JP2008244388A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、縦型構造の半導体素子を備える半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device provided with a semiconductor element having a vertical structure.
近年、高電圧が入力されるスイッチング電源の一次側のスイッチング用途をはじめ、高電圧スイッチング用途に縦型構造の半導体素子である縦型構造のパワーMOSFETが、多く使用されている。この縦型構造のパワーMOSFETが使用される各種装置は、小型・低消費電力、高効率などの特徴、機能が求められており、これら装置のキーデバイスであるパワーMOSFETに対しても同様の特徴、機能が求められている。具体的には、小型のパッケージで、導通時の損失を下げるために低オン抵抗性能が求められている。 2. Description of the Related Art In recent years, vertical structure power MOSFETs, which are semiconductor elements having a vertical structure, are widely used for high voltage switching applications, including switching applications on the primary side of a switching power supply to which a high voltage is input. Various devices using this vertical structure power MOSFET are required to have features and functions such as small size, low power consumption, high efficiency, etc. The same features are also applied to the power MOSFET which is the key device of these devices. , Function is sought. Specifically, low on-resistance performance is required in a small package in order to reduce loss during conduction.
一方、パワーMOSFETのオン抵抗と耐圧とはトレードオフの関係であるため、耐圧を上げるとオン抵抗が増加する。オン抵抗を下げるためにはチップサイズを大きくする必要があり、パッケージサイズが大きくなる、という関係であり、小型化・低消費電力、高効率という要求を同時に満足するのには困難があった。 On the other hand, since the on-resistance and the withstand voltage of the power MOSFET are in a trade-off relationship, increasing the withstand voltage increases the on-resistance. In order to reduce the on-resistance, it is necessary to increase the chip size and increase the package size, and it has been difficult to satisfy the requirements of downsizing, low power consumption, and high efficiency at the same time.
特許文献1には、小型で低損失なスイッチング素子を直列に接続し、ダイオードを組み合わせることにより、小型、高スイッチング速度、低損失の半導体装置を提供することが開示されている。特許文献1を図6乃至図8を用いて以下に簡単に説明する。図6に示すように、スイッチング素子101を複数個直列に接続し、これら複数個のスイッチング素子に対してダイオード102を並列に接続している半導体装置の回路図が開示されている。
また、図6の回路図の具体的な実現手段として図7に示される構成例が開示されている。即ち、絶縁板106を介して配置されたスイッチング素子チップ104が、配線108で直列に接続されることなどが開示されている。
Further, a configuration example shown in FIG. 7 is disclosed as a specific means for realizing the circuit diagram of FIG. That is, it is disclosed that the
さらに、特許文献1には、他の実施形態として図8に示すように、複数のスイッチング素子チップ104をそれぞれ直列にし、これら複数のスイッチング素子チップ4に対して、SiCダイオードチップが並列に、それぞれのチップ間に導電板107を挟んで接続されており、これらチップ104、105と導電板107を絶縁構造物109が被覆する構成が開示されている。
上述の通り、特許文献1にはスイッチング素子チップを重ね合わせて直列接続することは開示されているが、その詳細、すなわち、直列接続した際のスイッチング素子の各電極と対応する外部端子との接続方法などについては、開示されておらず、不明確であり、これを用いて具体的に直列接続した半導体装置を実現することができなかった。
As described above,
したがって、 本発明は、スイッチング素子チップを複数個重ね合わせた半導体装置を具体的に実現することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to specifically realize a semiconductor device in which a plurality of switching element chips are stacked.
本発明の半導体装置は、表面電極としてソース電極とゲート電極とを備え、裏面電極としてドレイン電極を備える縦型構造の半導体素子を複数個用いる半導体装置であって、第1の半導体素子のソース電極と第2の半導体素子のドレイン電極とを重ね合わせて接続し、前記第1の半導体素子のゲート電極が、前記第2の半導体素子に重なり合わないことを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device using a plurality of semiconductor elements having a vertical structure including a source electrode and a gate electrode as a front electrode and a drain electrode as a back electrode, the source electrode of the first semiconductor element And the drain electrode of the second semiconductor element are connected in an overlapping manner, and the gate electrode of the first semiconductor element does not overlap the second semiconductor element.
