(57)【要約】【課題】逆導通型半導体素子が作りこまれる半導体装置の外周部において、金属配線部のクラックの発生を防止することである。【解決手段】半導体装置１０は、ＩＧＢＴ２２と還流ダイオード２４が組み合わされた逆導通型半導体素子２０が作りこまれるメイン領域１４、及びメイン領域１４の外側に設けられる外周領域１８を含む主面を有する半導体基板１２を含み、メイン領域１４には、ＩＧＢＴ部２６と、ダイオード部２８と、金属配線部３０が配置される。そして、メイン領域１４の最外周であるメイン領域端にダイオード部２８が設けられる。メイン領域端に設けられるダイオード部２８の幅寸法Ｌは、約１５０μｍから約３００μｍの範囲に設定される。【選択図】図１
2016115869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＧＢＴと還流ダイオードが組み合わされた逆導通型半導体素子が作りこまれるメイン領域、及びメイン領域の外側に設けられる外周領域を含む主面を有する半導体基板を含み、
メイン領域には、ＩＧＢＴ部、ダイオード部、及び金属配線部が配置され、
メイン領域の最外周であるメイン領域端にダイオード部が設けられることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に係り、特にＩＧＢＴ素子とダイオード素子が作りこまれる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機等の駆動に用いられるインバータ回路においては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子等のパワートランジスタ素子と、パワートランジスタ素子に逆並列に接続された還流ダイオード素子とが用いられる。ＩＧＢＴ素子のエミッタ電極と還流ダイオードのアノード電極を共通電極とし、ＩＧＢＴ素子のコレクタ電極と還流ダイオードのカソード電極を共通電極とする構造を１つの半導体基板に作り込む逆導通型半導体素子は、ＲＣ−ＩＧＢＴ素子と呼ばれる。
【０００３】
特許文献１には、半導体装置として、１つの半導体基板に厚さ方向に複数のトレンチ構造を形成し、このトレンチ構造を用いた縦型ＩＧＢＴ素子と縦型還流ダイオード素子を交互に混在させて配置したＲＣ−ＩＧＢＴ素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１５６５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
１つの半導体基板にＩＧＢＴと還流ダイオードが組み合わされた逆導通型半導体素子を作りこめば、ＩＧＢＴ素子とダイオード素子の間の半田付け等の工程が不要となり、便利である。これを１つの半導体基板にＩＧＢＴ素子のみが作りこまれる半導体装置と比較したところ、逆導通型半導体素子が作りこまれる半導体装置の方が、外周部においてアルミニウム配線である金属配線部でクラックが発生しやすいことが分かった。その詳細については後述する。
【０００６】
本発明の目的は、逆導通型半導体素子が作りこまれるときに、外周部における金属配線部のクラックの発生を防止できる半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体装置は、ＩＧＢＴと還流ダイオードが組み合わされた逆導通型半導体素子が作りこまれるメイン領域、及びメイン領域の外側に設けられる外周領域を含む主面を有する半導体基板を含み、メイン領域には、ＩＧＢＴ部、ダイオード部、及び金属配線部が配置され、メイン領域の最外周であるメイン領域端にダイオード部が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
ＩＧＢＴ素子のみが作りこまれる半導体装置に比べて、逆導通型半導体素子が作りこまれる半導体装置の方が、外周部で金属配線部であるアルミニウム配線のクラックが発生しやすいことについて、実験と解析を行ったところ、ＩＧＢＴ素子のみが作りこまれる半導体装置に比べて、逆導通型半導体素子が作りこまれる半導体装置の方が、外周部における温度不均一が大きいことが分かった。この温度不均一によって金属配線のクラックが発生するものと考えられる。
【０００９】
