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JP2009081168A - Semiconductor device and method of measuring electric field strength inside the semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device and method of measuring electric field strength inside the semiconductor device Download PDF

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JP2009081168A
JP2009081168A JP2007247352A JP2007247352A JP2009081168A JP 2009081168 A JP2009081168 A JP 2009081168A JP 2007247352 A JP2007247352 A JP 2007247352A JP 2007247352 A JP2007247352 A JP 2007247352A JP 2009081168 A JP2009081168 A JP 2009081168A
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potential
semiconductor device
potential measurement
trench
electric field
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Rintaro Asai
林太郎 淺井
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique capable of detecting potentials at predetermined depths inside a semiconductor device. <P>SOLUTION: This is embodied as a semiconductor device. The semiconductor device has a potential measuring trench extending from the surface of the substrate in a depth direction. In the potential measuring trench, an insulating film is formed on its side surface and an insulating film is not formed partly or entirely on a bottom surface. The semiconductor device includes a potential measuring electrode for detecting the potential of the bottom surface of the potential measuring trench. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置の内部における電位の分布および電界強度を計測する技術に関する。   The present invention relates to a technique for measuring the distribution of electric potential and electric field strength inside a semiconductor device.

IGBTやMOSFETをはじめとするパワー半導体装置の開発が活発に行われている。パワー半導体装置では、負荷の短絡が生じた際の素子の破壊が問題となる。負荷の短絡が生じて、電源電圧が直接印加される状態になると、半導体装置の内部に過大な電流が流れ、素子の破壊を招いてしまう。本明細書では、負荷の短絡が生じて半導体装置に電源電圧が直接印加される状態を短絡状態といい、負荷の短絡が生じておらず半導体装置と負荷のそれぞれに電源電圧が印加される状態を通常状態という。   Development of power semiconductor devices such as IGBTs and MOSFETs has been actively conducted. In a power semiconductor device, destruction of elements when a load short circuit occurs becomes a problem. When the load is short-circuited and the power supply voltage is directly applied, an excessive current flows inside the semiconductor device, causing destruction of the element. In this specification, a state in which a power supply voltage is directly applied to the semiconductor device due to a short circuit of the load is referred to as a short circuit state, and a state in which the power supply voltage is applied to each of the semiconductor device and the load without a short circuit of the load Is called normal state.

パワー半導体装置が短絡状態となった際にその半導体装置を保護する技術が開発されている。特許文献1では、電流検出セルによって過電流を検出する。特許文献1の技術では、過電流が検出されると、半導体装置に対する電力の供給を停止して、半導体装置の破壊を防止する。   A technology for protecting a power semiconductor device when the power semiconductor device is short-circuited has been developed. In Patent Document 1, an overcurrent is detected by a current detection cell. In the technique of Patent Document 1, when an overcurrent is detected, the supply of power to the semiconductor device is stopped to prevent the semiconductor device from being destroyed.

特開平10−326897号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-326897

IGBTが短絡状態になると、ドリフト領域とバッファ領域の境界付近に電界集中が生じることが知られている。特に、薄板型のIGBTにおいては、この傾向が顕著に現れる。図8は薄板型のIGBTの内部における電界強度の深さ方向分布を示す。図8では、点線が半導体装置が通常状態で動作している場合の電界強度の分布を示し、実線が半導体装置が短絡状態で動作している場合の電界強度の分布を示している。図8に示すように、半導体装置が通常状態で動作している場合には、電界強度はドリフト領域からバッファ領域にかけてなだらかに変化する分布となり、局所的な電界集中は生じない。しかしながら、半導体装置が短絡状態に入ると、ドリフト領域とバッファ領域の境界付近に強力な電界集中が生じる。薄板型のIGBTにおけるこのような電界集中は、IGBTの裏面側のコレクタ領域の厚さが薄いため、バッファ領域への正孔の供給量が少なく、バッファ領域に電子が過剰に存在する状態になることが原因と考えられている。   It is known that when the IGBT is short-circuited, electric field concentration occurs near the boundary between the drift region and the buffer region. In particular, this tendency appears remarkably in the thin plate type IGBT. FIG. 8 shows the depth direction distribution of the electric field strength inside the thin plate type IGBT. In FIG. 8, the dotted line indicates the distribution of electric field strength when the semiconductor device is operating in the normal state, and the solid line indicates the distribution of electric field strength when the semiconductor device is operating in the short-circuit state. As shown in FIG. 8, when the semiconductor device is operating in a normal state, the electric field strength has a distribution that gently changes from the drift region to the buffer region, and local electric field concentration does not occur. However, when the semiconductor device enters a short circuit state, a strong electric field concentration occurs near the boundary between the drift region and the buffer region. Such electric field concentration in the thin plate type IGBT is such that the collector region on the back side of the IGBT is thin, so that the amount of holes supplied to the buffer region is small and electrons are excessively present in the buffer region. It is thought to be the cause.