本発明は、縦型構造の半導体素子を複数個重ね合わせて接続する際に、第1の半導体素子のソース電極に第2の半導体素子のドレイン電極を重ね合わせて接続すると共に、第1の半導体素子のゲート電極が、前記第2の半導体素子に重なり合わないことにより、外部端子との接続を効率的に行うことができ、小型で低オン抵抗、つまり、小型で低消費電力の半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, when a plurality of semiconductor elements having a vertical structure are connected in an overlapping manner, a drain electrode of a second semiconductor element is connected in an overlapping manner to a source electrode of the first semiconductor element, and the first semiconductor is connected. Since the gate electrode of the element does not overlap with the second semiconductor element, the connection with the external terminal can be performed efficiently, and a small and low on-resistance, that is, a small and low power consumption semiconductor device can be obtained. Obtainable.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態を図1〜図3を用いて説明する。なお、本発明の第1の実施形態を要説すると、縦型の半導体素子14と縦型の半導体素子15とが、ドレイン電極とソース電極を介して直列に接続され、全体を外装樹脂で覆っている構造である。更に、半導体素子14のゲートボンディングパッド10(後述するようにゲート電極とも言える)が、上方の半導体素子15に重なり合わない構造である。このため第1の実施形態では、上方の半導体素子15の方が半導体素子14よりも表面積が小さい構造となっている。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In brief description of the first embodiment of the present invention, the
図1は、本発明の半導体装置30の上面図である。なお、図1は、厳密にいうと実線で 示した外装樹脂16を外して上から見た透過平面図ともいうべきものである。図中、1は第1の半導体素子14のソース端子であり、そのソースワイヤ7を介して、第1の半導体 素子14のソース電極の一部であるソースボンディングパット12に接続されている。2は、第1の半導体素子14のゲート端子であり、そのゲートワイヤ6を介して第1の半導 体素子14のゲート電極の一部であるゲートボンディングパット10に接続されている。 3は第2の半導体素子15のゲート端子であり、そのゲートワイヤ8を介して、第2の半導体素子のゲート電極の一部であるゲートボンディングパット11に接続されている。4は、第2の半導体素子15のソース端子であり、そのソースワイヤ9を介して第2の半導体素子のソース電極の一部であるソースボンディングパット13に接続されている。従って、ソースボンディングパット13は、第2の半導体素子のソース電極とも換言でき、また、ソースボンディングパット12は、第1の半導体素子のソース電極とも換言できる。
FIG. 1 is a top view of a
以上述べたように、ゲートボンディングパッド10の上には第2の半導体素子15は組み立てされない。これは、ゲートワイヤ6を接続するなどのためである。なお、ゲートボンディングパッドの表面積は、ソースボンディングパッドに比べて相当小さくても性能上は問題がないため、このような構成としても、製品表面積の増加など実用上の問題は生じない。なお、ゲートボンディングパッド10は換言すると、第1の半導体素子のゲート電極とも言えるので、第1の半導体素子のゲート電極の上には、第2の半導体素子15は組み立てされないとも言える。これを更に換言すると、第1の半導体素子のゲート電極が第2の半導体素子に重なり合わない構成となっていると言える。
As described above, the
さらに、5は第1の半導体素子のドレイン端子であり、リードフレームも兼ねている。また、これは、図示しない第1の半導体素子のドレイン電極と接続している。この詳細は図2に示す。なお、第1の半導体素子14はチップ状であり、第1の半導体素子チップ14、又は第1の半導体素子のチップ14、もしくは第1の半導体チップ14とも換言できる。第2半導体素子15についても同様である。
Further, 5 is a drain terminal of the first semiconductor element, which also serves as a lead frame. This is also connected to the drain electrode of the first semiconductor element (not shown). The details are shown in FIG. Note that the
