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JP2017079324A - Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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JP2017079324A JP2016111758A JP2016111758A JP2017079324A JP 2017079324 A JP2017079324 A JP 2017079324A JP 2016111758 A JP2016111758 A JP 2016111758A JP 2016111758 A JP2016111758 A JP 2016111758A JP 2017079324 A JP2017079324 A JP 2017079324A
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昭治 山田
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Description

この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

従来、高電圧や大電流を制御するパワー半導体装置の構成材料として、シリコン(Si)が用いられている。パワー半導体装置は、バイポーラトランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)など複数種類あり、これらは用途に合わせて使い分けられている。   Conventionally, silicon (Si) has been used as a constituent material of power semiconductor devices that control high voltage and large current. There are multiple types of power semiconductor devices such as bipolar transistors, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), and these are used according to the application. It has been.

例えば、バイポーラトランジスタやIGBTは、MOSFETに比べて電流密度は高く大電流化が可能であるが、高速にスイッチングさせることができない。具体的には、バイポーラトランジスタは数kHz程度のスイッチング周波数での使用が限界であり、IGBTは数十kHz程度のスイッチング周波数での使用が限界である。一方、パワーMOSFETは、バイポーラトランジスタやIGBTに比べて電流密度が低く大電流化が難しいが、数MHz程度までの高速スイッチング動作が可能である。   For example, a bipolar transistor or IGBT has a higher current density than a MOSFET and can increase the current, but cannot be switched at high speed. Specifically, the bipolar transistor is limited in use at a switching frequency of about several kHz, and the IGBT is limited in use at a switching frequency of about several tens of kHz. On the other hand, a power MOSFET has a lower current density than a bipolar transistor or IGBT and is difficult to increase in current, but can perform a high-speed switching operation up to several MHz.

市場では大電流と高速性とを兼ね備えたパワー半導体装置への要求が強く、IGBTやパワーMOSFETはその改良に力が注がれ、現在ではほぼ材料限界に近いところまで開発が進んでいる。このため、パワー半導体装置の観点からシリコンに代わる半導体材料が検討されており、低オン電圧、高速特性、高温特性に優れた次世代のパワー半導体装置を作製(製造)可能な半導体材料として炭化珪素(SiC)が注目を集めている(例えば、下記非特許文献1参照。)。   In the market, there is a strong demand for power semiconductor devices having both high current and high speed, and IGBTs and power MOSFETs have been focused on improving them, and are currently being developed to almost the material limit. For this reason, a semiconductor material that replaces silicon has been studied from the viewpoint of a power semiconductor device, and silicon carbide as a semiconductor material capable of producing (manufacturing) a next-generation power semiconductor device excellent in low on-voltage, high-speed characteristics, and high-temperature characteristics. (SiC) is attracting attention (for example, see Non-Patent Document 1 below).

炭化珪素は、化学的に非常に安定した半導体材料であり、バンドギャップが3eVと広く、高温でも半導体として極めて安定的に使用することができる。また、炭化珪素は、最大電界強度もシリコンより1桁以上大きいため、オン抵抗を十分に小さくすることができる半導体材料として期待される。このような炭化珪素の特長は、例えば窒化ガリウム(GaN)などシリコンよりもバンドギャップの広い他の半導体(以下、ワイドバンドギャップ半導体とする)にも同様にあてはまる。このため、ワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、半導体装置の高耐圧化が可能となる(例えば、下記非特許文献2参照。)。   Silicon carbide is a chemically stable semiconductor material, has a wide band gap of 3 eV, and can be used extremely stably as a semiconductor even at high temperatures. Silicon carbide is also expected as a semiconductor material that can sufficiently reduce the on-resistance because the maximum electric field strength is one digit or more larger than that of silicon. Such a feature of silicon carbide similarly applies to other semiconductors having a wider band gap than silicon (hereinafter referred to as a wide band gap semiconductor) such as gallium nitride (GaN). For this reason, by using a wide band gap semiconductor, it is possible to increase the breakdown voltage of the semiconductor device (see, for example, Non-Patent Document 2 below).

このような炭化珪素を用いた高耐圧半導体装置では、高耐圧半導体装置で発生する損失が少なくなった分、例えばインバータで用いる際、シリコンを用いた従来の半導体装置よりも1桁高いキャリア周波数で適用される。高耐圧半導体装置を高いキャリア周波数で適用する場合、高耐圧半導体装置を構成する半導体チップの発熱温度が高くなり、デバイスの信頼性に悪影響を及ぼす。特に、半導体チップのおもて面に設けられたおもて面電極には、ボンディング装置(ボンダー)によりボンディングワイヤが接合されており、高温度での適用によりおもて面電極とボンディングワイヤとの密着性が低下し、半導体装置の信頼性に悪影響が及ぶ。   In such a high breakdown voltage semiconductor device using silicon carbide, since the loss generated in the high breakdown voltage semiconductor device is reduced, for example, when used in an inverter, the carrier frequency is one digit higher than that of a conventional semiconductor device using silicon. Applied. When a high voltage semiconductor device is applied at a high carrier frequency, the heat generation temperature of a semiconductor chip constituting the high voltage semiconductor device is increased, which adversely affects device reliability. In particular, a bonding wire (bonder) is bonded to the front surface electrode provided on the front surface of the semiconductor chip by a bonding device (bonder). As a result, the reliability of the semiconductor device is adversely affected.

別の配線構造として、ボンディングワイヤに代えて、おもて面電極の電位を外部に取り出す外部接続用端子となる平板状の配線部材をおもて面電極に接合した構造が提案されている(例えば、下記特許文献1(第0032〜0034段落)参照。)。下記特許文献1では、配線部材自体がもつ熱容量をボンディングワイヤ自体がもつ熱容量よりも大きくし、かつ半導体チップとの接触面積を大きくすることで、放熱効率を向上させている。   As another wiring structure, a structure in which a flat wiring member serving as an external connection terminal for taking out the potential of the front surface electrode to the outside instead of the bonding wire is bonded to the front surface electrode has been proposed ( For example, see the following Patent Document 1 (paragraphs 0032 to 0034). In Patent Document 1 below, the heat dissipation efficiency is improved by making the heat capacity of the wiring member itself larger than the heat capacity of the bonding wire itself and increasing the contact area with the semiconductor chip.

また、別の配線構造として、外部接続用端子となるピン状の配線部材(以下、端子ピンとする)をチップおもて面に対して略垂直に立てた状態でおもて面電極に接合した構造が提案されている。端子ピンを用いた配線構造を備えた従来の半導体装置の構造について、炭化珪素を用いて作製されたスイッチングデバイスであるプレーナゲート構造のnチャネル型MOSFETを例に説明する。図10は、従来の半導体装置の構造を示す断面図である。図10に示す従来の半導体装置は、炭化珪素からなる半導体基体(以下、炭化珪素基体(半導体チップ)とする)200のおもて面(p型炭化珪素層104側の面)側に、メイン半導体素子210の一般的なMOSゲート(金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート)構造を備える。   As another wiring structure, a pin-shaped wiring member (hereinafter referred to as a terminal pin) serving as an external connection terminal is joined to the front surface electrode in a state of being substantially perpendicular to the chip front surface. A structure has been proposed. A structure of a conventional semiconductor device having a wiring structure using terminal pins will be described by taking an n-channel MOSFET having a planar gate structure, which is a switching device manufactured using silicon carbide, as an example. FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional semiconductor device. The conventional semiconductor device shown in FIG. 10 has a main surface (surface on the p-type silicon carbide layer 104 side) side of a semiconductor substrate (hereinafter referred to as a silicon carbide substrate (semiconductor chip)) 200 made of silicon carbide. The semiconductor element 210 has a general MOS gate (metal-oxide film-insulated gate made of semiconductor) structure.

炭化珪素基体200は、炭化珪素からなるn+型支持基板(以下、n+型炭化珪素基板とする)201のおもて面上に、炭化珪素からなるn-型半導体層(以下、n-型炭化珪素層とする)202と、炭化珪素からなるp型半導体層(以下、p型炭化珪素層とする)204と、を順に積層してなる。炭化珪素基体200のおもて面には、互いに離してソース電極(ソースパッド)212およびゲートパッド(不図示)が設けられている。ソース電極212は、n+型ソース領域205およびp+型コンタクト領域206に接し、層間絶縁膜211によりゲート電極209と電気的に絶縁されている。ゲートパッドは、図示省略する部分でゲート電極209に電気的に接続されている。 The silicon carbide substrate 200 has an n type semiconductor layer (hereinafter referred to as n ) made of silicon carbide on the front surface of an n + type support substrate (hereinafter referred to as n + type silicon carbide substrate) 201 made of silicon carbide. Type silicon carbide layer) 202 and a p-type semiconductor layer (hereinafter referred to as p-type silicon carbide layer) 204 made of silicon carbide. A source electrode (source pad) 212 and a gate pad (not shown) are provided apart from each other on the front surface of the silicon carbide substrate 200. Source electrode 212 is in contact with n + -type source region 205 and p + -type contact region 206 and is electrically insulated from gate electrode 209 by interlayer insulating film 211. The gate pad is electrically connected to the gate electrode 209 at a portion not shown.

ソース電極212上およびゲートパッド上には、それぞれ、めっき膜213およびはんだ層214を介して異なる端子ピン215が接合されている。ソース電極212およびゲートパッドの表面のめっき膜213以外の部分は、第1保護膜216で覆われている。第2保護膜217は、めっき膜213と第1保護膜216との境界を覆う。ドレイン電極218は、炭化珪素基体200の裏面(n+型炭化珪素基板201の裏面)に接する。符号203,204aはp型ベース領域である。p型ベース領域204aは、p型炭化珪素層204の、n+型ソース領域205およびp+型コンタクト領域206以外の部分である。符号207,208はそれぞれn型JFET領域およびゲート絶縁膜である。 Different terminal pins 215 are joined to the source electrode 212 and the gate pad via a plating film 213 and a solder layer 214, respectively. Portions other than the plating film 213 on the surface of the source electrode 212 and the gate pad are covered with a first protective film 216. The second protective film 217 covers the boundary between the plating film 213 and the first protective film 216. Drain electrode 218 is in contact with the back surface of silicon carbide substrate 200 (the back surface of n + -type silicon carbide substrate 201). Reference numerals 203 and 204a denote p-type base regions. P type base region 204 a is a portion of p type silicon carbide layer 204 other than n + type source region 205 and p + type contact region 206. Reference numerals 207 and 208 denote an n-type JFET region and a gate insulating film, respectively.

図10に示す構成のMOSFETでは、ソース電極212に対して正の電圧がドレイン電極218に印加された状態で、ゲート電極209にしきい値電圧以下の電圧が印加されているときには、p型ベース領域204aとn型JFET領域207との間のpn接合が逆バイアスされた状態となるため、活性領域の逆方向耐圧が確保され電流は流れない。一方、ゲート電極209にしきい値電圧以上の電圧が印加されると、p型ベース領域204aの、ゲート電極209直下(ドレイン側)の部分の表面層にn型の反転層(チャネル)が形成される。それによって、n+型炭化珪素基板201、n-型炭化珪素層202、n型JFET領域207、p型ベース領域204aの表面反転層およびn+型ソース領域205の経路で電流が流れる。このように、ゲート電圧を制御することによって、周知のMOSFETのスイッチング動作を行うことができる。 In the MOSFET having the configuration shown in FIG. 10, when a positive voltage is applied to the drain electrode 218 with respect to the source electrode 212, and a voltage lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode 209, the p-type base region Since the pn junction between 204a and the n-type JFET region 207 is reverse-biased, the reverse breakdown voltage of the active region is secured and no current flows. On the other hand, when a voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 209, an n-type inversion layer (channel) is formed in the surface layer of the p-type base region 204a immediately below the gate electrode 209 (drain side). The Thereby, a current flows through the path of n + type silicon carbide substrate 201, n type silicon carbide layer 202, n type JFET region 207, surface inversion layer of p type base region 204 a and n + type source region 205. As described above, the known MOSFET switching operation can be performed by controlling the gate voltage.

特開2014−099444号公報JP 2014-099444 A

ケイ・シェナイ(K.Shenai)、外2名、オプティウム セミコンダクターズ フォー ハイパワー エレクトロニクス(Optimum Semiconductors for High−Power Electronics)、アイ・トリプル・イー トランザクションズ オン エレクトロン デバイシズ(IEEE Transactions on Electron Devices)、1989年9月、第36巻、第9号、p.1811−1823K. Shenai, two others, Optim Semiconductors for High-Power Electronics, I Triple E Transactions on Electron Devices (IEEEs TransD) September, Vol. 36, No. 9, p. 1811-1823 ビー・ジャヤン・バリガ(B.Jayant Baliga)著、シリコン カーバイド パワー デバイシズ(Silicon Carbide Power Divices)、(米国)、ワールド サイエンティフィック パブリッシング カンパニー(World Scientific Publishing Co.)、2006年3月30日、p.61By B. Jayant Baliga, Silicon Carbide Power Devices (USA), World Scientific Publishing Co. (World Science Publishing Co.), 30th March, 200 p. . 61

しかしながら、従来の半導体装置では、メイン半導体素子210のソース電極(ソースパッド)212およびゲートパッドにのみ、めっき膜213およびはんだ層214を介して端子ピン215が接合される。一方、同一の半導体チップ(炭化珪素基体200)に配置される保護回路、制御回路および演算回路など図示省略する回路部の電極パッドにはボンディングワイヤが接合される。このため、高温度条件下で、回路部の電極パッドとボンディングワイヤの密着性が低下し、半導体装置の信頼性に劣るという問題がある。   However, in the conventional semiconductor device, the terminal pin 215 is bonded only to the source electrode (source pad) 212 and the gate pad of the main semiconductor element 210 via the plating film 213 and the solder layer 214. On the other hand, bonding wires are bonded to electrode pads of circuit portions (not shown) such as a protection circuit, a control circuit, and an arithmetic circuit arranged on the same semiconductor chip (silicon carbide substrate 200). For this reason, under high temperature conditions, there is a problem that the adhesion between the electrode pad of the circuit portion and the bonding wire is lowered, and the reliability of the semiconductor device is inferior.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、高温度条件下においても信頼性の高い半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device even under a high temperature condition in order to solve the above-described problems caused by the prior art.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる同一の半導体基板に、複数の半導体素子が配置されている。前記複数の半導体素子にそれぞれ電気的に接続された複数の電極パッドは、前記半導体基板のおもて面に所定の平面レイアウトに配置されている。前記電極パッドの電位を外部に取り出す端子ピンが、すべての前記電極パッド上にそれぞれめっき膜を介して半田接合されている。   In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following characteristics. A plurality of semiconductor elements are arranged on the same semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon. The plurality of electrode pads electrically connected to the plurality of semiconductor elements are arranged in a predetermined plane layout on the front surface of the semiconductor substrate. Terminal pins for taking out the potential of the electrode pads to the outside are solder-bonded to all the electrode pads via plating films, respectively.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記複数の半導体素子を、主動作を行う第1半導体素子と、前記第1半導体素子を保護または制御する1つ以上の第2半導体素子と、で構成したことを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the plurality of semiconductor elements include a first semiconductor element that performs a main operation, and one or more second semiconductor elements that protect or control the first semiconductor element. It is characterized by comprising.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、複数の前記第2半導体素子それぞれに電気的に接続された前記電極パッドを、主電流が流れる活性領域の中央部に配置した平面レイアウトを有することを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the planar layout in which the electrode pad electrically connected to each of the plurality of second semiconductor elements is arranged in the central portion of the active region through which the main current flows is the above-described invention. It is characterized by having.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体素子は2つ以上配置されており、2つ以上の前記第2半導体素子それぞれに電気的に接続された前記電極パッドを直線状に1列に配置した平面レイアウトを有することを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, two or more second semiconductor elements are disposed, and the electrode pads electrically connected to each of the two or more second semiconductor elements are provided. It has a planar layout arranged in a line in a straight line.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体素子は2つ以上配置されており、2つ以上の前記第2半導体素子それぞれに電気的に接続された前記電極パッドを、前記第1半導体素子に電気的に接続された前記電極パッドを挟んで2箇所に分けて配置した平面レイアウトを有することを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, two or more second semiconductor elements are disposed, and the electrode pads electrically connected to each of the two or more second semiconductor elements are provided. The semiconductor device has a planar layout in which the electrode pad electrically connected to the first semiconductor element is arranged in two portions with the electrode pad interposed therebetween.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体素子は、過電圧から前記第1半導体素子を保護する第1過電圧保護部、前記第1半導体素子に流れる電流を検出する電流センス部、前記第1半導体素子の温度を検出する温度センス部、または、前記第1半導体素子を制御する演算回路部、であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the second semiconductor element includes a first overvoltage protection unit that protects the first semiconductor element from an overvoltage, and a current that detects a current flowing through the first semiconductor element. It is a sense part, a temperature sense part for detecting the temperature of the first semiconductor element, or an arithmetic circuit part for controlling the first semiconductor element.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、第2導電型の第1半導体領域、第1導電型の第2半導体領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極および第1,2電極を有する前記第1半導体素子を備える。前記第1半導体領域は、第1導電型の前記半導体基板のおもて面側に設けられている。前記第2半導体領域は、前記第1半導体領域の内部に選択的に設けられている。前記ゲート絶縁膜は、前記第1半導体領域の、前記第2半導体領域と前記半導体基板との間の領域に接して設けられている。前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第1半導体領域の反対側に設けられている。前記第1電極は、前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に接する。前記第2電極は、前記半導体基板の裏面に接する。そして、前記第1電極を、前記第1半導体素子に電気的に接続された前記電極パッドとしたことを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention includes the second conductive type first semiconductor region, the first conductive type second semiconductor region, the gate insulating film, the gate electrode, and the first and second electrodes. A first semiconductor element is provided. The first semiconductor region is provided on a front surface side of the first conductivity type semiconductor substrate. The second semiconductor region is selectively provided inside the first semiconductor region. The gate insulating film is provided in contact with a region of the first semiconductor region between the second semiconductor region and the semiconductor substrate. The gate electrode is provided on the opposite side of the first semiconductor region with the gate insulating film interposed therebetween. The first electrode is in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region. The second electrode is in contact with the back surface of the semiconductor substrate. The first electrode is the electrode pad electrically connected to the first semiconductor element.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体は、炭化珪素であることを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the semiconductor having a wider band gap than silicon is silicon carbide.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1半導体素子の素子構造と、前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造と、は所定ピッチで配置されていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the element structure of the first semiconductor element and the element structure of the second semiconductor element to be the current sensing portion are arranged at a predetermined pitch. It is characterized by.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造は、前記第1半導体素子の素子構造の一部で構成されていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the element structure of the second semiconductor element serving as the current sensing portion is configured by a part of the element structure of the first semiconductor element. And

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1半導体素子の素子構造は絶縁ゲート構造であり、前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造は絶縁ゲート構造である。そして、前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造のチャネル長は、前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造と前記第1半導体素子の素子構造とが同じゲート閾値電圧になるように設定されていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the element structure of the first semiconductor element is an insulated gate structure, and the element structure of the second semiconductor element serving as the current sensing portion is an insulated gate structure. . The channel length of the element structure of the second semiconductor element serving as the current sensing portion is equal to the gate threshold voltage of the element structure of the second semiconductor element serving as the current sensing portion and the element structure of the first semiconductor element. It is set to become.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1半導体素子は、第2導電型の第1半導体領域、第1導電型の第2半導体領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極および第1,2電極を有する。前記第1半導体領域は、第1導電型の前記半導体基板のおもて面側に設けられている。前記第2半導体領域は、前記第1半導体領域の内部に選択的に設けられている。前記ゲート絶縁膜は、前記第1半導体領域の、前記第2半導体領域と前記半導体基板との間の領域に接して設けられている。前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第1半導体領域の反対側に設けられている。前記第1電極は、前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に接する。前記第2電極は、前記半導体基板の裏面に接する。そして、前記第1電極を、前記第1半導体素子に電気的に接続された前記電極パッドとしたことを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the first semiconductor element includes a second conductivity type first semiconductor region, a first conductivity type second semiconductor region, a gate insulating film, a gate electrode, and a first electrode. It has 1 and 2 electrodes. The first semiconductor region is provided on a front surface side of the first conductivity type semiconductor substrate. The second semiconductor region is selectively provided inside the first semiconductor region. The gate insulating film is provided in contact with a region of the first semiconductor region between the second semiconductor region and the semiconductor substrate. The gate electrode is provided on the opposite side of the first semiconductor region with the gate insulating film interposed therebetween. The first electrode is in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region. The second electrode is in contact with the back surface of the semiconductor substrate. The first electrode is the electrode pad electrically connected to the first semiconductor element.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1半導体領域および前記第2半導体領域は、前記第1半導体素子に電気的に接続された前記電極パッド、および、複数の前記第2半導体素子それぞれに電気的に接続された前記電極パッド、に深さ方向に対向する所定のレイアウトに配置されていることを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention is the above-described invention, wherein the first semiconductor region and the second semiconductor region are electrically connected to the first semiconductor element, and a plurality of the first semiconductor regions. The two semiconductor elements are arranged in a predetermined layout facing the electrode pads electrically connected to each of the two semiconductor elements in the depth direction.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1半導体領域および前記第2半導体領域の、前記電流センス部となる前記第2半導体素子に電気的に接続された前記電極パッドに深さ方向に対向する部分で前記電流センス部が構成されていることを特徴とする。
In the semiconductor device according to the present invention, the electrode pad electrically connected to the second semiconductor element serving as the current sensing portion in the first semiconductor region and the second semiconductor region in the invention described above. The current sensing portion is configured by a portion facing in the depth direction.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1半導体素子は、第3半導体領域をさらに有する。前記第3半導体領域は、前記半導体基板のおもて面から前記第1半導体領域よりも深い位置に選択的に設けられ、かつ当該第1半導体領域に接する。前記第3半導体領域は、前記第1半導体領域の、前記電流センス部となる部分に隣り合うように配置されていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the first semiconductor element further includes a third semiconductor region in the above-described invention. The third semiconductor region is selectively provided at a position deeper than the first semiconductor region from the front surface of the semiconductor substrate, and is in contact with the first semiconductor region. The third semiconductor region is disposed so as to be adjacent to a portion of the first semiconductor region serving as the current sensing portion.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第3半導体領域の内部に、前記第3半導体領域と導電型の異なる第4半導体領域が選択的に設けられていることを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, a fourth semiconductor region having a conductivity type different from that of the third semiconductor region is selectively provided in the third semiconductor region. To do.

