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公開番号2020205298
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201224
出願番号2019110944
出願日20190614
発明の名称半導体装置
出願人日立オートモティブシステムズ株式会社
代理人特許業務法人サンネクスト国際特許事務所
主分類H01L 29/78 20060101AFI20201127BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】副セル用のボンディングバッド配線層の面積分だけ、主電流セルの面積が小さくなる課題があった。
【解決手段】電流検知セル22のソース電極9bは、層間絶縁膜10上に形成されたボンディングパッド配線層12と配線層コンタクト11を通じて電気的に接続されている。また、ボンディングパッド配線層12は、主電流セル21のソース電極9aに対して層間絶縁膜10を介してソース電極9aの一部を覆って形成されている。これにより、ソース電極9bを小型化でき、ソース電極9bのサイズを電流検知セル22のサイズと略等しくできる。この結果、電流検知セル22と主電流セル21を近接して配置することができる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
第1主表面及び第2主表面を有する半導体基板と、
前記半導体基板に形成され、前記第1主表面に形成された第1電極と、前記第2主表面に形成された第2電極を含む主電流セルと、
前記第1主表面に形成され、前記半導体基板に対して前記第1電極と同じ高さの位置に形成された第3電極を含む副セルと、
前記第3電極に接続され、前記第1電極に対して層間絶縁膜を介して前記第1電極の一部を覆って形成される第1ボンディングパッド配線層と、
前記第1ボンディングパッド配線層に接続される第1ボンディングパッド部とを備える半導体装置。
続きを表示(約 740 文字)【請求項2】
請求項1に記載の半導体装置において、
前記副セルは、前記主電流セルから出力される電流量に対応する電流量を検知する電流検知セルである半導体装置。
【請求項3】
請求項1に記載の半導体装置において、
前記副セルは、前記主電流セルから出力される電流量を制御するゲートセルである半導体装置。
【請求項4】
請求項2または請求項3に記載の半導体装置において、
前記副セルの前記半導体基板に対する平面サイズは、前記第1ボンディングパッド部の前記第1ボンディングパッド配線層に対する平面サイズより小さい半導体装置。
【請求項5】
請求項2に記載の半導体装置において、
前記電流検知セルは、前記主電流セルに四方を囲われている半導体装置。
【請求項6】
請求項2に記載の半導体装置において、
前記電流検知セルは、前記電流検知セルに接続された前記第1ボンディングパッド部よりも、前記半導体基板の中央部により近くに配置される半導体装置。
【請求項7】
請求項2に記載の半導体装置において、
前記主電流セルと前記電流検知セルに電流が流れた時の、前記主電流セルの平均温度と前記電流検知セルの温度が略等しくなるように、前記電流検知セルが配置される半導体装置。
【請求項8】
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1電極上の一部に第2ボンディングパッド配線層が形成され、前記第1電極と前記第2ボンディングパッド配線層は電気的に接続され、前記第2ボンディングパッド配線層には第2ボンディングパッド部が接続される半導体装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置に関する。
続きを表示(約 6,200 文字)【背景技術】
【0002】
半導体装置において、主電流セルと、副セル(例えば、電流検知セル)とを同一基板に配置した構造が知られている。特許文献1には、主電流セルと電流検知セルを同一基板に配置したMOSFET型の半導体装置であって、電流検知セルの上部には、電流検知セルに接続される電流検知用ボンディングパッド配線層が形成され、電流検知用ボンディングパッド配線層が形成されている領域を除いた領域に、主電流セルに接続されるソースパッド配線層が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
国際公開WO2011/161721号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に記載の技術では、副セル用のボンディングバッド配線層の面積分だけ、主電流セルの面積が小さくなる課題があった。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明による半導体装置は、第1主表面及び第2主表面を有する半導体基板と、前記半導体基板に形成され、前記第1主表面に形成された第1電極と、前記第2主表面に形成された第2電極を含む主電流セルと、前記第1主表面に形成され、前記半導体基板に対して前記第1電極と同じ高さの位置に形成された第3電極を含む副セルと、前記第3電極に接続され、前記第1電極に対して層間絶縁膜を介して前記第1電極の一部を覆って形成される第1ボンディングパッド配線層と、前記第1ボンディングパッド配線層に接続される第1ボンディングパッド部とを備える。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、副セル用のボンディングバッド配線層の面積によらず、主電流セルの面積を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
第1の実施形態に係る半導体装置の平面図である。
第2の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
第3の実施形態に係る半導体装置の平面図である。
