JP2017063129A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動作電流が流される2つの電極が半導体層における同一の面側に設けられた半導体装置の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a semiconductor device in which two electrodes through which an operating current flows are provided on the same surface side of a semiconductor layer.
ソース電極(第1主電極)とドレイン電極(第2主電極)の間に流れる大電流のスイッチング動作を行う半導体装置(パワー半導体素子)は、その動作電流の流れる方向や電極構成に応じて、縦型の半導体装置と横型の半導体装置に大別される。縦型の半導体装置においては、ソース電極とドレイン電極が、それぞれ半導体層における2つの主面(表面、裏面)側にそれぞれ形成され、半導体層における膜厚方向に動作電流が流れる。一方、横型の半導体装置においては、ソース電極とドレイン電極は、共に半導体層における一方の主面(表面)側に形成される。 A semiconductor device (power semiconductor element) that performs a switching operation of a large current flowing between a source electrode (first main electrode) and a drain electrode (second main electrode) depends on the direction in which the operating current flows and the electrode configuration. It is roughly divided into a vertical semiconductor device and a horizontal semiconductor device. In a vertical semiconductor device, a source electrode and a drain electrode are respectively formed on two main surfaces (front surface and back surface) of a semiconductor layer, and an operating current flows in the film thickness direction of the semiconductor layer. On the other hand, in a horizontal semiconductor device, the source electrode and the drain electrode are both formed on one main surface (front surface) side of the semiconductor layer.
こうした半導体装置として、III族窒化物半導体(GaN等)を用いたHEMT(高電子移動度トランジスタ)が知られている。ヘテロ接合界面に沿って動作電流を流すHEMTは、通常は横型の素子とされ、ソース電極(第1主電極)、ドレイン電極(第2主電極)、及び動作電流のオン・オフ制御に用いられるゲート電極は、全て半導体層の表面側に設けられる。 As such a semiconductor device, a HEMT (High Electron Mobility Transistor) using a group III nitride semiconductor (GaN or the like) is known. The HEMT that allows an operating current to flow along the heterojunction interface is normally a lateral element, and is used for on / off control of the source electrode (first main electrode), the drain electrode (second main electrode), and the operating current. The gate electrodes are all provided on the surface side of the semiconductor layer.
ここで、一般に、オン時に大電流を流すためには、多数のHEMT素子(半導体素子)を半導体層中に配列して形成し、各HEMT素子それぞれにおいて形成された小さなソース電極、ドレイン電極、ゲート電極(個別ソース電極、個別ドレイン電極、個別ゲート電極)が、上層に形成された大きなソース電極、ドレイン電極、ゲート電極に接続され、外部との間の電気的接続は、この上層のソース電極、ドレイン電極、ゲート電極に対して行われる。これによって、全てのHEMT素子が並列に接続されて動作し、ソース電極とドレイン電極間に大電流を流すことができる。 Here, in general, in order to flow a large current when turned on, a large number of HEMT elements (semiconductor elements) are arranged in a semiconductor layer, and small source electrodes, drain electrodes, and gates formed in the respective HEMT elements. The electrodes (individual source electrode, individual drain electrode, individual gate electrode) are connected to the large source electrode, drain electrode, and gate electrode formed in the upper layer, and the electrical connection between the outside is the source electrode of this upper layer, This is performed on the drain electrode and the gate electrode. Thereby, all the HEMT elements are connected in parallel and operate, and a large current can flow between the source electrode and the drain electrode.
この際、各HEMT素子が一様に動作する(動作電流が一様に流れる)ように、下層の個別ソース電極、個別ドレイン電極や、上層のソース電極、ドレイン電極は構成される。一方、動作時に通常はソース電極は接地電位、ゲート電極はオン・オフ制御に応じた低電位(10V以下)とされるのに対して、ドレイン電極は数100V以上の高電位とされる。このため、このようにソース電極とドレイン電極を半導体層における同一の側に形成した場合には、オフ時におけるドレイン電極とソース電極、ゲート電極との間の耐圧が充分高いことが要求される。 At this time, the individual source electrode and the individual drain electrode in the lower layer, the source electrode and the drain electrode in the upper layer are configured so that each HEMT element operates uniformly (operating current flows uniformly). On the other hand, during operation, the source electrode is normally set at a ground potential and the gate electrode is set at a low potential (10 V or less) according to on / off control, while the drain electrode is set at a high potential of several hundreds V or more. For this reason, when the source electrode and the drain electrode are formed on the same side of the semiconductor layer in this way, it is required that the withstand voltage between the drain electrode, the source electrode, and the gate electrode when off is sufficiently high.
