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JP7346855B2 - semiconductor equipment - Google Patents

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JP7346855B2 JP2019046542A JP2019046542A JP7346855B2 JP 7346855 B2 JP7346855 B2 JP 7346855B2 JP 2019046542 A JP2019046542 A JP 2019046542A JP 2019046542 A JP2019046542 A JP 2019046542A JP 7346855 B2 JP7346855 B2 JP 7346855B2
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

この発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a 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:金属-酸化膜-半導体の3層構造からなる絶縁ゲートを備えたMOS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 voltages and large currents. Power semiconductor devices include bipolar transistors, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), and MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). MOS type with an insulated gate consisting of a three-layer structure There are several types of transistors, including field-effect transistors, which are used depending on the purpose.

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, bipolar transistors and IGBTs have higher current densities than MOSFETs and can handle large currents, but cannot be switched at high speed. Specifically, bipolar transistors can only be used at a switching frequency of about several kHz, and IGBTs can only be used at switching frequencies of about several tens of kHz. On the other hand, power MOSFETs have a lower current density than bipolar transistors and IGBTs, making it difficult to increase the current, but they are capable of high-speed switching operations up to several MHz.

また、MOSFETは、IGBTと異なり、p型ベース領域とn-型ドリフト領域とのpn接合で形成される寄生ダイオードを、当該MOSFETを保護するための還流ダイオードとして使用可能である。このため、MOSFETをインバータ用デバイスとして用いた場合に、MOSFETに外付けの還流ダイオードを追加して接続することなく使用することができるため、経済性の面でも注目されている。 Furthermore, unlike an IGBT, a MOSFET can use a parasitic diode formed by a pn junction between a p-type base region and an n - type drift region as a freewheeling diode for protecting the MOSFET. Therefore, when a MOSFET is used as an inverter device, it can be used without additionally connecting an external freewheeling diode to the MOSFET, so it is attracting attention from an economic standpoint.

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。 There is a strong demand in the market for power semiconductor devices that combine high current and high speed, and efforts are being made to improve IGBTs and power MOSFETs, and their development has now progressed to the point where they have almost reached their material limits. For this reason, semiconductor materials that can replace silicon are being considered from the perspective of power semiconductor devices, and silicon carbide is a semiconductor material that can be used to create (manufacture) next-generation power semiconductor devices with excellent low on-voltage, high-speed characteristics, and high-temperature characteristics. (SiC) is attracting attention.

また、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、他のシリコンよりもバンドギャップの広い半導体(以下、ワイドバンドギャップ半導体とする)も有する。 Furthermore, silicon carbide is a chemically very stable semiconductor material, has a wide band gap of 3 eV, and can be used extremely stably as a semiconductor even at high temperatures. Furthermore, silicon carbide has a maximum electric field strength that is at least one order of magnitude higher than that of silicon, so it is expected to be a semiconductor material that can sufficiently reduce on-resistance. Such a feature of silicon carbide is that it is a semiconductor with a wider band gap than other silicones (hereinafter referred to as a wide band gap semiconductor).

従来の半導体装置の構造について、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素(SiC)を用いたnチャネル型MOSFETを例に説明する。図15は、従来の半導体装置を半導体基板のおもて面側から見たレイアウトを示す平面図である。図15に示す従来の半導体装置120は、炭化珪素からなる同一の半導体基板110の活性領域101に、メイン半導体素子111と、当該メイン半導体素子111を保護・制御するための1つ以上の回路部を有する。符号102はエッジ終端領域である。 The structure of a conventional semiconductor device will be explained using an n-channel MOSFET using silicon carbide (SiC) as a wide bandgap semiconductor as an example. FIG. 15 is a plan view showing the layout of a conventional semiconductor device viewed from the front side of a semiconductor substrate. A conventional semiconductor device 120 shown in FIG. 15 includes a main semiconductor element 111 and one or more circuit sections for protecting and controlling the main semiconductor element 111 in an active region 101 of the same semiconductor substrate 110 made of silicon carbide. has. Reference numeral 102 is an edge termination area.

メイン半導体素子111は縦型MOSFETであり、活性領域101の有効領域(以下、メイン有効領域とする)101a中に互いに隣接して配置された複数の単位セル(機能単位:不図示)で構成される。メイン半導体素子111のソースパッド121aは、メイン有効領域101aにおいて半導体基板110のおもて面上に設けられている。メイン有効領域101aは、活性領域101のうち、メイン無効領域101bを除く部分であり、活性領域101の大半を占める。メイン無効領域101bは、活性領域101のうち、メイン半導体素子111の単位セルが配置されていない領域である。 The main semiconductor element 111 is a vertical MOSFET, and is composed of a plurality of unit cells (functional units: not shown) arranged adjacent to each other in an effective area (hereinafter referred to as main effective area) 101a of the active region 101. Ru. The source pad 121a of the main semiconductor element 111 is provided on the front surface of the semiconductor substrate 110 in the main effective region 101a. The main effective region 101a is a portion of the active region 101 excluding the main ineffective region 101b, and occupies most of the active region 101. The main invalid region 101b is a region of the active region 101 where unit cells of the main semiconductor element 111 are not arranged.

メイン半導体素子111を保護・制御するための回路部としては、例えば、電流センス部112、温度センス部113、過電圧保護部(不図示)および演算回路部(不図示)等の高機能部が挙げられる。メイン半導体素子111を保護・制御するための回路部は、メイン無効領域101bに設けられている。電流センス部112は、メイン半導体素子111と同一構成の単位セルを、メイン半導体素子111の単位セル(素子の機能単位)の個数よりも少ない個数で備えた縦型MOSFETである。 Examples of the circuit section for protecting and controlling the main semiconductor element 111 include high-performance sections such as a current sensing section 112, a temperature sensing section 113, an overvoltage protection section (not shown), and an arithmetic circuit section (not shown). It will be done. A circuit section for protecting and controlling the main semiconductor element 111 is provided in the main invalid region 101b. The current sensing section 112 is a vertical MOSFET that includes a smaller number of unit cells having the same configuration as the main semiconductor element 111 than the number of unit cells (functional units of the element) of the main semiconductor element 111.

電流センス部112は、メイン半導体素子111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112の単位セルは、電流センス部112の電極パッド(以下、OCパッドとする)122の直下の一部の領域(以下、センス有効領域とする)112aに配置されている。OCパッド122の直下の、センス有効領域112a以外の領域(以下、センス無効領域とする)112cは、電流センス部112の単位セルが配置されていない領域であり、電流センス部112として機能しない。 The current sensing unit 112 has a function of detecting over current (OC) flowing through the main semiconductor element 111. A unit cell of the current sensing section 112 is arranged in a part of a region (hereinafter referred to as an effective sense region) 112a directly below an electrode pad (hereinafter referred to as an OC pad) 122 of the current sensing section 112. A region 112c other than the sense valid region 112a (hereinafter referred to as a sense invalid region) directly under the OC pad 122 is a region where unit cells of the current sense section 112 are not arranged, and does not function as the current sense section 112.

センス無効領域112cにおいて半導体基板110の表面領域には、センス無効領域112cの全域にわたってp型領域が設けられている。ソースパッド121a以外の電極パッドは、メイン無効領域101bにおいて半導体基板110のおもて面上に設けられている。図15には、ソースパッド121a、ゲートパッド121b、OCパッド122、および温度センス部113の電極パッド(アノードパッド123aおよびカソードパッド123b)を、それぞれS、G、OC、AおよびKと付して図示している。 In the sense invalid region 112c, a p-type region is provided in the surface region of the semiconductor substrate 110 over the entire sense invalid region 112c. Electrode pads other than the source pad 121a are provided on the front surface of the semiconductor substrate 110 in the main invalid region 101b. In FIG. 15, the source pad 121a, the gate pad 121b, the OC pad 122, and the electrode pads (anode pad 123a and cathode pad 123b) of the temperature sensing section 113 are designated as S, G, OC, A, and K, respectively. Illustrated.

また、大電流化に伴い、半導体基板のおもて面に沿ってチャネルが形成されるプレーナゲート構造と比べて、トレンチの側壁に沿って半導体基板のおもて面と直交する方向にチャネル(反転層)が形成されるトレンチゲート構造はコスト面で有利である。その理由は、トレンチゲート構造が単位面積当たりの単位セル(素子の構成単位)密度を増やすことができるため、単位面積当たりの電流密度を増やすことができるからである。 In addition, with the increase in current, compared to a planar gate structure in which a channel is formed along the front surface of the semiconductor substrate, a channel ( A trench gate structure in which an inversion layer is formed is advantageous in terms of cost. The reason for this is that the trench gate structure can increase the density of unit cells (constituent units of an element) per unit area, thereby increasing the current density per unit area.

デバイスの電流密度を増加させた分、単位セルの占有体積に応じた温度上昇率が高くなるため、放電効率の向上と信頼性の安定化とを図るために両面冷却構造が必要になる。さらに信頼性を考慮して、メイン半導体素子である縦型MOSFETと同一の半導体基板に、メイン半導体素子を保護・制御するための回路部として電流センス部、温度センス部および過電圧保護部等の高機能部を配置した高機能構造を有することが必要になる。 As the current density of the device increases, the rate of temperature rise increases depending on the volume occupied by the unit cell, so a double-sided cooling structure is required to improve discharge efficiency and stabilize reliability. Furthermore, in consideration of reliability, high-performance circuits such as a current sensing section, temperature sensing section, and overvoltage protection section are installed on the same semiconductor substrate as the vertical MOSFET, which is the main semiconductor element, to protect and control the main semiconductor element. It is necessary to have a highly functional structure in which functional parts are arranged.

電流センス部を備えた従来の半導体装置として、メイン半導体素子と同一の半導体基板に電流センス部、温度センス部および過電圧保護部等の高機能部を備えた半導体装置であって、高機能部の各電極パッドが活性領域において半導体基板おもて面上に配置され、活性領域の全域にわたって設けられたメイン半導体素子の単位セルが高機能部の各電極パッドの直下にも設けられた装置が提案されている(例えば、下記特許文献1参照。)。 A conventional semiconductor device equipped with a current sensing section is a semiconductor device equipped with high-performance sections such as a current sensing section, a temperature sensing section, and an overvoltage protection section on the same semiconductor substrate as a main semiconductor element. A device has been proposed in which each electrode pad is arranged on the front surface of the semiconductor substrate in the active region, and the unit cell of the main semiconductor element provided throughout the active region is also provided directly under each electrode pad in the high-performance area. (For example, see Patent Document 1 below.)

特開2017-079324号公報JP2017-079324A

しかしながら、炭化珪素からなる半導体基板の表面に形成されたゲート絶縁膜の膜質は電荷に弱く、メイン半導体素子に比べて半導体基板に占める活性領域の表面積(以下、活性面積とする)が小さい電流センス部は、メイン半導体素子に比べてESD(Electro-Static Discharge:静電気放電)耐量が低くなる。さらに、電流センス部は電界が集中しやすく、p型ベース領域とn-型ドリフト領域とのpn接合で形成される寄生ダイオードの逆回復耐量はメイン半導体素子に比べて電流センス部で低くなってしまう。 However, the film quality of the gate insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate made of silicon carbide is sensitive to electric charge, and the current sensor has a small surface area of the active region (hereinafter referred to as active area) occupying the semiconductor substrate compared to the main semiconductor element. The ESD (Electro-Static Discharge) resistance is lower than that of the main semiconductor element. Furthermore, the electric field tends to concentrate in the current sensing part, and the reverse recovery capability of the parasitic diode formed by the pn junction between the p-type base region and the n - type drift region is lower in the current sensing part than in the main semiconductor element. Put it away.

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、メイン半導体素子と同一の半導体基板に電流センス部を備えた半導体装置を製造するにあたって、ESD耐量を改善させることができ、かつ寄生ダイオードの逆回復耐量を向上させることができる半導体装置を提供することを目的とする。 In order to solve the above-mentioned problems with the prior art, the present invention makes it possible to improve ESD resistance and reduce parasitic diodes when manufacturing a semiconductor device having a current sensing section on the same semiconductor substrate as a main semiconductor element. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can improve reverse recovery withstand capability.

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。第1導電型領域は、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板の内部に設けられている。第1の第2導電型領域は、前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間に設けられている。第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第1の第2導電型領域をベース領域とする。前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第1ソースパッドは、前記半導体基板の第1主面上に設けられ、前記第1の第2導電型領域に電気的に接続されている。第2の第2導電型領域は、前記第1の第2導電型領域とは異なる領域において前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間に設けられている。第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第2の第2導電型領域をベース領域する。前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタと同じセル構造の複数のセルを、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタよりも少ない個数で有する。前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第2ソースパッドは、前記半導体基板の第1主面上に、前記第1ソースパッドと離れて設けられている。前記第2ソースパッドは、前記第2の第2導電型領域に電気的に接続されている。前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタおよび前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタに共通のドレイン電極は、前記半導体基板の第2主面に電気的に接続されている。前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、第1,2セルを有する。前記第1セルは、所定電圧が印加されることにより前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして動作する。前記第2セルは、前記所定電圧が印加されても動作しない。前記半導体基板の第1主面上に、前記第1ソースパッドおよび前記第2ソースパッドと離れて設けられ、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に前記半導体基板に対向する1つ以上の電極パッドをさらに備える。前記第2セルが設けられている無効領域は、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に前記第2ソースパッドに対向する領域から、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に少なくとも1つの前記電極パッドに対向する領域まで延在している。 In order to solve the above problems and achieve the objects of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following features. The first conductivity type region is provided inside a semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider bandgap than silicon. The first second conductivity type region is provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region. The first insulated gate field effect transistor uses the first conductivity type region as a drift region and the first second conductivity type region as a base region. A first source pad of the first insulated gate field effect transistor is provided on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the first second conductivity type region. The second second conductivity type region is provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region in a region different from the first second conductivity type region. In the second insulated gate field effect transistor, the first conductivity type region is a drift region, and the second second conductivity type region is a base region. The second insulated gate field effect transistor has a plurality of cells having the same cell structure as the first insulated gate field effect transistor, but is smaller in number than the first insulated gate field effect transistor. The second source pad of the second insulated gate field effect transistor is provided on the first main surface of the semiconductor substrate, away from the first source pad. The second source pad is electrically connected to the second second conductivity type region. A common drain electrode of the first insulated gate field effect transistor and the second insulated gate field effect transistor is electrically connected to the second main surface of the semiconductor substrate. The second insulated gate field effect transistor has first and second cells. The first cell operates as the second insulated gate field effect transistor when a predetermined voltage is applied thereto. The second cell does not operate even if the predetermined voltage is applied. One or more pads provided on the first main surface of the semiconductor substrate, separated from the first source pad and the second source pad, and facing the semiconductor substrate in a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate. The device further includes an electrode pad. The ineffective region where the second cell is provided extends from a region facing the second source pad in a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate to a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate. It extends to a region facing at least one of the electrode pads.

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は、次の特徴を有する。第1導電型領域は、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板の内部に設けられている。第1の第2導電型領域は、前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間に設けられている。第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第1の第2導電型領域をベース領域とする。前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第1ソースパッドは、前記半導体基板の第1主面上に設けられ、前記第1の第2導電型領域に電気的に接続されている。第2の第2導電型領域は、前記第1の第2導電型領域とは異なる領域において前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間に設けられている。第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第2の第2導電型領域をベース領域する。前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタと同じセル構造の複数のセルを、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタよりも少ない個数で有する。前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第2ソースパッドは、前記半導体基板の第1主面上に、前記第1ソースパッドと離れて設けられている。前記第2ソースパッドは、前記第2の第2導電型領域に電気的に接続されている。前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタおよび前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタに共通のドレイン電極は、前記半導体基板の第2主面に電気的に接続されている。前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、第1,2セルを有する。前記第1セルは、所定電圧が印加されることにより前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして動作する。前記第2セルは、前記所定電圧が印加されても動作しない。前記第2セルにはソース領域が設けられており、前記ソース領域が前記第2ソースパッドと電気的に絶縁されている。 Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems and achieve the objects of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following features. The first conductivity type region is provided inside a semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider bandgap than silicon. The first second conductivity type region is provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region. The first insulated gate field effect transistor uses the first conductivity type region as a drift region and the first second conductivity type region as a base region. A first source pad of the first insulated gate field effect transistor is provided on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the first second conductivity type region. The second second conductivity type region is provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region in a region different from the first second conductivity type region. In the second insulated gate field effect transistor, the first conductivity type region is a drift region, and the second second conductivity type region is a base region. The second insulated gate field effect transistor has a plurality of cells having the same cell structure as the first insulated gate field effect transistor, but is smaller in number than the first insulated gate field effect transistor. The second source pad of the second insulated gate field effect transistor is provided on the first main surface of the semiconductor substrate, away from the first source pad. The second source pad is electrically connected to the second second conductivity type region. A common drain electrode of the first insulated gate field effect transistor and the second insulated gate field effect transistor is electrically connected to the second main surface of the semiconductor substrate. The second insulated gate field effect transistor has first and second cells. The first cell operates as the second insulated gate field effect transistor by applying a predetermined voltage. The second cell does not operate even if the predetermined voltage is applied. The second cell is provided with a source region, and the source region is electrically insulated from the second source pad.

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は、次の特徴を有する。第1導電型領域は、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板の内部に設けられている。第1の第2導電型領域は、前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間に設けられている。第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第1の第2導電型領域をベース領域とする。前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第1ソースパッドは、前記半導体基板の第1主面上に設けられ、前記第1の第2導電型領域に電気的に接続されている。第2の第2導電型領域は、前記第1の第2導電型領域とは異なる領域において前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間に設けられている。第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第2の第2導電型領域をベース領域する。前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタと同じセル構造の複数のセルを、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタよりも少ない個数で有する。前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第2ソースパッドは、前記半導体基板の第1主面上に、前記第1ソースパッドと離れて設けられている。前記第2ソースパッドは、前記第2の第2導電型領域に電気的に接続されている。前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタおよび前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタに共通のドレイン電極は、前記半導体基板の第2主面に電気的に接続されている。前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、第1,2セルを有する。前記第1セルは、所定電圧が印加されることにより前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして動作する。前記第2セルは、前記所定電圧が印加されない前記第2セルの前記第2の第2導電型領域は、前記第2ソースパッドと電気的に絶縁されている。 Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems and achieve the objects of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following features. The first conductivity type region is provided inside a semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider bandgap than silicon. The first second conductivity type region is provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region. The first insulated gate field effect transistor uses the first conductivity type region as a drift region and the first second conductivity type region as a base region. A first source pad of the first insulated gate field effect transistor is provided on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the first second conductivity type region. The second second conductivity type region is provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region in a region different from the first second conductivity type region. In the second insulated gate field effect transistor, the first conductivity type region is a drift region, and the second second conductivity type region is a base region. The second insulated gate field effect transistor has a plurality of cells having the same cell structure as the first insulated gate field effect transistor, but is smaller in number than the first insulated gate field effect transistor. The second source pad of the second insulated gate field effect transistor is provided on the first main surface of the semiconductor substrate, away from the first source pad. The second source pad is electrically connected to the second second conductivity type region. A common drain electrode of the first insulated gate field effect transistor and the second insulated gate field effect transistor is electrically connected to the second main surface of the semiconductor substrate. The second insulated gate field effect transistor has first and second cells. The first cell operates as the second insulated gate field effect transistor when a predetermined voltage is applied thereto. The predetermined voltage is not applied to the second cell. The second second conductivity type region of the second cell is electrically insulated from the second source pad.

