JP2010016103A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のワイヤーでボンディングを行う半導体装置において、ワイヤーボンディング不良を容易かつ確実に検出する。
【解決手段】半導体装置301は、半導体層2と、半導体層2に電気的に接続された複数のパッド17A、17Bと、複数のパッド17A、17Bのそれぞれに少なくとも1つずつ接続されたワイヤー50sとを備え、複数のパッド17A、17Bは、ワイヤー50sを介して、外部と接続される同一の端子40に接続されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置およびその検査方法に関する。
耐圧が高く、大電流を流すことができる半導体素子(パワーデバイス)は、様々な分野で使用されている。このような半導体素子はパッケージに収納されており、半導体素子の電極部は、パッケージに設けられた端子(リード)とワイヤーボンディングにより電気的に接続されている。本明細書では、パッケージされる前の半導体素子を「半導体チップ」、パッケージに収納された半導体素子を「半導体装置」と称する。
以下、図面を参照しながら、ソース、ドレインおよびゲートの3つの電極部を有する半導体チップを例に、従来の半導体チップにおけるワイヤーボンディングの方法を説明する。
図23(a)は、従来の半導体装置の一例を示す上面図である。図示する例では、半導体チップのパッド部とパッケージのリードとをワイヤーボンディングで接続している。
半導体装置300は、半導体チップ200と、半導体チップ200を支持する台座260と、半導体チップ200の電極部に接続され、半導体装置300の外部との接続に用いられるソース、ドレインおよびゲートリード(端子)240、241、242とを備えている。半導体チップ200は、図23(b)に示すように、多数のユニットセル230から構成されている。図示しないが、ユニットセル230のそれぞれは、同一の半導体層を用いて形成され、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有している。
各ユニットセル230のソース電極はソースパッド217に、ゲート電極はゲートパッド218にそれぞれ電気的に接続されている。ゲートパッド218は、ボンディングワイヤー(以下、単に「ワイヤー」)250gによりゲートリード242に接続され、ソースパッド217は、複数(図23では2本)のワイヤー250sによりソースリード240に接続されている。また、図示しないが、各ユニットセル230のドレイン電極は、台座260によりドレインリード241に接続されている。
ユニットセル230は、典型的には、半導体チップ200におけるソースパッド217の下に並列に配列される。半導体チップ200の周辺領域には、必要に応じてガードリング、ガードバンドおよびメサ構造など、半導体チップ200の周辺における耐圧低下を抑制する終端構造が形成される(図示せず)。
ソースパッド217とソースリード240とが複数のワイヤーで接続されている理由を説明する。ソースパッド217とソースリード240とを接続するワイヤーが1本の場合、ワイヤーの抵抗が大きいために、ワイヤーを流れる電流による発熱が繰り返され、その結果、ワイヤーの長期信頼性が保てなくなり、ひいてはワイヤーの断線につながるおそれがある。従って、複数のワイヤーを用いて接続し、各ワイヤーを流れる電流量を抑えて、ワイヤーの発熱による信頼性の低下を抑制するためである。
図23に示すような構成は、特に大電流を流すパワーデバイスに適用され得る。パワーデバイスの分野では、従来のSi半導体に比べてバンドギャップの大きな(ワイドバンドギャップ)半導体材料である炭化珪素(SiC)半導体を用いたSiCパワーデバイスの開発が進められている。
SiC半導体はSi半導体よりも高い絶縁耐圧性を有している。このため、SiC半導体を用いた縦型のパワーMOSFETでは、ドリフト領域の厚さを小さくでき、かつ、ドリフト領域における不純物密度を高めることもできるので、ドリフト抵抗を大幅に低減できる。また、SiC半導体は熱伝導特性および高温耐性に優れているため、SiCパワーMOSFETの電流容量を容易に向上できる。
本願発明者らが検討したところ、図23を参照しながら説明した従来のボンディング方法によると、複数のワイヤー250sのうち、1本でもボンディングに失敗すると、ボンディングに失敗したワイヤーには電流が流れず、残りの正常にボンディングされたワイヤーに全電流が流れる。その結果、正常にボンディングされたワイヤーを流れる電流量が増大してしまう。図23に示す例では、ソースパッド217とソースリードとを接続する2本のワイヤー250sのうち1本のボンディングに失敗すると、全電流が1本のワイヤーに流れてしまう。その結果、ワイヤーを1本しか設けない場合と同様に、ワイヤーの信頼性を保つことができなくなる。
しかしながら、ワイヤー自体の抵抗は半導体チップ200の抵抗に比べると小さいため、半導体装置300を製造した後に、全ワイヤー250sが正常にボンディングされていることを確認することは非常に困難である。ワイヤーが1本でも正常にボンディングされていれば、残りのワイヤーにボンディング不良があっても、半導体装置300の電気特性はほとんど低下しないからである。従って、従来は、全てのワイヤーが正常にボンディングされているかどうかを判断するための検査方法がなく、ワイヤーの長期信頼性を保証することはできなかった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体チップをパッケージングした後の半導体装置の抵抗値を測定することにより、ワイヤーボンディング不良を検出し、半導体装置の信頼性を確保することにある。
本発明の半導体装置は、半導体層と、前記半導体層に電気的に接続された複数のパッドと、前記複数のパッドのそれぞれに少なくとも1つずつ接続されたワイヤーとを備え、前記複数のパッドは、前記ワイヤーを介して、外部と接続される同一の端子に接続されている。
ある好ましい実施形態において、前記半導体層は、素子領域と、前記素子領域を囲むように設けられた終端領域とを有しており、前記複数のパッドは、前記素子領域上に配置されている。
ある好ましい実施形態において、ゲート電極と、前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、前記ゲートパッドに電気的に接続されたゲート配線とをさらに有し、前記ゲート配線は、前記複数のパッドの間に配置されている。前記ゲート配線の断面積は90μm2以上であることが好ましい。
ある好ましい実施形態において、ゲート電極と、前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、前記ゲートパッドに電気的に接続されたゲート配線とをさらに有し、前記ゲート配線は、前記複数のパッドを囲むように設けられている。前記ゲート配線の断面積は90μm2以上であることが好ましい。
ある好ましい実施形態において、ゲート電極と、前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、前記ゲートパッドに電気的に接続されたゲート配線とをさらに有し、前記ゲート配線は、前記複数のパッドの間、および、前記複数のパッドを囲むように設けられている。前記ゲート配線の断面積は66μm2以上であることが好ましい。
前記複数のパッドは、半導体装置に流し得る最大電流を流したときに溶断され得る細い配線で互いに接続されていてもよい。
前記細い配線の断面積は200μm2以下であってもよい。
ある好ましい実施形態において、前記半導体層は、第1導電型を有するドリフト領域と、前記第1導電型と異なる第2導電型を有する第2導電型領域とを含んでおり、前記ゲート配線は、前記第2導電型領域の上に配置されている。
前記ゲート配線の下に位置する前記第2導電型領域は、前記複数のパッドと同電位に接地されていることが好ましい。