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる同一の半導体基板に配置された複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子にそれぞれ電気的に接続された複数の電極パッドと、を備えた半導体装置の製造方法であって、次の特徴を有する。まず、前記半導体基板のおもて面側に、前記複数の半導体素子の素子構造をそれぞれ形成する工程を行う。次に、前記半導体基板のおもて面上に、複数の前記素子構造のコンタクト領域に接する金属膜を形成する工程を行う。次に、前記金属膜を選択的に除去して、前記複数の半導体素子にそれぞれ電気的に接続された複数の前記電極パッドを前記半導体基板のおもて面に所定の平面レイアウトに配置する工程を行う。次に、前記電極パッドの電位を外部に取り出す端子ピンを、すべての前記電極パッド上にそれぞれめっき膜を介して半田接合する工程を行う。   In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device manufacturing method according to the present invention includes a plurality of semiconductors arranged on the same semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon. A method for manufacturing a semiconductor device comprising an element and a plurality of electrode pads electrically connected to the plurality of semiconductor elements, respectively, and has the following characteristics. First, a step of forming element structures of the plurality of semiconductor elements on the front surface side of the semiconductor substrate is performed. Next, a step of forming a metal film in contact with a plurality of contact regions of the element structure on the front surface of the semiconductor substrate is performed. Next, the step of selectively removing the metal film and disposing a plurality of the electrode pads respectively electrically connected to the plurality of semiconductor elements on a front surface of the semiconductor substrate in a predetermined planar layout I do. Next, a step of solder-joining terminal pins for taking out the potential of the electrode pads to the outside via the plating films on all the electrode pads is performed.

本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、高温度条件下で電極パッドとの密着性の低いボンディングワイヤを用いずに半導体装置を作製(製造)することができるため、高温度条件下においても信頼性の高い半導体装置を提供することができるという効果を奏する。   According to the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device of the present invention, the semiconductor device can be manufactured (manufactured) without using a bonding wire having low adhesion to the electrode pad under high temperature conditions. There is an effect that a highly reliable semiconductor device can be provided even under conditions.

実施の形態1にかかる半導体装置の構造の一例を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a semiconductor device according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の配線構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a wiring structure of a semiconductor device according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の電極パッドの平面レイアウトの一例を示す平面図である。3 is a plan view showing an example of a planar layout of electrode pads of the semiconductor device according to the first exemplary embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置の電極パッドの平面レイアウトの一例を示す平面図である。3 is a plan view showing an example of a planar layout of electrode pads of the semiconductor device according to the first exemplary embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置の電極パッドの平面レイアウトの一例を示す平面図である。3 is a plan view showing an example of a planar layout of electrode pads of the semiconductor device according to the first exemplary embodiment; FIG. 実施の形態2にかかる半導体装置の電極パッドの平面レイアウトの一例を示す平面図である。6 is a plan view showing an example of a planar layout of electrode pads of a semiconductor device according to a second exemplary embodiment; FIG. 実施の形態2にかかる半導体装置の電極パッドの平面レイアウトの一例を示す平面図である。6 is a plan view showing an example of a planar layout of electrode pads of a semiconductor device according to a second exemplary embodiment; FIG. 実施の形態2にかかる半導体装置の電極パッドの平面レイアウトの一例を示す平面図である。6 is a plan view showing an example of a planar layout of electrode pads of a semiconductor device according to a second exemplary embodiment; FIG. 実施の形態2にかかる半導体装置の電極パッドの平面レイアウトの一例を示す平面図である。6 is a plan view showing an example of a planar layout of electrode pads of a semiconductor device according to a second exemplary embodiment; FIG. 従来の半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional semiconductor device. 実施の形態3にかかる半導体装置の平面レイアウトの一例を示す平面図である。7 is a plan view showing an example of a planar layout of a semiconductor device according to a third embodiment; FIG. 図11の切断線Y1−Y1’における断面構造を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along a cutting line Y1-Y1 ′ in FIG. 11. 図11の切断線X1−X1’における断面構造を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along a cutting line X1-X1 ′ in FIG. 11. 図11の切断線Y1−Y1’における断面構造の別の一例を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing another example of the cross-sectional structure taken along the cutting line Y1-Y1 ′ of FIG. 11. 実施の形態4にかかる半導体装置の要部の平面レイアウトを示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing a planar layout of a main part of a semiconductor device according to a fourth embodiment; 実施の形態4にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施の形態4にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a fourth embodiment. 実施の形態4にかかる半導体装置の構造の別の一例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing another example of the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数を表している。   Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted. In the present specification, in the Miller index notation, “−” means a bar attached to the index immediately after that, and “−” is added before the index to indicate a negative index.

(実施の形態1)
本発明にかかる半導体装置は、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成される。実施の形態1においては、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素(SiC)を用いて作製された炭化珪素半導体装置について説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の構造の一例を示す断面図である。図2は、実施の形態1にかかる半導体装置の配線構造を示す断面図である。図1には、炭化珪素からなる半導体基体(以下、炭化珪素基体(半導体基板(半導体チップ))とする)100の活性領域を図示し、活性領域の周囲を囲むエッジ終端領域を図示省略する。活性領域は、オン状態のときに電流が流れる領域である。エッジ終端領域は、ドリフト領域の基体おもて面側の電界を緩和し耐圧を保持する領域である。
(Embodiment 1)
The semiconductor device according to the present invention is configured using a wide band gap semiconductor. In the first embodiment, a silicon carbide semiconductor device manufactured using, for example, silicon carbide (SiC) as a wide band gap semiconductor will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of the structure of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a wiring structure of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 1 illustrates an active region of a semiconductor substrate 100 (hereinafter referred to as a silicon carbide substrate (semiconductor substrate (semiconductor chip))) made of silicon carbide, and an edge termination region surrounding the active region is not illustrated. The active region is a region through which current flows in the on state. The edge termination region is a region that relaxes the electric field on the front surface side of the substrate in the drift region and maintains a withstand voltage.

図1に示すように、実施の形態1にかかる半導体装置は、同一の炭化珪素基体100の活性領域に、メイン半導体素子(第1半導体素子)10と、このメイン半導体素子10を保護・制御する複数の回路部(第2半導体素子)と、を備える。メイン半導体素子10を保護・制御するための回路部としては、例えば、過電圧保護部(第1過電圧保護部)30、電流センス部40、温度センス部50および演算回路部60等が挙げられる。メイン半導体素子10、および、メイン半導体素子10を保護・制御する回路部は、ピン状の配線部材(後述する端子ピン15)を用いた同一構成の配線構造を有する。実施の形態1にかかる半導体装置の配線構造について、メイン半導体素子10をプレーナゲート構造の縦型MOSFETとした場合を例に図1,2を参照して説明する。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment protects and controls the main semiconductor element (first semiconductor element) 10 and the main semiconductor element 10 in the active region of the same silicon carbide substrate 100. A plurality of circuit portions (second semiconductor elements). Examples of the circuit unit for protecting and controlling the main semiconductor element 10 include an overvoltage protection unit (first overvoltage protection unit) 30, a current sensing unit 40, a temperature sensing unit 50, and an arithmetic circuit unit 60. The main semiconductor element 10 and the circuit portion that protects and controls the main semiconductor element 10 have a wiring structure with the same configuration using pin-shaped wiring members (terminal pins 15 described later). The wiring structure of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2 by taking as an example the case where the main semiconductor element 10 is a vertical MOSFET having a planar gate structure.

メイン半導体素子10は、炭化珪素基体100のおもて面(後述するp型炭化珪素層)4側の面)側に、第1,2p型ベース領域(第1半導体領域)3,4a、n+型ソース領域(第2半導体領域)5、p+型コンタクト領域6、n型JFET領域7、ゲート絶縁膜8およびゲート電極9からなるMOSゲート構造部を備える。1つのMOSゲート構造部で1つの単位セル(素子の機能単位)が構成される。図示省略するが、複数のMOSゲート構造部は、例えば、基体おもて面に平行な方向に延びるストライプ状の平面レイアウトに配置されている。すなわち、単位セルが隣接して複数配置されている。メイン半導体素子10は、隣接して配置された複数(例えば数百〜数万個程度)の単位セルで構成される。 Main semiconductor element 10 has first and second p-type base regions (first semiconductor regions) 3, 4 a, n on the front surface (surface on the side of p-type silicon carbide layer 4 described later) 4 of silicon carbide substrate 100. A MOS gate structure including a + type source region (second semiconductor region) 5, a p + type contact region 6, an n type JFET region 7, a gate insulating film 8 and a gate electrode 9 is provided. One unit cell (functional unit of element) is formed by one MOS gate structure. Although not shown, the plurality of MOS gate structures are arranged in a striped planar layout extending in a direction parallel to the base surface, for example. That is, a plurality of unit cells are arranged adjacent to each other. The main semiconductor element 10 is composed of a plurality of unit cells (for example, about several hundred to several tens of thousands) arranged adjacent to each other.

具体的には、炭化珪素基体100は、例えば、炭化珪素からなるn+型支持基板(n+型炭化珪素基板)1のおもて面上に、炭化珪素からなるn-型半導体層(n-型炭化珪素層)2と、炭化珪素からなるp型半導体層(p型炭化珪素層)4と、を順に積層してなる。n+型炭化珪素基板1は、メイン半導体素子10のドレイン領域として機能する。n-型炭化珪素層2の、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側(基体おもて面側)の表面層には、第1p型ベース領域3が選択的に設けられている。n-型炭化珪素層2の、第1p型ベース領域3以外の部分がドリフト領域である。 Specifically, the silicon carbide substrate 100 includes, for example, an n type semiconductor layer (n) made of silicon carbide on the front surface of an n + type support substrate (n + type silicon carbide substrate) 1 made of silicon carbide. - -type silicon carbide layer) 2, a p-type semiconductor layer (p-type silicon carbide layer) 4 made of silicon carbide, formed by stacking in sequence. N + type silicon carbide substrate 1 functions as a drain region of main semiconductor element 10. A first p-type base region 3 is selectively provided on the surface layer of the n -type silicon carbide layer 2 opposite to the n + -type silicon carbide substrate 1 side (base surface side). . A portion of n type silicon carbide layer 2 other than first p type base region 3 is a drift region.

-型炭化珪素層2の、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側の表面には、第1p型ベース領域3を覆うようにp型炭化珪素層4が設けられている。p型炭化珪素層4の不純物濃度は、第1p型ベース領域3の不純物濃度よりも低くてもよい。p型炭化珪素層4の内部には、深さ方向に第1p型ベース領域3に対向する部分に、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6がそれぞれ選択的に設けられている。また、p型炭化珪素層4の内部には、p型炭化珪素層4を深さ方向に貫通してn-型炭化珪素層2に達するn型半導体領域7が設けられている。 A p-type silicon carbide layer 4 is provided on the surface of n -type silicon carbide layer 2 opposite to the n + -type silicon carbide substrate 1 so as to cover first p-type base region 3. The impurity concentration of p-type silicon carbide layer 4 may be lower than the impurity concentration of first p-type base region 3. Inside the p-type silicon carbide layer 4, an n + -type source region 5 and a p + -type contact region 6 are selectively provided in a portion facing the first p-type base region 3 in the depth direction. Inside p-type silicon carbide layer 4, an n-type semiconductor region 7 that penetrates p-type silicon carbide layer 4 in the depth direction and reaches n -type silicon carbide layer 2 is provided.

n型半導体領域7は、n+型ソース領域5に対してp+型コンタクト領域6の反対側にn+型ソース領域5と離して配置されている。p型炭化珪素層4の、n+型ソース領域5、p+型コンタクト領域6およびn型半導体領域7以外の部分(以下、第2p型ベース領域とする)4aは、第1p型ベース領域3とともにベース領域として機能する。n型半導体領域(以下、n型JFET領域とする)7は、隣り合うベース領域間に挟まれたJFET(Junction FET)領域であり、n-型炭化珪素層2とともにドリフト領域として機能する。 n-type semiconductor region 7 is disposed apart from the n + -type source region 5 with respect to the n + -type source region 5 to the opposite side of the p + -type contact region 6. A portion of the p-type silicon carbide layer 4 other than the n + -type source region 5, the p + -type contact region 6 and the n-type semiconductor region 7 (hereinafter referred to as a second p-type base region) 4 a And function as a base area. An n-type semiconductor region (hereinafter referred to as an n-type JFET region) 7 is a JFET (Junction FET) region sandwiched between adjacent base regions, and functions as a drift region together with the n -type silicon carbide layer 2.

第2p型ベース領域4aの、n+型ソース領域5とn型JFET領域7とに挟まれた部分の表面上には、ゲート絶縁膜8を介してゲート電極9が設けられている。同一の単位セルを構成するn型JFET領域7の表面上にゲート絶縁膜8を延在させ、ゲート絶縁膜8を挟んでn型JFET領域7と深さ方向に対向するようにゲート電極9が設けられていてもよい。層間絶縁膜11は、炭化珪素基体100のおもて面全面に、ゲート電極9を覆うように設けられている。層間絶縁膜11に開口されたコンタクトホールには、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6が露出されている。 On the surface of the second p-type base region 4 a sandwiched between the n + -type source region 5 and the n-type JFET region 7, a gate electrode 9 is provided via a gate insulating film 8. A gate insulating film 8 extends on the surface of the n-type JFET region 7 constituting the same unit cell, and the gate electrode 9 is formed so as to face the n-type JFET region 7 in the depth direction with the gate insulating film 8 interposed therebetween. It may be provided. Interlayer insulating film 11 is provided on the entire front surface of silicon carbide substrate 100 so as to cover gate electrode 9. In the contact hole opened in the interlayer insulating film 11, the n + type source region 5 and the p + type contact region 6 are exposed.

ソース電極(第1電極)12は、コンタクトホールを介してn+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6に接するとともに、層間絶縁膜11によりゲート電極9と電気的に絶縁されている。ソース電極12は、複数の金属膜を積層した積層構造を有していてもよい。図2には、例えば、基体おもて面側から窒化チタン(TiN)膜21、チタン(Ti)膜22、窒化チタン膜23、チタン膜24、およびアルミニウム(Al)膜25を順に積層した5層構造のソース電極12を示す。窒化チタン膜21は、層間絶縁膜11を覆う。窒化チタン膜21は、層間絶縁膜11上からコンタクトホールのn+型ソース領域5上にまで延在し、n+型ソース領域5に接していてもよい。 Source electrode (first electrode) 12 is in contact with n + -type source region 5 and p + -type contact region 6 through a contact hole, and is electrically insulated from gate electrode 9 by interlayer insulating film 11. The source electrode 12 may have a stacked structure in which a plurality of metal films are stacked. In FIG. 2, for example, a titanium nitride (TiN) film 21, a titanium (Ti) film 22, a titanium nitride film 23, a titanium film 24, and an aluminum (Al) film 25 are stacked in this order from the substrate front surface side. A source electrode 12 having a layer structure is shown. The titanium nitride film 21 covers the interlayer insulating film 11. Titanium nitride film 21 extends over the interlayer insulating film 11 to the on n + -type source region 5 of the contact hole, may be in contact with the n + -type source regions 5.

チタン膜22は、窒化チタン膜21の表面およびコンタクトホールの内壁に沿って設けられ、コンタクトホールのn+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6に接する。窒化チタン膜23は、チタン膜22上に設けられている。チタン膜24は、窒化チタン膜23上に設けられている。窒化チタン膜21、チタン膜22、窒化チタン膜23およびチタン膜24は、バリアメタルとして機能する。バリアメタルは、ソース電極12から炭化珪素基体100および層間絶縁膜11側への金属原子の拡散を防止する機能を有する。また、バリアメタルは、バリアメタルを構成する各金属膜間またはバリアメタルを挟んで対向する領域間での相互反応を防止する機能を有する。 Titanium film 22 is provided along the surface of titanium nitride film 21 and the inner wall of the contact hole, and is in contact with n + -type source region 5 and p + -type contact region 6 of the contact hole. The titanium nitride film 23 is provided on the titanium film 22. The titanium film 24 is provided on the titanium nitride film 23. The titanium nitride film 21, the titanium film 22, the titanium nitride film 23, and the titanium film 24 function as a barrier metal. The barrier metal has a function of preventing diffusion of metal atoms from the source electrode 12 to the silicon carbide substrate 100 and the interlayer insulating film 11 side. In addition, the barrier metal has a function of preventing a mutual reaction between metal films constituting the barrier metal or between regions facing each other with the barrier metal interposed therebetween.

