JP4984485B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やMOSFETなどの半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET.
図6は、従来の半導体装置におけるIGBTの1ユニットセルの配置を模式的に示す平面図である。図中で、51は半導体チップ(以下、チップと称す)であり、39はエミッタ電極であり、40はゲートパッドである。43で示す複数の破線は、それぞれがユニットセルを表している。46は耐圧構造である。
図6に示すように、ユニットセル43は、チップ51の全面に渡って規則正しく配置されている。すなわち、ユニットセル43は、たとえばストライト状の配置の場合、チップ51の中央部でも外周部でも同じ間隔で並んでいる。このような規則的な配置は、エミッタ構造がプレーナ構造であっても、トレンチ構造であっても同様である。また、パワーMOSFETでも同様である。
このIGBTのエミッタ電極39は5μm程度の薄いAl膜で形成されており、このエミッタ電極39と外部導出端子をアルミワイヤで接続する。IGBTがオン状態となりチップ51内に主電流が流れるとチップが発熱する。この発熱によるチップ51の温度分布は放熱の良好なチップ31の外周部は温度が低く、放熱の悪いチップの中央部は温度が高くなる。このチップ51内の温度を均一にするために、チップ51の中央部のユニットセル43の密度を疎にし、外周部を密にすることが提案されている(例えば、特許文献1)。
FIG. 6 is a plan view schematically showing the arrangement of one unit cell of an IGBT in a conventional semiconductor device. In the figure, 51 is a semiconductor chip (hereinafter referred to as a chip), 39 is an emitter electrode, and 40 is a gate pad. A plurality of broken lines indicated by 43 each represents a unit cell. 46 is a pressure | voltage resistant structure.
As shown in FIG. 6, the
The
また、図6に示すようなIGBTチップ(チップ51)を搭載した図7に示すようなIGBTモジュールでは、チップ51への電気配線はエミッタ電極39にアルミワイヤ53を超音波接合して行われていたが、最近では、電気特性と熱特性の向上を狙い、エミッタ電極39上に高熱伝導体であるヒートスプレッダ60を接合する構造や、図8に示すようなリードフレーム63を電気配線とする構造も提案されている(例えば、特許文献2)。尚、図16中で52、61、62ははんだ、54は外部導出端子、55は絶縁基板、56はヒートシンク、57はケース、58はゲル、59は絶縁基板55に形成される回路パターンを示す。
しかし、特許文献1においては、エミッタ電極39上に図7に示すようなヒートスプレッダ60のような高熱伝導体がないため、過渡時から定常時までチップ51の温度上昇が高くなる。また、短絡状態など短時間(msec.以下)に急激に大きな負荷がかかった場合に温度上昇を抑えることは難しく、熱暴走してチップ51が破壊することがある。
また、特許文献2においては、図7に示すヒートスプレッダ60の熱容量と熱拡散効果により、過渡時から定常時までチップ51の温度上昇を低減することが可能になるが、短絡状態など短時間(msec.以下)に急激に大きな負荷が印加された場合には、ヒートスプレッダ60直下の温度上昇はヒートスプレッダ60の熱容量により抑制できるが、図9に示すようにヒートスプレッダ60から外れる箇所64にあるチップ51の周辺部ではこの熱容量の寄与がないために温度上昇を抑えることが難しく、熱暴走してチップ51が破壊することがある。尚、図中で42はコレクタ電極、44は保護膜、47は活性領域、49はフィレットである。
However, in Patent Document 1, since there is no high heat conductor such as the
In
これを防ぐために、エミッタ電極39のAl膜を10μm以上に厚くした厚いエミッタ電極65を形成した場合、図10に示すように、厚いエミッタ電極65の端部のパターニングに乱れが生じて、その一部が耐圧構造46と重なるように固着して、耐圧低下を招くことがある。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、通常動作時のみだけでなく、短絡時などでも安定してチップの温度上昇を抑えることができる半導体装置を提供することである。
In order to prevent this, when the
An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a semiconductor device capable of stably suppressing a temperature rise of a chip not only during normal operation but also during a short circuit.