また、第1の半導体素子14、第2の半導体素子15は共に縦型構造の半導体素子であり、表面にソース電極とゲート電極を備え、裏面にドレイン電極を備える。従って、前述のように図1には、裏面のドレイン電極は見えないが、これらは図2で説明する。
Each of the
図2は、図1の半導体装置30のA−A´部の断面図である。図中、16は外装樹脂である。図2を参照して実施形態の構造を説明すると、第1の半導体素子のドレイン端子も兼ねるリードフレーム5に第1の半導体素子14の裏面のドレイン電極17が接続されている。更に、第1の半導体素子14の表面のソース電極12に第2の半導体素子15の裏面のドレイン電極18が接続している。また、第2の半導体素子15の表面にはソース電極13がある。なお、図2は、図1のA−A´部の断面図であるため、それぞれのゲート電極やそれぞれのゲート電極と外部端子とを接続するゲートワイヤはこの図では見えないので示されていない。また、それぞれのソース電極とそれぞれの外部端子とを接続するソースワイヤについても図の説明の簡便さから記載を省略している。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the AA ′ portion of the
図3は、本実施形態の半導体装置30の等価回路図である。図中、1は第1の半導体素子のソース端子、2は第1の半導体素子のゲート端子、3は第2の半導体素子のゲート端子、4は第2の半導体素子のソース端子、5は第1の半導体素子のドレイン端子である。なお、等価回路図の説明としては、厳密には、ソース端子1は、第2の半導体素子のドレイン端子も兼ねる、つまり第1の半導体素子のソース端子兼第2の半導体素子のドレイン端子1と呼称すべきかもしれないが、説明が煩雑になるので、単にソース端子1と呼称する。また、こう呼称するもう一つの理由は、図2に示すように、第2の半導体素子のドレイン電極18が第1の半導体素子のソース電極12と直列に接続されており、図1に示すようにソース電極12から端子を取り出しているという構造であり、説明を簡便にするためである。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the
以下に本発明の半導体装置30の詳しい構成と動作を説明する。本発明の半導体装置においては、第1、第2の半導体素子を同時にオン、オフさせる必要がある。このため、これら2つの半導体素子は、同一特性を有する素子であることが望ましい。接続上は、図2等から容易に理解されるように、裏面のドレイン電極17から直接端子を取り出している側の素子、つまり、第1の半導体素子14の方の外形、より正確には素子の表面積を大きくする必要がある。
The detailed configuration and operation of the
このため、第1の半導体素子はアクティブトランジスタの領域以外の箇所を大きくし、アクティブトランジスタ領域の形状を同一にする。即ち、それぞれの半導体素子の活性層の形状、表面積をほぼ同一にする。電気的特性、特に耐圧、オン抵抗などを合わせるための具体的な手段としては、例えば、DMOS(Double-Diffused MOSFET)構造のNチャンネルMOSFETで半導体素子を構成する場合には、それぞれの半導体素子のチャネル長を同一にすることが好ましい。更にN層の不純物濃度と厚みを同じにすることなどが好ましい。つまり、高濃度拡散層の不純物濃度と厚さとをほぼ同一にすることが好ましい。 For this reason, the first semiconductor element has a portion other than the active transistor region enlarged to have the same shape of the active transistor region. That is, the shape and surface area of the active layer of each semiconductor element are made substantially the same. As specific means for adjusting the electrical characteristics, particularly withstand voltage, on-resistance, etc., for example, when a semiconductor element is constituted by an N-channel MOSFET having a DMOS (Double-Diffused MOSFET) structure, The channel length is preferably the same. Furthermore, it is preferable that the N layer has the same impurity concentration and thickness. That is, it is preferable that the impurity concentration and thickness of the high-concentration diffusion layer are substantially the same.