ある好ましい実施形態において、前記半導体層と前記複数のパッドとの間に形成された絶縁層をさらに備え、前記絶縁層には、前記ゲート配線の下に位置する前記第2導電型領域を、前記複数のパッドと同電位に接地するためのコンタクト部が形成されており、前記コンタクト部の少なくとも1つは、前記半導体層の前記第2導電型領域上のみに位置している。
前記半導体層はワイドバンドギャップを有する半導体を含んでもよい。
前記半導体層は炭化珪素を含んでもよい。
前記半導体装置は、前記半導体層を用いて形成され、それぞれが第1電極および第2電極を備えた複数のユニットセルを含んでおり、前記複数のパッドは、第1パッドおよび第2パッドを含み、前記複数のユニットセルのうちの一部のユニットセルの第1電極は、前記複数のパッドのうち前記第1パッドのみに接続され、他の一部のユニットセルの第1電極は、前記複数のパッドのうち第2パッドのみに接続されており、前記複数のユニットセルの第2電極は、外部に接続される他の端子に接続されていてもよい。
前記半導体装置は、前記半導体層を用いて形成され、それぞれがゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を備えた複数のユニットセルと、前記複数のユニットセルのゲート電極に接続されたゲートパッドと、前記ゲートパッドに接続されたゲート端子と、前記複数のユニットセルのドレイン電極に接続されたドレイン端子とを含んでおり、前記複数のパッドは、第1ソースパッドおよび第2ソースパッドを含み、前記同一の端子はソース端子であり、前記複数のユニットセルのうちの一部のユニットセルのソース電極は、前記複数のパッドのうち前記第1ソースパッドのみに接続され、他の一部のユニットセルのソース電極は、前記複数のパッドのうち第2ソースパッドのみに接続されていてもよい。
本発明による検査方法は、上記半導体装置におけるワイヤーボンディング不良を検査する検査方法であって、前記同一の端子と前記他の端子との間の抵抗値を測定する工程と、前記抵抗値に基づいて、前記複数のパッドのそれぞれと前記同一の端子とを接続するワイヤーのうち少なくとも1つにボンディング不良が生じているか否かを判断する工程とを包含する。
本発明による他の検査方法は、上記半導体装置におけるワイヤーボンディング不良を検査する検査方法であって、前記ゲート端子に電圧を印加して、前記ドレイン端子と前記ソース端子との間の抵抗値を測定する工程と、前記抵抗値に基づいて、前記複数のパッドのそれぞれと前記ソース端子とを接続するワイヤーのうち少なくとも1つにボンディング不良が生じているか否かを判断する工程とを包含する。
本発明の半導体装置によると、電極パッドが分割されており、1本でもワイヤーボンディング不良があれば、ボンディング不良のあるワイヤーに対応する分割パッド(電極パッドを分割して得られたパッド)に電流が流れないので、半導体装置の抵抗が大幅に増加する。そのため、パッケージング後の半導体装置の抵抗を測定することにより、ワイヤーのボンディング不良を検出できる。また、ボンディング不良が検出された、長期信頼性の低い半導体装置の市場への出荷を防ぐことができる。
上記分割パッドは細い導体で互いに接続されていてもよい。その場合でも、検査時に細い導体が溶断するのに十分な量の電流を流すことにより、仮にワイヤーにボンディング不良があれば上記細い導体が断線し、半導体装置の抵抗が増加する。よって、ボンディング不良の検出を可能にしつつ、半導体装置を安定して動作させることが可能になる。
また、特に隣接する分割パッドの間にゲート配線を設けると、ゲート抵抗を低減できるため、従来よりも高速動作が可能な半導体装置が得られるので有利である。
さらに、本発明によると、半導体装置を製造した後に、ワイヤーボンディング不良を容易かつ正確に検出できる検査方法を提供できる。
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明による第1の実施形態の半導体装置を説明する。本実施形態の半導体装置は、SiC半導体を用いて、多数のユニットセルから構成されるnチャネル型の縦型パワーMOSFETをパッケージングした装置である。
なお、本発明の半導体装置は、半導体層を用いて形成された半導体チップを備えていればよく、例えばMOSFET、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)、pnダイオード、ショットキーダイオードなどを含み得る。半導体層としては、特に限定されず、Si、GaAs、あるいは、それらよりもバンドギャップの大きいSiC、GaNなどのワイドバンドギャップ半導体であってもよい。
図1は、本実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。また、図2は、本実施形態の半導体装置を構成するユニットセルを説明するための図であり、図2(a)は、半導体装置における半導体層の模式的な平面図、図2(b)は、隣接する2つのユニットセルの一部を示す模式的な断面図であり、図2(a)のii−ii’線に沿った断面を示している。図2(c)は、複数のユニットセルにおけるゲート電極およびソース電極の配置関係を説明するための模式的な平面図である。
図1に示すように、半導体装置301は、半導体チップ101と、半導体チップ101を支持する台座60と、台座60に設けられたソース、ドレインおよびゲートリード(端子)40、41、42とを備えている。半導体チップ101は、ゲートパッド18およびソースパッド17を有している。ソースパッド17は、複数に分割されている。図示する例では、2つのパッド(「分割パッド」と称する)17A、17Bに分割されている。ゲートパッド18は、ワイヤー50gを用いてゲートリード42に電気的に接続されている。各分割パッド17A、17Bには、それぞれ、ワイヤー50sがボンディングされており、これらのワイヤー50sは何れもソースリード40に接続されている。図1には示されていないが、半導体チップ101は、台座60側の面にドレイン電極をさらに備えており、ドレイン電極は、台座60を介してドレインリード41に接続されている。
次に、図2を参照しながら、本実施形態における半導体チップ101の具体的な構成を説明する。
図2(a)に示すように、半導体チップ101は、2次元的に配列された複数のユニットセル(セルピッチ10μm程度)31を含んでいる。ユニットセル31は、ソースパッド17の下に多数配置される。
各ユニットセル30は、図2(b)に示すように、半導体基板(ここではSiC基板)1上に形成された半導体層(ここではSiC層)2と、半導体層2に電気的に接続されたソース電極10と、ソース電極10に電気的に接続されたソースパッド17と、半導体層2の少なくとも一部を覆うゲート電極11と、半導体基板1の裏面に電気的に接続されたドレイン電極5とを備える。半導体層2とゲート電極11との間には、チャネル層9およびゲート絶縁膜4がこの順で形成されている。また、ゲート電極11およびソ−スパッド17は層間絶縁膜15によって電気的に分離されている。なお、図示しないが、ゲート電極11は、図1に示すゲートパッド18に電気的に接続されている。
半導体層2には、ユニットセル31を規定するp型のウェル領域6が形成されており、ウェル領域6の内部には、高濃度でn型不純物を含むn型のソース領域8と、ウェル領域6に電気的に接続され、ウェル領域6よりも高い濃度でp型不純物を含むp+型のコンタクト領域7とが形成されている。ソース領域8は、半導体層2の表面において、コンタクト領域7の周囲に位置している。半導体層2のうちウェル領域6が形成されていない部分はn型のドリフト領域2aとなる。チャネル層9は、例えば4H−SiCからなるn型のエピタキシャル成長層であり、n型ソース領域8と半導体層2とを接続するように設けられている。
