JP2003229449A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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Hideshi Takatani
秀史 高谷
Hideki Toshima
秀樹 戸嶋
Takeshi Fukami
武志 深見
Masakazu Yamazoe
正和 山添
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 素子側電極パッドにボンディングワイヤが電
気的に接続された構成であって、そのワイヤボンディン
グ時の作業性に優れた半導体装置およびその製造方法を
提供すること。 【解決手段】 半導体素子１０の上面に設けられた複数
のエミッタ電極パッド２２ａには、半田５０によって一
枚の金属板３０が共通的に接合されている。この金属板
３０は、ゲートフィンガー２６等の設けられた部分（非
ボンディング領域）を跨いで、複数の電極パッド２２ａ
を連結している。この金属板３０の上面に複数本のボン
ディングワイヤ４０のそれぞれ一端が接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、半導体素子に設
けられた電極と回路側に設けられた電極がボンディング
ワイヤを介して電気的に接続された半導体装置およびそ
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】 半導体素子の上面に設けられた電極
（素子側電極）と、この半導体素子が実装される回路側
に設けられた電極（回路側電極）とを、ワイヤボンディ
ングにより電気的に接続した半導体装置が知られてい
る。例えば特開平７−２９９３３号公報には、半導体素
子に設けられた複数の素子側電極パッド（主電流電極
群）のそれぞれにボンディングワイヤの一端を接続し、
それらのボンディングワイヤの他端を電気絶縁基板上の
電極パッド（回路側電極パッド）に接続した電力用半導
体装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】 ところで、半導体素
子の小型化が進むにつれて各素子側電極パッドのサイズ
やパッド相互の間隔は小さくなる傾向にある。このため
ワイヤボンディングの精度（位置精度、形状精度等）を
さらに高めることが求められている。特に、素子側電極
パッド相互の間にワイヤボンディングに適さない領域
（非ボンディング領域）が存在する場合にはこのような
高精度化に対する要請が大きい。しかし、ワイヤボンデ
ィングの精度を高めようとすると半導体素子の生産性
（作業性）が低下しがちであった。
【０００４】そこで本発明は、素子側電極パッドにボン
ディングワイヤが電気的に接続された構成であって、そ
のワイヤボンディング時の作業性に優れた半導体装置を
提供することを目的とする。本発明の他の目的は、その
ような半導体装置の製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用と効果】 本発明者
は、非ボンディング領域を挟んで配置された二以上の素
子側電極パッドを、それらのパッドの間に非ボンディン
グ領域を跨いで掛け渡された導電部材により連結するこ
とによって上記課題を解決できることを見出した。
【０００６】本発明により提供される半導体装置は、一
または二以上の半導体素子の上面に設けられた合計二以
上の素子側電極パッドを備える。それら二以上の素子側
電極パッドの間には非ボンディング領域がある。それら
二以上の素子側電極パッドには、その非ボンディング領
域を跨いで導電部材が共通的に接合されている。その導
電部材にはボンディングワイヤが接続されている。かか
る構成によると、非ボンディング領域を跨ぐ部分の導電
部材（導電部材を備えない構成ではワイヤボンディング
を行うことができなかった部分）にもボンディングワイ
ヤを接続することができる。すなわち、非ボンディング
領域の位置を気にすることなく（非ボンディング領域を
避けることなく）ワイヤボンディングを行うことができ
る。このことによって、本発明の半導体装置を製造する
にあたってワイヤボンディング時の作業性を向上させ得
る。なお、ここでいう「二以上の素子側電極パッド」と
は、見かけ上、その間に非ボンディング領域が存在して
いる二以上の電極パッドと見なされ得るものであればよ
い。例えば一枚の電極パッドの一部に、例えば電極パッ
ドを横断するように非ボンディング領域が存在し、その
非ボンディング領域によって一枚の電極パッドが見かけ
上二以上の電極パッドと見なされる場合を含む。
【０００７】このような接続構造は、素子側電極パッド
のうち駆動用電極パッドに対して好ましく適用される。
また、このような接続構造を制御用電極パッドに適用し
てもよい。駆動用電極パッドおよび制御用電極パッドの
双方に前記接続構造をそれぞれ適用してもよい。本発明
の半導体装置のうち好ましいものでは、前記接続構造が
少なくとも駆動用電極パッドに適用されている。