アルミニウム膜25は、チタン膜24上に設けられている。アルミニウム膜25に代えて、例えば、アルミニウム−シリコン(Al−Si)膜、アルミニウム−シリコン−銅(Al−Si−Cu)膜またはアルミニウム−銅(Al−Cu)膜を設けてもよい。ソース電極12は、メイン半導体素子10のソースパッド(電極パッド)となる。ソース電極12上には、めっき膜13および半田膜14を介して端子ピン15が接合されている。端子ピン15は、所定直径を有する丸棒状(円柱状)の配線部材であり、ソース電極12の電位を外部に取り出す外部接続用端子(例えばインプラントピン)となる。すなわち、端子ピン15の一方の端部は、半導体チップ(炭化珪素基体100)を実装したケース(不図示)の外側に露出し、外部装置(不図示)と電気的に接続される。端子ピン15は、高温度条件下(例えば200℃〜300℃)においてもソース電極12との密着性が高く、ワイヤボンディングに比べて剥離しにくい。   The aluminum film 25 is provided on the titanium film 24. Instead of the aluminum film 25, for example, an aluminum-silicon (Al-Si) film, an aluminum-silicon-copper (Al-Si-Cu) film, or an aluminum-copper (Al-Cu) film may be provided. The source electrode 12 becomes a source pad (electrode pad) of the main semiconductor element 10. A terminal pin 15 is bonded onto the source electrode 12 via a plating film 13 and a solder film 14. The terminal pin 15 is a round bar-shaped (columnar) wiring member having a predetermined diameter, and serves as an external connection terminal (for example, an implant pin) that extracts the potential of the source electrode 12 to the outside. That is, one end of terminal pin 15 is exposed to the outside of a case (not shown) on which a semiconductor chip (silicon carbide substrate 100) is mounted, and is electrically connected to an external device (not shown). The terminal pin 15 has high adhesion to the source electrode 12 even under high temperature conditions (for example, 200 ° C. to 300 ° C.), and is less likely to be peeled than wire bonding.

端子ピン15の他方の端部は、基体おもて面に対して略垂直に立てた状態で、めっき膜13に半田接合されている。図2には、端子ピン15を簡略して図示するが、実際には、半田膜14上に棒状の端子ピン15が縦長に直立して接合される。ソース電極12に複数の端子ピン15が接合されていてもよい。ソース電極12に接合される端子ピン15の直径および本数は、メイン半導体素子10の電流能力の大きさに基づいて決定される。端子ピン15の直径が大きくなるほど、また、ソース電極12に接合される端子ピン15の本数が多いほど、メイン半導体素子10の電流能力が大きくなる。めっき膜13の表面積は、ソース電極12に1つの端子ピン15を接合する場合には端子ピン15の端部(底面)の表面積とほぼ同程度であり、ソース電極12に複数(n個、n>1)の端子ピン15を接合する場合にはすべての端子ピン15が接合可能な大きさ(=端子ピン15の端部の面積×n)となる。   The other end of the terminal pin 15 is solder-bonded to the plating film 13 in a state in which the terminal pin 15 stands substantially perpendicular to the base surface. In FIG. 2, the terminal pins 15 are illustrated in a simplified manner, but actually, the rod-like terminal pins 15 are vertically and vertically joined on the solder film 14. A plurality of terminal pins 15 may be joined to the source electrode 12. The diameter and number of the terminal pins 15 joined to the source electrode 12 are determined based on the current capability of the main semiconductor element 10. The current capability of the main semiconductor element 10 increases as the diameter of the terminal pin 15 increases and the number of the terminal pins 15 bonded to the source electrode 12 increases. The surface area of the plating film 13 is approximately the same as the surface area of the end portion (bottom surface) of the terminal pin 15 when one terminal pin 15 is bonded to the source electrode 12, and a plurality (n, n When the terminal pins 15 of> 1) are joined, the size is such that all the terminal pins 15 can be joined (= the area of the end of the terminal pin 15 × n).

ソース電極12の表面の、めっき膜13に覆われた部分以外の部分は、第1保護膜16で覆われている。第1保護膜16は、めっき膜13形成時に、めっき膜13の濡れ広がりを防止するマスクとして機能する。めっき膜13と第1保護膜16との境界上に、めっき膜13および第1保護膜16の端部を覆うように第2保護膜17が設けられている。第2保護膜17は、端子ピン15の半田接合時に、半田膜14の濡れ広がりを防止するマスクとして機能する。第2保護膜17は、第1保護膜16の全面を覆っていてもよい。第2保護膜17を設けることで、めっき膜13と第1保護膜16との間に隙間が生じている場合であっても、ソース電極12が露出されることはない。   A portion of the surface of the source electrode 12 other than the portion covered with the plating film 13 is covered with the first protective film 16. The first protective film 16 functions as a mask for preventing the plating film 13 from spreading when the plating film 13 is formed. A second protective film 17 is provided on the boundary between the plating film 13 and the first protective film 16 so as to cover the end portions of the plating film 13 and the first protective film 16. The second protective film 17 functions as a mask for preventing the solder film 14 from spreading when the terminal pins 15 are soldered. The second protective film 17 may cover the entire surface of the first protective film 16. By providing the second protective film 17, the source electrode 12 is not exposed even when a gap is generated between the plating film 13 and the first protective film 16.

メイン半導体素子10を構成するすべての単位セルのゲート電極9は、図示省略する部分でゲートパッド(電極パッド)電気的に接続されている。ゲートパッドの構成は、ソース電極12と同様である。また、ゲートパッド上には、ソース電極12と同様に、めっき膜13および半田膜14を介して端子ピン15が接合されている。ゲートパッドに接合される端子ピン15の直径および本数は、メイン半導体素子10の電流能力に基づいて決定すればよい。炭化珪素基体100の裏面(n+型炭化珪素基板1の裏面)全面に、裏面電極(第2電極)18が設けられている。裏面電極18は、メイン半導体素子10のドレイン電極として機能する。 Gate electrodes 9 of all unit cells constituting the main semiconductor element 10 are electrically connected to gate pads (electrode pads) at portions not shown. The configuration of the gate pad is the same as that of the source electrode 12. On the gate pad, similarly to the source electrode 12, terminal pins 15 are joined via a plating film 13 and a solder film 14. The diameter and number of terminal pins 15 bonded to the gate pad may be determined based on the current capability of the main semiconductor element 10. A back electrode (second electrode) 18 is provided on the entire back surface of silicon carbide substrate 100 (the back surface of n + -type silicon carbide substrate 1). The back electrode 18 functions as a drain electrode of the main semiconductor element 10.

次に、メイン半導体素子10を保護・制御するための回路部について、例えば、過電圧保護部30、電流センス部40、温度センス部50および演算回路部60を例に図1を参照して説明する。過電圧保護部30は、p型アノード領域31とn-型炭化珪素層2との間のpn接合33で形成されたダイオードであり、例えばサージ等の過電圧(OV:Over Voltage)からメイン半導体素子10を保護する。図1には、過電圧保護部30を2箇所に配置した場合を示す。p型アノード領域31は、n-型炭化珪素層2の、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側(基体おもて面側)の表面層に選択的に設けられ、n-型炭化珪素層2との間にpn接合33を形成する。 Next, a circuit unit for protecting and controlling the main semiconductor element 10 will be described with reference to FIG. 1 taking the overvoltage protection unit 30, the current sensing unit 40, the temperature sensing unit 50, and the arithmetic circuit unit 60 as an example. . The overvoltage protection unit 30 is a diode formed by a pn junction 33 between the p-type anode region 31 and the n -type silicon carbide layer 2, and for example, from the overvoltage (OV: Over Voltage) such as a surge to the main semiconductor element 10. Protect. In FIG. 1, the case where the overvoltage protection part 30 is arrange | positioned in two places is shown. The p-type anode region 31 is selectively provided on the surface layer of the n -type silicon carbide layer 2 opposite to the n + -type silicon carbide substrate 1 side (base surface side), and n -type A pn junction 33 is formed between silicon carbide layer 2 and silicon carbide layer 2.

アノード電極32は、コンタクトホール(不図示)を介してp型アノード領域31に接する。また、アノード電極32は、メイン半導体素子10のソース電極12に電気的に接続されている。アノード電極32の構成は、メイン半導体素子10のソース電極12と同様である。アノード電極32は、過電圧保護部30の電極パッド(以下、OVパッドとする)となる。図示省略するが、アノード電極32上には、メイン半導体素子10のソース電極12と同様に、めっき膜13および半田膜14を介して端子ピン15が接合されている(図2参照)。アノード電極32に接合される端子ピン15の直径および本数は、過電圧保護部30の電流能力に基づいて決定すればよい。n+型炭化珪素基板1および裏面電極18は、それぞれ過電圧保護部30のカソード領域およびカソード電極として機能する。 The anode electrode 32 is in contact with the p-type anode region 31 through a contact hole (not shown). The anode electrode 32 is electrically connected to the source electrode 12 of the main semiconductor element 10. The configuration of the anode electrode 32 is the same as that of the source electrode 12 of the main semiconductor element 10. The anode electrode 32 serves as an electrode pad (hereinafter referred to as an OV pad) of the overvoltage protection unit 30. Although not shown, terminal pins 15 are joined on the anode electrode 32 via the plating film 13 and the solder film 14 in the same manner as the source electrode 12 of the main semiconductor element 10 (see FIG. 2). The diameter and number of the terminal pins 15 joined to the anode electrode 32 may be determined based on the current capability of the overvoltage protection unit 30. N + type silicon carbide substrate 1 and back electrode 18 function as a cathode region and a cathode electrode of overvoltage protection unit 30, respectively.

電流センス部40は、メイン半導体素子10に流れる過電流(OC:Over Current)を検出する機能を有する。電流センス部40は、メイン半導体素子10と同一構成の単位セルを数個程度備えた縦型MOSFETである。すなわち、電流センス部40は、第1,2p型ベース領域41,42、n+型ソース領域43、p+型コンタクト領域44、n型JFET領域45、ゲート絶縁膜46およびゲート電極47からなるMOSゲート構造部と、ソース電極48と、を備える。電流センス部40のMOSゲート構造部を構成する各部は、それぞれ、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部の対応する各部と同一の構成を有する。 The current sensing unit 40 has a function of detecting an overcurrent (OC: Over Current) flowing through the main semiconductor element 10. The current sense unit 40 is a vertical MOSFET including several unit cells having the same configuration as the main semiconductor element 10. That is, the current sense unit 40 includes a first and second p-type base regions 41 and 42, an n + -type source region 43, a p + -type contact region 44, an n-type JFET region 45, a gate insulating film 46, and a gate electrode 47. A gate structure and a source electrode 48; Each part constituting the MOS gate structure part of the current sense part 40 has the same structure as each corresponding part of the MOS gate structure part of the main semiconductor element 10.

ソース電極48の構成は、メイン半導体素子10のソース電極12と同様である。ソース電極48は、電流センス部40の電極パッド(以下、OCパッドとする)となる。図示省略するが、ソース電極48上には、メイン半導体素子10のソース電極12と同様に、めっき膜13および半田膜14を介して端子ピン15が接合されている。ソース電極48に接合される端子ピン15の直径および本数は、電流センス部40の電流能力に基づいて決定すればよい。また、ソース電極48は、センス抵抗49を介してメイン半導体素子10のソース電極12に電気的に接続されている。   The configuration of the source electrode 48 is the same as that of the source electrode 12 of the main semiconductor element 10. The source electrode 48 serves as an electrode pad (hereinafter referred to as an OC pad) of the current sensing unit 40. Although not shown, the terminal pin 15 is joined to the source electrode 48 via the plating film 13 and the solder film 14, similarly to the source electrode 12 of the main semiconductor element 10. The diameter and number of the terminal pins 15 joined to the source electrode 48 may be determined based on the current capability of the current sensing unit 40. The source electrode 48 is electrically connected to the source electrode 12 of the main semiconductor element 10 via the sense resistor 49.

電流センス部40は、メイン半導体素子10のオン・オフで流れるドレイン電流の一部を、センス抵抗49を介して微小電流として検出し分流する。ゲート絶縁膜46の一部の厚さを厚くして、ゲート電極47の一部47aを層間絶縁膜(不図示)側に凸状に突出させてもよい。電流センス部40を構成するすべての単位セルのゲート電極47は、メイン半導体素子10のゲートパッドに電気的に接続されている。裏面電極18は、電流センス部40のドレイン電極として機能する。すなわち、電流センス部40のゲートパッドおよびドレイン電極は、それぞれ、メイン半導体素子10のゲートパッドおよびドレイン電極と共通である。   The current sensing unit 40 detects and divides a part of the drain current flowing when the main semiconductor element 10 is turned on and off as a minute current via the sense resistor 49. The thickness of a part of the gate insulating film 46 may be increased so that a part 47a of the gate electrode 47 protrudes in a convex shape toward the interlayer insulating film (not shown). The gate electrodes 47 of all the unit cells constituting the current sensing unit 40 are electrically connected to the gate pad of the main semiconductor element 10. The back electrode 18 functions as a drain electrode of the current sense unit 40. In other words, the gate pad and drain electrode of the current sense unit 40 are common to the gate pad and drain electrode of the main semiconductor element 10, respectively.

温度センス部50は、p型アノード領域51とn型カソード領域52との間のpn接合53で形成されたダイオードであり、当該ダイオードの温度特性を利用してメイン半導体素子10の温度を検出する機能を有する。p型アノード領域51は、n-型炭化珪素層2の、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側の表面層に選択的に設けられている。n型カソード領域52は、p型アノード領域51の内部に選択的に設けられ、p型アノード領域51との間にpn接合53を形成する。アノード電極54は、コンタクトホール(不図示)を介してp型アノード領域51に接する。カソード電極55は、コンタクトホール(不図示)を介してn型カソード領域52に接する。また、カソード電極55は、メイン半導体素子10のソース電極12に電気的に接続されている。 The temperature sensing unit 50 is a diode formed by a pn junction 53 between the p-type anode region 51 and the n-type cathode region 52, and detects the temperature of the main semiconductor element 10 using the temperature characteristics of the diode. It has a function. P type anode region 51 is selectively provided on the surface layer of n type silicon carbide layer 2 opposite to the n + type silicon carbide substrate 1 side. The n-type cathode region 52 is selectively provided inside the p-type anode region 51, and forms a pn junction 53 with the p-type anode region 51. The anode electrode 54 is in contact with the p-type anode region 51 through a contact hole (not shown). The cathode electrode 55 is in contact with the n-type cathode region 52 through a contact hole (not shown). The cathode electrode 55 is electrically connected to the source electrode 12 of the main semiconductor element 10.

アノード電極54およびカソード電極55の構成は、メイン半導体素子10のソース電極12と同様である。アノード電極54は、温度センス部50のアノードパッドとなる。カソード電極55は、温度センス部50のカソードパッドとなる。図示省略するが、アノード電極54およびカソード電極55上には、それぞれ、メイン半導体素子10のソース電極12と同様に、めっき膜13および半田膜14を介して端子ピン15が接合されている(図2参照)。アノード電極54およびカソード電極55それぞれに接合される端子ピン15の直径および本数は、温度センス部50の電流能力に基づいて決定すればよい。   The configurations of the anode electrode 54 and the cathode electrode 55 are the same as those of the source electrode 12 of the main semiconductor element 10. The anode electrode 54 serves as an anode pad of the temperature sensing unit 50. The cathode electrode 55 serves as a cathode pad of the temperature sensing unit 50. Although not shown, terminal pins 15 are joined to the anode electrode 54 and the cathode electrode 55 through the plating film 13 and the solder film 14, respectively, similarly to the source electrode 12 of the main semiconductor element 10 (FIG. 2). The diameter and number of the terminal pins 15 joined to the anode electrode 54 and the cathode electrode 55 may be determined based on the current capability of the temperature sensing unit 50.

温度センス部50は、炭化珪素基体100のおもて面上に堆積したp型ポリシリコン(Poly−Si)層とn型ポリシリコン層との間のpn接合で形成されたダイオードであってもよい。この場合、温度センス部50を構成するp型ポリシリコン層およびn型ポリシリコン層は、例えばメイン半導体素子10のゲート電極9を形成する際に炭化珪素基体100のおもて面上に堆積したポリシリコン層の一部を用いて形成すればよい。温度センス部50をポリシリコン層で形成することで、温度センス部50は、メイン半導体素子10に流れる電流の悪影響を受けにくくなる。   Temperature sensing unit 50 may be a diode formed by a pn junction between a p-type polysilicon (Poly-Si) layer deposited on the front surface of silicon carbide substrate 100 and an n-type polysilicon layer. Good. In this case, the p-type polysilicon layer and the n-type polysilicon layer constituting the temperature sensing unit 50 are deposited on the front surface of the silicon carbide substrate 100 when, for example, the gate electrode 9 of the main semiconductor element 10 is formed. What is necessary is just to form using a part of polysilicon layer. By forming the temperature sensing unit 50 with a polysilicon layer, the temperature sensing unit 50 is less likely to be adversely affected by the current flowing through the main semiconductor element 10.

演算回路部60は、過電圧保護部30、電流センス部40および温度センス部50を制御する。また、演算回路部60は、過電圧保護部30、電流センス部40および温度センス部50等の出力信号に基づいてメイン半導体素子10を制御する。具体的には、演算回路部60は、例えば、メイン半導体素子10の温度が過剰に上昇したときに、メイン半導体素子10に印加するゲート電圧を低下させてメイン半導体素子10に流れる電流を制限することでメイン半導体素子10を保護する。演算回路部60は、例えばCMOS(Complementary MOS:相補型MOS)回路など複数の半導体素子で構成されるが、図1にCMOS回路を構成するnチャネルMOSFETを示す。   The arithmetic circuit unit 60 controls the overvoltage protection unit 30, the current sensing unit 40, and the temperature sensing unit 50. The arithmetic circuit unit 60 controls the main semiconductor element 10 based on output signals from the overvoltage protection unit 30, the current sensing unit 40, the temperature sensing unit 50, and the like. Specifically, for example, when the temperature of the main semiconductor element 10 rises excessively, the arithmetic circuit unit 60 reduces the gate voltage applied to the main semiconductor element 10 to limit the current flowing through the main semiconductor element 10. Thus, the main semiconductor element 10 is protected. The arithmetic circuit unit 60 is composed of a plurality of semiconductor elements such as a CMOS (Complementary MOS) circuit, for example, and FIG. 1 shows an n-channel MOSFET constituting the CMOS circuit.

演算回路部60のCMOS回路を構成するnチャネルMOSFETは、例えば、メイン半導体素子10と同一構成の縦型MOSFETであってもよい。すなわち、演算回路部60のCMOS回路を構成するnチャネルMOSFETは、第1,2p型ベース領域61,62、n+型ソース領域63、p+型コンタクト領域64、n型JFET領域65、ゲート絶縁膜66およびゲート電極67からなるMOSゲート構造部と、ソース電極68と、を備える。演算回路部60のCMOS回路を構成するnチャネルMOSFETのMOSゲート構造部を構成する各部は、それぞれ、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部の対応する各部と同一の構成を有する。 The n-channel MOSFET constituting the CMOS circuit of the arithmetic circuit unit 60 may be, for example, a vertical MOSFET having the same configuration as that of the main semiconductor element 10. That is, the n-channel MOSFET constituting the CMOS circuit of the arithmetic circuit unit 60 includes the first and second p-type base regions 61 and 62, the n + -type source region 63, the p + -type contact region 64, the n-type JFET region 65, the gate insulation. A MOS gate structure composed of a film 66 and a gate electrode 67 and a source electrode 68 are provided. Each part constituting the MOS gate structure part of the n-channel MOSFET constituting the CMOS circuit of the arithmetic circuit part 60 has the same structure as the corresponding part of the MOS gate structure part of the main semiconductor element 10.

