T1
T4 T3
T2 M
P
U
N
メインIGBT /FWD
主端子
Ｕ Ｎ Ｍ
P
E G E G G
E G
ゲート端子 C
コレクタ端子
エミッタ端子 ケース
- 65 -
ｎ１モジュールで構成すると、各モジュールを接続するためのブスバーとパッ ケージ内部のインダクタンスの合計値が１００ｎＨ以上と大きく、ターンオフ 時のサージ電圧が大きいという問題があった。そこで、モジュール内部のイン ダクタンスを低減させるために三次元ＣＡＤシミュレーションを活用し、端子 形状とレイアウトの最適化を行った。
図２．２２は、Ｍ／Ｕ端子の形状を示す。（ａ）に初期設計時、（ｂ）に最適 化後のＭ／Ｕ端子形状を示す。図中の矢印は主電流の向きを表す。初期設計で は主電流の電流経路は同じ高さ(平面上)になっていた。最適化後では、主電流 は逆方向にオーバーラップするように端子形状を改善し、負の相互インダクタ ンス作用により、内部インダクタンスを低減するようにした。図２．２３は、
初期設計と最適化後のモジュール内部における各端子間のインダクタンスの比 較を示す。最適化により、内部インダクタンスを１９～４５％低減できた。こ れらの施策により、サージ電圧を２０％低減することができた[7]。
図２．２２ Ｍ／Ｕ端子形状
主電流の向き
- 66 -
図２．２４は、従来の２レベルインバータ、ＮＰＣインバータ、ＡＴ－ＮＰ Ｃインバータを同じ条件で運転した時の発生損失と電力を示す。従来の２レベ ルインバータは、第６世代Ｖシリーズ１７００Ｖの特性として、ＮＰＣインバ ータは第６世代Ｖシリーズ１２００Ｖの特性をそれぞれ用いた。ＮＰＣインバ ータモジュールの内部インダクタンスは、ＡＴ－ＮＰＣインバータと同じと仮 定した。インバータの運転条件は、キャリア周波数３ｋＨｚ,ＤＣ電圧９００Ｖ, 出力電圧１００Ａとした。
以上の結果、ＲＢ－ＩＧＢＴを用いたＡＴ－ＮＰＣインバータの電力変換効 率は９８.５７%であり、発生損失は従来の２レベルインバータよりも３１％,Ｎ ＰＣインバータよりも１５％低減された。また、ＡＴ-ＮＰＣにおいて、双方向
図２．２３ 各端子間インダクタンスの比較 P-N間 P-M間 N-M間
0 20 40 60 80
初期設計 最適化後
モジュール内インダクタンス (nH)
端子 19%
低減
39%
低減 45%
低減
- 67 -
スイッチとしてＩＧＢＴとダイオードを直列接続した場合と比較して、５．５％
の損失低減ができた。
２．１０ まとめと展望
従来の熱拡散による分離層形成方法に伴う問題を克服した新しいハイブリッ ド型の分離層形成プロセスを開発し、耐圧１２００ＶクラスのＲＢ－ＩＧＢＴ を試作した。この１２００ＶのＲＢ－ＩＧＢＴと１７００ＶのＩＧＢＴ,ＦＷＤ を用いたＡＴ－ＮＰＣインバータの電力変換効率は９８．５７％で、発生損失 は従来の２レベルインバータよりも３１％,ＮＰＣインバータよりも１５％低
図２．２４ 発生損失と電力変換効率
97.98%
98.37% 98.49%
98.57%
0 500 1000 1500 2000 2500
2－Level NPC Level Advanced 3-Level IGBT+Diode
Advanced 3-Level RB-IGBT
発生損失（W)
95.00%
96.00%
97.00%
98.00%
99.00%
Fixed loss Filter loss SW loss Von loss Efficiency
V
DC=900V,Io=100A,Fc=3kHz,Tj=125DegC
- 68 -
減される。
このハイブリッド方式を採用したＲＢ－ＩＧＢＴに関しては、１７００Ｖま で試作[22-24]が行われており、更なる高耐圧化も期待される。
ＲＢ－ＩＧＢＴを使用したＡＴ－ＮＰＣ３レベルモジュールは、２０１１年 にＵＰＳ(サーバー用)に採用され、２０１２年には太陽光ＰＣＳにも適用され た。図２．２５に示すように、ＲＢ－ＩＧＢＴ、およびＲＢ－ＩＧＢＴを適用 したＡＴ－ＮＰＣ方式は、高い電力変換効率が得られるために、ＵＰＳ、ＩＤ Ｃ（Internet Data Center）およびＰＣＳへの適用を中心に、世界のデファク トスタンダードになりつつある。また、この方式は、電車用電源やＥＶ、風力 発電などの新エネルギー分野適用への期待も大きい。今後、更に適用可能範囲 が広がっていくものと考えている。
図２．２５ ＲＢ－ＩＧＢＴ，ＡＴ－ＮＰＣモジュールの適用分野
* 1:ＩＤＣ:Internet Ｄata Ｃenter *2:UPS: Uninterruptible Power Supply * 3: PCS:Power Conditioner System
*4 : EV:Electric Vehicle
ＲＢ-ＩＧＢＴ，３レベル，電源制御 太陽光ＰＣＳ＊3
風力ＰＣＳ
グリーンIDC＊1，ＵＰＳ電源＊2
モジュール、ﾃﾞｨｽｸﾘｰﾄ製品 小型・軽量化
高効率 高効率 低コスト
高効率 低コスト
軽量化 低コスト
高効率 小型・軽量
小型化 高効率
電車用補助電源，駆動
EV*4
