特開 2024-169153 炭化珪素半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024169153

(43)【公開日】2024-12-05

(54)【発明の名称】炭化珪素半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20241128BHJP

【ＦＩ】

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023086381

(22)【出願日】2023-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】内田 光亮

(57)【要約】

【課題】パッド間の電位差を小さくできる炭化珪素半導体装置を提供する。
【解決手段】炭化珪素半導体装置は、第１主面と、前記第１主面と反対の第２主面とを有する炭化珪素基板と、前記第１主面の上に設けられる電極と、前記電極の上に設けられ、主電流が流れる第１パッドと、前記電極の上に設けられ、前記電極の電位を検出するための第２パッドと、前記第１パッドと前記第２パッドとを電気的に接続するボンディングワイヤと、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１主面と、前記第１主面と反対の第２主面とを有する炭化珪素基板と、
前記第１主面の上に設けられる電極と、
前記電極の上に設けられ、主電流が流れる第１パッドと、
前記電極の上に設けられ、前記電極の電位を検出するための第２パッドと、
前記第１パッドと前記第２パッドとを電気的に接続するボンディングワイヤと、
を備える、炭化珪素半導体装置。

【請求項2】

前記第２パッドは、絶縁膜によって前記第１パッドから隔てられるように設けられる、
請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。

【請求項3】

前記ボンディングワイヤは、第１端と、前記第１端と反対の第２端と、前記第１端と前記第２端との間の中間部とを有し、
前記中間部が前記第１パッドまたは前記第２パッドに接合される、
請求項１または請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。

【請求項4】

前記第１パッドに接合される金属板を更に備え、
前記ボンディングワイヤは、第１端と、前記第１端と反対の第２端と、前記第１端と前記第２端との間の中間部とを有し、
前記中間部が前記第２パッドまたは前記金属板に接合される、
請求項１または請求項２に記載の炭化珪素半導体装置。

【請求項5】

第１主面と、前記第１主面と反対の第２主面とを有する炭化珪素基板と、
前記第１主面の上に設けられる電極と、
前記電極の上に設けられ、主電流が流れる第１パッドと、
前記電極の上に設けられ、前記電極の電位を検出するための第２パッドと、
前記第１パッドおよび前記第２パッドと接合される金属板と、
を備える、炭化珪素半導体装置。

【請求項6】

前記第１パッドと前記第２パッドとは、一体として形成される、
請求項５に記載の炭化珪素半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、炭化珪素半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

主電流が流れるソースパッドとは別に、ソース電位を検出するための基準電位パッドが設けられたスイッチング素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１７０８２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来のスイッチング素子では、ソースパッドと基準電位パッドとの間の抵抗に起因してソースパッドと基準電位パッドとの間に電位差が生じる。

【0005】

本開示は、パッド間の電位差を小さくできる炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の炭化珪素半導体装置は、第１主面と、前記第１主面と反対の第２主面とを有する炭化珪素基板と、前記第１主面の上に設けられる電極と、前記電極の上に設けられ、主電流が流れる第１パッドと、前記電極の上に設けられ、前記電極の電位を検出するための第２パッドと、前記第１パッドと前記第２パッドとを電気的に接続するボンディングワイヤと、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、パッド間の電位差を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態に係る炭化珪素半導体装置を示す上面図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る炭化珪素半導体装置を示す断面図である。

【図3】図３は、第２実施形態に係る炭化珪素半導体装置を示す断面図である。

【図4】図４は、第３実施形態に係る炭化珪素半導体装置を示す断面図である。

【図5】図５は、第４実施形態に係る炭化珪素半導体装置を示す断面図である。

【図6】図６は、参考例に係る炭化珪素半導体装置を示す上面図である。

【図7】図７は、参考例に係る炭化珪素半導体装置を示す断面図である。

【図8】図８は、パッド間の距離とパッド間の電位差との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施するための形態について、以下に説明する。