本発明に係る半導体装置によれば、逆導通型側半導体素子が作りこまれるメイン領域の最外周であるメイン領域端にダイオード部が設けられる。通常、ＩＧＢＴ素子が動作するときにはダイオード素子は動作しないので、ＩＧＢＴ素子が動作して発生する熱は、ダイオード領域で吸収される。つまり、ダイオード部は放熱エリアとして働く。メイン領域の最外周部のメイン領域端にダイオード部が配置されるので、メイン領域の外周部は放熱効果が向上する。これにより、半導体装置の外周部における温度不均一が減少し、これによって金属配線部のクラックの発生が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施の形態の半導体装置の平面図である。
【図２】従来技術の半導体装置として、特許文献１の逆導通型半導体素子が作りこまれた半導体装置の構成を示す図である。図２（ａ）は、従来技術の半導体装置の平面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＢ部の拡大図で、ＩＧＢＴ部とダイオード部が交互に配置されることを示す図である。
【図３】従来技術の半導体装置の放熱特性と、ＩＧＢＴ素子のみが作りこまれた半導体装置の放熱特性を比較する図である。図３（ａ）〜（ｃ）の横軸は、半導体装置の中心位置から端部側に向かった位置を示し、縦軸は温度である。図３（ａ）は、従来技術の半導体装置の放熱特性を示す図で、（ｂ）は、ＩＧＢＴ素子のみが作りこまれた半導体装置の放熱特性を示す図で、（ｃ）は、（ａ）と（ｂ）について横軸を揃えて重ね合わせた放熱特性比較図である。（ｄ）は、（ａ）の半導体装置の放熱特性と（ｂ）の半導体装置の放熱特性の差に起因して、金属配線部に発生する熱応力の相違を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の半導体装置の作用効果を示す図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）〜（ｃ）に対応する図で、太線で示す部分が本発明の実施の形態に係る半導体装置の放熱特性の改善部分である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を用いて、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。以下では、従来技術として、特許文献１のトレンチ構造の逆導通型半導体素子を述べるが、これは説明のための一例を示すもので、本実施の形態の半導体装置においては、トレンチ構造でなくても構わない。また、ＩＧＢＴ素子が作りこまれる領域をＩＧＢＴ部と呼び、ダイオード素子が作りこまれる領域をダイオード部と呼ぶと、従来技術ではＩＧＢＴ部とダイオード部が交互に配置されることを述べるが、これは説明のための例示であって、本実施の形態の半導体装置においては、ＩＧＢＴ部とダイオード部が交互に配置されなくても構わない。
【００１２】
以下で述べる寸法等は説明のための例示であって、半導体装置の仕様に応じ適当に変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は、ＩＧＢＴとダイオードを含む半導体装置１０の平面図である。半導体装置１０は、回転電機の駆動回路であるインバータに用いられる。半導体装置１０は、半導体基板１２に逆導通型半導体素子２０が作りこまれたＲＣ−ＩＧＢＴ素子である。図１を半導体装置１０の平面図というのは、平板状の半導体基板１２の厚さ方向の２つの表面のうち、半導体素子が作りこまれる側の表面を第１主面とし、厚さ方向に対して第１主面とは反対側の裏面である表面を第２主面として、半導体装置１０の第１主面の平面図を指す。
【００１４】
半導体基板１２は、第１主面に、逆導通型半導体素子２０が作りこまれるメイン領域１４と、メイン領域１４の外側に設けられる外周領域１８とを含んで構成される。
【００１５】
半導体基板１２は、矩形の平面形状を有する。メイン領域１４も平面形状が矩形で、半導体基板１２の第１主面において、ほぼ中央部となる領域である。メイン領域１４と接続されるようにして配置されるパッド部１６は、メイン領域１４に作りこまれる逆導通型半導体素子２０の各電極から引き出され、外部接続部と接続するためのパッドが配置される領域である。半導体基板１２の第１主面のうち、メイン領域１４とパッド部１６を除いた領域が外周領域１８である。外周領域１８は、メイン領域１４とパッド部１６を合わせた領域の外周と、半導体基板１２の外形輪郭線との間の額縁状領域である。
