[发明专利]内燃机点火器半导体器件

说明书

发明背景

1.技术领域

本发明涉及用于内燃机点火器的半导体器件。

2.相关领域

图2所示的电路包括作为电感负载的初级侧线圈45以及次级侧线圈42，并具有响应从电源41流至初级侧线圈45的间歇电流借助次级线圈42中产生的高电压造成间歇火花发出的功能。该电路所应用的一种产品是内燃机点火器(在下文中称为“点火器”)，该点火器利用在连接于次级侧线圈42的内燃机火花塞44中发出的间歇火花。迄今为止，双极型晶体管已在内燃机点火器(点火器)中用作使间歇电流流至初级侧线圈的开关单元43，但近年来，这已被绝缘栅双极型晶体管(IGBT)代替(JP-A-2000-310173、JP-A-2002-4991以及日本专利No.4,263,102)。在使用这种类型点火器的IGBT中，，可内建图3的IGBT等效电路中所示的栅极控制电路部分17以使IGBT具有监视工作状态且在存在异常时控制栅极信号的功能，也可如图5的IGBT主要部分截面图所示内建有用于防止IGBT由于过电流、过电压或发热而损坏的控制电路部分21。

为了减小L负载截止时的浪涌电压，已知提供在IGBT的高阻n型基极层和高杂质浓度n型缓冲层之间具有中间杂质浓度的n型区(日本专利No.4,164,962和JP-A-6-268226)。另外，为了防止IGBT截止时因集电极侧为负而在L负载电路中产生的浪涌电压而使IGBT受到破坏，已知一种配置成提供设置在与前侧IGBT区相反的集电极侧上的集电极区的IGBT(JP-A-2009-105265)。另外，为了使IGBT难以被IGBT截止时因集电极侧为负而在点火电路中产生的浪涌电压损害，也公知IGBT具有n型缓冲区，该n型缓冲区在集电极侧p-n结界面内具有比汽车电池电压更高的p-n结耐压(JP-A-2009-130096)。存在相关于IGBT的描述，其中n型缓冲层是具有不同杂质浓度的两层结构(日本专利No.3,764,343)。

在点火器电感负载电路中(图2)，在当IGBT开关从导通状态切换至截止状态时电流急剧减小的过程中，在响应于线圈电感L和流过线圈的电流变化抑制该变化的方向(IGBT集电极侧是正方向)上的电压在初级侧线圈45中急剧上升，而在IGBT到达截止状态时，电压急剧下降。当突然产生的浪涌电压(几百伏)由设置在IGBT的集电栅之间的齐纳二极管16(图3)的齐纳电压钳位时，在次级侧线圈中感生出初级侧线圈电压，在次级侧线圈中产生反向电压，放电开始，并且聚集在电感器中的能量被释放。

然而，在放电由于某种原因不发生的情况下，聚集在电感器中的能量直接返回到IGBT侧，并且发生IGBT本身不得不消耗能量的情况。此时的情况如图4所示。水平轴表示时间，而垂直轴表示电流或电压。也就是说，一旦集电极侧上产生的电压Vc达到栅极和集电极之间的二极管的钳位电压Vb，电压就被钳位，栅极电压因流过二极管的电流流过图3的栅极电阻而正偏压，IGBT达到导通状态且电流流过。在保持这种状态的同时，电流继续在大电压Vb施加于IGBT的状态下变化，直到零为止。在这段时间，即使在IGBT的内部温度由于引发大损耗而上升的情形下，IGBT需要忍受这种温度上升而不会击穿。此时所引发的最大损耗能量值被称为能量耐受性。除非由于电路或IGBT的配置或结构造成的诸如锁闭的局部发热造成器件击穿，否则到达作为硅半导体的物理热击穿温度的能量值就是能量耐受性的极限。为此，能量随着芯片尺寸的增大而增加。另外，当至外界的热辐射性良好时，温度上升得以抑制，且容量增强。结果，能量耐受性是在希望减小芯片尺寸以降低产品成本的情况下确定界限的一个因素。迄今为止已知的此类点火器IGBT的截面结构在图5示出。图5的IGBT包括p⁺衬底25上的n⁺缓冲层24和n基极层26，并且使IGBT的主电流流过的有源区20设置在n基极层表面的中央部分。有源区20的表面包括连接于p基极区6、n发射电极区7、栅极绝缘膜13、栅极端子2、栅电极14和发射极端子3的发射电极。耐压区18设置在围绕有源区20的周边。在图5的有源区20的右侧，包括水平MOSFET的控制电路部块21单片地由沟道区9、源极10-1、漏极10-2、栅极氧化膜11、栅电极12等构成。p区8是用于通过与发射电极短路，通过将流入沟道区9的电流转移至发射电极来减小流至电路部分21的电流并保护IGBT免受由于寄生电流造成的元件击穿的区域。从制造角度看，多数情形下连接在IGBT的栅极2和集电极1之间的钳位二极管16由沉积在IGBT衬底表面上的绝缘膜上的多晶硅层形成，以使电流沿该表面流动。