前記の目的を達成するために、第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の表面に形成された第2導電型のベース層と、前記ベース層内に形成された第1導電型の不純物拡散領域と、前記不純物拡散領域と前記ドリフト層の間のチャネルとなる領域に接して設けられた絶縁ゲート構造と、前記不純物拡散領域および前記ベース領域の両方に電気的に接続する電極とを備え、前記不純物拡散領域,前記チャネル領域,前記絶縁ゲート構造からなるユニットセルを複数設けた半導体装置において、前記半導体装置の外周部における電流密度を、中央部における電流密度より小さくした構成とする。
また、第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の表面に形成された第2導電型のベース層と、前記ベース層内に形成された第1導電型の不純物拡散領域と、前記不純物拡散領域と前記ドリフト層の間のチャネルとなる領域に接して設けられた絶縁ゲート構造と、前記不純物拡散領域および前記ベース領域の両方に電気的に接続する電極とを備え、前記不純物拡散領域,前記チャネル領域,前記絶縁ゲート構造からなるユニットセルを複数設けた半導体装置において、前記半導体装置の中央部における隣接するユニットセルの間隔を、外周部におけるユニットセルの間隔より狭く配置した構成とする。
To achieve the above object, a first conductivity type drift layer, a second conductivity type base layer formed on a surface of the drift layer, and a first conductivity type impurity formed in the base layer. A diffusion region; an insulated gate structure provided in contact with a region serving as a channel between the impurity diffusion region and the drift layer; and an electrode electrically connected to both the impurity diffusion region and the base region. In the semiconductor device in which a plurality of unit cells each having the impurity diffusion region, the channel region, and the insulated gate structure are provided, the current density in the outer peripheral portion of the semiconductor device is set smaller than the current density in the central portion.
A first conductivity type drift layer; a second conductivity type base layer formed on a surface of the drift layer; a first conductivity type impurity diffusion region formed in the base layer; and the impurity diffusion. An insulating gate structure provided in contact with a region to be a channel between the region and the drift layer, and an electrode electrically connected to both the impurity diffusion region and the base region, the impurity diffusion region, In a semiconductor device provided with a plurality of unit cells each having a channel region and the insulated gate structure, the interval between adjacent unit cells in the central portion of the semiconductor device is arranged to be narrower than the interval between unit cells in the outer peripheral portion.
また、第1導電型のドリフト層と、前記ドリフト層の表面に形成された第2導電型のベース層と、前記ベース層内に形成された第1導電型の不純物拡散領域と、前記不純物拡散領域と前記ドリフト層の間のチャネルとなる領域に接して設けられた絶縁ゲート構造と、前記不純物拡散領域および前記ベース領域の両方に電気的に接続する電極とを備え、前記不純物拡散領域,前記チャネル領域,前記絶縁ゲート構造からなるユニットセルを複数設けた半導体装置において、前記半導体装置の中央部には、前記ユニットセルを等間隔で配置し、外周部には前記不純物拡散領域が形成されないユニットセルを配置した構成とする。
また、少なくとも前記中央部のユニットセル上の前記電極上に高熱伝導体が固着もしくは前記電極と一体配置されているとよい。
A first conductivity type drift layer; a second conductivity type base layer formed on a surface of the drift layer; a first conductivity type impurity diffusion region formed in the base layer; and the impurity diffusion. An insulating gate structure provided in contact with a region to be a channel between the region and the drift layer, and an electrode electrically connected to both the impurity diffusion region and the base region, the impurity diffusion region, In a semiconductor device provided with a plurality of unit cells each having a channel region and the insulated gate structure, the unit cells are arranged at equal intervals in the central portion of the semiconductor device, and the impurity diffusion region is not formed in the outer peripheral portion. The cell is arranged.
Further, it is preferable that a high thermal conductor is fixed or disposed integrally with the electrode on at least the electrode on the central unit cell.