【００１６】
逆導通型半導体素子２０は、ＩＧＢＴ２２と、ＩＧＢＴ２２に逆並列に接続されたダイオード２４で構成される。ＩＧＢＴ２２は、絶縁ゲート型のバイポーラトランジスタで、エミッタ、コレクタ、ゲートの３端子を有する。ＩＧＢＴ２２の構造としては特許文献１に記載されるトレンチ構造や、一般的なプレーナ構造を用いることができる。トレンチ構造とプレーナ構造を両立するように構成してもよい。ダイオード２４は、ｐｎ接合を利用した整流素子で、カソードとアノードの２端子を有する。ＩＧＢＴ２２に逆並列に接続されたダイオード２４は、その機能から還流ダイオードと呼ばれるが、構造としては通常のダイオードである。
【００１７】
ＩＧＢＴ２２にダイオード２４を逆並列に接続した構造とは、ＩＧＢＴ２２のエミッタ電極とダイオード２４のアノード電極を共通電極Ｅとし、ＩＧＢＴ２２のコレクタ電極とダイオード２４のカソード電極を共通電極Ｃとし、ＩＧＢＴ２２のゲート電極Ｇの３つの電極を有する構造である。
【００１８】
メイン領域１４には、ＩＧＢＴ部２６と、ダイオード部２８と、金属配線部３０が配置される。ＩＧＢＴ部２６には、ＩＧＢＴ２２が配置され、ダイオード２４が配置されない。逆に、ダイオード部２８には、ダイオード２４が配置され、ＩＧＢＴ２２が配置されない。ＩＧＢＴ部２６の周囲はダイオード部２８で囲まれる。換言すれば、ＩＧＢＴ部２６とは、ダイオード部２８で囲まれた領域で、ＩＧＢＴ２２が配置され、ダイオード２４が配置されない領域である。ＩＧＢＴ部２６には、複数のＩＧＢＴが配置される。場合によっては、１つのＩＧＢＴ２２で１つのＩＧＢＴ部２６を構成してもよい。半導体装置１０は、全体として１つの逆導通型半導体素子を構成するので、ＩＧＢＴ２２が複数含まれていても、１つのゲート端子で全てのＩＧＢＴ２２の動作が制御される。
【００１９】
ダイオード部２８は、ＩＧＢＴ部２６の周囲の領域で、ダイオード２４が配置され、ＩＧＢＴ２２が配置されない領域である。ここで、ＩＧＢＴ部２６は、原則としてメイン領域１４の端部には配置されず、メイン領域１４の最外周であるメイン領域端にはもっぱらダイオード部２８が設けられる。メイン領域端におけるダイオード部２８の幅寸法Ｌは、約１５０μｍ〜約３００μｍである。好ましくは、幅寸法Ｌは約２００μｍ以上とすることがよい。
【００２０】
図１では、ダイオード部２８は矩形平面形状のメイン領域１４の４辺のそれぞれに設けてあるが、少なくともメイン領域１４の４辺の１つにダイオード部２８を設けるようにし、場合によって、４辺のうち、２辺または３辺にダイオード部２８を設けるようにしてもよい。
【００２１】
金属配線部３０は、メイン領域１４に作りこまれる逆導通型半導体素子２０の電極についての配線である。逆導通型半導体素子２０のゲート電極は、絶縁膜を介して逆導通型半導体素子２０のエミッタ電極と電気的に分離しながらパッド部１６において図示を省略したゲートパッドに接続される。エミッタ電極Ｅは、メイン領域の上面を覆う金属配線部３０を構成し、エミッタ電極への配線は金属配線部３０から直接引き出される。かかる金属配線部３０には、アルミニウム配線が用いられる。なお、コレクタパッドは、半導体装置１０の第２主面に設けられる。
【００２２】
上記構成の作用効果を説明する前に、従来技術のＲＣ−ＩＧＢＴ素子の放熱性について説明する。ここでは、従来技術として特許文献１に記載のＲＣ−ＩＧＢＴ素子の構造を例として述べる。図２は、特許文献１に記載のＲＣ−ＩＧＢＴ素子を示す図で、図２（ａ）は平面図で、図１に対応する図である。（ｂ）は、図２（ａ）のＢ部の拡大図である。
【００２３】
以下では、特許文献１のＲＣ−ＩＧＢＴ素子を半導体装置１１と呼ぶ。半導体装置１１は、基本構造は図１の半導体装置１０と似ているが、細部で相違する点も多いので、要素の名称を図１と同じとして、符号を代えた。例えば、図１の半導体基板１２に対応するものは図２で半導体基板１３とし、図１のメイン領域１４に対応するものは図２でメイン領域１５とし、図１のパッド部１６に対応するものは図２でパッド部１７とした。半導体装置１１の外周領域１９に設けられる耐圧領域３３は、環状に設けられたｐ型のガードリングである。