ソース電極68や、演算回路部60を構成する他の半導体素子のおもて面電極(不図示)は、図示省略する部分で演算回路部60の電極パッド(以下、演算部パッド(不図示)とする)に電気的に接続されている。演算部パッドの構成は、例えば、メイン半導体素子10のソース電極12と同様である。図示省略するが、演算部パッド上には、メイン半導体素子10のソース電極12と同様に、めっき膜13および半田膜14を介して端子ピン15が接合されている。演算部パッドに接合される端子ピン15の直径および本数は、演算回路部60の電流能力に基づいて決定すればよい。   Source electrodes 68 and front surface electrodes (not shown) of other semiconductor elements constituting the arithmetic circuit unit 60 are electrode pads of the arithmetic circuit unit 60 (hereinafter referred to as arithmetic unit pads (not shown)). Is electrically connected. The configuration of the calculation unit pad is the same as that of the source electrode 12 of the main semiconductor element 10, for example. Although not shown in the figure, terminal pins 15 are joined to the arithmetic unit pads via a plating film 13 and a solder film 14 in the same manner as the source electrode 12 of the main semiconductor element 10. The diameter and number of the terminal pins 15 to be joined to the calculation unit pad may be determined based on the current capability of the calculation circuit unit 60.

上述したソース電極12(以下、ソースパッド12とする)、ゲートパッド、アノード電極32(以下、OVパッド32とする)、ソース電極48(以下、OCパッド48とする)、アノード電極54(以下、アノードパッド54とする)、カソード電極55(以下、カソードパッド55とする)および演算部パッド等の各電極パッドは、炭化珪素基体100のおもて面に所定間隔で離して、所定の平面レイアウトに配置される。すなわち、炭化珪素基体100のおもて面のほぼ全面が所定間隔で離して配置した複数のめっき膜13で覆われる。各電極パッドは、電気的に絶縁されている。各電極パッド上のめっき膜13は、第1保護膜16により電気的に絶縁されている。   The source electrode 12 (hereinafter referred to as the source pad 12), the gate pad, the anode electrode 32 (hereinafter referred to as the OV pad 32), the source electrode 48 (hereinafter referred to as the OC pad 48), the anode electrode 54 (hereinafter referred to as the following). The electrode pads such as the anode pad 54, the cathode electrode 55 (hereinafter referred to as the cathode pad 55), and the calculation unit pad are separated from the front surface of the silicon carbide substrate 100 at a predetermined interval, and have a predetermined planar layout. Placed in. That is, almost the entire front surface of silicon carbide substrate 100 is covered with a plurality of plating films 13 arranged at predetermined intervals. Each electrode pad is electrically insulated. The plating film 13 on each electrode pad is electrically insulated by the first protective film 16.

次に、各電極パッドの平面レイアウトについて説明する。図3〜5は、実施の形態1にかかる半導体装置の電極パッドの平面レイアウトの一例を示す平面図である。図3,4には、ソースパッド12、ゲートパッド19、OVパッド32、OCパッド48、アノードパッド54およびカソードパッド55の平面レイアウトを示す。また、図3,4には、ソースパッド12、ゲートパッド19、OVパッド32、OCパッド48、アノードパッド54およびカソードパッド55を、それぞれS、G、OV、OC、AおよびKと示す(図5〜9においても同様)。図5には、ソースパッド12、ゲートパッド19、OVパッド32、OCパッド48、アノードパッド54、カソードパッド55および演算部パッド69の平面レイアウトを示す。図5には、演算部パッド69を演算部と示す(図8においても同様)。   Next, the planar layout of each electrode pad will be described. 3 to 5 are plan views illustrating an example of a planar layout of electrode pads of the semiconductor device according to the first embodiment. 3 and 4 show a planar layout of the source pad 12, the gate pad 19, the OV pad 32, the OC pad 48, the anode pad 54, and the cathode pad 55. FIG. 3 and 4, the source pad 12, gate pad 19, OV pad 32, OC pad 48, anode pad 54 and cathode pad 55 are denoted as S, G, OV, OC, A and K, respectively (FIG. 3). The same applies to 5-9. FIG. 5 shows a planar layout of the source pad 12, the gate pad 19, the OV pad 32, the OC pad 48, the anode pad 54, the cathode pad 55, and the arithmetic unit pad 69. FIG. 5 shows the calculation unit pad 69 as a calculation unit (the same applies to FIG. 8).

メイン半導体素子10は、他の回路部に比べて電流能力が大きい。このため、図3,4に示すように、ソースパッド12は、活性領域101の有効領域(活性領域101として用いる領域)の、ソースパッド12以外の電極パッドを配置した領域を除く領域のほぼ全面に配置される。ソースパッド12の平面レイアウトは、要求される仕様に応じて種々変更可能であり、例えばメイン半導体素子10の電流容量などにより決定される。具体的には、例えば、ソースパッド12以外の電極パッドを活性領域101の中央部に直線状に1列に配置した場合、ソースパッド12以外のすべての電極パッドを挟むように2つのソースパッド12を配置してもよい(図3)。   The main semiconductor element 10 has a larger current capability than other circuit units. For this reason, as shown in FIGS. 3 and 4, the source pad 12 is substantially the entire surface of the active region 101 (the region used as the active region 101) excluding the region where the electrode pads other than the source pad 12 are disposed. Placed in. The planar layout of the source pad 12 can be variously changed according to required specifications, and is determined by, for example, the current capacity of the main semiconductor element 10. Specifically, for example, when electrode pads other than the source pad 12 are arranged in a straight line in the center of the active region 101, the two source pads 12 are sandwiched between all the electrode pads other than the source pad 12. May be arranged (FIG. 3).

また、チップ(炭化珪素基体100)サイズによっては、略矩形状の平面形状の半導体チップ(炭化珪素基体100)の各頂点にそれぞれ対向する4つのソースパッド12を配置してもよい(図4)。この場合、活性領域101の、他の電極パッドを挟まずに隣り合って配置されるソースパッド12間に挟まれた部分103にゲートランナー(不図示)を配置可能である。ゲートランナーには、メイン半導体素子10を構成するすべての単位セルのゲート電極9が電気的に接続される。例えば、メイン半導体素子10のゲート電極9をストライプ状の平面レイアウトに配置した場合、ゲート抵抗が高くなりメイン半導体素子10の各単位セルで動作タイミングのずれ(アンバランス動作)が生じる虞があるが、ゲートランナーを配置することで各単位セルの動作タイミングをほぼ同じにすることができる。   Further, depending on the size of the chip (silicon carbide substrate 100), four source pads 12 facing each vertex of the substantially rectangular planar semiconductor chip (silicon carbide substrate 100) may be arranged (FIG. 4). . In this case, a gate runner (not shown) can be disposed in the portion 103 of the active region 101 sandwiched between the source pads 12 disposed adjacent to each other without sandwiching another electrode pad. The gate runner is electrically connected to the gate electrodes 9 of all the unit cells constituting the main semiconductor element 10. For example, when the gate electrodes 9 of the main semiconductor element 10 are arranged in a striped planar layout, the gate resistance is increased, and there is a possibility that an operation timing shift (unbalance operation) occurs in each unit cell of the main semiconductor element 10. By arranging a gate runner, the operation timing of each unit cell can be made substantially the same.

電流センス部40は、メイン半導体素子10と同じ条件で動作させるため、例えばメイン半導体素子10の一部の単位セルを用いて構成される。すなわち、OCパッド48は、活性領域101内の有効領域に配置される。ソースパッド12およびOCパッド48以外の電極パッドは、活性領域101内の無効領域(活性領域101として用いない領域)に配置してもよい。また、ゲートパッド19は、エッジ終端領域102(例えば幅100μm程度)に配置してもよい。OVパッド32、アノードパッド54およびカソードパッド55は、過電圧保護部30および温度センス部50の素子構造とともにエッジ終端領域102に配置してもよい。好ましくは、アノードパッド54およびカソードパッド55は、メイン半導体素子10の電流量の多い領域付近(例えば活性領域101の中央部)に配置されることがよい。   The current sensing unit 40 is configured using, for example, some unit cells of the main semiconductor element 10 in order to operate under the same conditions as the main semiconductor element 10. That is, the OC pad 48 is disposed in the effective area in the active area 101. The electrode pads other than the source pad 12 and the OC pad 48 may be arranged in an ineffective region (region not used as the active region 101) in the active region 101. Further, the gate pad 19 may be arranged in the edge termination region 102 (for example, about 100 μm in width). The OV pad 32, the anode pad 54, and the cathode pad 55 may be disposed in the edge termination region 102 together with the element structures of the overvoltage protection unit 30 and the temperature sensing unit 50. Preferably, the anode pad 54 and the cathode pad 55 are arranged in the vicinity of a region where the amount of current of the main semiconductor element 10 is large (for example, the central portion of the active region 101).

ソースパッド12以外の電極パッドを並列に配置する場合、その並び順は種々変更可能である。例えば、アノードパッド54とカソードパッド55との間に他の電極パッドが配置されていてもよい。図3では、アノードパッド54およびカソードパッド55を隣接して図示しているが、実際はアノードパッド54およびカソードパッド55は電気的に絶縁されている(図4〜9においても同様)。隣り合う電極パッド間の距離x1は、例えば500μm以下程度と狭くすることが可能である。チップサイズはメイン半導体素子10の電流能力が大きくなるほど大きくなる。チップサイズを5mm2とした場合、隣り合う電極パッド間の距離x1を500μm程度としたときに、直線状に1列に5つの電極パッドを配置可能である。チップサイズが小さくなるほど活性領域101の表面積が小さくなる。このため、各電極パッドを2列に配置してもよい。 When electrode pads other than the source pad 12 are arranged in parallel, the arrangement order can be variously changed. For example, another electrode pad may be disposed between the anode pad 54 and the cathode pad 55. In FIG. 3, the anode pad 54 and the cathode pad 55 are shown adjacent to each other, but actually, the anode pad 54 and the cathode pad 55 are electrically insulated (the same applies to FIGS. 4 to 9). The distance x1 between adjacent electrode pads can be as narrow as about 500 μm or less, for example. The chip size increases as the current capability of the main semiconductor element 10 increases. When the chip size is 5 mm 2 , five electrode pads can be arranged in a straight line when the distance x1 between adjacent electrode pads is about 500 μm. The surface area of the active region 101 decreases as the chip size decreases. For this reason, each electrode pad may be arranged in two rows.

演算回路部60は、上述したようにCMOS回路など複数の半導体素子で構成される。このため、演算回路部60は、演算回路部60を構成する複数の半導体素子のおもて面電極(ソース電極68等)の他に、演算部パッド69を備える。メイン半導体素子10と同一の炭化珪素基体100に演算回路部60を配置する場合、演算回路部60を構成する複数の半導体素子の素子構造(おもて面電極も含む)が活性領域101の有効領域に配置されていればよい。演算部パッド69は、活性領域101の有効領域および無効領域のいずれに配置してもよいし(図5)、エッジ終端領域102に配置してもよい。演算部パッド69を活性領域101に配置する場合、可能な限りエッジ終端領域102寄りに配置することが好ましい。図5には、図3に示す電極パッドの平面レイアウトに、活性領域101の、エッジ終端領域102との境界付近に演算部パッド69を追加した状態を示す。   The arithmetic circuit unit 60 is composed of a plurality of semiconductor elements such as CMOS circuits as described above. For this reason, the arithmetic circuit unit 60 includes an arithmetic unit pad 69 in addition to the front surface electrodes (source electrode 68 and the like) of the plurality of semiconductor elements constituting the arithmetic circuit unit 60. When the arithmetic circuit unit 60 is arranged on the same silicon carbide substrate 100 as the main semiconductor element 10, the element structure (including the front surface electrode) of a plurality of semiconductor elements constituting the arithmetic circuit unit 60 is effective for the active region 101. What is necessary is just to arrange | position to the area | region. The calculation unit pad 69 may be disposed in either the effective region or the invalid region of the active region 101 (FIG. 5) or may be disposed in the edge termination region 102. When the arithmetic unit pad 69 is disposed in the active region 101, it is preferable to dispose it as close to the edge termination region 102 as possible. FIG. 5 shows a state in which a calculation unit pad 69 is added near the boundary between the active region 101 and the edge termination region 102 in the planar layout of the electrode pad shown in FIG.

次に、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法について、例えば1200Vの耐圧クラスのメイン半導体素子10を作製する場合を例に説明する。まず、例えば2.0×1019/cm3の不純物濃度となるように窒素(N)などのn型不純物(ドーパント)をドーピングした炭化珪素単結晶のn+型炭化珪素基板(半導体ウエハ)1を用意する。n+型炭化珪素基板1のおもて面は、例えば<11−20>方向に4度程度のオフ角を有する(000−1)面であってもよい。次に、n+型炭化珪素基板1のおもて面に、例えば1.0×1016/cm3の不純物濃度となるように窒素などのn型不純物をドーピングしたn-型炭化珪素層2を例えば10μmの厚さでエピタキシャル成長させる。 Next, the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described by taking as an example the case where the main semiconductor element 10 having a withstand voltage class of 1200 V, for example, is manufactured. First, a silicon carbide single crystal n + -type silicon carbide substrate (semiconductor wafer) 1 doped with an n-type impurity (dopant) such as nitrogen (N) so as to have an impurity concentration of 2.0 × 10 19 / cm 3 , for example. Prepare. The front surface of n + -type silicon carbide substrate 1 may be, for example, a (000-1) plane having an off angle of about 4 degrees in the <11-20> direction. Next, on the front surface of the n + type silicon carbide substrate 1, an n type silicon carbide layer 2 doped with an n type impurity such as nitrogen so as to have an impurity concentration of 1.0 × 10 16 / cm 3 , for example. Is epitaxially grown to a thickness of 10 μm, for example.

次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入により、n-型炭化珪素層2の表面層にメイン半導体素子10の第1p型ベース領域3を選択的に形成する。このとき、メイン半導体素子10の第1p型ベース領域3とともに、メイン半導体素子10と同一の炭化珪素基体100に配置される回路部の同一構成のp型領域を形成する。具体的には、メイン半導体素子10と同一の炭化珪素基体100に配置される回路部のp型領域とは、例えば、過電圧保護部30のp型アノード領域31、電流センス部40の第1p型ベース領域41、温度センス部50のp型アノード領域51、および演算回路部60の第1p型ベース領域61等である。第1p型ベース領域3と深さや不純物濃度が異なる場合(例えば、過電圧保護部30のp型アノード領域31)、さらに、フォトリソグラフィおよびイオン注入を1組とする工程を繰り返し行えばよい。 Next, the first p-type base region 3 of the main semiconductor element 10 is selectively formed on the surface layer of the n -type silicon carbide layer 2 by photolithography and ion implantation. At this time, together with the first p-type base region 3 of the main semiconductor element 10, a p-type region having the same configuration of the circuit portion disposed on the same silicon carbide substrate 100 as the main semiconductor element 10 is formed. Specifically, the p-type region of the circuit unit disposed on the same silicon carbide substrate 100 as the main semiconductor element 10 is, for example, the p-type anode region 31 of the overvoltage protection unit 30 and the first p-type of the current sense unit 40. The base region 41, the p-type anode region 51 of the temperature sensing unit 50, the first p-type base region 61 of the arithmetic circuit unit 60, and the like. When the depth and impurity concentration are different from those of the first p-type base region 3 (for example, the p-type anode region 31 of the overvoltage protection unit 30), the process of photolithography and ion implantation as one set may be repeated.

次に、n-型炭化珪素層2の表面に、例えば2.0×1016/cm3の不純物濃度となるようにアルミニウムなどのp型不純物をドーピングしたp型炭化珪素層4を例えば0.5μmの厚さでエピタキシャル成長させる。ここまでの工程で、n+型炭化珪素基板1のおもて面上にn-型炭化珪素層2およびp型炭化珪素層4を順に積層してなる炭化珪素基体100が作製される。次に、フォトリソグラフィおよびイオン注入を1組とする工程を異なるイオン注入条件で繰り返し行うことで、n+型ソース領域5、p+型コンタクト領域6およびn型JFET領域7を形成する。n+型ソース領域5、p+型コンタクト領域6およびn型JFET領域7を形成する順序は種々変更可能である。このとき、これらの領域それぞれとともに、メイン半導体素子10と同一の炭化珪素基体100に配置される回路部の同一構成のn+型領域、p+型領域およびn型領域を形成する。 Next, the p-type silicon carbide layer 4 doped with p-type impurities such as aluminum on the surface of the n -type silicon carbide layer 2 to have an impurity concentration of 2.0 × 10 16 / cm 3 , for example, Epitaxial growth is performed with a thickness of 5 μm. Through the steps up to here, silicon carbide substrate 100 is fabricated by sequentially stacking n type silicon carbide layer 2 and p type silicon carbide layer 4 on the front surface of n + type silicon carbide substrate 1. Next, the n + -type source region 5, the p + -type contact region 6 and the n-type JFET region 7 are formed by repeatedly performing a process of combining photolithography and ion implantation under different ion implantation conditions. The order of forming the n + -type source region 5, the p + -type contact region 6 and the n-type JFET region 7 can be variously changed. At this time, an n + -type region, a p + -type region, and an n-type region having the same configuration of the circuit portion disposed on the same silicon carbide substrate 100 as the main semiconductor element 10 are formed together with each of these regions.

具体的には、メイン半導体素子10と同一の炭化珪素基体100に配置される回路部のn+型領域とは、例えば、電流センス部40のn+型ソース領域43および演算回路部60のn+型ソース領域63等である。メイン半導体素子10と同一の炭化珪素基体100に配置される回路部のp+型領域とは、例えば、電流センス部40のp+型コンタクト領域44および演算回路部60のp+型コンタクト領域64等である。メイン半導体素子10と同一の炭化珪素基体100に配置される回路部のn型領域とは、例えば、電流センス部40のn型JFET領域45、温度センス部50のn型カソード領域52および演算回路部60のn型JFET領域65等である。p型炭化珪素層4の、深さ方向に第1p型ベース領域41,61と対向する部分がそれぞれ電流センス部40の第2p型ベース領域42および演算回路部60の第2p型ベース領域62となる。 Specifically, the n + type region of the circuit unit disposed on the same silicon carbide substrate 100 as the main semiconductor element 10 is, for example, the n + type source region 43 of the current sense unit 40 and the n + type of the arithmetic circuit unit 60. + Type source region 63 and the like. The p + type region of the circuit portion arranged on the same silicon carbide substrate 100 as the main semiconductor element 10 is, for example, the p + type contact region 44 of the current sense unit 40 and the p + type contact region 64 of the arithmetic circuit unit 60. Etc. The n-type region of the circuit unit arranged on the same silicon carbide substrate 100 as the main semiconductor element 10 is, for example, the n-type JFET region 45 of the current sensing unit 40, the n-type cathode region 52 of the temperature sensing unit 50, and the arithmetic circuit. For example, the n-type JFET region 65 of the portion 60. The portions of the p-type silicon carbide layer 4 facing the first p-type base regions 41 and 61 in the depth direction are respectively the second p-type base region 42 of the current sensing unit 40 and the second p-type base region 62 of the arithmetic circuit unit 60. Become.

