JP2018067625A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of suppressing deterioration in heat radiation property of a cell region even in a case where positional deviation occurs when a conductive member is arranged.SOLUTION: In a semiconductor device, a cell region 20A, and a peripheral region 20B surrounding the cell region are formed on a semiconductor substrate 24. In the cell region, an electrode layer 21 is arranged on an upper surface of the semiconductor substrate. A junction electrode 22 is arranged on an upper surface of the electrode layer. The cell region comprises: a first semiconductor layer 212 of a first conductivity type formed within a range exposed to the upper surface of the semiconductor substrate; a second semiconductor layer 214 of a second conductivity type formed at a lower surface side of the first semiconductor layer; a third semiconductor layer 232 of the first conductivity type formed at a lower surface side of the second semiconductor layer; and a trench gate 244 that penetrates through the first and second semiconductor layers and reaches the third semiconductor layer. An impurity concentration of the second conductivity type of the second semiconductor layer at an outer peripheral part is higher than that at a central part of the cell region.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本明細書に開示する技術は、半導体装置に関する。   The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device.

特許文献1に、スイッチング素子として機能するセル領域と、セル領域の周囲に形成され、素子耐圧を保持する周辺領域とを有する半導体装置が開示されている。セル領域の上面には、表面電極が形成されている。
特許文献2に示すように、半導体素子の表面電極の上面は、はんだによって外部の導電部材(ヒ―トシンクブロック)に対して電気的に接続される。スイッチングにより半導体素子に生じた熱は、導電部材を経由し、放熱板から放熱される。
Patent Document 1 discloses a semiconductor device having a cell region that functions as a switching element and a peripheral region that is formed around the cell region and retains the element breakdown voltage. A surface electrode is formed on the upper surface of the cell region.
As shown in Patent Document 2, the upper surface of the surface electrode of the semiconductor element is electrically connected to an external conductive member (heat sink block) by solder. Heat generated in the semiconductor element by switching is radiated from the heat dissipation plate via the conductive member.

特開2004−349556JP 2004-349556 A 特開2008−210829JP2008-210829

表面電極上に導電部材を安定して配置するために、表面電極の表面積と、導電部材のはんだ接合面の面積は略等しい。そのため、導電部材の配置に位置ずれが生じると、半導体基板のセル領域の外周側において、セル領域の上部に導電部材が存在しない領域が生じる。これにより、セル領域の外周側の放熱性が悪化し、発熱することで、素子特性に影響を与える場合がある。   In order to stably arrange the conductive member on the surface electrode, the surface area of the surface electrode and the area of the solder joint surface of the conductive member are substantially equal. For this reason, when a displacement occurs in the arrangement of the conductive members, a region where no conductive member is present above the cell region is generated on the outer peripheral side of the cell region of the semiconductor substrate. As a result, the heat dissipation on the outer peripheral side of the cell region deteriorates and heat is generated, which may affect the element characteristics.

したがって、本明細書では、導電部材を配置する際に位置ずれが生じた場合であっても、セル領域が発熱することを抑制する半導体装置を提供する。   Therefore, the present specification provides a semiconductor device that suppresses heat generation in a cell region even when a displacement occurs when a conductive member is disposed.

本明細書に開示する半導体装置は、セル領域と、セル領域を取り囲む周辺領域とが同一半導体基板に形成されている。セル領域において、半導体基板の上面には、電極層が配置されている。電極層の上面には、接合電極が配置されている。接合電極の上面には、接合部材を介して、導電部材が接続される。セル領域は、半導体基板の上面に露出する範囲に形成されている第1導電型の第1半導体層と、第1半導体層の下面側に形成されており、第1半導体層に接する第2導電型の第2半導体層と、第2半導体層の下面側に形成されており、第2半導体層によって第1半導体層から分離されている第1導電型の第3半導体層と、半導体基板の上面に形成されており、第1半導体層と第2半導体層を貫通して、前記第3半導体層に達するトレンチと、トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、トレンチの内部に配置されており、ゲート絶縁膜によって半導体基板から絶縁されているゲート電極と、を備えており、第2半導体層の第2導電型の不純物濃度は、セル領域の中央部よりも外周部の方が高い。   In the semiconductor device disclosed in this specification, a cell region and a peripheral region surrounding the cell region are formed over the same semiconductor substrate. In the cell region, an electrode layer is disposed on the upper surface of the semiconductor substrate. A joining electrode is disposed on the upper surface of the electrode layer. A conductive member is connected to the upper surface of the bonding electrode via a bonding member. The cell region is formed in a first conductive type first semiconductor layer formed in a range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate, and is formed on the lower surface side of the first semiconductor layer and is in contact with the first semiconductor layer. Type second semiconductor layer, a first conductive type third semiconductor layer formed on the lower surface side of the second semiconductor layer and separated from the first semiconductor layer by the second semiconductor layer, and an upper surface of the semiconductor substrate A trench that penetrates through the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and reaches the third semiconductor layer, a gate insulating film that covers an inner surface of the trench, and a gate. And a gate electrode that is insulated from the semiconductor substrate by an insulating film. The impurity concentration of the second conductivity type of the second semiconductor layer is higher in the outer peripheral portion than in the central portion of the cell region.