【００２４】
半導体装置１１における逆導通型半導体素子２１は、トレンチ構造に作りこまれたＩＧＢＴ２３と、トレンチ構造に挟まれた領域に作りこまれてＩＧＢＴ２３に逆並列に接続されるダイオード２５で構成される。図２に示すＸ方向とＹ方向を用いて述べると、トレンチ構造は、半導体装置１１の第１主面側に開口し、第１主面側から第２主面側に向かって所定の溝深さで形成された溝で、Ｘ方向に沿った所定の溝幅と、Ｙ方向に沿った所定の溝長さを有する。このようなトレンチ構造がＸ方向に沿って複数個配置される。Ｙ方向に沿った所定の溝長さは、メイン領域１５のＹ方向の長さである。つまり、メイン領域１５のＹ方向に沿った長さは、各トレンチ構造のＹ方向に沿った溝長さと同じである。
【００２５】
Ｘ方向に沿った所定の間隔で配置される複数のトレンチ構造を利用して、図２（ｂ）に示されるように、ＩＧＢＴ部２７とダイオード部２９は隣接して交互に配置される。１つのＩＧＢＴ部２７に用いられるトレンチの数は複数であり、１つのダイオード部２９に用いられるトレンチの数も複数である。
【００２６】
この隣接したＩＧＢＴ部２７に形成されるＩＧＢＴ２３と、ダイオード部２９に形成されるダイオード２５とが直接的に共通電極を介して接続されて、逆導通型半導体素子２１が形成される。つまり、半導体装置１１では、隣接するＩＧＢＴ部２７とダイオード部２９が一組になって１つの逆導通型半導体素子２１が形成される。
【００２７】
具体的には、ＩＧＢＴ２３のエミッタ電極はダイオード２５のアノード電極を兼ねる。また、半導体基板１３の裏面側の表面である第２主面に設けられるＩＧＢＴ２３のコレクタ電極がダイオード２５のカソード電極を兼ねる。ＩＧＢＴ２３のゲート電極は、トレンチゲートの内部に設けられる。
【００２８】
特許文献１では、メイン領域１５に設けられるトレンチの数はかなり多く、またメイン領域１５の最外周であるメイン領域端の構造についてはなにも述べていないが、図２の半導体装置１１のメイン領域１５においては、ＩＧＢＴ部２７の数を７とし、ダイオード部２９の数を６とし、これらは、メイン領域１５のＹ方向に沿った中心線Ｃ−Ｃを対称中心線として、±Ｘ方向に対称形で配置される。メイン領域１５の最外周であるメイン領域端の＋Ｘ端と−Ｘ端にはそれぞれＩＧＢＴ部２７が配置される。
【００２９】
このような配置としたのは、半導体装置１１の放熱特性を比較する対象として、メイン領域が全てＩＧＢＴ素子のみで構成される半導体装置９を用いるためである。半導体装置９は、公知技術であるので、図示を省略するが、基本的には、図２においてダイオード部２９が配置されず、メイン領域１５には、ＩＧＢＴ部２７と、エミッタ電極である金属配線部３１とが配置される構成である。したがって、半導体装置９のメイン領域１５の最外周であるメイン領域端にはＩＧＢＴ部２７が配置される。この構成を有する半導体装置９と放熱特性を比較するために、半導体装置１１のメイン領域１５の最外周であるメイン領域端の＋Ｘ端と−Ｘ端にもそれぞれＩＧＢＴ部２７が配置されるものとした。
【００３０】
図３は、半導体装置１１の放熱特性と半導体装置９の放熱特性を比較した図である。図３（ａ）〜（ｃ）の横軸は、メイン領域１５の中心位置（中心線のＣ−ＣのＸ方向に沿った位置であるが、各図ではこの位置をＣ−Ｃとして示す）からメイン領域端側に向かった位置を示し、縦軸は温度である。温度は、θ2の方がθ1に比べて高温である。図３（ａ）は、半導体装置１１の放熱特性を示す図で、（ｂ）は、半導体装置９の放熱特性を示す図で、（ｃ）は、（ａ）と（ｂ）について横軸を揃えて重ね合わせた放熱特性比較図である。（ｄ）は、（ａ）の半導体装置１１の放熱特性と（ｂ）の半導体装置９の放熱特性の差に起因して、金属配線部３１に発生する熱応力の相違を示す図である。
【００３１】
図３（ａ）は、半導体装置１１の放熱特性を示す図である。半導体装置１１のメイン領域１５には、中心位置（Ｃ−Ｃ）からメイン領域端の間に、ＩＧＢＴ部２９が４つ、ダイオード部２７が３つ、交互に配置される。メイン領域端より外側は外周領域１９でここにはＩＧＢＴ２３もダイオード２５も配置されないので発熱源がなく、外周領域１９のさらに外側には半導体装置１１そのものがなく、そこの温度は環境温度である。したがって、発熱体であるＩＧＢＴ２３やダイオード２５が配置されるメイン領域１５の温度は、中心位置（Ｃ−Ｃ）が最も高温で、ここからメイン領域端に向かって次第に低温となる。