半導体チップ101を構成する複数のユニットセル31におけるゲート電極11は、図2(c)に示すように、同一の導電膜をパターニングすることによって形成され、互いに電気的に接続されている。図示する例では、ゲート電極11は、各ユニットセル31のソース領域8の一部およびコンタクト領域7を露出する開口部を有するようにパターニングされている。また、図示していないが、チャネル層9も、ゲート電極11の開口部と対応する開口部を有するようにパターニングされている。一方、複数のユニットセル31におけるソース電極10は、ゲート電極11およびチャネル層9の各開口部に配置され、ユニットセル31毎に分離されたパターンを有している。各ソース電極10は、ソース領域8およびコンタクト領域7の両方に対してオーミック接触を形成している。一部のユニットセル31におけるソース電極10は、ソースパッド17を分割した分割パッド17Aに電気的に接続され、他のユニットセル31におけるソース電極10は、もう1つの分割パッド17Bに電気的に接続されている。ゲート電極11は、ゲートパッド18(図1)に接続される。
本実施形態の半導体装置301は、上述してきたように、分割パッド17Aおよび17Bとドレイン電極との間に、それぞれ、複数のユニットセル31が並列に接続されている。このため、半導体装置301のソースリード40およびドレインリード41の間に電流を流すと、半導体チップ101の分割パッド17A、17Bとソースリード40とを接続するための複数のワイヤー50sのうち1本のみにボンディング不良が生じている場合には、そのワイヤー50sが接続された分割パッドに接続されたユニットセルには電流が流れない。その結果、全てのワイヤー50sが正常にボンディングされている場合と比べて抵抗値が大幅に低下する。従って、ソースリード40およびドレインリード41の間の抵抗値に基づいて、ボンディング不良を容易に検出することができる。
半導体装置301では、ソースパッド17は2つに分割されているが、3以上に分割され、それぞれの分割パッドにワイヤーがボンディングされていてもよい。また、1つの分割パッドに2以上のワイヤーが接続されていてもよいが、より確実にボンディング不良を検出するためには、各分割パッドに1本ずつワイヤーがボンディングされていることが好ましい。
続いて、再び図2を参照しながら、半導体チップ101の作製方法の一例を説明する。
まず、公知の方法で、半導体基板(ここでは低抵抗n型SiC基板)1の上に、半導体層(ここではn型のSiC層)2をエピタキシャル成長させる。SiC基板1としては、主面が4H−SiC(0001)面であるオフカット基板を用いる。SiC層2の厚さは約15μmであり、n型不純物(窒素)濃度は約5×1015cm-3である。SiC層2は、一般にドリフト層と呼ばれ、半導体チップ101がオフとなる状態では空乏化して逆電圧を維持し、オンとなる状態では抵抗体として振る舞う。
次に、SiC層2の表面に、マスクを用いた公知の選択的イオン注入法により、p型のウェル領域6、n型のソース領域8、p+型のコンタクト領域7を形成するためのイオン注入を行なう。例えば、ウェル領域6のp型不純物(アルミ)濃度は約2×1018cm-3であり、深さは0.6μmである。ソース領域8のn型不純物(窒素)濃度は約5×1019cm-3であり、深さは0.3μmである。ウェルコンタクト領域7は、ウェル領域6のコンタクトを容易にするための高濃度注入層である。ウェルコンタクト領域7のp型不純物(アルミ)の濃度は約5×1019cm-3、深さは0.3μmである。SiC層2のうち不純物イオンが注入されなかった領域はドリフト領域2aとなる。
続いて、SiC層2に注入した不純物イオンを活性化させるために、公知の方法で活性化アニールを行う。
その後、公知の方法により、チャネル層9を形成する。チャネル層9は、SiC層2の全面にSiCをエピタキシャル成長させた後、得られたSiC成長層をパターニングすることにより形成できる。チャネル層9は、少なくともドリフト領域2aとソース領域8との間におけるウェル領域6の表面領域に形成されていればよい。また、SiC層2の表面におけるソース電極を形成しようとする領域には、チャネル層9が形成されていないことが好ましい。チャネル層9の厚さは例えば約0.2μm、平均不純物濃度は約1×1017cm-3である。チャネル層9をエピタキシャル成長によって形成すると、チャネル部分の表面平坦性を向上できるので、チャネル移動度を向上できるとともに、しきい値の制御が容易になるという利点がある。チャネル層9の形成は必須ではないが、チャネル層9の形成を行わない場合には、しきい値を制御するために、ウェル領域6のうちゲート絶縁膜と接する面の近傍で、不純物濃度を他の部分よりも低くする(例えば不純物濃度:約1×1017cm-3)ことが好ましい。
続いて、公知の方法により、ゲート酸化膜4およびゲート電極11を形成する。ゲート酸化膜4は、チャネル層9の表面を熱酸化することによって形成することができ、その厚さは約0.07μmである。ゲート電極11は、ゲート絶縁膜4の表面にpoly−Si膜を堆積し、パターニングを行うことによって形成できる。ここでは、poly−Si膜として、不純物(リン)を高濃度(7×1020cm-3程度)にドーピングすることによって低抵抗化されたpoly−Si膜を用いる。poly−Si膜の厚さは約0.5μm、比抵抗は約7.5×10-4Ωcmである。ここで、ゲート電極11を低抵抗化するためにpoly−Siのシリサイド化を行なってもよい。ゲート絶縁膜4およびゲート電極11は、図示するように、1つのウェル領域6の内部のソース領域8から、隣接するウェル領域6間のドリフト領域2aを跨いで隣接するウェル領域6の内部のソース領域8までを覆っている。
続いて、層間絶縁膜15、ソース電極10およびドレイン電極5などを形成する。ソース電極10は、ソース領域8およびコンタクト領域7に対してオーミック接合を形成している。このようなソース電極10は、ソース領域8およびコンタクト領域7に接するようにチタン金属層を形成した後、950℃程度の加熱処理を行うことによって得られる。ソース電極10を形成した後、SiC層2の表面を覆うように層間絶縁膜15を形成する。一方、ドレイン電極5は、SiC基板1の裏面にチタン金属層を堆積し、ソース電極10を形成する際と同様の加熱処理を行うことによって形成できる。
続いて、SiC層2の表面側全面に厚さ3μm程度のAlを形成し、パターニングを行うことによってソースパッド17およびゲートパッド18を形成する。Alの比抵抗は約3×10-6Ωcmである。ソースパッド17は図1に示すように2つに分割されている。ゲート電極11は、層間絶縁膜15に形成されたコンタクト部を介して、ゲートパッド18に接続する。また、ソース電極10は、層間絶縁膜15に形成されたコンタクト部を介して、ソースパッド17(分割パッド17A、17Bの何れか)に接続する。このようにして、半導体チップ101を得る。
続いて、再び図1を参照しながら、本実施形態における半導体チップ101のワイヤーボンディングおよびパッケージングを行う方法を説明する。ここでは、例えばTO−220系の半導体パッケージを用いて説明する。半導体チップ101の寸法は、3.6mm×3.6mm程度である。
まず、半導体チップ101を、例えばPbSn等の半田でリードフレームの台座60に固定する。台座60は導電性を有するので、半導体チップ101の裏面にあるドレイン電極5は、台座60によりドレインリード41に電気的に接続される。なお、他のリード40、42は、台座60から絶縁されている。
次に、分割パッド17A、17Bとソースリード40とをそれぞれワイヤー50sで接続する。本実施形態では、分割パッドA、17Bに、それぞれ、1本ずつワイヤー50sをボンディングして、ソースリード40に接続する。ソースリード40に接続するワイヤー50sとして、例えば直径が300μmのAlを用いる。同様に、ゲートパッド18とゲートリード42とをワイヤー50gで接続する。ゲートリード42と接続するワイヤー50gとして、例えば直径200μmのAlを用いる。
次に、必要に応じてジャンクションコーティングレジン(JCR)を塗布し、続いて熱処理する。その後、樹脂封じおよびフレームカットを行う。このようにして、半導体チップ101がパッケージされて、半導体装置301となる。
本実施形態における複数のユニットセルは、例えばFLR(Field Limiting Ring)などの終端構造の内部に配置されることが好ましい。図3は、FLR構造の一例を示す断面図であり、図1に示すI−I’線に沿った断面を示している。
