JP5258207B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体基板の厚さ方向に電流が流れる半導体装置に関する。
半導体基板の厚さ方向に電流が流れる半導体装置として、例えば、トレンチ型のMOSトランジスタが知られている。以下に、この種のMOSトランジスタについて図9の断面図を参照して説明する。
N型の半導体基板110の表面に、N−型のエピタキシャル層111が形成されている。このエピタキシャル層111の表面には、MOSトランジスタのチャネルとなるP型拡散層112が形成されている。P型拡散層112には、その表面から裏面に向かって、所定の深さの複数の溝113が形成され、その溝113内にはゲート電極114が形成されている。ゲート電極114はP型拡散層112の表面側と溝113内でゲート絶縁膜115に覆われている。このゲート絶縁膜115を介して、ゲート電極114に隣接してN型拡散層からなるソース層116が形成されている。隣接する2つのソース層116間には、P型ボディー層117が形成されている。
P型拡散層112の表面には、ソース層116と接続されたソース電極118が形成されている。エピタキシャル層111が形成されていない側の半導体基板110の表面は、ドレイン電極119に覆われている。
上記構成のMOSトランジスタにおいて、ゲート電極114に所定の電圧が印加されると、P型拡散層112内で、溝113に沿ってチャネルが形成される。このチャネルを通って、半導体基板110の厚み方向、即ちエピタキシャル層111、半導体基板110、そしてドレイン電極119に向かってドリフト電流が流れる。
なお、トレンチ型のMOSトランジスタについては、例えば特許文献1に記載されている。
特開2001−119023号公報
上記MOSトランジスタにおいて、溝113及びゲート電極114の密度、即ち単位面積当たりの溝113及びゲート電極114の数には限界があるため、オン抵抗の低減と大電流化が制限されるという問題が生じていた。
本発明の半導体装置は、半導体基板の表面に形成され、第1のソース、第1のゲートを有する第1のMOSトランジスタと、半導体基板の裏面に形成され、第2のソース、第2のゲートを有する第2のMOSトランジスタと、半導体基板に電気的に接続されたドレイン電極と、第1のMOSトランジスタの第1のソースに電気的に接続された第1のソース電極と、第2のMOSトランジスタの第2のソースに電気的に接続された第2のソース電極と、半導体基板に形成された第1の貫通孔を通して形成され、第1のソース電極と第2のソース電極とを電気的に接続する第1の配線と、を備え、半導体基板は第1及び第2のMOSトランジスタの共通のドレインであることを特徴とする。
本発明によれば、半導体基板の表面と裏面を利用して、MOSトランジスタを形成しているため、単位チップサイズ当たりのMOSトランジスタのオン抵抗を低減し、大電流化を実現することができる。
本発明によれば、半導体基板の厚み方向に電流が流れる半導体装置において、低いオン抵抗を実現して、大電流を流すことが可能になる。
本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態による半導体装置を示す概略平面図である。また、図2は、図1のA−A線に沿った断面図である。
最初に、本実施形態による半導体装置の概略の平面構成について説明する。この半導体装置では、半導体基板10の表面に第1のMOSトランジスタTR1が形成され、半導体基板10の裏面には、第1のMOSトランジスタTR1と対向して、第2のMOSトランジスタTR2が形成されている。第1のMOSトランジスタTR1及び第2のMOSトランジスタTR2の形成領域は、それぞれ、第1のソース電極28S及び第2のソース電極38Sにより覆われている。第1のソース電極28S及び第2のソース電極38Sに隣接した領域には、ゲート端子28G、及びドレイン電極28Dが配置されている。なお、第1のソース電極28S、第2のソース電極38S、ゲート端子28G、及びドレイン電極28Dの配置関係は、図1に示したものに限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更されてもよい。
以下に、この半導体装置の詳細な断面構成について説明する。例えばN+型のシリコン基板からなる半導体基板10の表面に、第1のMOSトランジスタTR1が形成されている。具体的には、半導体基板10の表面に、N−型の第1のエピタキシャル層21が形成され、第1のエピタキシャル層21の表面には、第1のMOSトランジスタTR1のチャネルとなる第1のP型拡散層22が形成されている。
第1のP型拡散層22には、その表面から第1のエピタキシャル層21に到達する第1の溝23が形成され、その第1の溝23内には例えばポリシリコンからなる第1のゲート電極24が形成されている。第1の溝23の個数は単数又は複数であるが、この例では説明の簡便のため、2つのみを示している。第1の溝23の深さは例えば約2μmであり、その開口径は例えば約0.4μmである。第1のゲート電極24は、第1のP型拡散層22の表面側と第1の溝23内で、第1のゲート絶縁膜25に覆われている。なお、第1のゲート電極24は、図1のゲート端子28Gに接続されている。
