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JP3708014B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、特にMOSゲートで駆動する絶縁ゲート型バイポーラ半導体装置(以下、IGBTという)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来技術のIGBTの構成の一例として、図7にトレンチIGBTのチップの上面を、図8にこのチップに設けられた各々のセルの縦断面構造を、さらに図9に回路構成をそれぞれ示し、このトレンチIGBTの製造方法について述べる。
【0003】
+型コレクタ層6、N+型バッファ層5、及びN-型基板1を有するP+/N+/N-型エピタキシャルウェーハのN-型基板1の表面上に、P型ベース領域107、P+型拡散領域108、N+型エミッタ領域9を不純物拡散により形成する。
【0004】
次に、P型ベース領域107とN+型エミッタ領域9とを突き抜けてトレンチを形成し、トレンチ側壁にゲート酸化膜10を形成し、そのトレンチ内に多結晶シリコンゲート電極11を埋め込む。
【0005】
さらにその表面上に、層間膜12を形成してパターニングし、N+型エミッタ領域9とP+型拡散領域108の表面を開口し、基板1の裏面側からコレクタ電極13、表面側からエミッタ電極2を形成し、さらにIGBT全体のゲート電極3及びゲート配線4を形成する。ここで、図7において、エミッタ電極2の下方に位置する複数本の多結晶シリコンゲート電極11に沿って、図8に示された構成を有する複数のセルがそれぞれ配置されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のIGBTには次のような損失特性に関する問題があった。
【0007】
IGBTの損失には、定常損失とスイッチング損失とが存在し、これらの損失の低減を図ることが要求されている。
【0008】
従来は、IGBTのチップにおける各セルを微細化することでオン電圧(VCE(Sat))を低下させ、定常損失の低減を図ってきた。
【0009】
一方、スイッチング損失は、ターンオフ時のテイル損失を低下することにより行われてきた。
【0010】
ところで、オン電圧の低下はトレンチゲート構造の採用によるセルの微細化によって達成されてきた。しかし、ターンオフ時のテイル損失の低下は、例えば電子線を照射して結晶欠陥を増加させ、ホール電流を短時間で消滅させるライフタイムコントロールという手法により図られてきた。この手法によれば、キャリア濃度が低減しテイル損失は低下するが、一方のオン電圧の低下には逆効果となる。このように、トータル損失として、オン電圧の低下とテイル損失の低下とはトレードオフの関係にあり、テイル損失の低下は十分に実現されていなかった。
【0011】
本発明は上記事情に鑑み、定常損失の低減化及び動作特性を損なうことなく、スイッチング損失の低下を実現することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決する手段】
本発明の半導体装置は、複数のセルが設けられ、各々の前記セルのエミッタ領域が共通のエミッタ電極を介して少なくとも1本のエミッタワイヤに少なくとも1箇所のボンディング部において接続された絶縁ゲート型バイポーラ半導体装置であって、前記ボンディング部からの距離が近いセルより、前記ボンディング部からの距離が遠いセルの方が閾値が高いことを特徴としている。
【0013】
又は本発明の半導体装置は、前記ボンディング部からの距離が近いセルより、前記ボンディング部からの距離が遠いセルの方が、表面に一導電型の拡散層が形成された一導電型のベース領域における前記ベース領域の不純物濃度が高いことを特徴とする。
【0014】
あるいは本発明の半導体装置は、前記ボンディング部からの距離が近いセルより、前記ボンディング部からの距離が遠いセルの方が、一導電型のベース領域の表面に形成され、前記ベース領域と前記エミッタ電極とを接続する一導電型の前記拡散領域の不純物濃度が高いことを特徴とする。
【0016】
ここでセルの閾値、前記ベース領域の不純物濃度、前記拡散領域の不純物濃度は、前記ボンディング部からの距離に従って連続的に変化してもよい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
従来は、IGBTにおける各セルの閾値を全て均一に設計し均一に動作させていた。