また、前記高熱伝導体は、ヒートスプレッダ,前記電極の中央部を選択的に厚くした部分,はんだ層少なくとも一つであるとよい。
また、前記電極と前記高熱伝導体としてのヒートスプレッダを導電性接着剤で固着するとよい。
また、前記導電性接着剤は、はんだもしくは金属ナノフィラーであるとよい。
また、前記高熱伝導体の熱伝導率は、前記半導体装置を形成する半導体基板の熱伝導率以上であるとよい。
また、前記中央部上の前記電極の厚さは10μm以上であるとよい。
また、前記外周部は、前記半導体装置の外周部に形成される耐圧構造部より内側から前記高熱導電体の外周端をまたぎ、前記高熱伝導体の外周端より内側であって該外周端近傍に渡る箇所であるとよい。
The high thermal conductor may be a heat spreader, a portion in which the central portion of the electrode is selectively thickened, or at least one solder layer.
The electrode and the heat spreader as the high thermal conductor may be fixed with a conductive adhesive.
The conductive adhesive may be solder or metal nanofiller.
The thermal conductivity of the high thermal conductor may be equal to or higher than the thermal conductivity of the semiconductor substrate forming the semiconductor device.
Moreover, the thickness of the electrode on the central portion is preferably 10 μm or more.
In addition, the outer peripheral portion straddles the outer peripheral end of the high thermal conductor from the inner side than the pressure-resistant structure portion formed in the outer peripheral portion of the semiconductor device, and is inside the outer peripheral end of the high thermal conductor and in the vicinity of the outer peripheral end. It should be a crossing point.
この発明によれば、10μm以上の厚いエミッタ電極や数100μm厚のヒートスプレッダなどの高熱伝導体が半導体チップ表面(エミッタ電極)上に固着した半導体装置において、半導体チップの中央部のユニットセルの密度を密とし、外周部のユニットセルの密度を疎とすることで、通常動作のみでなく、短絡状態の短時間に大きな電流が印加された場合でも安定してチップの温度上昇を抑えることができて、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
また、ユニットセルの密度が密で発熱密度が高くなる箇所の上に、厚いエミッタ電極やヒートスプレッダのような高熱伝導体を配置することで、通常動作時のみだけでなく、短絡時などでも安定してチップの温度上昇を抑えることができて、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
According to the present invention, in a semiconductor device in which a high thermal conductor such as a thick emitter electrode having a thickness of 10 μm or more and a heat spreader having a thickness of several hundred μm is fixed on the surface of the semiconductor chip (emitter electrode), the density of the unit cell in the central portion of the semiconductor chip is reduced. By increasing the density and density of the unit cells on the outer periphery, it is possible to stably suppress chip temperature rise not only during normal operation but also when a large current is applied in a short time in a short-circuit state. A highly reliable semiconductor device can be provided.
In addition, by placing a high thermal conductor such as a thick emitter electrode or heat spreader on the part where the density of the unit cells is high and the heat generation density is high, it is stable not only during normal operation but also during short-circuiting. Thus, a rise in the temperature of the chip can be suppressed, and a highly reliable semiconductor device can be provided.
実施の形態を以下の実施例にて説明する。 Embodiments will be described in the following examples.
図1は、この発明の第1実施例の半導体装置の構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図、同図(c)は同図(b)のA部詳細図である。この半導体装置はトレンチゲート型IGBTを例として挙げた。
n- ドリフト層1の表面にpベース領域2が形成され、pベース領域2を貫通しn- ドリフト層1に達するトレンチ3が形成される。このトレンチ3の内壁にゲート絶縁膜4が形成され、トレンチ3内にゲート絶縁膜4を介して充填されるゲート電極5が形成される。このトレンチ3に挟まれたpベース領域2の表面層にn+ エミッタ領域7とp+ ベースコンタクト領域8が形成される。表面にコンタクトホールのある層間絶縁膜6が形成され、n+ エミッタ領域7とp+ ベースコンタクト領域8とに電気的に接するエミッタ電極9が形成される。前記のn+ エミッタ領域7とn- ドリフト層1に挟まれたpベース領域2でトレンチ3の側面にチャネルが形成される。
FIG. 1 is a block diagram of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view of an essential part, and FIG. 1 (b) is cut along line XX in FIG. 1 (a). Cross-sectional view of the main part, FIG. 10C is a detailed view of part A of FIG. This semiconductor device is exemplified by a trench gate type IGBT.