【０００８】本発明により提供される半導体装置の製造
方法は、合計二以上の素子側電極パッドが設けられた一
または二以上の半導体素子を回路基板に接合する工程を
備える。また、それら二以上の素子側電極パッドに、そ
れらの間にある非ボンディング領域を跨いで導電部材を
共通的に接合する工程を備える。さらに、その接続され
た導電部材にワイヤボンディングを行う工程を備える。
かかる製造方法は、本発明のいずれかの半導体装置を製
造する方法として好適である。
【０００９】特に限定するものではないが、本発明の半
導体装置またはその製造方法の好ましい態様によると、
以下に挙げる一または二以上の効果を得ることができ
る。
【００１０】導電部材を用いることにより、二以上の素
子側電極パッドにそれぞれワイヤボンディングを行う場
合に比べて、ワイヤボンディングに適した領域を広く確
保することができる。したがって、ワイヤボンディング
の位置精度の許容範囲を広くすることができる。このこ
とによってワイヤボンディング時の作業性、ワイヤボン
ディングの信頼性（接続信頼性）、半導体装置製造時の
生産性（作業性、歩留まり等）の少なくとも一つが向上
する。また、ワイヤボンディングに適した領域を広く確
保することができるので、より多い本数のボンディング
ワイヤを素子側電極に接続することが可能となる。この
ような接続構造は、電力用半導体素子の駆動用電極（エ
ミッタ電極やコレクタ電極）と回路側電極（基板）との
接続のように、大電流が流れる箇所に特に好ましく適用
される。
【００１１】ワイヤボンディングは導電部材に対して行
われる。このため、素子側電極パッドに直接ワイヤボン
ディングを行う場合に比べて、ボンディング時の超音波
および／または加圧力が半導体素子（特に素子側電極パ
ッド）に及ぼす影響（ワイヤボンドダメージ）を低減す
ることができる。したがって、より太いボンディングワ
イヤを用いることができる。このことによって半導体装
置の性能（例えば、素子側電極から容易に大電流を取り
出す性能）を向上させ得る。あるいは、使用するボンデ
ィングワイヤの本数を減らすことができる。このことに
よってワイヤボンディング時の作業性（半導体素子の生
産性）が向上する。さらに、複数の素子側電極パッドを
連結する導電部材にワイヤボンディングを行うことによ
り、素子側電極パッドの数よりも少ない本数のボンディ
ングワイヤによって素子側電極と回路側電極とを接続す
ることも可能である。このような構成は、例えば半導体
素子の電流容量が比較的小さい場合に有効である。
【００１２】非ボンディング領域を跨いで導電部材を配
置することにより、この非ボンディング領域の上方に相
当する部分にもワイヤボンディングを行うことが可能と
なる。これにより半導体素子の設計自由度が高められ
る。パワーＭＯＳ，ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar
Transistor），ＢＪＴ（Bipolar Junction Transisto
r），サイリスタ等のように素子のオン・オフをコント
ロールする制御電極を有する半導体素子（特に電力用半
導体素子）では、この制御電極と接続された配線（ゲー
トフィンガー）を素子表面に設けることがある。このゲ
ートフィンガーは駆動用電極とは分離されている必要が
ある。したがって従来は、ゲートフィンガーが設けられ
た箇所（非ボンディング領域）を避けて駆動用電極パッ
ドへのワイヤボンディングを行っていた。このため所望
のゲートフィンガー密度を確保し難くなる場合があっ
た。また、太いボンディングワイヤを用いることが困難
となる場合があった。本発明の半導体素子では、ゲート
フィンガー（非ボンディング領域）の配置位置や配置密
度とワイヤボンディングを行う位置をそれぞれ独立して
定めることができる。これにより、破壊耐量、高周波特
性、大電流特性の少なくとも一つを向上させることが可
能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】 この発明は、また、下記の形態
で実施することを特徴とする。
【００１４】（形態１） 本発明の半導体装置がパワー
デバイスである。このパワーデバイスに備えられた電力
用半導体素子の駆動用電極パッドと回路側電極との接続
に本発明の接続構造が適用されている。
【００１５】（形態２） 導電部材は、単一の半導体素
子に設けられた二以上の駆動用電極パッドに共通的に接
続されている。それらの電極パッドの間にはゲートフィ
ンガーが配置されている。後述する第一実施例はこのよ
うな形態の一例である。
【００１６】（形態３） 導電部材は、複数の半導体素
子にそれぞれ設けられた一以上の素子側電極パッド（好
ましくは駆動用電極パッド）に共通的に接続されてい
る。この導電部材にワイヤボンディングを行うことによ
り、複数の半導体素子と回路側電極とを同時に接続する
ことができる。このことによってワイヤボンディング時
の作業性（半導体装置の生産性）が向上する。後述する
第二実施例はこのような形態の一例である。
