構成を示す回路図である。 図５Ａの他の実施例によるパワーモジュールの構成を示す回路図である。 図６（ａ）及び（ｂ）は、双方向ダイオードの形成についての一例を示す上面図であり、図４（ｂ）に対応する上面図である。 ダミーゲート配線とエミッタ配線との間に電荷蓄積素子を形成する、本発明の第３の実施形態を説明するための図であり、図７（ａ）は図４（ａ）に対応する断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）に対応する斜視断面図、図７（ｃ）はコンデンサの形成についての一例を示す断面図、図７（ｄ）は双方向ダイオードの形成についての一例を示す上面図である。 コンデンサの形成についての別の例を示す断面図である。 図９（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態の変形例を示す概略図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の特徴の一つは、例として挙げると、ターンオフスイッチング動作時のノイズの原因である瞬時起電力の発生を抑制する素子を、ダミートレンチゲートに設けた点である。
近年、還流ダイオードをＩＧＢＴと同一のチップ内に形成する要望が高まっている。還流ダイオードをＩＧＢＴと同一のチップ内に形成することで、モジュールパッケージの最大定格電流を向上させることが可能なためである。一方、大きな電流を流せるようになることで、キャリアの数も多数となり、ＩＧＢＴをターンオフスイッチングさせる時に残存する過剰キャリアも多くなる。過剰キャリアは、ターンオフスイッチング動作時のノイズの一因である。従来は、還流ダイオードはＩＧＢＴとは別チップで形成されていたので、還流ダイオードに大きな電流が流れても、別チップに形成されたＩＧＢＴにその影響は比較的及びにくかった。しかしながら、同一チップ内に還流ダイオードが形成された逆導通ＩＧＢＴの場合には、還流ダイオードに大きな電流が流れることによるノイズの影響を考慮する必要がある。このようなノイズの一例が、瞬時起電力の上昇である。
逆導通ＩＧＢＴをターンオフスイッチングさせる時、同一チップ内の還流ダイオード領域に大きな電流が流れることで、完全にターンオフするまで（つまり、ターンオフ過渡状態）のごく短い期間において、瞬時起電力が生じてエミッタ電位やゲート電位が一時的に上昇する。これがノイズの一因となって、逆導通ＩＧＢＴの制御性を低下させていた。換言すると、逆導通ＩＧＢＴを完全にターンオフさせるには、ゲートに蓄積された電荷を放電させる必要があるが、瞬時起電力の発生が逆導通ＩＧＢＴのゲートに蓄積された電荷の放電を妨げ、ターンオフスイッチング特性を良好にする上で妨げとなっていた。図１のグラフに示すように、トレンチゲート構造の逆導通ＩＧＢＴでは、そのゲート電位が３Ｖ付近から７Ｖ付近にかけて、還流ダイオードを流れる順方向電流は急峻な変化点を有する。
つまり、逆導通ＩＧＢＴをターンオフスイッチングさせるとき、ゲート電位が所定の値まで低下するまでは、一定の大きさの電流（過剰キャリアの残存）が還流ダイオードに流れ続けることがわかる。これが瞬時起電力の上昇の一因なので、この瞬時起電力の上昇を抑えることができれば、逆導通ＩＧＢＴのターンオフスイッチング動作時のノイズを抑制し、ひいては、逆導通ＩＧＢＴの制御性を向上させることができる。
このような瞬時起電力ｅは、ＩＧＢＴチップの内部及び外部に寄生するＬ、Ｃ及びＲ成分と次のような関連性を有することが知られている。
ｅ＝ＩＲ （１）
ｅ＝Ｌｄｉ／ｄｔ （２）
ｅ＝（１／Ｃ）∫ｉｄｔ（３）
ここで、Ｉは電流であり、Ｒは配線抵抗であり、Ｌは配線インダクタンスであり、Ｃは配線容量である。
ターンオフスイッチング動作時に、上記瞬時起電力ｅが上昇することで、還流ダイオードを流れる順方向電流が急激に変化し、これがノイズとなって逆導通ＩＧＢＴの制御性（例えば、逆導通ＩＧＢＴを高速で完全にターンオフさせること）を低下させていた。