特許文献1には、横型の半導体装置(パワーMOSFET)において、こうした要求を満たす電極構成が記載されている。この構造においては、ソース電極、ドレイン電極が互いに入り組んだ櫛形とされ、ソース電極においてボンディングワイヤが接続されるパッド部、ドレイン電極においてボンディングワイヤが接続されるパッド部は、半導体層の表面において離間するように、異なる端部側に設けられる。実際にはこうした半導体装置はパッケージに搭載され、ソース電極のパッド部はパッケージにおけるソース端子に、ドレイン電極のパッド部はパッケージにおけるドレイン端子に、それぞれボンディングワイヤによって接続される。
ここで、ソース電極のパッド部とドレイン電極のパッド部は活性領域(動作電流が流される領域)の外側に形成され、動作電流を大きくするためには、活性領域の面積は大きく設定される。これらのパッド部が活性領域を挟んで離間していると、ソース電極、ドレイン電極はパッド部の並んだ方向で長くなる。このため、ソース電極、ドレイン電極自身の配線抵抗が大きくなり、面内における各素子を均一に動作させることが困難になる。また、両端部に大きなパッド部を設けることにより、チップ面積が更に大きくなる。このため、上記のような大きなパッド部を設けず、活性領域上において複数の箇所にボンディングワイヤを接続できる構成とすれば、同じ面積の活性領域かつ小さなチップ面積で、各素子に均一な動作を行わせることができる。こうした構成を具備する半導体装置200の最表面の平面図を図4に、そのB−B方向の断面図、そのC−C方向の断面図、そのD−D方向の断面図を図5(a)、(b)、(c)に、それぞれ示す。
Here, the pad portion of the source electrode and the pad portion of the drain electrode are formed outside the active region (region where the operating current flows), and the area of the active region is set large in order to increase the operating current. When these pad portions are separated with the active region interposed therebetween, the source electrode and the drain electrode are elongated in the direction in which the pad portions are arranged. For this reason, the wiring resistance of the source electrode and the drain electrode itself increases, and it becomes difficult to operate each element uniformly in the plane. Further, the chip area is further increased by providing large pad portions at both ends. For this reason, if a configuration in which bonding wires can be connected to a plurality of locations on the active region without providing a large pad portion as described above, each element can be operated uniformly with an active region of the same area and a small chip area. Can be done. FIG. 4 is a plan view of the outermost surface of the
図4に示されるように、この半導体装置200の表面においては、図中上下方向(一方向)に延伸するソース電極11が複数本並行に形成され、櫛形のドレイン電極12において同様に上下方向に延伸する櫛歯の部分とソース電極11が互いに入り組むように形成されている。このため、ソース電極11における上下方向に延伸する部分とドレイン電極における上下方向に延伸する部分とが互いに近接して対向する。動作時に低電位が維持されるゲート電極13は、これらの配列の端部に小さな面積で設けられている。なお、図4においては、ソース電極11、ドレイン電極12における櫛歯の部分がそれぞれ4本ずつ設けられているが、実際にはこれらの本数はより多く設定され、図4はこれを簡略化して示している。
As shown in FIG. 4, a plurality of
図5(a)(b)の断面構造に示されるように、この半導体装置200においては、基板20の上に、半導体層21として、ノンドープGaN層21A、AlGaN層21Bが順次形成されている。基板20としては、シリコン基板を用いることができ、その表面にはGaNやAlGaN等からなるバッファ層(図示せず)が形成されている。AlGaN層21Bの上には、個別ソース電極31、個別ドレイン電極32が形成され、個別ソース電極31と個別ドレイン電極32の間に個別ゲート電極33が形成される。近接する一組の個別ソース電極31、個別ドレイン電極32、個別ゲート電極33によって、個々のHEMT素子が構成され、個別ソース電極31と個別ドレイン電極32の間のAlGaN層21B/ノンドープGaN層21A界面に流れる2次元電子ガスのオン・オフが個別ゲート電極33に印加された電圧によって制御される。なお、図5(c)においては、半導体層21以下の構造の記載は省略されている。
5A and 5B, in the
図5(a)(b)に示されるように、前記の通り、多数組の個別ソース電極31、個別ドレイン電極32、個別ゲート電極33が周期的に配列して形成され、シリコン酸化膜等で構成される絶縁性の層間絶縁層34が、全ての個別ソース電極31、個別ドレイン電極32、個別ゲート電極33を覆って形成される。図5(a)に示されるように、全ての個別ドレイン電極32は、層間絶縁層34中に設けられたドレイン電極接続用ビア配線(ビア配線)32Aを介して上層のドレイン電極12に接続され、図5(b)に示されるように、全ての個別ソース電極31は、層間絶縁層34中に設けられたソース電極接続用ビア配線(ビア配線)31Aを介して上層のソース電極11に接続される。記載は省略されているが、全ての個別ゲート電極33も同様にビア配線や他の配線を介してゲート電極13に接続される。こうした構造によって、図4に示された領域中において形成された全てのHEMT素子の動作を一様に行わせ、一様に動作電流を流すことができる。実際の製品においては、この半導体装置200はパッケージに搭載され、パッケージにおけるソース端子、ドレイン端子、ゲート端子がそれぞれソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13とボンディングワイヤを介して接続され、その動作は、ソース端子、ドレイン端子、ゲート端子への電気的接続によって行われる。
As shown in FIGS. 5A and 5B, as described above, a large number of sets of the
ここで、前記の通り、動作時(オフ時)において、ソース電極11とドレイン電極12との間で高電圧による絶縁破壊(放電)が発生しないことが要求される。図4の構成において、近接して対向するソース電極11とドレイン電極12の間の間隔(図5(c)におけるL)は一般的には数10μm以上とされ、厚さLの層間絶縁層34(シリコン酸化膜)の耐圧は、ソース電極11とドレイン電極12の間に印加される高電圧よりも充分高い。このため、ここで抑制すべき放電は、ソース電極11とドレイン電極12とが最近接距離となる箇所における絶縁破壊によって起こる放電ではなく、表面を介する経路で電流が流れる沿面放電である。
Here, as described above, it is required that dielectric breakdown (discharge) due to a high voltage does not occur between the
