JP2007266435A - Semiconductor device and semiconductor package - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置および半導体パッケージに関し、より特定的には、電力配電関連用、自動車用などの高電圧、大電流が適用されるパワーデバイスと称される半導体装置および半導体パッケージに関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor package, and more particularly to a semiconductor device and a semiconductor package called a power device to which a high voltage and a large current are applied, such as those for power distribution and automobiles.
従来、半導体デバイスの用途の1つとして、高耐圧、高電力用途のパワーデバイスが知られている。このようなパワーデバイスとして、現在は主にシリコン(Si)を用いたデバイスが用いられているが、さらにパワーデバイスの高性能化を図るために、いわゆるワイドバンドギャップ半導体(たとえば炭化珪素(SiC))を用いたデバイスが提案されている(たとえば、非特許文献1参照)。
従来のSiを用いたパワーデバイスでは、横型構造とすると高出力を得ることができなかった。そのため、Siを用いたパワーデバイスは縦型構造のものが主流となっている。 In a power device using conventional Si, a high output could not be obtained if a horizontal structure was used. For this reason, power devices using Si have a vertical structure.
しかし、縦型構造に比べて、横型構造では電流の流路に基板の抵抗成分があまり影響を及ぼさないため、低損失なデバイスを実現するという観点からすると横型構造を採用するメリットがある。また、縦型構造では、基板の下面に電極が配置される。そのため、基板の一方の表面にすべての電極が配置される横型構造のデバイスより縦型構造のデバイスの方が実装構造が複雑になる。このような複雑な実装構造は製造コストの増大につながるため、この点からも横型構造の採用にはメリットがある。 However, compared to the vertical structure, in the horizontal structure, the resistance component of the substrate does not affect the current flow path so much, so that there is an advantage of adopting the horizontal structure from the viewpoint of realizing a low-loss device. In the vertical structure, an electrode is disposed on the lower surface of the substrate. Therefore, the vertical structure device has a more complicated mounting structure than the horizontal structure device in which all the electrodes are arranged on one surface of the substrate. Since such a complicated mounting structure leads to an increase in manufacturing cost, there is an advantage in adopting the horizontal structure also in this respect.
ここで、上述したワイドバンドギャップ半導体を基板として用いた場合には、横型構造を採用してもパワーデバイスとして十分な出力を得られると期待されている。しかし、このようにワイドバンドギャップ半導体を基板として用いたパワーデバイスの構造として横型構造を採用した場合には、以下のような問題があった。 Here, when the above-described wide band gap semiconductor is used as a substrate, it is expected that a sufficient output as a power device can be obtained even if a lateral structure is adopted. However, when the horizontal structure is adopted as the structure of the power device using the wide band gap semiconductor as the substrate, there are the following problems.
すなわち、チップを外部回路と接続するために、ワイヤーボンド技術が広く利用されているが、当該ワイヤーボンド技術では、ワイヤとチップ表面の電極とが基本的に点で接続される。そして、そのようなワイヤと接続される電極(接続領域)に、電流を集めるための配線が必要になる。上述したパワーデバイスでは比較的大電流を制御する必要があるため、当該配線ではいわゆるエレクトロマイグレーションが問題になる。エレクトロマイグレーションの発生を防止するためには、配線に流れる電流密度を所定の値以下に保つために配線の断面積をある程度大きくする必要がある。ここで、配線の厚みは厚くして断面積を確保することには限界があるため、配線の幅を広くすることが多い。しかし、このように配線の幅を広くすると、結果的にチップサイズが大きくなるという問題がある。そして、基板の一方の表面にソースとドレインとを形成する横型構造では、上記のような配線幅の増大の影響(チップサイズが大きくなるという影響)はより顕著になる。 That is, in order to connect the chip to an external circuit, a wire bond technique is widely used. In the wire bond technique, the wire and the electrode on the chip surface are basically connected by a point. And the wiring for collecting an electric current is needed for the electrode (connection area | region) connected with such a wire. Since the power device described above needs to control a relatively large current, so-called electromigration is a problem in the wiring. In order to prevent the occurrence of electromigration, it is necessary to increase the cross-sectional area of the wiring to some extent in order to keep the current density flowing in the wiring below a predetermined value. Here, since there is a limit to securing the cross-sectional area by increasing the thickness of the wiring, the width of the wiring is often widened. However, when the wiring width is increased in this way, there is a problem that the chip size increases as a result. In the lateral structure in which the source and the drain are formed on one surface of the substrate, the influence of the increase in the wiring width as described above (the influence of increasing the chip size) becomes more remarkable.