上記の式（１）乃至（３）を鑑み、瞬時起電力ｅを小さくすることができれば、エミッタ電位やゲート電位の変動を抑制し、また、ノイズの原因である還流ダイオードの順方向電流特性の急激な変動を抑えることが可能である。一方で、上述したＬ成分やＲ成分は、チップ構造上最低限度で設計がされている。そこで、本発明者はＣ成分に着目して改善を図った。以下、Ｃ成分に着目して逆導通ＩＧＢＴの制御性を向上させた具体的な実施の形態について、詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
（構成）
以下、第１の実施の形態の構成について、詳細に説明する。
図２に示すように、本実施形態のＩＰＭシステム１は、直流電源２Ａ、２Ｂと、第１及び第２の駆動・演算回路３Ａ、３Ｂと、ＩＧＢＴ部４Ａ、４Ｂと、還流ダイオード部５Ａ、５Ｂと、インダクタＬｓと、を含んで構成される。以下、各部の詳細について説明する。
直流電源２Ａ、２Ｂは、それぞれ、第１及び第２の駆動・演算回路３Ａ、３Ｂを介して後述するＩＧＢＴ４１Ａ、４１Ｂのゲートにオン・オフスイッチング動作のためのゲート信号を印加するための直流電源である。
第１及び第２の駆動・演算回路３Ａ、３Ｂは、例えば、第１の駆動・演算回路３Ａがハイサイド駆動用の回路であり、第２の駆動・演算回路３Ｂがローサイド駆動用の回路である。第１及び第２の駆動・演算回路３Ａ、３Ｂは、ＩＧＢＴ４１Ａ、４１Ｂそれぞれにオンあるいはオフスイッチング動作をさせるためのゲート信号を、外部から供給される駆動信号（制御信号）に応じて直流電源２Ａ、２Ｂそれぞれの電圧を用いて生成し、ＩＧＢＴ４１Ａ、４１Ｂのゲートに供給する。この駆動・演算回路３Ａ、３Ｂについては、従来技術を用いることができるので説明を割愛する。
ＩＧＢＴ部４Ａ、４Ｂは同様の構成を有するので、ＩＧＢＴ部４Ａのみについて詳細に説明する。ＩＧＢＴ部４Ａは、ＩＧＢＴ４１Ａと、コレクタ端子Ｃと、ゲート端子Ｇと、エミッタ端子Ｅと、グランド端子ＧＮＤと、を備える。コレクタ端子Ｃ、ゲート端子Ｇ、及びエミッタ端子Ｅは、それぞれ、ＩＧＢＴ４１Ａのコレクタ、ゲート、エミッタに接続されている。また、ゲート端子Ｇは、第１の駆動・演算回路３Ａにも接続され、ゲート信号がＩＧＢＴ４１Ａのゲートに供給される。さらに、グランド端子ＧＮＤは、第１の駆動・演算回路３Ａ及びＩＧＢＴ４１Ａのエミッタを接地する端子であり、ＩＧＢＴ４１Ａのエミッタに接続される。
さらに、ＩＧＢＴ部４Ａは、ダミーＩＧＢＴ４２Ａと、コンデンサＣＰ１とを備える。
ダミーＩＧＢＴ４２Ａは、例えば、電界の偏りを低減（電界の局所的な集中を緩和）して耐圧向上を図るために設けられるダミートレンチゲート（図４（ａ）で示す）に対してスクリーニング検査を行うために擬似的に形成され得るものであり、ダミートレンチゲートの初期不良の有無を確認するためのスクリーニング検査時に所定の電圧が印加されるパッドがゲート（すなわち、ダミートレンチゲート）に接続されている。ダミーＩＧＢＴ４２Ａは、コレクタ及びエミッタがＩＧＢＴ４１Ａのコレクタ及びエミッタにそれぞれ接続されている。
コンデンサＣＰ１は、ダミートレンチゲートとダミーＩＧＢＴ４２Ａのエミッタとの間に配置され、スクリーニング検査後に接続され、瞬時起電力ｅの発生を抑制するためのものである。ここで、スクリーニング検査後にコンデンサＣＰ１が接続される理由は、スクリーニング検査時にはダミートレンチゲートとベース領域との間に電位差を発生させてダミートレンチゲート絶縁膜に電位ストレスを加え、ダミートレンチゲート絶縁膜が所望の耐圧を有するか否か、等が検査されるが、そのような検査の諸条件に影響を与えることを防止するためである。コンデンサＣＰ１は、ダミートレンチゲートの配線に近いほど瞬時起電力ｅの発生を抑制する効果が高くなるので、本実施の形態では、ＩＧＢＴ部４Ａを形成するチップに内蔵される。コンデンサＣＰ１は、電荷を蓄積する電荷蓄積素子の一例である。
