JP2020043200A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ゲート絶縁膜の信頼性を向上させた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１の製造過程では、ソース電極３０とゲートパッド５０との間に所定の電圧を印加するスクリーニングを実施し、ゲート絶縁膜４５の不良を含む素子を除去する。その後、ゲートパッド５０とコンタクトパッド６０とを電気的に接続する。これにより、保護素子ＰＥのブレイクダウン電圧よりも高い電圧がゲート絶縁膜４５に印加されることを回避できる。その結果、ゲート絶縁膜４５のダメージを回避し、その信頼性を向上させることができる。【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体装置に関する。
半導体装置の製造過程では、実用時の偶発故障を回避するために初期スクリーニングを実施することが好ましい。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のゲート電極とバックゲートの間に、ゲート電圧の定格を超える高電圧を印加することにより、ゲート絶縁膜の初期不良を除去することができる。しかしながら、ゲート絶縁膜に高電圧を印加できる構造のままでは、スクリーニング後に定格を超える高電圧がゲート絶縁膜に印加され、ゲート絶縁膜がダメージを受けることを回避できない。
特開２０００−２９４７７９号公報
実施形態は、ゲート絶縁膜の信頼性を向上させた半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、第１導電形の第１半導体層を含む半導体部と、前記半導体部上に設けられた第１電極と、前記半導体部上に第１絶縁膜を介して設けられ、上方から見て前記第１電極に囲まれた位置に、前記第１電極から離間して設けられた第２電極と、前記半導体部上に設けられ、上方から見て前記第２電極に囲まれた位置に、前記第２電極から離間して設けられた第３電極と、前記半導体部と前記第１電極との間に設けられ、第２絶縁膜を介して前記半導体部から電気的に絶縁され、第３絶縁膜を介して前記第１電極から電気的に絶縁された制御電極と、を備える。前記半導体部は、第２導電形の第２半導体層と、第１導電形の第３半導体層と、第２導電形の第４半導体層と、第１導電形の第５半導体層と、第１導電形の第６半導体層と、をさらに含む。前記第２半導体層は、前記第１半導体層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、前記第３半導体層は、前記第２半導体層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、前記第１電極に電気的に接続される。前記第４半導体層は、前記第１半導体層と前記第２電極との間、および、前記第１半導体層と前記第３電極との間に設けられた主部と、前記第１半導体層と前記第１電極との間に設けられた外縁部と、を有する。前記第５半導体層は、前記第４半導体層中に選択的に設けられ、前記第４半導体層の前記外縁部と前記第１電極との間に位置し、前記第１電極に電気的に接続された部分を有する。前記第６半導体層は、前記第４半導体層中の前記第５半導体部から離れた位置に設けられ、前記第４半導体層の前記主部と前記第３電極との間に位置し、前記第３電極に電気的に接続された部分を有する。前記制御電極は、前記第２絶縁膜を介して前記第１半導体層、前記第２半導体層および前記第３半導体層に向き合う位置に配置される。
実施形態に係る半導体装置を示す模式図である。 実施形態に係る半導体装置を示す回路図である。 実施形態に係る半導体装置の実装形態を示す模式図である。 実施形態の変形例に係る半導体装置を示す模式図である。 実施形態の別の変形例に係る半導体装置を示す模式図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
図１（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）中に示すＡ−Ａ線に沿った断面を示す模式図である。図１（ｂ）は、半導体装置１の上面の一部を示す平面図である。半導体装置１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴである。また、半導体装置１は、この例に限定されず、例えば、ＩＧＢＴ（Gate-insulated bipolar transistor）であっても良い。