また、上述のようにチップサイズが大きくなるほど、基板の欠陥や、プロセスに起因する欠陥の発生によって、チップの歩留りは指数関数的に悪化する。そして、上述したSiCなどのようなワイドバンドギャップ半導体については、基板製造技術やプロセス技術が未成熟であるため、従来のSiに比べて基板やプロセスに起因する欠陥の発生率は高くなっている。このような歩留りの低下はチップの製造コストの上昇につながる。 Further, as described above, as the chip size increases, the yield of chips deteriorates exponentially due to the occurrence of defects in the substrate and defects caused by the process. And, for wide band gap semiconductors such as SiC described above, since the substrate manufacturing technology and process technology are immature, the incidence of defects due to the substrate and process is higher than conventional Si. . Such a decrease in yield leads to an increase in chip manufacturing costs.
また、従来のSiを用いたパワーデバイスでは、上述のように横型構造を採用することが難しかったため、縦型構造が主流となっている。そして、当該縦型構造に適した実装構造は様々なものが提案されている。一方、横型構造に適した実装構造については、その特徴を生かした実装構造は提案されていなかった。 In addition, in the conventional power device using Si, it is difficult to adopt the horizontal structure as described above, and therefore the vertical structure is the mainstream. Various mounting structures suitable for the vertical structure have been proposed. On the other hand, as for the mounting structure suitable for the horizontal structure, a mounting structure utilizing the feature has not been proposed.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、製造コストの低減が可能な半導体装置および半導体パッケージを提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a semiconductor package capable of reducing manufacturing costs.
この発明に従った半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成され、互いに電気的に絶縁された横型パワーデバイスとして作用する複数の素子部分とを備える。 A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate and a plurality of element portions that are formed on the semiconductor substrate and act as horizontal power devices that are electrically insulated from each other.
このようにすれば、大電流を複数の素子部分で分担して制御することができる。そのため、半導体基板上に1つの素子部分を形成し、その素子部分によって大電流を制御する場合のように、1つの配線や電極に大電流を流す必要が無いため、大電流によるエレクトロマイグレーションの発生を防止するために配線や電極の面積を大きくする必要が無い。したがって、トータルで見たときに配線や電極の面積を小さくできるので、半導体装置の小型化を図ることができる。この結果、半導体装置の占有面積の増大に伴う歩留りの低下を抑制できる。 In this way, a large current can be shared and controlled by a plurality of element portions. Therefore, there is no need to flow a large current through one wiring or electrode as in the case where a single element portion is formed on a semiconductor substrate and a large current is controlled by the element portion. In order to prevent this, it is not necessary to increase the area of the wiring or electrode. Accordingly, since the area of the wiring and the electrode can be reduced when viewed in total, the semiconductor device can be miniaturized. As a result, it is possible to suppress a decrease in yield due to an increase in the area occupied by the semiconductor device.
上記半導体装置において、素子部分には、半導体装置の外部と素子部分とを接続するための電極部が形成されていてもよい。 In the semiconductor device, an electrode portion for connecting the outside of the semiconductor device and the element portion may be formed in the element portion.