また、重畳した両半導体素子(下側の半導体素子表面のソース電極と上側半導体素子裏面のドレイン電極が接続)の表面電極(ソース電極、ゲート電極)をボンディングワイヤを介して外部端子(リードフレーム含む)と接続し、また第一の半導体素子の裏面電極(ドレイン電極)を外部端子(リードフレーム)に実装することで、両半導体装置の各3電極を外部に導出する。外部端子は、両半導体素子の各ゲート、ソース端子と、第一の半導体素子裏面電極のドレインと接続されたドレイン端子の5端子から構成される。 In addition, the surface electrodes (source electrode, gate electrode) of both superimposed semiconductor elements (the source electrode on the lower semiconductor element surface and the drain electrode on the back surface of the upper semiconductor element are connected) are connected to external terminals (including lead frames) via bonding wires. And the back electrode (drain electrode) of the first semiconductor element is mounted on the external terminal (lead frame), thereby leading out the three electrodes of both semiconductor devices to the outside. The external terminal is composed of five terminals, that is, the gate and source terminals of both semiconductor elements and the drain terminal connected to the drain of the first semiconductor element back electrode.
縦型構造のパワーMOSFETの耐圧は、オン抵抗の約2.5乗に比例するため、例えば、耐圧200Vの1cm2あたりのオン抵抗は、約0.007Ω・cm2、耐圧400Vでは、オン抵抗は、約0.035Ω・cm2と約5倍になる。耐圧400Vの製品を一つ作るよりも耐圧200Vの素子を2つ直列接続した製品にすることで、低オン抵抗化が図れ、かつチップを重畳することで形状的に小型化が図れる。
Since the withstand voltage of the power MOSFET having a vertical structure is proportional to about 2.5 of the on-resistance, for example, the on-resistance per 1
以上、半導体素子を複数個、具体的には2個重ねる実施例を図面を用いて説明したが、本発明はこれにとらわれず、3個以上重ね合わせることもできる。即ち、第2の半導体素子の上に第3の半導体素子を上記の実施例同様に重ね合わせれば良い。念のため、概要を述べると、第2の半導体素子のソース電極と第3の半導体素子のドレイン電極とを接続し、第3の半導体素子のソース電極、ゲート電極から端子を取り出すことである。勿論、第2の半導体素子のソース、ゲートの各電極、第1の半導体素子のソース、ゲート、ドレインの各電極から端子を取り出すのはいうまでもないことである。 As described above, the embodiment in which a plurality of semiconductor elements, specifically two, are stacked has been described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to this, and three or more semiconductor elements can be stacked. That is, the third semiconductor element may be overlaid on the second semiconductor element as in the above embodiment. As a precaution, the outline is to connect the source electrode of the second semiconductor element and the drain electrode of the third semiconductor element, and to take out the terminal from the source electrode and gate electrode of the third semiconductor element. Of course, it goes without saying that the terminals are taken out from the source and gate electrodes of the second semiconductor element and the source, gate and drain electrodes of the first semiconductor element.
3個の半導体素子を重ね合わせる場合も、2個の場合と同様である。即ち、第3の半導体素子の表面積を最も小さくし、第2の半導体素子、第1の半導体素子と順次、表面積を大きくすることが好ましい。また、それぞれの素子のアクティブトランジスタ領域の形状を同一にする。即ち、活性層の形状、表面積をほぼ同一にする。更には、2個の場合と同様に、チャネル長、高濃度拡散層の厚さ及び不純物濃度をほぼ同一にすることが好ましい。これらにより耐圧、オン抵抗などの電気的特性を合わせることが好ましい。 The case where three semiconductor elements are stacked is the same as the case where two semiconductor elements are stacked. That is, it is preferable to minimize the surface area of the third semiconductor element and sequentially increase the surface area of the second semiconductor element and the first semiconductor element. In addition, the shape of the active transistor region of each element is made the same. That is, the shape and surface area of the active layer are made substantially the same. Furthermore, it is preferable that the channel length, the thickness of the high-concentration diffusion layer, and the impurity concentration are substantially the same as in the case of two. Thus, it is preferable to combine electrical characteristics such as withstand voltage and on-resistance.