【００３２】
図３（ａ）には、ＩＧＢＴ２３が動作するときのメイン領域１５のＸ方向に沿った温度分布を示す。ＩＧＢＴ２３が動作するとき、ＩＧＢＴ２３と共に逆導通型半導体素子２１を構成するダイオード２５は動作を休止している。したがって、図３（ａ）において黒星マークで示すＩＧＢＴ２３が配置されるＩＧＢＴ部２７の中心位置の温度は、隣接するダイオード部２９よりも温度が高くなる。高温側から低温側には熱量が流れる。図３（ａ）において、熱量の流れ方向を矢印で示した。ここでは、高温側のＩＧＢＴ部２７側から低温側のダイオード部２９へ向かって熱量が流れる。このように、ダイオード部２９は、発熱するＩＧＢＴ部２７について放熱エリアとして働く。
【００３３】
メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ部２７は、Ｃ−Ｃ側にはダイオード部２９が配置されるが、メイン領域端側にはダイオード部２９が配置されず外周領域１９となる。したがって、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ部２７の中心位置からＣ−Ｃ側に配置されるダイオード部２９の中心位置に向かって熱量が流れ、外周領域１９側に向かっても熱量が流れる。
【００３４】
図３（ｂ）は、半導体装置９の放熱特性を示す図である。ここでは、図３（ａ）のＩＧＢＴ部２７の中心位置にＩＧＢＴ素子の中心位置が配置されるものとして、その位置を黒星マークで示した。半導体装置９ではダイオード素子が配置されないので、隣接するＩＧＢＴ素子の間で熱干渉が生じる。熱干渉が生じる領域は、隣接するＩＧＢＴ素子の間の領域で、図３（ｂ）では黒丸でその位置を示した。黒丸の位置を熱干渉位置と呼ぶと、矢印で示すように、熱干渉位置の温度を上昇させるように、熱干渉位置の両側の高温のＩＧＢＴ素子から熱干渉位置に向かって熱量が流れる。
【００３５】
メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ素子は、メイン領域端側が外周領域１９であり、外周領域１９にはＩＧＢＴ素子が配置されないので、こちら側には熱干渉位置が形成されない。したがって、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ素子の中心位置からＣ−Ｃ側の熱干渉位置に向かって熱量が流れ、外周領域１９側にも熱量が流れる。
【００３６】
図３（ｃ）は、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ部２７およびＩＧＢＴ素子を除いて、図３（ａ）の各ＩＧＢＴ部２７の中心位置の温度と、図３（ｂ）の各ＩＧＢＴ素子の中心位置の温度とが一致する制御を行ったときについて、半導体装置１１の放熱特性と、半導体装置９の放熱特性を重ねあわせて示す図である。具体的には、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ部２７およびＩＧＢＴ素子を除いて、図３（ａ）の放熱特性と、図３（ｂ）の放熱特性について、対応する黒星マークを一致させるように重ね合わせることで図３（ｃ）を得ることができる。図３（ｃ）において、特性線４１は、半導体装置１１についての図３（ａ）の放熱特性に対応する特性線であり、特性線３９は、半導体装置９についての図３（ｂ）の放熱特性に対応する特性線である。
【００３７】
ここで、図３（ｃ）において、（−５），（−７），（＋５）と符号付き数字で示した値について説明する。これらの符号付き数字は、熱量の大きさをイメージで示すものである。符号は熱干渉する側が（＋）で放熱する側が（−）である。熱量の大小の関係は、（−７）＞（＋５）＝（−５）である。符号付き数字で示した値は、あくまで熱量の大きさのイメージを示す相対的な値で、これら以外の値であってもよい。
【００３８】
