JP2021048417A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置1の模式的な平面図である。
半導体装置1は、平面視四角形状の本発明の半導体層の一例としての半導体基板2を含む。半導体基板2は、平面視において四辺3A,3B,3C,3Dを有している。
半導体基板2上には、複数の表面電極膜4が互いに分離して形成されている。複数の表面電極膜4は、ソース側表面電極5、センス側表面電極6およびゲート側表面電極7を含む。ソース側表面電極5が、半導体基板2上の領域の大部分に形成され(図1のハッチング領域および後述するソース側パッド14A,14B,14Bの領域)、そのソース側表面電極5の一部が除去された領域8,9が、センス側表面電極6およびゲート側表面電極7の形成領域である。当該除去領域8,9は、いずれも、ソース側表面電極5で囲まれて形成されている。
ゲート側表面電極7は、ゲート側パッド16から延びるゲートフィンガー19をさらに含む。ゲートフィンガー19は、パッシベーション膜10で覆われている。ゲートフィンガー19は、半導体基板2の一辺3Cからその対辺3Aに向かう方向にソース側表面電極5の中央を貫くように延びる中央部20と、半導体基板2の周縁(図1では、辺3B,3C,3D)に沿って延び、ソース側表面電極5を取り囲む周辺部21とを含む。
なお、ソース側パッド14A,14B、センス側パッド15およびゲート側パッド16と外部とを接続する配線材としては、ボンディングワイヤである必要はなく、たとえば、ボンディングプレートやボンディングリボン等の他の配線材であってもよい。
図2に示すように、センス側表面電極6は平面視長方形状に形成されているが、外観上は、一部(図2では、一つの角部)がパッシベーション膜10で覆われた状態で平面視略長方形状のセンス側パッド15として露出している。センス側パッド15の長辺の長さL1および短辺の長さL2は、それぞれ、1.2mm以下および0.6mm以下であることが好ましい。これにより、センス側パッド15のサイズを0.72mm2以下に留めることができるので、センス側単位セル40(後述)のオン抵抗の増加を抑制することができる。また、短辺の長さL2に対して長辺の長さL1を2倍程度にして細長いセンス側パッド15とすることによって、ウェッジボンディングによってボンディングワイヤ(センス側ワイヤ23)を接合し易くすることができる。
一方、センス側表面電極6の周囲には、多数の主電流側単位セル34(後述)の集合体としてのソース部27が形成されている。ソース部27は、ソース側表面電極5の直下部に形成され、平面視においてセンス側表面電極6を取り囲むように形成されている。なお、図示はしないが、ソース部27は、図1に示すソース側表面電極5の全体に亘ってその直下部に形成されていてもよい。
図3および図5に示すように、セル形成部35は、行列状に多数配列されており、これによりソース部27が構成されている。
主電流側p−型ボディウェル31は、行列状のセル形成部35によって区画された格子領域の交差部に形成された接続部37をさらに含む。この接続部37は、ソース部27の内部において隣り合うセル形成部35同士を接続する。
セル形成部35の内方領域にはn+型ソース領域38が形成されており、このn+型ソース領域38(たとえば、濃度は1×1017cm−3〜1×1021cm−3)の内方領域にp+型ボディコンタクト領域39(たとえば、濃度は1×1017cm−3〜1×1021cm−3)が形成されている。
図3に示すように、セル形成部41は、センス側パッド15の直下部を避けた位置に行列状に多数配列されており、これにより電流センス部26が構成されている。セル形成部41は、主電流側のセル形成部35と同じセル構造(サイズおよびピッチ)を有している。
センス側p−型ボディウェル32は、行列状のセル形成部41によって区画された格子領域の交差部に形成された接続部43をさらに含む。この接続部43は、電流センス部26の内部において隣り合うセル形成部41同士を接続する。
セル形成部41の内方領域にはn+型ソース領域44(たとえば、濃度は1×1017cm−3〜1×1021cm−3)が形成されており、このn+型ソース領域44の内方領域にp+型ボディコンタクト領域45(たとえば、濃度は1×1017cm−3〜1×1021cm−3)が形成されている。
半導体基板2上には、ゲート絶縁膜48が形成されており、このゲート絶縁膜48上にゲート電極49が形成されている。ゲート絶縁膜48は、たとえば酸化シリコン(SiO2)からなり、ゲート電極49は、たとえばポリシリコンからなる。
表面電極膜4上には、パッシベーション膜10が形成されている。パッシベーション膜10は、たとえば、窒化シリコン(SiN)からなっていてもよい。パッシベーション膜10には、前述したようにパッド開口11〜13が形成されている。
次に、図9を参照して一例として半導体装置1における電流検出の方法を説明する。図9は、半導体装置1における電流検出を説明するための回路図である。