n - is
n- ドリフト層1の裏面にp+ コレクタ層11が形成され、p+ コレクタ層11と電気的に接するコレクタ電極12が形成される。トレンチ3とpベース領域2とn+ エミッタ領域7およびp+ ベースコンタクト領域8を合わせて一つのユニットセル13とし、このユニットセル13が複数個配置され、最外周部の耐圧構造16上に保護膜14が被覆され、トレンチゲート型IGBTチップ15が形成される。
このチップ15の表面には前記のエミッタ電極9と、前記のゲート電極5が接続するゲートパッド10とが形成され、それらを取り囲むようにチップ15の最外周部に耐圧構造16が形成される。このチップ15の活性領域17は耐圧構造16で取り囲まれている。 エミッタ電極9上に熱伝導率が100W/m・K以上ある高熱伝導体(例えば、銅部材)であるヒートスプレッダ20がはんだ18で固着されている。この場合、Al膜であるエミッタ電極9上に無電解Niめっきを施し、このNiめっき膜とヒートスプレッダ20をはんだ18で固着する。ここで、図1(b)において、100をチップ15の中央部、200をチップ15の外周部とする。外周部200は、耐圧構造16より内側であって、ヒートスプレッダ20の外周端をまたいで前記ヒートスプレッダ20の外周端より内側であって該外周端近傍(図1(b)の矢印参照)に渡る箇所をいう。
A p + collector layer 11 is formed on the back surface of the n − drift layer 1, and a
The
チップ15の中央部のユニットセル13の間隔を狭くしてその密度を密とし、外周部のはんだ18のフィレット19が形成されている箇所に位置するユニットセル13の間隔を広くしてその密度を疎とする。こうすると、チップ15の中央部のチャネル密度が密となり、外周部のチャネル密度が疎となり、チップ15の中央部に流れる主電流が大きくなり、外周部に流れる主電流が小さくなる。そのため外周部での発熱が小さくなり、ヒートスプレッダ20から外れた箇所21の温度上昇を抑えることができる。また、発熱の大きいユニットセル13が密な箇所にはヒートスプレッダ20が配置されているので温度上昇が抑えられ、チップ15の面内の温度分布は均一化される。
図1(b)に示すように、ユニットセルの密度が疎となる外周部200をヒートスプレッダ20の外周端よりやや内側としたことで、ヒートスプレッダ20の外周端とはんだ18のフィレット19との境界部直下においてもユニットセルの密度が疎となり、主電流による発熱が抑制される。よって、境界部に印加される熱応力が小さくなるため、亀裂の発生などが抑制されて半導体装置の信頼性が向上する。
The density of the
As shown in FIG. 1B, the outer
こうすることで、IGBTの通常動作時のみだけでなく、短絡時などでも安定してチップの温度上昇を抑えることができて、チップの破壊を防止することができる。
一般的にはチップ(半導体素子)をシリコン基板に形成した場合の熱伝導率は100W/m・K程度のものが殆どであるため、ヒートスプレッダ20として、その熱伝導率が100W/m・K以上あるもの(例えば、銅など)を選択するのがよい。また、ヒートスプレッダ20の厚みは0.2mm以上とすると熱放散効率が特によくなる。
前記のヒートスプレッダ20とエミッタ電極9の固着をはんだ18で行ったが、Ag、Cuなどの金属ナノフィラーを使用した金属接合としても構わない。また、エミッタ電極9は5μm程度のAl膜で形成される。
前記のような構成とすることで、外周部に流れる主電流を小さくすることができ、発生する損失を減らし、特に短絡時などmsecオーダー以下での微少時間に大電流・高電圧が印加された状態でも、ヒートスプレッダ20などの高熱伝導体が固着していないチップ15の外周部での温度上昇を抑えることができて、チップ15の破壊を防止することができる。
By doing so, not only during normal operation of the IGBT but also in a short circuit, the temperature rise of the chip can be stably suppressed, and chip destruction can be prevented.