なお、図中のＬ、Ｃ、Ｒは、配線に寄生（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）する成分を例として示すものである。本実施形態では、一例として、ダミーＩＧＢＴ４２Ａ等のゲートにつながる配線におけるＬ、Ｃ、Ｒ寄生成分ｐｒｓ１、エミッタにつながる配線におけるＬ、Ｃ、Ｒ寄生成分ｐｒｓ２、及びゲート並びにエミッタからグランドにつながる配線におけるＬ、Ｃ、Ｒ寄生成分ｐｒｓ３、ｐｒｓ４について着目している。
還流ダイオード部５Ａ、５Ｂは、それぞれ、ＩＧＢＴ４１Ａ、４１に逆並列接続され、ＩＧＢＴ４１Ａ、４１Ｂをターンオフする際にＩＧＢＴ４１Ａ、４１Ｂのエミッタ側の過剰キャリアをＩＧＢＴ４１Ａ、４１Ｂのコレクタ側に還流する。本実施の形態では、還流ダイオード部５Ａ、５Ｂは、それぞれ、ＩＧＢＴ部４Ａ、４Ｂと同一のチップ内に形成され、従ってＩＧＢＴ部４Ａ（４Ｂ）とダイオード部５Ａ（５Ｂ）とで単体の逆導通ＩＧＢＴを構成する。この逆導通ＩＧＢＴは、トレンチゲート構造を採用し、電流がチップの縦方向に流れる縦型のＩＧＢＴである。この場合、還流ダイオード部５Ａ、５Ｂもトレンチ構造で形成されており、これによって、例えば、耐圧低下といった問題を回避している。
以上のような構成を採用するＩＰＭシステム１では、ハイサイドを例とすると、第１の駆動・演算回路３Ａと、ＩＧＢＴ部４Ａ及び還流ダイオード部５Ａとが、銅等のワイヤで電気的に接続され、樹脂等で一つのパッケージ化され、この一のパッケージへ直流電源２Ａから第１の駆動・演算回路３の電力が供給される。ローサイドについても同様である。このようなハイサイドのパッケージと、ローサイドのパッケージとが、インダクタＬｓを介して互いに接続される。つまり、ＩＧＢＴ部４Ａのエミッタ端子Ｅと、ＩＧＢＴ部４Ｂのコレクタ端子Ｃとが、インダクタＬｓを介して接続されている。
（作用）
次に、以上のような構成を採用するＩＰＭシステム１の動作について説明する。なお、ＩＰＭシステム１のハイサイド、ローサイド共に、本実施の形態の特徴的な作用は同一であるので、以下ではハイサイドの動作について詳細に説明する。
駆動・演算回路３Ａは、外部からの駆動信号に応じて、ＩＧＢＴ４１Ａをターンオフさせるためのゲート信号を生成してＩＧＢＴ部４Ａのゲート端子に供給する。これにより、ＩＧＢＴ部４ＡのＩＧＢＴ４１Ａはターンオフスイッチング動作を開始する。
ＩＧＢＴ４１Ａがターンオフスイッチング動作を開始すると、ＩＧＢＴ４１Ａのターンオフ過渡状態において、還流ダイオード部５Ａは、ＩＧＢＴ４１Ａのエミッタ側の過剰キャリアをそのコレクタ側に戻す。従って、還流ダイオード部５Ａに順方向の電流が流れる。
ここで、上述したように、還流ダイオード部５Ａを流れる順方向電流特性は、上記の瞬時起電力ｅによって急峻に変動する。つまり、還流ダイオード部５Ａが同一チップ内に形成されているＩＧＢＴ４１Ａでは、ターンオフスイッチング動作時に、瞬時起電力ｅの発生によって還流ダイオード部５Ａに流れる順方向電流特性が急峻に変動し、ゲートとエミッタとの間の電位が、完全にターンオフするまでのごく短い期間に変動する。これがターンオフスイッチング時のノイズの原因となり、ＩＧＢＴ４１Ａの制御性を悪化させていた。これは、例えば耐圧を向上する目的で設けたダミートレンチゲートに対応するダミーＩＧＢＴ４２Ａについても同様である。
しかしながら、本実施の形態では、ダミーＩＧＢＴ４２Ａのゲートとエミッタとの間に、コンデンサＣＰ１を設けている。このコンデンサＣＰ１が電荷を蓄えるので、ダミーＩＧＢＴ４２Ａのエミッタの電荷、つまり、ダミーＩＧＢＴ４２Ａのゲートとエミッタとの間の電位の変動を抑制する。これにより、瞬時起電力ｅの発生を抑制できるので、逆導通ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ部４Ａ及びダイオード部５Ａ）のターンオフスイッチング時のノイズを抑制することが可能となり、ひいては、逆導通ＩＧＢＴの制御性を向上させることが可能となる。