- 69 -
参考文献
[1] A. Nabae, I. Takahashi, and H. Akagi, ”A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter”, IEEE Trans. on industrial applications, vol. 1 A-17, no.5, p. 518-523, (1981).
[2] ”IGBT Power Modules for 3-level UPS Inverters”, http://www.semikron.com/, July (2008).
[3] M. Takei, T. Naito, and K. Ueno, “The Reverse Blocking IGBT for Matrix Converter with Ultra Thin Wafer Technology”, ISPSD ‘03 proceedings, p.156-159, (2003).
[4] T. Naito, M. Takei, M. Nemoto, T. Hayashi and K. Ueno, “1200V Reverse Blocking IGBT with Low Loss for Matrix Converter”, ISPSD ‘04 proceedings, p. 125-128, (2004).
[5] N. Tokuda, M. Kaneda and T. Minato, ”An ultra-small isolation area for 600V class Reverse Blocking IGBT with Deep Trench Isolation process(TI-RB-IGBT)”,ISPSD’04 proceedings, p. 129-132, (2004).
[6] M. Yatsu, K. Fujii, S.Takizawa, Y.Yamakata, K.Komatsu, H. Nakazawa, and Y. Okuma, “A Study of High Efficiency UPS Using Advances Three-level Topolopy”, PCIM’10 Europe, Proceedings, p.550-555, (2010).
[7] K. Komatsu, M. Yatsu, S. Miyashita, S. Okita, H. Nakazawa, S. Igarashi, Y. Takahashi, Y. Okuma, Y. Seki, and T. Fujihira, ”New IGBT Modules for
- 70 -
Advanced Neutral-Point-Clamped 3-Level Power Converters”,IPEC’10 proceedings, p. 523-527, (2010).
[8] 武井学，小高章弘，藤本久，“逆阻止ＩＧＢＴの適用技術” ，富士時報，
Vol.75，No.8， p. 445-448, (2002).
[9] 解説記事 “３レベルインバータ技術” ，富士時報，Vol.84，No.5， p.353, (2011).
[10] H. Wakimoto, M. Ogino, D. H. Lu, S. Takizawa, H. Nakazawa, M. Yatsu, and Y. Takahashi, “600V Reverse Blocking IGBTs with Low On-state Voltage”,PCIM’11 Europe proceedings, p.317-322,(2011).
[11] K. Shimoyama, M. Takei, Y. Souma, A. Yajima, S. Kajiwara, and H.
Nakazawa,”A New Isolation Technique for Reverse Blocking IGBT with Ion Implantation and Laser Annealing to Tapered Chip Edge Sidewalls”, ISPSD’06 proceedings, p. 124-127,(2006).
[12] H. Nakazawa, K. Shimoyama, M. Takei, ”SEMICONDUCTOR DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF”, US 7,776,672 B2 (米)
[13] H. Nakazawa, M. Ogino, H. Wakimoto, T. Nakajima, D. H. Lu, and Y.
Takahashi, “Hybrid Isolation Process with Deep Diffusion and V-Groove for Reverse Blocking IGBTs”, ISPSD’11 proceedings, p.116-119, (2011).