次に、イオン注入により炭化珪素基体100に形成した複数の領域を活性化させるための熱処理(アニール)を例えば1620℃程度の温度で2分間程度行う。次に、例えば、酸素(O2)ガスと水素(H2)ガスとの混合ガス雰囲気中における1000℃程度の温度の熱処理により炭化珪素基体100のおもて面を熱酸化し、例えば100nm程度の厚さでゲート絶縁膜を形成する。これにより、炭化珪素基体100のおもて面全面が絶縁膜で覆われる。この絶縁膜は、メイン半導体素子10のゲート絶縁膜8、電流センス部40のゲート絶縁膜46、演算回路部60のゲート絶縁膜66等となる。次に、絶縁膜上に、例えばリン(P)がドープされたポリシリコン層を形成する。次に、このポリシリコン層をパターニングして選択的に除去し、メイン半導体素子10のゲート電極9、電流センス部40のゲート電極47、演算回路部60のゲート電極67として残す。 Next, heat treatment (annealing) for activating a plurality of regions formed in the silicon carbide substrate 100 by ion implantation is performed at a temperature of, for example, about 1620 ° C. for about 2 minutes. Next, for example, the front surface of the silicon carbide substrate 100 is thermally oxidized by heat treatment at a temperature of about 1000 ° C. in a mixed gas atmosphere of oxygen (O 2 ) gas and hydrogen (H 2 ) gas, for example, about 100 nm. A gate insulating film is formed with a thickness of Thereby, the entire front surface of silicon carbide substrate 100 is covered with the insulating film. This insulating film becomes the gate insulating film 8 of the main semiconductor element 10, the gate insulating film 46 of the current sensing unit 40, the gate insulating film 66 of the arithmetic circuit unit 60, and the like. Next, a polysilicon layer doped with, for example, phosphorus (P) is formed on the insulating film. Next, this polysilicon layer is selectively removed by patterning, leaving the gate electrode 9 of the main semiconductor element 10, the gate electrode 47 of the current sensing unit 40, and the gate electrode 67 of the arithmetic circuit unit 60.

次に、炭化珪素基体100のおもて面全面に、ゲート電極9,47,67を覆うように、例えばリンガラス(PSG:Phospho Silicate Glass)などによる層間絶縁膜11を例えば1.0μmの厚さで成膜(形成)する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜8,46,66をパターニングしてメイン半導体素子10および各回路部のコンタクトホールを形成する。次に、熱処理(リフロー)により層間絶縁膜11を平坦化する。次に、例えばスパッタ法により、層間絶縁膜11を覆うように、窒化チタン膜21を形成(成膜)する。次に、例えばスパッタ法により、窒化チタン膜21の表面、コンタクトホールの側壁、およびコンタクトホールに露出する炭化珪素半導体部の表面に沿ってチタン膜22を形成する。   Next, an interlayer insulating film 11 made of, for example, phosphorous glass (PSG) is formed to have a thickness of, for example, 1.0 μm so as to cover the gate electrodes 9, 47, 67 on the entire front surface of the silicon carbide substrate 100. A film is formed (formed). Next, the interlayer insulating film 11 and the gate insulating films 8, 46, 66 are patterned by photolithography and etching to form the main semiconductor element 10 and contact holes for each circuit portion. Next, the interlayer insulating film 11 is planarized by heat treatment (reflow). Next, a titanium nitride film 21 is formed (deposited) so as to cover the interlayer insulating film 11 by, for example, sputtering. Next, a titanium film 22 is formed along the surface of the titanium nitride film 21, the side wall of the contact hole, and the surface of the silicon carbide semiconductor portion exposed in the contact hole, for example, by sputtering.

次に、例えばスパッタ法により、炭化珪素基体100の裏面(n+型炭化珪素基板1の裏面)に、裏面電極18となる例えばニッケル(Ni)膜を形成する。そして、例えば970℃の温度での熱処理により、チタン膜22により炭化珪素半導体部とのオーミック接合と、裏面電極18と炭化珪素基体100とのオーミック接合と、を形成する。次に、例えばスパッタ法により、チタン膜22上に窒化チタン膜23を形成する。次に、例えばスパッタ法により、窒化チタン膜23上にチタン膜24を形成する。次に、例えばスパッタ法により、チタン膜24上にアルミニウム膜25などアルミニウムを主材料とする金属膜を形成する。これら窒化チタン膜21、チタン膜22、窒化チタン膜23、チタン膜24およびアルミニウム膜25を積層することで、おもて面電極となる金属積層膜が形成される。 Next, for example, a nickel (Ni) film to be the back electrode 18 is formed on the back surface of the silicon carbide substrate 100 (the back surface of the n + -type silicon carbide substrate 1) by, for example, sputtering. Then, for example, by heat treatment at a temperature of 970 ° C., the titanium film 22 forms an ohmic junction with the silicon carbide semiconductor portion and an ohmic junction between the back electrode 18 and the silicon carbide substrate 100. Next, a titanium nitride film 23 is formed on the titanium film 22 by, eg, sputtering. Next, a titanium film 24 is formed on the titanium nitride film 23 by sputtering, for example. Next, a metal film mainly made of aluminum such as an aluminum film 25 is formed on the titanium film 24 by, for example, sputtering. By laminating the titanium nitride film 21, the titanium film 22, the titanium nitride film 23, the titanium film 24, and the aluminum film 25, a metal laminated film serving as a front electrode is formed.

次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、おもて面電極となる金属積層膜をパターニングする。このパターニングにより、金属積層膜の、ソースパッド12、ゲートパッド19、OVパッド32、OCパッド48、アノードパッド54、カソードパッド55、演算回路部60を構成する各半導体素子のおもて面電極および演算部パッド69等となる部分を所定の平面レイアウトで残す。次に、裏面電極18として形成したニッケル膜の表面に、裏面電極18となる例えばチタン膜、ニッケル膜および金(Au)膜を順に形成する。次に、各電極パッドのめっき膜13の形成領域以外の部分を第1保護膜16で覆う。このとき、各電極パッド間に第1保護膜16を埋め込み、電極パッド同士を電気的に絶縁する。第1保護膜16の形成前に、各電極パッド間に他の絶縁膜を埋め込んで、電極パッド同士を電気的に絶縁してもよい。   Next, the metal laminated film to be the front electrode is patterned by photolithography and etching. By this patterning, the front electrode of each semiconductor element constituting the source pad 12, the gate pad 19, the OV pad 32, the OC pad 48, the anode pad 54, the cathode pad 55, and the arithmetic circuit unit 60 of the metal laminated film A portion to be the calculation unit pad 69 or the like is left in a predetermined plane layout. Next, for example, a titanium film, a nickel film, and a gold (Au) film to be the back electrode 18 are sequentially formed on the surface of the nickel film formed as the back electrode 18. Next, a portion of each electrode pad other than the formation region of the plating film 13 is covered with the first protective film 16. At this time, the first protective film 16 is embedded between the electrode pads to electrically insulate the electrode pads from each other. Before the first protective film 16 is formed, another insulating film may be embedded between the electrode pads to electrically insulate the electrode pads from each other.

次に、第1保護膜16をマスクとして、各電極パッドの表面にめっき膜13を形成する。これにより、炭化珪素基体100のおもて面のほぼ全面がめっき膜13で選択的に覆われる。次に、第1保護膜16とめっき膜13との境界を第2保護膜17で覆う。次に、各電極パッドのめっき膜13上に端子ピン15を半田(半田膜14)接合する。その後、炭化珪素基体100をチップ状に切断(ダイシング)して個片化することで、図1,2,5に示すMOSFETが完成する。   Next, the plating film 13 is formed on the surface of each electrode pad using the first protective film 16 as a mask. Thereby, almost the entire front surface of silicon carbide substrate 100 is selectively covered with plating film 13. Next, the boundary between the first protective film 16 and the plating film 13 is covered with a second protective film 17. Next, the terminal pin 15 is soldered (solder film 14) on the plating film 13 of each electrode pad. Thereafter, the silicon carbide substrate 100 is cut (diced) into chips to obtain individual pieces, thereby completing the MOSFETs shown in FIGS.

以上、説明したように、実施の形態1によれば、同一の炭化珪素基体に設けたすべての電極パッドにめっき膜および半田膜を介して端子ピンを接合することで、高温度条件下で電極パッドとの密着性の低いボンディングワイヤを用いずに半導体装置を作製(製造)することができる。このため、例えば、炭化珪素等のワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置の動作温度である例えば200℃〜300℃程度(シリコン(Si)では150℃程度)の高温度条件下においても高い信頼性を確保することができる。また、ボンディングワイヤを用いないため、ボンディングワイヤの切断や、ボンディングワイヤの引き回しによる悪影響を回避することができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。   As described above, according to the first embodiment, the terminal pins are joined to all the electrode pads provided on the same silicon carbide substrate via the plating film and the solder film, so that the electrode can be used under a high temperature condition. A semiconductor device can be manufactured (manufactured) without using a bonding wire having low adhesion to the pad. For this reason, for example, high reliability even under a high temperature condition of, for example, about 200 ° C. to 300 ° C. (about 150 ° C. for silicon (Si)), which is the operating temperature of a semiconductor device using a wide band gap semiconductor such as silicon carbide. Can be secured. In addition, since no bonding wire is used, adverse effects caused by cutting the bonding wire or drawing the bonding wire can be avoided, and the reliability of the semiconductor device can be improved.

また、従来のようにボンディングワイヤを用いる場合、ソースパッド以外の電極パッドは、ワイヤボンディングしやすいように活性領域の、エッジ終端領域との境界付近に配置される。それに対して、実施の形態1によれば、端子ピンを用いるため、半導体チップの中央部に電極パッドを配置したとしても、電極パッドから電位を取り出すことができる。このため、電極パッドの配置の自由度が高い(電極パッドの配置に制約がない)。また、従来のようにボンディングワイヤを用いる場合、電極パッドのサイズ(表面積)や電極パッド間の距離(500μm超)に制約があり小さくすることが難しいため、半導体装置の小型化に限界がある。それに対して、実施の形態1によれば、端子ピンの直径を小さくしたり、電極パッド上にめっき膜を形成するための工程を最適化したりすることで、電極パッドのサイズを小さくすることができる。このため、従来よりもチップサイズを小さくすることができ、半導体装置の小型化が可能である。   Further, when bonding wires are used as in the prior art, electrode pads other than the source pads are arranged near the boundary between the active region and the edge termination region so that wire bonding is easy. On the other hand, according to the first embodiment, since the terminal pin is used, the potential can be taken out from the electrode pad even if the electrode pad is arranged at the center of the semiconductor chip. For this reason, the freedom degree of arrangement | positioning of an electrode pad is high (there is no restriction | limiting in the arrangement | positioning of an electrode pad). Further, when bonding wires are used as in the prior art, the size (surface area) of electrode pads and the distance between electrode pads (over 500 μm) are limited and difficult to reduce, so there is a limit to miniaturization of semiconductor devices. On the other hand, according to the first embodiment, the size of the electrode pad can be reduced by reducing the diameter of the terminal pin or by optimizing the process for forming the plating film on the electrode pad. it can. For this reason, the chip size can be made smaller than before, and the semiconductor device can be miniaturized.

(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる半導体装置の構造について説明する。図6〜9は、実施の形態2にかかる半導体装置の電極パッドの平面レイアウトの一例を示す平面図である。実施の形態2にかかる半導体装置は、ソースパッド12、ゲートパッド19、OVパッド32、OCパッド48、アノードパッド54、カソードパッド55および演算部パッド69の平面レイアウトの平面レイアウトが実施の形態1にかかる半導体装置と異なる。図6,7,9には、ソースパッド12、ゲートパッド19、OVパッド32、OCパッド48、アノードパッド54およびカソードパッド55の平面レイアウトを示す。図8には、ソースパッド12、ゲートパッド19、OVパッド32、OCパッド48、アノードパッド54、カソードパッド55および演算部パッド69の平面レイアウトを示す。
(Embodiment 2)
Next, the structure of the semiconductor device according to the second embodiment will be described. 6 to 9 are plan views illustrating an example of a planar layout of the electrode pads of the semiconductor device according to the second embodiment. In the semiconductor device according to the second embodiment, the planar layout of the source pad 12, the gate pad 19, the OV pad 32, the OC pad 48, the anode pad 54, the cathode pad 55, and the arithmetic unit pad 69 is the same as that of the first embodiment. Different from such a semiconductor device. 6, 7, and 9 show planar layouts of the source pad 12, the gate pad 19, the OV pad 32, the OC pad 48, the anode pad 54, and the cathode pad 55. FIG. 8 shows a planar layout of the source pad 12, the gate pad 19, the OV pad 32, the OC pad 48, the anode pad 54, the cathode pad 55, and the arithmetic unit pad 69.

図6〜9に示すように、活性領域101の、エッジ終端領域102との境界付近に、ソースパッド12以外の各電極パッドを配置してもよい。この場合、活性領域101の有効領域の、ソースパッド12以外の電極パッドを配置した領域を除く領域のほぼ全面に、1つのソースパッド12を配置してもよいし(図6)、2つのソースパッド12を配置してもよい(図7)。また、演算部パッド69は、ソースパッド12以外の他の電極パッドと可能な限り離して、かつ可能な限りエッジ終端領域102寄りに配置することが好ましい。具体的には、例えば、演算部パッド69と、ソースパッド12以外の他の電極パッドと、をそれぞれ半導体チップの対辺(頂点を共有しない辺)100a,100b寄りに配置してもよい(図8)。図8には、図6に示す電極パッドの平面レイアウトに、活性領域101の、エッジ終端領域102との境界付近に演算部パッド69を追加した状態を示す。   As shown in FIGS. 6 to 9, each electrode pad other than the source pad 12 may be arranged near the boundary between the active region 101 and the edge termination region 102. In this case, one source pad 12 may be disposed on almost the entire surface of the active region 101 excluding the region where the electrode pads other than the source pad 12 are disposed (FIG. 6). A pad 12 may be arranged (FIG. 7). Further, it is preferable that the calculation unit pad 69 be arranged as far as possible from other electrode pads other than the source pad 12 and as close to the edge termination region 102 as possible. Specifically, for example, the arithmetic unit pad 69 and the electrode pads other than the source pad 12 may be arranged near the opposite sides (sides that do not share the vertex) 100a and 100b of the semiconductor chip (FIG. 8). ). FIG. 8 shows a state in which a calculation unit pad 69 is added near the boundary between the active region 101 and the edge termination region 102 in the planar layout of the electrode pad shown in FIG.

また、図9に示すように、ソースパッド12を活性領域101の中央に配置し、ソースパッド12を挟み込むようにソースパッド12以外の電極パッドを2箇所に分けて配置してもよい。具体的には、例えば、ゲートパッド19およびOCパッド48と、OVパッド32、アノードパッド54およびカソードパッド55と、をそれぞれ半導体チップの対辺100c,100d寄りに配置する。そして、ゲートパッド19およびOCパッド48と、OVパッド32、アノードパッド54およびカソードパッド55と、の間にソースパッド12を配置してもよい。半導体チップの対辺100c,100dにそれぞれ配置する電極パッドの種類および個数は種々変更可能である。実施の形態1と同様に、ソースパッド12およびOCパッド48以外の各電極パッドをさらに外側、すなわちエッジ終端領域102に配置してもよい。   Further, as shown in FIG. 9, the source pad 12 may be arranged in the center of the active region 101, and the electrode pads other than the source pad 12 may be arranged in two places so as to sandwich the source pad 12. Specifically, for example, the gate pad 19 and the OC pad 48, the OV pad 32, the anode pad 54, and the cathode pad 55 are disposed near the opposite sides 100c and 100d of the semiconductor chip, respectively. The source pad 12 may be disposed between the gate pad 19 and the OC pad 48 and the OV pad 32, the anode pad 54, and the cathode pad 55. The type and number of electrode pads arranged on the opposite sides 100c and 100d of the semiconductor chip can be variously changed. Similarly to the first embodiment, each electrode pad other than the source pad 12 and the OC pad 48 may be arranged further outside, that is, in the edge termination region 102.

以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、従来の半導体装置では、活性領域の、エッジ終端領域との境界付近にソースパッド以外の電極パッドを配置している。このため、実施の形態2によれば、従来の半導体装置に本発明を適用し、各回路部の配置を変えずに小型化が可能である。   As described above, according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, in the conventional semiconductor device, electrode pads other than the source pad are arranged near the boundary between the active region and the edge termination region. Therefore, according to the second embodiment, the present invention can be applied to a conventional semiconductor device, and the size can be reduced without changing the arrangement of each circuit portion.

(実施の形態3)
次に、実施の形態3において、メイン半導体素子10および電流センス部40の各MOSゲート構造部の配置や諸条件の一例について説明する。図11は、実施の形態3にかかる半導体装置の平面レイアウトの一例を示す平面図である。図12は、図11の切断線Y1−Y1’における断面構造を示す断面図である。図13は、図11の切断線X1−X1’における断面構造を示す断面図である。図14は、図11の切断線Y1−Y1’における断面構造の別の一例を示す断面図である。ここでは、メイン半導体素子10と同一の炭化珪素基体100に、例えば、電流センス部40、温度センス部50およびゲートパッド部20を配置した場合を示すが、実施の形態1と同様に第1過電圧保護部や演算回路部を配置してもよい。
(Embodiment 3)
Next, in the third embodiment, an example of the arrangement and various conditions of the MOS gate structure portions of the main semiconductor element 10 and the current sense portion 40 will be described. FIG. 11 is a plan view illustrating an example of a planar layout of the semiconductor device according to the third embodiment. 12 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along the cutting line Y1-Y1 ′ of FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken along section line X1-X1 ′ of FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view showing another example of the cross-sectional structure taken along the cutting line Y1-Y1 ′ of FIG. Here, a case where, for example, a current sense unit 40, a temperature sense unit 50, and a gate pad unit 20 are arranged on the same silicon carbide substrate 100 as that of the main semiconductor element 10 is shown, but the first overvoltage is the same as in the first embodiment. You may arrange | position a protection part and an arithmetic circuit part.

図11に示すように、炭化珪素基体100のおもて面には、活性領域101に、ソースパッド(ソース電極)12、ゲートパッド19、OCパッド(ソース電極)48、アノードパッド(アノード電極)54およびカソードパッド(カソード電極)55が所定の平面レイアウトで設けられている。ソースパッド12の平面レイアウトは、要求される仕様に応じて種々変更可能である。例えば、ソースパッド12はソースパッド12以外のすべての電極パッドを囲む略矩形枠状の平面レイアウトに配置し、ソースパッド12以外の電極パッドは活性領域101の中央部に直線状に1列に配置してもよい。また、各電極パッドの平面レイアウトは、実施の形態1,2(図3〜9参照)と同様であってもよい。   As shown in FIG. 11, on the front surface of the silicon carbide substrate 100, there are an active region 101, a source pad (source electrode) 12, a gate pad 19, an OC pad (source electrode) 48, and an anode pad (anode electrode). 54 and a cathode pad (cathode electrode) 55 are provided in a predetermined plane layout. The planar layout of the source pad 12 can be variously changed according to required specifications. For example, the source pads 12 are arranged in a plane layout having a substantially rectangular frame shape surrounding all electrode pads other than the source pads 12, and the electrode pads other than the source pads 12 are arranged in a straight line in the center of the active region 101. May be. The planar layout of each electrode pad may be the same as in the first and second embodiments (see FIGS. 3 to 9).

図12に示すように、メイン半導体素子10の各MOSゲート構造部を構成する半導体領域は、活性領域101に配置される各電極パッドの平面レイアウトによらず、活性領域101全体にわたって所定のピッチx2で配置される。電流センス部40のMOSゲート構造部70bは、炭化珪素基体100にメイン半導体素子10として配置したMOSゲート構造部の一部を用いて構成される。電流センス部40のMOSゲート構造部70bは、後述する第2方向Yに隣り合うメイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aとのピッチx3を、メイン半導体素子10の各MOSゲート構造部70a間のピッチx2と等しくすることができる(x2=x3)。   As shown in FIG. 12, the semiconductor region constituting each MOS gate structure portion of the main semiconductor element 10 has a predetermined pitch x2 over the entire active region 101 regardless of the planar layout of each electrode pad arranged in the active region 101. It is arranged with. The MOS gate structure portion 70 b of the current sensing portion 40 is configured using a part of the MOS gate structure portion arranged as the main semiconductor element 10 on the silicon carbide substrate 100. The MOS gate structure portion 70b of the current sensing portion 40 has a pitch x3 with the MOS gate structure portion 70a of the main semiconductor element 10 adjacent in the second direction Y, which will be described later, between the MOS gate structure portions 70a of the main semiconductor element 10. It can be made equal to the pitch x2 (x2 = x3).

