[發明專利]半導體裝置及使用半導體裝置的電力轉換裝置

有效

• 申請號: 201080060476.4
• 申請日: 2010-01-04
• 公開（公告）號: CN102714217A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 白石正樹;森睦宏;鈴木弘;渡邊聰
• 申請（專利權）人: 株式會社日立制作所
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L27/04;H01L29/78;H01L29/786
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 張寶榮

技術領域

本發明涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT：Insulated?Gate?Bipolar?Transistor；以下，簡稱為IGBT)的結構及使用了IGBT的電力轉換裝置。

背景技術

IGBT是通過對柵電極施加的電壓來控制在集電電極與發射電極間流動的電流的開關元件。由于IGBT所能夠控制的電力從數十瓦到數十萬瓦，且開關頻率也從數十赫茲到百千赫以上的廣闊范圍，因此，在從家庭用空調、電子微波爐等小功率設備到鐵路、制鐵廠的逆變器等大功率設備的廣闊范圍內得到應用。

對于IGBT而言，為了實現這些電力設備的高效率化而要求其低損失化，從而要求降低導通損失和開關損失。降低這些損失的技術在專利文獻1～3中有所公開。

在專利文獻1中，公開了圖11所示的隧道柵極109的排列間距改變后的結構。圖11的IGBT11的特征在于，存在多個隧道柵極109，在該隧道柵極的間隔大的部位未形成溝道層106，而是設置浮動p層122。根據這種結構，由于電流僅在隧道柵極109的間隔小的部分(溝道層106)流動，因此能夠抑制短路時流動的過電流，從而能夠提高元件的耐破損量。另外，由于空穴電流的一部分經由浮動p層122而流入發射電極114，所以發射電極附近的空穴濃度增加，在其周圍誘導電子，因此還具有能夠降低IGBT的接通電壓的效果。

然而，在圖11所示的隧道柵極型IGBT11中，當IGBT導通時，存在電流振動或在與IGBT402AP(圖10)并列連接的二極管403(圖10)產生過電壓的問題。可以想到的是，本現象是因如下的理由而產生的。當IGBT成為接通狀態時，空穴電流流入浮動p層122(圖11)，從而浮動p層122的電位變高。此時，經由柵極絕緣膜110的電容，變位電流在柵電極109流動，從而柵極電位升高。因此，傳導度調制得以加速，導致引發電流振動、在與IGBT402AP(圖10)并列連接的二極管403(圖10)中產生過電壓的問題。

因此，為了抑制因浮動p層122的影響導致柵極電位升高，在專利技術文獻2和專利技術文獻3中公開了以下這樣的技術。

在專利文獻2中，公開了如下結構，即，如圖12所示，在浮動p層122上設置由絕緣膜123和多結晶硅112構成的靜電電容(電容器)，并與發射電極114相連接。即，經由該靜電電容使浮動p層122與發射電極114連接。

根據該公開的手法，在導通時空穴電流流入浮動p層122的情況下，其一部分被浮動p層122上的電容充電，因此，浮動p層122的升高電位受到抑制，具備可抑制柵電極109的柵極電位的升高的效果。

因此，在圖12所示的隧道柵極結構的IGBT12中，為了使浮動p層122上的電容增大，將絕緣膜123的膜厚形成為150nm(1500埃)以下。然而，尤其在截止時，浮動p層122的電位升高變大，對絕緣膜123作用較大的電場。因此，存在絕緣膜123的可靠性下降，且根據不同情況而產生絕緣膜123破損的問題。

另外，在專利技術文獻3中公開了如下結構，即，如圖13所示，將浮動p層105與隧道柵極109(柵電極109)隔離，并在其間設置n^-漂移層104。

根據該手法，即使在導通時浮動p層105的電位升高，也會因與隧道柵極109之間夾著n^-漂移層104，而成為間接性的經由電阻的影響，從而能夠抑制柵電極109的柵極電位的升高。

然而，在圖13所示的隧道柵極型IGBT13中，由于構成為浮動p層105從隧道柵極109隔離的結構，所以存在如下問題，即，在隧道柵極109(也包括柵極絕緣膜110)的角部電場集中，IGBT的耐壓降低。

【在先技術文獻】

【專利文獻】

【專利文獻1】日本特開2000-307166號公報

【專利文獻2】日本特愿2009-194044號公報

【專利文獻3】日本特愿2008-207556號公報

【發明的概要】

【發明要解決的課題】

如上所示，在以往的IGBT中，使電流僅在隧道柵極的間隔窄的部分流動，且為了抑制在短路時流動過電流而設置了浮動p層，但是存在經由浮動p層的噪音(電位變位、電流振動)，若為了避免這些噪音而使隧道柵極與浮動p層的距離拉開，則存在隧道柵極(包括柵極絕緣膜)的角部電場集中，導致IGBT的耐壓下降的問題。

發明內容