上記の半導体装置では、セル領域において、第2半導体層の第2導電型の不純物濃度が、セル領域の中央部よりも外周部の方が高い。すなわち、セル領域のゲート閾値電圧が、セル領域の中央部よりも外周部の方が高い。したがって、セル領域の中央部よりも外周部の方が、オフしやすくオンしにくい。セル領域の中央部よりも外周部の方が通電時間が短くなり、セル領域の外周部の発熱が抑制される。これにより、導電部材の配置に位置ずれが生じた場合であっても、セル領域が発熱することを抑制できる。   In the semiconductor device, in the cell region, the concentration of the second conductivity type impurity of the second semiconductor layer is higher in the outer peripheral portion than in the central portion of the cell region. That is, the gate threshold voltage of the cell region is higher in the outer peripheral portion than in the central portion of the cell region. Therefore, the outer peripheral portion is easier to turn off and harder to turn on than the central portion of the cell region. The energization time is shorter in the outer peripheral portion than in the central portion of the cell region, and heat generation in the outer peripheral portion of the cell region is suppressed. Thereby, even if it is a case where position shift arises in arrangement of a conductive member, it can control that a cell field generates heat.

実施形態に係る半導体装置10の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device 10 according to an embodiment. 図1の要素IIの拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of element II in FIG. 1. 実施形態に係る半導体装置10が備える半導体素子20の上面図である。It is a top view of semiconductor element 20 with which semiconductor device 10 concerning an embodiment is provided. 図3の要素IVの拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of element IV in FIG. 3.

図1に示すように、実施形態に係る半導体装置10は、半導体素子20と、ヒートシンクブロック80と、表面側放熱板81と、裏面側放熱板82と、封止樹脂83を備えている。半導体素子20は、半導体基板と、表面電極と、裏面電極を有している。なお、図1では、表面電極と裏面電極の図示が省略されている。ヒートシンクブロック80は、はんだ層91を介して半導体素子20の表面電極に固定されている。表面側放熱板81は、はんだ層92を介してヒートシンクブロック80の表面に固定されている。裏面側放熱板82は、はんだ層93を介して半導体素子20の裏面電極に固定されている。封止樹脂83は、表面側放熱板81の下面、ヒートシンクブロック80、半導体素子20及び裏面側放熱板82の上面を覆っている。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device 10 according to the embodiment includes a semiconductor element 20, a heat sink block 80, a front surface side heat radiating plate 81, a back surface side heat radiating plate 82, and a sealing resin 83. The semiconductor element 20 has a semiconductor substrate, a surface electrode, and a back electrode. In FIG. 1, illustration of the front surface electrode and the back surface electrode is omitted. The heat sink block 80 is fixed to the surface electrode of the semiconductor element 20 via the solder layer 91. The front-side heat radiating plate 81 is fixed to the surface of the heat sink block 80 via the solder layer 92. The backside heat sink 82 is fixed to the backside electrode of the semiconductor element 20 via the solder layer 93. The sealing resin 83 covers the lower surface of the front surface side heat radiating plate 81, the upper surface of the heat sink block 80, the semiconductor element 20, and the rear surface side heat radiating plate 82.

半導体素子20としては、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、またはダイオード等を用いることができる。半導体素子20は、動作中に発熱する。図2に示すように、半導体素子20は、半導体基板24、表面電極23、保護膜26、裏面電極28、絶縁膜62、及び、電極64を有している。   As the semiconductor element 20, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), or a diode can be used. The semiconductor element 20 generates heat during operation. As shown in FIG. 2, the semiconductor element 20 includes a semiconductor substrate 24, a surface electrode 23, a protective film 26, a back electrode 28, an insulating film 62, and an electrode 64.

半導体基板24は、板状であり、例えばシリコン(Si)や炭化ケイ素(SiC)等により構成されている。   The semiconductor substrate 24 has a plate shape and is made of, for example, silicon (Si), silicon carbide (SiC), or the like.

表面電極23、絶縁膜62、及び、電極64は、半導体基板24上に設けられている。表面電極23は、第1金属膜21と第2金属膜22を有している。   The surface electrode 23, the insulating film 62, and the electrode 64 are provided on the semiconductor substrate 24. The surface electrode 23 has a first metal film 21 and a second metal film 22.