FLRは、半導体チップ101を構成する複数のユニットセルが形成される領域(素子領域)を囲むように設けられる。本明細書では、FLRなどの終端構造が形成される領域を「終端領域」と呼び、素子領域と区別する。FLRは、ユニットセルを形成する工程と同時に形成される。具体的には、ウェル領域6の形成と同時にリング70が形成される。なお、終端構造はFLRに限定されるものではなく、JTE(Junction Termination Extension)などでもよい。
このような終端構造は、半導体チップ101の上方から見て、分割されたソースパッド(分割パッド)17A、17Bおよびゲートパッド18を囲むように配置されていることが好ましい。
次いで、半導体装置301に対して電気的試験を行い、ワイヤーボンディング不良を検出する方法を説明する。
まず、ゲートリード42に所定の電圧を印加し、ソース・ドレイン間の抵抗値を測定する。例えばソースリード40を接地し、ゲートリード42に+15V、ドレインリード41に+2Vを印加したときのソース・ドレイン間の抵抗値を測定する。ゲートに印加する電圧は、特に限定されないが、好ましくは半導体チップ(MOSFET)101の閾値電圧よりも十分大きな値に設定される。
ソースパッド17のワイヤー50sが2本とも正常にボンディングされている場合、上記の方法で半導体チップ101の抵抗値を測定すると0.05Ω程度となる。本明細書では、この抵抗値を「基準値」と呼び、検査対象とする半導体装置301の測定を行う前に、他のサンプルを用いて予め測定しておくことが好ましい。
一方、ワイヤー50sのうち1本、例えば分割パッド17Aに接続されるワイヤー50sのボンディングに失敗していれば、半導体チップ101を構成する複数のユニットセルのうち分割パッド17Bに接続された一部のユニットセルしか導電に寄与しない。よって、ソース・ドレイン間の抵抗値は、基準値の約2倍の0.1Ω程度となる。また、仮に2本のワイヤー50sともボンディングに失敗した場合は、ソース・ドレイン間に電流が全く流れない。
このように、上記方法によると、ソースパッド17を分割することにより、ワイヤー50sのうち1本がボンディングに失敗した場合であっても、抵抗値が基準値よりも大幅に低下するので、測定した抵抗値と基準値との比較によってワイヤーボンディングの失敗を容易に検出できる。
なお、図23に示すような従来の半導体装置300によると、2本のワイヤー250sのうち1本のボンディングが失敗した場合でも、ソース・ドレイン間の抵抗値は、2本とも正常にボンディングされた場合の抵抗値(基準値)と同程度となってしまう。よって、2本のワイヤー250sともボンディングに失敗している場合にしか、ワイヤーボンディングの失敗を検出できなかった。これに対し、本実施形態によると、従来と同等の電気的特性を確保しつつ、ワイヤーボンディング不良をより正確に検出することが可能となる。
本実施形態では、ソースパッド17を2つに分割し、2本のワイヤー50sでボンディングを行なっているが、ソースパッド17を3つ以上に分割してもよく、その場合でも、各々の分割パッドに1本ずつワイヤー50sをボンディングすることにより、上記と同様の電気的試験によりワイヤーボンディング不良を検出できる。例えばソースパッドを3つに分割した場合、ワイヤー50sのうち1本にボンディング不良があれば、ソース・ドレイン間の抵抗値は、上記基準値の約3/2倍となる。
各分割パッドに複数のワイヤー50sをボンディングしてもよい。その場合には、分割パッド毎にボンディング不良が検出されるので、ソースパッド17が分割されていない場合よりも高い割合でボンディング不良を検出できる。ただし、より確実に検出するためには、各分割パッドに1本ずつワイヤー50sがボンディングされていることが好ましい。
本実施形態における半導体装置は、他の形状を有するユニットセルから構成されていてもよい。
図4(a)および(b)は、それぞれ、本実施形態における他の半導体装置(縦型MOSFET)を例示する図であり、図4(a)は半導体層(SiC層)の上面図、図4(b)は隣接する2つのユニットセルの一部を示す模式的な断面図であり、図4(a)のiv−iv’線に沿った断面を示している。簡単のため、図2(a)および(b)に示す構成要素と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
図4(a)に示すように、半導体チップ102は、特定方向に延びるストライプ形状のユニットセル32が、特定方向に直交する方向に配列されている。ユニットセル32の配列ピッチ、すなわちウェル領域6の配列ピッチ(セルピッチ)Pは10μm程度である。図4(b)に示すように、ユニットセル32の断面構造は、図2(b)を参照しながら説明した構造と同様である。この縦型MOSFETも、上記と同様の方法によって製造されている。
また、本実施形態におけるユニットセルの平面形状は、図2および図4に示すような四角形に限定されず、六角形等の別の形状を有する場合もある。ユニットセルの配列方法も図示する例に限定されない。
さらに、本実施形態における半導体層2はSiC層に限定されない。ただし、半導体層2は、SiCおよび他のワイドバンドギャップ半導体のように、絶縁破壊電界の高い半導体材料を含んでいると特に有利である。絶縁破壊電界の高い半導体材料を用いた装置では、大電流を流すことができるため、ワイヤー50sに対して特に高度な長期信頼性が求められるからである。
(第2の実施形態)
以下、図5を参照しながら、本発明による第2の実施形態の半導体装置を説明する。本実施形態は、分割パッド17A、17Bがソース配線19を介して接続されている点で、図1〜4を参照しながら前述した半導体装置301、302と異なっている。
図5は、本実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。簡単のため、図1に示す半導体装置301と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
半導体装置303は、半導体チップ103を備えている。半導体チップ103におけるソースパッド17は2つの分割パッド17A、17Bを含んでいる。分割パッド17A、17Bは、これらのパッド17A、17Bと同一の導電層(例えば厚さ:3μmのAl層)から形成されたソース配線19によって接続されている。分割パッド17A、17Bがソース配線19によって互いに接続されていると、これらのパッド17A、17Bをソース電位に固定できるので、半導体チップ103をより安定して動作させることができる。
ソース配線19は、半導体装置301に流し得る最大電流を流したときに溶断される程度に十分細いことが好ましい。これにより、以下に詳述するように、前述の実施形態で説明した方法と同様の方法でワイヤーボンディング不良の検出を行うことができる。ソース配線19の断面積は、上記最大電流によって異なるが、例えば200μm2以下に設定される。
次に、図5を参照しながら、本実施形態における半導体装置303の作製方法を説明する。
まず、第1の実施形態と同様の方法で、SiC層を用いて複数のユニットセルおよび終端構造を形成する。各ユニットセルの構成および終端構造は、図2および図3を参照しながら前述した構成と同様である。
続いて、SiC層の表面側全面にAl層を形成し、パターニングを行うことによってソースパッド17、ゲートパッド18およびソース配線19を形成する。Al層の厚さは3μm程度、比抵抗は約3×10-6Ωcmである。また、ソース配線19の幅は10μm程度とする。このようにして半導体チップ103を得る。
この後、第1の実施形態と同様の方法で半導体チップ103のワイヤーボンディングおよびパッケージングを行い、半導体装置303を得る。
本実施形態でも、半導体装置303に対して電気的試験を行うことにより、ワイヤーボンディング不良を検出することができる。以下に、検出方法の一例を説明する。