主電流IMAINが短絡電流になっているか否かは、検出抵抗59の電圧VSENSEが一定の閾値を超えたか否かを監視することによって判別される。検出抵抗59の抵抗RSENSEが一定であることから、電圧VSENSEは検出電流ISENSEの増加に伴って増加する。したがって、電圧VSENSEが閾値を超えるということは、過剰な検出電流ISENSEが流れていることを意味し、延いては、電流センス部26とソース部27との間のセンス比に基づいて算出される主電流の電流値IMAINも過剰になっていることを表している。
しかしながら、図1に示すように、ソース側パッド14A,14Bは比較的大きく当該パッド14A,14Bに対するソース側ワイヤ22の占有面積が小さい一方、センス型パッド15は比較的小さいため、当該パッド15に対するセンス側ワイヤ23の占有面積が大きくなる。これにより、ワイヤ22,23を介する熱の逃げ量に差が生じるため、ソース部27と電流センス部26との間のオン抵抗に生じる誤差が大きくなる可能性がある。その結果、実際には主電流IMAINが短絡電流となっていないのに、電流検出側に過剰な検出電流ISENSEが流れる場合がある。この場合、短絡検出は、あくまでも電流検出側の検出抵抗59の電圧VSENSEに基づいているので、必要がなくとも短絡と判別し、ゲート電圧が遮断されるおそれがある。
また、この実施形態では、図2に示すように、電流センス部26の全体がパッシベーション膜10の被覆領域25で覆われており、半導体装置1の外側から見て電流センス部26の直上部とセンス側パッド15とが明確に区別されている。そのため、センス側ワイヤ23を誤って電流センス部26の直上部に接合することを防止することができる。電流センス部26とセンス側ワイヤ23との間に一定の距離を確実に保つことができる。
たとえば、まず、エピタキシャル成長によって、n+型ベース基板28上にn−型エピタキシャル層29が形成されて半導体基板2が形成される(ステップS1)。
次に、半導体基板2の表面部に、p型不純物イオンが選択的に注入されることによって、p−型ウェル30が形成される(ステップS2)。
次に、p−型ウェル30に、p型不純物イオンが選択的に注入されることによって、p+型ボディコンタクト領域39,45およびp+型領域46,47が形成される(ステップS4)。
次に、たとえばCVD法によって、半導体基板2上にポリシリコンが堆積され、パターニングすることによって、ゲート電極49が形成される(ステップS6)。
次に、たとえばCVD法によって、半導体基板2上に層間絶縁膜54が形成される(ステップS7)。
次に、表面電極膜4を覆うパッシベーション膜10が形成され、その後、パターニングによって、パッド開口11,12,13が形成される(ステップS10,S11)。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は他の形態で実施することもできる。
たとえば、半導体装置1のゲート構造は、図4に示したプレーナゲート構造に限らず、図11に示すようなトレンチゲート構造であってもよい。トレンチゲート構造では、半導体基板2にゲートトレンチ60が形成され、その内部にゲート電極49が埋め込まれている。この場合、ゲート電極49が半導体基板2上に凸になっていないので、層間絶縁膜54の第1部分55および第2部分56は、互いに同じ厚さであってもよい。
前述の実施形態からは、以下の課題および発明を抽出することも可能である。
たとえば、従来において、電流センス部は、一般的には、主電流が流れるソース部よりも小面積で形成されている。電流センス部とソース部との面積比は、主電流を検出する際のセンス比を定義する。そして、主電流の電流値は、電流センス部に実際に流れた電流値に当該センス比を乗じることによって算出される。
たとえば、ソース部のパッドは比較的大きく当該パッドに対するボンディングワイヤの占有面積が小さい一方、電流センス部のパッドは比較的小さいため、当該パッドに対するボンディングワイヤの占有面積が大きくなる。これにより、ボンディングワイヤを介する熱の逃げ量に差が生じるため、ソース部と電流センス部との間のオン抵抗に生じる誤差が大きくなる可能性がある。このオン抵抗の誤差は、主電流の電流値の検出精度に影響を与えるものである。
本開示から抽出される半導体装置は、SiCからなる半導体層と、前記半導体層に形成され、主電流側の第1単位セルを含むソース部と、前記半導体層に形成され、電流検出側の第2単位セルを含む電流センス部と、前記ソース部の上方に配置されたソース側表面電極と、前記電流センス部の上方を少なくとも一部に含むように配置されたセンス側表面電極とを含み、前記第2単位セルは、前記センス側表面電極の下方で、かつ配線材の接合部分の直下部を避けた位置に配置されている。
この構成によれば、配線材をセンス側表面電極に接合する際に第2単位セルに伝わる衝撃を軽減することができる。その結果、主電流の電流値の検出精度の信頼性を確保することができる。
この構成によれば、電流センス部の発熱量をソース部に近づけることができるので、発熱量の違いによって発生するオン抵抗の誤差を小さくすることができる。
前記半導体装置は、前記センス側表面電極の前記第2単位セルの直上部を選択的に覆い、前記センス側表面電極の一部をセンス側パッドとして露出させる開口を有するパッシベーション膜を含んでいてもよい。
前記半導体装置では、前記第1単位セルおよび前記第2単位セルは、互いに同じセル構造を有していてもよい。