従来の技術では、半導体装置の内部における電界集中を実際に検出することはできなかった。半導体装置の内部における電位分布はシミュレーション等によって推定することはできるが、必ずしも実際の電位分布と一致しているとは限らない。動作中の半導体装置の内部における実際の電位分布を計測して、電界集中を検出することが可能な技術が待望されている。   In the prior art, the electric field concentration inside the semiconductor device could not be actually detected. Although the potential distribution inside the semiconductor device can be estimated by simulation or the like, it does not necessarily match the actual potential distribution. There is a need for a technique that can detect an electric field concentration by measuring an actual potential distribution inside an operating semiconductor device.

本発明は上記の課題を解決する。本発明は、半導体装置の内部の所望の深さにおける電位を検出可能な技術を提供する。あわせて、半導体装置の内部における異常な電界集中を検出可能な技術を提供する。   The present invention solves the above problems. The present invention provides a technique capable of detecting a potential at a desired depth inside a semiconductor device. In addition, a technique capable of detecting abnormal electric field concentration inside the semiconductor device is provided.

本発明は半導体装置として具現化される。その半導体装置には、半導体基板の表面から深さ方向に伸びる電位計測用トレンチが形成されている。その電位計測用トレンチは、側面に絶縁膜が形成されており、底面の一部または全部に絶縁膜が形成されていない。その半導体装置は、その電位計測用トレンチの底面の電位を検出する電位計測用電極を備えている。   The present invention is embodied as a semiconductor device. In the semiconductor device, a potential measuring trench extending in the depth direction from the surface of the semiconductor substrate is formed. In the potential measurement trench, an insulating film is formed on a side surface, and an insulating film is not formed on a part or all of the bottom surface. The semiconductor device includes a potential measurement electrode that detects the potential of the bottom surface of the potential measurement trench.

上記の半導体装置によれば、電位計測用電極を通して電位を計測することで、電位計測用トレンチの底面の深さにおける半導体装置の内部電位を検出することができる。電位計測用トレンチの底面の電位の検出は、例えば、電位計測用トレンチの側面を絶縁し、トレンチの内部に低抵抗の層を埋め込み、埋め込んだ低抵抗の層の上端に電位計測用電極を形成しておいて、その電位計測用電極に電位計測用のワイヤーを結線して行ってもよい。あるいは、電位計測用トレンチの側面を絶縁して、トレンチの底部に電位計測用電極を直接形成しておいて、その電位計測用電極に電位計測用のワイヤーを結線してもよい。電位計測用のワイヤーから電位を検出することによって、半導体装置の内部の所望の深さにおける実際の電位を計測することができる。   According to the semiconductor device described above, the internal potential of the semiconductor device at the depth of the bottom surface of the potential measurement trench can be detected by measuring the potential through the potential measurement electrode. To detect the potential of the bottom surface of the potential measurement trench, for example, the side surface of the potential measurement trench is insulated, a low resistance layer is embedded inside the trench, and a potential measurement electrode is formed at the upper end of the buried low resistance layer In addition, a potential measurement wire may be connected to the potential measurement electrode. Alternatively, the side surface of the potential measurement trench may be insulated, and a potential measurement electrode may be directly formed at the bottom of the trench, and a potential measurement wire may be connected to the potential measurement electrode. By detecting the potential from the potential measurement wire, the actual potential at a desired depth inside the semiconductor device can be measured.

上記の半導体装置は、底面の深さの異なる複数の電位計測用トレンチが形成されており、各電位計測用トレンチが電位計測用電極を備えていることが好ましい。   In the semiconductor device, it is preferable that a plurality of potential measurement trenches having different bottom depths are formed, and each potential measurement trench includes a potential measurement electrode.

上記の半導体装置によれば、半導体装置の内部において深さの異なる2点の電位をそれぞれ計測することができる。半導体装置の内部における深さ方向の電位分布を計測することができる。半導体装置の内部における深さ方向の電位分布を計測することができれば、そこから半導体装置の内部における電界強度を計算することができる。電界集中の有無を検出することができる。   According to the above semiconductor device, the potentials at two points having different depths can be measured inside the semiconductor device. The potential distribution in the depth direction inside the semiconductor device can be measured. If the potential distribution in the depth direction inside the semiconductor device can be measured, the electric field strength inside the semiconductor device can be calculated therefrom. The presence or absence of electric field concentration can be detected.