この沿面放電を抑制するために、ソース電極11、ドレイン電極12の表面の大部分は、厚い絶縁層(シリコン酸化膜、シリコン窒化膜)からなる保護膜40で覆われ、保護膜40におけるボンディングワイヤが接続されるための部分のみが開口されている。この開口部が、図4において、ソース電極11に対してはソース開口部40Aであり、ドレイン電極12に対してはドレイン開口部40Bである。沿面放電を抑制するためには、ソース開口部40A、ドレイン開口部40Bの開口面積は小さいことが好ましいため、この開口面積は、ボンディングワイヤの接続を充分に行うことができる範囲内で小さく設定される。また、この場合、沿面放電はソース開口部40Aとドレイン開口部40Bの間で発生しやすくなるため、ソース開口部40Aとドレイン開口部40Bの間隔は広くとることが好ましい。このため、図4において、ソース開口部40Aは一様に下側(一方の側)、ドレイン開口部40Bは一様に上側(他方の側)に設けられている。なお、図4においては、保護膜40は記載されず、これに設けられたソース開口部40A、ドレイン開口部40Bのみが示されている。なお、ゲート電極13の上にも同様にゲート開口部40Cが設けられ、ソース電極11との間の電位差が小さいゲート電極13(ゲート開口部40C)はソース電極11に近接し、ドレイン電極12からは離間して設けられる。
In order to suppress this creeping discharge, most of the surfaces of the
パッケージにおけるソース端子と各ソース開口部40Aとの間、パッケージにおけるドレイン端子と各ドレイン開口部40Bとの間にそれぞれボンディングワイヤを接続することにより、ソース端子と各ソース電極11の間、ドレイン端子と各ドレイン電極12の間の抵抗を充分小さくすることができ、ソース端子とドレイン端子との間に多くのボンディングワイヤを介して大電流を流して動作させることができる。ゲート電極13に対しても、同様に電圧を印加することができる。
Bonding wires are connected between the source terminal and each source opening 40A in the package and between the drain terminal and each
実際にこの半導体装置200を製造するにあたっては、基板20を構成する1枚の大径のウェハ上に図4、5の構成(単体の半導体装置200)が多数配列して形成され、その後に単体の半導体装置200が切断分離されてから、各々がパッケージに搭載される。この切断分離前におけるウェハの状態で各半導体装置200の動作試験を行うために、図4に示されるように、このウェハの状態で、前記のボンディングワイヤの代わりに、プローバの探針Pをソース開口部40A、ドレイン開口部40B、ゲート開口部40Cに直接当て、使用時と同様に電圧を印加して動作をさせる検査が通常は行われている。大電流を流すために、図4に示されるように、前記のボンディングワイヤの場合と同様に、ソース電極11、ドレイン電極12のそれぞれに対して多数の探針Pが同時に使用される。これによって、ウェハ内の各半導体装置200が良品、不良品であるかを判定し、良品と判定された半導体装置200のみを切断分離後にパッケージに搭載し、製品とすることができる。
When the
実際にウェハの状態において図4の構造で探針Pを介して電圧を印加して動作試験を行ったところ、保護膜40が形成されたにも関わらず、ソース開口部40Aとこれに横方向で隣接するドレイン電極12、ドレイン開口部40Bとこれに横方向で隣接するソース電極11の間で、放電が発生する場合が多かった。図4において、平面視におけるこの放電経路がQとして示されている。この放電も、隣接するソース電極11、ドレイン電極12を最短距離で結ぶ間の層間絶縁層34や保護膜40の内部では発生しておらず、ソース開口部40A、ドレイン開口部40B内における保護膜40の側壁等を介して表面を電流が流れる沿面放電であることが確認できた。
When an operation test was performed by actually applying a voltage through the probe P in the structure of FIG. 4 in the wafer state, the source opening 40A and the lateral direction were formed in the lateral direction despite the formation of the
この沿面放電が発生する原因として推定されるのは、まず、保護膜40において局所的に耐圧の低くなる箇所が形成されることである。この場合、ソース開口部40A、ドレイン開口部40B内における保護膜40の側壁から保護膜40の表面を介して、この耐圧の低い箇所を介した経路で放電が発生する。図5(c)においては単純化されて示されているが、実際には、保護膜40は、パターニングされたソース電極11、ドレイン電極12の端部上では局所的に薄くなる。また、実際にはソース電極接続用ビア配線31A、ドレイン電極接続用ビア配線32Aに起因する凹凸がソース電極11、ドレイン電極12に形成されるため、この凹凸に起因した膜厚の不均一も保護膜40に発生する。更に、こうした段差や凹凸に起因して保護膜40の膜厚が変動するだけではなく、空孔が内部に発生する等の膜質の変動も保護膜40において発生する。このように保護膜40の膜厚あるいは膜質が不均一となった箇所がこうした局所的に耐圧の低くなった箇所となり、この沿面放電の経路には、こうした耐圧の低くなった箇所が含まれると推定される。また、ソース開口部40A、ドレイン開口部40Bからその外側に向かって広がる電界も実際には一様ではなく、電界強度が比較的高くなった領域とこうした耐圧の低下した領域とが重複した場合に、放電が発生すると考えられる。
It is presumed that the cause of the creeping discharge is that a portion where the breakdown voltage is locally lowered is formed in the
製品としてパッケージ内に上記の半導体装置200が搭載される際において接続されるボンディングワイヤと上記の探針Pの形態は同様である。しかしながら、パッケージ内においては、ボンディングワイヤも含んだ全体の構造は絶縁耐圧の高いモールド樹脂で封止されるため、沿面放電は発生しにくくなっている。一方、上記の探針Pを用いた動作試験(検査)は大気中で行われる。このため、上記の放電は、実際の製品のパッケージ内においては発生しにくく、ウェハ状態での動作試験(検査)時に特に発生しやすかった。
The form of the bonding wire and the probe P that are connected when the
シリコン酸化膜やシリコン窒化膜で構成される保護膜40をこうした不均一性が問題にならない程度に充分厚く均一にソース電極11、ドレイン電極12上に形成することは困難である。このため、その代わりに塗布で形成することが可能な絶縁性のポリイミドを厚く保護膜40上に形成したところ、上記の放電を抑制することができた。
It is difficult to form the
しかしながら、このようなポリイミド層を形成するためには、ポリイミドの塗布工程、キュア工程、これをパターニングして開口部を形成するための露光現像工程等が必要になるため、製造工程が複雑となり、低コストでこの半導体装置を製造することが困難であった。 However, in order to form such a polyimide layer, a polyimide coating process, a curing process, an exposure development process for patterning this to form an opening and the like are required, and thus the manufacturing process becomes complicated. It was difficult to manufacture this semiconductor device at a low cost.