具体的には、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aは、p型ベース領域71、n+型ソース領域72、p+型コンタクト領域73、n型JFET領域74、ゲート絶縁膜75およびゲート電極76で構成される。p型ベース領域71は、炭化珪素基体100のおもて面側の表面層に選択的に設けられている。p型ベース領域71は、実施の形態1と同様に第1,2p型ベース領域で構成されていてもよい。p型ベース領域71の内部には、n+型ソース領域72およびp+型コンタクト領域73がそれぞれ選択的に設けられている。隣り合うp型ベース領域71間には、n型JFET領域74が設けられている。 Specifically, the MOS gate structure 70a of the main semiconductor element 10 includes a p-type base region 71, an n + -type source region 72, a p + -type contact region 73, an n-type JFET region 74, a gate insulating film 75, and a gate electrode. 76. The p-type base region 71 is selectively provided in the surface layer on the front surface side of the silicon carbide substrate 100. The p-type base region 71 may be composed of first and second p-type base regions as in the first embodiment. An n + type source region 72 and a p + type contact region 73 are selectively provided inside the p type base region 71, respectively. An n-type JFET region 74 is provided between adjacent p-type base regions 71.

これらp型ベース領域71、n+型ソース領域72、p+型コンタクト領域73およびn型JFET領域74は、ソースパッド12直下(深さ方向に対向する部分)だけでなく、活性領域101の全体にわたってソースパッド12直下以外の部分にも配置されている。すなわち、活性領域101全体が有効領域となる。p型ベース領域71、n+型ソース領域72およびp+型コンタクト領域73は、後述するようにソースパッド12とのコンタクト(電気的接触)のために、例えば基体おもて面に平行な方向に延びるストライプ状の平面レイアウトに配置されることが好ましい。p型ベース領域71は、活性領域101の全体にわたって例えば所定のピッチx2で等間隔に配置されていてもよい。 The p-type base region 71, n + -type source region 72, p + -type contact region 73 and n-type JFET region 74 are not only directly under the source pad 12 (parts facing in the depth direction) but also the entire active region 101. It is also arranged in a portion other than directly below the source pad 12. That is, the entire active region 101 becomes an effective region. The p-type base region 71, the n + -type source region 72, and the p + -type contact region 73 are, for example, in a direction parallel to the front surface of the base for contact (electrical contact) with the source pad 12 as will be described later. It is preferable to arrange in a striped planar layout extending in the horizontal direction. The p-type base regions 71 may be arranged at regular intervals, for example, at a predetermined pitch x2 over the entire active region 101.

+型ソース領域72、p+型コンタクト領域73およびn型JFET領域74は、ストライプ状のp型ベース領域71と同じ方向(以下、第1方向とする)Xに延びるストライプ状の平面レイアウトに配置される。n+型ソース領域72およびp+型コンタクト領域73は、ソースパッド12の直下の部分においてソースパッド12に接する。n+型ソース領域72およびp+型コンタクト領域73の、ゲートパッド19、アノードパッド54およびカソードパッド55の直下の部分は、図示省略する部分でソースパッド12に接する。炭化珪素基体100にメイン半導体素子10として配置したMOSゲート構造部のうち、OCパッド48直下の部分(深さ方向にドレイン側に対向する部分)が電流センス部40のMOSゲート構造部70bとして用いられ、それ以外の部分がメイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aとなる。 The n + -type source region 72, the p + -type contact region 73, and the n-type JFET region 74 have a striped planar layout extending in the same direction (hereinafter referred to as the first direction) X as the striped p-type base region 71. Be placed. The n + type source region 72 and the p + type contact region 73 are in contact with the source pad 12 at a portion immediately below the source pad 12. The portions immediately below the gate pad 19, the anode pad 54 and the cathode pad 55 of the n + type source region 72 and the p + type contact region 73 are in contact with the source pad 12 at a portion not shown. Of the MOS gate structure portion arranged as the main semiconductor element 10 on the silicon carbide substrate 100, the portion immediately below the OC pad 48 (the portion facing the drain side in the depth direction) is used as the MOS gate structure portion 70b of the current sensing portion 40. The other part becomes the MOS gate structure part 70 a of the main semiconductor element 10.

具体的には、ストライプ状のp型ベース領域71の少なくとも1本の一部が、電流センス部40のMOSゲート構造部70bを構成するp型ベース領域71となる。このため、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aと電流センス部40のMOSゲート構造部70bとは、第1方向Xに連続している(図13)。OCパッド48の直下の部分において、n+型ソース領域72およびp+型コンタクト領域73はOCパッド48に接する。OCパッド48は、ソースパッド12に対して数千分の1程度の大きさ(例えば20μm四方以上50μm四方程度)を有する。OCパッド48は、ストライプ状のp型ベース領域71の複数本に深さ方向に対向する幅(第1方向Xと直交する方向(以下、第2方向とする)Yの幅)で配置されていてもよい(図12)。 Specifically, at least one part of the striped p-type base region 71 becomes the p-type base region 71 constituting the MOS gate structure portion 70 b of the current sensing portion 40. For this reason, the MOS gate structure part 70a of the main semiconductor element 10 and the MOS gate structure part 70b of the current sense part 40 are continuous in the first direction X (FIG. 13). In the portion immediately below the OC pad 48, the n + type source region 72 and the p + type contact region 73 are in contact with the OC pad 48. The OC pad 48 has a size about one thousandth that of the source pad 12 (for example, about 20 μm square to about 50 μm square). The OC pad 48 is arranged in a width (a width of a direction perpendicular to the first direction X (hereinafter referred to as a second direction) Y) facing the plurality of stripe-shaped p-type base regions 71 in the depth direction. (FIG. 12).

ソースパッド12およびOCパッド48の直下において、p型ベース領域71の、n+型ソース領域72とn型JFET領域74とに挟まれた部分の表面上には、ゲート絶縁膜75を介してゲート電極76が設けられている。ゲート電極76は、層間絶縁膜77によりソースパッド12およびOCパッド48と電気的に絶縁されている。温度センス部50およびゲートパッド部20には、ゲート電極76は配置されていない。ゲートパッド19、アノードパッド54、カソードパッド55および後述する温度センス部50のダイオード80は、炭化珪素基体100のおもて面上の層間絶縁膜77および酸化膜78により、炭化珪素基体100と電気的に絶縁されている。 Immediately below the source pad 12 and the OC pad 48, the gate of the p-type base region 71 is sandwiched between the n + -type source region 72 and the n-type JFET region 74 via the gate insulating film 75. An electrode 76 is provided. Gate electrode 76 is electrically insulated from source pad 12 and OC pad 48 by interlayer insulating film 77. The gate electrode 76 is not disposed in the temperature sensing unit 50 and the gate pad unit 20. Gate pad 19, anode pad 54, cathode pad 55, and diode 80 of temperature sensing unit 50, which will be described later, are electrically connected to silicon carbide substrate 100 by interlayer insulating film 77 and oxide film 78 on the front surface of silicon carbide substrate 100. Is electrically insulated.

温度センス部50は、p型ポリシリコン層81とn型ポリシリコン層82との間のpn接合で形成されたダイオード80である。p型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82は、酸化膜78上に配置され、それぞれアノードパッド54およびカソードパッド55に接する。ゲートパッド19には、図示省略する部分で、MOSゲート構造部70a,70bのすべてのゲート電極76が電気的に接続されている。各電極パッドには、実施の形態1と同様に、それぞれめっき膜13および半田膜14を介して端子ピン(不図示)が接合されている。各電極パッドは、実施の形態1と同様に、第1,2保護膜16,17により互いに電気的に絶縁されている。   The temperature sensing unit 50 is a diode 80 formed by a pn junction between the p-type polysilicon layer 81 and the n-type polysilicon layer 82. The p-type polysilicon layer 81 and the n-type polysilicon layer 82 are disposed on the oxide film 78 and are in contact with the anode pad 54 and the cathode pad 55, respectively. All gate electrodes 76 of the MOS gate structure portions 70a and 70b are electrically connected to the gate pad 19 at portions not shown. As in the first embodiment, terminal pins (not shown) are joined to each electrode pad via a plating film 13 and a solder film 14, respectively. Each electrode pad is electrically insulated from each other by the first and second protective films 16 and 17 as in the first embodiment.

なお、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aを構成するp型ベース領域71は実施の形態1(図1,2参照)のメイン半導体素子10の第1,2p型ベース領域3,4aに相当し、p型ベース領域71以外の各部(符号72〜76)はそれぞれ実施の形態1のメイン半導体素子10の対応する各部(符号5〜9)に相当する。電流センス部40のMOSゲート構造部70bを構成するp型ベース領域71は実施の形態1の電流センス部40の第1,2p型ベース領域41,42に相当し、p型ベース領域71以外の各部(符号72〜76)はそれぞれ実施の形態1の電流センス部40の対応する各部(符号43〜47)に相当する。   The p-type base region 71 constituting the MOS gate structure 70a of the main semiconductor element 10 corresponds to the first and second p-type base regions 3 and 4a of the main semiconductor element 10 of the first embodiment (see FIGS. 1 and 2). The parts (reference numerals 72 to 76) other than the p-type base region 71 correspond to the corresponding parts (reference numerals 5 to 9) of the main semiconductor element 10 of the first embodiment. The p-type base region 71 constituting the MOS gate structure 70 b of the current sense unit 40 corresponds to the first and second p-type base regions 41 and 42 of the current sense unit 40 of the first embodiment, and other than the p-type base region 71. Each part (reference numerals 72 to 76) corresponds to each corresponding part (reference numerals 43 to 47) of the current sensing part 40 of the first embodiment.

このようにMOSゲート構造部70a,70bを構成する半導体領域を配置することで、活性領域101全体を有効領域とすることができる。かつ、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aの一部で電流センス部40のMOSゲート構造部70bを構成することで、メイン半導体素子10と電流センス部40とを分離するために通常配置される無効領域(例えば600μm幅〜300μm幅)がなくなる。これにより、半導体チップの縮小化を図ることができ、1枚の半導体ウエハから切断される半導体チップの収率が向上する。このため、結晶欠陥が多く存在する炭化珪素ウエハを用いる場合に特に有用である。   Thus, by arranging the semiconductor regions constituting the MOS gate structures 70a and 70b, the entire active region 101 can be made an effective region. In addition, the MOS gate structure 70b of the current sense unit 40 is configured by a part of the MOS gate structure 70a of the main semiconductor element 10 so that the main semiconductor element 10 and the current sense unit 40 are normally arranged. Ineffective areas (for example, 600 μm to 300 μm wide) disappear. As a result, the semiconductor chips can be reduced, and the yield of the semiconductor chips cut from one semiconductor wafer is improved. For this reason, it is particularly useful when using a silicon carbide wafer having many crystal defects.

また、メイン半導体素子10と電流センス部40とを分離する無効領域がなくなることで、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aと電流センス部40のMOSゲート構造部70bとをピッチを変えずに配置することができる。これにより、電流センス部40に流れ込むドリフト電流が低減することを抑制することができるため、電流センス部40の過電流検出精度が向上する。また、メイン半導体素子10と電流センス部40とを分離する無効領域がなくなることで、無効領域による特性劣化(例えばオン抵抗RonAが高くなるなど)を防止することができる。   Further, since there is no ineffective region separating the main semiconductor element 10 and the current sensing unit 40, the pitch between the MOS gate structure 70a of the main semiconductor element 10 and the MOS gate structure 70b of the current sensing unit 40 is not changed. Can be arranged. Thereby, since it is possible to suppress the drift current flowing into the current sense unit 40 from being reduced, the overcurrent detection accuracy of the current sense unit 40 is improved. In addition, since there is no invalid region that separates the main semiconductor element 10 and the current sensing unit 40, it is possible to prevent characteristic degradation (for example, the on-resistance RonA is increased) due to the invalid region.

また、炭化珪素半導体装置において、チップサイズが大きくなるほど(例えば8mm2以上)、ボンディングワイヤを用いた配線構造を採用することは難しく、端子ピンを用いた配線構造が採用される。また、従来の端子ピンを用いた配線構造では、メイン半導体素子と電流センス部とを分離する無効領域が多い。このため、実施の形態3は、チップサイズが大きい場合に特に有用である。メイン半導体素子10および電流センス部40ともにMOSFETであり、電流アンバランスが生じたとしても壊れにくい。このため、メイン半導体素子10と電流センス部40とを分離する無効領域を設けなくても特性上の問題は生じない。 Further, in a silicon carbide semiconductor device, as the chip size increases (for example, 8 mm 2 or more), it is difficult to adopt a wiring structure using bonding wires, and a wiring structure using terminal pins is adopted. Also, in the conventional wiring structure using terminal pins, there are many ineffective regions that separate the main semiconductor element and the current sensing portion. For this reason, Embodiment 3 is particularly useful when the chip size is large. Both the main semiconductor element 10 and the current sense unit 40 are MOSFETs, and even if current imbalance occurs, they are not easily broken. For this reason, there is no problem in characteristics even if an ineffective region for separating the main semiconductor element 10 and the current sensing unit 40 is not provided.

また、本発明においては、電極パッドに端子ピンが半田付けされるため、電流センス部40のMOSゲート構造部70bは、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aと異なる設計値に設定されることが好ましい。その理由は、次の通りである。電流センス部40は、メイン半導体素子10と同じ特性を有するように、メイン半導体素子10と同じ設計値に設計される。しかし、OCパッド48に半田付けされる端子ピン(不図示:図2の符号15)の直径がソースパッド12に半田付けされる端子ピン(不図示)の直径に比べて小さいことで、端子ピンの半田付け時、OCパッド48にはソースパッド12にかかる応力よりも大きい応力がかかる。   In the present invention, since the terminal pin is soldered to the electrode pad, the MOS gate structure portion 70b of the current sensing portion 40 is set to a design value different from the MOS gate structure portion 70a of the main semiconductor element 10. Is preferred. The reason is as follows. The current sense unit 40 is designed to have the same design value as the main semiconductor element 10 so as to have the same characteristics as the main semiconductor element 10. However, the terminal pin (not shown: reference numeral 15 in FIG. 2) soldered to the OC pad 48 is smaller than the diameter of the terminal pin (not shown) soldered to the source pad 12, so that the terminal pin During the soldering, the OC pad 48 is subjected to a stress larger than the stress applied to the source pad 12.

この端子ピンの半田付け時にかかる応力により、電流センス部40のゲート閾値電圧がメイン半導体素子10のゲート閾値電圧と異なる値になってしまうことが発明者らによって確認された。この場合、メイン半導体素子10と電流センス部40とが所定の電流比率で動作しなくなり、電流センス部40に大電流が流れやすい。これにより、電流センス部40の耐圧がメイン半導体素子10の耐圧よりも低下するため、電流センス部40の電圧利得(電圧増幅率)がメイン半導体素子10の電圧利得と同じになるようにする必要があるからである。そこで、例えば、電流センス部40のゲート閾値電圧がメイン半導体素子10のゲート閾値電圧に可能な限り近づくように、電流センス部40の初期設計値を変更する。   It has been confirmed by the inventors that the gate threshold voltage of the current sensing section 40 becomes different from the gate threshold voltage of the main semiconductor element 10 due to the stress applied when soldering the terminal pins. In this case, the main semiconductor element 10 and the current sense unit 40 do not operate at a predetermined current ratio, and a large current tends to flow through the current sense unit 40. As a result, the withstand voltage of the current sense unit 40 is lower than the withstand voltage of the main semiconductor element 10, so that the voltage gain (voltage amplification factor) of the current sense unit 40 must be the same as the voltage gain of the main semiconductor element 10. Because there is. Therefore, for example, the initial design value of the current sense unit 40 is changed so that the gate threshold voltage of the current sense unit 40 is as close as possible to the gate threshold voltage of the main semiconductor element 10.

具体的には、例えば、電流センス部40のゲートしきい値電圧を変化させる変数の一つであるチャネル長L2を初期設計値(すなわちメイン半導体素子10のチャネル長L1)と異なる設計値に変更すればよい。電流センス部40のチャネル長L2の設計値の変更方法は、次の通りである。まず、初期設計値に基づいて予め作製したまたはシミュレーションした半導体装置から、メイン半導体素子10と電流センス部40とのゲート閾値電圧のずれを取得する。このメイン半導体素子10と電流センス部40とのゲート閾値電圧のずれに基づいて、電流センス部40のチャネル長L2を再算出する。そして、この再算出値に基づく新たな設計値で最終的に製品となる半導体装置を作製すればよい。   Specifically, for example, the channel length L2, which is one of the variables for changing the gate threshold voltage of the current sense unit 40, is changed to a design value different from the initial design value (that is, the channel length L1 of the main semiconductor element 10). do it. The method for changing the design value of the channel length L2 of the current sensing unit 40 is as follows. First, a shift in the gate threshold voltage between the main semiconductor element 10 and the current sensing unit 40 is acquired from a semiconductor device that has been fabricated or simulated in advance based on the initial design value. Based on the shift of the gate threshold voltage between the main semiconductor element 10 and the current sensing unit 40, the channel length L2 of the current sensing unit 40 is recalculated. Then, a semiconductor device that finally becomes a product may be manufactured with a new design value based on the recalculated value.

電流センス部40のチャネル長L2の再算出においては、端子ピンの半田付け時にOCパッド48にかかる応力により変化した電流センス部40のゲート閾値電圧がメイン半導体素子10のゲート閾値電圧に近づくように算出すればよい。端子ピンの半田付け時の応力により生じるメイン半導体素子10と電流センス部40とのゲート閾値電圧のずれは、通常1V程度であり、再現性を有する。このため、再算出した電流センス部40のチャネル長L2に基づく新たな設計値で最終的に製品となる半導体装置を作製することで、電流センス部40のゲート閾値電圧を所定の許容誤差でメイン半導体素子10のゲート閾値電圧に近づけた半導体装置を容易に作製することができる。   In the recalculation of the channel length L2 of the current sense unit 40, the gate threshold voltage of the current sense unit 40, which has changed due to the stress applied to the OC pad 48 when the terminal pin is soldered, approaches the gate threshold voltage of the main semiconductor element 10. What is necessary is just to calculate. The deviation of the gate threshold voltage between the main semiconductor element 10 and the current sense unit 40 caused by the stress at the time of soldering the terminal pins is usually about 1 V, and has reproducibility. For this reason, the gate threshold voltage of the current sense unit 40 is set to a main level with a predetermined tolerance by manufacturing a semiconductor device that will eventually become a product with a new design value based on the channel length L2 of the recalculated current sense unit 40. A semiconductor device close to the gate threshold voltage of the semiconductor element 10 can be easily manufactured.

このように、メイン半導体素子10と電流センス部40とのゲート閾値電圧のずれに基づいて電流センス部40のチャネル長L2を再算出して設定することで、電流センス部40の耐圧を向上させることができる。メイン半導体素子10と電流センス部40とのゲート閾値電圧のずれの許容誤差は、例えば±0.5V程度ある。仮に、端子ピンの半田付け時にOCパッド48にかかる応力により電流センス部40のゲート閾値電圧が変化したとしても、電流センス部40の耐圧がメイン半導体素子10の耐圧以上であったとする。この場合には、電流センス部40のチャネル長L2を再算出せずに、初期設計値で最終的に製品となる半導体装置を作製すればよい。   Thus, the withstand voltage of the current sensing unit 40 is improved by recalculating and setting the channel length L2 of the current sensing unit 40 based on the shift in the gate threshold voltage between the main semiconductor element 10 and the current sensing unit 40. be able to. An allowable error of the deviation of the gate threshold voltage between the main semiconductor element 10 and the current sense unit 40 is, for example, about ± 0.5V. Even if the gate threshold voltage of the current sense unit 40 changes due to stress applied to the OC pad 48 when soldering the terminal pins, it is assumed that the breakdown voltage of the current sense unit 40 is equal to or higher than the breakdown voltage of the main semiconductor element 10. In this case, a semiconductor device that finally becomes a product may be manufactured with an initial design value without recalculating the channel length L2 of the current sense unit 40.