【0010】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。

【0011】

〔１〕 本開示の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、第１主面と、前記第１主面と反対の第２主面とを有する炭化珪素基板と、前記第１主面の上に設けられる電極と、前記電極の上に設けられ、主電流が流れる第１パッドと、前記電極の上に設けられ、前記電極の電位を検出するための第２パッドと、前記第１パッドと前記第２パッドとを電気的に接続するボンディングワイヤと、を備える。この場合、電極よりも低抵抗なボンディングワイヤによって第１パッドと第２パッドとが電気的に接続されるので、第１パッドと第２パッドとの間の抵抗が低くなる。このため、第１パッドと第２パッドとの間の電位差を小さくできる。

【0012】

〔２〕 〔１〕において、前記第２パッドは、絶縁膜によって前記第１パッドから隔てられるように設けられてもよい。この場合、第１パッドと第２パッドの接合位置の視認性が改善される。また、パッド内で溶融した接合材料がもう一方のパッドに流れ出すことを防ぐことができる。

【0013】

〔３〕 〔１〕または〔２〕において、前記ボンディングワイヤは、第１端と、前記第１端と反対の第２端と、前記第１端と前記第２端との間の中間部とを有し、前記中間部が前記第１パッドまたは前記第２パッドに接合されてもよい。この場合、第１パッドと第２パッドとを接続した後にボンディングワイヤを切断せずに別端子に接続できる。

【0014】

〔４〕 〔１〕または〔２〕において、前記第１パッドに接合される金属板を更に備え、前記ボンディングワイヤは、第１端と、前記第１端と反対の第２端と、前記第１端と前記第２端との間の中間部とを有し、前記中間部が前記第２パッドまたは前記金属板に接合されてもよい。この場合、電極よりも低抵抗な金属板およびボンディングワイヤによって第１パッドと第２パッドとが電気的に接続されるので、第１パッドと第２パッドとの間の抵抗が低くなる。このため、第１パッドと第２パッドとの間の電位差を小さくできる。

【0015】

〔５〕 本開示の他の一態様に係る炭化珪素半導体装置は、第１主面と、前記第１主面と反対の第２主面とを有する炭化珪素基板と、前記第１主面の上に設けられる電極と、前記電極の上に設けられ、主電流が流れる第１パッドと、前記電極の上に設けられ、前記電極の電位を検出するための第２パッドと、前記第１パッドおよび前記第２パッドと接合される金属板と、を備える。この場合、電極よりも低抵抗な金属板によって第１パッドと第２パッドとが電気的に接続されるので、第１パッドと第２パッドとの間の抵抗が低くなる。このため、第１パッドと第２パッドとの間の電位差を小さくできる。

【0016】

〔６〕 〔５〕において、前記第１パッドと前記第２パッドとは、一体として形成されてもよい。この場合、第１パッドと第２パッドとがほぼ同電位となる。

【0017】

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。

【0018】

（第１実施形態）
図１および図２を参照し、第１実施形態に係る炭化珪素半導体装置１について説明する。図１は、第１実施形態に係る炭化珪素半導体装置１を示す上面図である。図２は、第１実施形態に係る炭化珪素半導体装置１を示す断面図である。図２は、図１中のＡ－Ａ線に沿った断面に相当する。

【0019】

炭化珪素半導体装置１は、絶縁基板１０と、ソース電極パターン１３と、ドレイン電極パターン１４と、ゲート信号電極パターン１５と、ソース信号電極パターン１６とを有する。炭化珪素半導体装置１は、更に、半導体素子２０と、ソース用リードフレーム３１と、ゲート用リードフレーム３２と、ボンディングワイヤ３３とを備える。

【0020】

絶縁基板１０は、上面１０ａと、上面１０ａと反対の下面１０ｂとを有する。ソース電極パターン１３、ドレイン電極パターン１４、ゲート信号電極パターン１５およびソース信号電極パターン１６は、上面１０ａに設けられる。絶縁基板１０の材料は、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。ソース電極パターン１３、ドレイン電極パターン１４、ゲート信号電極パターン１５およびソース信号電極パターン１６の材料は、例えば銅（Ｃｕ）である。ソース電極パターン１３はソース端子に接続され、ドレイン電極パターン１４はドレイン端子に接続され、ゲート信号電極パターン１５はゲート端子に接続され、ソース信号電極パターン１６は補助ソース端子に接続される。補助ソース端子は、ソースセンス端子またはケルビンソース端子とよばれることもある。