すなわち、検査時に電極間で放電を発生しにくい安価な半導体装置を得ることは困難であった。 That is, it has been difficult to obtain an inexpensive semiconductor device that hardly generates a discharge between electrodes during inspection.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、半導体層の一方の主面側において、一方向に延伸する第1主電極と、前記一方向に延伸して前記第1主電極と対向する第2主電極とを具備し、前記第1主電極及び前記第2主電極を含む前記半導体層の前記一方の主面側を覆う絶縁性の保護膜が形成され、前記第1主電極上において局所的に前記保護膜が除去された第1開口部、前記第2主電極上において局所的に前記保護膜が除去された第2開口部を介して前記第1主電極と前記第2主電極との間に電流が流されて動作する半導体装置であって、前記保護膜の下において周囲と絶縁された導電体で構成された浮遊電極が、平面視において、前記第1開口部と隣接し前記一方向に延伸する前記第2主電極と前記第1主電極との間、前記第2開口部と隣接し前記一方向に延伸する前記第1主電極と前記第2主電極との間に、それぞれ形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、平面視における前記第1主電極と前記第2主電極との間で前記浮遊電極が形成されていない領域における最大電界強度が、前記浮遊電極の周囲の絶縁層の絶縁破壊強度を超えないように設けられたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、平面視において、前記浮遊電極は、隣接する前記第1主電極と前記第2主電極との間の前記一方向に垂直な方向における中間点を含む領域に形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、平面視において、前記浮遊電極は、隣接する前記第1主電極と前記第2主電極との間において複数形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記第1主電極と前記第2主電極とが前記一方向に延伸して互いに対向する箇所を複数具備し、前記第1開口部、前記第2開口部は、前記箇所における前記第1主電極上、前記箇所における前記第2主電極上に、それぞれ離散的に複数形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、平面視において、前記浮遊電極は、前記第1開口部に隣接した領域から前記第2開口部に隣接した領域にかけて連続的に形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、平面視において、前記浮遊電極は、複数の前記第1開口部に隣接した領域のそれぞれ、複数の前記第2開口部に隣接した領域のそれぞれにおいて、離散的に形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記半導体層の前記一方の主面上で、平面視において、複数の前記第1開口部が全て一方の側に形成され、複数の前記第2開口部が全て前記一方の側と反対の他方の側に形成されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記半導体層に、個別第1電極と個別第2電極間に電流が流されて動作する半導体素子が複数形成され、複数の前記個別第1電極及び複数の前記個別第2電極を覆う層間絶縁層を具備し、前記第1主電極、前記第2主電極、前記浮遊電極、及び前記保護膜は前記層間絶縁層の上に形成され、前記第1主電極、前記第2主電極は、前記層間絶縁層中に形成されたビア配線を介して複数の前記個別第1主電極、複数の前記個別第2主電極とそれぞれ接続されたことを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記第1主電極、前記第2主電極、及び前記浮遊電極は略同一平面上に形成され、前記第1主電極、前記第2主電極、前記浮遊電極のそれぞれの厚さは略同一とされたことを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記第1主電極と前記第2主電極の間に流れる電流のオン・オフを制御するゲート電極を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記半導体層はIII族窒化物半導体で構成され、前記第1主電極がソース電極、ドレイン電極のうちの一方、前記第2主電極がソース電極、ドレイン電極のうちの他方とされた高電子移動度トランジスタ(HEMT)であることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記ゲート電極が、前記半導体層の前記一方の主面側において、前記保護膜の下に形成され、前記浮遊電極が、平面視において、前記ドレイン電極に対応した前記第1主電極、前記第2主電極のうちの一方と前記ゲート電極との間に形成されたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The semiconductor device of the present invention includes a first main electrode extending in one direction on one main surface side of the semiconductor layer, and a second main electrode extending in the one direction and facing the first main electrode. And an insulating protective film covering the one main surface side of the semiconductor layer including the first main electrode and the second main electrode is formed, and the protective film is locally formed on the first main electrode. A current flows between the first main electrode and the second main electrode through the removed first opening and the second opening from which the protective film is locally removed on the second main electrode. The floating electrode made of a conductor insulated from the periphery under the protective film extends in the one direction adjacent to the first opening in a plan view. Between the second main electrode and the first main electrode, adjacent to the second opening and in the one direction Between the first main electrode and the second main electrode of Shin, characterized in that it is formed, respectively.
In the semiconductor device of the present invention, the maximum electric field strength in a region where the floating electrode is not formed between the first main electrode and the second main electrode in a plan view has an insulation of an insulating layer around the floating electrode. It is provided so as not to exceed the breaking strength.
In the semiconductor device of the present invention, the floating electrode is formed in a region including an intermediate point in a direction perpendicular to the one direction between the adjacent first main electrode and the second main electrode in plan view. It is characterized by that.
The semiconductor device of the present invention is characterized in that a plurality of the floating electrodes are formed between the adjacent first main electrode and the second main electrode in plan view.