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セルが設けられている無効領域の表面積は、前記第1セルが設けられている第2有効領域の表面積よりも大きいことを特徴とする。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、前記半導体基板の第1主面上に、前記第1ソースパッドおよび前記第2ソースパッドと離れて設けられ、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に前記半導体基板に対向する1つ以上の電極パッドをさらに備える。前記第2セルが設けられている無効領域は、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に前記第2ソースパッドに対向する領域から、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に少なくとも1つの前記電極パッドに対向する領域まで延在していることを特徴とする。 Further, in the semiconductor device according to the above-described invention, the surface area of the ineffective region where the second cell is provided is larger than the surface area of the second effective region where the first cell is provided. Features. Further, in the semiconductor device according to the above-described invention, the first source pad and the second source pad are provided on the first main surface of the semiconductor substrate, and the first main surface of the semiconductor substrate is provided separately from the first source pad and the second source pad. The semiconductor device further includes one or more electrode pads facing the semiconductor substrate in a direction perpendicular to the plane. The ineffective region where the second cell is provided extends from a region facing the second source pad in a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate to a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate. It is characterized in that it extends to a region facing at least one of the electrode pads.

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、前記電極パッドは、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートパッドであることを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the electrode pad is a gate pad of the first insulated gate field effect transistor.

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絶縁ゲート型電界効果トランジスタの温度を検出するダイオードの前記電極パッドを有することを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the semiconductor device includes the electrode pad of a diode that detects the temperature of the first insulated gate field effect transistor.

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、過電圧から前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタを保護するダイオードの前記電極パッドを有することを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the semiconductor device has the electrode pad of a diode that protects the first insulated gate field effect transistor from overvoltage.

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絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタに流れる過電流を検出することを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the second insulated gate field effect transistor detects an overcurrent flowing through the first insulated gate field effect transistor.

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の第2導電型領域は、前記第1の第2導電型領域と離れて設けられていることを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the second second conductivity type region is provided apart from the first second conductivity type region.

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の第2導電型領域は、前記第1の第2導電型領域に電気的に接続されていることを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the second second conductivity type region is electrically connected to the first second conductivity type region.

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セルが設けられている第2有効領域の表面積は、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタが設けられている第1有効領域の表面積の1/1000以下であることを特徴とする。 Further, in the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the surface area of the second effective region in which the first cell is provided is equal to the surface area of the first effective region in which the first insulated gate field effect transistor is provided. It is characterized by having a surface area of 1/1000 or less of the surface area of .

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セルは前記第1セルと隣接していることを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the second cell is adjacent to the first cell.

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セルは前記第1セルを囲むことを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the second cell surrounds the first cell.

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セルにはソース領域が設けられており、前記ソース領域が前記第2ソースパッドと電気的に絶縁されていることを特徴とする。 Further, in the semiconductor device according to the above-described invention, the second cell is provided with a source region, and the source region is electrically insulated from the second source pad. do.

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セルにはソース領域が設けられていないことを特徴とする。 Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the second cell is not provided with a source region.

本発明にかかる半導体装置によれば、メイン半導体素子と同一の半導体基板に電流センス部を備えた半導体装置を製造するにあたって、トレンチ内のゲート絶縁膜の見かけ上の面積を増加することで、無効領域に配置された第2セルによりESD耐量が改善され、さらに電流センス部の局所的な電界集中を緩和することで、寄生ダイオードの逆回復耐量を向上させることができるという効果を奏する。 According to the semiconductor device according to the present invention, when manufacturing a semiconductor device equipped with a current sensing portion on the same semiconductor substrate as a main semiconductor element, by increasing the apparent area of the gate insulating film in the trench, The ESD resistance is improved by the second cell arranged in the region, and the reverse recovery resistance of the parasitic diode can be improved by alleviating local electric field concentration in the current sensing section.

実施の形態1にかかる半導体装置を半導体基板のおもて面側から見たレイアウトを示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a layout of the semiconductor device according to the first embodiment when viewed from the front side of a semiconductor substrate. 図1の活性領域の断面構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the cross-sectional structure of the active region in FIG. 1; 図1の活性領域の断面構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the cross-sectional structure of the active region in FIG. 1; 図1の活性領域の断面構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the cross-sectional structure of the active region in FIG. 1; 実施の形態1にかかる半導体装置20の等価回路を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the semiconductor device 20 according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態2にかかる半導体装置を半導体基板のおもて面側から見たレイアウトを示す平面図である。7 is a plan view showing a layout of a semiconductor device according to a second embodiment when viewed from the front surface side of a semiconductor substrate. FIG. 実施例1,2のESD耐量を示す特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing ESD resistance of Examples 1 and 2. 実施例1,2の寄生ダイオードの逆回復耐量を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the reverse recovery withstand capacity of the parasitic diodes of Examples 1 and 2. FIG. 従来の半導体装置を半導体基板のおもて面側から見たレイアウトを示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a layout of a conventional semiconductor device viewed from the front side of a semiconductor substrate.

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。なお、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。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In this specification and the accompanying drawings, a layer or region prefixed with n or p means that electrons or holes are the majority carriers, respectively. Furthermore, + and - appended to n and p mean that the impurity concentration is higher or lower than that of a layer or region to which n or p is not appended, respectively. Note that in the following description of the embodiment and the accompanying drawings, similar components are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted. In this specification, in the notation of the Miller index, "-" means a bar attached to the index immediately after it, and adding "-" in front of the index represents a negative index.

(実施の形態1)
実施の形態1にかかる半導体装置は、シリコン(Si)よりもバンドギャップが広い半導体(ワイドバンドギャップ半導体)を半導体材料として用いて構成される。この実施の形態1にかかる半導体装置の構造について、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素(SiC)を用いた場合を例に説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置を半導体基板のおもて面側から見たレイアウトを示す平面図である。
(Embodiment 1)
The semiconductor device according to the first embodiment is configured using a semiconductor having a wider band gap than silicon (Si) (wide band gap semiconductor) as a semiconductor material. The structure of the semiconductor device according to the first embodiment will be explained using an example in which silicon carbide (SiC) is used as a wide bandgap semiconductor. FIG. 1 is a plan view showing the layout of the semiconductor device according to the first embodiment, viewed from the front side of the semiconductor substrate.

図1に示す実施の形態1にかかる半導体装置20は、同一の半導体基板10の活性領域1に、メイン半導体素子(第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)11と、当該メイン半導体素子11を保護・制御するための1つ以上の回路部を有する。メイン半導体素子11は、オン状態で、半導体基板10の深さ方向Zにドリフト電流が流れる縦型MOSFETである。メイン半導体素子11は、半導体基板10のおもて面に平行な方向に互いに隣接して配置され、ソースパッド(第1ソースパッド)21aにより互いに並列接続された複数の単位セル(素子の機能単位)で構成される。 The semiconductor device 20 according to the first embodiment shown in FIG. It has one or more circuit sections for controlling. The main semiconductor element 11 is a vertical MOSFET in which a drift current flows in the depth direction Z of the semiconductor substrate 10 in an on state. The main semiconductor element 11 includes a plurality of unit cells (functional units of the element) arranged adjacent to each other in a direction parallel to the front surface of the semiconductor substrate 10 and connected in parallel to each other by source pads (first source pads) 21a. ).

メイン半導体素子11は、実施の形態1にかかる半導体装置20の主動作を行う。メイン半導体素子11は、活性領域1の有効領域(メイン有効領域:第1有効領域)1aに配置されている。メイン有効領域1aは、メイン半導体素子11のオン時にメイン半導体素子11の主電流が流れる領域である。メイン有効領域1aは、例えば略矩形状の平面形状を有し、活性領域1の大半の表面積を占めている。 The main semiconductor element 11 performs the main operation of the semiconductor device 20 according to the first embodiment. The main semiconductor element 11 is arranged in an effective region (main effective region: first effective region) 1a of the active region 1. The main effective region 1a is a region through which the main current of the main semiconductor element 11 flows when the main semiconductor element 11 is turned on. The main effective region 1 a has, for example, a substantially rectangular planar shape and occupies most of the surface area of the active region 1 .

メイン半導体素子11を保護・制御するための回路部として、例えば、電流センス部(第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)12、温度センス部13、過電圧保護部(不図示)および演算回路部(不図示)等の高機能部が挙げられる。メイン半導体素子11を保護・制御するための回路部は、例えば、活性領域1のメイン無効領域(第1領域)1bに配置される。メイン無効領域1bは、メイン半導体素子11の単位セルが配置されていない領域であり、メイン半導体素子11として機能しない。 The circuit section for protecting and controlling the main semiconductor element 11 includes, for example, a current sensing section (second insulated gate field effect transistor) 12, a temperature sensing section 13, an overvoltage protection section (not shown), and an arithmetic circuit section (not shown). Examples include high-performance parts such as (shown in the figure). A circuit section for protecting and controlling the main semiconductor element 11 is arranged, for example, in the main invalid region (first region) 1b of the active region 1. The main invalid region 1b is a region where no unit cell of the main semiconductor element 11 is arranged, and does not function as the main semiconductor element 11.

メイン無効領域1bは例えば略矩形状の平面形状を有し、その1辺がメイン有効領域1aの1辺に隣接する。メイン有効領域1aとメイン無効領域1bとは、後述するn型領域32a,32b(図2~4)により分離されている。メイン無効領域1bは、例えば、メイン有効領域1aと、活性領域1の周囲を囲むエッジ終端領域2と、の間に配置される。 The main invalid area 1b has, for example, a substantially rectangular planar shape, and one side thereof is adjacent to one side of the main effective area 1a. The main effective region 1a and the main ineffective region 1b are separated by n-type regions 32a and 32b (FIGS. 2 to 4), which will be described later. The main invalid region 1b is arranged, for example, between the main effective region 1a and the edge termination region 2 surrounding the active region 1.

エッジ終端領域2は、活性領域1と半導体基板10の端部との間の領域であり、半導体基板10のおもて面側の電界を緩和して耐圧を保持する。エッジ終端領域2には、例えばフィールドリミッティングリング(FLR:Field Limiting Ring)や接合終端(JTE:Junction Termination Extension)構造等の耐圧構造(不図示)が配置される。耐圧とは、素子が誤動作や破壊を起こさない限界の電圧である。 The edge termination region 2 is a region between the active region 1 and the end of the semiconductor substrate 10, and maintains a breakdown voltage by relaxing the electric field on the front surface side of the semiconductor substrate 10. In the edge termination region 2, a voltage-resistant structure (not shown) such as a field limiting ring (FLR) or a junction termination extension (JTE) structure is arranged. Withstand voltage is the limit voltage at which an element will not malfunction or break down.

メイン半導体素子11のソースパッド(電極パッド)21aは、メイン有効領域1aにおいて半導体基板10のおもて面上に配置される。メイン半導体素子11は、他の回路部に比べて電流能力が大きい。このため、メイン半導体素子11のソースパッド21aは、メイン有効領域1aと略同じ平面形状を有し、メイン有効領域1aのほぼ全面を覆う。メイン半導体素子11のソースパッドは、ソースパッド21a以外の電極パッドと離れて配置されている。 The source pad (electrode pad) 21a of the main semiconductor element 11 is arranged on the front surface of the semiconductor substrate 10 in the main effective region 1a. The main semiconductor element 11 has a larger current capacity than other circuit sections. Therefore, the source pad 21a of the main semiconductor element 11 has substantially the same planar shape as the main effective region 1a, and covers almost the entire surface of the main effective region 1a. The source pad of the main semiconductor element 11 is arranged apart from the electrode pads other than the source pad 21a.

ソースパッド21a以外の電極パッドは、メイン無効領域1bにおいて半導体基板10のおもて面上に互いに離れて配置される。ソースパッド21a以外の電極パッドとは、メイン半導体素子11のゲートパッド21b、電流センス部12の電極パッド(以下、OCパッド(第2ソースパッド)とする)22、温度センス部13の電極パッド(以下、アノードパッドおよびカソードパッドとする)23a,23b、過電圧保護部の電極パッド(以下、OVパッドとする:不図示)、および演算回路部の電極パッド(不図示)等である。 The electrode pads other than the source pad 21a are arranged apart from each other on the front surface of the semiconductor substrate 10 in the main invalid region 1b. The electrode pads other than the source pad 21a include the gate pad 21b of the main semiconductor element 11, the electrode pad (hereinafter referred to as OC pad (second source pad)) 22 of the current sensing section 12, and the electrode pad of the temperature sensing section 13 (hereinafter referred to as an OC pad (second source pad)). These are electrode pads (hereinafter referred to as anode pads and cathode pads) 23a and 23b, electrode pads of an overvoltage protection section (hereinafter referred to as OV pads (not shown)), electrode pads (not shown) of an arithmetic circuit section, and the like.

ソースパッド21a以外の電極パッドは、例えば略矩形状の平面形状であり、後述する端子ピン48b~48eやワイヤーの接合に必要な表面積を有する。図1には、ソースパッド21a以外の電極パッドがメイン無効領域1bとエッジ終端領域2との境界に沿って一列に配置された場合を示す(図12においても同様)。また、図1には、ソースパッド21a、ゲートパッド21b、OCパッド22、アノードパッド23aおよびカソードパッド23bを、それぞれS、G、OC、AおよびKと付した矩形状に図示する。 The electrode pads other than the source pad 21a have, for example, a substantially rectangular planar shape and have a surface area necessary for bonding terminal pins 48b to 48e and wires, which will be described later. FIG. 1 shows a case where electrode pads other than the source pad 21a are arranged in a line along the boundary between the main invalid region 1b and the edge termination region 2 (the same applies to FIG. 12). Further, in FIG. 1, a source pad 21a, a gate pad 21b, an OC pad 22, an anode pad 23a, and a cathode pad 23b are illustrated in rectangular shapes labeled S, G, OC, A, and K, respectively.

電流センス部12は、メイン半導体素子11と同じ条件で動作して、メイン半導体素子11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12は、メイン半導体素子11と離れて配置されている。電流センス部12は、メイン半導体素子11と同一構成の単位セルを、メイン半導体素子11の単位セルの個数(例えば1万個程度)よりも少ない個数(例えば10個程度)で備えた縦型MOSFETである。 The current sensing unit 12 operates under the same conditions as the main semiconductor element 11 and has a function of detecting an overcurrent (OC) flowing through the main semiconductor element 11. The current sensing section 12 is placed apart from the main semiconductor element 11. The current sensing section 12 is a vertical MOSFET that includes unit cells having the same configuration as the main semiconductor element 11 in a smaller number (for example, about 10) than the number of unit cells of the main semiconductor element 11 (for example, about 10,000). It is.

例えば、実施の形態1にかかる半導体装置20がIPM(Intelligent Power Module)である場合、メイン半導体素子11の電流能力は100A程度であり、電流センス部12の電流能力は0.1A以下程度である。電流センス部12の単位セルは、半導体基板10のおもて面に平行な方向に互いに隣接して配置される。電流センス部12の単位セルが互いに隣接する方向は、メイン半導体素子11の単位セルが互いに隣接する方向と同じであってもよい。 For example, when the semiconductor device 20 according to the first embodiment is an IPM (Intelligent Power Module), the current capacity of the main semiconductor element 11 is about 100A, and the current capacity of the current sensing section 12 is about 0.1A or less. . The unit cells of the current sensing section 12 are arranged adjacent to each other in a direction parallel to the front surface of the semiconductor substrate 10. The direction in which the unit cells of the current sensing section 12 are adjacent to each other may be the same as the direction in which the unit cells of the main semiconductor element 11 are adjacent to each other.

また、電流センス部12のすべての単位セルは、OCパッド22の直下に配置されている。電流センス部12の単位セルのうち、OCパッド22の直下の領域の一部の領域(以下、センス有効領域(第2有効領域)とする)12aに配置された単位セル(第1セル)は、所定電圧が印加されることにより電流センス部12として動作する。センス有効領域12aの単位セルは、OCパッド22により互いに並列接続されている。 Further, all the unit cells of the current sensing section 12 are arranged directly under the OC pad 22. Among the unit cells of the current sensing section 12, a unit cell (first cell) arranged in a part of the area directly under the OC pad 22 (hereinafter referred to as a sense effective area (second effective area)) 12a is as follows. , operates as the current sensing section 12 by applying a predetermined voltage. The unit cells in the sense effective region 12a are connected in parallel to each other by OC pads 22.

電流センス部12の単位セルのうち、OCパッド22の直下の、センス有効領域12a以外の領域(以下、第1センス無効領域(無効領域)とする)12bに配置された単位セル(第2セル)は、所定電圧が印加されない構造、または、所定電圧が印加されても動作しない構造を有するダミーの単位セルである。すなわち、OCパッド22の直下に配置された複数の単位セルの一部のみが電流センス部12として用いられる。 Among the unit cells of the current sensing section 12, a unit cell (second cell) disposed in a region 12b immediately below the OC pad 22 other than the sense valid region 12a (hereinafter referred to as a first sense invalid region (invalid region)) ) is a dummy unit cell having a structure to which a predetermined voltage is not applied or a structure which does not operate even if a predetermined voltage is applied. That is, only some of the plurality of unit cells arranged directly under the OC pad 22 are used as the current sensing section 12.

第1センス無効領域12bの単位セルは、センス有効領域12aの単位セルに隣接して配置されている。第1センス無効領域12bの単位セルは、例えば、OCパッド22と半導体部(n+型ソース領域35bおよびp型ベース領域(第2の第2導電型領域)34b)とのコンタクト(電気的接触)を有していないことでダミーの単位セルとなっている(図2~4参照)。 The unit cells in the first sense invalid region 12b are arranged adjacent to the unit cells in the sense valid region 12a. The unit cell of the first sense invalid region 12b is, for example, a contact (electrical contact) between the OC pad 22 and the semiconductor portion (n + type source region 35b and p type base region (second second conductivity type region) 34b). ), it becomes a dummy unit cell (see Figures 2 to 4).

この場合、例えば、第1センス無効領域12bにおいて層間絶縁膜40に、OCパッド22と半導体部のコンタクトをとるための第2コンタクトホール40bを形成しないことで、第1センス無効領域12bの単位セルをダミーの単位セルとすることができる。このため、層間絶縁膜40にコンタクトホールを形成するためのエッチング用マスクのパターン変更のみで、センス有効領域12aの表面積や配置を変更可能である。例えば、センス有効領域12aの単位セルを取り囲むように第1センス無効領域12bの単位セルを配置することで、センス有効領域12aに配置された単位セルのESD耐量や逆回復耐量を向上することができる。 In this case, for example, by not forming the second contact hole 40b for making contact between the OC pad 22 and the semiconductor part in the interlayer insulating film 40 in the first sense invalid region 12b, the unit cells in the first sense invalid region 12b can be can be used as a dummy unit cell. Therefore, the surface area and arrangement of the sense effective region 12a can be changed only by changing the pattern of the etching mask for forming the contact hole in the interlayer insulating film 40. For example, by arranging the unit cells of the first sense invalid region 12b so as to surround the unit cells of the sense effective region 12a, it is possible to improve the ESD resistance and reverse recovery resistance of the unit cells arranged in the sense effective region 12a. can.