図１（ａ）に示すように、半導体装置１は、半導体部１０と、ドレイン電極２０と、ソース電極３０と、ゲート電極４０と、を備える。半導体部１０は、トランジスタ領域ＴＲＲと、保護素子領域ＰＥＲと、を含む。ここで、トランジスタ領域ＴＲＲは、例えば、ＭＯＳＦＥＴとして動作する領域であり、ゲート電極４０は、トランジスタ領域ＴＲＲの上に配置される。保護素子領域ＰＥＲは、例えば、ＭＯＳＦＥＴに過電圧が印加されることを防ぐ保護素子を含む。
ドレイン電極２０は、半導体部１０の裏面上に設けられる。ソース電極３０は、トランジスタ領域ＴＲＲの上に設けられる。ゲート電極４０は、例えば、トランジスタ領域ＴＲＲとソース電極３０との間に配置される。
半導体部１０は、例えば、ｎ形ドリフト層１１と、ｎ形ドレイン層１３と、ｐ形拡散層１５と、ｎ形ソース層１７と、ｐ形コンタクト層１９と、を含む。
ｎ形ドレイン層１３は、ｎ形ドリフト層１１とドレイン電極２０との間に設けられる。ｎ形ドレイン層１３は、ドレイン電極２０に接し、ｎ形ドリフト層１１のｎ形不純物よりも高濃度のｎ形不純物を含む。
ｐ形拡散層１５は、ｎ形ドリフト層１１とソース電極３０との間に設けられ、例えば、ｎ形ドリフト層１１に接する。ｎ形ドリフト層１１とｐ形拡散層１５との間には、ｐｎ接合が形成される。ｎ形ソース層１７は、ｐ形拡散層１５とソース電極３０との間に選択的に設けられ、ｐ形拡散層１５に接する。ｎ形ソース層１７は、ソース電極３０に電気的に接続される。ｎ形ソース層１７は、ｎ形ドリフト層１１のｎ形不純物よりも高濃度のｎ形不純物を含む。ｐ形コンタクト層１９は、ｐ形拡散層１５とソース電極３０との間に選択的に設けられ、ｐ形拡散層１５およびソース電極３０に電気的に接続される。
ｎ形ソース層１７およびｐ形拡散層１５は、半導体部１０の表面に沿った方向に並べて配置される。ｐ形コンタクト層１９は、ｐ形拡散層１５のｐ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む。
ゲート電極４０は、ゲート絶縁膜４５を介して、ｎ形ドリフト層１１の一部、ｐ形拡散層１５の一部およびｎ形ソース層１７の一部に向き合うように配置される。また、ゲート電極４０は、絶縁膜４７によりソース電極３０から電気的に絶縁される。ゲート電極４０は、例えば、Ｘ方向において相互に離間するように配置され、ソース電極３０は、隣り合うゲート電極４０間に露出したｎ形ソース層１７およびｐ形コンタクト層１９に電気的に接続される。
半導体装置１は、ゲートパッド５０と、コンタクトパッド６０と、をさらに備える。ゲートパッド５０は、絶縁膜５５を介して保護素子領域ＰＥＲの上に設けられる。ゲートパッド５０は、図示しない部分でゲート電極４０に電気的に接続され、絶縁膜５５により半導体部１０から電気的に絶縁される。
半導体部１０は、ｐ形半導体層２１と、ｎ形半導体層２３と、ｎ形半導体層２５と、をさらに含む。ｐ形半導体層２１は、例えば、ｐ形拡散層１５と同時に形成され、ｐ形拡散層１５のｐ形不純物と同じ濃度レベルのｐ形不純物を含む。ｎ形半導体層２３およびｎ形半導体層２５は、例えば、ｎ形ソース層１７と同時に形成され、ｎ形ソース層１７のｎ形不純物と同じ濃度レベルのｎ形不純物を含む。
ｐ形半導体層２１は、ｎ形ドリフト層１１とゲートパッド５０との間、および、ｎ形ドリフト層１１とコンタクトパッド６０との間に設けられる。また、ｐ形半導体層２１は、ｎ形ドリフト層１１とソース電極３０との間に位置する部分を含む。
ｎ形半導体層２３は、ｐ形半導体層２１中に選択的に設けられ、ソース電極３０に電気的に接続される。ｐ形半導体層２１は、ｎ形ドリフト層１１とソース電極３０との間に位置する部分を含み、ｎ形半導体層２３は、ｐ形半導体層２１とソース電極３０との間に設けられる。ｎ形半導体層２３は、絶縁膜５５に設けられたコンタクトホール５７の底面に露出されるように設けられ、コンタクトホール５７内に延在するソース電極３０の一部に電気的に接続される。
ｎ形半導体層２５は、ｐ形半導体層２１中に選択的に設けられる。ｎ形半導体層２５は、ｐ形半導体層２１とコンタクトパッド６０との間に位置し、半導体部１０の表面に露出される。ｎ形半導体層２５は、絶縁膜５５に設けられたコンタクトホール５９の底面に露出され、コンタクトパッド６０は、コンタクトホール５９中に延在する部分を介して、ｎ形半導体層２５に電気的に接続される。
図１（ｂ）に示すように、ゲートパッド５０は、例えば、上方から見てソース電極３０に囲まれる位置に設けられる。ゲートパッド５０は、ソース電極３０の外側へ延びる配線部５０ｆを有する。配線部５０ｆは、図示しない部分においてゲート電極４０に電気的に接続される。ゲートパッド５０は、ソース電極３０から離間して設けられ、ソース電極３０から電気的に絶縁される。
コンタクトパッド６０は、ゲートパッド５０の内側に、ゲートパッド５０から離間するように設けられる。コンタクトパッド６０は、ゲートパッド５０との間にスペースを有し、ゲートパッド５０から電気的に絶縁される。