この場合、個々の素子部分に形成された電極部から直接外部と電流の入出力ができる。したがって、複数の素子部分が形成された半導体基板に1組の電極部を形成したときのように、エレクトロマイグレーションの発生を抑制しつつ当該1組の電極部へ大電流を流すために、電極部の面積を大きくするといった対応を行なう必要が無い。このため、確実に半導体装置の小型化を図ることができる。 In this case, current can be input / output directly from / to the outside from the electrode portions formed in the individual element portions. Therefore, in order to flow a large current to the set of electrode portions while suppressing the occurrence of electromigration as in the case where a set of electrode portions is formed on a semiconductor substrate on which a plurality of element portions are formed, the electrode portions There is no need to take measures such as increasing the area. For this reason, it is possible to reliably reduce the size of the semiconductor device.
上記半導体装置では、半導体基板はワイドバンドギャップ半導体により構成されていてもよい。 In the semiconductor device, the semiconductor substrate may be composed of a wide band gap semiconductor.
この場合、ワイドバンドギャップ半導体により構成された基板を用いれば、パワーデバイスの構造として横型構造を採用することにより、高出力かつ低損失なデバイスを実現できる。そして、このような横型のパワーデバイスでは半導体基板の一方の表面に電極が集中して配置されるため、上述のようにエレクトロマイグレーションの発生を抑制するために電極や配線の面積を大きくすることによって、装置の大型化が問題となっていた。そのため、本発明を適用することによって、半導体装置の小型化という効果が特に有効である。 In this case, if a substrate composed of a wide band gap semiconductor is used, a high output and low loss device can be realized by adopting a lateral structure as the structure of the power device. In such a horizontal power device, since the electrodes are concentrated on one surface of the semiconductor substrate, the area of the electrodes and wirings is increased in order to suppress the occurrence of electromigration as described above. The enlargement of the apparatus has been a problem. Therefore, the effect of downsizing the semiconductor device is particularly effective by applying the present invention.
この発明に従った半導体パッケージは、上記半導体装置と、半導体装置を搭載する放熱体と、外部端子と、複数の配線と、ベース部材とを備える。外部端子は、半導体装置の複数の素子部分と電気的に接続される。複数の配線は、外部端子と複数の素子部分とをそれぞれ電気的に接続する。ベース部材は、複数の配線の相対的な位置を固定する。 A semiconductor package according to the present invention includes the above semiconductor device, a heat dissipating body on which the semiconductor device is mounted, an external terminal, a plurality of wirings, and a base member. The external terminal is electrically connected to a plurality of element portions of the semiconductor device. The plurality of wirings electrically connect the external terminal and the plurality of element portions, respectively. The base member fixes the relative positions of the plurality of wires.
このようにすれば、本発明に従った半導体装置における個々の素子部分から複数の配線を介して確実に外部との電流の入出力を行なうことができる。また、半導体装置の素子部分は横型パワーデバイスとして作用するため、半導体基板の一方表面のみに電極が配置されている。したがって、当該電極が配置されていない側の半導体基板の表面を放熱体に接触させることにより、効果的に半導体装置の冷却を行なうことができる。また、素子部分と外部端子とを複数の配線によって外部端子毎に個別に接続するので、半導体基板上において各素子部分の出力を1つの電極部からまとめて行なわない本発明による半導体装置と外部との接続を確実に行なうことができる。 In this way, current can be input / output to / from the outside reliably from the individual element portions in the semiconductor device according to the present invention via the plurality of wirings. In addition, since the element portion of the semiconductor device functions as a horizontal power device, an electrode is disposed only on one surface of the semiconductor substrate. Therefore, the semiconductor device can be effectively cooled by bringing the surface of the semiconductor substrate on which the electrode is not disposed into contact with the heat radiator. In addition, since the element portion and the external terminal are individually connected for each external terminal by a plurality of wirings, the output of each element portion is not collectively performed from one electrode portion on the semiconductor substrate, and the external device Can be reliably connected.
上記半導体パッケージにおいて、ベース部材は、複数の配線が保持される可撓性のテープ状部材であってもよい。 In the semiconductor package, the base member may be a flexible tape-like member that holds a plurality of wirings.