Generally, the thermal conductivity when a chip (semiconductor element) is formed on a silicon substrate is almost 100 W / m · K. Therefore, the
The
By adopting the configuration as described above, it is possible to reduce the main current flowing in the outer peripheral portion, reduce the generated loss, and a large current / high voltage is applied in a very short time of the order of msec or less, particularly during a short circuit. Even in the state, the temperature rise at the outer peripheral portion of the
尚、前記ではユニットセル13の密度を中央部と外周部で変化させたが、ユニットセル13間隔自体は変えずに外周部に位置する一部のユニットセル13にn+ エミッタ領域7を形成しないことにより外周部のチャネル密度を中央部より低減することができる。
In the above description, the density of the
図2は、この発明の第2実施例の半導体装置の要部断面図である。この要部断面図は図1(b)に相当する要部断面図である。
図1との違いは、ヒートスプレッダ20に相当する働きをエミッタ電極9に持たせ、ユニットセル13が密な箇所(中央部)の上に形成されるエミッタ電極9の厚さを10μm以上の厚さにして厚いエミッタ電極22を形成した点である。外周部の通常のエミッタ電極9の厚さは5μm程度であり、中央部のエミッタ電極22の厚みを10μm以上とし、望ましくは50μm以上とする。また、厚いエミッタ電極22の面積を薄いエミッタ電極9の面積の40%以上とすると効果的である。
また、厚いエミッタ電極22の占める面積を小さくする場合は、間隔が狭いユニットセル13の占める面積もこれに応じて小さくする。
FIG. 2 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. This principal part sectional drawing is a principal part sectional view equivalent to Drawing 1 (b).
The difference from FIG. 1 is that the
Further, when the area occupied by the
このように厚いエミッタ電極22を中央部に形成するのは、前記したように、全体を厚いエミッタ電極とした場合には、厚いエミッタ電極の外周端の形状がパターニング(エッチング)で乱れて所定の通りのパターンが得られないで耐圧構造16上に部分的にこの厚いエミッタ電極22が乗り上げて耐圧が低下するからである。
また、厚いエミッタ電極22の外周端は、薄いエミッタ電極9の外周端(耐圧構造16の内端)から数100μm程度離して形成するとよい。この場合は当然ユニットセル13の疎の箇所もこれに合わせて広げる必要がある。
As described above, the
Further, the outer peripheral end of the
図3は、この発明の第3実施例の半導体装置の要部断面図である。この要部断面図は図2に相当する要部断面図である。
図2との違いは、厚いエミッタ電極22の代わりに厚いはんだ24をエミッタ電極9上に形成した点である。はんだ24は直接Al膜であるエミッタ電極9に固着しないため、電解Niめっき膜23をエミッタ電極9に被覆してその電解Niめっき膜23をを介してはんだ24を固着させる。このときのはんだ24の厚さを10μm以上とする。
尚、前記の第1〜第3実施例ではストライプ状のユニットセル13を並列して配置した例を挙げたが、この他に、図4のように外周部のユニットセル13が直交する方向のものや図5のようにユニットセル自体がストライプ状でなくドット状のユニットセル22にしたものでも構わない。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a principal part of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. This principal part sectional view is a principal part sectional view corresponding to FIG.
The difference from FIG. 2 is that a
In the first to third embodiments, the stripe-shaped
また、前記のゲート構造はトレンチ構造を例として上げたがプレーナ構造であってもよい。
また、前記の第1〜第3実施例はIGBTの場合を例に挙げたが、MOSFETであっても構わない。
また、前記の第1〜第3実施例では、シリコンを基板として形成した縦型のIGBTなどの半導体装置について説明したが、SiCやGaNなどの基板を用いた半導体装置であってもよい。
基板にSiCやGaNを用いた半導体装置の場合、これらの基板は元来熱伝導率に優れているが、前記の第1〜第3実施例の如く構成することにより、同様に、通常動作のみでなく、短絡状態の短時間に大きな電流が印加された場合でも安定してチップの温度上昇を抑えることができて、信頼性を高めることができる。
The gate structure is exemplified by a trench structure, but may be a planar structure.