【0021】

半導体素子２０は、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）である。半導体素子２０は、炭化珪素基板２１と、ソース配線２２と、ソースパッド電極２３と、ドレインパッド電極２４と、ゲートパッド電極２５と、ソース信号パッド電極２６と、パッシベーション膜２７とを有する。

【0022】

炭化珪素基板２１は、上面２１ａと、上面２１ａと反対の下面２１ｂとを有する。炭化珪素基板２１は、炭化珪素単結晶基板と、炭化珪素単結晶基板の上に形成された炭化珪素エピタキシャル層とを含んでいてもよい。

【0023】

ソース配線２２は、上面２１ａに設けられる。ソース配線２２の材料は、例えばＡｌＣｕである。ソースパッド電極２３、ソース信号パッド電極２６およびパッシベーション膜２７は、ソース配線２２の上に設けられる。ソース信号パッド電極２６は、パッシベーション膜２７によってソースパッド電極２３から隔てられるように設けられる。この場合、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６の接合位置の視認性が改善される。また、パッド内で溶融した接合材料がもう一方のパッドに流れ出すことを防ぐことができる。ゲートパッド電極２５は、上面２１ａに設けられる。ゲートパッド電極２５は、パッシベーション膜２７によってソースパッド電極２３およびソース信号パッド電極２６から隔てられるように設けられる。ドレインパッド電極２４は、下面２１ｂに設けられる。ソースパッド電極２３、ドレインパッド電極２４、ゲートパッド電極２５およびソース信号パッド電極２６は、例えばニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）および金（Ａｕ）の積層体により構成される。パッシベーション膜２７は、ソースパッド電極２３とゲートパッド電極２５とソース信号パッド電極２６とを電気的に絶縁する。パッシベーション膜２７は、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）とポリイミドの積層体により構成される。

【0024】

半導体素子２０は、ドレイン電極パターン１４の上に設けられる。半導体素子２０のドレインパッド電極２４は、はんだ等の導電性接合材４１によりドレイン電極パターン１４に接合される。

【0025】

ソース用リードフレーム３１は、ソース電極パターン１３とソースパッド電極２３とを電気的に接続する。ソース用リードフレーム３１は、はんだ等の導電性接合材４２によりソースパッド電極２３に接合される。ソース用リードフレーム３１の材料は、例えば銅（Ｃｕ）、銅合金である。ソース用リードフレーム３１の代わりに、ボンディングワイヤが用いられてもよい。

【0026】

ゲート用リードフレーム３２は、ゲート信号電極パターン１５とゲートパッド電極２５とを電気的に接続する。ゲート用リードフレーム３２は、はんだ等の導電性接合材によりゲートパッド電極２５に接合される。ゲート用リードフレーム３２の材料は、例えば銅、銅合金である。ゲート用リードフレーム３２の代わりに、ボンディングワイヤが用いられてもよい。

【0027】

ボンディングワイヤ３３は、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とを電気的に接続する。ボンディングワイヤ３３は、ソース配線２２よりも低抵抗である。このため、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６との間の抵抗が低くなる。これにより、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６との間の電位差を小さくできる。その結果、半導体素子２０内におけるゲート・ソース間電圧の均一性を高めることができる。ボンディングワイヤ３３の材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）である。

【0028】

ボンディングワイヤ３３は、第１端３３ａと、第１端と反対の第２端３３ｂと、第１端３３ａと第２端３３ｂとの間の中間部３３ｃとを有する。第１端３３ａはソースパッド電極２３に接続され、中間部３３ｃはソース信号パッド電極２６に接続される。この場合、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とを接続した後にボンディングワイヤ３３を切断せずに第２端３３ｂをソース信号電極パターン１６に接続できる。

【0029】

ボンディングワイヤ３３は、第１端３３ａがソース信号パッド電極２６に接続され、中間部３３ｃがソースパッド電極２３に接続されてもよい。この場合、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とを接続した後にボンディングワイヤ３３を切断せずに第２端３３ｂを別端子に接続できる。ボンディングワイヤ３３は、第１端３３ａがソースパッド電極２３に接続され、第２端３３ｂがソース信号パッド電極２６に接続されてもよい。

