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半导体器件和功率转换装置
申请号	CN202280051169.2	申请日	2022-11-11	公开(公告)号	CN117813693A	公开(公告)日	2024-04-02
申请人	株式会社日立功率半导体;			发明人	白石正树; 川瀬大助; 织田哲男; 古川智康; 加藤丰; 森塚翼;
摘要	本发明提供一种与现有技术相比提高温湿度偏压耐性、并且还实现场限层与场板的良好连接的半导体器件和使用它的功率转换装置。本发明的半导体器件包括设置在终端区的浮空场限层(102)和与场限层(102)电连接的场板(105)，其特征在于：场板(105)由多晶硅形成，场板(105)与场限层(102)经由Al 电极 (108)连接，场限层(102)与Al电极(108)的连接和场板(105)与Al电极(108)的连接是通过不同的接触件(109、110)实现的。
权利要求	1.一种半导体器件，包括设置在终端区的浮空的场限层和与所述场限层电连接的场板，其特征在于：所述场板由多晶硅形成，所述场板与所述场限层经由Al 电极连接，所述场限层与所述Al电极的连接和所述场板与所述Al电极的连接，是通过不同的接触件实现的。 2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于：所述场限层、所述场板和所述Al电极分别配置有多个，多个所述Al电极构成电极组，其中，在观察所述半导体器件的上表面时，相邻的所述Al电极以不排列在一条直线上的方式被交错配置。 3.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于：交错配置的多个所述Al电极的电极组配置有多个。 4.一种功率转换装置，包括：一对直流端子；与交流输出的相数相同数量的交流端子；连接在所述一对直流端子之间的、由2个并联电路串联连接而成的开关桥臂，其中，所述开关桥臂的数量与交流输出的相数相同，所述并联电路由开关元件和与所述开关元件反向并联连接的二极管构成；和对所述开关元件进行控制的栅极电路，其特征在于：所述开关元件和所述二极管中的至少一者是如权利要求1～3中任一项所述的半导体器件。
说明书全文	半导体器件和功率转换装置技术领域 [0001] 本发明涉及半导体器件和功率转换装置。背景技术 [0002] 功率半导体在各种苛刻的环境下使用，所以需要满足众多的可靠性评价项目。作为可靠性评价项目之一，有温湿度偏压(Temperature Humidity Bias)耐性。在功率半导体中，存在有电流流通的有源区和用于保持耐压的终端区。终端区为了保持耐压而具有p型的场限层(n型结构的情况下)和与场限层连接的浮空场板(铝(Al)电极)。 [0003] 现有的功率半导体存在这样的问题，即，在高温高湿环境中，在水分侵入了终端区的状态下，由于场板即Al电极之间被施加电压，导致Al电极腐蚀、熔解从而不能保持耐压、漏电流增大。 [0004] 作为使用Al以外的材料构成终端区场板的技术，例如有专利文献1。专利文献1公开了使用电阻比Al高的多晶硅形成场板(115)。专利文献1并非用于提高本发明的目标——温湿度偏压耐性，其目的是防止场板中流动的电流导致发生Al迁移。 [0005] 另外，专利文献1中，为了使p型的场限层(114)与场板(115)电连接，公开了将多晶硅场板(115)与场限层(114)直接连接的结构(图1)，和并非直接连接而是经由铝接触电极(401)的接触件(402)将场限层(114)与场板(115)连接的结构(图4、图5)。另外，专利文献1公开了隔着栅极氧化膜(108)由场板(115)和场限层(114)形成电容的结构(图7)。 [0006] 现有技术文献 [0007] 专利文献 [0008] 专利文献1：日本特开2003‑158258号公报发明内容 [0009] 发明要解决的技术问题 [0010] 在上述专利文献1中，发明人认为关于场限层与场板的连接结构存在以下问题。在Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)等开关器件中，因为使用多晶硅作为栅极电极的材料，所以通常在多晶硅与Si之间存在栅极氧化膜，为了将多晶硅与场限层直接连接，需要另外追加包括光刻和蚀刻工序的图案形成处理，以对包含栅极氧化膜的场氧化膜进行加工。 [0011] 另外，在经由铝接触电极将场限层与多晶硅场板连接的结构的情况下，如专利文献1的图5所示，铝接触电极与多晶硅仅在多晶硅的侧壁和上部的极少部分接触，所以接触电阻高。