図3は半導体素子20の上面図である。図3に示すように、半導体基板24の上面に、第1金属膜21が設けられている。第1金属膜21は、半導体基板24の上面を覆っている。第1金属膜21は、導電性を有しており、例えばアルミニウム合金(AlSi)により構成されている。   FIG. 3 is a top view of the semiconductor element 20. As shown in FIG. 3, the first metal film 21 is provided on the upper surface of the semiconductor substrate 24. The first metal film 21 covers the upper surface of the semiconductor substrate 24. The first metal film 21 has conductivity and is made of, for example, an aluminum alloy (AlSi).

保護膜26は、樹脂により構成されており、絶縁性を有している。保護膜26は、例えばポリイミドにより構成されている。図2、3に示すように、保護膜26は、絶縁膜62の上面、電極64の上面、及び、第1金属膜21の上面の外周部を覆っている。保護膜26は、第1金属膜21の上部に開口部52を有している。開口部52内に、第1金属膜21の表面の中央部が配置されている。したがって、第1金属膜21の上面の中央部は、保護膜26に覆われておらず、保護膜26から露出している。   The protective film 26 is made of resin and has an insulating property. The protective film 26 is made of polyimide, for example. As shown in FIGS. 2 and 3, the protective film 26 covers the outer peripheral portion of the upper surface of the insulating film 62, the upper surface of the electrode 64, and the upper surface of the first metal film 21. The protective film 26 has an opening 52 above the first metal film 21. A central portion of the surface of the first metal film 21 is disposed in the opening 52. Accordingly, the central portion of the upper surface of the first metal film 21 is not covered with the protective film 26 and is exposed from the protective film 26.

第2金属膜22は、導電性を有しており、例えばニッケル(Ni)により構成されている。図2に示すように、第2金属膜22は、第1金属膜21の上面の中央部から保護膜26の上面に跨る範囲を覆っている。第2金属膜22の中央側の部分は、第1金属膜21の上面の中央部を覆っている。第2金属膜22の外周側の部分は、保護膜26の上部に乗り上げている。第2金属膜22の上面は、はんだ層91に覆われている。   The second metal film 22 has conductivity and is made of, for example, nickel (Ni). As shown in FIG. 2, the second metal film 22 covers a range extending from the center of the upper surface of the first metal film 21 to the upper surface of the protective film 26. The central portion of the second metal film 22 covers the central portion of the upper surface of the first metal film 21. The outer peripheral portion of the second metal film 22 rides on the upper part of the protective film 26. The upper surface of the second metal film 22 is covered with the solder layer 91.

図3に示すように、半導体基板24は、セル領域20Aと周辺領域20Bを有する。図3に示すラインLの内側がセル領域20Aであり、ラインLの外側が周辺領域20Bである。ラインLは、第1金属膜21の端部と略一致する。セル領域20Aは、周辺領域20Bより内側に形成されている。セル領域20Aには半導体素子が形成されている。本実施形態では、セル領域20Aに縦型のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が形成されている。周辺領域20Bは、セル領域20Aより外側に形成されている。周辺領域20Bは、セル領域20Aの周辺に形成されている。周辺領域20Bは、セル領域20Aを取り囲んでいる。周辺領域20Bには、リサーフやFLRによって耐圧構造が形成されている。   As shown in FIG. 3, the semiconductor substrate 24 has a cell region 20A and a peripheral region 20B. The inside of the line L shown in FIG. 3 is the cell region 20A, and the outside of the line L is the peripheral region 20B. The line L substantially coincides with the end portion of the first metal film 21. The cell region 20A is formed inside the peripheral region 20B. A semiconductor element is formed in the cell region 20A. In the present embodiment, a vertical IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is formed in the cell region 20A. The peripheral region 20B is formed outside the cell region 20A. The peripheral region 20B is formed around the cell region 20A. The peripheral area 20B surrounds the cell area 20A. A breakdown voltage structure is formed in the peripheral region 20B by RESURF or FLR.