【0030】

（第２実施形態）
図３を参照し、第２実施形態に係る炭化珪素半導体装置２について説明する。図３は、第２実施形態に係る炭化珪素半導体装置２を示す断面図である。図３は、図１中のＡ－Ａ線に沿った断面に相当する。

【0031】

炭化珪素半導体装置２は、主にボンディングワイヤ３３の第１端３３ａがソース信号パッド電極２６に接続され、中間部３３ｃがソース用リードフレーム３１に接続される構成において、炭化珪素半導体装置１と異なる。他の構成については、炭化珪素半導体装置１と同様である。以下、炭化珪素半導体装置１と異なる構成を中心に説明する。

【0032】

図３に示されるように、炭化珪素半導体装置２においては、ボンディングワイヤ３３の第１端３３ａがソース信号パッド電極２６に接続され、中間部３３ｃがソース用リードフレーム３１の上面に接続される。ソース用リードフレーム３１およびボンディングワイヤ３３は、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とを電気的に接続する。ソース用リードフレーム３１およびボンディングワイヤ３３は、ソース配線２２よりも低抵抗である。このため、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６との間の抵抗が低くなる。これにより、ソースパッド電極２３おソース信号パッド電極２６との間の電位差を小さくできる。その結果、半導体素子２０内におけるゲート・ソース間電圧の均一性を高めることができる。

【0033】

図３に示されるように、炭化珪素半導体装置２においては、第１端３３ａがソース信号パッド電極２６に接続され、中間部３３ｃがソース用リードフレーム３１に接続される。この場合、ソース信号パッド電極２６とソース用リードフレーム３１とを接続した後にボンディングワイヤ３３を切断せずに第２端３３ｂを別端子に接続できる。

【0034】

ボンディングワイヤ３３は、第１端３３ａがソース用リードフレーム３１に接続され、中間部３３ｃがソース信号パッド電極２６に接続されてもよい。この場合、ソース信号パッド電極２６とソース用リードフレーム３１とを接続した後にボンディングワイヤ３３を切断せずに第２端３３ｂをソース信号電極パターン１６に接続できる。ボンディングワイヤ３３は、第１端３３ａがソース信号パッド電極２６に接続され、第２端３３ｂがソース用リードフレーム３１に接続されてもよい。

【0035】

（第３実施形態）
図４を参照し、第３実施形態に係る炭化珪素半導体装置３について説明する。図４は、第３実施形態に係る炭化珪素半導体装置３を示す断面図である。図４は、図１中のＡ－Ａ線に沿った断面に相当する。

【0036】

炭化珪素半導体装置３は、主にソース用リードフレーム３１がソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とを電気的に接続する構成において、炭化珪素半導体装置１と異なる。他の構成については、炭化珪素半導体装置１と同様である。以下、炭化珪素半導体装置１と異なる構成を中心に説明する。

【0037】

図４に示されるように、炭化珪素半導体装置３においては、ソース用リードフレーム３１が、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とを電気的に接続する。ソース用リードフレーム３１は、ソース配線２２よりも低抵抗である。このため、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６との間の抵抗が低くなる。これにより、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６との間の電位差を小さくできる。その結果、半導体素子２０内におけるゲート・ソース間電圧の均一性を高めることができる。

【0038】

図４に示されるように、炭化珪素半導体装置３においては、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とが一体として形成される。第３実施形態に係る炭化珪素半導体装置３においては、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とが分割されていない。この場合、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とがほぼ同電位となる。すなわち、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６との間の電位差を小さくできる。

【0039】

ソース用リードフレーム３１は、ソースパッド電極２３（ソース信号パッド電極２６）とソース電極パターン１３およびソース信号電極パターン１６とを電気的に接続する。ソース用リードフレーム３１は、はんだ等の導電性接合材４２によりソースパッド電極２３（ソース信号パッド電極２６）に接合される。

【0040】

（第４実施形態）
図５を参照し、第４実施形態に係る炭化珪素半導体装置４について説明する。図５は、第４実施形態に係る炭化珪素半導体装置４を示す断面図である。図５は、図１中のＡ－Ａ線に沿った断面に相当する。

【0041】

炭化珪素半導体装置４は、主にボンディングワイヤ３５によりソース信号電極パターン１６とソース用リードフレーム３１とが接続される構成において、炭化珪素半導体装置３と異なる。他の構成については、炭化珪素半導体装置３と同様である。以下、炭化珪素半導体装置３と異なる構成を中心に説明する。