第3の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
電流検知セルの接合温度分布を示す図である。
第4の実施形態に係る半導体装置の平面図である。
第4の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
第4の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態では、半導体装置の一例として、電流検知素子を内蔵したn型チャネル炭化珪素MOSFETを主とした電力用半導体装置を用いて説明する。なお、各図面において同一の構成部分については同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【0009】
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態の半導体装置の断面図を、図2は平面図を示す。なお、図1は図2における破線A−A’の断面図である。
【0010】
図1に示すように、炭化珪素半導体基板(以下、半導体基板と称する)40には、n型のドリフト領域2と、ドリフト領域2よりも高い不純物濃度をもつn型のドレイン領域1とが形成され、半導体基板40の裏面には、金属層からなるドレイン電極13が形成されている。一方、ドリフト領域2上には主電流セル21と、電流検知セル22と、主電流セル21及び電流検知セル22の電流を制御するゲート制御電極14(図2参照)とが配置されている。
【0011】
図1に示すように、主電流セル21は、ドリフト領域2上の一部に形成されたPウエル領域3aと、Pウエル領域3a上の一部に形成されたソース領域4aと、ソース領域4aに隣接して半導体基板40上に形成されたゲート酸化膜5とゲート電極6と、Pウエル領域3aとソース領域4aに電気的に接続されたコンタクト8と、コンタクト8に接続されたソース電極9aで構成されている。ここで、ドレイン電極13に、ソース電極9aに対して正の電圧を加え、ソース電極9aに対して、ゲート電極6に正の電圧を加えると、主電流セル21にはドレイン電極13からソース電極9aに電流が流れる。
【0012】
また、電流検知セル22は、ドリフト領域2上の一部に形成されたPウエル領域3bと、Pウエル領域3b上の一部に形成されたソース領域4bと、ソース領域4bに隣接して半導体基板40上に形成されたゲート酸化膜5とゲート電極6と、Pウエル領域3bとソース領域4bに電気的に接続されたコンタクト8と、コンタクト8に接続されたソース電極9bで構成されている。
【0013】
電流検知セル22のソース電極9bは、層間絶縁膜10上に形成されたボンディングパッド配線層12と配線層コンタクト11を通じて電気的に接続されている。また、ボンディングパッド配線層12は、主電流セル21のソース電極9aに対して層間絶縁膜10を介してソース電極9aの一部を覆って形成されている。
【0014】
電流検知セル22に接続されたボンディングパッド配線層12上には、電気的に接続されたボンディングパッド部32が形成されている。このため、電流検知セルには、ゲート電極6に電圧を加えた時に、ドレイン電極13からソース電極9bを通じて、ボンディングパッド部32に検知電流が流れる。ボンディングパッド部32にはボンディングワイヤが一体的に設けられている。
【0015】
また、主電流セル21に接続されたソース電極9a上の層間絶縁膜10の一部が開孔され、ソース電極9aの一部上にボンディングパッド部31が形成されている。このため、主電流セルには、ドレイン電極13からソース電極9aを通じて、ボンディングパッド部31に主電流が流れる。ボンディングパッド部31にはボンディングワイヤが一体的に設けられている。
【0016】
ここで、図示省略したが、主電流セル21のゲート電極6と電流検知セル22のゲート電極6は、ゲート電極6を構成するポリシリコン層等で電気的に接続されて、ゲート制御電極14を介して、ゲート用のボンディングパッド部に接続されている。
【0017】
主電流セル21のソース電極9aと電流検知セル22のソース電極9bの電位を等しくした時、電流検知セル22に流れる電流は、主電流セル21に流れる電流に対して、その平面上の面積比に略等しい一定の比率の電流センス比率となる。電流センス比率は、一般に1:1000〜1:50000程度に設定されるが、例えば電流センス比率が1:10000で、主電流セルの基板平面上の面積を16mm

とした場合、電流検知セルの基板平面上の面積は1600μm

となる。この面積は、半導体装置のボンディングパッド部32の接続に必要なボンディングパッド領域の面積である400x400μm
2
と比べると、2桁小さい。このため、図2に示すように、ボンディングパッド部32が接続されるボンディングパッド配線層12の基板平面上の面積は、電流検知セル22及びソース電極9bの面積よりも大きくなる。電流検知セル22のソース電極9bと主電流セル21のソース電極9a上の一部を覆ってボンディングパッド配線層12を設けることで、ソース電極9bを小型化でき、ソース電極9bのサイズを電流検知セル22のサイズと略等しくできる。この結果、電流検知セル22と主電流セル21を近接して配置することができる。
【0018】
これにより、電流検知セル22を設けることで、主電流セル21の面積が小さくなってオン抵抗が増大することや、チップサイズ増大によるチップコストが増大することを抑えることができる。なお、従来構造と比べて、ボンディングパッド配線層12を形成することによるウエハの製造コストは増大するが、珪素半導体基板のコストは全体コストに占める割合が比較的大きい。このため、チップサイズの増大を抑えて、ウエハ1枚のチップ取得数が多くできる本構造の方が、従来構造よりもチップコストを低減することができる。
【0019】
また、電流検知セル22を主電流セル21と隣接して配置できるために、従来構造に比べて、電流検知セル22の動作時の素子温度を、主電流セル21の動作時の平均的な素子温度と近づけることができる。素子の電流量は温度に依存するために、温度差が生じると、電流検知セル22と主電流セル21の電流センス比率が変わってしまうため、本構造により、電流検知における電流精度をより高めることができる。