なお、上記の実施形態では本発明の理解を容易にするため、ダミーＩＧＢＴ４２Ａのゲートとエミッタとの間にコンデンサＣＰ１を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、ＩＧＢＴ４１Ａのゲートとエミッタとの間にコンデンサ（図示せず）をさらに設けてもよい。コンデンサの容量は、抑制したい瞬時起電力の大きさに応じて、適宜設定・選択するとよい。
ここで、コンデンサＣＰ１等を設けた場合の回路シミュレーションを行った結果について、図３を参照して説明する。図３は、瞬時起電力ｅの発生に着目してダミートレンチゲートの電位とゲート信号の信号レベルとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
図示するように逆導通ＩＧＢＴを駆動する信号、つまり、逆導通ＩＧＢＴのゲートに印加する電圧（図３では、駆動信号波形例）が例えば１５Ｖから０Ｖに低下する間、逆導通ＩＧＢＴはターンオフ過渡状態にあるが、このターンオフ過渡状態においてダミートレンチゲートの電位が上述した瞬時起電力によって上昇する。コンデンサＣＰ１等を設けた場合、コンデンサＣＰ１等を設けない場合と比較して、ゲートの電位の急峻な上昇が抑制されており、ゼロになるまでの時間が短縮されている。つまり、本実施の形態によれば、コンデンサＣＰ１等を設けることで、逆導通ＩＧＢＴはコンデンサＣＰ１を設けない場合と比較して完全にターンオフするまでに要する時間、つまり、順方向阻止状態となるまでの時間を短くできるので、制御性が向上されることがわかる。
次に、以上のようなコンデンサＣＰ１（ＣＰ２）の形成例について、図４（ａ）及び（ｂ）の上面図を参照して説明する。なお、図示する上面形状はあくまでも一例であって、本発明に対する理解を容易にする目的で供されるものであり、本発明はこのような上面形状に限定されるものではない。
図４（ａ）は、逆導通ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ部４Ａ及びダイオード部５Ａを含む）のパワー半導体チップを上面から見た図である。図示するように、このパワー半導体チップは、図中のＹ方向に延伸する複数のトレンチゲート４１１ａ、４１１ｂを備え、その上部において、それぞれの一部に電気的に接続されるように、ゲート配線４１２ａ、４１２ｂと、ダミーゲート配線４１３ａ、４１ｂと、エミッタ配線４１４とがＸ方向に延伸するように形成されている。このパワー半導体チップにおいて、例えば、図中左側の３つのトレンチゲート４１１ａがＩＧＢＴ部４Ａを形成し、右側の３つのトレンチゲート４１１ｂが還流ダイオード部５Ａを形成する。
上面視でこのような構成を有するパワー半導体チップは、ゲート配線４１２ａ及び４１２ｂ、ダミーゲート配線４１３ａ及び４１３ｂ、ならびにエミッタ配線４１４が、それぞれ、ゲート端子Ｇ、ダミーゲート端子ＤＧ、ならびにエミッタ端子Ｅ及び補助エミッタ端子ＡＥに接続される。
このような構成を採用するパワー半導体チップにおいて、パワー半導体チップの厚さ方向における任意の位置に、絶縁分離領域Ｉｓが設けられている。この絶縁分離領域Ｉｓは、パワー半導体チップの厚さ方向において、電流が流れず、かつ電圧が印加されない位置に形成される非活性領域であり通常はｐウェル上に構成されており、図４（ｂ）に示すように、上記の端子に電気的に接続されたパッドが形成されている。より詳細には、この絶縁分離領域Ｉｓには、ダミーゲート端子ＤＧに接続されるダミーゲートパッド４１５と、エミッタ端子Ｅに接続されるエミッタパッド４１６と、ゲート端子Ｇに接続されるゲートパッド４１７と、補助エミッタ端子ＡＥに接続される補助エミッタパッド４１８と、が形成されている。なお、補助エミッタパッド４１８は、例えば、ドライブ回路のグランドと接続されるパッドである。また、図４（ｂ）に示す絶縁領域Ｉｓは、本発明の理解を容易にするためその面積を拡大して図示しているが、実際の面積は、図４（ａ）に示すパワー半導体チップ全体の面積に対してごく小さなものである。