The semiconductor device of the present invention includes a plurality of locations where the first main electrode and the second main electrode extend in the one direction and face each other, and the first opening and the second opening are A plurality of discs are formed discretely on the first main electrode at the location and on the second main electrode at the location.
The semiconductor device of the present invention is characterized in that the floating electrode is continuously formed from a region adjacent to the first opening to a region adjacent to the second opening in a plan view.
In the semiconductor device of the present invention, in plan view, the floating electrode is discretely formed in each of the regions adjacent to the plurality of first openings and each of the regions adjacent to the plurality of second openings. It is characterized by that.
In the semiconductor device of the present invention, the plurality of first openings are all formed on one side in plan view on the one main surface of the semiconductor layer, and the plurality of second openings are all the one. It is formed on the other side opposite to this side.
In the semiconductor device of the present invention, the semiconductor layer includes a plurality of semiconductor elements that are operated by a current flowing between the individual first electrode and the individual second electrode, and the plurality of the individual first electrodes and the plurality of the individual first electrodes. An interlayer insulating layer covering two electrodes, wherein the first main electrode, the second main electrode, the floating electrode, and the protective film are formed on the interlayer insulating layer, and the first main electrode, the first The two main electrodes are respectively connected to the plurality of individual first main electrodes and the plurality of individual second main electrodes via via wirings formed in the interlayer insulating layer.
In the semiconductor device of the present invention, the first main electrode, the second main electrode, and the floating electrode are formed on substantially the same plane, and each of the first main electrode, the second main electrode, and the floating electrode is formed. The thickness is substantially the same.
The semiconductor device of the present invention includes a gate electrode that controls on / off of a current flowing between the first main electrode and the second main electrode.
In the semiconductor device of the present invention, the semiconductor layer is made of a group III nitride semiconductor, the first main electrode is one of a source electrode and a drain electrode, and the second main electrode is a source electrode and a drain electrode. The other is a high electron mobility transistor (HEMT).
In the semiconductor device of the present invention, the gate electrode is formed below the protective film on the one main surface side of the semiconductor layer, and the floating electrode corresponds to the drain electrode in plan view. The gate electrode is formed between one main electrode and one of the second main electrodes and the gate electrode.
本発明は以上のように構成されているので、検査時に電極間で放電を発生しにくい安価な半導体装置を得ることができる。 Since the present invention is configured as described above, it is possible to obtain an inexpensive semiconductor device that hardly generates a discharge between electrodes during inspection.
以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。図1は、この半導体装置100の上面図であり、図2は、そのA−A方向の断面図である。また、図1におけるB−B方向、C−C方向の断面図は、前記の図5(a)(b)と同様である。図2は、従来の半導体装置200における図5(c)の構造に対応する。
Hereinafter, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a top view of the