本発明は上記の半導体装置の内部における電界強度を計測する方法としても具現化される。その方法は、2つ以上の電位計測用電極の電位をそれぞれ計測する工程と、1つの電位計測用電極で計測された電位と、他の1つの電位計測用電極で計測された電位と、前記1つの電位計測用電極に対応する電位計測用トレンチの底面の深さと前記他の1つの電位計測用電極に対応する電位計測用トレンチの底部の深さの差に基づいて、電界強度を計算する工程を備えている。   The present invention is also embodied as a method for measuring the electric field strength inside the semiconductor device. The method includes a step of measuring potentials of two or more potential measurement electrodes, a potential measured with one potential measurement electrode, a potential measured with one other potential measurement electrode, The electric field strength is calculated based on the difference between the depth of the bottom surface of the potential measurement trench corresponding to one potential measurement electrode and the depth of the bottom portion of the potential measurement trench corresponding to the one other potential measurement electrode. It has a process.

底面の深さが異なる2つの電位計測用トレンチから計測される電位から、両者の電位差を算出し、その電位差を底面の深さの差で除することによって、電界強度を計算することができる。この電界強度を半導体材料の許容電界強度と比較することで、半導体装置が異常な電界集中によって破壊してしまうか否かを判断することができる。   The electric field strength can be calculated by calculating the potential difference between the two potential measurement trenches having different bottom surface depths and dividing the potential difference by the bottom surface depth difference. By comparing this electric field strength with the allowable electric field strength of the semiconductor material, it can be determined whether or not the semiconductor device is destroyed due to abnormal electric field concentration.

本発明によると、半導体装置の内部の所望の深さにおける電位を検出することができる。あわせて、半導体装置の内部における異常な電界集中を検出することができる。   According to the present invention, a potential at a desired depth inside a semiconductor device can be detected. In addition, abnormal electric field concentration inside the semiconductor device can be detected.

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。
(形態1)半導体装置はパンチスルー型のIGBTを備えている。
The main features of the embodiments described below are listed.
(Mode 1) The semiconductor device includes a punch-through IGBT.

本発明を具現化した半導体装置の実施例を、図1〜図7を参照して説明する。
図1は半導体装置2を上方から見た平面図である。半導体装置2はパンチスルー型のIGBTを備える複数の駆動部4と、駆動部4に近接して設けられた電位計測部6を備えている。半導体装置2は、半導体材料としてシリコンを用いているが、他の半導体材料、あるいは異種の半導体材料を組み合わせて用いてもよい。半導体装置2の駆動部4の表面には、後述するエミッタ電極32と小信号入力用パッド29が露出している。半導体装置2の電位計測部6の表面には、電位計測用パッド38が露出している。
An embodiment of a semiconductor device embodying the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a plan view of the semiconductor device 2 as viewed from above. The semiconductor device 2 includes a plurality of driving units 4 including punch-through IGBTs and a potential measuring unit 6 provided in the vicinity of the driving unit 4. Although the semiconductor device 2 uses silicon as a semiconductor material, other semiconductor materials or different types of semiconductor materials may be used in combination. An emitter electrode 32 and a small signal input pad 29 which will be described later are exposed on the surface of the drive unit 4 of the semiconductor device 2. A potential measurement pad 38 is exposed on the surface of the potential measurement unit 6 of the semiconductor device 2.