また、第1センス無効領域12bの単位セルは、互いに隣り合う2つのトレンチ37b間(メサ領域)にp型ベース領域34bおよびp++型コンタクト領域36bのみを有し、n+型ソース領域35bを有していないことでダミーの単位セルとなっていてもよい(不図示)。この場合、電流センス部12のn+型ソース領域35bを形成するためのイオン注入用マスクのパターン変更のみで、センス有効領域12aの表面積や配置を変更可能である。 Further, the unit cell of the first sense invalid region 12b has only a p type base region 34b and a p ++ type contact region 36b between two adjacent trenches 37b (mesa region), and an n + type source region 35b. It may also be a dummy unit cell by not having (not shown). In this case, the surface area and arrangement of the sense effective region 12a can be changed only by changing the pattern of the ion implantation mask for forming the n + -type source region 35b of the current sensing section 12.

センス有効領域12aは、例えば略矩形状の平面形状を有する。センス有効領域12aは、OCパッド22にワイヤーがボンディング(接合)される場合、深さ方向Zに、OCパッド22とワイヤーとの接合部(例えばOCパッド22の中央部)に対向しない位置に配置されることがよい。これにより、センス有効領域12aの単位セルに、OCパッド22へのワイヤーボンディングによる負荷(圧力)がかかることを抑制することができる。 The sense effective area 12a has, for example, a substantially rectangular planar shape. When a wire is bonded (joined) to the OC pad 22, the sense effective region 12a is arranged in a position that does not face the joint between the OC pad 22 and the wire (for example, the center of the OC pad 22) in the depth direction Z. It is good that it is done. Thereby, it is possible to suppress the load (pressure) applied to the unit cells of the sense effective region 12a due to wire bonding to the OC pad 22.

また、センス有効領域12aは、エッジ終端領域2から離れて、かつエッジ終端領域2よりも活性領域1側に配置されることが好ましい。センス有効領域12aがエッジ終端領域2から離れて配置されることで、エッジ終端領域2の影響を受けにくくすることができる。例えば、センス有効領域12aは、素子分離のためのp型領域(不図示)から所定距離だけ離れ、かつ当該p型領域から可能な限り等距離に配置されることがよい。 Furthermore, it is preferable that the sense effective region 12a be arranged away from the edge termination region 2 and closer to the active region 1 than the edge termination region 2 is. By arranging the sense effective region 12a apart from the edge termination region 2, it can be made less susceptible to the influence of the edge termination region 2. For example, it is preferable that the sense effective region 12a be placed a predetermined distance away from a p-type region (not shown) for element isolation, and as equidistant as possible from the p-type region.

素子分離のためのp型領域とは、エッジ終端領域2に活性領域1の周囲を囲む略矩形状に設けられ、活性領域1とエッジ終端領域2とを電気的に分離する寄生ダイオードをn-型ドリフト領域とのpn接合で形成するp型領域である。例えば、センス有効領域12aは、半導体基板10の1つの頂点を共有する2辺から略等距離に配置されてもよい。これにより、エッジ終端領域2の上記寄生ダイオードの影響を受けにくくすることができる。 The p-type region for element isolation is provided in the edge termination region 2 in a substantially rectangular shape surrounding the active region 1, and is a parasitic diode that electrically isolates the active region 1 and the edge termination region 2 . This is a p-type region formed by a pn junction with a type drift region. For example, the sense effective region 12a may be arranged approximately equidistant from two sides of the semiconductor substrate 10 that share one vertex. This makes it possible to reduce the influence of the parasitic diode in the edge termination region 2.

センス有効領域12aの表面積は、メイン有効領域1aの表面積の1/1000以下であることが好ましい。なお、センス有効領域12aおよびメイン有効領域1aの各表面積としては、各々の領域12a,1aに含まれるn+型ソース領域35b,35aの総面積を用いることができる。また、センス有効領域12aおよびメイン有効領域1aの各表面積として、各々の領域12a,1aに含まれる単位セルの総数を用いてもよい。 The surface area of the sense effective region 12a is preferably 1/1000 or less of the surface area of the main effective region 1a. Note that the total area of the n + -type source regions 35b, 35a included in each region 12a, 1a can be used as the surface area of each of the sense effective region 12a and the main effective region 1a. Furthermore, the total number of unit cells included in each of the regions 12a and 1a may be used as the surface area of the sense effective region 12a and the main effective region 1a.

センス有効領域12aの表面積をメイン有効領域1aの表面積に対して上記比率とする理由は、次の通りである。をセンス有効領域12aの表面積が大きくなるほど、電流センス部12のオン抵抗による導通損失が増大する。センス有効領域12aの表面積を上記範囲内にすることで、電流センス部12の導通損失を、実施の形態1にかかる半導体装置20の全体の導通損失に対して無視できる程度に小さくすることができるからである。 The reason why the surface area of the sense effective region 12a is set to the above ratio with respect to the surface area of the main effective region 1a is as follows. As the surface area of the sensing effective region 12a increases, the conduction loss due to the on-resistance of the current sensing section 12 increases. By setting the surface area of the sense effective region 12a within the above range, the conduction loss of the current sensing section 12 can be made small enough to be ignored with respect to the conduction loss of the entire semiconductor device 20 according to the first embodiment. It is from.

第1センス無効領域12bは、センス有効領域12aよりも活性領域1側に配置されていてもよい。第1センス無効領域12bは、例えば略矩形状の平面形状を有し、センス有効領域12aに接する。図1には、第1センス無効領域12bが、略矩形状の平面形状のセンス有効領域12aを第1センス無効領域12bおよびセンス有効領域12aのそれぞれの1つの頂点同士が重なるように内包する略矩形状の平面形状を有し、センス有効領域12aの当該頂点を共有する2辺に接する場合を示す。 The first sense invalid region 12b may be arranged closer to the active region 1 than the sense valid region 12a. The first sense invalid region 12b has, for example, a substantially rectangular planar shape and is in contact with the sense valid region 12a. In FIG. 1, the first sense invalid area 12b includes a substantially rectangular planar sense valid area 12a such that one vertex of each of the first sense invalid area 12b and the sense valid area 12a overlaps with each other. It has a rectangular planar shape and is in contact with two sides that share the vertex of the sense effective area 12a.

第1センス無効領域12bは、OCパッド22の直下の領域の大半を占める。第1センス無効領域12bの表面積は、例えば、センス有効領域12aの表面積よりも大きくてもよい。第1センス無効領域12bの表面積が大きいほど、OCパッド22の直下のp型領域とn-型ドリフト領域(第1導電型領域)32とのpn接合で形成される寄生ダイオードの面積が小さくなるため、電流センス部12のESD耐量を高くすることができる。 The first sense invalid area 12b occupies most of the area directly under the OC pad 22. The surface area of the first sense invalid region 12b may be larger than the surface area of the sense valid region 12a, for example. The larger the surface area of the first sense invalid region 12b, the smaller the area of the parasitic diode formed by the pn junction between the p-type region directly under the OC pad 22 and the n - type drift region (first conductivity type region) 32. Therefore, the ESD resistance of the current sensing section 12 can be increased.

OCパッド22の直下の領域に、電流センス部12の単位セルが配置されていない領域(以下、第2センス無効領域とする)12cが存在してもよい。第2センス無効領域12cは、例えば、OCパッド22の直下の、電流センス部12の単位セルが配置された領域の周囲を囲む。第2センス無効領域12cにおいて半導体基板10の表面領域には、第2センス無効領域12cの全域にわたってp型領域が設けられている。 Directly below the OC pad 22, there may be a region 12c (hereinafter referred to as a second sense invalid region) in which no unit cell of the current sensing section 12 is arranged. The second sense invalid region 12c surrounds, for example, a region immediately below the OC pad 22 in which a unit cell of the current sensing section 12 is arranged. In the second sense invalid region 12c, a p-type region is provided in the surface region of the semiconductor substrate 10 over the entire second sense invalid region 12c.

温度センス部13は、ダイオードの温度特性を利用してメイン半導体素子11の温度を検出する機能を有する。温度センス部13は、例えば、半導体基板10のおもて面のフィールド絶縁膜80c上に設けられたポリシリコン(poly-Si)層で構成されたポリシリコンダイオードであってもよいし(図3参照)、半導体基板10の内部に形成されたp型領域とn型領域とのpn接合で形成された拡散ダイオードであってもよい。 The temperature sensing section 13 has a function of detecting the temperature of the main semiconductor element 11 using the temperature characteristics of the diode. The temperature sensing section 13 may be, for example, a polysilicon diode made of a polysilicon (poly-Si) layer provided on the field insulating film 80c on the front surface of the semiconductor substrate 10 (FIG. 3). ), it may be a diffused diode formed by a pn junction between a p-type region and an n-type region formed inside the semiconductor substrate 10.

過電圧保護部(不図示)は、例えばサージ等の過電圧(OV:Over Voltage)からメイン半導体素子11を保護するダイオードである。電流センス部12、温度センス部13および過電圧保護部は演算回路部により制御され、これらの出力信号に基づいてメイン半導体素子11が制御される。演算回路部は、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。 The overvoltage protection unit (not shown) is a diode that protects the main semiconductor element 11 from overvoltage (OV) such as a surge, for example. The current sensing section 12, the temperature sensing section 13, and the overvoltage protection section are controlled by the arithmetic circuit section, and the main semiconductor element 11 is controlled based on the output signals thereof. The arithmetic circuit section is composed of a plurality of semiconductor elements such as a CMOS (Complementary MOS) circuit.

次に、実施の形態1にかかる半導体装置20の活性領域1の断面構造について説明する。図2~4は、図1の活性領域の断面構造を示す断面図である。図2には、図1のメイン有効領域1aからメイン無効領域1bの第1センス無効領域12bを通ってセンス有効領域12aに至る切断線X1-X2-X3-X4における断面構造を示す。図2では、メイン有効領域1a、センス有効領域12aおよび第1センス無効領域12bでそれぞれ単位セルの一部のみを示し、大半の単位セルを図示省略する(図3,4においても同様)。 Next, a cross-sectional structure of active region 1 of semiconductor device 20 according to the first embodiment will be described. 2 to 4 are cross-sectional views showing the cross-sectional structure of the active region of FIG. 1. FIG. FIG. 2 shows a cross-sectional structure taken along a cutting line X1-X2-X3-X4 from the main effective area 1a in FIG. 1 to the sense effective area 12a through the first sense invalid area 12b of the main invalid area 1b. In FIG. 2, only a part of the unit cells are shown in each of the main valid area 1a, the sense valid area 12a, and the first sense invalid area 12b, and most of the unit cells are omitted from illustration (the same applies to FIGS. 3 and 4).

図3には、図1のメイン有効領域1aからメイン無効領域1bの第1センス無効領域12bを通って温度センス部13に至る切断線X1’-X2’-X3’-Y1-Y2における断面構造を示す。図4には、図1のメイン有効領域1aからメイン無効領域1bの第1センス無効領域12bを通ってゲートパッド部14に至る切断線X1’-X2’-X3’および切断線Y2-Y3における断面構造を示す。図4では、電流センス部12とゲートパッド部14との間の温度センス部13を図示省略する。 FIG. 3 shows a cross-sectional structure taken along a cutting line X1'-X2'-X3'-Y1-Y2 from the main effective area 1a in FIG. shows. FIG. 4 shows cutting lines X1'-X2'-X3' and cutting lines Y2-Y3 from the main valid area 1a in FIG. The cross-sectional structure is shown. In FIG. 4, the temperature sensing section 13 between the current sensing section 12 and the gate pad section 14 is not shown.

メイン半導体素子11は、メイン有効領域1aにおいて半導体基板10のおもて面側にMOSゲート(金属-酸化膜-半導体の3層構造からなる絶縁ゲート)を備えた縦型MOSFETである。ここでは、メイン半導体素子11、および、メイン半導体素子11を保護・制御する回路部がピン状の配線部材(後述する端子ピン48a~48d)を用いた同一構成の配線構造を有する場合を例に説明するが、ピン状の配線部材に代えて、ワイヤーを用いた配線構造を有していてもよい。 The main semiconductor element 11 is a vertical MOSFET that includes a MOS gate (an insulated gate having a three-layer structure of metal-oxide film-semiconductor) on the front surface side of the semiconductor substrate 10 in the main effective region 1a. Here, we will take as an example a case where the main semiconductor element 11 and the circuit section that protects and controls the main semiconductor element 11 have the same wiring structure using pin-shaped wiring members (terminal pins 48a to 48d to be described later). As will be explained, a wiring structure using a wire may be used instead of the pin-shaped wiring member.

半導体基板10は、炭化珪素からなるn+型出発基板31上にn-型ドリフト領域32およびp型ベース領域(第1の第2導電型領域)34aとなる各炭化珪素層71,72を順にエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板である。メイン半導体素子11のMOSゲートを構成する各部は、半導体基板10のおもて面側に設けられている。メイン半導体素子11のMOSゲートを構成する各部とは、p型ベース領域34a、n+型ソース領域35a、p++型コンタクト領域36a、トレンチ37a、ゲート絶縁膜38aおよびゲート電極39aである。 Semiconductor substrate 10 includes silicon carbide layers 71 and 72 that will become n - type drift region 32 and p-type base region (first second conductivity type region) 34a on n + type starting substrate 31 made of silicon carbide. This is an epitaxial substrate grown epitaxially. Each part constituting the MOS gate of the main semiconductor element 11 is provided on the front surface side of the semiconductor substrate 10. The parts constituting the MOS gate of the main semiconductor element 11 are a p-type base region 34a, an n + -type source region 35a, a p ++- type contact region 36a, a trench 37a, a gate insulating film 38a, and a gate electrode 39a.

トレンチ37aは、半導体基板10のおもて面(p型炭化珪素層72の表面)から深さ方向Zにp型炭化珪素層72を貫通してn-型炭化珪素層71に達する。トレンチ37aは、例えば、半導体基板10のおもて面に平行で、かつ電極パッド21b,23a,23b,22が並ぶ方向(図1参照:以下、第1方向とする)X、または、第1方向Xと直交する方向(以下、第2方向とする)Yに延びるストライプ状に配置されていてもよいし、半導体基板10のおもて面側から見てマトリクス状に配置されていてもよい。図2,3には、第1方向Xに延びるストライプ状のトレンチ37aを示す。 Trench 37a penetrates p-type silicon carbide layer 72 in the depth direction Z from the front surface of semiconductor substrate 10 (the surface of p-type silicon carbide layer 72) to reach n −-type silicon carbide layer 71. The trench 37a is formed, for example, in a direction X that is parallel to the front surface of the semiconductor substrate 10 and in which the electrode pads 21b, 23a, 23b, and 22 are lined up (see FIG. They may be arranged in a stripe shape extending in a direction Y perpendicular to the direction X (hereinafter referred to as a second direction), or they may be arranged in a matrix shape when viewed from the front surface side of the semiconductor substrate 10. . 2 and 3 show striped trenches 37a extending in the first direction X. In FIGS.

トレンチ37aの内部には、ゲート絶縁膜38aを介してゲート電極39aが設けられている。互いに隣り合う2つのトレンチ37a間(メサ領域)には、p型ベース領域34aが設けられている。半導体基板10の内部において、p型ベース領域34aよりもn+型ドレイン領域(n+型出発基板31)に近い位置に、p型ベース領域34aに接して、n-型ドリフト領域32が設けられている。p型ベース領域34aとn-型ドリフト領域32との間において、メサ領域に、n型電流拡散領域33aが設けられていてもよい。 A gate electrode 39a is provided inside the trench 37a with a gate insulating film 38a interposed therebetween. A p-type base region 34a is provided between two adjacent trenches 37a (mesa region). Inside the semiconductor substrate 10, an n - type drift region 32 is provided in contact with the p type base region 34a at a position closer to the n + type drain region (n + type starting substrate 31) than the p type base region 34a. ing. An n - type current diffusion region 33a may be provided in the mesa region between the p-type base region 34a and the n-type drift region 32.

n型電流拡散領域33aは、キャリアの広がり抵抗を低減させる、いわゆる電流拡散層(Current Spreading Layer:CSL)である。また、半導体基板10の内部に、第1,2p+型領域61a,62aがそれぞれ選択的に設けられていてもよい。第1p+型領域61aは、p型ベース領域34aよりもn+型ドレイン領域に近い位置に、p型ベース領域34aと離して設けられ、かつ深さ方向Zにトレンチ37aの底面に対向する。 The n-type current spreading region 33a is a so-called current spreading layer (CSL) that reduces carrier spreading resistance. Further, the first and second p + type regions 61a and 62a may be selectively provided inside the semiconductor substrate 10, respectively. The first p + -type region 61a is provided at a position closer to the n + -type drain region than the p-type base region 34a, separated from the p-type base region 34a, and faces the bottom surface of the trench 37a in the depth direction Z.

第2p+型領域62aは、メサ領域において、p型ベース領域34aよりもn+型ドレイン領域に近い位置に、第1p+型領域61aおよびトレンチ37aと離して設けられ、かつp型ベース領域34aに接する。第1,2p+型領域61a,62aは、n型電流拡散領域33aおよびn-型ドリフト領域32とpn接合を形成して、トレンチ37aの底面のゲート絶縁膜38aにかかる電界を緩和させる機能を有する。図2~4には、n型電流拡散領域33aおよび第1,2p+型領域61a,62aを備える場合を示す。 The second p + -type region 62a is provided in the mesa region at a position closer to the n + -type drain region than the p-type base region 34a, and is separated from the first p + -type region 61a and the trench 37a. be in contact with The first and second p + type regions 61a and 62a form a pn junction with the n type current diffusion region 33a and the n - type drift region 32, and have the function of relaxing the electric field applied to the gate insulating film 38a at the bottom of the trench 37a. have 2 to 4 show cases in which an n-type current diffusion region 33a and first and second p + -type regions 61a and 62a are provided.

半導体基板10の表面領域には、p型ベース領域34a、n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aがそれぞれ選択的に設けられている。n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aは、半導体基板10のおもて面とp型ベース領域34aとの間に設けられている。n+型ソース領域35aは、トレンチ37aの側壁のゲート絶縁膜38aに接する。層間絶縁膜40は、半導体基板10のおもて面全面に設けられ、ゲート電極39aを覆う。 A p-type base region 34a, an n + -type source region 35a, and a p ++- type contact region 36a are selectively provided in the surface region of the semiconductor substrate 10, respectively. N + type source region 35a and p + + type contact region 36a are provided between the front surface of semiconductor substrate 10 and p type base region 34a. The n + type source region 35a is in contact with the gate insulating film 38a on the side wall of the trench 37a. The interlayer insulating film 40 is provided over the entire front surface of the semiconductor substrate 10 and covers the gate electrode 39a.