第1のP型拡散層22には、第1のゲート絶縁膜25を介して第1のゲート電極24に隣接するN型の第1のソース層26が形成されている。隣接する2つの第1のソース層26間には、第1のP型ボディー層27が形成されている。
第1のP型拡散層22の表面は、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属層からなり第1のソース層26と接続された第1のソース電極28Sに覆われている。第1のソース電極28Sは、後述する第1の貫通孔41の形成領域と重畳する位置まで延在している。また、第1のP型拡散層22が形成されていない半導体基板10の表面には、アルミニウム又はアルミニウム合金等の金属層からなるドレイン電極28Dが形成され、そのドレイン電極28Dは半導体基板10と電気的に接続されている。
他方、半導体基板10の裏面には、第1のMOSトランジスタTR1と同様の構成を有した第2のMOSトランジスタTR2が形成されている。即ち、第1のMOSトランジスタTR1と同様に、第2のエピタキシャル層31、第2のP型拡散層32、第2の溝33、第2のゲート電極34、第2のゲート絶縁膜35、第2のソース層36、第2のP型ボディー層37、第2のソース電極38Sが形成されている。
また、第1のエピタキシャル層21、半導体基板10、及び第2のエピタキシャル層31を貫通する第1の貫通孔41が形成されている。第1の貫通孔41は、第1のソース電極28Sと重畳している。第1の貫通孔41の開口径は、例えば約25μmである。第1の貫通孔41の側壁、及び第2のエピタキシャル層31上であって第1の貫通孔41の開口部周辺には、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等の絶縁膜42が形成されている。
さらに、第1の貫通孔41内から第2のソース電極38S上に延びて、第1の配線43が形成されている。第1の配線43は、第1の貫通孔41内では、絶縁膜42によって、第1のエピタキシャル層21、半導体基板10、及び第2のエピタキシャル層32と絶縁されると共に、第1のソース電極28Sと接続され、第1の貫通孔41の外側では、第2のソース電極38Sと接続されている。第1の配線43は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、又は銅からなる金属層である。
なお、第1のソース電極28Sと、第2のソース電極38Sとは、第1の貫通孔41を介して、第1の配線43により電気的に接続されていればよいのであって、第1の貫通孔41は、第1のソース電極28S、第2のソース電極38Sと重畳してもよいし、重畳しなくてもよい。第1の貫通孔41を第1のソース電極28Sに重畳させない場合、第1の配線43を、第1の貫通孔41の外、即ち第1のエピタキシャル層21の表面側に延ばして、第1のソース電極28Sと接続する。第1の貫通孔41の大きさは特に限定されず、その数は図のように単数に限定されず複数であってもよい。
また、第1のエピタキシャル層21、半導体基板10、及び第2のエピタキシャル層31を貫通する第2の貫通孔44が形成されている。第2の貫通孔44の開口径は、例えば約25μm〜30μmである。第2の貫通孔44内には、絶縁膜を介さずに、第2の配線45が形成されている。第2の配線45は、第2の貫通孔44内で第1のエピタキシャル層21、半導体基板10、及び第2のエピタキシャル層31と接続されると共に、ドレイン電極28Dと接続されている。これにより、ドレイン抵抗を低減することができる。第2の配線45は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、又は銅からなる金属層である。
なお、第2の貫通孔44は、ドレイン電極28Dと重畳していることが好ましいが、第2の貫通孔44をドレイン電極28に重畳させずに、第2の配線45を、第2の貫通孔44の外、即ち第1のエピタキシャル層21の表面側に伸ばして、ドレイン電極28Dに接続してもよい。第2の貫通孔44の大きさは特に限定されず、その数は図のように単数に限定されず複数であってもよい。
上記構成において、半導体基板10、及び第1のエピタキシャル層21は、第1のMOSトランジスタTR1のドレイン領域となる。具体的には、第1のゲート電極24に所定の電圧が印加されると、第1のP型拡散層22内で、第1の溝23に沿ってチャネルが形成される。このチャネルを通って、半導体基板10の厚み方向、即ち第1のエピタキシャル層21、半導体基板10に向かってドリフト電流が流れ、その電流が、第2の配線45を通って、ドレイン電流としてドレイン電極28Dから出力される。同様に、半導体基板10、及び第2のエピタキシャル層31は、第2のMOSトランジスタTR2のドレイン領域となり、そこに流れるドリフト電流は、第2の配線45を通って、ドレイン電流としてドレイン電極28Dから出力される。