図2は半導体装置2の駆動部4の縦断面を概略して示しており、図1のII−II断面から見た断面図に相当する。駆動部4は、アルミニウムからなるコレクタ電極12を備えている。そのコレクタ電極12上にボロンを高濃度に含むp+型のコレクタ領域14が形成されている。コレクタ電極12とコレクタ領域14は電気的に接続している。コレクタ領域14上にリンを高濃度に含むn+型のバッファ領域16が形成されている。バッファ領域16上にリンを含むn−型のドリフト領域18が形成されている。ドリフト領域18はバッファ領域16によってコレクタ領域14から隔てられている。ドリフト領域18上にボロンを含むp−型のボディ領域20が形成されている。ボディ領域20は、ドリフト領域18によってバッファ領域16から隔てられている。ボディ領域20の表面部に、リンを高濃度に含むn+型のエミッタ領域24と、ボロンを高濃度に含むp+型のボディコンタクト領域22が選択的に形成されている。エミッタ領域24とボディコンタクト領域22は、ボディ領域20によってドリフト領域18から隔てられている。エミッタ領域24とボディコンタクト領域22は、エミッタ電極32に接続している。エミッタ電極32はアルミニウムによって形成されている。エミッタ領域24とドリフト領域18を隔てているボディ領域20にはゲート電極用トレンチが形成されており、そのゲート電極用トレンチの内部にゲート絶縁膜30とゲート電極28が形成されている。ゲート絶縁膜30は酸化シリコンによって形成されており、ゲート電極28の両側面と底面を覆っている。ゲート電極28はリンを高濃度に含むn++型のポリシリコンによって形成されている。ゲート電極28は非常に高濃度のリンを含んでおり、等価的に導体とみなすことができる。ゲート電極28の上面は層間絶縁膜26によってエミッタ電極32から絶縁されている。ゲート電極28は、図1に示す小信号入力用パッド29のうちの一部のゲートパッドに電気的に接続している。   FIG. 2 schematically shows a longitudinal section of the drive unit 4 of the semiconductor device 2, and corresponds to a sectional view taken along the line II-II in FIG. The drive unit 4 includes a collector electrode 12 made of aluminum. A p + -type collector region 14 containing boron at a high concentration is formed on the collector electrode 12. The collector electrode 12 and the collector region 14 are electrically connected. An n + type buffer region 16 containing phosphorus at a high concentration is formed on the collector region 14. An n − type drift region 18 containing phosphorus is formed on the buffer region 16. The drift region 18 is separated from the collector region 14 by the buffer region 16. A p − type body region 20 containing boron is formed on drift region 18. Body region 20 is separated from buffer region 16 by drift region 18. An n + -type emitter region 24 containing phosphorus at a high concentration and a p + -type body contact region 22 containing boron at a high concentration are selectively formed on the surface of the body region 20. The emitter region 24 and the body contact region 22 are separated from the drift region 18 by the body region 20. The emitter region 24 and the body contact region 22 are connected to the emitter electrode 32. The emitter electrode 32 is made of aluminum. A gate electrode trench is formed in the body region 20 that separates the emitter region 24 and the drift region 18, and a gate insulating film 30 and a gate electrode 28 are formed inside the gate electrode trench. The gate insulating film 30 is made of silicon oxide and covers both side surfaces and the bottom surface of the gate electrode 28. The gate electrode 28 is formed of n ++ type polysilicon containing phosphorus at a high concentration. The gate electrode 28 contains a very high concentration of phosphorus and can be equivalently regarded as a conductor. The upper surface of the gate electrode 28 is insulated from the emitter electrode 32 by the interlayer insulating film 26. The gate electrode 28 is electrically connected to a part of the small signal input pads 29 shown in FIG.

図3は、図1の半導体装置2の電位計測部6の縦断面を概略して示しており、図1のIII−III断面から見た断面図に相当する。図3に示すように、電位計測部6はコレクタ電極12、コレクタ領域14、バッファ領域16、ドリフト領域18およびボディ領域20が積層した個所に設けられている。図2の駆動部4とは異なり、図3の電位計測部6にはトレンチゲート電極28もエミッタ電極32も形成されておらず、エミッタ領域24やボディコンタクト領域22も形成されていない。   FIG. 3 schematically shows a longitudinal section of the potential measuring section 6 of the semiconductor device 2 of FIG. 1, and corresponds to a sectional view taken along the section III-III of FIG. As shown in FIG. 3, the potential measuring unit 6 is provided at a position where the collector electrode 12, the collector region 14, the buffer region 16, the drift region 18 and the body region 20 are stacked. Unlike the drive unit 4 in FIG. 2, the potential measurement unit 6 in FIG. 3 has neither the trench gate electrode 28 nor the emitter electrode 32, and neither the emitter region 24 nor the body contact region 22.