この場合、テープ状部材に予め複数の配線が保持されているので、半導体基板上の素子部分と外部端子とを当該テープ状部材に保持された複数の配線によって接続する作業を容易に行なうことができる。 In this case, since a plurality of wirings are held in advance in the tape-like member, it is possible to easily perform an operation of connecting the element portion on the semiconductor substrate and the external terminal by the plurality of wirings held in the tape-like member. it can.
このように、本発明によれば、半導体装置の小型化を可能にすることによって、製造コストを低減することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the manufacturing cost by enabling the miniaturization of the semiconductor device.
以下図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図1は、本発明に従った半導体装置を用いた半導体パッケージの平面模式図である。図2は、図1の線分II−IIにおける断面模式図である。図3は、図1に示した半導体パッケージに用いられる半導体装置の平面模式図である。図4は、図3の線分IV−IVにおける半導体装置の基本セル構造の断面模式図である。図5は、図3の線分V−Vにおける半導体装置の部分断面模式図である。図1〜図5を参照して、本発明に従った半導体装置および半導体パッケージを説明する。 FIG. 1 is a schematic plan view of a semiconductor package using a semiconductor device according to the present invention. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. FIG. 3 is a schematic plan view of a semiconductor device used in the semiconductor package shown in FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the basic cell structure of the semiconductor device taken along line IV-IV in FIG. FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor device taken along line VV in FIG. A semiconductor device and a semiconductor package according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図1〜図3を参照して、本発明に従った半導体パッケージ1は、本発明に従った4つの半導体装置2と、半導体装置2を搭載する放熱体としてのヒートシンク8と、外部端子5a〜5cと、複数の配線4とベース部材6とを含み、個々の半導体装置2からの信号の入出力や電源の供給に用いる接続配線部材3とを備える。ヒートシンク8の表面上には、その中央に複数の(図1では4つの)、横型パワーデバイスとして作用する素子部分を備える半導体装置2が所定の距離を隔てて並ぶように配置されている。なお、ヒートシンク8の表面に搭載される半導体装置2の数は、4つに限られることなく、1つでも、あるいは2つ、もしくは5つ以上の任意の数であってもよい。半導体装置2は、図3に示すように複数の(図3では4つの)素子部分11を備えている。半導体装置2では、後述するように複数の素子部分11が互いに絶縁層を介して配置されている。
1 to 3, a semiconductor package 1 according to the present invention includes four
この半導体装置2を挟むように、ヒートシンク8の表面にはシート状の絶縁体7a、7bが形成されている。絶縁体7a、7bは、半導体装置2の並ぶ方向に沿った方向に延在するように形成されている。この絶縁体7a、7b上に外部端子5a〜5cが配置されている。具体的には、絶縁体7a上に2つの外部端子5a、5bが配置され、絶縁体7b上に外部端子5cが配置されている。なお、外部端子5a〜5cは絶縁体7a、7bの延在方向に沿った方向に延びるように形成されている。外部端子5a〜5cは、半導体装置2の複数の素子部分11と接続配線部材3を介して電気的に接続される。つまり、接続配線部材3の複数の配線4は、外部端子5a〜5cと複数の素子部分11の電極部12(図3参照)とをそれぞれ電気的に接続する。