【００１７】（形態４） 少なくとも一本のボンディン
グワイヤは、非ボンディング領域の上方を含む部分の導
電部材に接続されている。
【００１８】（形態５） 半導体素子の上面には、非ボ
ンディング領域を被覆するとともに素子側電極パッドを
露出させる絶縁保護層が設けられている。
【００１９】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例について詳細に
説明する。本発明の半導体装置に備えられる半導体素子
としては各種の半導体素子（ＩＧＢＴ等のバイポーラト
ランジスタやＭＯＳ等の電界効果型トランジスタ等）を
用いることができる。本発明の半導体装置がパワーデバ
イスである（典型的には、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳ等の
電力用半導体素子を備える）場合には、本発明を適用す
ることによる効果が特によく発揮される。
【００２０】導電部材の構成材料としては、導電性およ
び熱伝導性が高い材料が適している。また、ワイヤボン
ドダメージを抑制する効果を高めるためには高硬度の材
料が好ましい。さらに、半導体素子との間に熱応力を発
生させにくくするためには、導電部材の線膨張係数がＳ
ｉに比較的近いことが好ましい。導電部材の構成材料と
して使用し得る材料の具体例としては、銅、銀、金、白
金、ニッケル、コバルト、亜鉛、モリブデン、鉄、アル
ミニウム、チタン、タングステン等（これらのうち好ま
しいものは、銅、モリブデン、鉄、アルミニウム、ニッ
ケル、銀、チタンまたはタングステンである）の純金属
およびこれらの金属を主体とする合金等の金属材料が挙
げられる。これらの金属材料の接合品（例えば積層品）
を用いてもよい。このような金属材料の表面に半田濡れ
性のよい金属（ニッケル、クロム、金等）がメッキされ
た導電部材を用いてもよい。また、金属以外の材料（セ
ラミックス等）の表面を金属材料で覆った導電部材を用
いてもよい。
【００２１】この導電部材の形状は特に限定されない。
大まかな形状が平板状である板状導電部材（金属板等）
が好ましく用いられる。このような板状導電部材は、そ
の一部に折れ曲がった箇所や湾曲した箇所を有していて
もよい。導電部材は、その全体がほぼ同程度の厚さであ
ってもよく、部分的に厚さが異なっていてもよい。ボン
ディングダメージを緩和するためには、素子側電極パッ
ドに接合される部分の導電部材の厚さが５０μm以上
（より好ましくは１００μm以上）であることが好まし
い。導電部材の平均厚さが比較的大きい（例えば１００
μm以上、好ましくは２００μm以上である）場合には、
この導電部材の畜熱効果によって半導体素子の負荷短絡
容量を向上させ得る。導電部材の平均厚さが半導体素子
の平均厚さと同等以上である場合にはこの効果が特によ
く発揮される。
【００２２】導電部材と素子側電極の接合は導電性接合
材により行うことができる。この導電性接合材の典型例
としては半田に代表される低融点金属類が挙げられる。
また、有機高分子等からなるマトリックス樹脂中に導電
性充填材が分散された導電性樹脂材料を導電性接合材と
して用いてもよい。このマトリックス樹脂としてはエポ
キシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、シリコー
ン樹脂等を用いることができる。導電性充填材として
は、銅、銀、金、白金、ニッケル、カーボン等からなる
導電性繊維、導電性微粒子等を用いることができる。
【００２３】以下、本発明をパワーデバイスに適用した
実施例につき図面を用いて説明する。 （第一実施例） （１）半導体素子の構成 まず、このパワーデバイスに備えられる電力用半導体素
子の構成を説明する。図１に示すように、電力用半導体
素子（トレンチ型ＩＧＢＴ）１０を構成するシリコン基
板１１には、その上面付近にベース層１２、エミッタ層
１３およびゲート１４が埋め込まれている。ゲート１４
とシリコン基板１１との間にはゲート酸化膜（図示せ
ず）が形成されている。
【００２４】シリコン基板１１の表面には、ゲート１３
の上端を覆うとともにエミッタ層１４の一部を露出させ
る層間絶縁膜１５が設けられている。。半導体素子１０
の上面には、エミッタ層１４の露出部分に接続されたエ
ミッタ電極２２が設けられている。また、図１に示す断
面においてゲート１３はいくつかの（図１では三つを示
している）ゲート群を形成しており、それらのゲート群
の間および外周側に位置する基板表面に層間絶縁膜１６
が設けられている。この層間絶縁膜１６の上にゲートフ
ィンガー２６が設けられている。さらにその上には、ゲ
ートフィンガー２６を覆うとともにエミッタ電極２２の
一部を露出させる表面保護膜（絶縁保護層）１７が設け
られている。半導体素子１０の上面には、表面保護膜１
７から露出されたエミッタ電極２２によって複数の（図
１では三つを示している）エミッタ電極パッド２２ａが
形成されている。
【００２５】図２に示すように、半導体素子１０の表面
にはゲート電極２４が設けられている。このゲート電極