在专利文献1中，接触电阻升高能够进一步抑制Al迁移，但本发明并不需要提高场限层与多晶硅的耦合电阻，其目的在于可靠地实现接触，所以上述连接方法在本发明中并不理想。 [0012] 另外，电容耦合也与上述同样是高电阻(高阻抗)的，并不是本发明理想的连接方法。 [0013] 进而，专利文献1仅公开了场限层为1层的结构，并没有研究场限层是多层的情况。另外，也没有研究芯片内的铝接触电极的配置。 [0014] 本发明鉴于上述情况，其目的在于提供一种与现有技术相比能够提高温湿度偏压耐性、并且还实现场限层与场板的良好连接的半导体器件和使用它的功率转换装置。 [0015] 解决问题的技术手段 [0016] 用于解决上述问题的本发明的半导体器件的一个方式的特征在于，包括设置在终端区的浮空的场限层和与场限层电连接的场板，场板由多晶硅形成，场板与场限层经由Al电极连接，场限层与Al电极的连接和场板与Al电极的连接是通过不同的接触件实现的。 [0017] 另外，本发明的功率转换装置的一个方式的特征在于，包括：一对直流端子；与交流输出的相数相同数量的交流端子；连接在一对直流端子之间的、由2个并联电路串联连接而成的开关桥臂，其中，开关桥臂的数量与交流输出的相数相同，并联电路由开关元件和与开关元件反向并联连接的二极管构成；和对开关元件进行控制的栅极电路，其中，开关元件和二极管中的至少一者是上述半导体器件。 [0018] 本发明的更具体的结构记载于要求保护的技术方案中。 [0019] 发明效果 [0020] 根据本发明，能够提供一种与现有技术相比提高温湿度偏压耐性、并且还实现场限层与场板的良好连接的半导体器件和使用它的功率转换装置。 [0021] 上述以外的问题、特征和效果将通过以下实施方式的说明而明确。附图说明 [0022] 图1是本发明的半导体器件的顶面图。 [0023] 图2是图1的局部放大图及其截面图。 [0024] 图3是表示本发明的功率转换装置的概略结构的电路图。具体实施方式 [0025] 以下，使用附图详细说明本发明的实施例。 [0026] 实施例1 [0027] 图1是本发明的半导体器件的顶面图，图2是图1的局部放大图及其截面图。图2的上图是图1的Al电极组113的放大图，图2的下图是图2的上图的A‑A'线截面图。如图1所示，本实施例的半导体器件112具有设置在中央的有源区中的阳极电极106，且在有源区外周的终端区中具有多晶硅场板105和Al电极108。在终端区的外周设置了保护环107。另外，在本实施例中，对应用于二极管的实施例进行说明，但不限定于此，也可以应用于IGBT、MOSFET等开关元件。 [0028] 终端区如图2所示，在n‑层基板100的表面，为了保持耐压而设置了与阳极电极106连接的p型势阱层101、多个浮空的p型场限层102、和形成在芯片端部的n+沟道截断(channel stopper)层103。p型势阱层101从有源区延伸，与阳极电极106连接。沟道截断层103与保护环电极107连接。另外，导电类型(n、p)也可以反转。图2表示了场限层102是4个的情况，但场限层102的数量至少有1个即可，数量并不限定。 [0029] 终端区中的场限层102经由Al电极108与多晶硅场板105电连接。此处，为了确保温湿度偏压耐性，Al电极108仅在多晶硅场板105的一部分上设置。本实施例中，分别地设置用于将Al电极108与场限层102连接的接触件(contact)110、和用于将Al电极108与多晶硅场板105连接的接触件(contact)109。即，在层间膜104a中设置了用于将Al电极108与场板105连接的接触孔114来构成接触件109，在层间膜104a和层间膜104b中设置了用于将Al电极108与场限层连接的接触孔115来构成接触件110。另外，图2中，1个Al电极108与1个多晶硅场板105之间的接触件是1个，但接触件的数量在1个以上即可，可以是多个。同样，Al电极 108与1个场限层102之间的接触件是1个，但接触件的数量在1个以上即可，可以是多个。 [0030] 为了将Al电极108与场限层102层可靠地连接，在接触件110的周围，以不设置多晶硅场板105的方式设置了多晶硅的镂空区域111。 [0031] 另外，如图2的上图所示，Al电极组以相邻的Al电极108不配置在同一直线上的方式交错地配置。通过采用这样的结构，能够确保相邻的Al电极间距离较大，防止Al电极108因电位差而腐蚀、熔解。 [0032] 根据本结构，为了提高温湿度偏压耐性，通过代替Al电极场板设置多晶硅场板，能够避免Al电极的腐蚀、熔解。