Sheet-
ここで、接続配線部材3は、シート状の可撓性部材からなるベース部材6と、このベース部材6上に形成されている複数の配線4とからなる。ベース部材6は、複数の配線4の相対的な位置を固定する。つまり、帯状のベース部材6の表面に複数の配線4が固定されている。接続配線部材3として、たとえばFPC(Flexible Printed Circuit Board)を用いてもよい。
Here, the
このようにすれば、本発明に従った半導体装置2における個々の素子部分11から複数の配線4を介して確実に外部との電流や信号の入出力を行なうことができる。また、半導体装置2の素子部分11は横型パワーデバイスとして作用するため、半導体装置2を構成する半導体基板の一方表面のみに電極部12が配置されている。したがって、当該電極部12が配置されていない側の半導体基板の表面(半導体装置2の裏面)を放熱体としてのヒートシンク8に接触させることにより、効果的に半導体装置2の冷却を行なうことができる。また、素子部分11と外部端子5a〜5cとを複数の配線4によって外部端子5a、5c毎に個別に接続できるので、半導体装置2上において各素子部分11の出力を1つの電極部からまとめて行なわない本発明による半導体装置2と、半導体パッケージ1の外部との電気的接続を確実に行なうことができる。
In this way, it is possible to reliably input / output current and signals to / from the outside through the plurality of
上記半導体パッケージ1において、ベース部材6は、上述のように複数の配線4が保持される可撓性のテープ状部材であってもよい。ベース部材6を構成する材料としては、可撓性があり、かつ配線4を保持できる材料であれば、任意の材料を用いることができる。
In the semiconductor package 1, the
この場合、可撓性のあるテープ状部材であるベース部材6に予め複数の配線4が相対的な位置を決められた状態で保持されるので、あらかじめ半導体装置2の素子部分11での電極部12の配置に対応するように、複数の配線4の位置をベース部材6上で決定しておくことができる。そのため、半導体装置2の素子部分11と外部端子5a〜5cとを当該複数の配線4によって接続する作業を容易に行なうことができる。なお、図1では個々の半導体装置2に対応するように接続配線部材3が配置されているが、半導体装置2の位置決めが予め正確にされていれば、複数(たとえば2つ、あるいは3つ)の半導体装置2に対して1つの接続配線部材3を用いてもよい。このようにすれば、半導体パッケージ1の製造工程数をより少なくすることができる。
In this case, since the plurality of
次に、図3〜図5を参照して、本発明による半導体装置2の構成を説明する。図4に示すように、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置2の基本セルでは、SiCからなる基板13の表面上に、厚さT1のp−層14が形成されている。p−層14は、導電型がp型のSiCからなり、エピタキシャル成長により形成される。このp−層14上にn層15が形成されている。n層15は導電型がn型のSiCからり、エピタキシャル成長により形成されている。n層15上にはp層16が形成されている。p層16は、導電型がp型のSiCからなり、エピタキシャル成長により形成される。
Next, the configuration of the
図4に示す基本セル構造では、当該基本セル構造の両端部に凹部40が形成されている。凹部40はp層16の上部表面からn層15にまで到達するように形成されている。そして、当該凹部40に挟まれた領域において、凹部40に隣接する部分には、互いに間隔を隔てて導電型がn型の導電性不純物が拡散された領域であるn+層19、21が形成されている。n+層19、21は、p層16の上部表面からn層15にまで到達するように形成されている。n+層19、21の間には、導電型がp型の導電性不純物が拡散された領域であるp+層20がp層16の上部表面からn層15にまで到達するように形成されている。また、一方の凹部40(図4では右側の凹部40)の底部には、n層15から(つまり凹部40の底部から)p−層14にまで到達するように、導電型がp型の導電性不純物が拡散された領域であるp+層18が形成されている。
In the basic cell structure shown in FIG. 4, recesses 40 are formed at both ends of the basic cell structure. The