【0020】
さらに、電流検知セル22を主電流セル21と隣接して配置できるので、ソース電極9a、9bから離れた領域にPウエル領域3a、3bが形成されない。このため、素子がオン状態からオフ状態にスイッチングする時に、電流検知セルに変位電流が発生するのを抑えることができ、電流検知セルのノイズ電流を抑えることができる。
【0021】
[第2の実施形態]
図3は、第2の実施形態の半導体装置の断面図を示す。図3は、図2における破線A−A’の断面図である。なお、図1に示した第1の実施形態における断面図と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【0022】
第1の実施形態における図1との相違点は、主電流セル21に接続されるソース電極9a上の一部にボンディングパッド配線層15が形成されて、その上にボンディングパッド部31が形成されている点にある。ソース電極9a、9bはアルミで形成されて、ボンディングパッド配線層15はボンディングパッド配線層12と同様にメッキ法で形成された銅やニッケル等の金属で形成されている。従来構造であるアルミ金属で形成されたソース電極9a、9b上にアルミ金属ボンディングパッド部を形成する場合と比べて、ボンディングパッド配線層の材料を銅などのボンディングパッド部に対して最適に選択することができ、ボンディングパッド部の信頼性をより高めることができる。
【0023】
[第3の実施形態]
図4は、第3の実施形態の半導体装置の平面図を、図5は断面図を示す。なお、図5は図4における破線B−B’の断面図である。なお、図1、図2に示した第1の実施形態における断面図、平面図と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【0024】
第1の実施形態と相違する点は、図4に示すように電流検知セル22はボンディングパッド配線層12下になく、よりチップ中心に近い位置に配置されている点にある。また、図5に示すように電流検知セル22とボンディングパッド配線層12は、ソース電極9bと引き回し配線層16を介して接続されている。なお、引き回し配線層16上に絶縁膜17を形成することにより、主電流セル21のソース電極9aに接続されるワイヤボンディングが近接配置された場合の電気的ショートを防いでいる。
【0025】
本実施形態によれば、第1の実施形態と比べて、電流検知セルのチップ内の配置位置をボンディング配線の配置位置に制約されることなく、自由に配置することができる。
【0026】
図6は、電流検知セルの接合温度分布を示す図であり、図2の破線α―α’、図4の破線β―β’における主電流セル21及び電流検知セル22の接合温度の分布を示す。横軸は半導体装置上の距離を、縦軸は素子動作時の接合温度を表す。
【0027】
主電流セル21及び電流検知セル22の動作時の単位面積あたりの電力密度が均一な場合、主電流セル21の接合温度は、図6に示すように、二次関数で近似でき、チップ中心位置で最大となり、周辺部で最低となる。図6の位置Aは、第1の実施形態の図2に示す位置に電流検知セル22が位置している場合を示す。図6の位置Bは、第3の実施形態の図4に示す位置に電流検知セル22が位置している場合を示す。図4に示す位置に、すなわち、主電流セル21と電流検知セル22に電流が流れた時の、主電流セル21の平均温度と電流検知セル22の温度が略等しくなるように、電流検知セル22が配置される。これにより、第1の実施形態と比べて、電流検知セル22の動作時の素子温度を、主電流セル21の動作時の平均的な素子温度とより近づけることができ、電流検知における電流精度をさらに高めることができる。このように、ボンディングパッド配線層12は、主電流セル21の端部に配置し、引き回し配線層16を介して電流検知セル22を主電流セル21の任意の最適な位置に配置することができる。
【0028】
また、電流検知セル22をチップの最大温度となる、主電流セル21の中心部に配置することもできる。これにより、電流検知セル22のオン抵抗や、電流検知セル22の寄生ダイオードの順方向電圧を検出することで、高精度にチップの最高温度の検知が可能となる。
【0029】
[第4の実施形態]
図7は、第4の実施形態の半導体装置の平面図を、図8は、図7における破線C−C’の断面図を、図9は、図7における破線D−D’の断面図を示す。なお、図1、図2に示した第1の実施形態における断面図、平面図と同一の個所には同一の符号を付してその説明を省略する。
【0030】
第1の実施形態では、図2に示すように、ゲート制御電極14はボンディングパッド領域となっていて、ゲート制御電極14上にボンディングパッド部が接続される。これに対して、本実施形態では、図7、8、9に示すように、ゲート制御電極14は、ゲート制御電極14上の層間絶縁膜10上に形成されたボンディングパッド配線層19と配線層コンタクト18を介して接続されている。図8は、主電流セルのゲートに接続されるゲート電極6の配線層を、図9は、コンタクト8とソース領域4aの配線層を示す。ゲート制御電極14の平面上の面積はボンディングパッド配線層19の面積と比べて小さく、ゲートセル23に接続されるボンディングパッド配線層19の一部下には、主電流セル21と主電流セルのソース電極9aが配置されている。換言すると、ボンディングパッド配線層19は、ゲート制御電極14に接続され、ソース電極9aに対して層間絶縁膜10を介してソース電極9aの一部を覆って形成される。ゲートセル23は主電流セル21から出力される電流量を制御する。なお、ゲート制御電極14は主電流セル21と電流検知セル22のゲート電極6にゲート電極6を構成するポリシリコン層で接続している点は、他の実施形態と同じである。
(【0031】以降は省略されています)

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