このような構成の絶縁領域Ｉｓにおいて、エミッタパッド４１６は、ＩＧＢＴ部４Ａ及びダイオード部５Ａを含むパワー半導体チップの製造段階では、いわゆるフローティング層であり、スクリーニング検査の完了後にエミッタパッド４１６が形成される。この絶縁領域Ｉｓにおいて、エミッタパッド４１６とダミーゲートパッド４１５との間にコンデンサＣＰ１を配置する。このコンデンサＣＰ１は、公知の手法のうち、任意の手法で形成可能である。
（第２の実施の形態）
第１の実施形態では、ダミーＩＧＢＴ４２Ａ、４２Ｂのゲートとエミッタとの間にコンデンサＣＰ１、ＣＰ２を設ける場合について説明した。この場合、コンデンサＣＰ１、ＣＰ２が電荷を蓄えているが、電荷を蓄えるという観点においては、双方向ダイオードを設けることでも同様の作用、効果を得ることが可能である。以下、双方向ダイオードを採用した実施の形態について説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成要素については、同一の参照番号を付し、その詳細な説明を以下では省略する。
図５（ａ）に示すように、本実施の形態では、ダミーＩＧＢＴ４２Ａ、４２Ｂのゲートとエミッタとの間に、それぞれ、少なくとも一組の双方向ダイオードＤ１、Ｄ２を形成する。これら双方向ダイオードＤ１、Ｄ２は、例えば、ポリシリコンにｐ型不純物とｎ型不純物とを拡散させることで形成することができる。なお、材料や形成の方法はこれらに限定されず、適宜選択することが可能である。
双方向ダイオードＤ１、Ｄ２はバッファ回路として機能する。より詳細には、ダイオードＤ１あるいはＤ２が導通状態となるためには、ｐｎ接合で一定のキャリアを蓄積するので、その蓄積作用の時間によって、逆導通ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ部４Ａ及びダイオード部５ＡあるいはＩＧＢＴ部４Ｂ及びダイオード部５Ｂ）の電流変化率ｄｉ／ｄｔのｄｔを長くできるので、瞬時起電力の発生を抑制し、ひいては、ノイズの発生を抑制することが可能である。つまり、双方向ダイオードＤ１（Ｄ２）は、本実施の形態における電荷蓄積素子の一例である。
また、図５（ｂ）に示すように、各ダミーＴＧＢＴ４２Ａ（４２Ｂ）に対して複数組の双方向ダイオードＤ１（Ｄ２）を直列に接続する構成を採用してもよい。この場合、１組当たりの耐圧や、組の数は、逆導通ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ部４Ａ及びダイオード部５Ａ等）が適用されるシステムにおいて、ノイズを吸収可能となる遅れ時間が得られるよう、適宜設定する。双方向ダイオードＤ１（Ｄ２）の組を複数段直列に接続することで、蓄積作用の時間をさらに長くすることができるので、双方向ダイオードＤ１（Ｄ２）の組の直列数で適宜調整できる、という利点がある。
このような双方向ダイオードＤ１（Ｄ２）の形成について、図６（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。なお、図６（ａ）及び（ｂ）は、図４（ｂ）に対応する図である。本実施の形態の場合、図６（ａ）あるいは（ｂ）に示すように、絶縁分離領域Ｉｓ上に、ダミーゲートパッド４１５とエミッタパッド４１６との間に、例えば、ポリシリコンを配置してｐ型不純物とｎ型不純物とを拡散することで１組あるいは複数組の双方向ダイオードＤ１、Ｄ２を形成可能である。
（第３の実施の形態）
上記の第１及び第２の実施の形態では、コンデンサＣＰ１やダイオードＤ１等に例示される電荷蓄積素子が、スクリーニング検査の完了後に接続、結線される素子である場合について説明した。しかしながら、実際の製品のニーズによっては、よりノイズ抑制効果を高めたいという要望があり、そのためにはスクリーニング検査を要しない、というような要望も考えられる。このような場合には、図４（ａ）に示した上面において、ダミーゲート配線４１３ａ、４１３ｂのいずれかと、エミッタ配線４１４との間に電荷蓄積素子を設けることで、要望に対応することが可能である。