２４は、ゲートフィンガー２６の一端に接続されている
とともに、図示しない部分においてゲート１３（図１参
照）に接続されている。なお、図２は半導体素子１０の
上面におけるゲート電極２４およびゲートフィンガー２
６の配置を示す模式図であって、他の構成部分の図示は
省略されている。
【００２６】図１および図３に示すように、半導体素子
１０の上面に設けられた複数のエミッタ電極パッド２２
ａには、半田５０によって一枚の金属板３０が共通的に
接合されている。この金属板３０は、ゲートフィンガー
２６や表面保護膜１７の設けられた部分（非ボンディン
グ領域）を跨いで、複数の電極パッド２２ａを連結して
いる。この金属板３０の上面に複数本のボンディングワ
イヤ４０のそれぞれ一端が接続されている。このよう
に、半田５０および金属板３０を介してボンディングワ
イヤ４０が複数の電極パッド２２ａに電気的に接続され
ている。ここで使用した金属板３０の全体形状は平板状
であって、その厚さは約３００μmである。この金属板
３０は線膨張係数が比較的Ｓｉに近い材質を主体として
構成され、その表面にはニッケルメッキが施されてい
る。このニッケルメッキによって半田付性およびワイヤ
ボンディング性を向上させている。また、図３および図
４に示すように、ゲート電極２４の上面にはボンディン
グワイヤ４２の一端が直接接続されている。
【００２７】図４に示すように、半導体素子１０の下面
は半田５２によってセラミックス（例えば窒化アルミニ
ウム）を主体とする絶縁基板７０上に設けられた回路配
線（図示せず）に接続されている。また、ボンディング
ワイヤ４０，４２は図示しない部分において回路配線に
接続されている。なお、図１は図３のＩ−Ｉ線断面図に
相当し、図４は図３のIV−IV線断面図に相当する。図３
および図４では、説明の簡略化のために、半導体素子１
０の構造の一部を省略して示している。
【００２８】本実施例によると、図１および図３に示す
ように、非ボンディング領域の上方に位置する部分（例
えばゲートフィンガー２６の直上）の金属板３０にもボ
ンディングワイヤ４０を接続することができる。したが
って、各電極パッド２２ａにそれぞれ直接ワイヤボンデ
ィングを行う構成に比べてワイヤボンディングに適した
領域を広く確保することができる。これにより、ワイヤ
ボンディングの位置精度の制約（許容範囲）が緩和され
る。また、絶縁基板７０（図４参照）に対する半導体素
子１０の接合位置および／または図示しないハウジング
に対する絶縁基板７０の接合位置についても、その位置
精度の制約を緩和することができる。このことによって
ワイヤボンディング時の作業性を向上させることができ
る。
【００２９】ワイヤボンディングは半田５０および金属
板３０を介して行われるので、各電極パッド２２ａに直
接ワイヤボンディングを行う構成に比べて半導体素子１
０（特に電極パッド２２ａ）に対するワイヤボンドダメ
ージが低減される。また、一般的なリードフレームに比
べてボンディングワイヤ４０は柔軟性に優れる。このた
め、電極パッド２２ａと回路配線との相対位置がバラつ
いた場合にも、ボンディングワイヤ４０の柔軟性を利用
してそのバラつきを吸収することができる。したがっ
て、絶縁基板７０に対する半導体素子１０の接合位置お
よび／または図示しないハウジングに対する絶縁基板７
０の接合位置の精度の制約を緩和することができる。こ
のことによって半導体装置の生産性（作業性、歩留まり
等）を向上させ得る。
【００３０】なお、上記実施例の半導体装置では半導体
素子のうちエミッタ電極パッドが設けられた側を上面と
し、このエミッタ電極パッドに金属板を接合したが、こ
の実施例とは半導体素子の上下を反転させて半導体装置
を構成することもできる。すなわち、半導体素子のうち
コレクタ電極パッドが設けられた側を上面としてコレク
タ電極パッドに金属板を接合し、この金属板にワイヤボ
ンディングを行ってもよい。
【００３１】（第二実施例）この第二実施例は、二つの
半導体素子を備えたパワーデバイスの一例である。以
下、第一実施例に係る部材と同様の機能を果たす部材に
ついては同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】図５および図６に示すように、一枚の絶縁
基板７０上に第一の半導体素子１０および第二の半導体
素子６０がそれぞれ半田５２によって接合されている。
これにより、半導体素子１０，６０の下面に設けられた
コレクタ電極（図示せず）が絶縁基板７０の上面に設け
られた回路配線７１に接続されている。絶縁基板７０の
下面には放熱用の金属層７２が設けられており、この下
面が半田５４によって放熱板７４に接合されている。こ
のようにして、半導体素子１０，６０の作動時に発生す
る熱を放熱するように半導体装置が構成されている。放
熱板７４の下面はハウジング７６（図６では省略）に接
合されている。このハウジング７６の上面には回路配線
７８ａ，７８ｂ，７８ｃが設けられている。半導体素子
１０の上面に設けられたゲート電極２４（図５参照）
