半导体装置以及控制系统的制作方法

本申请基于日本专利申请2017－179414号(申请日：2017年9月19日)主张优先权。本申请通过参照该基底申请而包含基底申请的全部内容。

实施方式一般涉及半导体装置以及控制系统。

背景技术：

半导体装置中，作为将电流路径的方向进行切换的元件，有mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。将这样的mosfet通过使电极共用而在芯片上集成多个，并组装到保护电路等电路内。如果将多个mosfet集成化，则可能会导致芯片内的电流路径变长、电阻值变高。

技术实现要素：

实施方式提供一种电气特性提高的半导体装置以及控制系统。

实施方式的半导体装置具备第1半导体层、第1开关元件、第2开关元件和导电体。所述第1半导体层的导电型为第1导电型。所述第1开关元件具有设置在所述第1半导体层上且分别具有第1控制电极的多个第1元件部、以及设置在所述多个第1元件部上的第1电极。所述第2开关元件具有设置在所述第1半导体层上且分别具有第2控制电极的多个第2元件部、以及设置在所述多个第2元件部上的第2电极。所述第2开关元件与所述第1开关元件在第1方向上排列配置。所述导电体的至少一部分设置在所述第1半导体层上。所述导电体在所述第1方向上位于所述第1开关元件以及所述第2开关元件之间。

附图说明

图1是表示实施方式的半导体装置的俯视图。

图2是表示实施方式的半导体装置的剖视图。

图3是表示实施方式的半导体装置的连接方式的电路图。

图4是表示实施方式的半导体装置的电流路径的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的各实施方式进行说明。

另外，附图是示意性的或者是概念性的，各部分的厚度与宽度的关系、部分间的大小的比率等并不一定与现实的结构相同。此外，即使在表示相同部分的情况下，根据附图也有将相互的尺寸或比率不同地表示的情况。

另外，在本申请说明书和各图中，对于与已出现的图中说明过的要素相同的要素赋予相同的标号，并适当省略详细的说明。

(本实施方式)

图1是表示本实施方式的半导体装置的俯视图。

图2是图1的a1－a2线的剖视图。

另外，本说明书中，采用xyz正交坐标系。将从漏极电极80朝向半导体层10的方向设为z方向，将相对于z方向垂直且相互正交的2个方向设为x方向及y方向。

如图1及图2所示，在半导体装置1设有开关元件1a以及开关元件1b。开关元件1a以及开关元件1b例如是mosfet。开关元件1a以及开关元件1b以在x方向上相邻的方式配置。例如，开关元件1a以及开关元件1b集成在一个芯片上。

在图1所示的例中，半导体装置1由两个开关元件1a、1b构成，但也可以由三个以上的开关元件构成。例如，在开关元件1a以及开关元件1b内设有相同的要素。

以下，对开关元件1a、1b内的要素进行说明。

在开关元件1a、1b，分别设有第1导电型的半导体层10、第1导电型的半导体层20、第1导电型的半导体层25、第2导电型的半导体层30、第1导电型的半导体层40、栅极电极50、栅极接触件51、绝缘层55、绝缘层60、源极电极70以及漏极电极80。另外，对第1导电型为n型、第2导电型为p型的情况进行说明。

半导体层10包括半导体基板。半导体层10具有第1面10a和第2面10b。第2面10b是与第1面10a相反侧的面。例如，半导体层10包含硅(si)，其导电型为n⁺型。

n⁺、n、n^－以及p⁺、p、p^－的标记表示各导电型中的实际有效的杂质浓度的相对的高低。即，带有“+”的标记表示与“+”以及“－”都不带的标记相比杂质浓度相对高，带有“－”的标记表示与哪个都不带的标记相比杂质浓度相对低。

此外，“实际有效的杂质浓度”是指对半导体材料的导电性作出贡献的杂质的浓度，在包含有作为施主的杂质和作为受主的杂质双方的情况下是指将其抵消量除去后的浓度。另外，n型杂质例如是磷(p)，p型杂质例如是硼(b)。