[14] 中澤治雄，渡辺泰正，森田修，江戸雅晴，米澤栄一，”コイル－ダイオー ドモジュールより構成される二次元搬送ユニット” ，電気学会 A 部門誌，120
- 71 -
巻3号，p.172－176, (2000)．
[15] H. Nakazawa, Y. Watanabe, O. Morita, M. Edo , and E. Yonezawa, “THE TWO-DIMENSIONAL MICRO CONVEYER - PRINCIPLES AND FABRICATION PROCESS OF THE ACTUATOR-”, Proceedings of International Solid State Sensors and Actuators Conference (Transducers ’97), p.33-36,(1997)．
[16] H. Nakazawa, Y. Watanabe, O. Morita, M. Edo , M. Yushina, and E.
Yonezawa, “Electromagnetic Micro-Parts Conveyer with Coil-Diode Modules”, Proceedings of International Solid State Sensors and Actuators Conference (Transducers ’99), p.1192-1195,(1999)．
[17] H. Nakazawa, M. Edo, Y. Katayama, M. Gekinozu, S. Sugahara, Z. Hayashi, K. Kuroki, E. Yonezawa, and K.Matsuzaki, “Micro DC/DC Converter that Integrates Planar Inductor on Power IC”, In Magnetics, IEEE Transactions on, vol.36, p.3518-3520, Sep (2000).
[18] 中澤治雄，下山和男，“半導体装置の製造方法”，特許第4857578号（日）.
[19] 下山和男，相馬康久，武井学，中澤治雄，望月邦雄，“レーザーアニー
ルによるシリコンＶ字溝側壁のドーパント活性化” ， 第52回応用物理学関係 連合講演会, 2005年3月29日（火）～4月1日（金）（埼玉大学）, 1p-YE-4.
[20] 中澤治雄，下山和男，桐沢光明，“半導体素子の製造方法” ，特許第4590880 号（日）.
[21] ＭＳＴ財団法人材料科学振興財団，“ＳＣＭ（走査型電子顕微鏡法）”，
- 72 -
http://www.mst.or.jp/method/eachmethod/a0011.html
[22] D. H. Lu, M. Ogino, T. Shirakawa, H. Nakagawa,and Y.Takahashi,” 1700V Reverse-Blocking IGBTs with V-Groove Isolation Layer for Multi-Level Power Converters”, PCIM’12 Europe proceedings, p.815-821, (2012).
[23] 魯鴻飛，荻野正明，中澤治雄，高橋良和，“マルチレベル電力変換器用1700V
逆阻止IGBT”，電気学会研究会資料（電子デバイス・半導体電力変換合同研究会）
EDD-12-76(SPC-12-149), p.93-98,(2012).
[24] H. Nakazawa, D. H. Lu, M. Ogino, T. Shirakawa, and Y.Takahashi,
“Reverse-Blocking IGBTs with V-Groove Isolation Layer for Three-Level Power Converters”,電気学会英文論文誌D, Vol.2, No.6, p323-328, (2013).
- 73 -
第３章 高温長時間熱処理により生じるウェハ結晶欠陥
３．１ はじめに
ＩＧＢＴには、ＦＺウェハが広く採用されている。また、低コスト化に対応 するためにＦＺウェハの大口径化が進み、最近ではＦＺウェハで直径２００ｍ ｍまでの供給が可能になった[1]。
ところで、パワー半導体デバイスを安定して生産するためには、大量のウェ ハが必要とされる。しかし、ＦＺ法の原料となる多結晶シリコン棒の大きさに 限界があるため、同一ロットのＦＺウェハを大量に入手することが難しい。そ こで、長いＣＺ結晶インゴットを原料としてＦＺ法を行い、長いＦＺ結晶を生 産すること[2]が対策となると期待された。ここで懸念されることは、製造方法 に固有の結晶欠陥が発生し、製品に影響を及ぼすことである。