図３（ａ），（ｂ）を比べると、図３（ｂ）に示す放熱特性は、Ｃ−Ｃ位置からメイン領域端に向かってほぼ同じ温度勾配で次第に低下する。したがって、図３（ｂ）に示す放熱特性において各位置における熱量の大きさは、ほぼ同じと考えられるので、その熱量の大きさを（＋５）とする。図３（ａ）の放熱特性と、図３（ｂ）の放熱特性について、対応する黒星マークを一致させるように重ね合わせたときの特性線４１，３９の各位置における熱量の大きさをイメージで示すと、特性線３９における熱干渉位置の熱量は熱干渉側の（＋５）であり、特性線４１におけるダイオード部２９の中心位置における熱量は（＋５）とほぼ同じおおきさの熱量で放熱側であるので（−５）で示す。外周領域１９が有する熱量は、放熱側の（−５）よりやや大きな放熱側の熱量と考え、（−７）で示す。
【００３９】
図３（ｃ）においてメイン領域端における温度を、特性線４１と特性線３９で比較すると、特性線４１における温度の方が高い。この相違は以下のようにして生じると考えられる。
【００４０】
特性線４１において、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ部２７を考えると、Ｃ−Ｃ側のダイオード部２９が有する熱量は（−５）であり、外周領域１９が有する熱量は（−７）である。したがって、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ部２７の温度変化に寄与する熱量は、この２つの放熱側の熱量の和の｛（−７）＋（−５）｝＝（−１２）である。この（−１２）が、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ部２７に働く放熱効果の大きさに対応する。
【００４１】
これに対し、特性線３９において、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ素子を考えると、Ｃ−Ｃ側の熱干渉位置が有する熱量は（＋５）で、外周領域１９が有する熱量は（−７）である。したがって、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ素子の温度変化に寄与する熱量は、この放熱側と熱干渉側の２つの熱量の和の｛（−７）＋（＋５）｝＝（−２）である。この（−２）が、メイン領域端に接して配置されるＩＧＢＴ素子に働く放熱効果の大きさに対応する。
【００４２】
図３（ｃ）に示されるように、特性線３９のメイン領域の中心のＩＧＢＴ素子の両端位置がそれぞれ有する熱量の和は、（＋５）＋（＋５）＝（＋１０）である。これに対し、特性線４１のメイン領域の中心のＩＧＢＴ素子の両端位置がそれぞれ有する熱量の和は、（−５）＋（−５）＝（−１０）である。このことから、メイン領域端における放熱効果の大きさをメイン領域の中心のＩＧＢＴ素子と比較すると、特性線３９においては、熱干渉側の熱量（+１０）と放熱側の熱量（−２）の差であり、特性線４１においては放熱側の熱量（−１２）と放熱側の熱量（−１０）の差であり、前者の方が大きい値となる。上記のことから、メイン領域端における放熱効果の大きさをメイン領域の中心のＩＧＢＴ素子と比較すると、特性線３９の方が特性線４１よりも大きいことが分かる。したがって、メイン領域端における温度を特性線４１と特性線３９で比較したとき、特性線４１における温度が高くなることは、半導体装置１１のメイン領域端における放熱効果が、半導体装置９のメイン領域端における放熱効果よりも低いためと考えられる。メイン領域端における放熱効果が低いと、温度により膨張収縮する金属配線部３１のメイン領域端における温度分布に不均一が生じやすく、そのために生じる熱応力σMが大きくなる。
【００４３】
図３（ｄ）は、（ａ）の特性線と（ｂ）の特性線についてメイン領域端における温度不均一の程度の差によって金属配線部３１に生じる熱応力σMを比較した図である。図３（ｄ）に示されるように、（ａ）の特性線で示される半導体装置１１における金属配線部３１に生じる熱応力の方が、（ｂ）の特性線で示される半導体装置９における金属配線部３１に生じる熱応力よりも大きい。金属配線部３１に生じる熱応力σMが大きいと、金属配線部３１にクラックが生じやすくなり、金属配線部３１における信頼性が低下する。
【００４４】
以上のように、特許文献１に記載のＲＣ−ＩＧＢＴ素子が作りこまれる半導体装置１１においては、全てＩＧＢＴ素子のみで構成される半導体装置９に比べ、メイン領域端における放熱特性が劣る。これにより、半導体装置１１の外周部における信頼性が低下する。
【００４５】