半导体层20设置在半导体层10上。半导体层20位于半导体层10的第1面10a上。例如，半导体层20包含硅，其导电型为n^－型。例如，半导体层20是漂移区域。

半导体层25设置在半导体层20上。例如，半导体层25包含硅，其导电型为n⁺形。例如，半导体层25的导电型为n型。例如，半导体层25作为沟道截断部(channelstopper)发挥功能。

半导体层30设置在半导体层20上。例如，半导体层30包含硅，其导电型为p型。例如，半导体层30是基底区域。

半导体层40在半导体层30上被设置多个。多个半导体层40选择性地位于半导体层30上。多个半导体层40在x方向上相互分离地配置。例如，半导体层40包含硅，其导电型为n型。

栅极电极50在半导体层20、半导体层30以及半导体层40上被设置多个。多个栅极电极50在x方向上相互分离地配置。栅极电极50的一部分位于设置于半导体层20、30、40的沟槽内。此外，在沟槽内的栅极电极50的x方向两侧，分别配置半导体层40。

栅极电极50例如包含金属材料。栅极电极50例如包含镍(ni)、铝(al)、钛(ti)、钨(w)、钼(mo)、铜(cu)、金(au)、铂(pt)等金属中的至少某一个。另外，栅极电极50也可以不包含金属材料而构成。例如，栅极电极50由包含杂质的多晶硅形成。

例如，在栅极电极50的周围，设有栅极绝缘膜等绝缘膜(未图示)。栅极电极50隔着栅极绝缘膜配置在半导体层20、30、40上。

栅极接触件51由金属材料形成，连接于多个栅极电极50。多个栅极电极50经由栅极接触件51电连接于控制电路等周边电路(未图示)。另外，如图1所示，在开关元件1a、1b的中央附近设有栅极接触件51，栅极接触件51的形成位置及个数是任意的。例如，在源极电极70的中央部有开口，在该开口配置栅极接触件51而与各栅极电极50连接。

绝缘层55设置在半导体层40以及栅极电极50上。例如，绝缘层60包含硅氧化物(sio)。隔着绝缘层55，在各栅极电极50上配置有源极电极70。也就是说，通过绝缘层55将栅极电极50与源极电极70电绝缘。

绝缘层60设置在半导体层20、25、30上。例如，绝缘层60包含硅氧化物。

源极电极70设置在半导体层30、半导体层40、绝缘层55以及绝缘层60上。源极电极70例如包含金属材料。源极电极70包含例如镍、铝、钛、钨、钼、铜、金、铂等金属中的至少某一个。

漏极电极80设置在半导体层10的第2面10b上。漏极电极80例如包含金属材料。例如，漏极电极80包含例如镍、铝、钛、钨、钼、铜、金、铂、银(ag)等金属中的至少某一个。

如图2所示，在开关元件1a设有多个元件部5a。在开关元件1b设有多个元件部5b。元件部5a、5b例如沿着x方向以及y方向配置。元件部5a、5b例如是mos晶体管。

本实施方式的半导体装置1中，mosfet在x方向上配置，各mosfet具有沿着x方向以及y方向配置的多个mos晶体管。

开关元件1a的元件部5a，作为电极而具有栅极电极50、源极电极70以及漏极电极80。开关元件1b的元件部5b，作为电极而具有栅极电极50、源极电极70以及漏极电极80。另外，多个元件部5a、5b中，漏极电极80是共用的。

元件部5a的源极电极70和元件部5b的源极电极70被施加不同的电位。此外，根据经由栅极接触件51而对元件部5a的栅极电极50施加的控制信号，接通(on)断开(off)被切换，根据经由栅极接触件51而对元件部5b的栅极电极50施加的控制信号，接通(on)断开(off)被切换。如果根据控制信号而元件部5a、5b同时接通，则因元件部5a的源极电极70与元件部5b的源极电极70之间的电位差而在半导体装置1内流过电流。也就是说，在开关元件1a以及开关元件1b之间流过电流。在该情况下，例如，漏极电极80被绝缘而处于悬浮状态，因此在开关元件1a以及开关元件1b之间在水平方向(图2的例中x方向)上流过电流。

