(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  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。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３２６８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【実施例】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】半導体装置２を上方から見た平面図である。
【図２】半導体装置２の駆動部４の断面図である。
【図３】半導体装置２の電位計測部６の断面図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【符号の説明】
【００３４】
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
【図１】
2009081168.tif 000003
【図２】
2009081168.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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