次に、図１に示す半導体装置１０の作用効果について、図４を用いて説明する。半導体装置１０は、メイン領域１４にＩＧＢＴ部２６とダイオード部２８が配置され、メイン領域１４の最外周であるメイン領域端にダイオード部２８が設けられる。つまり、メイン領域端側に配置されるＩＧＢＴ部２６は、ダイオード部２８を介して外周領域１８に接する。ダイオード部２８に設けられるダイオード２４は、ＩＧＢＴ部２６に設けられるＩＧＢＴ２２が動作中は休止しているので、ＩＧＢＴ部２６に対し放熱エリアとして働く。これによって、メイン領域端における放熱効果が高まり、金属配線部３０のメイン領域端における温度分布が均一化し、金属配線部３０に生じる熱応力σMが小さくなる。これにより、半導体装置１０の外周部における信頼性が向上する。
【００４６】
半導体装置１０と半導体装置１１では、ＩＧＢＴ部とダイオード部の数も配置関係が異なる。そこで、図４に、半導体装置１０のメイン領域端におけるダイオード部２８の放熱効果を、図３で説明した半導体装置１１の放熱特性のメイン領域端に適用した結果を示す。図４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）から（ｃ）に対応する図で、横軸と縦軸は、図３の横軸と縦軸と同じである。
【００４７】
図４（ａ）は、図３（ａ）に対応する図で、図３（ａ）で４つあるＩＧＢＴ部２６のうち、Ｃ−Ｃ側の３つのＩＧＢＴ部２６は図３（ａ）の放熱特性のままである。最もメイン領域端側に配置されるＩＧＢＴ部２６は、Ｃ−Ｃ側にダイオード部２８が配置され、メイン領域端側にもダイオード部２８が配置される。このメイン領域端に接するダイオード部２８の外周側端部が外周領域１８となる。したがって、最もメイン領域端側に配置されるＩＧＢＴ部２６の中心位置から、Ｃ−Ｃ側に配置されるダイオード部２８の中心位置に向かって熱量が流れ、外周領域１８側に配置されるダイオード部２８に向かっても熱量が流れる。その熱量の流れを矢印で示した。
【００４８】
この２つの熱量の流れによって、最もメイン領域端側に配置されるＩＧＢＴ部２６に対する放熱効果が高まり、最もメイン領域端側に配置されるＩＧＢＴ部２６の中心位置の温度も低下する。図４（ａ）では図３（ａ）の放熱特性を細い実線で示し、最もメイン領域端側に配置されるＩＧＢＴ部２６の中心位置から外周領域１８側に配置されるダイオード部２８に向かって熱量が流れることによる放熱特性を太い実線で示した。
【００４９】
図４（ｂ）は、半導体装置９の放熱特性で、図３（ｂ）と全く同じであるので、詳細な説明を省略する。
【００５０】
図４（ｃ）は、図３（ｃ）に対応する図で、図４（ａ）の放熱特性と図４（ｂ）の放熱特性を図３（ｃ）で説明した方法を用いて重ね合わせた図である。細い実線部分が半導体装置１１の放熱特性を示す特性線４１であり、破線が半導体装置９の放熱特性を示す特性線３９であり、太い実線部分が半導体装置１０の放熱効果を示す特性線４０である。
【００５１】
メイン領域端におけるダイオード部２８の幅寸法Ｌを変えて、特性線４０の変化を調べると、幅寸法Ｌが、約１５０μｍ以上のときから、特性線４０が特性線４１よりも低温側となり、約２００μｍにおいて、特性線４０が特性線３９に近くなり、約３００μｍにおいて、特性線４０と特性線３９とほぼ同じとなる。このように幅寸法Ｌを大きくするほど、メイン領域端におけるダイオード部２８によるＩＧＢＴ部２６に対する放熱効果が増大するが、幅寸法Ｌが大きくなると半導体装置１０が大型化する。そこで、幅寸法Ｌとしては、約１５０μｍから約３００μｍの範囲に設定するのが好ましい。さらに好ましいのは、約２００μｍ以上約３００μｍ以下の範囲に幅寸法Ｌを設定することがよい。
【符号の説明】
【００５２】
９，１０，１１  半導体装置、１２，１３  半導体基板、１４，１５  メイン領域、１６，１７  パッド部、１８，１９  外周領域、２０，２１  逆導通型半導体素子、２２，２３  ＩＧＢＴ、２４，２５  （還流）ダイオード、２６，２７  ＩＧＢＴ部、２８，２９  ダイオード部、３０，３１  金属配線部、３３  耐圧領域、３９，４０，４１  特性線。
【図１】
2016115869.tif 000003
【図２】
2016115869.tif 000004
【図３】
2016115869.tif 000005
【図４】
2016115869.tif 000006