図14に示すように、ゲートパッド19、アノードパッド54およびカソードパッド55の直下は、MOSゲート構造部70aを構成する半導体領域を配置せずに無効領域としてもよい。この場合、MOSゲート構造部は、第1方向Xに延びるストライプ状の平面レイアウトに配置されてもよいし、マトリクス状の平面レイアウトに配置されていてもよい。MOSゲート構造部をストライプ状の平面レイアウトに配置する場合、p型ベース領域71、n+型ソース領域72、p+型コンタクト領域73およびn型JFET領域74は、活性領域101内の有効領域に、第1方向Xに延びるストライプ状の平面レイアウトに配置される。 As shown in FIG. 14, immediately below the gate pad 19, the anode pad 54, and the cathode pad 55, a semiconductor region that constitutes the MOS gate structure 70a may be disposed without being disposed. In this case, the MOS gate structure may be arranged in a stripe-like planar layout extending in the first direction X, or may be arranged in a matrix-like planar layout. When the MOS gate structure is arranged in a striped planar layout, the p-type base region 71, the n + -type source region 72, the p + -type contact region 73 and the n-type JFET region 74 are effective regions in the active region 101. Are arranged in a striped planar layout extending in the first direction X.

MOSゲート構造部をマトリクス状の平面レイアウトに配置する場合、p型ベース領域71は、活性領域101の有効領域に、マトリクス状の平面レイアウトに配置される。p+型コンタクト領域73はp型ベース領域71の中央部付近に配置され、n+型ソース領域72はp+型コンタクト領域73の周囲を囲む平面レイアウトに配置される。n型JFET領域74は、隣り合うp型ベース領域71間を通る格子状の平面レイアウトに配置される。ゲートパッド19、アノードパッド54およびカソードパッド55の直下には、隣接するメイン半導体素子10または電流センス部40を構成するp型ベース領域71およびp+型コンタクト領域73が延在していてもよい。 When the MOS gate structure is arranged in a matrix-like planar layout, the p-type base region 71 is arranged in a matrix-like planar layout in the effective area of the active region 101. The p + type contact region 73 is arranged near the center of the p type base region 71, and the n + type source region 72 is arranged in a planar layout surrounding the periphery of the p + type contact region 73. The n-type JFET region 74 is arranged in a lattice-like planar layout passing between adjacent p-type base regions 71. A p-type base region 71 and a p + -type contact region 73 constituting the adjacent main semiconductor element 10 or current sensing unit 40 may extend immediately below the gate pad 19, the anode pad 54, and the cathode pad 55. .

実施の形態3においては、炭化珪素基体100にメイン半導体素子10として配置したMOSゲート構造部の一部が電流センス部40のMOSゲート構造部70bとして用いられる。かつメイン半導体素子10と電流センス部40との電圧利得を可能な限り近づけるように電流センス部40のチャネル長L2が設定される。この条件を満たすことができれば、例えば、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aと、電流センス部40のMOSゲート構造部70bと、が異なる平面レイアウトで配置されていてもよい。   In the third embodiment, a part of the MOS gate structure portion arranged as main semiconductor element 10 on silicon carbide substrate 100 is used as MOS gate structure portion 70b of current sensing portion 40. In addition, the channel length L2 of the current sensing unit 40 is set so that the voltage gain between the main semiconductor element 10 and the current sensing unit 40 is as close as possible. As long as this condition can be satisfied, for example, the MOS gate structure 70a of the main semiconductor element 10 and the MOS gate structure 70b of the current sensing unit 40 may be arranged in different planar layouts.

以上、説明したように、実施の形態3によれば、実施の形態1,2と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態3によれば、活性領域全体にわたってMOSゲート構造部を構成する半導体領域を配置し、その一部で電流センス部を構成することで、半導体チップの縮小化や、1枚の半導体ウエハから切断される半導体チップの収率向上、メイン半導体素子の電流能力向上などを図ることができる。また、実施の形態3によれば、電流センス部のゲート閾値電圧がメイン半導体素子のゲート閾値電圧に近づくように電流センス部のチャネル長を設定することで、電流センス部の耐圧がメイン半導体素子の耐圧よりも低下することを防止することができる。   As described above, according to the third embodiment, the same effect as in the first and second embodiments can be obtained. Further, according to the third embodiment, the semiconductor region constituting the MOS gate structure portion is arranged over the entire active region, and the current sense portion is constituted by a part of the semiconductor region, thereby reducing the size of the semiconductor chip and It is possible to improve the yield of semiconductor chips cut from the semiconductor wafer, improve the current capability of the main semiconductor element, and the like. Further, according to the third embodiment, the channel length of the current sense unit is set so that the gate threshold voltage of the current sense unit approaches the gate threshold voltage of the main semiconductor element, so that the withstand voltage of the current sense unit is reduced to the main semiconductor element. It is possible to prevent the voltage from falling below the withstand voltage.

(実施の形態4)
次に、実施の形態4にかかる半導体装置の構造について説明する。図15は、実施の形態4にかかる半導体装置の要部の平面レイアウトを示す平面図である。図16,17は、実施の形態4にかかる半導体装置の構造の一例を示す断面図である。ここでは、実施の形態4にかかる半導体装置の平面レイアウトは実施の形態3と同様とするが(図11参照)、実施の形態1と同様に第1過電圧保護部や演算回路部を配置してもよい。図15には、図11のOCパッド48付近の平面レイアウトを示す。図16には、図11の切断線Y1−Y1’における断面構造を示す。図17には、図11の切断線X1−X1’における断面構造を示す。
(Embodiment 4)
Next, the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment will be described. FIG. 15 is a plan view showing a planar layout of the main part of the semiconductor device according to the fourth embodiment. 16 and 17 are sectional views showing an example of the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment. Here, the planar layout of the semiconductor device according to the fourth embodiment is the same as that of the third embodiment (see FIG. 11), but the first overvoltage protection unit and the arithmetic circuit unit are arranged as in the first embodiment. Also good. FIG. 15 shows a planar layout near the OC pad 48 of FIG. FIG. 16 shows a cross-sectional structure taken along the cutting line Y1-Y1 ′ of FIG. FIG. 17 shows a cross-sectional structure taken along the cutting line X1-X1 ′ in FIG.

実施の形態4にかかる半導体装置が実施の形態3にかかる半導体装置と異なる点は、メイン半導体素子10の一部に、電流センス部40を過電圧から保護するための第2過電圧保護部90を備える点である。   The semiconductor device according to the fourth embodiment is different from the semiconductor device according to the third embodiment in that a part of the main semiconductor element 10 includes a second overvoltage protection unit 90 for protecting the current sense unit 40 from overvoltage. Is a point.

具体的には、図15に示すように、第2過電圧保護部90は、電流センス部40の周囲を囲む例えば略矩形枠状に配置される。図15において、第2過電圧保護部90は二つの太破線枠で囲まれた部分である。例えば、p型ベース領域71がストライプ状の平面レイアウトに配置されているとする。第2方向Yにおいて最も電流センス部40側のp型ベース領域71aと、当該p型ベース領域71a間に配置されたp型ベース領域71bと、は、第2方向Yに平行なp型領域(以下、p型ベース連結部とする)71cで連結されている。p型ベース連結部71cは、例えば、p型ベース領域71と同じ深さおよび不純物濃度を有し、p型ベース領域71として機能する。   Specifically, as shown in FIG. 15, the second overvoltage protection unit 90 is arranged in, for example, a substantially rectangular frame shape surrounding the current sensing unit 40. In FIG. 15, the second overvoltage protection unit 90 is a portion surrounded by two thick broken line frames. For example, it is assumed that the p-type base region 71 is arranged in a striped planar layout. The p-type base region 71a closest to the current sense unit 40 in the second direction Y and the p-type base region 71b disposed between the p-type base regions 71a are p-type regions parallel to the second direction Y ( (Hereinafter referred to as a p-type base connecting portion) 71c. The p-type base coupling portion 71 c has, for example, the same depth and impurity concentration as the p-type base region 71 and functions as the p-type base region 71.

p型ベース連結部71cは、p型ベース領域71の、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aとなる部分同士を連結しており、深さ方向ZにOCパッド48に対向しない。また、p型ベース連結部71cは、電流センス部40を挟むように2本配置される。すなわち、第2方向Yにおいて最も電流センス部40側のp型ベース領域71aと、p型ベース連結部71cと、で形成される矩形枠内に電流センス部40が配置される。第2過電圧保護部90は、第2方向Yにおいて最も電流センス部40側のp型ベース領域71aと、p型ベース連結部71cと、に沿った略矩形枠状の平面レイアウトに配置され、p型ベース領域71aおよびp型ベース連結部71cに深さ方向に対向する。図15には、MOSゲート構造部の、p型ベース領域71およびn型JFET領域以外の構成部を図示省略する。   The p-type base connection portion 71 c connects the portions of the p-type base region 71 that become the MOS gate structure portion 70 a of the main semiconductor element 10, and does not face the OC pad 48 in the depth direction Z. In addition, two p-type base coupling portions 71 c are arranged so as to sandwich the current sensing portion 40. That is, the current sense unit 40 is arranged in a rectangular frame formed by the p-type base region 71a closest to the current sense unit 40 in the second direction Y and the p-type base coupling unit 71c. The second overvoltage protection unit 90 is arranged in a substantially rectangular frame-like planar layout along the p-type base region 71a closest to the current sense unit 40 in the second direction Y and the p-type base coupling portion 71c. It faces the mold base region 71a and the p-type base connecting part 71c in the depth direction. In FIG. 15, components other than the p-type base region 71 and the n-type JFET region of the MOS gate structure are not shown.

図示省略するが、第2過電圧保護部90は、電流センス部40の周囲を囲む略同心円状に配置されてもよい。この場合、電流センス部40を挟んで隣り合う少なくとも2本ずつのp型ベース連結部71cが第2方向Yに延びるストライプ状の平面レイアウトに配置される。これら4本以上のp型ベース連結部71cと、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aとなるp型ベース領域71(p型ベース領域71aを含む)と、で電流センス部40の周囲を囲む同心円状の平面レイアウトが形成される。そして、これら4本以上のp型ベース連結部71cと、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aとなるp型ベース領域71(p型ベース領域71aを含む)と、に沿った同心円状の平面レイアウトに第2過電圧保護部90が配置されればよい。   Although not shown, the second overvoltage protection unit 90 may be arranged in a substantially concentric circle surrounding the current sensing unit 40. In this case, at least two p-type base coupling portions 71c adjacent to each other with the current sensing portion 40 interposed therebetween are arranged in a striped planar layout extending in the second direction Y. These four or more p-type base connection portions 71c and the p-type base region 71 (including the p-type base region 71a) that becomes the MOS gate structure portion 70a of the main semiconductor element 10 surround the current sensing portion 40. A concentric planar layout is formed. A concentric plane along these four or more p-type base coupling portions 71c and a p-type base region 71 (including the p-type base region 71a) to be the MOS gate structure 70a of the main semiconductor element 10 is provided. The second overvoltage protection unit 90 may be arranged in the layout.

図16,17に示すように、第2過電圧保護部90は、n型またはp型の第1半導体領域(第3半導体領域)91で構成される。第1半導体領域91は、n-型炭化珪素層2(ドリフト領域)の、p型ベース領域71よりもドレイン側に深い部分に、n-型炭化珪素層2とn+型炭化珪素基板1との界面に達しない深さで選択的に設けられている。第1半導体領域91は、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aを構成するp型ベース領域71のうち、最も電流センス部40側のp型ベース領域71に深さ方向Zに対向し、当該p型ベース領域71に接する(図16)。かつ、第1半導体領域91は、p型ベース連結部71cに深さ方向Zに対向し、p型ベース連結部71cに接する(図17)。 As shown in FIGS. 16 and 17, the second overvoltage protection unit 90 includes an n-type or p-type first semiconductor region (third semiconductor region) 91. First semiconductor region 91 includes n type silicon carbide layer 2, n + type silicon carbide substrate 1, and n type silicon carbide layer 2 (drift region) at a portion deeper on the drain side than p type base region 71. It is selectively provided at a depth that does not reach the interface. The first semiconductor region 91 is opposed to the p-type base region 71 closest to the current sensing unit 40 in the depth direction Z among the p-type base regions 71 constituting the MOS gate structure 70a of the main semiconductor element 10, and It contacts the p-type base region 71 (FIG. 16). The first semiconductor region 91 is opposed to the p-type base coupling portion 71c in the depth direction Z and is in contact with the p-type base coupling portion 71c (FIG. 17).

また、上述したように第2過電圧保護部90が電流センス部40の周囲を囲む略同心円状に配置されるとする。図示省略するが、この場合、第1半導体領域91は、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aを構成するp型ベース領域71のうち、第2方向Yに隣り合う複数本のp型ベース領域71に深さ方向Zに対向する位置にそれぞれ配置されればよい。   Further, it is assumed that the second overvoltage protection unit 90 is arranged in a substantially concentric circle surrounding the current sensing unit 40 as described above. Although not shown, in this case, the first semiconductor region 91 is a plurality of p-type base regions adjacent to each other in the second direction Y among the p-type base regions 71 constituting the MOS gate structure 70 a of the main semiconductor element 10. 71 may be disposed at a position facing the depth direction Z.

電流センス部40の寸法はメイン半導体素子10に対して千分の一程度と大幅に小さく、通常、電流センス部40にはメイン半導体素子10に比べて過電圧やサージがかかりやすい。このため、第1半導体領域91を設けた部分で、メイン半導体素子10の耐圧を電流センス部40の耐圧よりも低くする。これにより、メイン半導体素子10は、第1半導体領域91を設けた部分で過電圧を吸収しやすい構造となるため、電流センス部40に過電圧がかかることを抑制することができる。第1半導体領域91の導電型(n型,p型)は設計条件に基づいて種々変更可能である。n型の第1半導体領域91を配置する場合、第1半導体領域91の不純物濃度は、ドリフト領域(n-型炭化珪素層2)の不純物濃度よりも高くする。 The size of the current sense unit 40 is significantly smaller than that of the main semiconductor element 10, and normally, the current sense unit 40 is more likely to be overvoltage or surge than the main semiconductor element 10. For this reason, the breakdown voltage of the main semiconductor element 10 is made lower than the breakdown voltage of the current sensing unit 40 in the portion where the first semiconductor region 91 is provided. As a result, the main semiconductor element 10 has a structure that easily absorbs overvoltage at the portion where the first semiconductor region 91 is provided, so that it is possible to suppress the overvoltage from being applied to the current sensing unit 40. The conductivity type (n-type, p-type) of the first semiconductor region 91 can be variously changed based on design conditions. When n-type first semiconductor region 91 is arranged, the impurity concentration of first semiconductor region 91 is made higher than the impurity concentration of the drift region (n type silicon carbide layer 2).

n型の第1半導体領域91を配置した場合、p型ベース領域71と第1半導体領域91との間のpn接合からドレイン側に広がる空乏層の延びが抑制される。このため、第1半導体領域91を設けた部分におけるメイン半導体素子10の耐圧が低くなる。p型の第1半導体領域91を配置した場合、p型ベース領域71とドリフト領域との間のpn接合よりもドレイン側に深い位置に、第1半導体領域91とドリフト領域との間のpn接合が形成される。このため、第1半導体領域91とドリフト領域との間のpn接合に電界集中しやすく、第1半導体領域91を設けた部分におけるメイン半導体素子10の耐圧が低くなる。このように、第1半導体領域91の導電型に依らず、第1半導体領域91を設けた部分におけるメイン半導体素子10の耐圧を電流センス部40の耐圧よりも低くすることができる。   When the n-type first semiconductor region 91 is disposed, the extension of the depletion layer extending from the pn junction between the p-type base region 71 and the first semiconductor region 91 to the drain side is suppressed. For this reason, the breakdown voltage of the main semiconductor element 10 in the portion where the first semiconductor region 91 is provided is lowered. When the p-type first semiconductor region 91 is arranged, the pn junction between the first semiconductor region 91 and the drift region is located deeper on the drain side than the pn junction between the p-type base region 71 and the drift region. Is formed. For this reason, the electric field is easily concentrated on the pn junction between the first semiconductor region 91 and the drift region, and the breakdown voltage of the main semiconductor element 10 in the portion where the first semiconductor region 91 is provided is lowered. In this manner, the breakdown voltage of the main semiconductor element 10 in the portion where the first semiconductor region 91 is provided can be made lower than the breakdown voltage of the current sensing unit 40 regardless of the conductivity type of the first semiconductor region 91.

また、第1半導体領域91の内部に、p型ベース領域71に接するように、第2半導体領域92が選択的に設けられていてもよい。第2半導体領域(第3半導体領域)92の導電型(n型,p型)は設計条件に基づいて種々変更可能である。例えば、第2半導体領域92は、第1半導体領域91と同導電型で、かつ第1半導体領域91と不純物濃度の異なる半導体領域であってもよい。また、第2半導体領域92は、第1半導体領域91と異なる導電型であってもよい。メイン半導体素子10が第1半導体領域91を設けた部分で過電圧を吸収しやすい構造になればよく、第1半導体領域91の導電型や、第2半導体領域92を設けるか否かは設計条件に基づいて種々変更可能である。例えば、n型の第1半導体領域91のみで第2過電圧保護部90を構成する場合が最も過電圧を吸収しやすい構造となる。   Further, the second semiconductor region 92 may be selectively provided in the first semiconductor region 91 so as to be in contact with the p-type base region 71. The conductivity type (n-type, p-type) of the second semiconductor region (third semiconductor region) 92 can be variously changed based on design conditions. For example, the second semiconductor region 92 may be a semiconductor region having the same conductivity type as that of the first semiconductor region 91 and having a different impurity concentration from that of the first semiconductor region 91. The second semiconductor region 92 may have a conductivity type different from that of the first semiconductor region 91. It suffices if the main semiconductor element 10 has a structure that easily absorbs overvoltage at the portion where the first semiconductor region 91 is provided, and the design type depends on the conductivity type of the first semiconductor region 91 and whether or not the second semiconductor region 92 is provided. Various changes can be made based on this. For example, when the second overvoltage protection unit 90 is configured only by the n-type first semiconductor region 91, the structure that absorbs the overvoltage is the easiest.

また、互いに導電型の異なる第1,2半導体領域91,92で第2過電圧保護部90を構成する場合、第1,2半導体領域91,92内をソース側に広がる空乏層の延びが早くなり、過電圧を吸収する速度が速くなる。このため、第2過電圧保護部90を設けた部分でのメイン半導体素子10のブレイクダウンを早めることができる。p型の第1半導体領域91の内部にn型の第2半導体領域92を配置する場合、第2半導体領域92の厚さt1で過電圧を吸収する速度が決まる。n型の第1半導体領域91の内部にp型の第2半導体領域92を配置する場合、第1半導体領域91の、ドリフト領域と第2半導体領域92とに挟まれた部分t2で過電圧を吸収する速度が決まる。   In addition, when the second overvoltage protection unit 90 is configured by the first and second semiconductor regions 91 and 92 having different conductivity types, the depletion layer extending in the source side in the first and second semiconductor regions 91 and 92 is accelerated. The speed of absorbing overvoltage is increased. For this reason, breakdown of the main semiconductor element 10 at the portion where the second overvoltage protection unit 90 is provided can be accelerated. When the n-type second semiconductor region 92 is disposed inside the p-type first semiconductor region 91, the speed t2 of absorbing the overvoltage is determined by the thickness t1 of the second semiconductor region 92. When the p-type second semiconductor region 92 is disposed inside the n-type first semiconductor region 91, the overvoltage is absorbed by the portion t <b> 2 sandwiched between the drift region and the second semiconductor region 92 in the first semiconductor region 91. The speed to do is decided.