電気的試験では、例えば、ソースリード40を接地し、ゲートリード42に+15V、ドレインリード41に+2Vを印加する。このとき、ソースパッド17のワイヤー50sが2本とも正常にボンディングされていれば、2本のワイヤー50sを経由してソースパッド17から各ユニットセルへと電流が流れるが、ソースパッド17のワイヤー50sのうち1本にボンディング不良がある場合、残りの1本のワイヤー50sのみを経由してソースパッド17へ電流が流れる。このとき、例えば、ワイヤー50sが正常にボンディングされていない方の分割パッドを分割パッド17Aとすると、ワイヤー50sが正常にボンディングされている分割パッド17Bから、ソース配線19を介して、分割パッド17Aに電流が流れようとする。例えば半導体チップ103の特性で決まる抵抗値(基準値)が0.05Ωであれば、ドレイン・ソース間に印加される電圧が2Vなので、合計40Aの電流が流れ、このうちの約半分がソース配線19に流れてくる。よって、ソース配線19を流れる電流密度は6×107Acm-2程度の大電流となる。Alを溶断させるのに必要な電流は1×10-7Acm2程度であるので、ソース配線19は溶断し、ソース配線19を介して分割パッド17Aにそのような大電流を流すことはできない。その結果、半導体装置103の抵抗値は基準値の約2倍に上昇する。このように、分割パッド17A、17Bがソース配線19で接続されていても、ソース配線19がヒューズの役割をするので、第1の実施形態と同様にワイヤーボンディング不良を正確に検出することができる。
なお、本検出方法によってワイヤーボンディング不良をより正確に検出するためには、ワイヤーボンディング不良が生じている場合にはソース配線19が確実に溶断されるように、ソース配線19の断面積が十分に小さいことが好ましい。例えば電流量が40Aのとき、ソース配線19の断面積が200μm2以下であれば、ソース配線19を流れる電流密度を、Alを溶断させるのに必要な電流密度と同等(1×10-7Acm-2程度)以上にできるので、本検出方法によってワイヤーボンディング不良をより正確に検出することが可能になる。ただし、ドレイン・ソース間を流れる電流量は半導体装置103の用途により変更され得るので、電流量およびソース配線19の断面積は上記の値に限定されるものではない。
本実施形態において、分割パッド17A、17Bを接続するソース配線19の位置は特に限定されない。例えば図6に示す半導体装置304のように、分割パッド17A、17Bは、ゲートパッド18側およびその反対側の端部に配置されたソース配線19によって2箇所で接続されていてもよいし、図7に示す半導体装置305のように、分割パッド17A、17Bを接続するソース配線19が、ゲートパッド18と反対側の端部に配置されていてもよい。このような場合でも、図5に示す半導体装置303と同様の効果が得られる。
(第3の実施形態)
以下、図8を参照しながら、本発明による第3の実施形態の半導体装置を説明する。本実施形態は、MOSFETの代わりにダイオードを含んでおり、このため、ゲートパッドを有していない点で、前述の半導体装置301〜305(図1〜図7)と異なっている。ダイオードの種類は特に限定されず、例えばpnダイオードあるいはショットキーダイオードである。
図8は、本実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。簡単のため、図1に示す半導体装置301と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
半導体装置306は、半導体チップ(ダイオード)106を備えている。半導体チップ106は、アノードおよびカソードを有しており、アノードの一部は、分割パッド17Aに接続され、アノードの別の一部は、分割パッド17Bに接続されている。分割パッド17A、17Bは、ワイヤー50sにより、それぞれ、アノードリード40に接続されている。また、半導体チップ106の裏面にあるカソードは、台座60によりカソードリード41に接続されている。
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、アノード・カソード間に十分な電圧を印加して抵抗値を測定することにより、抵抗値に基づいてワイヤー50sのボンディング不良を検出することが可能である。
(第4の実施形態)
以下、図9を参照しながら、本発明による第4の実施形態の半導体装置を説明する。本実施形態は、図6に示した第2の実施形態の変形例であって、分割パッド17A、17Bの端部同士がアノード配線19を介して接続されている。ただし、半導体装置がダイオードを含み、このため、ゲートパッドを有していない点で、第2の実施形態と異なっている。ダイオードの種類は特に限定されず、pnダイオードあるいはショットキーダイオードであってもよい。
図9は、本実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。簡単のため、図5に示す半導体装置303と同様の構成要素には同じ参照符号を付して説明を省略する。
半導体装置307は、半導体チップ(ダイオード)107を備えている。半導体チップ107は、アノードおよびカソードを有しており、アノードの一部は、分割パッド17Aに接続され、アノードの別の一部は、分割パッド17Bに接続されている。分割パッド17A、17Bは、これらのパッド17A、17Bと同一の導電層(例えば厚さ:3μmのAl層)から形成されたアノード配線19によって接続されている。分割パッド17A、17Bはそれぞれ、ワイヤー50sでアノードリード40へ接続されており、半導体チップ107の裏面にあるカソードはカソードリード41へと接続されている。
本実施形態においても、第2の実施形態と同様に、アノード・カソード間に十分な電圧を印加して抵抗値を測定することにより、抵抗値に基づいてワイヤーボンディング不良を検出することが可能である。
(第5の実施形態)
以下、図10〜12を参照しながら、本発明による第5の実施形態の半導体装置を説明する。
図10に示す半導体装置308は、ゲートパッド18に接続されたゲート配線20が、半導体チップ108の全ユニットセルを囲むように配置されている点で、前述の第1の実施形態と異なっている。
また、図11に示す半導体装置309は、ソースパッド17に接続するソース配線19が、半導体チップ109の全ユニットセルおよびゲート配線20を囲むように配置されている点で、前述の第1の実施形態とは異なっている。なお、「全ユニットセルおよびゲート配線20を囲むように配置されている」とは、配線が全ユニットセルおよびゲート配線20を完全に包囲している場合のみでなく、それらの外側に設けられ、局所的に分断されている場合も含む。
図10および図11に示す構成によると、ワイヤーボンディング不良を確実に検出可能であるだけでなく、以下に詳述するように、半導体チップ108、109の高速動作を実現できるので有利である。
一般に、MOSFETの動作速度は、ゲートの抵抗およびMOSFETの入出力容量で決まる。図1に示す構成では、ゲートパッド18と、ゲートパッド18から最も離れた位置にあるユニットセル(図1において、ソースパッド17の右上端または右下端の下方に位置するユニットセル)との距離が大きいために、ゲートの内部抵抗が高くなる。上述した最も離れた位置にあるユニットセルの動作が他のユニットセルよりも遅延し、その結果、MOSFETの動作速度は低下してしまう。これに対し、本実施形態では、各ユニットセルと、低抵抗なゲートパッド18またはゲート配線20との距離を大幅に小さくできるので、ゲートの内部抵抗を抑えることができる。よって、図1に示す半導体装置301よりも高速で動作させることが可能になる。
本実施形態の構成を、SiCパワーMOSFETなどのパワーMOSFETに適用すると、ゲート抵抗低減による高速動作化の効果が特に高くなるので有利である。抵抗Rと容量Cの直列接続回路において、回路の時定数は抵抗と容量の積R・Cで決まる。上述したように、MOSFETを高速で動作させるためには、ゲート抵抗および入出力容量を低減する必要がある。しかしながら、特にSiCなどのワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーMOSFETでは、ドリフト抵抗を大幅に低減できる反面、ドリフト層の高濃度化および薄膜化に伴い、ドリフト層の容量が増大してしまう。ドリフト層の容量値は、その厚さに反比例するからである。そのため、従来は、パワーMOSFETを高速に動作させることは困難であった。これに対し、本実施形態によると、ゲート抵抗を低減することができるので、パワーMOSFETを従来よりも高速に動作させることが可能になる。