図4は、図2の要素IVの拡大図である。図4に示すラインLの内側がセル領域20Aであり、ラインLの外側が周辺領域20Bである。図4に示すように、半導体基板24の上面には、セル領域20Aにおいて、第1金属膜21が形成されている。ラインLは、第1金属膜21の端部と略一致する。半導体基板24の上面には、周辺領域20Bにおいて、絶縁膜62が形成されている。半導体基板24の上面の端部には、電極64が形成されている。保護膜26は、絶縁膜62の上面、電極64の上面、及び、第1金属膜21の上面の外周部を覆っている。保護膜26は、第1金属膜21の上部に開口部52を有している。開口部52内に、第1金属膜21の上面の中央部が配置されている。したがって、第1金属膜21の上面の中央部は、保護膜26に覆われていない。第2金属膜22は、第1金属膜21の上面の中央部から保護膜26の上面に跨る範囲を覆っている。第2金属膜の中央側の部分は、第1金属膜21の上面の中央部を覆っている。第2金属膜22の外周側の部分は、保護膜26の上部に乗り上げている。第2金属膜22の上面は、はんだ層91に覆われている。第2金属膜22は、はんだ層91を介して、ヒートシンクブロック80と接合される。第1金属膜の表面積と、ヒートシンクブロック80のはんだ接合面の面積は略等しい。半導体基板24の下面には、裏面電極28が形成されている。   FIG. 4 is an enlarged view of element IV of FIG. The inside of the line L shown in FIG. 4 is the cell region 20A, and the outside of the line L is the peripheral region 20B. As shown in FIG. 4, a first metal film 21 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 24 in the cell region 20A. The line L substantially coincides with the end portion of the first metal film 21. An insulating film 62 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 24 in the peripheral region 20B. An electrode 64 is formed on the end of the upper surface of the semiconductor substrate 24. The protective film 26 covers the outer peripheral portion of the upper surface of the insulating film 62, the upper surface of the electrode 64, and the upper surface of the first metal film 21. The protective film 26 has an opening 52 above the first metal film 21. A central portion of the upper surface of the first metal film 21 is disposed in the opening 52. Therefore, the central portion of the upper surface of the first metal film 21 is not covered with the protective film 26. The second metal film 22 covers a range extending from the center of the upper surface of the first metal film 21 to the upper surface of the protective film 26. The central portion of the second metal film covers the central portion of the upper surface of the first metal film 21. The outer peripheral portion of the second metal film 22 rides on the upper part of the protective film 26. The upper surface of the second metal film 22 is covered with the solder layer 91. The second metal film 22 is bonded to the heat sink block 80 via the solder layer 91. The surface area of the first metal film and the area of the solder joint surface of the heat sink block 80 are substantially equal. A back electrode 28 is formed on the lower surface of the semiconductor substrate 24.

図4に示すように、半導体基板24の上面には、セル領域20Aにおいて、複数のゲートトレンチ240が形成されている。各トレンチ240の内面は、ゲート絶縁膜242に覆われている。各トレンチの内部には、ゲート電極244が配置されている。ゲート電極244はゲート絶縁膜242によって、半導体基板24から絶縁されている。ゲート電極244の上面には、層間絶縁膜247が形成されている。半導体基板24の上面には、セル領域20Aにおいて、第1金属膜21が形成されている。第1金属膜21は、層間絶縁膜247によってゲート電極244から絶縁されている。   As shown in FIG. 4, a plurality of gate trenches 240 are formed on the upper surface of the semiconductor substrate 24 in the cell region 20A. The inner surface of each trench 240 is covered with a gate insulating film 242. A gate electrode 244 is disposed inside each trench. The gate electrode 244 is insulated from the semiconductor substrate 24 by the gate insulating film 242. An interlayer insulating film 247 is formed on the upper surface of the gate electrode 244. A first metal film 21 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 24 in the cell region 20A. The first metal film 21 is insulated from the gate electrode 244 by the interlayer insulating film 247.

半導体基板24の内部には、セル領域20Aにおいて、エミッタ層212、ボディコンタクト層215、ボディ層214、ドリフト層232、バッファ層234、コレクタ層236が形成されている。   Inside the semiconductor substrate 24, an emitter layer 212, a body contact layer 215, a body layer 214, a drift layer 232, a buffer layer 234, and a collector layer 236 are formed in the cell region 20A.

図4に示すように、エミッタ層212は、n型不純物を有するn型領域である。エミッタ層212は、半導体基板24の上面に露出する範囲に形成されている。エミッタ層212は、第1金属膜21に接続されている。エミッタ層212は、ゲート絶縁膜242と接している。   As shown in FIG. 4, the emitter layer 212 is an n-type region having n-type impurities. The emitter layer 212 is formed in a range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 24. The emitter layer 212 is connected to the first metal film 21. The emitter layer 212 is in contact with the gate insulating film 242.

ボディコンタクト層215は、高濃度のp型不純物を有するp型領域である。ボディコンタクト層215は、半導体基板24の上面に露出する範囲に形成されている。ボディコンタクト層215は、第1金属膜21に接続されている。ボディコンタクト層215は、エミッタ層212に接している。   The body contact layer 215 is a p-type region having a high concentration of p-type impurities. The body contact layer 215 is formed in a range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 24. The body contact layer 215 is connected to the first metal film 21. The body contact layer 215 is in contact with the emitter layer 212.

ボディ層214は、ボディコンタクト層215よりもp型不純物濃度が低いp型領域である。ボディ層214は、エミッタ層21とボディコンタクト層215の下側に形成されており、エミッタ層212の下側において、ゲート絶縁膜242と接している。   Body layer 214 is a p-type region having a p-type impurity concentration lower than that of body contact layer 215. The body layer 214 is formed below the emitter layer 21 and the body contact layer 215, and is in contact with the gate insulating film 242 below the emitter layer 212.