電位計測部6には電位計測用トレンチが形成されており、その電位計測用トレンチの内部に電位計測用絶縁膜34と電位計測用電極36が形成されている。電位計測用トレンチは基板の表面側から深さ方向に伸びている。電位計測用絶縁膜34は酸化シリコンによって形成されており、電位計測用電極36の両側面のみを覆っている。電位計測用電極36はリンを高濃度に含むn++型のポリシリコンによって形成されている。電位計測用電極36は非常に高濃度のリンを含んでおり、等価的に導体とみなすことができる。電位計測用電極36の上部には、アルミニウムからなる電位計測用パッド38が形成されている。電位計測用電極36はその底面でコレクタ領域14、バッファ領域16、ドリフト領域18、あるいはボディ領域20と接触しており、その底面が位置する深さにおける半導体装置2の内部電位を電位計測用パッド38から検出することができる。電位計測用パッド38は層間絶縁膜40によってボディ領域20から絶縁されている。   A potential measuring trench is formed in the potential measuring unit 6, and a potential measuring insulating film 34 and a potential measuring electrode 36 are formed inside the potential measuring trench. The potential measurement trench extends in the depth direction from the surface side of the substrate. The potential measurement insulating film 34 is formed of silicon oxide and covers only both side surfaces of the potential measurement electrode 36. The potential measuring electrode 36 is made of n ++ type polysilicon containing phosphorus at a high concentration. The potential measuring electrode 36 contains a very high concentration of phosphorus and can be regarded as a conductor equivalently. A potential measurement pad 38 made of aluminum is formed on the potential measurement electrode 36. The potential measurement electrode 36 is in contact with the collector region 14, the buffer region 16, the drift region 18, or the body region 20 at the bottom surface, and the potential of the semiconductor device 2 at the depth where the bottom surface is located 38. The potential measurement pad 38 is insulated from the body region 20 by the interlayer insulating film 40.

なお図3では底面の深さが異なる2つの電位計測用トレンチと、それらの電位計測用トレンチに対応する電位計測用絶縁膜34、電位計測用電極36、電位計測用パッド38について例示しているが、電位計測部6は、種々の深さで形成された多数の電位計測用トレンチと、それらの電位計測用トレンチに対応する多数の電位計測用絶縁膜34、電位計測用電極36、電位計測用パッド38を備えている。各電位計測用パッド38を介して電位を計測することによって、半導体装置2の内部電位の深さ方向分布を知ることができる。   FIG. 3 illustrates two potential measurement trenches having different bottom depths, a potential measurement insulating film 34, a potential measurement electrode 36, and a potential measurement pad 38 corresponding to the potential measurement trenches. However, the potential measurement unit 6 includes a large number of potential measurement trenches formed at various depths, a large number of potential measurement insulating films 34 corresponding to these potential measurement trenches, a potential measurement electrode 36, and a potential measurement. Pad 38 is provided. By measuring the potential via each potential measurement pad 38, the depth direction distribution of the internal potential of the semiconductor device 2 can be known.

ここで、半導体装置2の製造方法を簡単に説明する。まず、コレクタ領域14となる半導体基板を用意し、その半導体基板上にバッファ領域16、ドリフト領域18を順にエピタキシャル成長して形成する。次に、ボディ領域20をイオン注入技術及び熱拡散を利用して形成する。次に、イオン注入技術を利用してボディ領域20の表面部にエミッタ領域24とボディコンタクト領域22を選択的に形成する。
次に、所定の位置関係にゲート電極用トレンチと電位計測用トレンチを形成した後に、それらのトレンチの側壁を熱酸化し、ゲート絶縁膜30と電位計測用絶縁膜34を形成する。そして、電位計測用トレンチの底部に形成された酸化膜のみを選択的に除去する。
次いでゲート電極用トレンチと電位計測用トレンチにそれぞれポリシリコンを充填し、イオン注入技術によってゲート電極28と電位計測用電極36をそれぞれ形成する。その後、ボディ領域26の表面にアルミニウムを形成することによってエミッタ電極32、小信号入力用パッド29および電位計測用パッド38を形成し、半導体基板(コレクタ領域14)の裏面にアルミニウムを蒸着することによってコレクタ電極12を形成する。これらの手順を経て、半導体装置2を得ることができる。
Here, a method for manufacturing the semiconductor device 2 will be briefly described. First, a semiconductor substrate to be the collector region 14 is prepared, and a buffer region 16 and a drift region 18 are formed on the semiconductor substrate by epitaxial growth in order. Next, the body region 20 is formed using an ion implantation technique and thermal diffusion. Next, an emitter region 24 and a body contact region 22 are selectively formed on the surface portion of the body region 20 using an ion implantation technique.
Next, after forming the gate electrode trench and the potential measurement trench in a predetermined positional relationship, the side walls of these trenches are thermally oxidized to form the gate insulating film 30 and the potential measurement insulating film 34. Then, only the oxide film formed at the bottom of the potential measurement trench is selectively removed.
Next, the gate electrode trench and the potential measurement trench are filled with polysilicon, respectively, and the gate electrode 28 and the potential measurement electrode 36 are formed by an ion implantation technique. Thereafter, the emitter electrode 32, the small signal input pad 29, and the potential measurement pad 38 are formed by forming aluminum on the surface of the body region 26, and aluminum is deposited on the back surface of the semiconductor substrate (collector region 14). A collector electrode 12 is formed. The semiconductor device 2 can be obtained through these procedures.