即ち、第1のMOSトランジスタTR1及び第2のMOSトランジスタTR2は、ドレイン領域として半導体基板10を共有している。これにより、短い経路を通ってドレイン電流を出力できるため、オン抵抗の増大を抑止することができる。また、半導体基板10の両面にMOSトランジスタが形成されているため、片面にMOSトランジスタを形成した場合に比して、単位面積当たりのチャネル数を、2倍以上に増やすことも可能となり、大電流を導通させることが可能となる。これを言い換えれば、所望の電流を導通させる半導体装置を、より小さいサイズによって実現することができる。
以下に、本発明の第2の実施形態について図面を参照して説明する。図3は、本実施形態による半導体装置を示す概略平面図であり、図4は図3のB−B線に沿った断面図である。図3及び図4では、図1及び図2に示した第1の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
この半導体装置では、第1のMOSトランジスタTR1は、第1の半導体基板10Aに形成され、第2のMOSトランジスタTR2は、第1の半導体基板10Aとは別に準備された第2の半導体基板10Bに形成される。そして、第1の半導体基板10A及び第2の半導体基板10Bは、第1のエピタキシャル層21及び第2のエピタキシャル層31が形成されていない面を対向させて、接着層11を介して貼り合わされている。接着層11は、銀ペースト等の導電性ペーストからなり、第1の半導体基板10Aと第2の半導体基板10Bとを電気的に接続する。これにより、第1の半導体基板10Aと第2の半導体基板10Bは、第1のMOSトランジスタTR1及び第2のMOSトランジスタTR2の共通のドレイン領域となる。
第1のエピタキシャル層21、第1の半導体基板10A、第2の半導体基板10B、及び第2のエピタキシャル層31には、第1の実施形態と同様の第1の貫通孔41が形成されている。第1の貫通孔41の側壁、及び第2のエピタキシャル層31上であって第1の貫通孔41の開口部周辺には、絶縁膜42が形成されている。
さらに、第1の貫通孔41内から第2のソース電極38S上に延びて、第1の実施形態と同様の第1の配線43が形成されている。即ち、第1の配線43は、第1の貫通孔41内では第1のソース電極28Sと接続され、第1の貫通孔41の外側では第2のソース電極38Sと接続されている。
また、第1のエピタキシャル層21、第1の半導体基板10A、第2の半導体基板10B、及び第2のエピタキシャル層31には、第1の実施形態と同様の第2の貫通孔44が形成されている。第2の貫通孔44内には、絶縁膜を介さずに、第1の実施形態と同様の第2の配線45が形成されている。即ち、第2の配線45は、第2の貫通孔44内で第1のエピタキシャル層21、第1の半導体基板10A、第2の半導体基板10B、及び第2のエピタキシャル層31と接続されると共に、ドレイン電極28Dと接続されている。
本実施形態では、第1のMOSトランジスタTR1及び第2のMOSトランジスタTR2を、それぞれ、別個の半導体基板に形成しているため、通常の製造工程を用いることができる。これにより、第1の実施形態と同等の効果に加えて、さらに製造コストの増大を抑えることが可能となる。
なお、第2の実施形態における第1のMOSトランジスタTR1及び第2のMOSトランジスタTR2は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)として構成されてもよい。
この場合について、以下に、本発明の第3の実施形態として図面を参照して説明する。図5は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。その概略の平面構成は第2の実施形態と同様である。図5では、図3及び図4に示した第2の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
この半導体装置では、第1の半導体基板10A上であって、第1のエピタキシャル層21が形成されていない側に、P型の高濃度拡散層、即ち第1のP+型拡散層12Aが形成されている。同様に、第2の半導体基板10B上であって、第2のエピタキシャル層31が形成されていない側に、第2のP+型拡散層12Bが形成されている。
この構成により、第1及び第2の実施形態における効果に加えて、第1のMOSトランジスタTR1及び第2のMOSトランジスタTR2は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして、大電流駆動に対応可能なバイポーラトランジスタと、高速スイッチングに対応可能なMOSトランジスタの各動特性の利点を併せもつことができる。
上述した第1乃至第3の実施形態において、第1の溝23及び第2の溝33が形成されたトレンチ型のMOSトランジスタについて説明したが、本発明は、半導体基板の厚さ方向に電流が流れるトランジスタであれば、他のタイプのMOSトランジスタに対しても適用することができる。
以下に、本発明の第4の実施形態について図面を参照して説明する。図6は、本実施形態による半導体装置を示す概略平面図であり、図7は図6のC−C線に沿った断面図である。図6及び図7では、図1及び図2に示した第1の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