メイン半導体素子11のすべてのゲート電極39aは、図示省略する部分で、例えばポリシリコンからなるゲートランナー(不図示)を介してゲートパッド21b(図1参照)に電気的に接続されている。層間絶縁膜40を深さ方向Zに貫通して半導体基板10に達する第1コンタクトホール40aが設けられている。第1コンタクトホール40aには、メイン半導体素子11のn+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aが露出されている。 All the gate electrodes 39a of the main semiconductor element 11 are electrically connected to the gate pad 21b (see FIG. 1) via a gate runner (not shown) made of polysilicon, for example, in a portion not shown. A first contact hole 40a is provided that penetrates the interlayer insulating film 40 in the depth direction Z and reaches the semiconductor substrate 10. The n + type source region 35a and the p + + type contact region 36a of the main semiconductor element 11 are exposed in the first contact hole 40a.

第1コンタクトホール40aの内部において、半導体基板10のおもて面上に、ニッケルシリサイド(NiSi、Ni2Siまたは熱的に安定なNiSi2:以下、まとめてNiSiとする)膜41aが設けられている。NiSi膜41aは、第1コンタクトホール40aの内部において半導体基板10にオーミック接触し、n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aに電気的に接続されている。 Inside the first contact hole 40a, a nickel silicide (NiSi, Ni2Si , or thermally stable NiSi2 : hereinafter collectively referred to as NiSi) film 41a is provided on the front surface of the semiconductor substrate 10. ing. The NiSi film 41a is in ohmic contact with the semiconductor substrate 10 inside the first contact hole 40a, and is electrically connected to the n + type source region 35a and the p + + type contact region 36a.

メイン有効領域1aにおいて、層間絶縁膜40およびNiSi膜41aの表面全体に、バリアメタル46aが設けられている。バリアメタル46aは、バリアメタルの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。バリアメタル46aは、例えば、第1窒化チタン(TiN)膜42a、第1チタン(Ti)膜43a、第2TiN膜44aおよび第2Ti膜45aを順に積層した積層構造を有していてもよい。 In the main effective region 1a, a barrier metal 46a is provided over the entire surface of the interlayer insulating film 40 and the NiSi film 41a. The barrier metal 46a has a function of preventing mutual reactions between metal films of the barrier metal or between regions facing each other with the barrier metal interposed therebetween. The barrier metal 46a may have, for example, a laminated structure in which a first titanium nitride (TiN) film 42a, a first titanium (Ti) film 43a, a second TiN film 44a, and a second Ti film 45a are laminated in this order.

第1TiN膜42aは、層間絶縁膜40の表面のみに設けられ、層間絶縁膜40の表面全体を覆う。第1Ti膜43aは、第1TiN膜42aおよびNiSi膜41aの表面に設けられている。第2TiN膜44aは、第1Ti膜43aの表面に設けられている。第2Ti膜45aは、第2TiN膜44aの表面に設けられている。バリアメタルは、例えば、温度センス部13には設けられていない。 The first TiN film 42 a is provided only on the surface of the interlayer insulating film 40 and covers the entire surface of the interlayer insulating film 40 . The first Ti film 43a is provided on the surface of the first TiN film 42a and the NiSi film 41a. The second TiN film 44a is provided on the surface of the first Ti film 43a. The second Ti film 45a is provided on the surface of the second TiN film 44a. For example, the temperature sensing section 13 is not provided with a barrier metal.

ソースパッド21aは、第1コンタクトホール40aに埋め込まれ、かつ第2Ti膜45aの表面全面に設けられている。ソースパッド21aは、バリアメタル46aおよびNiSi膜41aを介してn+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aに電気的に接続され、メイン半導体素子11のソース電極として機能する。ソースパッド21aは、例えば、5μm程度の厚さのアルミニウム(Al)膜またはAl合金膜である。 The source pad 21a is buried in the first contact hole 40a and provided on the entire surface of the second Ti film 45a. Source pad 21a is electrically connected to n + type source region 35a and p ++ type contact region 36a via barrier metal 46a and NiSi film 41a, and functions as a source electrode of main semiconductor element 11. The source pad 21a is, for example, an aluminum (Al) film or an Al alloy film with a thickness of about 5 μm.

具体的には、ソースパッド21aをAl合金膜とする場合、ソースパッド21aは、例えば、シリコンを全体の5%以下程度含むアルミニウム-シリコン(Al-Si)膜であってもよいし、シリコンを全体の5%以下程度および銅(Cu)を全体の5%以下程度含むアルミニウム-シリコン-銅(Al-Si-Cu)膜であってもよいし、銅を全体の5%以下程度含むアルミニウム-銅(Al-Cu)膜であってもよい。 Specifically, when the source pad 21a is made of an Al alloy film, the source pad 21a may be, for example, an aluminum-silicon (Al-Si) film containing about 5% or less of silicon; It may be an aluminum-silicon-copper (Al-Si-Cu) film containing about 5% or less of the total and about 5% or less of copper (Cu), or an aluminum-silicon-copper (Al-Si-Cu) film containing about 5% or less of copper. It may also be a copper (Al--Cu) film.

ソースパッド21a上には、めっき膜47aおよびはんだ層(不図示)を介して、端子ピン48aの一方の端部が接合されている。端子ピン48aの他方の端部は、半導体基板10のおもて面に対向するように配置された金属バー(不図示)に接合されている。また、端子ピン48aの他方の端部は、半導体基板10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。 One end of a terminal pin 48a is bonded onto the source pad 21a via a plating film 47a and a solder layer (not shown). The other end of the terminal pin 48a is joined to a metal bar (not shown) arranged to face the front surface of the semiconductor substrate 10. Further, the other end of the terminal pin 48a is exposed to the outside of the case (not shown) in which the semiconductor substrate 10 is mounted, and is electrically connected to an external device (not shown).

端子ピン48aは、所定直径を有する丸棒状(円柱状)の配線部材である。端子ピン48aは、半導体基板10のおもて面に対して略垂直に立てた状態でめっき膜47aにはんだ接合されている。端子ピン48aは、ソースパッド21aの電位を外部に取り出す外部接続用端子となる。端子ピン48aを介して、ソースパッド21aが外部の接地電位(最低電位)に接続される。 The terminal pin 48a is a round bar-shaped (cylindrical) wiring member having a predetermined diameter. The terminal pin 48a is soldered to the plating film 47a in a state that it stands substantially perpendicular to the front surface of the semiconductor substrate 10. The terminal pin 48a serves as an external connection terminal for taking out the potential of the source pad 21a to the outside. Source pad 21a is connected to an external ground potential (lowest potential) via terminal pin 48a.

めっき膜47aは、高温度条件下(例えば200℃~300℃)においてもソースパッド21aとの密着性が高く、ワイヤーボンディングに比べて剥離しにくい材料で形成されている。ソースパッド21aの表面のめっき膜47a以外の部分は、第1保護膜49aで覆われている。めっき膜47aと第1保護膜49aとの境界は、第2保護膜50aで覆われている。第1,2保護膜49a,50aは、例えばポリイミド膜である。 The plating film 47a has high adhesion to the source pad 21a even under high temperature conditions (for example, 200° C. to 300° C.), and is formed of a material that is less likely to peel off than wire bonding. The surface of the source pad 21a other than the plating film 47a is covered with a first protective film 49a. The boundary between the plating film 47a and the first protective film 49a is covered with a second protective film 50a. The first and second protective films 49a and 50a are, for example, polyimide films.

ドレイン電極51は、半導体基板10の裏面(n+型出発基板31の裏面)全面にオーミック接触している。ドレイン電極51上には、例えば、Ti膜、ニッケル(Ni)膜および金(Au)膜を順に積層した積層構造でドレインパッド(電極パッド:不図示)が設けられている。ドレインパッドは、金属ベース板(不図示)にはんだ接合され、当該金属ベース板を介して冷却フィン(不図示)のベース部に少なくとも一部が接触している。 The drain electrode 51 is in ohmic contact with the entire back surface of the semiconductor substrate 10 (the back surface of the n + type starting substrate 31). A drain pad (electrode pad: not shown) is provided on the drain electrode 51 with a laminated structure in which, for example, a Ti film, a nickel (Ni) film, and a gold (Au) film are laminated in this order. The drain pad is soldered to a metal base plate (not shown), and at least partially contacts the base portion of the cooling fin (not shown) via the metal base plate.

このように半導体基板10のおもて面に端子ピン48aを接合し、かつ裏面を金属ベース板に接合することで、実施の形態1にかかる半導体装置は、半導体基板10の両面それぞれに冷却構造を備えた両面冷却構造となっている。すなわち、半導体基板10で発生した熱は、半導体基板10の裏面に金属ベース板を介して接触させた冷却フィンのフィン部から放熱され、かつ半導体基板10のおもて面の端子ピン48aを接合した金属バーから放熱される。 By bonding the terminal pins 48a to the front surface of the semiconductor substrate 10 and bonding the back surface to the metal base plate in this manner, the semiconductor device according to the first embodiment has a cooling structure on each of both surfaces of the semiconductor substrate 10. It has a double-sided cooling structure. That is, the heat generated in the semiconductor substrate 10 is radiated from the fin portion of the cooling fin that is brought into contact with the back surface of the semiconductor substrate 10 via the metal base plate, and the heat generated by the semiconductor substrate 10 is radiated from the fin portion of the cooling fin that is brought into contact with the back surface of the semiconductor substrate 10 via the metal base plate, and the terminal pins 48a on the front surface of the semiconductor substrate 10 are bonded. Heat is radiated from the metal bar.

メイン無効領域1bのゲートパッド部14には、半導体基板10のおもて面を覆うフィールド絶縁膜80e上に、メイン半導体素子11のゲートパッド21bが設けられている(図4)。ゲートパッド21bは、例えば、ソースパッド21aと同じ材料で、ソースパッド21aと同時に形成される。ゲートパッド21bは、ゲートランナー(不図示)に電気的に接続されている。ゲートランナーは、エッジ終端領域2において半導体基板10のおもて面を覆うフィールド絶縁膜(不図示)上に設けられ、活性領域の周囲を囲む。 In the gate pad portion 14 of the main invalid region 1b, a gate pad 21b of the main semiconductor element 11 is provided on a field insulating film 80e covering the front surface of the semiconductor substrate 10 (FIG. 4). For example, the gate pad 21b is made of the same material as the source pad 21a and is formed at the same time as the source pad 21a. Gate pad 21b is electrically connected to a gate runner (not shown). The gate runner is provided on a field insulating film (not shown) covering the front surface of the semiconductor substrate 10 in the edge termination region 2, and surrounds the active region.

ゲートパッド21b上には、ソースパッド21a上の配線構造と同じ配線構造で端子ピン48eが接合される。端子ピン48eは、丸棒状(円柱状)の配線部材である。端子ピン48eは、例えばOCパッド22の電位を外部に取り出す外部接続用端子であり、外部装置を介してゲートパッド21bをメイン半導体素子のゲート電位に接続する。符号47e,49e,50eは、ゲートパッド21b上の配線構造を構成するめっき膜および第1,2保護膜である。 A terminal pin 48e is connected onto the gate pad 21b with the same wiring structure as the wiring structure on the source pad 21a. The terminal pin 48e is a round bar-shaped (cylindrical) wiring member. The terminal pin 48e is, for example, an external connection terminal that takes out the potential of the OC pad 22 to the outside, and connects the gate pad 21b to the gate potential of the main semiconductor element via an external device. Reference numerals 47e, 49e, and 50e are plating films and first and second protective films that constitute the wiring structure on the gate pad 21b.

ゲートパッド21bとフィールド絶縁膜80eとの間に、例えばメイン半導体素子11のバリアメタル46aと同じ積層構造で、バリアメタル46eが設けられていてもよい。バリアメタル46e上にゲートパッド21bが配置される。符号42e,43e,44e,45eは、それぞれバリアメタル46eを構成する第1TiN膜、第1Ti膜、第2TiN膜、第2Ti膜である。 A barrier metal 46e may be provided between the gate pad 21b and the field insulating film 80e, for example, with the same layered structure as the barrier metal 46a of the main semiconductor element 11. Gate pad 21b is arranged on barrier metal 46e. Reference numerals 42e, 43e, 44e, and 45e indicate a first TiN film, a first Ti film, a second TiN film, and a second Ti film, respectively, which constitute the barrier metal 46e.

また、ゲートパッド部14において半導体基板10のおもて面の表面領域には、p型領域34eが設けられている。p型領域34eは、深さ方向Zに、ゲートパッド21bの全面に対向する。半導体基板10のおもて面とp型領域34eとの間に、p++型コンタクト領域36eが設けられていてもよい。p型領域34eとn-型ドリフト領域32との間に、第2p+型領域62eが設けられていてもよい。 Further, in the gate pad portion 14, a p-type region 34e is provided in a surface region of the front surface of the semiconductor substrate 10. The p-type region 34e faces the entire surface of the gate pad 21b in the depth direction Z. A p ++ type contact region 36e may be provided between the front surface of the semiconductor substrate 10 and the p type region 34e. A second p + type region 62e may be provided between the p type region 34e and the n type drift region 32.

これらp型領域34e、p++型コンタクト領域36eおよび第2p+型領域62eは、半導体基板10のおもて面の表面領域に設けられたn-型領域32bにより、後述するp型ベース領域34b、p型領域34c、p++型コンタクト領域36cおよび第2p+型領域62cから分離されている。p型領域34e、p++型コンタクト領域36eおよび第2p+型領域62eは、例えば、それぞれメイン半導体素子11のp型ベース領域34a、p++型コンタクト領域36aおよび第2p+型領域62aと同じ深さおよび不純物濃度を有する。 These p type region 34e, p ++ type contact region 36e, and second p + type region 62e are formed into a p type base region, which will be described later, by an n type region 32b provided in the front surface region of the semiconductor substrate 10. 34b, p type region 34c, p + + type contact region 36c and second p + type region 62c. The p type region 34e, the p ++ type contact region 36e, and the second p + type region 62e are, for example, the p type base region 34a, the p ++ type contact region 36a, and the second p + type region 62a of the main semiconductor element 11, respectively. have the same depth and impurity concentration.

メイン無効領域1bにおいて、センス有効領域12aおよび第1センス無効領域12bには、半導体基板10のおもて面の表面領域に、電流センス部12のp型ベース領域34bが設けられている。電流センス部12のp型ベース領域34bは、半導体基板10のおもて面の表面領域に設けられたn-型領域32aによって、メイン半導体素子11のp型ベース領域34aと分離されている。n-型領域32aを設けずに、電流センス部12のp型ベース領域34bとメイン半導体素子11のp型ベース領域34aとが電気的に接続されていてもよい。 In the main invalid region 1b, the p-type base region 34b of the current sensing section 12 is provided in the surface region of the front surface of the semiconductor substrate 10 in the sense valid region 12a and the first sense invalid region 12b. The p-type base region 34b of the current sensing section 12 is separated from the p-type base region 34a of the main semiconductor element 11 by an n - type region 32a provided in the front surface region of the semiconductor substrate 10. The p - type base region 34b of the current sensing section 12 and the p-type base region 34a of the main semiconductor element 11 may be electrically connected without providing the n - type region 32a.

電流センス部12は、メイン半導体素子11の対応する各部と同じ構成のp型ベース領域34b、n+型ソース領域35b、p++型コンタクト領域36b、トレンチ37b、ゲート絶縁膜38b、ゲート電極39bおよび層間絶縁膜40を備える。電流センス部12のMOSゲートの各部は、センス有効領域12aおよび第1センス無効領域12bに設けられている。電流センス部12は、メイン半導体素子11と同様に、n型電流拡散領域33bおよび第1,2p+型領域61b,62bを有していてもよい。 The current sensing section 12 includes a p-type base region 34b, an n + -type source region 35b, a p ++- type contact region 36b, a trench 37b, a gate insulating film 38b, and a gate electrode 39b, which have the same configuration as the corresponding sections of the main semiconductor element 11. and an interlayer insulating film 40. Each part of the MOS gate of the current sensing section 12 is provided in a sense valid region 12a and a first sense invalid region 12b. Similar to the main semiconductor element 11, the current sensing section 12 may include an n-type current diffusion region 33b and first and second p + -type regions 61b and 62b.

電流センス部12のゲート電極39bは、ゲートランナーを介してゲートパッド21b(図1参照)に電気的に接続されている。ゲート電極39bは、層間絶縁膜40に覆われている。センス有効領域12aには、層間絶縁膜40を深さ方向Zに貫通して半導体基板10に達する第2コンタクトホール40bが設けられている。第2コンタクトホール40bには、電流センス部12のn+型ソース領域35bおよびp++型コンタクト領域36bが露出されている。 The gate electrode 39b of the current sensing section 12 is electrically connected to the gate pad 21b (see FIG. 1) via a gate runner. Gate electrode 39b is covered with interlayer insulating film 40. A second contact hole 40b that penetrates the interlayer insulating film 40 in the depth direction Z and reaches the semiconductor substrate 10 is provided in the sense effective region 12a. The n + type source region 35b and the p + + type contact region 36b of the current sensing section 12 are exposed in the second contact hole 40b.

第2コンタクトホール40bの内部には、半導体基板10にオーミック接触するNiSi膜41bが設けられている。センス有効領域12aにおいて層間絶縁膜40の表面全面およびNiSi膜41bの表面全面に、例えばメイン半導体素子11のバリアメタル46aと同じ積層構造で、バリアメタル46bが設けられている。符号42b,43b,44b,45bは、それぞれバリアメタル46bを構成する第1TiN膜、第1Ti膜、第2TiN膜および第2Ti膜である。 A NiSi film 41b that is in ohmic contact with the semiconductor substrate 10 is provided inside the second contact hole 40b. In the sense effective region 12a, a barrier metal 46b is provided over the entire surface of the interlayer insulating film 40 and the entire surface of the NiSi film 41b, with the same layered structure as the barrier metal 46a of the main semiconductor element 11, for example. Reference numerals 42b, 43b, 44b, and 45b are a first TiN film, a first Ti film, a second TiN film, and a second Ti film, respectively, which constitute the barrier metal 46b.

OCパッド22は、第2コンタクトホール40bに埋め込まれるように、バリアメタル46bの表面全面に設けられている。OCパッド22は、バリアメタル46bおよびNiSi膜41bを介して電流センス部12のn+型ソース領域35bおよびp++型コンタクト領域36bに電気的に接続されている。OCパッド22は、電流センス部12のソース電極として機能する。OCパッド22は、例えば、ソースパッド21aと同じ材料で、ソースパッド21aと同時に形成される。 The OC pad 22 is provided over the entire surface of the barrier metal 46b so as to be embedded in the second contact hole 40b. OC pad 22 is electrically connected to n + -type source region 35b and p + -type contact region 36b of current sensing section 12 via barrier metal 46b and NiSi film 41b. The OC pad 22 functions as a source electrode of the current sensing section 12. The OC pad 22 is, for example, made of the same material as the source pad 21a and is formed at the same time as the source pad 21a.