この半導体装置100は横型であり、多数のHEMT素子(半導体素子)によって構成されている。前記の半導体装置200と同様に、基板20、ノンドープGaN層21A、AlGaN層21Bが順次形成された半導体層21が用いられている。AlGaN層21Bの上には、個別ソース電極31、個別ドレイン電極32が形成され、個別ソース電極31と個別ドレイン電極32の間に個別ゲート電極33が形成される。個別ソース電極31、個別ドレイン電極32はAlGaN層21Bとオーミック接触する材料で構成され、個別ソース電極31と個別ドレイン電極32間の電流のオン・オフは、個別ゲート電極33に印加された電圧によって制御される。近接する一組の個別ソース電極31、個別ドレイン電極32、個別ゲート電極33によって単体のHEMT素子が形成され、全ての個別ソース電極31が層間絶縁層34中に形成されたソース電極接続用ビア配線(ビア配線)31Aを介して上層のソース電極(第1主電極)11に接続され、全ての個別ドレイン電極32が、層間絶縁層34中に設けられたドレイン電極接続用ビア配線(ビア配線)32Aを介して上層のドレイン電極(第2主電極)12に接続されること、全ての個別ゲート電極33がゲート電極13に接続されることも同様である。また、ソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13を覆って保護膜40が形成され、ソース電極11上の保護膜40中にソース開口部(第1開口部)40A、ドレイン電極12上の保護膜40中にドレイン開口部(第2開口部)40B、ゲート電極13上の保護膜40中にゲート開口部40Cが設けられることも同様である。図1においては、保護膜40の記載は省略され、ソース開口部40A、ドレイン開口部40B、ゲート開口部40Cのみが示されている。
The
ただし、図1、2に示されるように、前記の半導体装置200とは異なり、この半導体装置100においては、平面視において、保護膜40中に形成されたソース開口部40Aと隣接する箇所におけるソース電極11とドレイン電極12の間、ドレイン開口部40Bと隣接する箇所におけるドレイン電極12とソース電極11の間、のそれぞれの中間位置に、浮遊電極50が設けられている。また、浮遊電極50は、平面視におけるソース電極11とドレイン電極12の間の空隙において、ソース電極11とドレイン電極12の中間点に沿って形成されている。このため、浮遊電極50は、ソース電極11を囲み、更に浮遊電極50の外側をドレイン電極12が囲むような形態とされる。このため、図1に示されるように、図中上下方向に延伸して対向するソース電極11、ドレイン電極12の間においては、この延伸方向(一方向)と平行に延伸するように浮遊電極50は形成され、図4における放電経路Qが発生する箇所において、放電経路Qと垂直に形成されている。浮遊電極50は、ソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13とは異なり、層間絶縁層34、保護膜40によってその周囲が全て絶縁されているため、常に浮遊電位となる。
However, as shown in FIGS. 1 and 2, unlike the
層間絶縁層34は厚さ4μm程度のシリコン酸化膜で、個別ソース電極31、個別ドレイン電極32、個別ゲート電極33を上層から絶縁できるように、CVD等によって形成される。ソース電極接続用ビア配線(ビア配線)31A、ドレイン電極接続用ビア配線(ビア配線)32Aは、個別ソース電極31、個別ドレイン電極32上の層間絶縁層34を部分的に開口し、その内部をタングステン(W)等で構成された金属層で埋め込むことによって形成される。
The interlayer insulating
また、ソース電極11等には直接ボンディングワイヤが接続される、あるいはウェハ状態での検査時に探針Pが直接接するため、ソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13は充分に厚く、例えば厚さ5μm程度のAlで構成される。ただし、その最下部には、密着性を高めるためにTi等で構成された薄膜層も設けられる。
Further, since a bonding wire is directly connected to the
従来の半導体装置200において、ソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13は、層間絶縁層34上に一様な厚い金属層を形成した後で、そのパターニングを行う(フォトレジストの露光・現像後に金属層の部分的なエッチングを行う)ことによって形成される。この際、同時に浮遊電極50も形成することができるため、浮遊電極50を形成するための特別な工程は不要であり、半導体装置200、100を製造するに際して、異なるのはこの際のマスクパターンだけとなる。このため、この半導体装置100を従来の半導体装置200と同等のコストで製造することができ、この半導体装置100を安価に製造することができる。この場合、ソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13、及び浮遊電極50は、同一層として形成される。すなわち、これらの電極は略同一平面上に形成され、その厚さは同等となる。
In the
保護膜40は、ドレイン電極12とソース電極11、ゲート電極13との間の沿面放電を抑制するために、これらの電極を覆うように、厚さ2μm程度のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等で構成される。前記の通りソース電極11等は厚く形成されるため、保護膜40は、特に被覆性の良好なCVD法を用いて形成され、TEOS(テトラエトキシシラン)等を原料に用いたものが好ましく用いられる。ソース開口部40A、ドレイン開口部40Bは、前記のソース電極11等をパターニングして形成したのと同様に、一様に形成された保護膜40を部分的にエッチングすることによって形成される。
The
上記の浮遊電極50の効果について説明する。まず、浮遊電極50が形成されない図4、5の構造の半導体装置200において、ソース電極11とドレイン電極12の間隔L=50μmとし、探針Pを介してオフ時においてソース電極11、ドレイン電極12間に600Vの電圧を印加したところ、図4に示された放電経路Qで放電(沿面放電)が発生することが確認された。この際のソース電極11・ドレイン電極12間の直接的な電界強度(0.12MV/cm)は、層間絶縁層34や保護膜40を構成するシリコン酸化膜等の絶縁破壊強度よりも充分に低い。また、図4の放電経路Qとして示されるように、放電は、ソース開口部40A内で露出したソース電極11、ドレイン開口部40B内で露出したドレイン電極12と、これらに隣接し保護膜40で覆われたドレイン電極12、ソース電極11との間でそれぞれ発生した。
The effect of the floating
ソース電極11、ドレイン電極12等の構成を同一として、浮遊電極50(幅5μm)を、ソース電極11とドレイン電極12の中間点に沿って形成した上記の半導体装置100を製造したところ、同様の検査時にソース電極11、ドレイン電極12間に600Vの電圧を印加しても、放電は発生しなかった。
When the above-described
図1、2において、左右方向(ソース電極11等の延伸方向と垂直な方向)では、浮遊電極50を形成することにより浮遊電極50の幅Mの間は電位が一定となるため、電界は、浮遊電極50の左右の領域においてのみ生ずる。このため、浮遊電極50の左右の幅(L−M)/2)の領域における層間絶縁層34あるいは保護膜40中の電界強度は、浮遊電極50が存在しない場合(M=0)と比べて高くなっているにも関わらず、放電が抑制されている。このため、図4の構造において発生した放電は、ソース電極11、ドレイン電極12間の層間絶縁層34あるいは保護膜40の直接的な絶縁破壊によるものではなく、沿面放電であることが明らかであり、この沿面放電がこの半導体装置100では抑制されたと考えられる。
1 and 2, in the left-right direction (the direction perpendicular to the extending direction of the
図1、2の構成の浮遊電極50を形成することにより、ソース開口部40A、ドレイン開口部40Bに隣接するソース電極11・ドレイン電極12間の領域においては、ソース電極11・ドレイン電極12の中間点付近の電位が長手方向(ソース電極11の外周に沿った方向)にわたり一定となる。このため、ソース開口部40A、ドレイン開口部40Bの側方において、沿面方向における電位がソース電極11・ドレイン電極12の長手方向にわたり一様となり、局所的に電界強度が大きくなる領域が発生することが抑制されることが、放電が発生しにくくなった原因と考えられる。
By forming the floating
また、浮遊電極50がソース電極11・ドレイン電極12間に形成されることにより、その上の保護膜40の下地あるいは保護膜40自身の平坦性が向上することも明らかである。このため、保護膜40の膜厚、膜質の均一性が高まり、局所的に耐圧が低くなる領域が形成されにくくなることも、放電が発生しにくくなった原因として考えられる。
It is also clear that when the floating
ここで、浮遊電極50の電位がソース電極11、ドレイン電極12、ゲート電極13のいずれかと同一、あるいは連動する場合には、浮遊電極50を介した新たな放電経路が形成される可能性がある。このため、浮遊電極50は、その周囲と絶縁されていることが必要であり、その周囲が保護膜40、層間絶縁層34で囲まれることが好ましい。
Here, when the potential of the floating