在元件部5a的源极电极70与元件部5b的源极电极70相比为高电位的情况，从开关元件1a向开关元件1b流过电流。在元件部5a的源极电极70与元件部5b的源极电极70相比为低电位的情况下，从开关元件1b向开关元件1a流过电流。

接着，对开关元件1a以及开关元件1b间的要素进行说明。

如图1及图2所示，在半导体装置1还设有导电体90。

导电体90设置在半导体层10上。导电体90在x方向上位于开关元件1a以及开关元件1b之间，在y方向上延伸。

导电体90从半导体层20的与半导体层10对置的面相反侧的面起，在z方向上具有规定的厚度。例如，导电体90在z方向上穿透半导体层20而到达半导体层10。也就是说，在导电体90的x方向上的侧面的两侧，配置有半导体层10、20。此外，导电体90的底面到达半导体层10。

在图2的例中，导电体90在z方向上穿透半导体层20而到达半导体层10，但也可以不穿透半导体层20。也就是说，也可以以在半导体层20内形成凹部的方式设置导电体90。在该情况下，导电体90位于半导体层20上，在导电体90的x方向上的侧面的两侧，配置半导体层20。此外，导电体90的底面到达半导体层20。

此外，导电体90也可以在z方向上穿透半导体层10以及半导体层20而到达漏极电极80。在该情况下，导电体90位于漏极电极80上，在导电体90的x方向上的侧面的两侧，配置半导体层10、20。此外，导电体90的底面到达漏极电极80。

导电体90例如包含钨等金属材料。导电体90也可以包含镍、铝、钛、钼、铜、金、铂等金属材料。导电体90也可以包含包括钛等的金属硅化物。在导电体90包含金属材料的情况下，通过在开关元件1a以及开关元件1b间的半导体层20形成沟槽之后向沟槽内填入金属材料来形成导电体90。

导电体90例如也可以包含硅。在导电体90包含硅的情况下，例如通过从半导体层20的与半导体层10对置的面相反侧的面将n型杂质进行离子注入来形成导电体90。在半导体层20的导电型为n^－型的情况下，被离子注入的半导体层20的杂质浓度变高，导电型成为n型或n⁺型，从而形成导电体90。导电体90也可以包含多晶硅。

接着，对半导体装置1的连接方式的一例进行说明。

图3是表示本实施方式的半导体装置的连接方式的电路图。图3中，作为半导体装置的连接方式的一例，示出了二次电池的保护电路。

如图3所示，保护电路4具有半导体装置1以及控制电路2，与二次电池3串联连接。半导体装置1具有作为mosfet的开关元件1a、1b。开关元件1a以及开关元件1b分别具有寄生二极管，被相互连接。

二次电池3以及保护电路4经由正极端子6a以及负极端子6b连接于充电器等电源6。在正极端子6a以及二次电池3之间设有端子3a，在负极端子6b以及二次电池3之间(保护电路4以及二次电池3之间)设有端子3b。

在保护电路4以及二次电池3之间设有负载7a以及电容器8。在负载7a以及控制电路2之间设有端子3c，在电容器8以及控制电路2之间设有端子3d。负载7a中，一端连接于端子3a，另一端连接于端子3c。此外，电容器8中，一端连接于端子3c，另一端连接于端子3d。

二次电池3、负载7a以及电容器8经由端子3a、3b、3c、3d串联连接，从而构成电路9。

在保护电路4以及电源6之间设有负载7b。在负载7b以及负极端子6b之间设有端子3e。负载7b的一端连接于端子3e。图3所示的例中，由保护电路4(半导体装置1以及控制电路2)、电源6、负载7a、7b、以及电容器8构成对二次电池3的充电以及放电进行控制的系统。