なお、本発明の半導体装置を動作させるに際しては、それぞれの素子のON、OFFの時間を一致させる駆動回路が必要であるが、これは公知のタイミング制御回路などを用いて構成できるので、本明細書には図示及びこの回路の詳細な説明は割愛している。 Note that when operating the semiconductor device of the present invention, a drive circuit that matches the ON and OFF times of the respective elements is necessary. This can be configured using a known timing control circuit or the like. In the book, illustration and detailed description of this circuit are omitted.
(第2の実施形態)
次に本発明の第2の実施形態を図4、図5を用いて説明する。なお、第2の実施形態では、各半導体素子に全て同一の形状のものを用いて構成したことに特徴がある。他の構成などは第1の実施形態と同様ある。従って、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment is characterized in that each semiconductor element is configured using the same shape. Other configurations are the same as those of the first embodiment. Therefore, the description will focus on the differences from the first embodiment.
図4は、本発明の第2の実施形態の半導体装置40の上面図である。なお、図4は、厳密にいうと実線で示した外装樹脂16を外して上から見た透過平面図ともいうべきものである。図中、1は第1の半導体素子24のソース端子であり、そのソースワイヤ7を介して、第1の半導体素子24のソース電極の一部であるソースボンディングパット22に接続されている。2は、第1の半導体素子24のゲート端子であり、そのゲートワイヤ6を介して第1の半導体素子24のゲート電極の一部であるゲートボンディングパット20に接続されている。3は第2の半導体素子25のゲート端子であり、そのゲートワイヤ8を介して、第2の半導体素子のゲート電極の一部であるゲートボンディングパット21に接続されている。4は、第2の半導体素子25のソース端子であり、そのソースワイヤ9を介して第2の半導体素子のソース電極の一部であるソースボンディングパット23に接続されている。
FIG. 4 is a top view of the
さらに、5は第1の半導体素子のドレイン端子であり、リードフレームも兼ねている。また、これは、図示しない第1の半導体素子のドレイン電極と接続している。この詳細は図5に示す。なお、第1の半導体素子24は、チップ状であり、それぞれ、第1の半導体素子チップ24又は第1の半導体チップ24とも換言できる。第2半導体素子についても同様である。また、第1の半導体素子24、第2の半導体素子25は共に縦型構造の半導体素子であり、表面にソース電極とゲート電極を備え、裏面にドレイン電極を備える。従って、前述のように図4には、裏面のドレイン電極は見えないが、これらは図5で説明する。
Further, 5 is a drain terminal of the first semiconductor element, which also serves as a lead frame. This is also connected to the drain electrode of the first semiconductor element (not shown). The details are shown in FIG. The
図5は、図4の半導体装置40のB−B´部の断面図である。第1の実施形態と大きく異なるのは、第1、第2の半導体チップの形状が同じであることと、このため、第2の半導体素子25の位置をずらして接続していることである。即ち、第2の実施形態では、同一構造の半導体素子を積みかねているので、当然に活性層の形状、表面積や、チャネル長、N層の不純物濃度などは、ほぼ同一であり、その耐圧、オン抵抗などの電気的特性もほぼ同一となる。第1の実施形態と組み立て上の違いは、図4の方が良くわかるが、ゲートボンディングパット20をさけて、第2の半導体素子が第1の半導体素子と水平方向にずらして組み立てされていることである。これにより、第1の半導体素子のゲート電極が第2の半導体素子25に重なり合わない構成としている。これは、ゲートワイヤ6の接続などのためである。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the BB ′ portion of the
図5中、16は外装樹脂である。念のため、図5を参照して第2の実施形態の構造を説明すると、第1の半導体素子のドレイン端子も兼ねるリードフレーム5に第1の半導体素子24の裏面のドレイン電極27が接続されている。更に、第1の半導体素子24の表面のソース電極22に第2の半導体素子25の裏面のドレイン電極28が接続している。また、第2の半導体素子25の表面にはソース電極23があるという構成になっている。
In FIG. 5, 16 is an exterior resin. As a precaution, the structure of the second embodiment will be described with reference to FIG. 5. The drain electrode 27 on the back surface of the
なお、第2の実施形態の等価回路図も第1の実施形態と同じである。即ち図3と同じであるので、この説明は割愛する。また、タイミング制御回路の必要性などは第1の実施形態同様であるので、その記載は割愛する。さらに半導体素子を3つ以上重ねて組み立ててもよいことも第1の実施形態同様である。 The equivalent circuit diagram of the second embodiment is the same as that of the first embodiment. That is, since it is the same as FIG. 3, this description is omitted. Further, since the necessity of the timing control circuit is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted. Further, as in the first embodiment, three or more semiconductor elements may be stacked and assembled.