例えば、ｎ形半導体層２３は、上方から見た時、ゲートパッド５０を囲むように配置される。また、ｎ形半導体層２５は、上方から見た時、ゲートパッド５０の中央に位置するように設けられる。また、コンタクトパッド６０は、例えば、上方から見て、ｎ形半導体層２５の中央に位置するように設けられる。
図２は、実施形態に係る半導体装置１を示す回路図である。図２に示すように、半導体装置１は、ＭＯＳＦＥＴのドレインに接続されたドレイン電極２０と、ソースに接続されたソース電極３０と、ゲート電極４０に接続されたゲートパッド５０と、を備える。
ソース電極３０は、ＭＯＳＦＥＴのバックゲートにも接続される。すなわち、ｐ形コンタクト層１９を介してｐ形拡散層１５に接続される（図１（ａ）参照）。これにより、ソース電極３０とゲートパッド５０との間に電圧を印加し、ゲート絶縁膜４５に電圧ストレスを与えることができる。すなわち、半導体装置１では、ソース電極３０およびゲートパッド５０を介して、ゲート絶縁膜４５にスクリーニング電圧を印加することができる。
さらに、ソース電極３０は、保護素子ＰＥを介してコンタクトパッド６０に接続される。保護素子ＰＥは、例えば、ｐ形半導体層２１、ｎ形半導体層２３およびｎ形半導体層２５を含む定電圧素子（例えば、ツェナーダイオード）である。
半導体装置１の製造過程では、ソース電極３０とゲートパッド５０との間に所定の電圧を印加するスクリーニングを実施し、ゲート絶縁膜４５の不良を含む素子を除去する。その後、ゲートパッド５０とコンタクトパッド６０とを電気的に接続する。これにより、保護素子ＰＥのブレイクダウン電圧よりも高い電圧がゲート絶縁膜４５に印加されることを回避できる。その結果、ゲート絶縁膜４５のダメージを回避し、その信頼性を向上させることができる。保護素子ＰＥのブレークダウン電圧は、例えば、ｎ形半導体層２３とｎ形半導体層２５との間隔Ｌにより制御することができる（図１（ａ）参照）。
図３（ａ）および（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置１の実装形態を示す模式図である。図３（ａ）は、半導体装置１の上面の一部を示す模式図である。図３（ｂ）は、半導体装置１の断面を示す模式図である。
図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ソース電極３０およびゲートパッド５０の上に、例えば、ボンディングワイヤ（以下、金属ワイヤ７３および７５）がそれぞれボンディングされる。金属ワイヤ７３は、例えば、ソース電極３０と実装基板のグランド端子（図示しない）とを電気的に接続する。金属ワイヤ７５は、例えば、ゲートパッド５０と実装基板のゲート端子（図示しない）とを電気的に接続する。また、金属ワイヤ７５は、ゲートパッド５０を実装基板上に設けられたゲート回路（図示しない）に接続しても良い。
コンタクトパッド６０は、例えば、ゲートパッド５０に電気的に接続された金属ワイヤ７５の端部の下に位置する。コンタクトパッド６０のＸ方向およびＹ方向のサイズは、例えば、金属ワイヤ７５の端部のサイズよりも小さい。したがって、金属ワイヤ７５は、ゲートパッド５０を外部の端子もしくは回路に電気的に接続すると共に、コンタクトパッド６０に電気的に接続されるようにボンディングされる。すなわち、本実施形態では、金属ワイヤ７５をゲートパッド５０の上にボンディングするだけで、ゲートパッド５０とコンタクトパッド６０とを電気的に接続することができる。これにより、半導体装置１の実装工程を簡略化し、製造効率を向上させることができる。なお、実施形態は、金属ワイヤに限定される訳ではなく、例えば、コネクタを用いてゲートパッドと外部リードを接続する形態であっても良い。
図４は、実施形態の変形例に係る半導体装置２を示す模式図である。図４は、半導体装置２の上面の一部を示す平面図である。
図４に示すように、半導体装置２は、複数のコンタクトパッド６０を有する。コンタクトパッド６０は、それぞれゲートパッド５０に囲まれる位置に配置される。また、コンタクトパッド６０は、ゲートパッド５０から離間して設けられ、ゲートパッド５０から電気的に絶縁される。複数のコンタクトパッド６０は、ｎ形半導体層２５に電気的に接続される（図１（ａ）参照）。この例では、例えば、金属ワイヤ７５（図３（ａ）参照）のボンディング位置がずれたとしても、複数のコンタクトパッド６０のいずれかとゲートパッド５０が電気的に接続される。
図５（ａ）および（ｂ）は、実施形態の別の変形例に係る半導体装置３を示す模式図である。図５（ａ）は、半導体装置３の断面を示す模式図である。図５（ｂ）は、半導体装置３の上面の一部を示す平面図である。