この半導体装置では、半導体基板10の表面に、N−型の第3のエピタキシャル層21が形成され、さらに、第3のMOSトランジスタTR3のチャネルとなる第3のP型拡散層62が形成されている。第3のP型拡散層62の表面に、N+型の第3のソース層63が形成されている。半導体基板10の表面、第3のP型拡散層62、及び第3のソース層63の一部上には、第3のゲート絶縁膜64が形成されている。第3のゲート絶縁膜64上には、第3のP型拡散層62及び第3のソース層63と重畳して、第3のゲート電極65が形成されている。第3のゲート電極65は絶縁膜66に覆われている。また、半導体基板10の表面には、第3のソース層63と接続して、第1の実施形態と同様の第1のソース電極28Sが形成されている。
他方、半導体基板10の裏面にも同様に、第4のエピタキシャル層31、第4のP型拡散層72、第4のソース層73、第4のゲート絶縁膜74、第4のゲート電極75、絶縁膜76、第2のソース電極38Sが形成されている。即ち、第4のMOSトランジスタTR4が形成されている。
半導体基板10には、第1の実施形態と同様に、第1の貫通孔41、絶縁膜42、第1の配線43が形成されている。第1の配線43は、半導体基板10と絶縁されながら、第1のソース電極28Sと第2のソース電極38Sとを接続している。
また、半導体基板10には、第1の実施形態と同様に、第2の貫通孔44、第2の配線45が形成されている。第2の配線45は、半導体基板10と接続されると共に、ドレイン電極28Dと接続されている。
なお、図示しないが、第2の実施形態と同等の効果を得る構成として、第3のMOSトランジスタTR3及び第4のMOSトランジスタTR4は、別個に準備された2枚の半導体基板に、それぞれ形成されてもよい。この場合、各半導体基板は、第3のP型拡散層62及び第4のP型拡散層72が形成されていない側の面を対向させて、銀ペースト等の導電性ペーストからなる接着層を介して貼り合わされる。
この構成に加えて、さらに第3の実施形態と同等の効果を得る構成として、第3のMOSトランジスタTR3及び第4のMOSトランジスタTR4は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして構成されてもよい。即ち、各半導体基板において、第3のP型拡散層62及び第4のP型拡散層72が形成されていない側の面に、P型の高濃度拡散層、即ちP+型拡散層が形成されてもよい。
さらにいえば、本発明は、半導体基板の厚さ方向に電流が流れるトランジスタであれば、上記以外のトランジスタ、例えばバイポーラトランジスタに対しても適用することができる。以下に、本発明の第5の実施形態について図面を参照して説明する。図8は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。図8では、図1及び図2に示した第1の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
この半導体装置では、半導体基板10の表面に、第1のエピタキシャル層21が形成され、さらに、第1のバイポーラトランジスタTR5のベースとなる第1のP型拡散層22Bが形成されている。第1のP型拡散層22Bの表面には、N+型の第1のエミッタ層26Eが形成されている。半導体基板10の表面には、第1のエミッタ層26Eと接続された第1のエミッタ電極28Eが形成されている。第1のP型拡散層22Bと第1のエミッタ電極28Eは、絶縁膜42により互いに絶縁されている。また、第1のP型拡散層22Bの一部は、ベース電位に接続されたベース電極28Bと接続されている。
他方、半導体基板10の裏面にも同様に、第2のエピタキシャル層31、第2のP型拡散層32B、第2のエミッタ層36E、第2のエミッタ電極38E、ベース電極28B、絶縁膜42が形成されている。即ち、第2のバイポーラトランジスタTR6が形成されている。
第1のエピタキシャル層21、半導体基板10、及び第2のエピタキシャル層31には、第1の実施形態と同様に、第1の貫通孔41、絶縁膜42、第1の配線43が形成されている。第1の配線43は、半導体基板10と絶縁されながら、第1のエミッタ電極28Eと第2のエミッタ電極38Eとを接続している。
また、第1のエピタキシャル層21、半導体基板10、及び第2のエピタキシャル層31には、第1の実施形態と同様に、第2の貫通孔44、第2の配線45が形成されている。第2の配線45は、半導体基板10と接続されると共に、コレクタ電極28Cと接続されている。
なお、図示しないが、上記第1乃至第3の実施形態において、第1のゲート電極24及び第2のゲート電極34は、もう1つの貫通孔を通して、配線により互いに接続されてもよい。第4の実施形態における第3のゲート電極65と第4のゲート電極75、第5の実施形態における2つのベース電極28Bについても同様である。
本発明の第1の実施形態による半導体装置を示す概略平面図である。 本発明の第1の実施形態による半導体装置を示す断面図である。 本発明の第2及び第3の実施形態による半導体装置を示す概略平面図である。 本発明の第2の実施形態による半導体装置を示す断面図である。 本発明の第3の実施形態による半導体装置を示す断面図である。 本発明の第4の実施形態による半導体装置を示す概略平面図である。 本発明の第4の実施形態による半導体装置を示す断面図である。 本発明の第5の実施形態による半導体装置を示す断面図である。 従来例による半導体装置を示す断面図である。