第1,2センス無効領域12b,12cにおいては、層間絶縁膜40にコンタクトホールは設けられていない。これにより、第1センス無効領域12bのn+型ソース領域35bおよびp++型コンタクト領域36bはOCパッド22と電気的に絶縁されている。第1,2センス無効領域12b,12cにおける層間絶縁膜40上には、センス有効領域12aからバリアメタル46bおよびOCパッド22が延在している。OCパッド22上に、ソースパッド21a上の配線構造と同じ配線構造で、端子ピン48bが接合される。端子ピン48bは、端子ピン48aよりも小さい直径を有する丸棒状(円柱状)の配線部材である。 In the first and second sense invalid regions 12b and 12c, no contact hole is provided in the interlayer insulating film 40. Thereby, the n + type source region 35b and the p + + type contact region 36b of the first sense invalid region 12b are electrically insulated from the OC pad 22. A barrier metal 46b and an OC pad 22 extend from the sense valid region 12a on the interlayer insulating film 40 in the first and second sense invalid regions 12b and 12c. Terminal pin 48b is bonded onto OC pad 22 with the same wiring structure as that on source pad 21a. The terminal pin 48b is a round rod-shaped (cylindrical) wiring member having a smaller diameter than the terminal pin 48a.

端子ピン48bは、例えばOCパッド22の電位を外部に取り出す外部接続用端子であり、外部の抵抗体15(図5参照)を介してOCパッド22を接地電位に接続する。符号47b,49b,50bは、OCパッド22上の配線構造を構成するめっき膜および第1,2保護膜である。端子ピン48bに代えてワイヤーを用いる場合、当該ワイヤーは、第1センス無効領域12bにおいてOCパッド22に接合されることがよい。 The terminal pin 48b is, for example, an external connection terminal that takes out the potential of the OC pad 22 to the outside, and connects the OC pad 22 to the ground potential via the external resistor 15 (see FIG. 5). Reference numerals 47b, 49b, and 50b are plating films and first and second protective films that constitute the wiring structure on the OC pad 22. When a wire is used instead of the terminal pin 48b, the wire is preferably joined to the OC pad 22 in the first sense invalid region 12b.

図示省略するが、第1センス無効領域12bの単位セルを、n+型ソース領域35bを設けないことで機能しない構造とする場合、第1センス無効領域12bにおけるメサ領域には、p型ベース領域34bおよびp++型コンタクト領域36bのみが設けられる。このため、第1センス無効領域12bにおける層間絶縁膜40に、p型ベース領域34bおよびp++型コンタクト領域36bを露出する第2コンタクトホール40bが設けられていてもよい。 Although not shown, when the unit cell in the first sense invalid region 12b has a structure that does not function without providing the n + type source region 35b, the mesa region in the first sense invalid region 12b has a p-type base region. 34b and p ++ type contact region 36b are provided. Therefore, a second contact hole 40b that exposes the p-type base region 34b and the p ++- type contact region 36b may be provided in the interlayer insulating film 40 in the first sense invalid region 12b.

第2センス無効領域12cにおいて半導体基板10のおもて面の表面領域には、ゲートパッド部14のp型領域34e、p++型コンタクト領域36eおよび第2p+型領域62eと同様に、p型ベース領域34b、p++型コンタクト領域36bおよび第2p+型領域62bが設けられている。第2センス無効領域12cのp型ベース領域34b、p++型コンタクト領域36bおよび第2p+型領域62bは、深さ方向Zに、OCパッド22に対向する。 In the second sense invalid region 12c, the surface region of the front surface of the semiconductor substrate 10 has a p-type region 34e, a p ++- type contact region 36e, and a second p + -type region 62e of the gate pad portion 14. A type base region 34b, a p ++ type contact region 36b, and a second p + type region 62b are provided. The p type base region 34b, the p + + type contact region 36b, and the second p + type region 62b of the second sense invalid region 12c face the OC pad 22 in the depth direction Z.

温度センス部13は、例えば、p型アノード領域であるp型ポリシリコン層81とn型カソード領域であるn型ポリシリコン層82とのpn接合で形成されたポリシリコンダイオードである。p型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82は、メイン無効領域1bにおいて、フィールド絶縁膜80c上に設けられている。温度センス部13は、フィールド絶縁膜80cにより、メイン半導体素子11および電流センス部12と電気的に絶縁されている。 The temperature sensing section 13 is, for example, a polysilicon diode formed by a pn junction between a p-type polysilicon layer 81 as a p-type anode region and an n-type polysilicon layer 82 as an n-type cathode region. P-type polysilicon layer 81 and n-type polysilicon layer 82 are provided on field insulating film 80c in main invalid region 1b. Temperature sensing section 13 is electrically insulated from main semiconductor element 11 and current sensing section 12 by field insulating film 80c.

p型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82の直下において、半導体基板10の表面領域には、ゲートパッド部14のp型領域34e、p++型コンタクト領域36eおよび第2p+型領域62eと同様に、p型領域34c、p++型コンタクト領域36cおよび第2p+型領域62cが設けられている。p型領域34cおよびp++型コンタクト領域36cは、電流センス部12のp型ベース領域34bおよびp++型コンタクト領域36bに電気的に接続されている。 Immediately below the p-type polysilicon layer 81 and the n-type polysilicon layer 82, in the surface region of the semiconductor substrate 10, there are a p-type region 34e of the gate pad portion 14, a p + type contact region 36e, and a second p + type region 62e. Similarly, a p type region 34c, a p + + type contact region 36c, and a second p + type region 62c are provided. The p type region 34c and the p ++ type contact region 36c are electrically connected to the p type base region 34b and the p ++ type contact region 36b of the current sensing section 12.

フィールド絶縁膜80c、p型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82は、層間絶縁膜83に覆われている。層間絶縁膜83を深さ方向Zに貫通して、p型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82それぞれを露出する第3,4コンタクトホール83a,83bが設けられている。アノードパッド23aおよびカソードパッド23bは、それぞれ第3,4コンタクトホール83a,83bにおいてp型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82に接する。 Field insulating film 80c, p-type polysilicon layer 81, and n-type polysilicon layer 82 are covered with interlayer insulating film 83. Third and fourth contact holes 83a and 83b are provided that penetrate the interlayer insulating film 83 in the depth direction Z and expose the p-type polysilicon layer 81 and the n-type polysilicon layer 82, respectively. Anode pad 23a and cathode pad 23b are in contact with p-type polysilicon layer 81 and n-type polysilicon layer 82 at third and fourth contact holes 83a and 83b, respectively.

アノードパッド23aおよびカソードパッド23bは、例えば、ソースパッド21aと同じ材料で、ソースパッド21aと同時に形成される。アノードパッド23aおよびカソードパッド23b上には、それぞれ、ソースパッド21a上の配線構造と同じ配線構造で端子ピン48c,48dが接合されている。符号47c,47dは、ゲートパッド21b上の配線構造を構成するめっき膜である。符号49c,50cは、ゲートパッド21b上の配線構造を構成する第1,2保護膜である。 The anode pad 23a and the cathode pad 23b are, for example, made of the same material as the source pad 21a, and are formed at the same time as the source pad 21a. Terminal pins 48c and 48d are connected onto the anode pad 23a and the cathode pad 23b, respectively, with the same wiring structure as the wiring structure on the source pad 21a. Reference numerals 47c and 47d indicate plating films forming the wiring structure on the gate pad 21b. Reference numerals 49c and 50c are first and second protective films forming the wiring structure on the gate pad 21b.

実施の形態1にかかる半導体装置20の動作について説明する。図5は、実施の形態1にかかる半導体装置20の等価回路を示す回路図である。図5に示すように、電流センス部12は、メイン半導体素子11を構成する複数のMOSFETの単位セルに並列に接続されている。メイン半導体素子11に流れるメイン電流に対する電流センス部12に流れるセンス電流の比率(以下、電流センス比率とする)は、予め設定されている。 The operation of the semiconductor device 20 according to the first embodiment will be explained. FIG. 5 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the semiconductor device 20 according to the first embodiment. As shown in FIG. 5, the current sensing section 12 is connected in parallel to the unit cells of a plurality of MOSFETs that constitute the main semiconductor element 11. The ratio of the sense current flowing through the current sensing section 12 to the main current flowing through the main semiconductor element 11 (hereinafter referred to as current sense ratio) is set in advance.

電流センス比率は、例えば、メイン半導体素子11と電流センス部12とで単位セルの個数を変える等により設定可能である。電流センス部12には、電流センス比率に応じてメイン半導体素子11を流れるメイン電流よりも小さいセンス電流が流れる。メイン半導体素子11のソースは、接地電位の接地点GNDに接続されている。電流センス部12のソースと接地点GNDとの間には、外部部品である抵抗体15が接続されている。 The current sensing ratio can be set by, for example, changing the number of unit cells between the main semiconductor element 11 and the current sensing section 12. A sense current smaller than the main current flowing through the main semiconductor element 11 flows through the current sensing section 12 according to the current sensing ratio. The source of the main semiconductor element 11 is connected to a ground point GND having a ground potential. A resistor 15, which is an external component, is connected between the source of the current sensing section 12 and the ground point GND.

メイン半導体素子11のソース電極(ソースパッド21a)に対して正の電圧がドレイン電極51に印加された状態で、メイン半導体素子11のゲート電極39aにしきい値電圧以上の電圧が印加されると、メイン半導体素子11のp型ベース領域34aの、n+型ソース領域35aとn型電流拡散領域33aとに挟まれた部分にn型の反転層(チャネル)が形成される。それによって、メイン半導体素子11のドレインからソースへ向かってメイン電流が流れ、メイン半導体素子11がオンする。 When a voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 39a of the main semiconductor element 11 while a positive voltage is applied to the drain electrode 51 with respect to the source electrode (source pad 21a) of the main semiconductor element 11, An n-type inversion layer (channel) is formed in a portion of the p-type base region 34a of the main semiconductor element 11 sandwiched between the n + -type source region 35a and the n-type current diffusion region 33a. As a result, a main current flows from the drain to the source of the main semiconductor element 11, and the main semiconductor element 11 is turned on.

このとき、メイン半導体素子11と同じ条件で、電流センス部12のソース電極(OCパッド22)に対して正の電圧がドレイン電極51に印加された状態で、電流センス部12のゲート電極39bにしきい値電圧以上の電圧が印加されると、センス有効領域12aのp型ベース領域34bの、n+型ソース領域35bとn型電流拡散領域33bとに挟まれた部分にn型の反転層が形成される。それによって、電流センス部12のドレインからソースへ向かってセンス電流が流れ、電流センス部12がオンする。 At this time, under the same conditions as the main semiconductor element 11, a positive voltage is applied to the drain electrode 51 with respect to the source electrode (OC pad 22) of the current sensing section 12, and the gate electrode 39b of the current sensing section 12 is applied to the drain electrode 51. When a voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied, an n-type inversion layer is formed in the portion of the p-type base region 34b of the sense effective region 12a sandwiched between the n + type source region 35b and the n-type current diffusion region 33b. It is formed. As a result, a sense current flows from the drain to the source of the current sensing section 12, and the current sensing section 12 is turned on.

センス電流は、電流センス部12のソースに接続された抵抗体15を通って接地点GNDへと流れる。これによって、抵抗体15で電圧降下が生じる。メイン半導体素子11に過電流が印加された場合、メイン半導体素子11に過電流の大きさに応じて電流センス部12のセンス電流が大きくなり、抵抗体15での電圧降下も大きくなる。この抵抗体15での電圧降下の大きさを監視することで、メイン半導体素子11での過電流を検知可能である。 The sense current flows to the ground point GND through the resistor 15 connected to the source of the current sensing section 12. This causes a voltage drop across the resistor 15. When an overcurrent is applied to the main semiconductor element 11, the sense current of the current sensing section 12 increases depending on the magnitude of the overcurrent in the main semiconductor element 11, and the voltage drop across the resistor 15 also increases. By monitoring the magnitude of the voltage drop across the resistor 15, an overcurrent in the main semiconductor element 11 can be detected.

一方、メイン半導体素子11のゲート電極39aにしきい値電圧未満の電圧が印加されたときには、メイン半導体素子11の第1,2p+型領域61a,62aとn型電流拡散領域33aおよびn-型ドリフト領域32との間のpn接合が逆バイアスされる。このとき、電流センス部12のゲート電極39bにもしきい値電圧未満の電圧が印加され、電流センス部12の第1,2p+型領域61b,62bとn型電流拡散領域33bおよびn-型ドリフト領域32との間のpn接合も逆バイアスされる。 On the other hand, when a voltage lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode 39a of the main semiconductor element 11, the first and second p + type regions 61a and 62a of the main semiconductor element 11, the n type current diffusion region 33a, and the n - type drift The pn junction between region 32 is reverse biased. At this time, a voltage lower than the threshold voltage is also applied to the gate electrode 39b of the current sensing section 12, and the first and second p + type regions 61b, 62b, the n-type current diffusion region 33b, and the n - type drift of the current sensing section 12 are applied. The pn junction with region 32 is also reverse biased.

これによって、メイン半導体素子11のメイン電流および電流センス部12のセンス電流が遮断され、メイン半導体素子11および電流センス部12はオフ状態を維持する。メイン半導体素子11のオフ時に、メイン半導体素子11のソース電極に対して負の電圧がドレイン電極51に印加されると、メイン有効領域1aに、p型ベース領域34aおよび第1,2p+型領域61a,62aとn型電流拡散領域33aおよびn-型ドリフト領域32との間のpn接合で形成される寄生ダイオードが導通する。 As a result, the main current of the main semiconductor element 11 and the sense current of the current sensing section 12 are cut off, and the main semiconductor element 11 and the current sensing section 12 maintain an off state. When a negative voltage with respect to the source electrode of the main semiconductor element 11 is applied to the drain electrode 51 when the main semiconductor element 11 is off, the p-type base region 34a and the first and second p + -type regions are formed in the main effective region 1a. Parasitic diodes formed at pn junctions between 61a and 62a and n-type current diffusion region 33a and n - type drift region 32 become conductive.

このとき、電流センス部12のソース電極に対して負の電圧がドレイン電極51に印加され、センス有効領域12aにも、p型ベース領域34bおよび第1,2p+型領域61b,62bとn型電流拡散領域33bおよびn-型ドリフト領域32との間のpn接合で寄生ダイオードが形成される。エッジ終端領域2にも、素子分離のためのp型領域とn-型ドリフト領域32とのpn接合で寄生ダイオードが形成される。これら寄生ダイオードは、メイン半導体素子11および電流センス部12がオフからオンにスイッチングしたときにターンオフする。 At this time, a negative voltage is applied to the drain electrode 51 with respect to the source electrode of the current sense section 12, and the sense effective region 12a is also applied to the p-type base region 34b, the first and second p + type regions 61b, 62b, and the n-type A parasitic diode is formed at the pn junction between current diffusion region 33b and n - type drift region 32. Also in the edge termination region 2, a parasitic diode is formed at a pn junction between a p-type region for element isolation and an n - type drift region 32. These parasitic diodes are turned off when the main semiconductor element 11 and the current sensing section 12 are switched from off to on.

活性領域1の寄生ダイオードのターンオフ時、n-型ドリフト領域32中の正孔(ホール)は、メイン有効領域1aにおいて、p型ベース領域34aからソースパッド21aへ引き抜かれる。センス有効領域12a付近においては、メイン有効領域1aのp型ベース領域34aを通ってソースパッド21aへ引き抜かれる正孔電流(寄生ダイオードの逆回復電流)の電流量よりも、センス有効領域12aのp型ベース領域34bを通ってOCパッド22へ引き抜かれる正孔電流の電流量が多くなる。 When the parasitic diode in the active region 1 is turned off, holes in the n - type drift region 32 are extracted from the p-type base region 34a to the source pad 21a in the main effective region 1a. In the vicinity of the sense effective region 12a, the p-type of the sense effective region 12a is larger than the amount of hole current (reverse recovery current of the parasitic diode) drawn to the source pad 21a through the p-type base region 34a of the main effective region 1a. The amount of hole current drawn to the OC pad 22 through the mold base region 34b increases.

実施の形態1においては、上述したように第1センス無効領域12bに、電流センス部12のダミーの単位セルが配置されていることで、センス有効領域112aのみに電流センス部112の単位セルが配置された従来構造(図15参照)と比べて、電流センス部12のESD耐量が高くなる。このため、従来構造と比べて、メイン無効領域1bの寄生ダイオードの逆回復耐量を高くすることができる。 In the first embodiment, as described above, the dummy unit cells of the current sense section 12 are arranged in the first sense invalid region 12b, so that the unit cells of the current sense section 112 are arranged only in the sense valid region 112a. Compared to the conventional structure (see FIG. 15), the ESD resistance of the current sensing section 12 is increased. Therefore, compared to the conventional structure, the reverse recovery withstand capability of the parasitic diode in the main invalid region 1b can be increased.

次に、実施の形態1にかかる半導体装置20の製造方法について説明する。図6~11は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図6~11には、メイン半導体素子11のみを示すが、メイン半導体素子11と同一の半導体基板10に作製(製造)されるすべての素子の各部は例えばメイン半導体素子11の各部と同時に形成される。電流センス部12、温度センス部13およびゲートパッド部14の各部の形成については図1~4を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device 20 according to the first embodiment will be described. 6 to 11 are cross-sectional views showing the semiconductor device according to the first embodiment in the middle of manufacturing. Although only the main semiconductor element 11 is shown in FIGS. 6 to 11, each part of all the elements manufactured (manufactured) on the same semiconductor substrate 10 as the main semiconductor element 11 is formed simultaneously with each part of the main semiconductor element 11, for example. Ru. The formation of the current sensing section 12, temperature sensing section 13, and gate pad section 14 will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

まず、図6に示すように、炭化珪素からなるn+型出発基板(半導体ウエハ)31を用意する。n+型出発基板31は、例えば窒素(N)ドープの炭化珪素単結晶基板であってもよい。次に、n+型出発基板31のおもて面に、n+型出発基板31よりも低濃度に窒素がドープされたn-型炭化珪素層71をエピタキシャル成長させる。メイン半導体素子11が耐圧3300Vクラスである場合、n-型炭化珪素層71の厚さt1は、例えば30μm程度であってもよい。 First, as shown in FIG. 6, an n + type starting substrate (semiconductor wafer) 31 made of silicon carbide is prepared. N + type starting substrate 31 may be, for example, a nitrogen (N)-doped silicon carbide single crystal substrate. Next, an n type silicon carbide layer 71 doped with nitrogen at a lower concentration than that of the n + type starting substrate 31 is epitaxially grown on the front surface of the n + type starting substrate 31 . When main semiconductor element 11 has a breakdown voltage class of 3300 V, thickness t1 of n - type silicon carbide layer 71 may be, for example, about 30 μm.