半導体装置2において、エミッタ電極32を接地し、コレクタ電極12に正電圧を印加した状態で、ゲート電極28に正電圧が印加されると、ゲート電極28の側方のボディ領域20にnチャンネルが形成されて、コレクタ/エミッタ間がpn接合ダイオードと等価となる。コレクタ/エミッタ間の電圧によって、pn接合ダイオードがオンされて、半導体装置2の深さ方向に大電流が流れる。
このときに、半導体装置2では、エミッタ領域24からの電子とコレクタ領域14からの正孔がドリフト領域18に注入され、ドリフト領域18において伝導度変調が起こる。これによって、ドリフト領域18の抵抗が下がり、オン電圧が抑制される。
In the semiconductor device 2, when a positive voltage is applied to the gate electrode 28 while the emitter electrode 32 is grounded and a positive voltage is applied to the collector electrode 12, an n channel is formed in the body region 20 on the side of the gate electrode 28. Thus, the collector / emitter is equivalent to a pn junction diode. The pn junction diode is turned on by the voltage between the collector and the emitter, and a large current flows in the depth direction of the semiconductor device 2.
At this time, in the semiconductor device 2, electrons from the emitter region 24 and holes from the collector region 14 are injected into the drift region 18, and conductivity modulation occurs in the drift region 18. This reduces the resistance of the drift region 18 and suppresses the on-voltage.

半導体装置2では、電位計測用パッド38をワイヤーを介して電位計に結線することで、接地電位からの電位を計測することができる。電位計測用トレンチは種々の深さで形成されているため、素子の深さ方向についての内部の電位分布を計測することができる。   In the semiconductor device 2, the potential from the ground potential can be measured by connecting the potential measuring pad 38 to the electrometer via a wire. Since the potential measuring trench is formed at various depths, the internal potential distribution in the depth direction of the element can be measured.

図4は半導体装置2を通常状態で動作させたときに計測される内部電位の深さ方向分布を例示している。この場合には、ドリフト領域18からバッファ領域16にかけて、電位はなだらかに変化していく分布を示していることが分かる。   FIG. 4 exemplifies the depth direction distribution of the internal potential measured when the semiconductor device 2 is operated in the normal state. In this case, it can be seen that the potential gradually changes from the drift region 18 to the buffer region 16.

図5は半導体装置2を短絡状態で動作させたときに計測される内部電位の深さ方向分布を例示している。この場合には、ドリフト領域18の上部付近では電位はあまり変化していないが、ドリフト領域18の下端付近、すなわちドリフト領域18とバッファ領域16との境界付近において電位が急激に変化していることが分かる。   FIG. 5 illustrates a depth direction distribution of the internal potential measured when the semiconductor device 2 is operated in a short circuit state. In this case, the potential does not change much near the upper portion of the drift region 18, but the potential changes rapidly near the lower end of the drift region 18, that is, near the boundary between the drift region 18 and the buffer region 16. I understand.

図4や図5に示すような内部電位の深さ方向分布が取得されると、半導体装置2の内部における電界強度を計算することができる。図6は内部電位の深さ方向分布から、半導体装置2の内部における電界強度を計算する様子を模式的に示している。電位計測用トレンチAで計測される電位をVA、電位計測用トレンチBで計測される電位をVB、電位計測用トレンチAと電位計測用トレンチBの間隔をL、電位計測用トレンチAと電位計測用トレンチBの底面の深さの差をΔhとする。間隔Lが大きく離れていなければ、電位計測用トレンチAの底面の深さから電位計測用トレンチBの底面の深さまでの間にある領域における電界強度EBAは次式で計算することができる。
EBA=α×(VB−VA)/Δh
ここでαは所定の係数であり、予め取得されている。この電界強度EBAを半導体材料の許容電界強度と比較することで、半導体装置2が異常な電界集中によって破壊してしまうか否かを判断することができる。
When the depth distribution of the internal potential as shown in FIGS. 4 and 5 is obtained, the electric field strength inside the semiconductor device 2 can be calculated. FIG. 6 schematically shows how the electric field strength inside the semiconductor device 2 is calculated from the distribution of the internal potential in the depth direction. The potential measured in the potential measuring trench A is VA, the potential measured in the potential measuring trench B is VB, the interval between the potential measuring trench A and the potential measuring trench B is L, the potential measuring trench A and the potential measuring. The difference in the depth of the bottom surface of the trench B for use is represented by Δh. If the distance L is not greatly separated, the electric field strength EBA in a region between the depth of the bottom surface of the potential measurement trench A and the depth of the bottom surface of the potential measurement trench B can be calculated by the following equation.
EBA = α × (VB−VA) / Δh
Here, α is a predetermined coefficient, which is acquired in advance. By comparing this electric field strength EBA with the allowable electric field strength of the semiconductor material, it can be determined whether or not the semiconductor device 2 is destroyed due to abnormal electric field concentration.