このように、浮遊電極50を設けることにより、検査時における放電を抑制することができ、ウェハ状態における動作試験を適性に行うことができる。一方、前記のとおり、浮遊電極50を設けることにより、図2における浮遊電極50の左右の領域における電界強度は高まるため、ソース電極11あるいはドレイン電極12と、浮遊電極50との間の領域では放電が発生しやすくなる。このため、図2におけるL(ソース電極11とドレイン電極12の間隔)とM(浮遊電極50の幅)は、この領域における電界強度が層間絶縁層34や保護膜40の絶縁破壊強度(絶縁破壊を発生する電界強度)を超えないように設定すればよい。前記の通り、層間絶縁層34や保護膜40の材料としては、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜が用いられる。これらの材料の絶縁破壊強度は、膜質等に大きく依存するが、概ね8MV/cmを超える程度である。図2の構成においては、ソース電極11とドレイン電極12の間において、浮遊電極50が存在する領域では電界強度は零、浮遊電極50が存在しない領域では電界強度は一様となる。ソース電極11とドレイン電極12の間に印加される動作時の最大電圧をVmaxとすれば、図2の構成においては、ソース電極11とドレイン電極12の間の浮遊電極50が存在しない領域における動作時の最大電界強度は、Vmax/(L−M)となり、この値が上記の層間絶縁層34や保護膜40の絶縁破壊強度よりも充分小さく、例えば5MV/cmを超えないように、浮遊電極50の幅Mは設定される。
As described above, by providing the floating
また、図2においては、浮遊電極50がソース電極11とドレイン電極12の中間点に設けられているが、中間点に位置しない場合でも、少なくともソース開口部40A、ドレイン開口部40Bの側方において、ソース電極11・ドレイン電極12の長手方向にわたって電位分布を一様とする効果があることは明らかである。このため、浮遊電極50をソース電極11とドレイン電極12の中間点に設ける必要はない。この場合においても、浮遊電極50が存在しない領域における電界強度は一様となるため、Vmax/(L−M)に対する制限は、上記と同様である。
In FIG. 2, the floating
ただし、浮遊電極50を中間点に設ける場合には、製造が特に容易であり、かつソース電極11とドレイン電極12の間の全体的な構造を図1、2における左右方向に対称とすることができるため、保護膜40等を均一に形成しやすくなり、局所的な絶縁破壊の原因となる不均一性が特に発生しにくい。このため、浮遊電極50を中間点を含む領域に設けた図1、2の構成が特に好ましい。
However, when the floating
一方、上記の例では、ソース電極11とドレイン電極12の間に浮遊電極50が1本のみ設けられていたが、ソース電極11とドレイン電極12の間において複数本の浮遊電極を平行に設けても同様の効果を奏することは明らかである。この場合には、浮遊電極をソース電極とドレイン電極の中間点に設けなくとも、全体的な構造を左右対称とすることができ、保護膜40の均一性をより高めることができる。また、この場合には、平面視においてソース電極・ドレイン電極間で電位が一定となる領域が浮遊電極の本数に応じて増えるため、電界強度が局所的に大きな領域が発生することを抑制する効果も、特に大きくなる。一方、この際、浮遊電極の占める面積(浮遊電極の幅の合計)が大きくなった場合には、ソース電極とドレイン電極の間で浮遊電極が形成されていない領域における動作時の最大電界強度が高くなるため、浮遊電極の本数や幅は、この最大電界強度が上記と同様に許容される範囲内で適宜設定される。
On the other hand, in the above example, only one floating
また、前記の通り、図4における放電経路Qはソース開口部40A、ドレイン開口部40Bに隣接した領域でのみ形成されるため、浮遊電極50は、ソース開口部40A、ドレイン開口部40Bに隣接した領域においてのみ形成すれば充分である。しかしながら、図1に示されるように、浮遊電極50をソース電極11の外周に沿ってソース電極11を囲むように連続的に構成することにより、ソース電極11の外周に沿って電位分布をより広い範囲で均一化することができるため、放電防止の効果はより大きくなる。
Further, as described above, since the discharge path Q in FIG. 4 is formed only in the region adjacent to the source opening 40A and the
一方、浮遊電極50をこのように長く形成した場合には、例えば製造時のゴミ等に起因してソース電極11、ドレイン電極12や浮遊電極50のパターンに欠陥が発生し、この箇所で放電が発生しやすくなるおそれがある。このため、上記の半導体装置100の変形例の構成として、図3にその上面図を示すように、必要最小限の部分、すなわちソース開口部40A、ドレイン開口部40Bに隣接した領域のみに局所的に浮遊電極50を形成してもよい。この場合には、分断された浮遊電極50が、多数形成される。こうした場合においても、金属層のエッチングのパターンを変更するのみで、上記と同様に、ソース電極11、ドレイン電極12、浮遊電極50を同様に形成することができる。
On the other hand, when the floating
なお、図1、3等の構成において、ソース電極(第1主電極)11及び個別ソース電極31と、ドレイン電極(第2主電極)12及び個別ドレイン電極32の位置関係を入れ替えても、同様の効果を奏することは明らかである。この場合においても、ゲート電極は、高電位側となるドレイン電極から離間させ低電位側となるソース電極側に近接させて設けることが好ましい。
1 and 3 and the like, even if the positional relationship between the source electrode (first main electrode) 11 and the
また、上記の構成では、ソース電極11、ドレイン電極12、浮遊電極50が同一の金属層を用いて同一工程で形成されるものとしたが、例えば浮遊電極50をソース電極11、ドレイン電極11と別工程で別の層として形成しても、同様の構造が実現できる限りにおいて、同様に放電を抑制できるという効果を奏することは明らかである。ただし、ソース電極11、ドレイン電極12、浮遊電極50を同一の金属パターンを用いて同一層に形成する場合には、その製造コストが特に安価となる。また、この場合には、同一平面上に同じ厚さのソース電極11、ドレイン電極12、浮遊電極50が配列するため、保護膜の均一性を高めるという点でも、特に有効である。
In the above configuration, the
また、上記の半導体装置100は、III族窒化物半導体(GaN系)を用いたHEMTであったが、同様に横型の半導体装置であり、半導体層における表面(一方の主面)側に大電流が流される2つの電極(第1主電極、第2主電極)が設けられれば、上記の構成が有効であることは明らかである。このため、例えばシリコン(Si)や炭化珪素(SiC)で半導体層が形成された横型のパワーMOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)に対しても同様の構成を適用することができる。この際、パワーMOSFETやIGBTのチャネル型(nチャネル、pチャネル)によらずに、上記の構成は有効である。
In addition, the
あるいは、動作電流の制御のために用いられる電極(ゲート電極)が設けられない場合でも、第1主電極と第2主電極との間に電流が流される限りにおいて、同様の構成は有効であり、例えばpn接合ダイオードやショットキーバリアダイオード(SBD)等においても、上記の構成は有効である。ゲート電極が用いられる場合には、図1、3に示されるように、第1主電極、第2主電極のうちゲート電極との間の電位差が大きな側とゲート電極との間に浮遊電極を設けることが好ましい。 Alternatively, even if an electrode (gate electrode) used for controlling the operating current is not provided, the same configuration is effective as long as a current flows between the first main electrode and the second main electrode. For example, the above configuration is also effective in a pn junction diode, a Schottky barrier diode (SBD), or the like. When the gate electrode is used, as shown in FIGS. 1 and 3, a floating electrode is provided between the first main electrode and the second main electrode where the potential difference between the gate electrode and the gate electrode is large and the gate electrode. It is preferable to provide it.