次に、図7に示すように、フォトリソグラフィおよび例えばAl等のp型不純物のイオン注入により、各半導体基板10(図1参照)のメイン有効領域1aにおいて、n-型炭化珪素層71の表面領域に、第1p+型領域61aおよびp+型領域91をそれぞれ選択的に形成する。このp+型領域91は、第2p+型領域62aの一部である。第1p+型領域61aとp+型領域91とは、例えば図1の第1方向Xに交互に繰り返し配置される。 Next, as shown in FIG. 7, the surface of n - type silicon carbide layer 71 is formed in main effective region 1a of each semiconductor substrate 10 (see FIG. 1) by photolithography and ion implantation of p-type impurities such as Al. A first p + type region 61a and a p + type region 91 are selectively formed in the regions. This p + type region 91 is part of the second p + type region 62a. The first p + -type regions 61a and the p + -type regions 91 are alternately and repeatedly arranged, for example, in the first direction X in FIG. 1 .

第1p+型領域61aおよびp+型領域91は、例えば図1の第2方向Yに延びるストライプ状に配置される。互いに隣り合う第1p+型領域61aとp+型領域91との間の距離d2は、例えば1.5μm程度であってもよい。第1p+型領域61aおよびp+型領域91の深さd1および不純物濃度は、例えばそれぞれ0.5μm程度および5.0×1018/cm3程度であってもよい。そして、第1p+型領域61aおよびp+型領域91の形成に用いたイオン注入用マスク(不図示)を除去する。 The first p + -type region 61a and the p + -type region 91 are arranged, for example, in a stripe shape extending in the second direction Y in FIG. 1 . The distance d2 between the first p + type region 61a and the p + type region 91 that are adjacent to each other may be, for example, about 1.5 μm. The depth d1 and impurity concentration of the first p + type region 61a and the p + type region 91 may be, for example, about 0.5 μm and about 5.0×10 18 /cm 3 , respectively. Then, the ion implantation mask (not shown) used to form the first p + type region 61a and the p + type region 91 is removed.

次に、フォトリソグラフィおよび例えば窒素等のn型不純物のイオン注入により、各半導体基板10それぞれに、メイン有効領域1aの全域にわたって、n-型炭化珪素層71の表面領域にn型領域92を形成する。n型領域92は、例えば、第1p+型領域61aとp+型領域91との間に、これらの領域に接して形成される。n型領域92の深さd3および不純物濃度は、例えばそれぞれ0.4μm程度および1.0×1017/cm3程度であってもよい。 Next, an n-type region 92 is formed in the surface region of the n - type silicon carbide layer 71 over the entire main effective region 1a in each semiconductor substrate 10 by photolithography and ion implantation of an n-type impurity such as nitrogen. do. The n-type region 92 is formed, for example, between the first p + -type region 61a and the p + -type region 91 and in contact with these regions. The depth d3 and impurity concentration of the n-type region 92 may be, for example, about 0.4 μm and about 1.0×10 17 /cm 3 , respectively.

このn型領域92は、n型電流拡散領域33aの一部である。n-型炭化珪素層71の、n型領域92、第1p+型領域61aおよびp+型領域91と、n+型出発基板31と、に挟まれた部分がn-型ドリフト領域32となる。そして、n型領域92の形成に用いたイオン注入用マスク(不図示)を除去する。n型領域92と、第1p+型領域61aおよびp+型領域91と、の形成順序を入れ替えてもよい。 This n-type region 92 is part of the n-type current diffusion region 33a. A portion of n - type silicon carbide layer 71 sandwiched between n type region 92, first p + type region 61a and p + type region 91, and n + type starting substrate 31 becomes n - type drift region 32. . Then, the ion implantation mask (not shown) used to form the n-type region 92 is removed. The formation order of n-type region 92, first p + -type region 61a and p + -type region 91 may be changed.

次に、図8に示すように、n-型炭化珪素層71上にさらに例えば窒素等のn型不純物をドープしたn-型炭化珪素層を例えば0.5μmの厚さt2でエピタキシャル成長させて、n-型炭化珪素層71の厚さを厚くする。n-型炭化珪素層71の厚さを増した部分71aの不純物濃度は、n-型炭化珪素層71の、厚さを増した部分71aとn+型出発基板31との間に挟まれた部分の不純物濃度と同じであってもよい。 Next, as shown in FIG. 8, an n - type silicon carbide layer doped with an n type impurity such as nitrogen is epitaxially grown on the n - type silicon carbide layer 71 to a thickness t2 of, for example, 0.5 μm. The thickness of n - type silicon carbide layer 71 is increased. The impurity concentration of thickened portion 71a of n - type silicon carbide layer 71 is such that the impurity concentration of thickened portion 71a of n - type silicon carbide layer 71 is sandwiched between thickened portion 71a of n - type silicon carbide layer 71 and n + type starting substrate 31. It may be the same as the impurity concentration of the part.

次に、フォトリソグラフィおよびAl等のp型不純物のイオン注入により、n-型炭化珪素層71の厚さを増した部分71aの、深さ方向Zにp+型領域91に対向する部分に、p+型領域91に達する深さでp+型領域93を選択的に形成する。p+型領域91,93同士が深さ方向に連結されて第2p+型領域62aが形成される。p+型領域93の幅および不純物濃度は、例えばp+型領域91と略同じである。そして、p+型領域93の形成に用いたイオン注入用マスク(不図示)を除去する。 Next, by photolithography and ion implantation of p-type impurities such as Al, a thickened portion 71a of n - type silicon carbide layer 71 is placed in a portion facing p + type region 91 in the depth direction Z. A p + -type region 93 is selectively formed to a depth that reaches the p + -type region 91 . The p + type regions 91 and 93 are connected in the depth direction to form a second p + type region 62a. The width and impurity concentration of p + type region 93 are, for example, approximately the same as those of p + type region 91. Then, the ion implantation mask (not shown) used to form p + type region 93 is removed.

次に、フォトリソグラフィおよび例えば窒素などのn型不純物のイオン注入により、n-型炭化珪素層71の厚さを増した部分71aに、メイン有効領域1aにおける互いに隣り合うp+型領域93間に、n型領域92に達する深さでn型領域94を形成する。n型領域94の不純物濃度は、例えばn型領域92と略同じである。n型領域92,94同士が深さ方向に連結されてn型電流拡散領域33aが形成される。p+型領域93とn型領域94との形成順序を入れ替えてもよい。そして、n型領域94の形成に用いたイオン注入用マスク(不図示)を除去する。 Next, by photolithography and ion implantation of n-type impurities such as nitrogen, a thickened portion 71a of n - type silicon carbide layer 71 is formed between adjacent p + type regions 93 in main effective region 1a. , an n-type region 94 is formed to a depth that reaches the n-type region 92. The impurity concentration of n-type region 94 is, for example, approximately the same as that of n-type region 92. The n-type regions 92 and 94 are connected in the depth direction to form the n-type current diffusion region 33a. The order in which the p + type region 93 and the n type region 94 are formed may be reversed. Then, the ion implantation mask (not shown) used to form the n-type region 94 is removed.

次に、図9に示すように、n-型炭化珪素層71上に、例えばAl等のp型不純物をドープしたp型炭化珪素層72をエピタキシャル成長させる。p型炭化珪素層72の厚さt3および不純物濃度は、例えば、それぞれ1.3μm程度および4.0×1017/cm3程度であってもよい。これにより、n+型出発基板31上にエピタキシャル成長によりn-型炭化珪素層71およびp型炭化珪素層72を順に積層した半導体基板(半導体ウエハ)10が形成される。 Next, as shown in FIG. 9, a p-type silicon carbide layer 72 doped with a p-type impurity such as Al is epitaxially grown on the n - type silicon carbide layer 71. The thickness t3 and impurity concentration of p-type silicon carbide layer 72 may be, for example, about 1.3 μm and about 4.0×10 17 /cm 3 , respectively. Thereby, a semiconductor substrate (semiconductor wafer) 10 is formed in which an n - type silicon carbide layer 71 and a p type silicon carbide layer 72 are sequentially laminated on an n + type starting substrate 31 by epitaxial growth.

次に、フォトリソグラフィおよび例えばリン(P)等のn型不純物のイオン注入により、各半導体基板10のメイン有効領域1aにおいて、p型炭化珪素層72の表面領域に、n+型ソース領域35aを選択的に形成する。そして、n+型ソース領域35aの形成に用いたイオン注入用マスクを除去する。 Next, by photolithography and ion implantation of an n-type impurity such as phosphorus (P), an n + -type source region 35a is formed in the surface region of the p-type silicon carbide layer 72 in the main effective region 1a of each semiconductor substrate 10. Form selectively. Then, the ion implantation mask used to form the n + type source region 35a is removed.

次に、フォトリソグラフィおよびAl等のp型不純物のイオン注入により、各半導体基板10のメイン有効領域1aにおいて、p型炭化珪素層72の表面領域に、p++型コンタクト領域36aを選択的に形成する。そして、p++型コンタクト領域36aの形成に用いたイオン注入用マスクを除去する。 Next, by photolithography and ion implantation of p-type impurities such as Al, a p ++- type contact region 36a is selectively formed in the surface region of the p-type silicon carbide layer 72 in the main effective region 1a of each semiconductor substrate 10. Form. Then, the ion implantation mask used to form the p ++ type contact region 36a is removed.

次に、フォトリソグラフィおよび例えばリン等のn型不純物のイオン注入により、p型炭化珪素層72を深さ方向Zに貫通してn-型炭化珪素層71に達するn-型領域32a,32b(図2~4参照)を形成する。n-型領域32aにより、メイン無効領域1bの、ゲートパッド部14以外の部分と、メイン有効領域1aと、が分離される。n-型領域32bにより、メイン無効領域1bの、ゲートパッド部14以外の部分と、ゲートパッド部14と、が分離される。そして、n-型領域32a,32bの形成に用いたイオン注入用マスクを除去する。 Next, by photolithography and ion implantation of n-type impurities such as phosphorus, n- type regions 32a, 32b ( (see Figures 2 to 4). The n - type region 32a separates a portion of the main invalid region 1b other than the gate pad portion 14 from the main effective region 1a. The n type region 32b separates the gate pad portion 14 from a portion of the main invalid region 1b other than the gate pad portion 14. Then, the ion implantation mask used to form the n - type regions 32a and 32b is removed.

+型ソース領域35a、p++型コンタクト領域36aおよびn-型領域32aの形成順序を入れ替えてもよい。メイン有効領域1aにおいて、n+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aと、n-型炭化珪素層71と、に挟まれた部分がp型ベース領域34aとなる。上述した各イオン注入において、例えばレジスト膜や酸化膜をイオン注入用マスクとして用いてもよい。 The order of forming the n + type source region 35a, the p + + type contact region 36a, and the n type region 32a may be changed. In main effective region 1a, a portion sandwiched between n + type source region 35a, p + + type contact region 36a, and n - type silicon carbide layer 71 becomes p type base region 34a. In each of the ion implantations described above, for example, a resist film or an oxide film may be used as an ion implantation mask.

次に、イオン注入で形成したすべての拡散領域(第1,2p+型領域61a,62a、n型電流拡散領域33a、n+型ソース領域35a、p++型コンタクト領域36aおよびn-型領域32a)について、不純物を活性化させるための例えば1700℃程度の温度で2分間程度の熱処理(活性化アニール)を行う。活性化アニールは、すべての拡散領域を形成した後にまとめて1回行ってもよいし、イオン注入により拡散領域を形成するごとに行ってもよい。 Next, all the diffusion regions formed by ion implantation (first and second p + type regions 61a, 62a, n type current diffusion region 33a, n + type source region 35a, p + type contact region 36a and n - type region Regarding 32a), a heat treatment (activation annealing) is performed at a temperature of, for example, about 1700° C. for about 2 minutes to activate the impurities. Activation annealing may be performed once after all diffusion regions are formed, or may be performed each time a diffusion region is formed by ion implantation.

次に、図10に示すように、フォトリソグラフィおよび例えばドライエッチングにより、n+型ソース領域35aおよびp型ベース領域34aを貫通して、n型電流拡散領域33aの内部の第1p+型領域61aに達するトレンチ37aを形成する。トレンチ37aを形成するためのエッチング用マスクには、例えばレジスト膜や酸化膜を用いてもよい。 Next, as shown in FIG. 10, by photolithography and, for example, dry etching, the first p + type region 61a inside the n type current diffusion region 33a is penetrated through the n + type source region 35a and the p type base region 34a. A trench 37a is formed that reaches this point. For example, a resist film or an oxide film may be used as an etching mask for forming the trench 37a.

次に、図11に示すように、半導体基板10の表面およびトレンチ37aの内壁に沿ってゲート絶縁膜38aを形成する。ゲート絶縁膜38aは、例えば、酸素(O2)雰囲気中において1000℃程度の温度での熱酸化により形成してもよい。また、ゲート絶縁膜38aは、高温酸化(HTO:High Temperature Oxide)の化学反応による堆積膜であってもよい。 Next, as shown in FIG. 11, a gate insulating film 38a is formed along the surface of the semiconductor substrate 10 and the inner wall of the trench 37a. The gate insulating film 38a may be formed, for example, by thermal oxidation at a temperature of about 1000° C. in an oxygen (O 2 ) atmosphere. Furthermore, the gate insulating film 38a may be a film deposited by a chemical reaction of high temperature oxide (HTO).

次に、トレンチ37aに埋め込むように、ゲート絶縁膜38a上に例えばリンドープのポリシリコン層を堆積してパターニングし、トレンチ37aの内部にのみゲート電極39aとなる部分を残す。このとき、ポリシリコン層の、ゲート電極39aとなる部分を、半導体基板10のおもて面から外側に突出するように残してもよいし、半導体基板10のおもて面より低くなるように残してもよい。 Next, a phosphorus-doped polysilicon layer, for example, is deposited and patterned on the gate insulating film 38a so as to fill the trench 37a, leaving a portion that will become the gate electrode 39a only inside the trench 37a. At this time, the portion of the polysilicon layer that will become the gate electrode 39a may be left so as to protrude outward from the front surface of the semiconductor substrate 10, or may be left so as to be lower than the front surface of the semiconductor substrate 10. You can leave it there.

メイン半導体素子11以外のすべての素子(例えば電流センス部12や、過電圧保護部となる例えば拡散ダイオード、演算回路部を構成するCMOS(Complementary MOS:相補型MOS))は、上述したメイン半導体素子11の各部の形成においてメイン半導体素子11の対応する各部と同時に、半導体基板10の、メイン無効領域1bにそれぞれ形成する。 All the elements other than the main semiconductor element 11 (for example, the current sensing section 12, the overvoltage protection section, such as a diffusion diode, and the CMOS (Complementary MOS) forming the arithmetic circuit section) are connected to the main semiconductor element 11 described above. In the formation of each part, each part is formed in the main invalid region 1b of the semiconductor substrate 10 at the same time as the corresponding part of the main semiconductor element 11.

例えば、半導体基板10に配置される各素子の拡散領域は、メイン半導体素子11を構成する拡散領域のうちの導電型、不純物濃度および拡散深さの同じ拡散領域と同時に形成すればよい。また、半導体基板10に配置される素子のゲートトレンチ、ゲート絶縁膜およびゲート電極は、それぞれメイン半導体素子11のトレンチ37a、ゲート絶縁膜38aおよびゲート電極39aと同時に形成すればよい。 For example, the diffusion regions of each element arranged on the semiconductor substrate 10 may be formed simultaneously with the diffusion regions of the same conductivity type, impurity concentration, and diffusion depth among the diffusion regions constituting the main semiconductor element 11. Furthermore, the gate trench, gate insulating film, and gate electrode of the element disposed on the semiconductor substrate 10 may be formed simultaneously with the trench 37a, gate insulating film 38a, and gate electrode 39a of the main semiconductor element 11, respectively.

次に、半導体基板10のおもて面上にフィールド絶縁膜80cを形成する。このとき、ゲートパッド部14における半導体基板10のおもて面上にもフィールド絶縁膜80eを形成する。次に、フィールド絶縁膜80c上に、n型ポリシリコン層82となる例えばリンドープのポリシリコン層を堆積し、当該ポリシリコン層の一部をp型領域にしてp型ポリシリコン層81とする。次に、当該ポリシリコン層をパターニングしてp型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82となる部分のみを残す。 Next, a field insulating film 80c is formed on the front surface of the semiconductor substrate 10. At this time, a field insulating film 80e is also formed on the front surface of the semiconductor substrate 10 in the gate pad portion 14. Next, a phosphorus-doped polysilicon layer, for example, which will become the n-type polysilicon layer 82 is deposited on the field insulating film 80c, and a part of the polysilicon layer is made into a p-type region to form the p-type polysilicon layer 81. Next, the polysilicon layer is patterned to leave only the portions that will become the p-type polysilicon layer 81 and the n-type polysilicon layer 82.

p型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82を形成するために堆積したポリシリコン層で、p型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82の形成と同時に、ゲートランナー(不図示)を形成してもよい。この場合、エッジ終端領域2における半導体基板10のおもて面上にもフィールド絶縁膜(不図示)を形成する。そして、エッジ終端領域2に、ポリシリコン層の、ゲートランナーとなる部分を残せばよい。 In the polysilicon layer deposited to form the p-type polysilicon layer 81 and the n-type polysilicon layer 82, a gate runner (not shown) is formed at the same time as the p-type polysilicon layer 81 and the n-type polysilicon layer 82 are formed. may be formed. In this case, a field insulating film (not shown) is also formed on the front surface of the semiconductor substrate 10 in the edge termination region 2. Then, a portion of the polysilicon layer that will become a gate runner may be left in the edge termination region 2.

次に、半導体基板10のおもて面全面に層間絶縁膜40,83を形成する。層間絶縁膜40,83は、例えば、PSG(Phospho Silicate Glass)であってもよい。層間絶縁膜40,83の厚さは、例えば1μm程度であってもよい。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40およびゲート絶縁膜38a,38bを選択的に除去して、第1,2コンタクトホール40a,40bを形成する。 Next, interlayer insulating films 40 and 83 are formed over the entire front surface of semiconductor substrate 10. The interlayer insulating films 40 and 83 may be made of, for example, PSG (Phospho Silicate Glass). The thickness of the interlayer insulating films 40 and 83 may be, for example, about 1 μm. Next, the interlayer insulating film 40 and the gate insulating films 38a, 38b are selectively removed by photolithography and etching to form first and second contact holes 40a, 40b.

このとき、メイン半導体素子11のn+型ソース領域35aおよびp++型コンタクト領域36aを露出する第1コンタクトホール40aを形成する。センス有効領域12aに、電流センス部12のn+型ソース領域35bおよびp++型コンタクト領域36bを露出する第2コンタクトホール40bを形成する。第1センス無効領域12bには、コンタクトホールを形成しない。次に、熱処理により層間絶縁膜40,83を平坦化(リフロー)する。 At this time, a first contact hole 40a is formed to expose the n + type source region 35a and the p + + type contact region 36a of the main semiconductor element 11. A second contact hole 40b is formed in the sense effective region 12a to expose the n + type source region 35b and the p + + type contact region 36b of the current sensing section 12. No contact hole is formed in the first sense invalid region 12b. Next, the interlayer insulating films 40 and 83 are planarized (reflowed) by heat treatment.