以上のように、本実施例の半導体装置2は所望の深さで形成された電位計測用トレンチを備えており、半導体装置2の所望の深さにおける内部電位を計測することができる。深さの異なる2以上の電位計測用トレンチを形成することによって、半導体装置2の内部電位の深さ方向の分布を計測することができる。半導体装置2の内部電位の深さ方向の分布から、半導体装置2の内部における電界強度を算出することができ、半導体装置2の内部における異常な電界集中を検出することが可能となる。   As described above, the semiconductor device 2 of the present embodiment includes the potential measurement trench formed at a desired depth, and can measure the internal potential of the semiconductor device 2 at the desired depth. By forming two or more potential measuring trenches having different depths, the distribution of the internal potential of the semiconductor device 2 in the depth direction can be measured. From the distribution of the internal potential of the semiconductor device 2 in the depth direction, the electric field strength inside the semiconductor device 2 can be calculated, and abnormal electric field concentration inside the semiconductor device 2 can be detected.

なお半導体装置2における電位計測用トレンチの配置は、図1では素子の中央に等間隔で一列に配置されているが、これ以外のどのような配置の仕方をしてもよい。例えば、電位計測用トレンチを素子の周縁部分に配置してもよいし、電位計測用トレンチが互いに等間隔とならないように配置してもよいし、電位計測用トレンチが一列とならないように配置してもよい。   The potential measurement trenches in the semiconductor device 2 are arranged in a line at equal intervals in the center of the element in FIG. 1, but any other arrangement method may be used. For example, the potential measurement trenches may be arranged at the peripheral portion of the element, the potential measurement trenches may be arranged so as not to be equally spaced from each other, or the potential measurement trenches may be arranged not to be in a line. May be.

また電位計測用パッド38の配置は、図3では電位計測用トレンチの内部に形成された電位計測用電極36の真上に配置されているが、これ以外にも、例えば半導体装置2の任意の場所に電位計測用パッド38を配置して、電位計測用電極36の上部から配線を伸ばして電位計測用パッド38と接続する構成としてもよい。   Further, in FIG. 3, the potential measurement pad 38 is disposed immediately above the potential measurement electrode 36 formed inside the potential measurement trench, but other than this, for example, any potential of the semiconductor device 2 may be provided. A configuration may be adopted in which the potential measurement pad 38 is disposed at a place, and the wiring is extended from the upper portion of the potential measurement electrode 36 to be connected to the potential measurement pad 38.

なお図7に示すように、電位計測用トレンチを幅広に形成可能な場合には、図3のようにトレンチの内部にn++型のポリシリコンを充填して電位計測用電極36を形成することなく、トレンチの底部に電位計測用パッド38を直接形成する構成としてもよい。この場合、電位計測用トレンチの幅を、底部に形成される電位計測用パッド38へのワイヤーWの結線作業が行えるような幅となるようにすべきである点に留意する。   As shown in FIG. 7, when the potential measurement trench can be formed wide, the potential measurement electrode 36 is not formed by filling the trench with n ++ type polysilicon as shown in FIG. The potential measurement pad 38 may be directly formed at the bottom of the trench. In this case, it should be noted that the width of the potential measurement trench should be such that the wire W can be connected to the potential measurement pad 38 formed at the bottom.

なお本実施例ではトレンチゲート型のIGBTに適用する場合について説明したが、本発明はプレーナゲート型のIGBTに適用することも可能である。
また、IGBTに限られず、MOSFETなどの半導体装置の深さ方向に電流を流すパワー半導体装置全般に適用することができる。
これらのパワー半導体装置では、深さ方向に電流を流すため、短絡状態に入った場合に深さ方向の電位分布が大きな影響を及ぼす。従って、本発明の電位計測手法によって深さ方向の電位分布を計測することで、素子破壊に直結する電界集中を検出することができる。
In this embodiment, the case where the present invention is applied to a trench gate type IGBT has been described. However, the present invention can also be applied to a planar gate type IGBT.
Further, the present invention is not limited to IGBTs, and can be applied to all power semiconductor devices that allow current to flow in the depth direction of semiconductor devices such as MOSFETs.
In these power semiconductor devices, since a current flows in the depth direction, the potential distribution in the depth direction has a great influence when entering a short circuit state. Therefore, by measuring the potential distribution in the depth direction by the potential measurement method of the present invention, it is possible to detect the electric field concentration directly connected to the element breakdown.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