ボディ層214は、セル領域20Aの中央部20aに位置する第1ボディ層214aと、セル領域20Aの外周部20bに位置する第2ボディ層214bを有する。第2ボディ層214bのp型不純物の濃度は、第1ボディ層214aのp型不純物濃度よりも高い。   The body layer 214 includes a first body layer 214a located in the central portion 20a of the cell region 20A and a second body layer 214b located in the outer peripheral portion 20b of the cell region 20A. The concentration of the p-type impurity in the second body layer 214b is higher than the concentration of the p-type impurity in the first body layer 214a.

ドリフト層232は、低濃度のn型不純物を有するn型領域である。ドリフト層232は、ボディ層214の下側に形成されている。ドリフト層232は、トレンチ240の下端に位置するゲート絶縁膜242と接している。   The drift layer 232 is an n-type region having a low concentration of n-type impurities. The drift layer 232 is formed below the body layer 214. The drift layer 232 is in contact with the gate insulating film 242 located at the lower end of the trench 240.

バッファ層234は、高濃度のn型不純物を有するn型領域である。バッファ層234は、ドリフト層232の下側に形成されている。   The buffer layer 234 is an n-type region having a high concentration of n-type impurities. The buffer layer 234 is formed below the drift layer 232.

コレクタ層236は、高濃度のp型不純物を有するp型領域である。コレクタ層236は、バッファ層234の下側に形成されている。コレクタ層236は、半導体基板24の下面に露出する範囲の全面に形成されている。コレクタ層236は、裏面電極28に接続されている。   The collector layer 236 is a p-type region having a high concentration of p-type impurities. The collector layer 236 is formed below the buffer layer 234. The collector layer 236 is formed on the entire surface exposed in the lower surface of the semiconductor substrate 24. The collector layer 236 is connected to the back electrode 28.

半導体基板24には、点線Lよりも外側の領域において、周辺領域20Bが形成されている。半導体基板24の上面には、セル領域20Bにおいて、絶縁膜62が形成されている。半導体基板24の上面の端部には、電極64が形成されている。保護膜26は、絶縁膜62の上面、及び、電極64の上面を覆っている。周辺領域20Bには、リサーフ層252、ディープp型層256、端部n型層258、ドリフト層232、バッファ層234、及び、コレクタ層236が形成されている。ドリフト層232、バッファ層234、及び、コレクタ層236は、セル領域20Aと周辺領域20Bにおいて、共通である。   In the semiconductor substrate 24, a peripheral region 20B is formed in a region outside the dotted line L. An insulating film 62 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 24 in the cell region 20B. An electrode 64 is formed on the end of the upper surface of the semiconductor substrate 24. The protective film 26 covers the upper surface of the insulating film 62 and the upper surface of the electrode 64. A RESURF layer 252, a deep p-type layer 256, an end n-type layer 258, a drift layer 232, a buffer layer 234, and a collector layer 236 are formed in the peripheral region 20B. The drift layer 232, the buffer layer 234, and the collector layer 236 are common in the cell region 20A and the peripheral region 20B.

リサーフ層252は、低濃度p型不純物を有するp型領域である。リサーフ層252は、半導体基板24の上面に露出する範囲に形成されている。リサーフ層252は、セル領域20Aを取り囲むように、環状に形成されている。   The RESURF layer 252 is a p-type region having a low concentration p-type impurity. The RESURF layer 252 is formed in a range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 24. The RESURF layer 252 is formed in an annular shape so as to surround the cell region 20A.

ディープp型層256は、高濃度のp型不純物を有するp型領域である。ディープp型層256は、半導体基板24の上面に露出する範囲に形成されている。ディープp型層256は、セル領域20Aを取り囲むように、環状に形成されている。ディープp型層256は、セル領域20Aと周辺領域20Bの境界に形成されており、リサーフ層252と接している。コンタクト領域256の上面の一部は絶縁膜28で覆われておらず、第1電極膜21に接続している。   The deep p-type layer 256 is a p-type region having a high concentration of p-type impurities. The deep p-type layer 256 is formed in a range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 24. The deep p-type layer 256 is formed in an annular shape so as to surround the cell region 20A. The deep p-type layer 256 is formed at the boundary between the cell region 20A and the peripheral region 20B, and is in contact with the RESURF layer 252. A part of the upper surface of the contact region 256 is not covered with the insulating film 28 and is connected to the first electrode film 21.

端部n型層258は、高濃度のn型不純物を有するn型領域である。端部n型層258は、半導体基板24の端面に露出すると共に、半導体基板24の上面に露出する範囲に形成されている。端部n型層258は、その上面に形成されている電極60に接続されている。端部n型層258は、セル領域20Aを取り囲むように、環状に形成されている。   The end n-type layer 258 is an n-type region having a high concentration of n-type impurities. The end n-type layer 258 is formed in a range exposed on the end surface of the semiconductor substrate 24 and exposed on the upper surface of the semiconductor substrate 24. The end n-type layer 258 is connected to the electrode 60 formed on the upper surface thereof. The end n-type layer 258 is formed in an annular shape so as to surround the cell region 20A.