以下、このような要望に対応した第３の実施形態について、図７（ａ）乃至７（ｄ）を参照して説明する。図４（ａ）に示した構成のパワー半導体チップは、断面を見ると例えば図７（ａ）に示すような構成を有する。図４（ａ）及び図７（ｂ）に示すＹ方向において、パワー半導体チップの上面には、エミッタ配線４１４とダミーゲート配線４１３ａとの間に所定の距離の空間Ｓが存在する。この空間Ｓに電荷蓄積素子を形成する。なお、図４（ａ）及び図７（ｂ）におけるＹ方向は、ゲートが延伸する方向であり、図４（ａ）に示すＺ方向は、パワー半導体チップの厚さ方向、すなわち縦方向である。また、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、トレンチゲート４１１ａの両側に、酸化膜４２０を介してこのトレンチゲート４１１ａに隣接するようにエミッタ領域４２３がＰウェル４２４内に形成される。
電荷蓄積素子としてコンデンサＣＰ１等を形成する場合、図７（ｃ）に示すように、エミッタ配線４１４とダミーゲート配線４１３ａとの間の空間に、絶縁膜４２０上に誘電体４１９を形成する。この構成の場合、エミッタ配線４１４の一部と、ダミーゲート配線４１３ａの一部とが、それぞれ、コンデンサＣＰ１の一方の電極、他方の電極としても機能するので、誘電体４１９を挟んで別途ポリシリコン等で電極を形成する処理を省略することができる。
一方、電荷蓄積素子として双方向ダイオードＤ１等を形成する場合、図７（ｄ）に示すように、エミッタ配線４１４とダミーゲート配線４１３ａとのそれぞれに部分的に埋没されるように、空間Ｓにポリシリコンを形成し、ｐ型の不純物とｎ型の不純物とを適宜拡散することで、双方向ダイオードＤ１等を形成する。
図７（ａ）乃至図７（ｄ）に示す構成の場合、電荷蓄積素子がエミッタ配線４１４とダミーゲート配線４１３ａとに直接接続されているので、ダミーゲートに対してスクリーニング検査を行うことは困難であるが、図４（ｂ）に示す構成と比較して、ダミーゲート配線４１３ａに電荷蓄積素子が直接接続されているので、ノイズ抑制の効果が高い。なお、本実施形態ではエミッタ配線４１４とダミーゲート配線４１３ａとの間に電荷蓄積素子を形成する場合について説明したが、エミッタ配線４１４とダミーゲート配線４１３ｂとの間に電荷蓄積素子を形成しても、同様の効果が得られる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されず、その技術的範囲から逸脱しない範囲において、様々な置換、省略、変更が可能である。例えば、図７（ｃ）では誘電体４１９を用いてコンデンサＣＰ１を形成する場合について説明したが、本発明はこのような構成に限定されない。図８に示すように、トレンチゲート４１１ａ等とは別のトレンチ４１１ｃを形成し、このトレンチ４１１ｃの内壁上に酸化膜４２０を形成し、その内側にポリシリコン４２１を充填し、このようなトレンチ４１１ｃの外側に、例えばＮ＋層４２２を形成することで、トレンチ４１１ｃ内部の酸化膜４２０に電荷を蓄積するコンデンサＣＰ１等を形成することも可能である。このトレンチ４１１ｃは、トレンチゲート４１１ａと同一の形状である必要はなく、例えば半球状であってもよい。
また、第２の実施の形態では、電荷蓄積素子として双方向ダイオードＤ１等を形成する場合について説明したが、本発明はこの場合に限定されない。例えば、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、１組あるいは複数組の双方向ダイオードＤ１に代えて、１以上の逆方向ダイオードＤ１’（Ｄ２’）を設けてもよい。図１に示す特性の例では、略７Ｖの耐圧を確保できれば、特性の変動を抑制できるので、上述した実施の形態と同様の作用、効果が得られる。そこで、ダイオードＤ１’１つ当たりの耐圧や、その個数は、逆導通ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ部４Ａ及びダイオード部５Ａ等）が適用されるシステムにおいて、ノイズを吸収可能となる遅れ時間が得られるよう、適宜設定する。このような耐圧の逆方向ダイオードＤ１’等を設けても、ダミートレンチゲート（図４（ａ）で示す）のゲート酸化膜に対してスクリーニング検査を行うことが可能なので、逆導通ＩＧＢＴを含むパワー半導体チップ内の任意の位置に内蔵可能である。