このようなゲート配線20は、例えばソースパッド17およびゲートパッド18と同一のAl層(厚さ:例えば3μm)から形成される。以下、図10を参照しながら、半導体装置308の作製方法を説明する。
まず、第1の実施形態と同様の方法で、SiC層を用いて複数のユニットセルを形成する。各ユニットセルの構成は、図2および図3を参照しながら前述した構成と同様である。
続いて、SiC層の表面側全面にAl層を形成し、パターニングを行うことによってソースパッド17、ゲートパッド18およびゲート配線20を形成する。Al層の厚さは例えば3μm程度、比抵抗は約3×10-6Ωcmとする。
ゲート配線20の幅は、必要とされるゲート抵抗の値で決定される。半導体チップ108を20nsec程度の高速で動作させるのに必要なゲート抵抗は10Ω程度である。ゲートパッド18から、ゲート配線20上でゲートパッド18から最も遠い点までの抵抗を約2Ω程度以下に抑えることが望ましい。従って、ゲート配線20のAlの比抵抗および厚さから、ゲート配線20の幅は30μm程度以上であることが望ましい。ゲート配線20の幅が30μmであるとき、ゲート配線20の断面積は、幅30μm×厚さ3μm=90μm2となる。ただし、ゲート配線20の幅は、上記の値に限定されるものではなく、必要とされる動作速度や、チップの大きさ、ゲート配線20の厚さ、比抵抗により適宜決定され得る。このようにして、半導体チップ108を得る。
この後、第1の実施形態で説明した方法と同様の方法で、半導体チップ108のワイヤーボンディングおよびパッケージングを行い、半導体装置308を得る。
なお、図11に示す半導体装置309も、半導体装置308と同様の方法で作製できる。ただし、ソース配線19は、ソースパッド17、ゲートパッド18およびゲート配線20と同一のAl層から形成する。
本実施形態における半導体チップ108、109は、第1の実施形態と同様の終端構造を有していることが好ましい。終端構造は、ゲート配線20およびソース配線19を囲むように設けられていることが好ましい。すなわち、パッド17A、17B、18およびゲート配線20、ソース配線19は何れも、終端構造で囲まれた領域上に形成されることが好ましい。
図12は、図10に示す半導体装置308の一部を例示する模式的な断面図であり、図10のIII−III’線に沿った断面を示している。図13および図14は、図11に示す半導体装置309の一部を例示する模式的な断面図であり、それぞれ、図11のIV−IV’線およびV−V’線に沿った断面を示している。図11に示す半導体装置309において、ゲート配線20が、ソース配線109に遮られて分断され、直接つながっていない部分があるが、この部分でも、図14に示すように、ゲート電極(poly−Si)を介して、分断されたゲート配線20が電気的に接続されるので、ゲート抵抗を低減できる。
(第6の実施形態)
以下、図15を参照しながら、本発明による第6の実施形態の半導体装置を説明する。本実施形態の半導体装置は、分割パッド17A、17Bが、ソース配線19を介して接続されている点で、図11を参照しながら前述した半導体装置309と異なっている。
本実施形態の半導体装置310におけるソース配線19は、例えば厚さが3μm、幅が10μmのAlで形成されている。前述の実施形態と同様に、ソース配線19は、ソースパッド17、ゲートパッド18およびゲート配線20と同一の層から形成されている。半導体装置310の作製方法は、前述した第5の実施の形態と同様である。また、半導体装置310は、第5の実施形態における終端構造(図13)と同様の終端構造を有していてもよい。なお、分割パッド17A、17Bを接続するソース配線19の位置は図示する例に限定されない。
本実施形態によると、第5の実施形態と同様に、電気的試験によりワイヤーボンディング不良を正確に検出できるだけでなく、半導体装置をより高速で動作させることが可能になる。
(第7の実施形態)
以下、図16〜18を参照しながら、本発明による第7の実施形態の半導体装置を説明する。本実施形態では、ゲートパッド18に接続されたゲート配線20が、分割パッド17A、17Bの間に配置されている点で、前述の第1の実施形態と異なっている。
図16は、本実施形態の半導体装置の模式的な上面図、図17は、図16に示すゲート配線周辺の領域Xの模式的な拡大上面図、図18および図19は、本実施形態の半導体装置の一部を示す模式的な拡大断面図である。図18は、図17のX1−X1’線に沿った断面、すなわちゲート配線20の下のウェル領域6にコンタクトを形成した部分の断面を示し、図19は、図17のX2−X2’線に沿った断面、すなわちゲート配線20からセル領域までをゲート電極11によって接続している部分の断面を示している。
本実施形態の半導体装置311におけるゲート配線20は、例えば厚さが3μmのAlで形成されている。ゲート配線20は、ソースパッド17およびゲートパッド18と同一の層から形成されている。半導体装置311の作製方法は、前述した第5の実施形態と同様である。
本実施形態によると、第5の実施形態の半導体装置308、309と同様に、半導体装置311の高速動作を実現できる。各ユニットセルのゲート電極とゲートパッド18またはゲート配線20との距離を抑えて、ゲート抵抗を低減できるからである。
ゲート配線20の幅は必要とされるゲート抵抗の値で決定される。半導体チップ111を20nsec程度の高速で動作させるために必要なゲート抵抗は10Ω程度であり、ゲートパッド18からゲート配線20の端までの抵抗を約1Ω程度以下に抑えることが望ましい。よって、ゲート配線20のAlの比抵抗および厚さから、ゲート配線20の幅は30μm程度以上であることが望ましい。ゲート配線20の幅が30μmのとき、ゲート配線20の断面積は、幅30μm×厚さ3μm=90μm2となる。よって、ゲート配線20の断面積は好ましくは90μm2以上である。ただし、ゲート配線20の幅は、必要とされる動作速度により決定されるもので、上記の値に限定されるものではない。
また、図18に示すように、ゲート配線20の下にはウェル領域6’が配置されているが、ユニットセルは形成されていない。すなわち、ゲート配線20の下に位置するウェル領域6’内にはソース領域8は形成されない。ウェル領域6’の幅は、図示する例ではユニットセルにおけるウェル領域6の幅よりも大きいが、これに限定されず、配線20の幅に応じて適宜選択される。ウェル領域6’は、層間絶縁膜15に形成したコンタクト部を介してソースパッド17に接続されている。ここでいう「コンタクト部」は、層間絶縁膜15に設けられたコンタクトホール内に形成された導電部分を指し、図示する例では、コンタクトホール内のソース電極10も含む。このような構成により、ゲート配線20の下の電位を安定させ、耐圧の劣化を防ぐことができる。このとき、ゲート配線20の下方のウェル領域6’と接続されるコンタクト部の少なくとも1つは(図示する例では、ゲート配線20の両側に位置する2つのコンタクト部)は、p型領域であるコンタクト領域7のみの上に位置している。従って、コンタクト部の半導体層側の導電面(ソース電極10の下面)は、p型領域とのみ接触し、n型領域に接触していない。これにより、寄生npnトランジスタ構造が形成されて耐圧が低下することを防止できる。
一方、図19に示すように、ゲート配線20とゲート電極11とを接続する必要がある。従って、ゲート配線20の延びる方向に沿って、図18および図19に示す断面が交互に繰り返される構造となる。
本実施形態によると、ソースパッド17を複数のパッドに分割し、それぞれにワイヤー50sをボンディングしているので、電気的試験によりワイヤーボンディング不良を正確に検出できる。また、本実施形態では、ソースパッド17を分割することによって形成された隙間の領域(ここでは、分割パッド17A、17Bの間の領域、以下、「パッド分離領域」と称する)を利用して、ゲートパッド18から、素子領域のうちゲートパッド18から遠くに位置する部分に延びるようにゲート配線20を配置しているため、ソースパッド17を囲むようにゲート配線を形成する場合(例えば図10)と比べて、半導体チップの素子領域のサイズを増大させることなく、半導体装置の高速動作を実現できるので有利である。