符号の説明
10,110 半導体基板 10A 第1の半導体基板
10B 第2の半導体基板 11 接着層
12A 第1のP+型拡散層 12B 第2のP+型拡散層
21 第1のエピタキシャル層 22,22B 第1のP型拡散層
23 第1の溝 24 第1のゲート電極
25 第1のゲート絶縁膜 26 第1のソース層
26E 第1のエミッタ層 27 第1のP型ボディー層
28S 第1のソース電極 28C コレクタ電極
28E 第1のエミッタ電極 28D ドレイン電極
28G ゲート端子 28B ベース電極
31 第2のエピタキシャル層 32,32B 第2のP型拡散層
33 第2の溝 34 第2のゲート電極
35 第2のゲート絶縁膜 36 第2のソース層
36E 第2のエミッタ層 37 第2のP型ボディー層
38S 第2のソース電極 38E 第2のエミッタ電極
41 第1の貫通孔 42,66,76 絶縁膜
43 第1の配線 44 第2の貫通孔
45 第2の配線 62 第3のP型拡散層
63 第3のソース層 64 第3のゲート絶縁膜
65 第3のゲート電極 66,76 絶縁膜
72 第4のP型拡散層 73 第4のソース層
74 第4のゲート絶縁膜 75 第4のゲート電極
111 エピタキシャル層 112 P型拡散層
113 溝 114 ゲート電極
115 ゲート絶縁膜 116 ソース層
117 P型ボディー層 118 ソース電極
119 ドレイン電極
TR1 第1のMOSトランジスタ TR2 第2のMOSトランジスタ
TR3 第3のMOSトランジスタ TR4 第4のMOSトランジスタ
TR5 第1のバイポーラトランジスタ
TR6 第2のバイポーラトランジスタ

Claims (7)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の表面に形成され、第1のソース、第1のゲートを有する第1のMOSトランジスタと、
    前記半導体基板の裏面に形成され、第2のソース、第2のゲートを有する第2のMOSトランジスタと、
    前記半導体基板に電気的に接続されたドレイン電極と、
    前記第1のMOSトランジスタの第1のソースに電気的に接続された第1のソース電極と、
    前記第2のMOSトランジスタの第2のソースに電気的に接続された第2のソース電極と、
    前記半導体基板に形成された第1の貫通孔を通して形成され、前記第1のソース電極と前記第2のソース電極とを電気的に接続する第1の配線と、を備え、
    前記半導体基板は前記第1及び第2のMOSトランジスタの共通のドレインであることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体基板を貫通して形成された第2の貫通孔を通して形成された第2の配線を有し、この第2の配線は前記ドレイン電極に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1の配線は前記半導体基板から電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体基板は、接着層によって貼り合わされた第1の半導体基板及び第2の半導体基板の積層体であり、
    前記第1の半導体基板は、前記半導体基板の表面側に配置され、前記第2の半導体基板は、前記半導体基板の裏面側に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  5. 前記接着層は導電性を有する接着層であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
  6. 前記半導体基板に形成された第3の貫通孔を通して形成され、前記第1のゲートと前記第2のゲートとを電気的に接続する第3の配線を備えることを特徴とする請求項1乃至5に記載の半導体装置。
  7. 半導体基板と、
    前記半導体基板の表面に形成され、第1のエミッタ、第1のベースを有する第1のバイポーラトランジスタと、
    前記半導体基板の裏面に形成され、第2のエミッタ、第2のベースを有する第2のバイポーラトランジスタと、
    前記半導体基板に電気的に接続されたコレクタ電極と、
    前記第1のバイポーラトランジスタの第1のエミッタに電気的に接続された第1のエミッタ電極と、
    前記第2のバイポーラトランジスタの第2のエミッタに電気的に接続された第2のエミッタ電極と、
    前記半導体基板に形成された第1の貫通孔を通して形成され、前記第1のエミッタ電極と前記第2のエミッタ電極とを電気的に接続する第1の配線と、を備え、
    前記半導体基板は前記第1及び第2のバイポーラトランジスタの共通のコレクタであることを特徴とする半導体装置。
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