ドリフト層232は、低濃度のn型不純物を有するn型領域である。ドリフト層232は、リサーフ層252、ディープp型層256、及び、端部n型層258の下側に形成されている。ドリフト層232は、リサーフ層252と端部n型層258の間の領域において、半導体基板24の上面に露出する範囲に形成されている。   The drift layer 232 is an n-type region having a low concentration of n-type impurities. The drift layer 232 is formed below the RESURF layer 252, the deep p-type layer 256, and the end n-type layer 258. The drift layer 232 is formed in a region exposed to the upper surface of the semiconductor substrate 24 in a region between the RESURF layer 252 and the end n-type layer 258.

バッファ層234は、高濃度のn型不純物を有するn型領域である。バッファ層234は、ドリフト層232の下側に形成されている。   The buffer layer 234 is an n-type region having a high concentration of n-type impurities. The buffer layer 234 is formed below the drift layer 232.

コレクタ層236は、高濃度のp型不純物を有するp型領域である。コレクタ層236は、バッファ層234の下側に形成されている。コレクタ層236は、半導体基板24の下面に露出する範囲の全面に形成されている。コレクタ層236は、裏面電極28に接続されている。コレクタ層236は、セル領域20Aと周辺領域20Bにおいて、共通である。   The collector layer 236 is a p-type region having a high concentration of p-type impurities. The collector layer 236 is formed below the buffer layer 234. The collector layer 236 is formed on the entire surface exposed in the lower surface of the semiconductor substrate 24. The collector layer 236 is connected to the back electrode 28. The collector layer 236 is common in the cell region 20A and the peripheral region 20B.

次に半導体素子20のIGBT動作について説明する。第1金属膜21と裏面電極28の間に裏面電極28がプラスとなる電圧を印加し、ゲート電極244にオン電位(チャネルが形成されるのに必要な電位以上の電位)を印加すると、IGBTがオンする。すなわち、ゲート電極244へのオン電位の印加により、ゲート絶縁膜242に接する範囲のボディ層214にチャネルが形成される。すると、電子が、第1金属膜21から、エミッタ層212、チャネル、ドリフト層232、バッファ層234、及び、コレクタ層236を介して、裏面電極28に流れる。また、ホールが、裏面電極28から、コレクタ層236、ドリフト層234、ボディ層214、及び、ボディコンタクト層215を介して、第1金属膜21に流れる。すなわち、裏面電極28から第1金属膜21に電流が流れる。このとき、半導体素子20の通電動作により、半導体基板24のセル領域20Aが発熱する。半導体基板24のセル領域20Aの発熱は、はんだ層91、ヒートシンクブロック80、及び、はんだ層92を介し、表面側放熱板81から放熱される。   Next, the IGBT operation of the semiconductor element 20 will be described. When a voltage that makes the back electrode 28 positive is applied between the first metal film 21 and the back electrode 28 and an ON potential (potential greater than the potential necessary for forming a channel) is applied to the gate electrode 244, the IGBT Turns on. That is, a channel is formed in the body layer 214 in a range in contact with the gate insulating film 242 by application of an on-potential to the gate electrode 244. Then, electrons flow from the first metal film 21 to the back electrode 28 through the emitter layer 212, the channel, the drift layer 232, the buffer layer 234, and the collector layer 236. In addition, holes flow from the back electrode 28 to the first metal film 21 through the collector layer 236, the drift layer 234, the body layer 214, and the body contact layer 215. That is, a current flows from the back electrode 28 to the first metal film 21. At this time, the cell region 20 </ b> A of the semiconductor substrate 24 generates heat due to the energization operation of the semiconductor element 20. Heat generated in the cell region 20 </ b> A of the semiconductor substrate 24 is radiated from the surface side heat radiating plate 81 through the solder layer 91, the heat sink block 80, and the solder layer 92.