図５（ａ）に示すように、半導体装置３の保護素子領域ＰＥＲでは、ｎ形半導体層２３とｎ形半導体層２５との間に、ｐ形半導体層２７とｎ形半導体層２９とが交互に配置される。ｐ形半導体層２７およびｎ形半導体層２９は、ｐ形半導体層２１中に選択的に設けられる。ｐ形半導体層２７は、例えば、ｐ形半導体層２１のｐ形不純物よりも高濃度のｐ形不純物を含む。
図５（ｂ）に示すように、ｎ形半導体層２３は、Ｚ方向に見て、ゲートパッド５０を囲むように配置される。また、ｎ形半導体層２５は、ゲートパッド５０の中央に配置される。ｐ形半導体層２７およびｎ形半導体層２９は、それぞれｎ形半導体層２５を囲むように設けられる。
この例では、保護素子ＰＥ（図２参照）は、ｎ形半導体層２３、２５、２９およびｐ形半導体層２７を含む。保護素子ＰＥのブレイクダウン電圧は、ｎ形半導体層２３とｎ形半導体層２５との間に配置されるｐ形半導体層２７およびｎ形半導体層２９の数により制御できる。
実施形態に係る保護素子ＰＥは、上記の例に限定される訳ではなく、ソース電極３０およびコンタクトパッド６０に電気的に接続され、トランジスタ領域ＴＲＲの動作に影響を与えない構成であれば良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、２、３…半導体装置、 １０…半導体部、 １１…ｎ形ドリフト層、 １３…ｎ形ドレイン層、 １５…ｐ形拡散層、 １７…ｎ形ソース層、 １９…ｐ形コンタクト層、 ２０…ドレイン電極、 ２１、２７…ｐ形半導体層、 ２３、２５、２９…ｎ形半導体層、 ３０…ソース電極、 ４０…ゲート電極、 ４５…ゲート絶縁膜、 ４７…絶縁膜、 ５０…ゲートパッド、 ５０ｆ…配線部、 ５５…絶縁膜、 ５７、５９…コンタクトホール、 ６０…コンタクトパッド、 ７３、７５…金属ワイヤ、 ＰＥ…保護素子、 ＰＥＲ…保護素子領域、 ＴＲＲ…トランジスタ領域

Claims (6)

  1. 第１導電形の第１半導体層を含む半導体部と、
    前記半導体部上に設けられた第１電極と、
    前記半導体部上に第１絶縁膜を介して設けられ、上方から見て前記第１電極に囲まれた位置に、前記第１電極から離間して設けられた第２電極と、
    前記半導体部上に設けられ、上方から見て前記第２電極に囲まれた位置に、前記第２電極から離間して設けられた第３電極と、
    前記半導体部と前記第１電極との間に設けられ、第２絶縁膜を介して前記半導体部から電気的に絶縁され、第３絶縁膜を介して前記第１電極から電気的に絶縁された制御電極と、
    を備え、
    前記半導体部は、第２導電形の第２半導体層と、第１導電形の第３半導体層と、第２導電形の第４半導体層と、第１導電形の第５半導体層と、第１導電形の第６半導体層と、をさらに含み、
    前記第２半導体層は、前記第１半導体層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、
    前記第３半導体層は、前記第２半導体層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、前記第１電極に電気的に接続され、
    前記第４半導体層は、前記第１半導体層と前記第２電極との間、および、前記第１半導体層と前記第３電極との間に設けられた主部と、前記第１半導体層と前記第１電極との間に設けられた外縁部と、を有し、
    前記第５半導体層は、前記第４半導体層中に選択的に設けられ、前記第４半導体層の前記外縁部と前記第１電極との間に位置し、前記第１電極に電気的に接続された部分を有し、
    前記第６半導体層は、前記第４半導体層中の前記第５半導体層から離れた位置に設けられ、前記第４半導体層の前記主部と前記第３電極との間に位置し、前記第３電極に電気的に接続された部分を有し、
    前記制御電極は、前記第２絶縁膜を介して前記第１半導体層、前記第２半導体層および前記第３半導体層に向き合う位置に配置された半導体装置。
  2. 前記第３電極は、前記第１絶縁膜中に延在し、前記第６半導体層に電気的に接続された部分を有する請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記第３電極は、上方から見て前記第２電極の中央に位置する請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 前記第３電極を含む複数の第３電極をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
  5. 前記第２電極および前記第３電極に電気的に接続された導体をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
  6. 前記導体は、ボンディングワイヤもしくはコネクタである請求項５記載の半導体装置。
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