100、200 半導体装置(HEMT)
11 ソース電極(第1主電極)
12 ドレイン電極(第2主電極)
13 ゲート電極
20 基板
21 半導体層
21A ノンドープGaN層
21B AlGaN層
31 個別ソース電極
31A ソース電極接続用ビア配線(ビア配線)
32 個別ドレイン電極
32A ドレイン電極接続用ビア配線(ビア配線)
33 個別ゲート電極
34 層間絶縁層
40 保護膜
40A ソース開口部(第1開口部)
40B ドレイン開口部(第2開口部)
40C ゲート開口部
50 浮遊電極
P 探針
Q 放電経路
100, 200 Semiconductor device (HEMT)
11 Source electrode (first main electrode)
12 Drain electrode (second main electrode)
13
32
33
40B Drain opening (second opening)
Claims (13)
前記保護膜の下において周囲と絶縁された導電体で構成された浮遊電極が、平面視において、前記第1開口部と隣接し前記一方向に延伸する前記第2主電極と前記第1主電極との間、前記第2開口部と隣接し前記一方向に延伸する前記第1主電極と前記第2主電極との間に、それぞれ形成されたことを特徴とする半導体装置。 A first main electrode extending in one direction on one main surface side of the semiconductor layer; and a second main electrode extending in the one direction and facing the first main electrode, the first main electrode And an insulating protective film covering the one main surface side of the semiconductor layer including the second main electrode, and the first opening in which the protective film is locally removed on the first main electrode A semiconductor device which operates by passing a current between the first main electrode and the second main electrode through the second opening from which the protective film is locally removed on the second main electrode. There,
The second main electrode and the first main electrode, which are formed of a conductor insulated from the surroundings under the protective film, extend in the one direction adjacent to the first opening in a plan view. The semiconductor device is formed between the first main electrode and the second main electrode which are adjacent to the second opening and extend in the one direction.
前記第1開口部、前記第2開口部は、前記箇所における前記第1主電極上、前記箇所における前記第2主電極上に、それぞれ離散的に複数形成されたことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の半導体装置。 A plurality of locations where the first main electrode and the second main electrode extend in the one direction and face each other;
2. The plurality of first openings and the second openings are discretely formed on the first main electrode at the location and on the second main electrode at the location, respectively. The semiconductor device according to claim 1.
複数の前記個別第1電極及び複数の前記個別第2電極を覆う層間絶縁層を具備し、
前記第1主電極、前記第2主電極、前記浮遊電極、及び前記保護膜は前記層間絶縁層の上に形成され、
前記第1主電極、前記第2主電極は、前記層間絶縁層中に形成されたビア配線を介して複数の前記個別第1主電極、複数の前記個別第2主電極とそれぞれ接続されたことを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の半導体装置。 In the semiconductor layer, a plurality of semiconductor elements that are operated by passing a current between the individual first electrode and the individual second electrode are formed,
An interlayer insulating layer covering the plurality of individual first electrodes and the plurality of individual second electrodes;
The first main electrode, the second main electrode, the floating electrode, and the protective film are formed on the interlayer insulating layer,
The first main electrode and the second main electrode are respectively connected to the plurality of individual first main electrodes and the plurality of individual second main electrodes via via wirings formed in the interlayer insulating layer. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
前記浮遊電極が、平面視において、前記ドレイン電極に対応した前記第1主電極、前記第2主電極のうちの一方と前記ゲート電極との間に形成されたことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。 The gate electrode is formed under the protective film on the one main surface side of the semiconductor layer;
13. The floating electrode according to claim 12, wherein the floating electrode is formed between one of the first main electrode and the second main electrode corresponding to the drain electrode and the gate electrode in plan view. The semiconductor device described.
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