例えば、ここまで述べてきたＲＢ－ＩＧＢＴを製作するためには、逆方向に 耐圧を持たせるために、素子の端部に高温長時間の拡散によりｐ+分離拡散層を 形成している[3]が、この工程において未知の結晶欠陥が発生する恐れがある。
もしも使用するウェハに結晶欠陥が存在した場合、およびプロセス工程中に結 晶欠陥が存在した場合には、図３.１、図３.２に示すように、一般には、漏れ 電流が発生してデバイスの良品率を低下させることになる。図３．１は、順漏 れ電流の発生の説明図を示すが、コレクタ側に結晶欠陥がある場合、エミッタ 側から空乏層が広がるために順漏れ電流の絶対値は小さく、増加率も小さい。
図３．２は逆漏れ電流発生の説明図を示すが、結晶欠陥により電子－正孔対が
- 74 -
発生し、逆漏れ電流が流れる。結晶欠陥密度が多いと、逆漏れ電流も増大する ことがわかる。図３．１中のアバランシェ降伏とは、雪崩降伏とも呼ばれ、空 乏層内に熱励起で発生した電子が空乏層内で電界の力を受けて加速され、格子 に散乱される過程で、価電子を次々と弾き飛ばして自由電子を作り出し、雪崩 のように電子が増えて、大きな電流が流れてしまう現象である。
そこで第３章では、ＣＺインゴットを原料として製作したＦＺウェハを用い て、半導体プロセスの熱処理や拡散工程で一般的に使われているように窒素雰 囲気中で高温長時間の拡散を実施し、その際に問題となる結晶欠陥として析出 物を取り上げ、その発生と抑制方法について検討する[4-7]。
図３．１ 順漏れ電流発生の説明
順漏れ電流
順方向電圧 結晶欠陥
正孔
電子
エミッタ(0V)
ゲート(0V)
n-ドリフト
p+コレクタ
コレクタ電極 pベース
n+エミッタ
ゲート 酸化膜
ゲート 電極
層間 絶縁膜
エミッタ電極
コレクタ (正電圧印加)
e-h+
e-h+
e-h+
e-h+
e-h+
順漏れ電流
結晶欠陥多い 結晶欠陥少ない
アバランシェ降伏
- 75 -
３．２ 熱処理条件と評価項目
ここでは、使用したウェハと、処理条件を示す。表１は、本研究に使用した ウェハの内容を示す。本論文では、ＣＺ法により育成された結晶インゴットを 用いて生産されたＦＺウェハを、ＦＺ１と表記した。そして、多結晶シリコン 棒を原料としたＦＺウェハは、ＦＺ２と表記した。
比抵抗については、ＦＺ１ウェハが２８Ω・ｃｍ、ＦＺ２ウェハが６０Ω・
ｃｍであり異なっているが、その他の直径、厚さ、方位はどちらも同じである。
ＦＺ１ウェハの酸素濃度は、ＦＺ２ウェハの３倍程度である。
図３．２ 逆漏れ電流発生の説明
逆漏れ電流
逆方向電圧
結晶欠陥多い 結晶欠陥少ない
結晶欠陥 正孔
電子
エミッタ(0V)
ゲート(0V)
h+
e-h+
e-h+
e-h+
e-h+
e-逆漏れ電流
n-ドリフト
p+コレクタ
コレクタ電極 pベース
n+エミッタ
ゲート 酸化膜
ゲート 電極
層間 絶縁膜
エミッタ電極
コレクタ (負電圧印加)
- 76 -
ＣＺ法によるシリコン単結晶育成においては、引き上げの途中において石英 るつぼに含まれる酸素が結晶中に溶け込むため、ドーパントを添加しない場合 であっても抵抗率が低くなることから、高比抵抗の単結晶を形成することは困 難である。
ＦＺ１ウェハは、そのＣＺインゴットを原料として製作したＦＺ結晶を用い ているために、ＦＺ１ウェハには、酸素濃度がＦＺ２ウェハの３倍程度入って いる。但し、ＦＺ１ウェハの酸素濃度は、ＣＺウェハの酸素濃度よりは二桁程 度低い酸素濃度になっている。ＦＺ２ウェハは、多結晶シリコン棒を用いた育 成方法であり、石英るつぼを用いないため低酸素濃度、即ち高純度であり高抵 抗のシリコン結晶を育成できる。ＦＺ２ウェハでは、ＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault）核となる酸素析出物が酸素が少ないため存在しないなど、一 般的に欠陥は少ない。
また、ここで使用しているＦＺ１ウェハ、ＦＺ２ウェハでは、表面にＤＺ 表３．１ 使用ウェハ
表記 ＦＺ1 ＦＺ２
原料 ＣＺ単結晶インゴット 多結晶シリコン棒
比抵抗(Ω・ｃｍ) ２８ ６０
ウェハ直径（ｍｍ） １５０ １５０ ウェハ厚さ（μｍ） ５００ ５００ ウェハ方位 （１００） （１００）
酸素濃度
(ａｔｏｍｓ/ｃｍ３) １．５～３×１０１６ ０．４～１．６×１０１６