In the first to third embodiments, the case of the IGBT is described as an example, but a MOSFET may be used.
In the first to third embodiments described above, the semiconductor device such as a vertical IGBT formed using silicon as a substrate has been described. However, a semiconductor device using a substrate such as SiC or GaN may be used.
In the case of semiconductor devices using SiC or GaN as substrates, these substrates are inherently excellent in thermal conductivity. However, by configuring as in the first to third embodiments, similarly, only normal operation is performed. In addition, even when a large current is applied in a short time in a short circuit state, the temperature rise of the chip can be stably suppressed, and the reliability can be improved.
尚、ヒートスプレッダとしては、銅やアルミニウムなどの高熱伝導率の金属を用い、銅などの金属ナノフィラーを用いて接合すればよい。金属ナノフィラーを用いることできわめて薄い接合層を実現できるため、SiCやGaNより熱伝導率の低い金属でも、熱抵抗を低くすることができる。
また、SiCやGaNをヒートスプレッダとして用いれば、半導体基板と同等の熱伝導率を有することとなって、放熱上有利である。
In addition, what is necessary is just to join using metal nano fillers, such as copper, using metals with high heat conductivity, such as copper and aluminum, as a heat spreader. Since an extremely thin bonding layer can be realized by using the metal nanofiller, the thermal resistance can be lowered even with a metal having a lower thermal conductivity than SiC or GaN.
Further, if SiC or GaN is used as a heat spreader, it has a thermal conductivity equivalent to that of a semiconductor substrate, which is advantageous in terms of heat dissipation.
1 n- ドリフト層
2 pベース領域
3 トレンチ
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
6 層間絶縁膜
7 n+ エミッタ電極
8 p+ ベースコンタクト領域
9 エミッタ電極
10 ゲートパッド
11 p+ コレクタ層
12 コレクタ電極
13 ユニットセル
14 保護膜
15 チップ
16 耐圧構造
17 活性領域
18、24 はんだ
19 フィレット
20 ヒートスプレッダ
21 外れた箇所
22 厚いエミッタ電極
23 電解Niめっき膜
100 中央部
200 外周部
1 n − drift layer 2
Claims (7)
前記半導体装置の外周部における電流密度が、中央部における電流密度より小さくなるように前記ユニットセルが配置され、
少なくとも、前記中央部に配置されたユニットセル上の前記電極上に熱伝導体が固着されるか、または、前記中央部に配置されたユニットセル上の前記電極上に該電極と一体となった熱伝導体が配置され、
前記熱伝導体は、ヒートスプレッダもしくははんだ層、または、前記電極の中央部を選択的に厚くした部分であり、
前記外周部は、前記半導体装置に形成される耐圧構造部の内側の領域であり、前記ヒートスプレッダもしくははんだ層の端部、または、前記電極の中央部を選択的に厚くした部分の端部が前記領域に位置している、
ことを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type drift layer; a second conductivity type base layer formed on a surface of the drift layer; a first conductivity type impurity diffusion region formed in the base layer; and the impurity diffusion region; An insulating gate structure provided in contact with a region to be a channel between the drift layers, and an electrode electrically connected to both the impurity diffusion region and the base region, the impurity diffusion region, the channel region In a semiconductor device provided with a plurality of unit cells having the insulated gate structure,
Wherein the current density at the outer peripheral portion of the semiconductor device, the unit cells to be smaller than the current density at the central portion is disposed,
At least a heat conductor is fixed on the electrode on the unit cell arranged in the central part, or is integrated with the electrode on the electrode on the unit cell arranged in the central part. Heat conductor is placed,
The heat conductor is a heat spreader or a solder layer, or a portion where the central portion of the electrode is selectively thickened,
The outer peripheral portion is a region inside a pressure-resistant structure portion formed in the semiconductor device, and an end portion of the heat spreader or the solder layer, or an end portion of a portion where the central portion of the electrode is selectively thickened Located in the area,
A semiconductor device.
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