本実施形態のようにパッド分離領域を利用してゲート配線20を設ける場合には、パッド分離領域は、ゲートパッド18から、素子領域のうちゲートパッド18が設けられた端部の反対側の端部に向かって延びていることが好ましい。これにより、図16に示す上面図において素子領域の右上端または右下端に位置するユニットセルとゲート配線20との距離を大幅に小さく抑えることができるので、半導体装置の動作速度を効果的に改善できる。なお、パッド分離領域は、上面図において、ゲートパッドから素子領域の右上端および右下端に延びていてもよく、これにより上記と同様の効果が得られる。この場合、ソースパッドは三角形状の3つのパッドに分割される。
(第8の実施形態)
以下、図20および図21を参照しながら、本発明による第8の実施形態の半導体装置を説明する。本実施形態は、ゲートパッド18に接続されるゲート配線20が、半導体素子を構成する全ユニットセルを囲み、かつ、分割パッド17A、17Bの間に配置されている点で、前述の第1、第5、第7の実施形態と異なっている。
本実施形態によると、第5、第7の実施形態の半導体装置308、309、311と同程度あるいはそれよりも高速で半導体装置を動作させることが可能である。
本実施形態の半導体装置312、313におけるゲート配線20は、例えば厚さが3μmのAlで形成されている。ゲート配線20は、ソースパッド17およびゲートパッド18と同一の層から形成されている。半導体装置312、313の作製方法は、前述した第5の実施形態と同様である。
ゲート配線20の幅は必要とされるゲート抵抗の値で決定される。ゲート配線20の断面積は66μm2以上であることが好ましい。半導体装置を20nsec程度の高速で動作させるのに必要なゲート抵抗は10Ω程度であり、ゲートパッド18から、ゲート配線20上でゲートパッド18から最も遠い点までの抵抗を約2Ω程度以下に抑えることが望ましい。よって、ゲート配線20のAlの比抵抗および厚さから、ゲート配線20の幅は22μm程度以上であることが望ましい。ゲート配線20の幅が22μmであれば、ゲート配線20の断面積は幅22μm×厚さ3μm=66μm2となる。ただし、ゲート配線20の幅は上記の値に限定されず、必要とされる動作速度や、チップの大きさ、ゲート配線20の厚み、比抵抗により適宜決定される。
本実施形態における分割パッド17A、17B、およびこれらの間に配置されたゲート配線20を含む断面は、図18および図19を参照しながら前述した半導体装置311の断面と同様である。
本実施形態によると、ソースパッド17を複数の分割し、それぞれにワイヤー50sをボンディングしているので、電気的試験によりワイヤーボンディング不良を正確に検出できる。また、ソースパッド17を囲むようにゲート配線20を形成するのみでなく、分割したパッド17A、17Bの間のパッド分離領域を利用してゲート配線20を設けることによって、ソースパッド17を囲むようにゲート配線を形成する場合(例えば図10)よりも効果的にゲート抵抗を抑えることができ、半導体装置をより高速で動作させることが可能になる。
(第9の実施形態)
以下、図22を参照しながら、本発明による第9の実施形態の半導体装置を説明する。本実施形態は、分割パッド17A、17Bが、ソース配線19を介して接続されている点で、図21を参照しながら前述した半導体装置313と異なっている。
本実施形態の半導体装置314におけるソース配線19は、例えば厚さが3μm、幅が10μmのAlで形成されている。ソース配線19は、ソースパッド17およびゲートパッド18と同一の層から形成されている。半導体装置314の作製方法は、前述した第2および第5の実施形態と同様である。なお、分割パッド17A、17Bを接続するソース配線19の位置は図22に示す位置に限定されない。
本実施形態によると、第5の実施形態と同様に、電気的試験によりワイヤーボンディング不良を正確に検出できるだけでなく、半導体装置をより高速で動作させることが可能になる。
上述してきたように、本発明によると、複数のワイヤーでボンディングを行なう半導体装置において、半導体チップの電極パッドを複数に分割し、各々のパッドから少なくとも1本ずつのワイヤーでパッケージのリードに接続することによって、ワイヤーボンディング不良の検出を容易かつ確実に行うことができる。従って、従来よりも長期信頼性の高い半導体装置を提供できる。また、ゲート配線を、分割したパッドの間および/または分割したパッドを囲むように配置すると、ゲート抵抗を低減できるので、高速動作が可能な半導体装置を提供できる。
上記の全ての実施形態1〜9では、SiC基板1として主面が4H−SiC(0001)面であるオフカット基板を用いたが、代わりに、6H−SiC、15R−SiC、3C−SiCなどの他のポリタイプからなる炭化珪素基板を用いてもよい。SiC基板1の面方位やオフカット方位なども、上記実施形態における面方位やオフカット方位に限定されない。また、SiC基板1の代わりに、炭化珪素以外の半導体材料からなる半導体基板を用いてもよい。
さらに、上記実施形態では、SiC層2と同じ導電型のSiC基板1を用いてMOSFETまたはダイオードを製造しているが、本発明の半導体装置は、同一の半導体層を用いて形成され、それぞれが少なくとも2つの電極を備えた複数のユニットセルを含んでいればよく、IGBTであってもよい。IGBTは、SiC層2と異なる導電型のSiC基板を用いて製造され得る。
本発明をIGBTに適用する場合、IGBTを構成する複数のユニットセルのうち一部のユニットセルのエミッタを1つの分割パッドのみに接続し、他のユニットセル(分割パッドが3つ以上の場合は、他のユニットセルのうち少なくとも一部)のエミッタを他の1つの分割パッドのみに接続し、これらの分割パッドを、それぞれ、ワイヤーボンディングにより同一の端子(エミッタリード)に接続すればよい。一方、各ユニットセルのゲートは、ゲートパッドを介してゲートリードに、コレクタは台座を介してコレクタリードに電気的に接続する。このようなIGBTでは、エミッタリードとコレクタリードとの間の抵抗値を測定することにより、分割パッドのそれぞれとエミッタリードとを接続するワイヤーのボンディング不良を検出することができる。
本発明は、縦型MOSFETやIGBTなどの縦型の半導体素子を含む半導体装置に広く適用できる。特に、炭化珪素を用いた縦型MOSFETなどの、ボンディングワイヤーに大電流が流れるパワーデバイスに本発明を適用すると、ワイヤーの長期信頼性を大幅に改善できるので有利である。
本発明による第1の実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第1の実施形態の半導体装置を構成するユニットセルを説明するための図であり、(a)は半導体層の模式的な平面図、(b)は隣接する2つのユニットセルの一部を示す模式的な断面図、(c)は複数のユニットセルにおけるゲート電極およびソース電極の配置関係を説明するための模式的な平面図である。 図1に示す半導体装置のI―I’線に沿った断面図である。 本発明による第1の実施形態の半導体装置を構成する他のユニットセルを説明するための図であり、(a)は半導体層の模式的な平面図、(b)は隣接する2つのユニットセルの一部を示す模式的な断面図である。 本発明による第2の実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第2の実施形態の他の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第2の実施形態の他の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第3の実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第4の実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第5の実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第5の実施形態の他の半導体装置の模式的な上面図である。 