【0018】
即ち、図7において、エミッタ電極2にボンディング接続されたエミッタワイヤのボンディング部(ここで、1箇所接続する場合のエミッタワイヤのボンディング部をW1、2箇所接続する場合のエミッタワイヤのボンディング部をW2で示す)から各々のセルまでの距離にかかわらず、全て均一に図8に示される縦断面構造を有するようにセルを構成していた。
【0019】
これに対し本実施の形態では、図1に示されたエミッタワイヤのボンディング部W1あるいはW2直下のセルよりも、エミッタワイヤのボンディング部W1又はW2から離れるに従ってセルの閾値が高くなるように設定している点に特徴がある。
【0020】
例えば、エミッタワイヤW1又はW2のボンディング部と、閾値Vthとの関係を示した図6のように、ボンディング部直下(距離ゼロ)のときは閾値Vthが4[V]で、距離が離れるに従って閾値が大きくなり、距離が2[mm]のとき約7[V]となる。
【0021】
これにより、ターンオフ時において、エミッタワイヤのボンディング部W1又はW2から離れた位置にあるセルにおいて従来残留していたホール電流が、ワイヤ直下のセルとほぼ同じタイミングで効率よくエミッタ電極2からエミッタワイヤを介して外部に排出されるので、フォールタイムが短縮しスイッチング損失が低減することになる。
【0022】
また、ターンオン特性およびVCE(Sat)特性は、本来の規格に合わせたエミッタワイヤのボンディング部直下に位置するセルの閾値特性で動作するので、要求されている動作特性及び定常損失の低減化を損なうおそれがない。
【0023】
すなわち、本実施の形態により、定常損失の低減及び動作特性を損なうことなくスイッチング損失を十分に低減することが可能である。
【0024】
図1に本実施の形態によるトレンチIGBTのチップを上面から見た平面構成、図2に同IGBTのチップに設けられた複数のセルのうち、エミッタワイヤのボンディング部W1又はW2直下に位置するセルの縦断面構造、図3にエミッタワイヤのボンディング部W1又はW2から離れた位置にあるセルの縦断面構造、さらに図2及び図3におけるA−A線に沿う横断面構造の一例を図4に、他の例を図5にそれぞれ示す。
【0025】
エミッタワイヤのボンディング部W1又はW2直下に位置するセルの縦断面構造は、図8を用いて説明した従来のセルの構造と同様であり、説明を省略する。
【0026】
エミッタワイヤのボンディング部W1又はW2から離れた位置にあるセルの縦断面構造は、図3に示されているように、拡散領域8aの面積がエミッタワイヤのボンディング部直下のセルの拡散領域8よりも大きく設定されている。このように、拡散領域8aの面積が大きいことにより、エミッタワイヤのボンディング部直下のセルよりも閾値が高くなる。ここで、エミッタワイヤのボンディング部W1又はW2直下に位置するセルの閾値は、定格の閾値に合致させることとする。
【0027】
上記構造を採用したことにより、ターンオフ時にホール電流が効率よくエミッタ電極2からエミッタワイヤを介して外部へ排出されるので、フォールタイムが減少しスイッチング損失を低減させることができる。
【0028】
また、ターンオン特性及び動作特性は、要求されている規格に合わせたエミッタワイヤ直下のセルの閾値特性でチップ全体が動作することにより、損なわれるおそれがない。従って、必要な動作特性を維持し、定常損失の低減化を損なうことなく、スイッチング損失の低減を実現することが可能である。
【0029】
ここで、エミッタワイヤのボンディング部W1又はW2直下のセルの拡散領域8の面積と、エミッタワイヤのボンディング部W1又はW2から離れた位置にあるセルの拡散領域8aの面積とは、図4に示されたように連続的に変化してもよく、あるいは図5に示されたように段階的に不連続に変化してもよい。
【0030】
また、図1にはエミッタワイヤが1本の場合のボンディング部W1、あるいは2本の場合のボンディング部W2がそれぞれ示されているが、3本以上エミッタワイヤが接続される場合にも本発明を適用することができる。いずれの場合であっても、エミッタワイヤのボンディング部直下のセルよりエミッタワイヤのボンディング部から離れた位置のセルの方が閾値が高くなるように設定されていればよい。
【0031】
上述した実施の形態は一例であり、本発明を限定するものではない。上記実施の形態では、エミッタワイヤのボンディング部直下に位置するセルとワイヤのボンディング部直下から離れた位置にあるセルとの間で閾値を変えるため、エミッタ電極2とベース領域7とを接続する拡散領域8、8aの面積を変えている。しかし、他の手法を用いて閾値を変えることもできる。