次に、例えばスパッタリングにより、半導体基板10のおもて面の全面に、第1TiN膜42a,42b,42eを形成する。第1TiN膜42a,42b,42eは、層間絶縁膜40,83の表面全面を覆うとともに、半導体基板10のおもて面の、第1,2コンタクトホール40a,40bに露出された部分(n+型ソース領域35a,35bおよびp++型コンタクト領域36a,36b)を覆う。 Next, first TiN films 42a, 42b, and 42e are formed on the entire front surface of the semiconductor substrate 10, for example, by sputtering. The first TiN films 42a, 42b, 42e cover the entire surfaces of the interlayer insulating films 40, 83, and the portions (n + type source regions 35a, 35b and p ++ type contact regions 36a, 36b).

次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、第1TiN膜42a,42b,42eの、第1,2コンタクトホール40a,40bの内部において半導体基板10を覆う部分を除去して、n+型ソース領域35a,35bおよびp++型コンタクト領域36a,36bを再度露出させる。これによって、第1TiN膜42a,42b,42eを、バリアメタル46a,46b,46eとして層間絶縁膜40,83の表面全面に残す。 Next, by photolithography and etching, the portions of the first TiN films 42a, 42b, 42e that cover the semiconductor substrate 10 inside the first and second contact holes 40a, 40b are removed, and the n + type source regions 35a, 35b are removed. Then, the p ++ type contact regions 36a and 36b are exposed again. This leaves the first TiN films 42a, 42b, 42e as barrier metals 46a, 46b, 46e on the entire surface of the interlayer insulating films 40, 83.

次に、例えばスパッタリングにより、第1,2コンタクトホール40a,40bに露出される半導体部(半導体基板10のおもて面)上にNi膜(不図示)を形成する。このとき、第1TiN膜42a,42b,42e上にもNi膜が形成される。次に、例えば970℃程度での熱処理により、Ni膜の、半導体部との接触箇所をシリサイド化して、半導体部にオーミック接触するNiSi膜41a,41bを形成する。 Next, by sputtering, for example, a Ni film (not shown) is formed on the semiconductor portion (front surface of the semiconductor substrate 10) exposed to the first and second contact holes 40a and 40b. At this time, a Ni film is also formed on the first TiN films 42a, 42b, and 42e. Next, by heat treatment at, for example, about 970° C., the contact portions of the Ni film with the semiconductor portion are silicided to form NiSi films 41a and 41b in ohmic contact with the semiconductor portion.

このニッケルのシリサイド化のための熱処理時、層間絶縁膜40,83とNi膜との間に第1TiN膜42a,42bが配置されていることで、Ni膜中のニッケル原子の層間絶縁膜40,83内への拡散を防止することができる。Ni膜の、層間絶縁膜40,83上の部分は、半導体部に接触していないため、シリサイド化されない。その後、Ni膜の、層間絶縁膜40,83上の部分を除去し、層間絶縁膜40,83を露出させる。 During the heat treatment for silicidation of nickel, the first TiN films 42a, 42b are placed between the interlayer insulating films 40, 83 and the Ni film, so that the interlayer insulating film 40, 42b of the nickel atoms in the Ni film, Diffusion into the 83 can be prevented. The portions of the Ni film on the interlayer insulating films 40 and 83 are not in contact with the semiconductor portion and are therefore not silicided. Thereafter, the portion of the Ni film on the interlayer insulating films 40, 83 is removed to expose the interlayer insulating films 40, 83.

次に、半導体基板10の裏面に、例えばNi膜を形成する。次に、例えば970℃程度での熱処理により、Ni膜をシリサイド化し、ドレイン電極51として、半導体部(半導体基板10の裏面)にオーミック接触するNiSi膜を形成する。ドレイン電極51となるNiSi膜を形成する際のシリサイド化のための熱処理は、半導体基板10のおもて面のNiSi膜41a,41bを形成するための熱処理と同時に行ってもよい。 Next, for example, a Ni film is formed on the back surface of the semiconductor substrate 10. Next, the Ni film is silicided by heat treatment at, for example, about 970° C., and a NiSi film is formed as the drain electrode 51 in ohmic contact with the semiconductor portion (back surface of the semiconductor substrate 10). The heat treatment for silicidation when forming the NiSi film that will become the drain electrode 51 may be performed simultaneously with the heat treatment for forming the NiSi films 41a and 41b on the front surface of the semiconductor substrate 10.

次に、スパッタリングにより、半導体基板10のおもて面上に、バリアメタル46a,46b,46eとなる第1Ti膜43a,43b,43e、第2TiN膜44a,44b,44eおよび第2Ti膜45a,45b,45eと、ソースパッド21a、ゲートパッド21bおよびOCパッド22となるAl膜(またはAl合金膜)と、を順に積層する。Al膜の厚さは、例えば5μm以下程度である。 Next, by sputtering, first Ti films 43a, 43b, 43e, second TiN films 44a, 44b, 44e, and second Ti films 45a, 45b, which will become barrier metals 46a, 46b, 46e, are formed on the front surface of the semiconductor substrate 10. , 45e, and an Al film (or Al alloy film) that will become the source pad 21a, gate pad 21b, and OC pad 22 are laminated in this order. The thickness of the Al film is, for example, approximately 5 μm or less.

次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、半導体基板10のおもて面上に堆積した金属膜をパターニングして、バリアメタル46a,46b,46c、ソースパッド21a、ゲートパッド21bおよびOCパッド22となる部分を残す。このとき、半導体基板10のおもて面上に堆積した金属膜で、過電圧保護部のOVパッド(不図示)や、演算回路部の電極パッドを形成してもよい。 Next, the metal film deposited on the front surface of the semiconductor substrate 10 is patterned by photolithography and etching to form portions that will become the barrier metals 46a, 46b, 46c, the source pad 21a, the gate pad 21b, and the OC pad 22. leave. At this time, the metal film deposited on the front surface of the semiconductor substrate 10 may be used to form an OV pad (not shown) of the overvoltage protection section or an electrode pad of the arithmetic circuit section.

この半導体基板10のおもて面上の金属膜の形成は、温度センス部13のp型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82の全体を層間絶縁膜83で覆った状態で行う。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83を選択的に除去して第3,4コンタクトホール83a,83bを形成し、第3,4コンタクトホール83a,83bにそれぞれp型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82を露出させる。 The formation of the metal film on the front surface of the semiconductor substrate 10 is performed with the entire p-type polysilicon layer 81 and n-type polysilicon layer 82 of the temperature sensing section 13 covered with an interlayer insulating film 83. Next, the interlayer insulating film 83 is selectively removed by photolithography and etching to form third and fourth contact holes 83a and 83b. The n-type polysilicon layer 82 is exposed.

次に、熱処理により層間絶縁膜83を平坦化する。次に、第3,4コンタクトホール83a,83bに埋め込むように、半導体基板10のおもて面上にAl膜(またはAl合金膜)を形成してパターニングすることで、温度センス部13のアノードパッド23aおよびカソードパッド23bを形成する。 Next, the interlayer insulating film 83 is planarized by heat treatment. Next, by forming and patterning an Al film (or Al alloy film) on the front surface of the semiconductor substrate 10 so as to fill the third and fourth contact holes 83a and 83b, an anode of the temperature sensing section 13 is formed. Pad 23a and cathode pad 23b are formed.

アノードパッド23aおよびカソードパッド23bは、ソースパッド21aと同時に形成されてもよい。この場合、バリアメタル46a,46b,46eの形成後、電極パッドとなるAl膜の形成前に、第3,4コンタクトホール83a,83bを形成して、p型ポリシリコン層81およびn型ポリシリコン層82の一部を露出させればよい。 Anode pad 23a and cathode pad 23b may be formed simultaneously with source pad 21a. In this case, after the barrier metals 46a, 46b, 46e are formed and before the Al film that becomes the electrode pad is formed, third and fourth contact holes 83a, 83b are formed to form the p-type polysilicon layer 81 and the n-type polysilicon layer 81. A portion of layer 82 may be exposed.

次に、例えばスパッタリングにより、ドレイン電極51の表面に、例えばTi膜、Ni膜および金(Au)膜を順に積層してドレインパッド(不図示)を形成する。 Next, by sputtering, for example, a Ti film, a Ni film, and a gold (Au) film are sequentially stacked on the surface of the drain electrode 51 to form a drain pad (not shown).

次に、例えばCVDにより、半導体基板10のおもて面をポリイミド膜で保護する。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより当該ポリイミド膜を選択的に除去して、電極パッドをそれぞれ覆う第1保護膜49a~49c,49eを形成するとともに、これら第1保護膜49a~49c,49eを開口する。 Next, the front surface of the semiconductor substrate 10 is protected with a polyimide film by, for example, CVD. Next, the polyimide film is selectively removed by photolithography and etching to form first protective films 49a to 49c and 49e that respectively cover the electrode pads, and these first protective films 49a to 49c and 49e are opened. do.

次に、一般的なめっき前処理の後、一般的なめっき処理により、電極パッド21a,22,23a,23b,21bの、第1保護膜49a~49c,49eの開口部に露出する部分にめっき膜47a~47eを形成する。このとき、第1保護膜49a~49c,49eは、めっき膜47a~47eの濡れ広がりを抑制するマスクとして機能する。めっき膜47a~47eの厚さは、例えば5μm程度であってもよい。 Next, after general plating pre-treatment, the parts of the electrode pads 21a, 22, 23a, 23b, 21b exposed to the openings of the first protective films 49a to 49c, 49e are plated by a general plating process. Films 47a to 47e are formed. At this time, the first protective films 49a to 49c and 49e function as a mask to suppress wetting and spreading of the plating films 47a to 47e. The thickness of the plating films 47a to 47e may be, for example, about 5 μm.

次に、例えばCVDにより、めっき膜47a~47eと第1保護膜49a~49c,49eとの各境界を覆う第2保護膜50a~50c,50eとなるポリイミド膜を形成する。次に、めっき膜47a~47e上に、それぞれはんだ層(不図示)により端子ピン48a~48eを接合する。このとき、第2保護膜50a~50c,50eは、はんだ層の濡れ広がりを抑制するマスクとして機能する。 Next, for example, by CVD, a polyimide film is formed to become the second protective films 50a to 50c and 50e, covering each boundary between the plating films 47a to 47e and the first protective films 49a to 49c and 49e. Next, terminal pins 48a to 48e are bonded onto the plating films 47a to 47e using solder layers (not shown), respectively. At this time, the second protective films 50a to 50c, 50e function as a mask to suppress wetting and spreading of the solder layer.

その後、半導体基板10をダイシング(切断)して個々のチップ状に個片化することで、図1~4に示す半導体装置20が完成する。 Thereafter, the semiconductor substrate 10 is diced (cut) into individual chips, thereby completing the semiconductor device 20 shown in FIGS. 1 to 4.

以上、説明したように、実施の形態1によれば、メイン無効領域のOCパッドの直下に、センス有効領域よりも広い範囲まで電流センス部の単位セルを配置し、センス有効領域の単位セルのみが電流センス部として動作する構成とする。メイン無効領域の、センス有効領域以外の領域(第1センス無効領域)に配置された単位セルにより、メイン無効領域に寄生ダイオードを形成するp型領域の表面積を小さくすることができるため、当該寄生ダイオードの表面積を小さくすることができる。したがって、センス有効領域の表面積を変えずに、電流センス部を従来構造と同じ電流能力に維持したまま、メイン無効領域での寄生ダイオードの逆回復耐量を向上させることができる。 As described above, according to the first embodiment, the unit cells of the current sensing section are arranged directly under the OC pad of the main invalid area to a wider range than the sense valid area, and only the unit cells of the sense valid area are disposed. is configured to operate as a current sensing section. The surface area of the p-type region that forms a parasitic diode in the main invalid region can be reduced by unit cells placed in a region other than the sense valid region (first sense invalid region) in the main invalid region, so that the parasitic The surface area of the diode can be reduced. Therefore, the reverse recovery withstand capability of the parasitic diode in the main ineffective region can be improved while maintaining the same current capability of the current sensing section as the conventional structure without changing the surface area of the sense effective region.

また、実施の形態1によれば、第1センス無効領域の単位セルがセンス有効領域の耐セルと同じ構成であるため、第1センス無効領域の単位セルをセンス有効領域の単位セルと同時に形成することができ、工程の簡略化を図ることができる。また、実施の形態1によれば、第1センス無効領域の単位セルがセンス有効領域の耐セルと同じ構成であるため、センス有効領域の表面積を変更するだけで、電流センス部の電流能力を変更することができ、設計の自由度が高い。このとき、OCパッドと半導体部とのコンタクトが形成される第2コンタクトホールを層間絶縁膜に形成するためのエッチング用マスクのパターン変更のみでセンス有効領域の表面積を変更することができるため、設計変更が容易である。 Furthermore, according to the first embodiment, since the unit cells in the first sense invalid area have the same configuration as the resistance cells in the sense valid area, the unit cells in the first sense invalid area are formed at the same time as the unit cells in the sense valid area. It is possible to simplify the process. Further, according to the first embodiment, since the unit cells in the first sense invalid region have the same configuration as the resistance cells in the sense valid region, the current capacity of the current sensing section can be increased by simply changing the surface area of the sense valid region. It can be changed and has a high degree of freedom in design. At this time, the surface area of the sense effective region can be changed simply by changing the pattern of the etching mask for forming the second contact hole in the interlayer insulating film, where the contact between the OC pad and the semiconductor part is formed. Easy to change.

(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる半導体装置について説明する。図12は、実施の形態2にかかる半導体装置を半導体基板のおもて面側から見たレイアウトを示す平面図である。実施の形態2にかかる半導体装置20’が実施の形態1にかかる半導体装置20(図1~4参照)と異なる点は、第1センス無効領域12b’を、メイン無効領域1bの、OCパッド22以外の電極パッドの直下にまで延在させた点である。
(Embodiment 2)
Next, a semiconductor device according to a second embodiment will be explained. FIG. 12 is a plan view showing the layout of the semiconductor device according to the second embodiment when viewed from the front side of the semiconductor substrate. The difference between the semiconductor device 20' according to the second embodiment and the semiconductor device 20 according to the first embodiment (see FIGS. 1 to 4) is that the first sense invalid region 12b' is replaced with the OC pad 22 of the main invalid region 1b. This point extends directly below the other electrode pads.

第1センス無効領域12b’は、深さ方向Zに、OCパッド22に対向するとともに、例えばゲートパッド21bや、アノードパッド23a、カソードパッド23b、OVパッド(不図示)、および演算回路部の電極パッド(不図示)のいずれか一つ以上の電極パッドに対向する。図12には、深さ方向Zに、メイン無効領域1bに配置されたすべての電極パッドに第1センス無効領域12b’が対向する場合を示す。 The first sense invalid region 12b' faces the OC pad 22 in the depth direction Z, and also includes, for example, a gate pad 21b, an anode pad 23a, a cathode pad 23b, an OV pad (not shown), and an electrode of an arithmetic circuit section. It faces one or more electrode pads of pads (not shown). FIG. 12 shows a case where the first sense invalid region 12b' faces all the electrode pads arranged in the main invalid region 1b in the depth direction Z.

すなわち、実施の形態2においては、ゲートパッド21bや、アノードパッド23a、カソードパッド23b、OVパッド、および演算回路部の電極パッドの直下にも、電流センス部12の、所定電圧が印加されても機能しない単位セル(不図示)が配置されている。これにより、電流センス部12のESD耐量をさらに高くすることができる。 That is, in the second embodiment, even if the predetermined voltage of the current sensing section 12 is applied directly under the gate pad 21b, the anode pad 23a, the cathode pad 23b, the OV pad, and the electrode pad of the arithmetic circuit section, A non-functional unit cell (not shown) is arranged. Thereby, the ESD resistance of the current sensing section 12 can be further increased.

図12の切断線X1-X2-X3-X4における断面構造は、実施の形態1と同様である(図2参照)。図12の切断線X1’-X2’-X3’-Y1-Y2、切断線X1’-X2’-X3’および切断線Y2-Y3における断面構造は、図3の温度センス部13のp型領域34cおよび図4のゲートパッド部14のp型領域34eに、第1センス無効領域12bと同様に、MOSゲートを配置したものである。 The cross-sectional structure along the cutting line X1-X2-X3-X4 in FIG. 12 is the same as that in Embodiment 1 (see FIG. 2). The cross-sectional structure along the cutting line X1'-X2'-X3'-Y1-Y2, the cutting line X1'-X2'-X3', and the cutting line Y2-Y3 in FIG. 34c and the p-type region 34e of the gate pad section 14 in FIG. 4, MOS gates are arranged similarly to the first sense invalid region 12b.

第1センス無効領域12b’は、メイン半導体素子11のp型ベース領域34aと離れて、メイン無効領域1bの、センス有効領域12aを除く部分全体に設けられていてもよい。 The first sense invalid region 12b' may be provided apart from the p-type base region 34a of the main semiconductor element 11 in the entire portion of the main invalid region 1b excluding the sense valid region 12a.

以上、説明したように、実施の形態2によれば、メイン無効領域において第1センス無効領域が配置される範囲を、OCパッドの直下だけでなく、メイン無効領域に配置された他の電極パッドの直下にまで広げることで、実施の形態1と同様の効果をさらに得ることができる。 As described above, according to the second embodiment, the range in which the first sense invalid area is arranged in the main invalid area is not limited to just below the OC pad, but also to other electrode pads placed in the main invalid area. By expanding it to just below the , it is possible to further obtain the same effect as in the first embodiment.

(実施例)
次に、実施の形態1,2にかかる半導体装置20,20’(以下、実施例1,2とする:図1,12参照)のESD耐量について検討した。図13は、実施例1,2のESD耐量を示す特性図である。図14は、実施例1,2の逆回復耐量を示す特性図である。上述した実施の形態1,2にかかる半導体装置20,20’(以下、実施例1,2とする:図1,12参照)と、従来の半導体装置120(以下、従来例とする:図15参照)と、でESD耐量を比較した結果を図13に示し、寄生ダイオードの逆回復耐量を比較した結果を図14に示す。
(Example)
Next, the ESD resistance of the semiconductor devices 20 and 20' according to the first and second embodiments (hereinafter referred to as Examples 1 and 2; see FIGS. 1 and 12) was examined. FIG. 13 is a characteristic diagram showing the ESD tolerance of Examples 1 and 2. FIG. 14 is a characteristic diagram showing the reverse recovery tolerance of Examples 1 and 2. Semiconductor devices 20, 20' according to the first and second embodiments described above (hereinafter referred to as Examples 1 and 2; see FIGS. 1 and 12) and a conventional semiconductor device 120 (hereinafter referred to as a conventional example: FIG. 15) FIG. 13 shows the results of comparing the ESD withstand capacity of the two types, and FIG. 14 shows the results of comparing the reverse recovery withstand capacity of the parasitic diode.