在控制电路2设有分别与开关元件1a以及开关元件1b的栅极电极50连接的控制端子2a以及控制端子2b。经由控制端子2a以及控制端子2b从控制电路2向开关元件1a以及开关元件1b的栅极电极50分别施加控制信号。此外，开关元件1a的源极电极70位于正极端子6a侧，经由二次电池3连接于电源6。开关元件1b的源极电极70位于负极端子6b侧，连接于电源6。由此，半导体装置1中，在开关元件1a以及开关元件1b之间双向流过电流。

在控制电路2设有输入端子2c、2d、2e。例如，控制电路2经由输入端子2c、2d对控制电路2的电源电压、二次电池3的电压进行检测。例如，控制电路2经由输入端子2e对输入端子2d以及负极端子6b间的电位进行检测。

接着，对二次电池3的充电以及放电动作进行说明。

在控制电路2经由输入端子2c对二次电池3的电压进行检测而为通常状态的情况下，将开关元件1a以及开关元件1b切换为接通。控制电路2在二次电池3的充电动作的情况下，将开关元件1a以及开关元件1b切换为接通，向二次电池3的充电方向即箭头a1的方向流过电流。在该情况下，从开关元件1a向开关元件1b流过电流。

另一方面，控制电路2在二次电池3的放电动作的情况下，将开关元件1a以及开关元件1b切换为接通，向二次电池3的放电方向即箭头a2的方向流过电流。在该情况下，从开关元件1b向开关元件1a流过电流。另外，保护电路4以及二次电池3被相互连接，因此不能将放电完全停止。因此，在放电时，有在电路9内向箭头a3的方向流过电流的情况。

在通常状态下，二次电池3的电压在规定的电压值的范围内，因此将开关元件1a以及开关元件1b双方设为接通。

接着，对过充电以及过放电的保护动作进行说明。

首先，对经由输入端子2c进行的控制电路2的保护动作进行说明。

在控制电路2经由输入端子2c对二次电池3的电压进行检测而为过充电状态的情况下，将控制端子2b设为断开(例如，输出使开关元件1b断开的信号)，由此开关元件1b断开，从开关元件1a向开关元件1b不流过电流。也就是说，经由开关元件1b不流过电流，作为流过半导体装置1的电流，依赖于开关元件1a的电阻和寄生二极管(反向)。此外，在从过充电状态放电的情况下，寄生二极管成为正向，因此能够放电。

在过充电状态下，二次电池3的电压比规定的电压值大，因此将开关元件1a以及开关元件1b分别接通以及断开。由此，充电被停止，经由开关元件1b的寄生二极管和接通状态的开关元件1a向基于二次电池3的放电的箭头a2的方向流过电流。

在控制电路2经由输入端子2c对二次电池3的电压进行检测而为过放电状态的情况下，使得控制端子2a中不流过电流(例如，输出将开关元件1a断开的信号)，因此开关元件1a断开而从开关元件1b向开关元件1a不流过电流。也就是说，经由开关元件1a不流过电流，作为流过半导体装置1的电流，依赖于开关元件1b的电阻和寄生二极管(反向)。此外，在从过放电状态进行充电的情况下，寄生二极管成为正向，因此能够充电。

在过放电状态下，二次电池3的电压比规定的电压值小，因此开关元件1a以及开关元件1b分别断开以及接通。由此，放电被停止，经由开关元件1a的寄生二极管和接通状态的开关元件1b向基于二次电池3的充电的箭头a1的方向流过电流。

接下来，对经由输入端子2e进行的控制电路2的保护动作进行说明。

控制电路2在经由输入端子2e而根据输入端子2d以及负极端子6b间的电位检测到充电时的过电流的情况下，使得控制端子2b中不流过电流，因此开关元件1b断开而从开关元件1a向开关元件1b不流过电流。也就是说，作为流过半导体装置1的电流，依赖于开关元件1a的电阻和寄生二极管(反向)。此外，在从检测到充电时的过电流的状态起进行放电的情况下，寄生二极管成为正向，因此能够放电。