前記半導体装置では、前記電流センス部は、前記半導体層の面内方向において一カ所のみに形成されていてもよい。
この構成によれば、半導体層の表面部の省スペース化を図ることができる。
この構成によれば、層間絶縁膜に十分な耐衝撃性(たとえば、ワイヤボンディング耐性)を与えることができる。
前記半導体装置は、前記半導体層上に配置され、配線材が接合されるゲート側接合領域を有するゲート側表面電極を含み、前記層間絶縁膜は、前記ゲート側接合領域の直下部にも配置されていてもよい。
前記半導体装置では、前記層間絶縁膜は、SiO2膜を含んでいてもよく、前記SiO2膜は、P(リン)またはB(ホウ素)を含有していてもよい。
SiO2膜は作製が容易で、また、当該SiO2膜がP(リン)またはB(ホウ素)を含有していれば、成膜後にリフローすることもできる。リフローによって層間絶縁膜(SiO2膜)を容易に平坦化できるので、電流センス部の放熱性に影響を与え得る配線材を設計通りに接合し易くすることができる。
この構成によれば、センス側表面電極の最表面をAlCuにすることによって、当該電極に十分な耐衝撃性(たとえば、ワイヤボンディング耐性)を与えることができる。
前記半導体装置は、前記半導体層上に配置されたゲート側表面電極と、前記センス側表面電極の一部をセンス側パッドとして露出させる開口および前記ゲート側表面電極の一部をゲート側パッドとして露出させる開口を有するパッシベーション膜とを含み、前記センス側パッドおよび前記ゲート側パッドは、互いに同じ方向に長手な形状に形成されていてもよい。
本出願は、2015年12月18日に日本国特許庁に提出された特願2015−247727号に対応しており、この出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。
2 半導体基板
4 表面電極膜
5 ソース側表面電極
6 センス側表面電極
7 ゲート側表面電極
10 パッシベーション膜
12 パッド開口
15 センス側パッド
23 センス側ワイヤ
26 電流センス部
27 ソース部
34 主電流側単位セル
40 センス側単位セル
54 層間絶縁膜
55 第1部分
56 第2部分
57 第3部分
61 接合領域
Claims (22)
- 表面および裏面を有する半導体層と、
前記半導体層の前記表面側に形成され、主電流側の第1単位セルを複数含む第1素子部と、
前記半導体層の前記表面側に形成され、電流検出側の第2単位セルを含む電流センス部と、
前記第1素子部の上方に配置された第1素子側表面電極と、
前記電流センス部の上方を少なくとも一部に含むように配置されたセンス側表面電極と、
前記第1素子側表面電極に接合された第1素子側ワイヤと、
前記センス側表面電極に接合され、前記第1素子側ワイヤよりも細いセンス側ワイヤとを含み、
前記第2単位セルは、前記センス側表面電極の下方で、かつ前記センス側ワイヤの接合部分の直下部を避けた位置に配置されている、半導体装置。 - 前記電流センス部と前記センス側表面電極との間に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜よりも下方に形成された前記半導体層の表面絶縁膜とを含み、
前記層間絶縁膜は、前記表面絶縁膜よりも厚く形成されている、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記電流センス部は、前記第1素子部に囲まれた領域に形成されている、請求項1または2に記載の半導体装置。
- 前記センス側表面電極の前記第2単位セルの直上部を覆い、前記センス側表面電極の一部をセンス側パッドとして露出させる開口を有するパッシベーション膜を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1単位セルおよび前記第2単位セルは、互いに同じセル構造を有している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記電流センス部は、前記半導体層の面内において一カ所のみに形成されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記層間絶縁膜は、1μm以上の厚さを有している、請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第1素子部および前記電流センス部は、制御端子を有するスイッチング素子であり、
前記半導体層上に配置され、配線材が接合される制御端子側接合領域を有する制御端子側表面電極を含み、
前記層間絶縁膜は、前記制御端子側接合領域の直下部にも配置されている、請求項2または7に記載の半導体装置。 - 前記層間絶縁膜は、SiO2膜を含む、請求項2、7または8に記載の半導体装置。
- 前記SiO2膜は、P(リン)を含有している、請求項9に記載の半導体装置。
- 前記SiO2膜は、B(ホウ素)を含有している、請求項9に記載の半導体装置。
- 前記センス側表面電極は、下側からTi、TiNおよびAlCuの順に積層した積層構造からなる電極を含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記第1素子部および前記電流センス部は、制御端子を有するスイッチング素子であり、前記半導体層上に配置された制御端子側表面電極と、