第1,2半導体領域91,92は、イオン注入により形成可能である。このため、上述した実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法において、それぞれ1回のイオン注入工程を追加するだけで、第2過電圧保護部90を容易に配置することができる。第1,2半導体領域91,92を形成するためのイオン注入工程は、イオン注入の加速電圧を適宜設定すれば、通常イオン注入工程を実施可能ないずれのタイミングで行ってもよい。例えば、基体おもて面からp型ベース領域71よりも深い所定位置にのみ第1,2半導体領域91,92が形成されるようにイオン注入の加速電圧を設定することで、p型ベース領域71の形成後であっても、第1,2半導体領域91,92を形成することができる。   The first and second semiconductor regions 91 and 92 can be formed by ion implantation. For this reason, in the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment described above, the second overvoltage protection unit 90 can be easily disposed only by adding one ion implantation step. The ion implantation process for forming the first and second semiconductor regions 91 and 92 may be performed at any timing at which the normal ion implantation process can be performed as long as the ion implantation acceleration voltage is appropriately set. For example, the acceleration voltage for ion implantation is set so that the first and second semiconductor regions 91 and 92 are formed only at a predetermined position deeper than the p-type base region 71 from the front surface of the base, thereby forming the p-type base region. Even after 71 is formed, the first and second semiconductor regions 91 and 92 can be formed.

第1,2半導体領域91,92は、それぞれ、イオン注入条件(導電型、深さ、不純物濃度)の同じ他の半導体領域と同時に形成されてもよい。また、第1,2半導体領域91,92を形成するためのイオン注入工程は、多段イオン注入(加速電圧およびドーズ量の異なる複数回のイオン注入)であってもよい。図示省略するが、第1,2半導体領域91,92の平面形状は種々変更可能であり、例えば略矩形状や三角形状、円形状であってもよい。   The first and second semiconductor regions 91 and 92 may be formed simultaneously with other semiconductor regions having the same ion implantation conditions (conductivity type, depth, impurity concentration). The ion implantation process for forming the first and second semiconductor regions 91 and 92 may be multistage ion implantation (multiple ion implantations with different acceleration voltages and doses). Although not shown, the planar shapes of the first and second semiconductor regions 91 and 92 can be variously changed, and may be, for example, a substantially rectangular shape, a triangular shape, or a circular shape.

図18は、実施の形態4にかかる半導体装置の構造の別の一例を示す断面図である。図18に示すように、ゲートパッド19、アノードパッド54およびカソードパッド55の直下は、MOSゲート構造部70aを構成する半導体領域を配置せずに無効領域としてもよい。この場合、電流センス部40のMOSゲート構造部70bの周囲を囲むように、メイン半導体素子10のMOSゲート構造部70aが配置される。第1半導体領域91の配置は、上述した通りである。ソースパッド12は、OCパッド48の周囲のみを囲む平面レイアウトに配置される。OCパッド48以外の電極パッドは、OCパッド48と異なる部分で、その周囲をソースパッド12に囲まれていてもよい。   FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating another example of the structure of the semiconductor device according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 18, immediately below the gate pad 19, the anode pad 54, and the cathode pad 55, a semiconductor region that constitutes the MOS gate structure 70a may be disposed as an invalid region. In this case, the MOS gate structure portion 70a of the main semiconductor element 10 is disposed so as to surround the periphery of the MOS gate structure portion 70b of the current sense portion 40. The arrangement of the first semiconductor region 91 is as described above. The source pad 12 is arranged in a planar layout surrounding only the periphery of the OC pad 48. The electrode pad other than the OC pad 48 may be surrounded by the source pad 12 at a portion different from the OC pad 48.

以上、説明したように、実施の形態4によれば、実施の形態1〜3と同様の効果を得ることができる。実施の形態4によれば、メイン半導体素子の、電流センス部に隣り合う部分に設けた第1,2半導体領域により過電圧を吸収する構造とすることができるため、電流センス部を過電圧から保護することができる。   As described above, according to the fourth embodiment, the same effects as in the first to third embodiments can be obtained. According to the fourth embodiment, since the overvoltage can be absorbed by the first and second semiconductor regions provided in the portion adjacent to the current sensing portion of the main semiconductor element, the current sensing portion is protected from the overvoltage. be able to.

以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した各実施の形態では、ソースパッド以外の電極パッドを複数配置しているが、ソースパッドの他に1つの電極パッドを配置した構成であっても半導体装置の信頼性を向上させることができる。メイン半導体素子をプレーナゲート型MOSFETとした場合を例に説明しているが、バイポーラトランジスタやIGBT、トレンチゲート型半導体装置などさまざまな素子構造の半導体装置をメイン半導体素子とすることが可能である。メイン半導体素子と同一の半導体チップに配置する半導体素子は、メイン半導体素子を保護・制御するための回路部に限らず種々変更可能である。また、各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、本発明は、窒化ガリウム(GaN)などの他のワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置や、シリコンを用いた半導体装置においても同様の効果を奏する。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in each of the above-described embodiments, a plurality of electrode pads other than the source pad are arranged, but the reliability of the semiconductor device can be improved even in a configuration in which one electrode pad is arranged in addition to the source pad. Can do. Although the case where the main semiconductor element is a planar gate type MOSFET has been described as an example, semiconductor devices having various element structures such as bipolar transistors, IGBTs, and trench gate type semiconductor devices can be used as the main semiconductor element. The semiconductor element disposed on the same semiconductor chip as the main semiconductor element is not limited to the circuit unit for protecting and controlling the main semiconductor element, and can be variously changed. Various dimensions and impurity concentrations are set in accordance with required specifications. The present invention also has the same effect in a semiconductor device using another wide band gap semiconductor such as gallium nitride (GaN) or a semiconductor device using silicon. In each embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, in the present invention, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. It holds.

以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、スイッチングデバイスとして用いられる半導体装置に有用であり、特に炭化珪素を用いた半導体装置に適している。   As described above, the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention are useful for a semiconductor device used as a switching device, and are particularly suitable for a semiconductor device using silicon carbide.

1 n+型炭化珪素基板
2 n-型炭化珪素層
3,4a,41,42,61,62,71 p型ベース領域
4 p型炭化珪素層
5,43,63,72 n+型ソース領域
6,44,64,73 p+型コンタクト領域
7,45,65,74 n型JFET領域
8,46,66,75 ゲート絶縁膜
9,47,67,76 ゲート電極
47a ゲート電極の一部
10 メイン半導体素子
11,77 層間絶縁膜
12 ソース電極(ソースパッド)
13 めっき膜
14 半田膜
15 端子ピン
16,17 保護膜
18 裏面電極
19 ゲートパッド
20 ゲートパッド部
21,23 窒化チタン膜
22,24 チタン膜
25 アルミニウム膜
30,90 過電圧保護部
31,51 p型アノード領域
32 アノード電極(OVパッド)
33,53 pn接合
40 電流センス部
48 ソース電極(OCパッド)
49 センス抵抗
50 温度センス部
52 n型カソード領域
54 アノード電極(アノードパッド)
55 カソード電極(カソードパッド)
60 演算回路部
68 ソース電極
69 演算部パッド
70a,70b MOSゲート構造部
70c ストライプ状に延びる1本のp型ベース領域の、メイン半導体素子のMOSゲート構造部となる部分の電流センス部寄りの部分
78 酸化膜
80 ダイオード
81 p型ポリシリコン層
82 n型ポリシリコン層
91,92 過電圧保護部を構成するn型またはp型の半導体領域
100 炭化珪素基体
100a〜100d 炭化珪素基体の辺
101 活性領域
102 エッジ終端領域
103 活性領域の、ソースパッド間に挟まれた部分
L1,L2 チャネル長
t1,t2 過電圧保護部を構成する半導体領域の厚さ
x1 隣り合う電極パッド間の距離
x2,x3 MOSゲート構造部のピッチ
1 n + type silicon carbide substrate 2 n type silicon carbide layer 3, 4a, 41, 42, 61, 62, 71 p type base region 4 p type silicon carbide layer 5, 43, 63, 72 n + type source region 6 , 44, 64, 73 p + -type contact region 7, 45, 65, 74 n-type JFET region 8, 46, 66, 75 Gate insulating film 9, 47, 67, 76 Gate electrode 47a Part of gate electrode 10 Main semiconductor Element 11, 77 Interlayer insulating film 12 Source electrode (source pad)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 Plating film 14 Solder film 15 Terminal pin 16,17 Protective film 18 Back surface electrode 19 Gate pad 20 Gate pad part 21,23 Titanium nitride film 22,24 Titanium film 25 Aluminum film 30,90 Overvoltage protective part 31,51 P-type anode Region 32 Anode electrode (OV pad)
33, 53 pn junction 40 Current sensing part 48 Source electrode (OC pad)
49 Sense resistor 50 Temperature sensing part 52 N-type cathode region 54 Anode electrode (anode pad)
55 Cathode electrode (cathode pad)
60 arithmetic circuit part 68 source electrode 69 arithmetic part pad 70a, 70b MOS gate structure part 70c One p-type base region extending in a stripe shape near the current sense part of the part that becomes the MOS gate structure part of the main semiconductor element 78 oxide film 80 diode 81 p-type polysilicon layer 82 n-type polysilicon layer 91, 92 n-type or p-type semiconductor region constituting an overvoltage protection unit 100 silicon carbide substrate 100a to 100d side of silicon carbide substrate 101 active region 102 Edge termination region 103 Part of active region sandwiched between source pads L1, L2 Channel length t1, t2 Thickness of semiconductor region constituting overvoltage protection unit x1 Distance between adjacent electrode pads x2, x3 MOS gate structure Pitch of

Claims (17)

シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる同一の半導体基板に配置された複数の半導体素子と、
前記半導体基板のおもて面に所定の平面レイアウトに配置され、前記複数の半導体素子にそれぞれ電気的に接続された複数の電極パッドと、
を備え、
前記電極パッドの電位を外部に取り出す端子ピンを、すべての前記電極パッド上にそれぞれめっき膜を介して半田接合したことを特徴とする半導体装置。
A plurality of semiconductor elements arranged on the same semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon;
A plurality of electrode pads disposed in a predetermined planar layout on the front surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the plurality of semiconductor elements,
With
A semiconductor device, wherein terminal pins for taking out the potential of the electrode pads to the outside are solder-bonded to all of the electrode pads, respectively, through a plating film.
前記複数の半導体素子を、
主動作を行う第1半導体素子と、
前記第1半導体素子を保護または制御する1つ以上の第2半導体素子と、で構成したことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The plurality of semiconductor elements;
A first semiconductor element performing a main operation;
The semiconductor device according to claim 1, comprising: one or more second semiconductor elements that protect or control the first semiconductor element.
複数の前記第2半導体素子それぞれに電気的に接続された前記電極パッドを、主電流が流れる活性領域の中央部に配置した平面レイアウトを有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device has a planar layout in which the electrode pads electrically connected to each of the plurality of second semiconductor elements are arranged in a central portion of an active region through which a main current flows. 前記第2半導体素子は2つ以上配置されており、
2つ以上の前記第2半導体素子それぞれに電気的に接続された前記電極パッドを直線状に1列に配置した平面レイアウトを有することを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置。
Two or more of the second semiconductor elements are arranged,
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device has a planar layout in which the electrode pads electrically connected to each of the two or more second semiconductor elements are arranged in a line in a straight line. 5.
前記第2半導体素子は2つ以上配置されており、
2つ以上の前記第2半導体素子それぞれに電気的に接続された前記電極パッドを、前記第1半導体素子に電気的に接続された前記電極パッドを挟んで2箇所に分けて配置した平面レイアウトを有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
Two or more of the second semiconductor elements are arranged,
A planar layout in which the electrode pads electrically connected to each of the two or more second semiconductor elements are arranged in two portions with the electrode pads electrically connected to the first semiconductor elements in between; The semiconductor device according to claim 2, further comprising:
前記第2半導体素子は、
過電圧から前記第1半導体素子を保護する第1過電圧保護部、
前記第1半導体素子に流れる電流を検出する電流センス部、
前記第1半導体素子の温度を検出する温度センス部、
または、前記第1半導体素子を制御する演算回路部、であることを特徴とする請求項2〜5のいずれか一つに記載の半導体装置。
The second semiconductor element is:
A first overvoltage protection unit protecting the first semiconductor element from overvoltage;
A current sensing unit for detecting a current flowing in the first semiconductor element;
A temperature sensing unit for detecting a temperature of the first semiconductor element;
The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device is an arithmetic circuit unit that controls the first semiconductor element.
前記第1半導体素子は、
第1導電型の前記半導体基板のおもて面側に設けられた第2導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の内部に選択的に設けられた第1導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域の、前記第2半導体領域と前記半導体基板との間の領域に接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第1半導体領域の反対側に設けられたゲート電極と、
前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に接する第1電極と、
前記半導体基板の裏面に接する第2電極と、を有し、
前記第1電極を、前記第1半導体素子に電気的に接続された前記電極パッドとしたことを特徴とする請求項2〜6のいずれか一つに記載の半導体装置。
The first semiconductor element includes:
A first semiconductor region of a second conductivity type provided on the front surface side of the semiconductor substrate of the first conductivity type;
A second semiconductor region of a first conductivity type selectively provided inside the first semiconductor region;
A gate insulating film provided in contact with a region of the first semiconductor region between the second semiconductor region and the semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the opposite side of the first semiconductor region across the gate insulating film;
A first electrode in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region;
A second electrode in contact with the back surface of the semiconductor substrate,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the first electrode is the electrode pad that is electrically connected to the first semiconductor element.
シリコンよりもバンドギャップの広い半導体は、炭化珪素であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor having a wider band gap than silicon is silicon carbide. 前記第1半導体素子の素子構造と、前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造と、は所定ピッチで配置されていることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。   7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the element structure of the first semiconductor element and the element structure of the second semiconductor element to be the current sensing portion are arranged at a predetermined pitch. 前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造は、前記第1半導体素子の素子構造の一部で構成されていることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。   10. The semiconductor device according to claim 9, wherein an element structure of the second semiconductor element serving as the current sensing portion is configured by a part of the element structure of the first semiconductor element. 前記第1半導体素子の素子構造は絶縁ゲート構造であり、
前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造は絶縁ゲート構造であり、
前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造のチャネル長は、前記電流センス部となる前記第2半導体素子の素子構造と前記第1半導体素子の素子構造とが同じゲート閾値電圧になるように設定されていることを特徴とする請求項9または10に記載の半導体装置。
The element structure of the first semiconductor element is an insulated gate structure,
The element structure of the second semiconductor element serving as the current sensing portion is an insulated gate structure,
The channel length of the element structure of the second semiconductor element serving as the current sensing part is the same gate threshold voltage as the element structure of the second semiconductor element serving as the current sensing part and the element structure of the first semiconductor element. The semiconductor device according to claim 9, wherein the semiconductor device is set as follows.
前記第1半導体素子は、
第1導電型の前記半導体基板のおもて面側に設けられた第2導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域の内部に選択的に設けられた第1導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体領域の、前記第2半導体領域と前記半導体基板との間の領域に接して設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第1半導体領域の反対側に設けられたゲート電極と、
前記第1半導体領域および前記第2半導体領域に接する第1電極と、
前記半導体基板の裏面に接する第2電極と、を有し、
前記第1電極を、前記第1半導体素子に電気的に接続された前記電極パッドとしたことを特徴とする請求項9または10に記載の半導体装置。
The first semiconductor element includes:
A first semiconductor region of a second conductivity type provided on the front surface side of the semiconductor substrate of the first conductivity type;
A second semiconductor region of a first conductivity type selectively provided inside the first semiconductor region;
A gate insulating film provided in contact with a region of the first semiconductor region between the second semiconductor region and the semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the opposite side of the first semiconductor region across the gate insulating film;
A first electrode in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor region;
A second electrode in contact with the back surface of the semiconductor substrate,
The semiconductor device according to claim 9, wherein the first electrode is the electrode pad electrically connected to the first semiconductor element.
前記第1半導体領域および前記第2半導体領域は、前記第1半導体素子に電気的に接続された前記電極パッド、および、複数の前記第2半導体素子それぞれに電気的に接続された前記電極パッド、に深さ方向に対向する所定のレイアウトに配置されていることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。   The first semiconductor region and the second semiconductor region include the electrode pad electrically connected to the first semiconductor element, and the electrode pad electrically connected to each of the plurality of second semiconductor elements, The semiconductor device according to claim 12, wherein the semiconductor device is arranged in a predetermined layout opposite to each other in the depth direction. 前記第1半導体領域および前記第2半導体領域の、前記電流センス部となる前記第2半導体素子に電気的に接続された前記電極パッドに深さ方向に対向する部分で前記電流センス部が構成されていることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置。   The current sensing portion is configured by a portion of the first semiconductor region and the second semiconductor region facing the electrode pad that is electrically connected to the second semiconductor element serving as the current sensing portion in the depth direction. The semiconductor device according to claim 13. 前記第1半導体素子は、
前記半導体基板のおもて面から前記第1半導体領域よりも深い位置に選択的に設けられ、かつ当該第1半導体領域に接する第3半導体領域をさらに有し、
前記第3半導体領域は、前記第1半導体領域の、前記電流センス部となる部分に隣り合うように配置されていることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
The first semiconductor element includes:
A third semiconductor region that is selectively provided at a position deeper than the first semiconductor region from the front surface of the semiconductor substrate and is in contact with the first semiconductor region;
The semiconductor device according to claim 14, wherein the third semiconductor region is disposed adjacent to a portion of the first semiconductor region that becomes the current sensing portion.
前記第3半導体領域の内部に、前記第3半導体領域と導電型の異なる第4半導体領域が選択的に設けられていることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。   16. The semiconductor device according to claim 15, wherein a fourth semiconductor region having a conductivity type different from that of the third semiconductor region is selectively provided inside the third semiconductor region. シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる同一の半導体基板に配置された複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子にそれぞれ電気的に接続された複数の電極パッドと、を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板のおもて面側に、前記複数の半導体素子の素子構造をそれぞれ形成する工程と、
前記半導体基板のおもて面上に、複数の前記素子構造のコンタクト領域に接する金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を選択的に除去して、前記複数の半導体素子にそれぞれ電気的に接続された複数の前記電極パッドを前記半導体基板のおもて面に所定の平面レイアウトに配置する工程と、
前記電極パッドの電位を外部に取り出す端子ピンを、すべての前記電極パッド上にそれぞれめっき膜を介して半田接合する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Manufacturing of a semiconductor device comprising a plurality of semiconductor elements arranged on the same semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider bandgap than silicon, and a plurality of electrode pads electrically connected to the plurality of semiconductor elements, respectively. A method,
Forming each of the plurality of semiconductor element element structures on the front surface side of the semiconductor substrate;
Forming a metal film in contact with a plurality of contact regions of the element structure on the front surface of the semiconductor substrate;
Selectively removing the metal film and disposing a plurality of the electrode pads electrically connected to the plurality of semiconductor elements on a front surface of the semiconductor substrate in a predetermined planar layout; and
A step of solder-bonding terminal pins for taking out the potential of the electrode pads to the outside via plating films on all the electrode pads;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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