ゲート電極244に印加する電位を、オン電位からオフ電位に切り換えると、IGBTがターンオフする。IGBTがターンオフすると、裏面電極28と第1金属膜21の間に高い電圧Vceが印加される。このとき、端部n型層258は、裏面電極28と略同じ電位となる。また、ディープp型層256は、第1金属膜21と略同じ電位となる。したがって、端部n型層258とディープp型層256の間には、電圧Vceと略等しい電圧V1が印加される。すると、ディープp型層256から端部n型層258に向かって空乏層が広がる。リサーフ層252は、この空乏層の伸びを促進する。このため、空乏層が、リサーフ層252とドリフト層232の略全体に広がる。このように広がった空乏層によって、端部n型層258とディープp型層256の間の絶縁性が確保される。   When the potential applied to the gate electrode 244 is switched from the on potential to the off potential, the IGBT is turned off. When the IGBT is turned off, a high voltage Vce is applied between the back electrode 28 and the first metal film 21. At this time, the end n-type layer 258 has substantially the same potential as the back electrode 28. Further, the deep p-type layer 256 has substantially the same potential as the first metal film 21. Therefore, a voltage V1 substantially equal to the voltage Vce is applied between the end n-type layer 258 and the deep p-type layer 256. Then, the depletion layer spreads from the deep p-type layer 256 toward the end n-type layer 258. The RESURF layer 252 promotes the elongation of this depletion layer. For this reason, the depletion layer extends over substantially the entire RESURF layer 252 and the drift layer 232. The insulating property between the end n-type layer 258 and the deep p-type layer 256 is ensured by the depletion layer thus spread.

半導体装置10において、半導体基板24のセル領域20Aの上面に、第1金属膜21が形成されている。第1金属膜21の上面には、はんだ層91を介して、ヒートシンクブロック80が接続される。ヒートシンクブロック80を安定して配置するために、第1金属膜21の表面積と、ヒートシンクブロック80のはんだ接合面の面積は略等しくなっている。そのため、ヒートシンクブロック80を配置する際に位置ずれが生じると、半導体基板24のセル領域20Aの外周側に、その上部にヒートシンクブロック80が存在しない領域が生じる。   In the semiconductor device 10, the first metal film 21 is formed on the upper surface of the cell region 20 </ b> A of the semiconductor substrate 24. A heat sink block 80 is connected to the upper surface of the first metal film 21 via a solder layer 91. In order to stably arrange the heat sink block 80, the surface area of the first metal film 21 and the area of the solder joint surface of the heat sink block 80 are substantially equal. Therefore, if a displacement occurs when the heat sink block 80 is disposed, a region where the heat sink block 80 does not exist on the outer peripheral side of the cell region 20A of the semiconductor substrate 24 is generated.

上述した半導体装置10では、ボディ層214は、セル領域20Aの中央部20aに位置する第1ボディ層214aと、セル領域20Aの外周部20bに位置する第2ボディ層214bを有する。第2ボディ層214bのp型不純物の濃度は、第1ボディ層214aのp型不純物濃度よりも高い。すなわち、セル領域20Aの外周部20bのゲート閾値電圧が、セル領域20Aの中央部20aのゲート閾値電圧よりも高い。したがって、セル領域20Aの外周部20bの方が、セル領域20Aの中央部20aよりもオフしやすくオンしにくい。これにより、セル領域20Aの外周部20bの方が、セル領域20Aの中央部20aよりも通電時間が短くなり、セル領域20Aの外周部20bの発熱が小さくなる。したがって、ヒートシンクブロック80を配置する際に位置ずれが生じた場合であっても、セル領域20Aの外周部20bの発熱が小さいため、素子特性に影響を与えにくい。   In the semiconductor device 10 described above, the body layer 214 includes the first body layer 214a located in the central portion 20a of the cell region 20A and the second body layer 214b located in the outer peripheral portion 20b of the cell region 20A. The concentration of the p-type impurity in the second body layer 214b is higher than the concentration of the p-type impurity in the first body layer 214a. That is, the gate threshold voltage of the outer peripheral portion 20b of the cell region 20A is higher than the gate threshold voltage of the central portion 20a of the cell region 20A. Therefore, the outer peripheral portion 20b of the cell region 20A is easier to turn off and harder to turn on than the central portion 20a of the cell region 20A. Accordingly, the energization time is shorter in the outer peripheral portion 20b of the cell region 20A than in the central portion 20a of the cell region 20A, and heat generation in the outer peripheral portion 20b of the cell region 20A is reduced. Therefore, even if a positional shift occurs when the heat sink block 80 is disposed, the heat generation at the outer peripheral portion 20b of the cell region 20A is small, so that the element characteristics are hardly affected.

なお、上記の実施形態では、セル領域20Aを、中央部20aと外周部20bの2つの領域に分け、ボディ層214の濃度を切り替えていたが、勾配を持たせて切り替えても良い。この場合、連続的に変化するなだらかな勾配でも良いし、ステップ状に変化する勾配でも良い。   In the above embodiment, the cell region 20A is divided into two regions, the central portion 20a and the outer peripheral portion 20b, and the concentration of the body layer 214 is switched. However, the cell region 20A may be switched with a gradient. In this case, a gentle gradient that continuously changes or a gradient that changes stepwise may be used.