は、このゲート電極２４に直接接続されたボンディング
ワイヤ４２により回路配線７８ｂに接続されている。絶
縁基板７０上に設けられた回路配線７１は、この回路配
線７１に直接接続されたボンディングワイヤ４４により
回路配線７８ｃに接続されている。
【００３３】半導体素子１０の上面には少なくとも一つ
の（図５では六つを示している）エミッタ電極パッド２
２ａが設けられている。また、半導体素子６０の上面に
は少なくとも一つの（図５では一つを示している）エミ
ッタ電極パッド２２ｂが設けられている。これらの電極
パッド２２ａ，２２ｂには、図６（電極パッド２２ａ，
２２ｂの図示は省略している）に示すように、半田５０
によって一枚の金属板３０が共通的に接続されている。
すなわち金属板３０は、半導体素子１０と半導体素子６
０との間の領域（非ボンディング領域）を跨いで、半導
体素子１０に設けられた複数の電極パッド２２ａと半導
体素子６０に設けられた電極パッド２２ｂとを連結して
いる。この金属板３０の上面に複数本のボンディングワ
イヤ４０のそれぞれ一端が接続されている。ボンディン
グワイヤ４０の他端は回路配線７８ａに接続されてい
る。
【００３４】このような構成とすることにより、複数の
半導体素子（半導体素子１０，６０）に設けられた電極
パッド２２ａおよび電極パッド２２ｂを、ボンディング
ワイヤ４０によって回路配線７８ａに一度に接続するこ
とができる。このボンディングワイヤ４０の本数は、電
極パッド２２ａと電極パッド２２ｂの合計数よりも少な
くすることが可能である。
【００３５】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、
単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性
を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせ
に限定されるものではない。また、本明細書または図面
に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであ
り、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的
有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第一実施例に係る半導体素子を示す模式的断
面図である。
【図２】 ゲート電極およびゲートフィンガーの配置を
示す模式図である。
【図３】 図１のIII方向矢視図である。
【図４】 図３のIV−IV線断面に相当する部分で第一実
施例に係る半導体装置の要部を示す断面図である。
【図５】 第二実施例に係る半導体装置の要部を示す平
面図である。
【図６】 図５のVI−VI線断面図である。
【符号の説明】
１０，６０：電力用半導体素子（半導体素子） １５，１６：層間絶縁膜 １７：表面保護膜（絶縁保護層） ２２：エミッタ電極（素子側電極） ２２ａ，２２ｂ：エミッタ電極パッド（素子側電極パッ
ド、駆動用電極パッド） ２４：ゲート電極（素子側電極） ２６：ゲートフィンガー ３０：金属板（導電部材） ４０，４２，４４：ボンディングワイヤ ５０，５２，５４：半田 ７０：絶縁基板（回路基板）
フロントページの続き (72)発明者 戸嶋 秀樹 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 深見 武志 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 山添 正和 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5F044 EE06 EE14 EE21

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一または二以上の半導体素子の上面に設
    けられた合計二以上の素子側電極パッドと、 それら二以上の素子側電極パッドに、それらの間にある
    非ボンディング領域を跨いで共通的に接合された導電部
    材と、 その導電部材に接続されたボンディングワイヤとを備え
    る半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記二以上の素子側電極パッドは駆動用
    電極パッドである請求項１に記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 合計二以上の素子側電極パッドが設けら
    れた一または二以上の半導体素子を回路基板に接合する
    工程と、 それら二以上の素子側電極パッドに、それらの間にある
    非ボンディング領域を跨いで導電部材を共通的に接合す
    る工程と、 その接続された導電部材にワイヤボンディングを行う工
    程とを含む半導体装置の製造方法。
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