１ ＩＰＭシステム
２Ａ、２Ｂ 直流電源
３Ａ、３Ｂ 駆動・演算回路（駆動チップ）
４Ａ、４Ｂ ＩＧＢＴ部
５Ａ、５Ｂ 還流ダイオード部
４１Ａ、４１Ｂ ＩＧＢＴ
４２Ａ、４２Ｂ ダミーＩＧＢＴ
４１１ａ、４１１ｂ トレンチゲート
４１１ｃ トレンチ
４１２ａ、４１２ｂ ゲート配線
４１３ａ、４１３ｂ ダミーゲート配線
４１４ エミッタ配線
４１５ ダミーゲートパッド
４１６ エミッタパッド
４１７ ゲートパッド
４１８ 補助エミッタパッド
４１９ 誘電体
４２０ 酸化膜
４２１ ポリシリコン
４２２ Ｎ＋層
４２３ エミッタ領域
４２４ Ｐウェル
ＣＰ１、ＣＰ２ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ 双方向ダイオード
Ｄ１’、Ｄ２’ 逆方向ダイオード
Ｃ コレクタ端子
Ｇ ゲート端子
ＧＮＤ グランド端子
Ｅ エミッタ端子
ＡＥ 補助エミッタ端子
Ｌｓ インダクタ
Ｉｓ 絶縁分離領域
ｐｒｓ１乃至ｐｒｓ４ Ｌ、Ｃ、Ｒ寄生成分

Claims (7)

  1. ダミートレンチゲートを含むトレンチゲート構造のＩＧＢＴと、前記ＩＧＢＴのエミッタの過剰キャリアを前記ＩＧＢＴのコレクタに戻すための還流ダイオードと、が同一のチップ内に形成されたパワー半導体チップと、
    前記ＩＧＢＴをオン・オフ駆動するための駆動チップと、を備え、前記パワー半導体チップと前記駆動チップとをパッケージ化したパワーモジュールであって、
    前記ダミートレンチゲートをスクリーニング検査に供するために擬似的に形成され得るダミーＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に接続された電荷蓄積素子をさらに備えたことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記電荷蓄積素子は、コンデンサであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  3. 前記電荷蓄積素子は、逆並列接続された少なくとも１組の双方向ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  4. 前記電荷蓄積素子は、前記パワー半導体チップ内に形成されるものであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  5. 前記電荷蓄積素子は、スクリーニング検査の完了後に前記ダミーＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に電気的に接続されるものであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  6. 前記電荷蓄積素子は、少なくとも１の逆方向ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
  7. ダミートレンチゲートを含むトレンチゲート構造のＩＧＢＴと、前記ＩＧＢＴのエミッタの過剰キャリアを前記ＩＧＢＴのコレクタに戻すための還流ダイオードと、が同一のチップ内に形成された逆導通ＩＧＢＴであって、
    前記ダミートレンチゲートをスクリーニング検査に供するために擬似的に形成され得るダミーＩＧＢＴのゲートとエミッタとの間に接続された電荷蓄積素子をさらに備えたことを特徴とする逆導通ＩＧＢＴ。
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