在检测到充电时的过电流的情况下，输入端子2d以及负极端子6b间的电位(电压)为规定的电压以下，因此将开关元件1a以及开关元件1b分别接通以及断开。

控制电路2在经由输入端子2e而根据输入端子2d以及负极端子6b间的电位检测到放电时的过电流的情况下，使得控制端子2a中不流过电流，因此开关元件1a断开而从开关元件1b向开关元件1a不流过电流。也就是说，作为流过半导体装置1的电流，依赖于开关元件1b的电阻和寄生二极管(反向)。此外，在从检测到放电时的过电流的状态起进行充电的情况下，寄生二极管成为正向，因此能够充电。

在检测到放电时的过电流的情况下，输入端子2d以及负极端子6b间的电位(电压)为规定的电压以上，因此将开关元件1a以及开关元件1b分别断开以及接通。

另外，在电源6被使用0v的充电器的情况下，控制电路2将控制端子2b固定为一定的电位。并且，开关元件1b接通而充电动作开始。

如上所述，半导体装置1与二次电池3串联连接，由控制电路2将半导体装置1的开关元件1a、1b中的一方接通而将另一方断开，从而抑制二次电池3的过充电以及过放电。

接着，对本实施方式的效果进行说明。

图4是表示实施方式的半导体装置的电流路径的剖视图。

图4所示的区域相当于图2所示的区域。

本实施方式中，半导体装置1具有设置在半导体层10以及半导体层20内、并且在x方向上位于开关元件1a以及开关元件1b之间的导电体90。如果设置这样的导电体90，则开关元件1a以及开关元件1b之间的电阻值下降，在半导体装置1内不易流过电流。由此，半导体装置1的电气特性提高。

这里，如图4所示，在由两个开关元件1a、1b构成的半导体装置1中，作为共用电极而设有漏极电极80。例如，在从开关元件1a向开关元件1b流过电流的情况下，首先，从开关元件1a的源极电极70经由元件部5a向半导体层20以及半导体层10流过电流。接下来，从半导体层10向漏极电极80流过电流，从半导体层10以及半导体层20经由元件部5b向开关元件1b的源极电极70流过电流。也就是说，有如图4的箭头a4那样流过电流的情况。

在仅形成如图4的箭头a4那样的电流路径的情况下，电流路径变长。此外，在箭头a4的电流路径中包含半导体层20，因此在半导体层20中，包含硅，其导电型为n^－型，电阻率容易变高。由此，在箭头a4的电流路径中电阻值变高。

此外，例如，可以想到通过使半导体层20的z方向上的厚度变小，使电流路径变短而减少电阻值。但是，如果使半导体层20的z方向上的厚度变小，则对半导体装置1的电气特性、例如开关元件1a、1b的源极电极70间的电位差带来影响，有可能在半导体装置1的动作中产生不良状况。

本实施方式的半导体装置1中，导电体90设置在半导体层10以及半导体层20内，在x方向上位于开关元件1a以及开关元件1b之间。在通过这样的导电体90而从开关元件1a向开关元件1b流过电流的情况下，首先，从开关元件1a的源极电极70经由元件部5a向半导体层20流过电流。接下来，从半导体层20向导电体90流过电流，从半导体层20经由元件部5b向开关元件1b的源极电极70流过电流。也就是说，与图4的箭头a4的电流路径另行地，如图4的箭头a5那样流过电流。由此，由于在半导体层20内设有电阻率比半导体层20的电阻率低的导电体90，因此将开关元件1a以及开关元件1b之间的电阻值降低，不易从开关元件1a向开关元件1b流过电流。

根据本实施方式，能够提供电气特性提高的半导体装置以及控制系统。

如上所述，作为一例，对第1导电型为n型、第2导电型为p型的情况进行了说明，但也可以是第1导电型为p型，第2导电型为n型。在该情况下，通过使上述的各半导体层的导电型反型来形成半导体装置1。

以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子来提示的，并没有要限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他多种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求书记载的发明及其等价物的范围中。