半導体装置2を上方から見た平面図である。FIG. 3 is a plan view of the semiconductor device 2 as viewed from above. 半導体装置2の駆動部4の断面図である。3 is a cross-sectional view of a drive unit 4 of a semiconductor device 2. FIG. 半導体装置2の電位計測部6の断面図である。3 is a cross-sectional view of a potential measurement unit 6 of a semiconductor device 2. FIG. 半導体装置2を通常状態で動作させたときに計測される内部電位の深さ方向分布を例示する図である。It is a figure which illustrates the depth direction distribution of the internal potential measured when the semiconductor device 2 is operated in a normal state. 半導体装置2を短絡状態で動作させたときに計測される内部電位の深さ方向分布を例示する図である。It is a figure which illustrates the depth direction distribution of the internal potential measured when the semiconductor device 2 is operated in a short circuit state. 半導体装置2の内部電位の深さ方向分布から、半導体装置2の内部における電界強度を計算する様子を模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing how electric field strength inside a semiconductor device 2 is calculated from the depth direction distribution of the internal potential of the semiconductor device 2. 電位計測用トレンチの底部に電位計測用パッド38を直接形成する場合の半導体装置2の電位計測部6の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the potential measurement unit 6 of the semiconductor device 2 when the potential measurement pad 38 is directly formed at the bottom of the potential measurement trench. 薄板型のIGBTの内部における電界強度の深さ方向分布を示す図である。It is a figure which shows the depth direction distribution of the electric field strength inside a thin-plate-type IGBT.

符号の説明Explanation of symbols

2:半導体装置
4:駆動部
6:電位計測部
12:コレクタ電極
14:コレクタ領域
16:バッファ領域
18:ドリフト領域
20:ボディ領域
22:ボディコンタクト領域
24:エミッタ領域
26:層間絶縁膜
28:ゲート電極
29:小信号入力用パッド
30:ゲート絶縁膜
32:エミッタ電極
34:電位計測用絶縁膜
36:電位計測用電極
38:電位計測用パッド
40:層間絶縁膜
2: Semiconductor device 4: Driving unit 6: Potential measuring unit 12: Collector electrode 14: Collector region 16: Buffer region 18: Drift region 20: Body region 22: Body contact region 24: Emitter region 26: Interlayer insulating film 28: Gate Electrode 29: Small signal input pad 30: Gate insulating film 32: Emitter electrode 34: Potential measuring insulating film 36: Potential measuring electrode 38: Potential measuring pad 40: Interlayer insulating film

Claims (3)

半導体装置であって、
半導体基板の表面から深さ方向に伸びる電位計測用トレンチが形成されており、
その電位計測用トレンチは、側面に絶縁膜が形成されており、底面の一部または全部に絶縁膜が形成されておらず、
その電位計測用トレンチの底面の電位を検出する電位計測用電極を備えている半導体装置。
A semiconductor device,
A potential measurement trench extending in the depth direction from the surface of the semiconductor substrate is formed,
In the potential measurement trench, an insulating film is formed on the side surface, and an insulating film is not formed on a part or all of the bottom surface.
A semiconductor device comprising a potential measurement electrode for detecting the potential of the bottom surface of the potential measurement trench.
底面の深さの異なる複数の電位計測用トレンチが形成されており、
各電位計測用トレンチが電位計測用電極を備えている請求項1の半導体装置。
A plurality of potential measurement trenches having different bottom depths are formed,
The semiconductor device according to claim 1, wherein each potential measuring trench includes a potential measuring electrode.
請求項2の半導体装置の内部における電界強度を計測する方法であって、
2以上の電位計測用電極の電位のそれぞれを計測する工程と、
1つの電位計測用電極で計測された電位と、他の1つの電位計測用電極で計測された電位と、前記1つの電位計測用電極に対応する電位計測用トレンチの底面の深さと前記他の1つの電位計測用電極に対応する電位計測用トレンチの底部の深さの差に基づいて、電界強度を計算する工程を備えている電界強度の計測方法。
A method for measuring electric field strength inside a semiconductor device according to claim 2, comprising:
Measuring each potential of two or more potential measurement electrodes;
The potential measured by one potential measurement electrode, the potential measured by another potential measurement electrode, the depth of the bottom surface of the potential measurement trench corresponding to the one potential measurement electrode, and the other An electric field strength measurement method comprising a step of calculating electric field strength based on a difference in depth of a bottom portion of a potential measurement trench corresponding to one potential measurement electrode.
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