以上のように本発明によれば、小型、低消費電力のパワーMOSFETが構成でき、本発明の実用上の意義は高い。 As described above, according to the present invention, a small, low power consumption power MOSFET can be configured, and the practical significance of the present invention is high.
なお、本発明は以上の開示内容に限定されず、その技術思想の範囲内で自由に変形など行えることは言うまでもない。 Needless to say, the present invention is not limited to the above disclosure, and can be freely modified within the scope of the technical idea.
1 第1の半導体素子のソース端子
2 第1の半導体素子のゲート端子
3 第2の半導体素子のゲート端子
4 第2の半導体素子のソース端子
5 第1の半導体素子のドレイン端子(リードフレーム)
6 第1の半導体素子のゲートワイヤ
7 第1の半導体素子のソースワイヤ
8 第2の半導体素子のゲートワイヤ
9 第1の半導体素子のソースワイヤ
10、20 第1の半導体素子のゲートボンディングパッド
11、21 第2の半導体素子のゲートボンディングパッド
12、22 第1の半導体素子のソースボンディングパッド
13、23 第2の半導体素子のソースボンディングパッド
14、24 第1の半導体素子
15、25 第2の半導体素子
16 樹脂層
17、27 第1の半導体素子のドレイン電極
18、28 第2の半導体素子のドレイン電極
30、40 半導体装置
DESCRIPTION OF
6 Gate wire of
Claims (6)
第1の半導体素子のソース電極と第2の半導体素子のドレイン電極とを重ね合わせて接続し、前記第1の半導体素子のゲート電極が、前記第2の半導体素子に重なり合わないことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device using a plurality of semiconductor elements having a vertical structure including a source electrode and a gate electrode as a front electrode and a drain electrode as a back electrode,
A source electrode of the first semiconductor element and a drain electrode of the second semiconductor element are overlapped and connected, and the gate electrode of the first semiconductor element does not overlap the second semiconductor element. Semiconductor device.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein each of the semiconductor elements has substantially the same breakdown voltage and on-resistance.
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a surface area of the first semiconductor element is larger than a surface area of the second semiconductor element. 4.
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the shape of each semiconductor element is the same, and the first semiconductor element and the second semiconductor element are arranged so as to be shifted. A semiconductor device.
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the channel length of each semiconductor element is substantially equal, and the thickness and impurity concentration of the high concentration diffusion layer of each semiconductor element are also substantially equal. A semiconductor device.
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first external terminal connected to the back electrode of the first semiconductor element and the source electrode of the first semiconductor element are connected. A second external terminal connected to the gate electrode of the first semiconductor element, a third external terminal connected to the gate electrode of the first semiconductor element, and a fourth electrode connected to the source electrode of the second semiconductor element via a bonding wire. A semiconductor device, further comprising: an external terminal; a fifth external terminal connected to the gate electrode of the second semiconductor element; and a resin covering the first and second semiconductor elements.
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