另外，为了将场限层与多晶硅场板电连接而使用了Al电极，但通过使用不同的接触件进行场限层与Al电极的连接、和场板与Al电极的连接，能够在多晶硅场板的侧壁以外的部位可靠地实现接触从而抑制接触电阻，所以能够实现良好的连接。进而，通过尽量减小Al电极的面积且交错地配置Al电极区域，能够缓和施加在Al电极间的电场，确保温湿度偏压耐性。 [0033] 实施例2 [0034] 接着，对使用了上述本发明的半导体器件的功率转换装置进行说明。 [0035] 图3是表示本发明的功率转换装置的概略结构的电路图。图3表示本实施方式的功率转换装置500的电路结构之一例及其与直流电源和三相交流电动机(交流负载)的连接关系。 [0036] 本实施方式的功率转换装置500中，将上述本发明的半导体器件用作功率开关元件501～506和二极管521～526中的任意个或全部。功率开关元件501～506例如是IGBT，元件521～526是二极管。 [0037] 如图3所示，本实施方式的功率转换装置500具备一对直流端子即P端子531、N端子532，以及与交流输出的相数相同数量的交流端子即U端子533、V端子534、W端子535。 [0038] 另外，具备由一对功率开关元件501和502的串联连接构成且以与其串联连接点连接的U端子533作为输出的开关桥臂。另外，具备相同结构的、由功率开关元件503和504的串联连接构成且以与其串联连接点连接的V端子534作为输出的开关桥臂。另外，具备相同结构的、由功率开关元件505和506的串联连接构成且以与其串联连接点连接的W端子535作为输出的开关桥臂。 [0039] 由功率开关元件501～506构成的3相的开关桥臂被连接在P端子531、N端子532的直流端子之间，从未图示的直流电源供给直流功率。功率转换装置500的3相的交流端子即U端子533、V端子534、W端子535作为三相交流电源与未图示的三相交流电动机连接。 [0040] 功率开关元件501和与功率开关元件501反向并联连接的二极管521以构成并联电路的方式连接。同样地，功率开关元件502与二极管522、功率开关元件503与二极管523、功率开关元件504与二极管524、功率开关元件505与二极管525、以及功率开关元件506与二极管526以构成并联电路的方式连接。包含功率开关元件501的并联电路与包含功率开关元件502的并联电路串联连接。同样地，包含功率开关元件503的并联电路与包含功率开关元件 504的并联电路串联连接，包含功率开关元件505的并联电路与包含功率开关元件506的并联电路串联连接。 [0041] 由IGBT构成的功率开关元件501～506各自的栅极的输入端子与栅极电路511～516连接，功率开关元件501～506被栅极电路511～516分别控制。另外，栅极电路511～516被总控制电路(未图示)统一地控制。 [0042] 利用栅极电路511～516统一地、适当地控制功率开关元件501～506，直流电源的直流功率被转换为三相交流功率，从U端子533、V端子534、W端子535输出。 [0043] 通过将上述本发明的半导体器件应用于功率转换装置500，能够提供一种与现有技术相比提高温湿度偏压耐性、并且还实现场限层与场板的良好连接的功率转换装置。 [0044] 如以上所说明，根据本发明，能够提供一种与现有技术相比提高温湿度偏压耐性、并且还实现场限层与场板的良好连接的半导体器件和使用它的功率转换装置。 [0045] 另外，本发明不限定于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须具备说明的全部结构。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，也能够在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。 [0046] 附图标记说明 [0047] 100……n‑层，101……p型势阱层(主结)，102……场限层(浮空层)，103……沟道截断层，104a、104b……层间膜，105……多晶硅场板，106……阳极电极，107……保护环电极，108……Al电极，109……接触件(将Al电极与多晶硅场板连接)，110……接触件(将Al电极与场限层连接)，111……多晶硅的镂空区域，112……半导体器件，113……Al电极组，500……功率转换装置，501～506……功率开关元件，511～516……栅极电路，521～ 526……二极管，531……P端子，532……N端子，533……U端子，534……V端子，535……W端子。