【0042】

図５に示されるように、炭化珪素半導体装置４においては、ボンディングワイヤ３５によりソース信号電極パターン１６とソース用リードフレーム３１とが接続される。

【0043】

（参考例）
図６から図８を参照し、参考例に係る炭化珪素半導体装置９について説明する。図６は、参考例に係る炭化珪素半導体装置９を示す上面図である。図７は、参考例に係る炭化珪素半導体装置９を示す断面図である。図７は、図６中のＢ－Ｂ線に沿った断面に相当する。

【0044】

炭化珪素半導体装置９は、主にボンディングワイヤ３３がソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とを接続しない構成において、炭化珪素半導体装置１と異なる。他の構成については、炭化珪素半導体装置１と同様である。以下、炭化珪素半導体装置１と異なる構成を中心に説明する。

【0045】

図６および図７に示されるように、炭化珪素半導体装置９においては、ボンディングワイヤ３３がソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６とを接続しない。ボンディングワイヤ３３は、第１端３３ａがソース信号パッド電極２６に接続され、第２端３３ｂがソース信号電極パターン１６に接続される。この場合、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６との間には、ソース配線２２に起因した配線抵抗Ｒが存在する。配線抵抗Ｒは、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６との間のパッド間の距離Ｌが長くなると大きくなる。

【0046】

半導体素子２０が動作すると、電流はドレインパッド電極２４から炭化珪素基板２１を通ってソース配線２２に縦方向に流れた後に、ソースパッド電極２３およびソース信号パッド電極２６に流れる。このとき、ソース配線２２の配線抵抗Ｒに起因して、ソースパッド電極２３とソース信号パッド電極２６との間に電位差ΔＶが生じる。

【0047】

図７に示されるように、ソースパッド電極２３側を流れる電流をＩ１とし、ソース信号パッド電極２６側を流れる電流をＩ２とし、ソース信号パッド電極２６側においてゲート・ソース間に電圧Ｖ１を供給する場合を考える。この場合、ソースパッド電極２３側においては、ゲート・ソース間に電圧Ｖ１＋ΔＶ（ただし、ΔＶ＝Ｉ２×Ｒ）が供給される。このように、半導体素子２０内におけるゲート・ソース間電圧が不均一位になる。特に、半導体素子２０の短絡動作時には、電流Ｉ１、Ｉ２が大きくなるため、電位差ΔＶが大きくなる。

【0048】

図８は、パッド間の距離Ｌとパッド間の電位差ΔＶとの関係を示す図である。図８は、半導体素子２０の温度が２５℃または１７５℃の場合において、半導体素子２０の短絡動作時のパッド間の距離Ｌとパッド間の電位差ΔＶとの関係を示す。図８では、電流Ｉ１＋Ｉ２が７０Ａ／ｍｍ^２の場合を示す。図８において、横軸はパッド間の距離Ｌ［ｍｍ］を示し、縦軸はパッド間の電位差ΔＶ［Ｖ］を示す。

【0049】

図８に示されるように、半導体素子２０の温度が高くなるほどパッド間の電位差ΔＶが大きくなり、パッド間の距離Ｌが長くなるほどパッド間の電位差ΔＶが大きくなることが分かる。

【0050】

以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形および変更が可能である。

【符号の説明】

【0051】

１、２、３、４、９ 炭化珪素半導体装置
１０ 絶縁基板
１０ａ 上面
１０ｂ 下面
１３ ソース電極パターン
１４ ドレイン電極パターン
１５ ゲート信号電極パターン
１６ ソース信号電極パターン
２０ 半導体素子
２１ 炭化珪素基板
２１ａ 上面
２１ｂ 下面
２２ ソース配線
２３ ソースパッド電極
２４ ドレインパッド電極
２５ ゲートパッド電極
２６ ソース信号パッド電極
２７ パッシベーション膜
３１ ソース用リードフレーム
３２ ゲート用リードフレーム
３３ ボンディングワイヤ
３３ａ 第１端
３３ｂ 第２端
３３ｃ 中間部
３５ ボンディングワイヤ
４１、４２ 導電性接合材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】