上述した実施形態の構成要素と、請求項の構成要素との対応関係について説明する。実施形態のエミッタ層212は、請求項1の第1半導体層の一例である。実施形態のボディ層214は、請求項1の第2半導体層の一例である。実施形態のドリフト層232は、請求項1の第3半導体層の一例である。実施形態の第1金属膜21は、請求項1の電極層の一例である。実施形態の第2金属膜22は、請求項1の接合電極の一例である。実施形態のヒートシンクブロック80は、請求項1の導電部材の一例である。実施形態のはんだ層91は、請求項1の接合部材の一例である。   A correspondence relationship between the constituent elements of the embodiment described above and the constituent elements of the claims will be described. The emitter layer 212 of the embodiment is an example of the first semiconductor layer of claim 1. The body layer 214 of the embodiment is an example of the second semiconductor layer of claim 1. The drift layer 232 of the embodiment is an example of a third semiconductor layer according to claim 1. The first metal film 21 of the embodiment is an example of an electrode layer according to claim 1. The second metal film 22 of the embodiment is an example of the bonding electrode according to claim 1. The heat sink block 80 of the embodiment is an example of the conductive member of claim 1. The solder layer 91 according to the embodiment is an example of the joining member according to claim 1.

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。   The embodiments have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of them.

10 :半導体装置
20 :半導体素子
21 :第1金属膜(電極層)
22 :第2金属膜(接合電極)
23 :表面電極
24 :半導体基板
26 :保護膜
28 :裏面電極
52 :開口部
62 :絶縁膜
64 :電極
80 :ヒートシンクブロック(導電部材)
81 :表面側放熱板
82 :裏面側放熱板
83 :封止樹脂
91 :はんだ層(接合部材)
92 :はんだ層
93 :はんだ層
20A :セル領域
20B :周辺領域
212 :エミッタ層(第1半導体層)
214 :ボディ層(第2半導体層)
215 :ボディコンタクト層
232 :ドリフト層(第3半導体層)
234 :バッファ層
236 :コレクタ層
240 :トレンチ
242 :ゲート絶縁膜
244 :ゲート電極
252 :リサーフ層
256 :ディープp型層
258 :端部n型層
10: Semiconductor device 20: Semiconductor element 21: First metal film (electrode layer)
22: Second metal film (bonding electrode)
23: Front electrode 24: Semiconductor substrate 26: Protective film 28: Back electrode 52: Opening 62: Insulating film 64: Electrode 80: Heat sink block (conductive member)
81: Front side heat sink 82: Back side heat sink 83: Sealing resin 91: Solder layer (joining member)
92: Solder layer 93: Solder layer 20A: Cell region 20B: Peripheral region 212: Emitter layer (first semiconductor layer)
214: Body layer (second semiconductor layer)
215: Body contact layer 232: Drift layer (third semiconductor layer)
234: buffer layer 236: collector layer 240: trench 242: gate insulating film 244: gate electrode 252: RESURF layer 256: deep p-type layer 258: end n-type layer

Claims (1)

セル領域と、前記セル領域を取り囲む周辺領域とを有する半導体基板と、
前記セル領域において、前記半導体基板の上面に配置されている電極層と、
前記電極層の上面に配置されている接合電極と、
前記接合電極の上面に、接合部材を介して接続される導電部材と、
を備えた半導体装置であって、
前記セル領域は、前記半導体基板の上面に露出する範囲に形成されている第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の下面側に形成されており、第1半導体層に接する第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の下面側に形成されており、前記第2半導体層によって前記第1半導体層から分離されている第1導電型の第3半導体層と、
前記半導体基板の上面に形成されており、前記第1半導体層と前記第2半導体層を貫通して、前記第3半導体層に達する、トレンチと、
前記トレンチの内面を覆うゲート絶縁膜と、
前記トレンチの内部に配置されており、前記ゲート絶縁膜によって前記半導体基板から絶縁されているゲート電極と、
を備え、
前記第2半導体層の第2導電型の不純物濃度は、前記セル領域の中央部よりも外周部の方が高い、半導体装置。
A semiconductor substrate having a cell region and a peripheral region surrounding the cell region;
An electrode layer disposed on an upper surface of the semiconductor substrate in the cell region;
A bonding electrode disposed on the upper surface of the electrode layer;
A conductive member connected to the upper surface of the bonding electrode via a bonding member;
A semiconductor device comprising:
The cell region is a first semiconductor layer of a first conductivity type formed in a range exposed on the upper surface of the semiconductor substrate;
A second semiconductor layer of a second conductivity type formed on a lower surface side of the first semiconductor layer and in contact with the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer of a first conductivity type formed on a lower surface side of the second semiconductor layer and separated from the first semiconductor layer by the second semiconductor layer;
A trench formed on an upper surface of the semiconductor substrate, penetrating the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and reaching the third semiconductor layer;
A gate insulating film covering the inner surface of the trench;
A gate electrode disposed inside the trench and insulated from the semiconductor substrate by the gate insulating film;
With
The second semiconductor layer has a second conductivity type impurity concentration higher in the outer peripheral portion than in the central portion of the cell region.
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