図10に示す半導体装置のIII−III’線に沿った断面図である。 図11に示す半導体装置のIV−IV’線に沿った断面図である。 図11に示す半導体装置のV−V’線に沿った断面図である。 本発明による第6の実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第7の実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。 図16に示す半導体装置における領域Xの模式的な拡大上面図である。 本発明による第7の実施形態の半導体装置のゲート配線周辺の構造を説明するための模式的な断面図であり、図17に示すX1−X1’線に沿った断面を示している。 本発明による第7の実施形態の半導体装置のゲート配線周辺の構造を説明するための模式的な断面図であり、図17に示すX2−X2’線に沿った断面を示している。 本発明による第8の実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第8の実施形態の他の半導体装置の模式的な上面図である。 本発明による第9の実施形態の半導体装置の模式的な上面図である。 (a)は、従来の半導体装置の一例を示す上面図であり、(b)は、(a)半導体装置の一部を示す拡大平面図である。
符号の説明
1 半導体基板(SiC基板)
2 半導体層(SiC層)
2a ドリフト領域
4 ゲート絶縁膜
5 ドレイン電極
6 ウェル領域
7 ウェルコンタクト領域
8 ソース領域
9 チャネル層
10 ソース電極
11 ゲート電極
15 層間絶縁膜
17 ソースパッド
17A、17B 分割パッド
18 ゲートパッド
19 ソース配線
20 ゲート配線
31、32 ユニットセル
40 ソースリード
41 ドレインリード
42 ゲートリード
50s、50g ワイヤー
60 台座
70 リング
100〜114 半導体チップ
300〜314 半導体装置

Claims (18)

  1. 半導体層と、
    前記半導体層に電気的に接続された複数のパッドと、
    前記複数のパッドのそれぞれに少なくとも1つずつ接続されたワイヤーとを備え、
    前記複数のパッドは、前記ワイヤーを介して、外部と接続される同一の端子に接続されている半導体装置。
  2. 前記半導体層は、素子領域と、前記素子領域を囲むように設けられた終端領域とを有しており、
    前記複数のパッドは、前記素子領域上に配置されている請求項1に記載の半導体装置。
  3. ゲート電極と、
    前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、
    前記ゲートパッドに電気的に接続されたゲート配線と
    をさらに有し、
    前記ゲート配線は、前記複数のパッドの間に配置されている請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. ゲート電極と、
    前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、
    前記ゲートパッドに電気的に接続されたゲート配線と
    をさらに有し、
    前記ゲート配線は、前記複数のパッドを囲むように設けられている請求項1または2に記載の半導体装置。
  5. 前記ゲート配線の断面積は90μm2以上である請求項3または4に記載の半導体装置。
  6. ゲート電極と、
    前記ゲート電極に電気的に接続されたゲートパッドと、
    前記ゲートパッドに電気的に接続されたゲート配線と
    をさらに有し、
    前記ゲート配線は、前記複数のパッドの間、および、前記複数のパッドを囲むように設けられている請求項1または2に記載の半導体装置。
  7. 前記ゲート配線の断面積が66μm2以上である請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記複数のパッドは、半導体装置に流し得る最大電流を流したときに溶断され得る細い配線で互いに接続されている請求項1から7のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記細い配線の断面積は200μm2以下である請求項8に記載の半導体装置。
  10. 前記半導体層は、第1導電型を有するドリフト領域と、前記第1導電型と異なる第2導電型を有する第2導電型領域とを含んでおり、
    前記ゲート配線は、前記第2導電型領域の上に配置されている請求項3から7のいずれかに記載の半導体装置。
  11. 前記ゲート配線の下に位置する前記第2導電型領域は、前記複数のパッドと同電位に接地されている請求項10に記載の半導体装置。
  12. 前記半導体層と前記複数のパッドとの間に形成された絶縁層をさらに備え、
    前記絶縁層には、前記ゲート配線の下に位置する前記第2導電型領域を、前記複数のパッドと同電位に接地するためのコンタクト部が形成されており、
    前記コンタクト部の少なくとも1つは、前記半導体層の前記第2導電型領域上のみに位置している請求項11に記載の半導体装置。
  13. 前記半導体層はワイドバンドギャップを有する半導体を含む請求項1から12のいずれかに記載の半導体装置。
  14. 前記半導体層は炭化珪素を含む請求項13に記載の半導体装置。
  15. 前記半導体装置は、前記半導体層を用いて形成され、それぞれが第1電極および第2電極を備えた複数のユニットセルを含んでおり、
    前記複数のパッドは、第1パッドおよび第2パッドを含み、
    前記複数のユニットセルのうちの一部のユニットセルの第1電極は、前記複数のパッドのうち前記第1パッドのみに接続され、他の一部のユニットセルの第1電極は、前記複数のパッドのうち第2パッドのみに接続されており、
    前記複数のユニットセルの第2電極は、外部に接続される他の端子に接続されている請求項1に記載の半導体装置。
  16. 前記半導体装置は、
    前記半導体層を用いて形成され、それぞれがゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を備えた複数のユニットセルと、
    前記複数のユニットセルのゲート電極に接続されたゲートパッドと、
    前記ゲートパッドに接続されたゲート端子と、
    前記複数のユニットセルのドレイン電極に接続されたドレイン端子と、
    を含んでおり、
    前記複数のパッドは、第1ソースパッドおよび第2ソースパッドを含み、
    前記同一の端子はソース端子であり、
    前記複数のユニットセルのうちの一部のユニットセルのソース電極は、前記複数のパッドのうち前記第1ソースパッドのみに接続され、他の一部のユニットセルのソース電極は、前記複数のパッドのうち第2ソースパッドのみに接続されている請求項1に記載の半導体装置。
  17. 請求項15に記載の半導体装置におけるワイヤーボンディング不良を検査する検査方法であって、
    前記同一の端子と前記他の端子との間の抵抗値を測定する工程と、
    前記抵抗値に基づいて、前記複数のパッドのそれぞれと前記同一の端子とを接続するワイヤーのうち少なくとも1つにボンディング不良が生じているか否かを判断する工程と
    を包含する検査方法。
  18. 請求項16に記載の半導体装置におけるワイヤーボンディング不良を検査する検査方法であって、
    前記ゲート端子に電圧を印加して、前記ドレイン端子と前記ソース端子との間の抵抗値を測定する工程と、
    前記抵抗値に基づいて、前記複数のパッドのそれぞれと前記ソース端子とを接続するワイヤーのうち少なくとも1つにボンディング不良が生じているか否かを判断する工程と
    を包含する検査方法。
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