【0032】
例えば、拡散層8の面積を変えずに不純物濃度のみを変える手法、又は拡散層8の面積及び不純物濃度を共に変える手法、あるいはベース領域7の不純物濃度を変える手法のいずれかにより、閾値を変えてもよい。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置は、エミッタワイヤのボンディング部からの距離が近いセルより遠いセルの閾値が高く設定されていることにより、動作特性及び定常損失に影響を与えることなく、ターンオフ時において従来は残存し易かったエミッタワイヤのボンディング部から離れたセルにおけるホール電流が短時間でエミッタワイヤを介して外部に排出されるので、フォールタイムが減少しスイッチング損失を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態によるIGBTのチップの平面構成を示した上面図。
【図2】同IGBTに設けられた複数のセルのうち、エミッタワイヤのボンディング部直下に位置するセルの縦断面構成を示した縦断面図。
【図3】同IGBTにおけるエミッタワイヤのボンディング部から離れた位置にあるセルの縦断面構成を示した縦断面図。
【図4】図2及び図3におけるA−A線に沿う横断面及び縦断面構造の一例を示す斜視図。
【図5】図2及び図3におけるA−A線に沿う横断面及び縦断面構造の他の例を示す斜視図。
【図6】同IGBTにおけるセルの閾値とエミッタワイヤのボンディング部までの距離との関係を示すグラフ。
【図7】従来のIGBTのチップの平面構成を示した上面図。
【図8】同IGBTにおける各セルの縦断面構成を示した縦断面図。
【図9】同IGBTの回路構成を示した回路図。
【図10】図8におけるB−B線に沿う横断面及び縦断面構造の一例を示す斜視図。
【符号の説明】
1 N-型半導体基板
2 エミッタ電極
3 ゲート電極
4 ゲート配線
5 N+型バッファ層
6 P+型コレクタ層
7 P型ベース層
8、8a P+型拡散領域
9 N+型エミッタ領域
10 ゲート酸化膜
11 多結晶シリコンゲート電極
12 層間膜
13 コレクタ電極
W1、W2 エミッタワイヤのボンディング部

Claims (6)

  1. 複数のセルが設けられ、各々の前記セルのエミッタ領域が共通のエミッタ電極を介して少なくとも1本のエミッタワイヤに少なくとも1箇所のボンディング部において接続された絶縁ゲート型バイポーラ半導体装置において、
    前記ボンディング部からの距離が近いセルより、前記ボンディング部からの距離が遠いセルの方が閾値が高いことを特徴とする半導体装置。
  2. 複数のセルが設けられ、各々の前記セルのエミッタ領域が共通のエミッタ電極を介して少なくとも1本のエミッタワイヤに少なくとも1箇所のボンディング部において接続された絶縁ゲート型バイポーラ半導体装置において、
    前記ボンディング部からの距離が近いセルより、前記ボンディング部からの距離が遠いセルの方が、表面に一導電型の拡散層が形成された一導電型のベース領域における前記ベース領域の不純物濃度が高いことを特徴とする半導体装置。
  3. 複数のセルが設けられ、各々の前記セルのエミッタ領域が共通のエミッタ電極を介して少なくとも一本のエミッタワイヤに少なくとも1箇所のボンディング部において接続された絶縁ゲート型バイポーラ半導体装置において、
    前記ボンディング部からの距離が近いセルより、前記ボンディング部からの距離が遠いセルの方が、一導電型のベース領域の表面に形成され、前記ベース領域と前記エミッタ電極とを接続する一導電型の前記拡散領域の不純物濃度が高いことを特徴とする半導体装置。
  4. 前記セルの閾値は、前記ボンディング部からの距離に従って連続的に変化することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  5. 前記ベース領域の不純物濃度は、前記ボンディング部からの距離に従って連続的に変化することを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  6. 前記拡散領域の不純物濃度は、前記ボンディング部からの距離に従って連続的に変化することを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
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