前記センス側表面電極の一部をセンス側パッドとして露出させる開口および前記制御端子側表面電極の一部を制御端子側パッドとして露出させる開口を有するパッシベーション膜とを含み、
前記センス側パッドおよび前記制御端子側パッドは、互いに同じ方向に長手な形状に形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記センス側パッドは、1.2mm以下の長辺と、0.6mm以下の短辺とを有する平面視略長方形状に形成されている、請求項4または13に記載の半導体装置。
- 前記センス側表面電極は、平面視長方形状に形成され、その一つの角部が前記パッシベーション膜で覆われた被覆領域であり、
前記被覆領域の直下部に、前記電流センス部が形成されている、請求項4に記載の半導体装置。 - 前記センス側ワイヤは、100μm〜200μmの径を有している、請求項1〜15のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 表面および裏面を有する半導体層と、
前記表面側に形成され、主電流側の第1単位セルを含む第1素子部と、
前記表面側に形成され、電流検出側の第2単位セルを含む電流センス部と、
前記第1素子部の上方に配置された第1素子側表面電極と、
前記電流センス部の上方を少なくとも一部に含むように配置されたセンス側表面電極と、
前記センス側表面電極に対向するように前記半導体層の表面部に形成された第1導電型のセンス側ボディウェルであって、前記第2単位セルを構成するセル形成部と、前記セル形成部を除く領域を構成するフィールド形成部とを含むセンス側ボディウェルとを含み、
前記セル形成部は、前記センス側表面電極の下方で、かつ配線材の接合部分の直下部を避けた位置に配置されており、
前記フィールド形成部は、前記センス側表面電極の下方で、かつ前記配線材の接合部分の直下部に配置されている、半導体装置。 - 前記センス側ボディウェルにおいて、前記セル形成部に選択的に、第2導電型領域が形成されている、請求項17に記載の半導体装置。
- 前記センス側ボディウェルにおいて、前記フィールド形成部に選択的に、前記センス側ボディウェルよりも高い不純物濃度を有する第1導電型の不純物領域が形成されている、請求項18に記載の半導体装置。
- 前記不純物領域は、前記センス側表面電極に接続されている、請求項19に記載の半導体装置。
- 前記第1素子部および前記電流センス部は、前記制御端子としてゲート電極を有するスイッチング素子である、請求項8に記載の半導体装置。
- 前記半導体層は、SiC層からなる、請求項1〜21に記載の半導体装置。
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C60 | Trial request (containing other claim documents, opposition documents) |
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A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
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C21 | Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings |
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A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
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C211 | Notice of termination of reconsideration by examiners before appeal proceedings |
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C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
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C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
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C23 | Notice of termination of proceedings |
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C30A | Notification sent |
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