図13に示すように、実施例1,2は、従来例と比べてESD耐量を高くすることができることが確認された。また、図14に示すように、実施例1,2は、従来例と比べて寄生ダイオードの逆回復耐量を高くすることができることが確認された。実施例1,2においては、第1センス無効領域12bに電流センス部12の単位セルが配置されていることで、従来例と比べて、メイン無効領域1bに寄生ダイオードを形成するp型領域の表面積が小さく、当該寄生ダイオードの表面積を小さくすることができるからである。 As shown in FIG. 13, it was confirmed that Examples 1 and 2 can have higher ESD resistance than the conventional example. Moreover, as shown in FIG. 14, it was confirmed that Examples 1 and 2 can increase the reverse recovery withstand capability of the parasitic diode compared to the conventional example. In Examples 1 and 2, the unit cells of the current sensing section 12 are arranged in the first sense invalid region 12b, so that the p-type region forming a parasitic diode in the main invalid region 1b is reduced compared to the conventional example. This is because the surface area is small and the surface area of the parasitic diode can be reduced.

また、実施例2は、実施例1と比べてESD耐量を高くすることができることが確認された。実施例2は、実施例1と比べて寄生ダイオードの逆回復耐量を高くすることができることが確認された。実施例2においては、実施例1と比べて、メイン無効領域1bに配置された第1センス無効領域12bの表面積が大きいことで、メイン無効領域1bに寄生ダイオードを形成するp型領域の表面積が小さく、当該寄生ダイオードの表面積を小さくすることができるからである。 Furthermore, it was confirmed that Example 2 could have a higher ESD tolerance than Example 1. It was confirmed that in Example 2, the reverse recovery withstand capability of the parasitic diode can be increased compared to Example 1. In Example 2, compared to Example 1, the surface area of the first sense invalid region 12b arranged in the main invalid region 1b is larger, so that the surface area of the p-type region forming a parasitic diode in the main invalid region 1b is increased. This is because the surface area of the parasitic diode can be reduced.

一方、実施例1は、上述したように実施例2よりもESD耐量が小さいが、実施例2と比べてメイン無効領域1bにトレンチ37bが配置される範囲が狭くなるため、トレンチ37bの形成不良による悪影響が小さい。したがって、トレンチ37bの形成不良の抑制と、ESD耐量の向上または寄生ダイオードの逆回復耐量の向上と、のトレードオフ関係を考慮して、第1センス無効領域12bの表面積を決定することが好ましい。 On the other hand, as described above, the ESD resistance of Example 1 is smaller than that of Example 2, but since the range in which the trench 37b is arranged in the main invalid region 1b is narrower than that of Example 2, the formation of the trench 37b is defective. The negative effect of Therefore, it is preferable to determine the surface area of the first sense invalid region 12b in consideration of the trade-off relationship between suppressing formation defects of the trench 37b and improving ESD resistance or reverse recovery resistance of the parasitic diode.

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、トレンチゲート構造に代えて、プレーナゲート構造を設けてもよい。また、炭化珪素を半導体材料にすることに代えて、炭化珪素以外のワイドバンドギャップ半導体を半導体材料とした場合においても本発明を適用可能である。また、本発明は、導電型(n型、p型)を反転させても同様に成り立つ。 As described above, the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be modified in various ways without departing from the spirit of the present invention. For example, a planar gate structure may be provided instead of a trench gate structure. Furthermore, the present invention is also applicable to the case where a wide bandgap semiconductor other than silicon carbide is used as the semiconductor material instead of using silicon carbide as the semiconductor material. Furthermore, the present invention is equally applicable even when the conductivity type (n type, p type) is reversed.

以上のように、本発明にかかる半導体装置は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用されるパワー半導体装置に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful as a power semiconductor device used in a power conversion device, a power supply device of various industrial machines, and the like.

1 活性領域
1a 活性領域の有効領域(メイン有効領域)
1b 活性領域の無効領域(メイン無効領域)
2 エッジ終端領域
10 半導体基板
11 メイン半導体素子
12 電流センス部
12a メイン無効領域のうち、電流センス部として機能する単位セルが配置された領域(センス有効領域)
12b,12b’ メイン無効領域のうち、電流センス部のダミーの単位セルが配置された領域(第1センス無効領域)
12c メイン無効領域のうち、電流センス部の単位セルが配置されていない領域(第2センス無効領域)
13 温度センス部
14 ゲートパッド部
15 抵抗体
20,20’ 半導体装置
21a ソースパッド(電極パッド)
21b ゲートパッド(電極パッド)
22 OCパッド(電極パッド)
23a アノードパッド(電極パッド)
23b カソードパッド(電極パッド)
31 n+型出発基板
32 n-型ドリフト領域
32a,32b n-型領域
33a,33b n型電流拡散領域
34a,34b p型ベース領域
34c,34e p型領域
35a,35b n+型ソース領域
36a,36b,36c,36e p++型コンタクト領域
37a,37b トレンチ
38a,38b ゲート絶縁膜
39a,39b ゲート電極
40,83 層間絶縁膜
40a,40b,83a,83b コンタクトホール
41a,41b NiSi膜
42a,42b,42e 第1TiN膜
43a,43b,43e 第1Ti膜
44a,44b,44e 第2TiN膜
45a,45b,45e 第2Ti膜
46a,46b,46c,46e バリアメタル
47a~47e めっき膜
48a~48e 端子ピン
49a~49c,49e 第1保護膜
50a~50c,50e 第2保護膜
51 ドレイン電極
61a,61b,62a~62c,62e,91,93 p+型領域
71 n-型炭化珪素層
71a n-型炭化珪素層の厚さを増した部分
72 p型炭化珪素層
80c,80e フィールド絶縁膜
81 p型ポリシリコン層
82 n型ポリシリコン層
92,94 n型領域
GND 接地点
X 半導体チップのおもて面に平行な方向(第1方向)
Y 半導体チップのおもて面に平行でかつ第1方向と直交する方向(第2方向)
Z 深さ方向
d1 p+型領域の深さ
d2 p+型領域間の距離
d3 n型領域の深さ
t1 n-型炭化珪素層の、n+型出発基板上に最初に積層する厚さ
t2 n-型炭化珪素層の、厚さを増した部分の厚さ
t3 p型炭化珪素層の厚さ
1 Active area 1a Effective area of active area (main effective area)
1b Invalid area of active area (main invalid area)
2 Edge Termination Region 10 Semiconductor Substrate 11 Main Semiconductor Element 12 Current Sense Section 12a Area in the main ineffective area where unit cells functioning as a current sense area are arranged (sense effective area)
12b, 12b' Area where dummy unit cells of the current sensing section are arranged in the main invalid area (first sense invalid area)
12c Area in the main invalid area where unit cells of the current sense section are not arranged (second sense invalid area)
13 Temperature sensing section 14 Gate pad section 15 Resistor 20, 20' Semiconductor device 21a Source pad (electrode pad)
21b Gate pad (electrode pad)
22 OC pad (electrode pad)
23a Anode pad (electrode pad)
23b Cathode pad (electrode pad)
31 n + type starting substrate 32 n - type drift region 32a, 32b n - type region 33a, 33b n type current diffusion region 34a, 34b p type base region 34c, 34e p type region 35a, 35b n + type source region 36a, 36b, 36c, 36e p ++ type contact region 37a, 37b trench 38a, 38b gate insulating film 39a, 39b gate electrode 40, 83 interlayer insulating film 40a, 40b, 83a, 83b contact hole 41a, 41b NiSi film 42a, 42b, 42e First TiN film 43a, 43b, 43e First Ti film 44a, 44b, 44e Second TiN film 45a, 45b, 45e Second Ti film 46a, 46b, 46c, 46e Barrier metal 47a-47e Plating film 48a-48e Terminal pin 49a-49c , 49e first protective film 50a to 50c, 50e second protective film 51 drain electrode 61a, 61b, 62a to 62c, 62e, 91, 93 p + type region 71 n - type silicon carbide layer 71a n - type silicon carbide layer Part with increased thickness 72 P-type silicon carbide layer 80c, 80e Field insulating film 81 P-type polysilicon layer 82 N-type polysilicon layer 92, 94 N-type region GND Grounding point X Parallel to the front surface of the semiconductor chip Direction (first direction)
Y Direction parallel to the front surface of the semiconductor chip and orthogonal to the first direction (second direction)
Z Depth direction d1 Depth of p + type region d2 Distance between p + type regions d3 Depth of n type region t1 Thickness of n - type silicon carbide layer initially laminated on n + type starting substrate t2 Thickness of the thickened part of the n - type silicon carbide layer t3 Thickness of the p-type silicon carbide layer

Claims (16)

シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板と、
前記半導体基板の内部に設けられた第1導電型領域と、
前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間に設けられた第1の第2導電型領域と、
前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第1の第2導電型領域をベース領域とする第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、
前記半導体基板の第1主面上に設けられ、前記第1の第2導電型領域に電気的に接続された、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第1ソースパッドと、
前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間であって、前記第1の第2導電型領域とは異なる領域に設けられた第2の第2導電型領域と、
前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第2の第2導電型領域をベース領域とし、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタと同じセル構造の複数のセルを、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタよりも少ない個数で有する第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、
前記半導体基板の第1主面上に前記第1ソースパッドと離れて設けられ、前記第2の第2導電型領域に電気的に接続された、前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第2ソースパッドと、
前記半導体基板の第2主面に電気的に接続された、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタおよび前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタに共通のドレイン電極と、
を備え、
前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、
所定電圧が印加されることにより前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして動作する第1セルと、
前記所定電圧が印加されても動作しない第2セルと、を有し、
前記半導体基板の第1主面上に、前記第1ソースパッドおよび前記第2ソースパッドと離れて設けられ、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に前記半導体基板に対向する1つ以上の電極パッドをさらに備え、
前記第2セルが設けられている無効領域は、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に前記第2ソースパッドに対向する領域から、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に少なくとも1つの前記電極パッドに対向する領域まで延在していることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate made of a semiconductor with a wider bandgap than silicon,
a first conductivity type region provided inside the semiconductor substrate;
a first second conductivity type region provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region;
a first insulated gate field effect transistor in which the first conductivity type region is a drift region and the first second conductivity type region is a base region;
a first source pad of the first insulated gate field effect transistor provided on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the first second conductivity type region;
a second second conductivity type region provided in a region between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region and different from the first second conductivity type region;
The first conductivity type region is a drift region, the second second conductivity type region is a base region, and a plurality of cells having the same cell structure as the first insulated gate field effect transistor are connected to the first insulated gate field effect transistor. a second insulated gate field effect transistor having a smaller number than the field effect transistor;
A second insulated gate field effect transistor of the second insulated gate field effect transistor provided on the first main surface of the semiconductor substrate away from the first source pad and electrically connected to the second second conductivity type region. source pad and
a drain electrode common to the first insulated gate field effect transistor and the second insulated gate field effect transistor, electrically connected to a second main surface of the semiconductor substrate;
Equipped with
The second insulated gate field effect transistor includes:
a first cell that operates as the second insulated gate field effect transistor when a predetermined voltage is applied;
a second cell that does not operate even if the predetermined voltage is applied ;
One or more pads provided on the first main surface of the semiconductor substrate, separated from the first source pad and the second source pad, and facing the semiconductor substrate in a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate. further equipped with electrode pads,
The ineffective region where the second cell is provided extends from a region facing the second source pad in a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate to a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate. A semiconductor device characterized in that the semiconductor device extends to a region facing at least one of the electrode pads .
シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板と、A semiconductor substrate made of a semiconductor with a wider bandgap than silicon,
前記半導体基板の内部に設けられた第1導電型領域と、a first conductivity type region provided inside the semiconductor substrate;
前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間に設けられた第1の第2導電型領域と、a first second conductivity type region provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region;
前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第1の第2導電型領域をベース領域とする第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、a first insulated gate field effect transistor in which the first conductivity type region is a drift region and the first second conductivity type region is a base region;
前記半導体基板の第1主面上に設けられ、前記第1の第2導電型領域に電気的に接続された、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第1ソースパッドと、a first source pad of the first insulated gate field effect transistor provided on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the first second conductivity type region;
前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間であって、前記第1の第2導電型領域とは異なる領域に設けられた第2の第2導電型領域と、a second second conductivity type region provided in a region between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region and different from the first second conductivity type region;
前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第2の第2導電型領域をベース領域とし、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタと同じセル構造の複数のセルを、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタよりも少ない個数で有する第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、The first conductivity type region is a drift region, the second second conductivity type region is a base region, and a plurality of cells having the same cell structure as the first insulated gate field effect transistor are connected to the first insulated gate field effect transistor. a second insulated gate field effect transistor having a smaller number than the field effect transistor;
前記半導体基板の第1主面上に前記第1ソースパッドと離れて設けられ、前記第2の第2導電型領域に電気的に接続された、前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第2ソースパッドと、A second insulated gate field effect transistor of the second insulated gate field effect transistor provided on the first main surface of the semiconductor substrate away from the first source pad and electrically connected to the second second conductivity type region. source pad and
前記半導体基板の第2主面に電気的に接続された、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタおよび前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタに共通のドレイン電極と、a drain electrode common to the first insulated gate field effect transistor and the second insulated gate field effect transistor, electrically connected to a second main surface of the semiconductor substrate;
を備え、Equipped with
前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、The second insulated gate field effect transistor includes:
所定電圧が印加されることにより前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして動作する第1セルと、 a first cell that operates as the second insulated gate field effect transistor when a predetermined voltage is applied;
前記所定電圧が印加されても動作しない第2セルと、を有し、a second cell that does not operate even if the predetermined voltage is applied;
前記第2セルにはソース領域が設けられており、前記ソース領域が前記第2ソースパッドと電気的に絶縁されていることを特徴とする半導体装置。A semiconductor device, wherein the second cell is provided with a source region, and the source region is electrically insulated from the second source pad.
シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板と、A semiconductor substrate made of a semiconductor with a wider bandgap than silicon,
前記半導体基板の内部に設けられた第1導電型領域と、a first conductivity type region provided inside the semiconductor substrate;
前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間に設けられた第1の第2導電型領域と、a first second conductivity type region provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region;
前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第1の第2導電型領域をベース領域とする第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、a first insulated gate field effect transistor in which the first conductivity type region is a drift region and the first second conductivity type region is a base region;
前記半導体基板の第1主面上に設けられ、前記第1の第2導電型領域に電気的に接続された、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第1ソースパッドと、a first source pad of the first insulated gate field effect transistor provided on the first main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the first second conductivity type region;
前記半導体基板の第1主面と前記第1導電型領域との間であって、前記第1の第2導電型領域とは異なる領域に設けられた第2の第2導電型領域と、a second second conductivity type region provided in a region between the first main surface of the semiconductor substrate and the first conductivity type region and different from the first second conductivity type region;
前記第1導電型領域をドリフト領域とし、前記第2の第2導電型領域をベース領域とし、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタと同じセル構造の複数のセルを、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタよりも少ない個数で有する第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、The first conductivity type region is a drift region, the second second conductivity type region is a base region, and a plurality of cells having the same cell structure as the first insulated gate field effect transistor are connected to the first insulated gate field effect transistor. a second insulated gate field effect transistor having a smaller number than the field effect transistor;
前記半導体基板の第1主面上に前記第1ソースパッドと離れて設けられ、前記第2の第2導電型領域に電気的に接続された、前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタの第2ソースパッドと、A second insulated gate field effect transistor of the second insulated gate field effect transistor provided on the first main surface of the semiconductor substrate away from the first source pad and electrically connected to the second second conductivity type region. source pad and
前記半導体基板の第2主面に電気的に接続された、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタおよび前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタに共通のドレイン電極と、a drain electrode common to the first insulated gate field effect transistor and the second insulated gate field effect transistor, electrically connected to a second main surface of the semiconductor substrate;
を備え、Equipped with
前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、The second insulated gate field effect transistor includes:
所定電圧が印加されることにより前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして動作する第1セルと、a first cell that operates as the second insulated gate field effect transistor when a predetermined voltage is applied;
前記所定電圧が印加されない第2セルと、を有し、a second cell to which the predetermined voltage is not applied;
前記第2セルの前記第2の第2導電型領域は、前記第2ソースパッドと電気的に絶縁されていることを特徴とする半導体装置。A semiconductor device, wherein the second second conductivity type region of the second cell is electrically insulated from the second source pad.
前記第2セルが設けられている無効領域の表面積は、前記第1セルが設けられている第2有効領域の表面積よりも大きいことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the surface area of the ineffective region where the second cell is provided is larger than the surface area of the second effective region where the first cell is provided. 前記半導体基板の第1主面上に、前記第1ソースパッドおよび前記第2ソースパッドと離れて設けられ、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に前記半導体基板に対向する1つ以上の電極パッドをさらに備え、One or more pads provided on the first main surface of the semiconductor substrate, separated from the first source pad and the second source pad, and facing the semiconductor substrate in a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate. further equipped with electrode pads,
前記第2セルが設けられている無効領域は、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に前記第2ソースパッドに対向する領域から、前記半導体基板の第1主面と直交する方向に少なくとも1つの前記電極パッドに対向する領域まで延在していることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。The ineffective region where the second cell is provided extends from a region facing the second source pad in a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate to a direction perpendicular to the first main surface of the semiconductor substrate. 4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor device extends to a region facing at least one of the electrode pads.
前記電極パッドは、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲートパッドであることを特徴とする請求項1または5に記載の半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the electrode pad is a gate pad of the first insulated gate field effect transistor. 前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタの温度を検出するダイオードの前記電極パッドを有することを特徴とする請求項1または5に記載の半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 1, further comprising the electrode pad of a diode that detects the temperature of the first insulated gate field effect transistor. 過電圧から前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタを保護するダイオードの前記電極パッドを有することを特徴とする請求項1または5に記載の半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 1, further comprising the electrode pad of a diode that protects the first insulated gate field effect transistor from overvoltage. 前記第2絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタに流れる過電流を検出することを特徴とする請求項1~8のいずれか一つに記載の半導体装置。9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulated gate field effect transistor detects an overcurrent flowing through the first insulated gate field effect transistor. 前記第2の第2導電型領域は、前記第1の第2導電型領域と離れて設けられていることを特徴とする請求項1~9のいずれか一つに記載の半導体装置。10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second second conductivity type region is provided apart from the first second conductivity type region. 前記第2の第2導電型領域は、前記第1の第2導電型領域に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second second conductivity type region is electrically connected to the first second conductivity type region. 前記第1セルが設けられている第2有効領域の表面積は、前記第1絶縁ゲート型電界効果トランジスタが設けられている第1有効領域の表面積の1/1000以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか一つに記載の半導体装置。A surface area of the second effective region where the first cell is provided is 1/1000 or less of a surface area of the first effective region where the first insulated gate field effect transistor is provided. The semiconductor device according to any one of items 1 to 3. 前記第2セルは前記第1セルと隣接していることを特徴とする請求項1~12のいずれか一つに記載の半導体装置。13. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second cell is adjacent to the first cell. 前記第2セルは前記第1セルを囲むことを特徴とする請求項1~13のいずれか一つに記載の半導体装置。14. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second cell surrounds the first cell. 前記第2セルにはソース領域が設けられており、前記ソース領域が前記第2ソースパッドと電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項1または3に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second cell is provided with a source region, and the source region is electrically insulated from the second source pad. 前記第2セルにはソース領域が設けられていないことを特徴とする請求項1または3に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second cell is not provided with a source region.
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