上述した凹部40の内周からp層16の上部表面を覆うように、絶縁膜としての酸化膜17が形成されている。酸化膜17において、p+層18、20およびn+層19、21の上に位置する部分にはそれぞれ開口部22が形成されている。当該開口部22を充填するように、導電体膜であるニッケル層25(Ni層25)が形成されている。p+層18およびn+層19上には、Ni層25を介してソース電極26が形成されている。ソース電極26は、p+層18およびn+層19とNi層25を介して電気的に接続される。p+層20上には、Ni層25を介してゲート電極27が形成されている。ゲート電極27は、p+層20ととNi層25を介して電気的に接続される。n+層21上には、Ni層25を介してドレイン電極28が形成されている。ドレイン電極28は、n+層21とNi層25を介して電気的に接続される。このようにして、横型のパワーデバイスとして作用するResurf(REduced SURface Field) SiC−JFETの基本セルが構成される。
An
n+層19とp+層20との間の水平方向(基板13の表面に沿った方向)での距離L3は3μm以上8μm以下、たとえば5μmとすることができる。また、p+層20の幅L2は3μm以上8μm以下、たとえば5μmとすることができる。また、p+層20とn+層21との間の水平方向での距離L1は5μm以上15μm以下、たとえば9μmとすることができる。また、p−層14の厚みT1は7μm以上14μm以下、たとえば10μmとすることができる。また、n層15の厚みT2は0.2μm以上0.6μm以下、たとえば0.4μmとすることができる。また、p層16の厚みT3は、0.1μm以上0.4μm以下、たとえば0.2μmとすることができる。また、p+層20の底面とp−層14の上部表面との間の距離T4(つまりp+層20下でのn層15の厚みT4)は0.1μm以上0.3μm以下、たとえば0.2μmとすることができる。また、図3に示した半導体装置2は、図示したように矩形状の平面形状を有している。その平面形状は図3のような長方形状であっても、あるいは正方形状であってもよい。半導体装置2の平面形状が正方形状である場合、そのサイズはたとえば2mm×2mmというサイズでもよい。また、この場合、素子部分11の平面形状のサイズはたとえば2mm×0.5mmとしてもよい。
The distance L3 in the horizontal direction (direction along the surface of the substrate 13) between the n + layer 19 and the p + layer 20 can be 3 μm or more and 8 μm or less, for example, 5 μm. Further, the width L2 of the p + layer 20 can be 3 μm or more and 8 μm or less, for example, 5 μm. Further, the horizontal distance L1 between the p + layer 20 and the n + layer 21 can be set to 5 μm or more and 15 μm or less, for example, 9 μm. Further, the thickness T1 of the p − layer 14 may be 7 μm or more and 14 μm or less, for example, 10 μm. Further, the thickness T2 of the
また、基板13としては、導電型がn型の基板を用いることができる。この場合、基板13でのn型の導電性不純物の濃度は5E18/cm3以上5E19/cm3以下、たとえば1E19/cm3とすることができる。また、p−層14のp型導電性不純物の濃度は5E15/cm3以上5E16/cm3以下、たとえば1E16/cm3とすることができる。また、n層15のn型導電性不純物の濃度は5E16/cm3以上5E17/cm3以下、たとえば1E17/cm3とすることができる。また、n+層19、21のn型導電性不純物の濃度は5E18/cm3以上5E19/cm3以下、たとえば1E19/cm3とすることができる。また、p+層18、20のp型導電性不純物の濃度は5E18/cm3以上5E19/cm3以下、たとえば1E19/cm3とすることができる。また、p層16のp型導電性不純物の濃度は5E16/cm3以上5E17/cm3以下、たとえば2E17/cm3とすることができる。
Further, as the
次に、図5を参照して、図3における2つの素子部分11にまたがった線分V−Vにおける半導体装置2の断面構造を説明する。図5は、基本セルが集合したブロックとなっている素子部分11の間の分離構造をも示している。
Next, with reference to FIG. 5, a cross-sectional structure of the
図5では、凹部41により分離された、隣接する2つの素子部分11が示されている。図5に示すように、半導体装置2では、上述のようにSiCからなる基板13の表面上にp−層14が形成されている。このp−層14上にn層15が形成されている。n層15上にはp層16が形成されている。p層16の上部表面からn層15にまで到達する凹部41が、間隔を隔てて配置されている。この凹部41により挟まれた領域が素子部分11となる。つまり、隣接する素子部分11は凹部41により区画されている。
In FIG. 5, two
隣接する素子部分11は互いに同様の構造を備えているので、以下では一方の素子部分11についてその構造を説明する。凹部41に挟まれた部分には、一方の凹部41側からp+層18、n+層19、p+層20、n+層21、p+層31が互いに間隔を隔てて形成されている。また、p+層18に隣接する凹部41の底部には、n層15からp−層14に到達するp+層18が形成されている。また、p+層31に隣接する凹部41の底部には、n層15からp−層14に到達するp+層32が形成されている。
Since the
凹部41の内周面からp層16の上部表面を覆うように酸化膜17が形成されている。酸化膜17において、p+層18、n+層19、p+層20、n+層21、p+層31上に位置する領域には開口部22が形成されている。開口部22はNi層25により充填されている。p+層18およびn+層19上には、Ni層25を介してp+層18およびn+層19と電気的に接続されたソース電極26が形成されている。図5からわかるように、ソース電極26はn+層19上の領域(p層16の上部表面上の領域)から、凹部41の底部にまで延在するように形成されている。p+層20上には、Ni層25を介してp+層20と電気的に接続されたゲート電極27が形成されている。n+層21およびp+層31上には、Ni層25を介してn+層21およびp+層31と電気的に接続されたドレイン電極28が形成されている。
An
上述した半導体装置2の特徴的な構成を要約すれば、半導体装置2は、半導体基板としての基板13と、基板13上に形成され、互いに電気的に絶縁された横型パワーデバイスとして作用する複数の素子部分11とを備える。このようにすれば、大電流を複数の素子部分11で分担して制御することができる。そのため、基板13上に1つの素子部分を形成し、その素子部分によって大電流を制御する場合のように、当該1つの素子部分における1つの配線部分や電極部に大電流を流す必要が無い。そのため、当該配線部分での大電流によるエレクトロマイグレーションの発生を防止するために、配線部分や電極部の面積を大きくする必要が無い。したがって、トータルで見たときに配線や電極の面積を小さくできる。このため、半導体装置2の小型化を図ることができる。この結果、半導体装置2の占有面積の増大に伴う歩留りの低下を抑制できる。
To summarize the characteristic configuration of the
上記半導体装置2において、素子部分11には、半導体装置2の外部と素子部分11とを接続するための電極部12が形成されていてもよい。この場合、個々の素子部分11に形成された電極部12から、接続配線部材3を介して直接外部と電流の入出力ができる。したがって、複数の素子部分11が形成された基板13に1組の電極部を形成したときのように、エレクトロマイグレーションの発生を抑制しつつ当該1組の電極部へ大電流を流すために、電極部の面積を大きくするといった対応を行なう必要が無い。このため、確実に半導体装置2の小型化を図ることができる。
In the
上記半導体装置2では、基板13はSiCなどのワイドバンドギャップ半導体により構成されていてもよい。この場合、ワイドバンドギャップ半導体により構成された基板13を用いれば、パワーデバイスの構造として横型構造を採用することにより、高出力かつ低損失なデバイスを実現できる。
In the
次に、図3〜図5に示した半導体装置2の製造方法を説明する。図6〜図11は、図3〜図5に示した半導体装置2の製造方法を説明するための模式図である。なお、図6〜図11では、半導体装置2を構成する素子部分11の基本セルの断面を示している。
Next, a method for manufacturing the
まず、図6に示すように、SiCからなる基板13を準備する工程を実施する。基板13上に、p−層14、n層15、p層16を順番にエピタキシャル成長法を用いて形成する。
First, as shown in FIG. 6, a step of preparing a
次に、p層16上にフォトリソグラフィ法を用いてレジストパターンを形成する。当該レジストパターンでは、凹部40(図4参照)となるべき部分に開口部が形成されている。このレジストパターンをマスクとして用いて、反応性イオンエッチング(RIE)によりp層16およびn層15の一部を除去する。RIEでは、エッチングガスとしてたとえばSF6系ガスを用いることができる。この結果、凹部40(図7参照)が形成される。その後、レジストパターンを除去する。この結果、図7に示すような構造を得る。なお、この溝となる凹部40を形成するときに、隣接する素子部分11を互いに分離する素子分離溝(図5の凹部41)も同時に形成する。
Next, a resist pattern is formed on the
次に、エピタキシャル成長法により形成されたp−層14、n層15、p層16が形成された基板13を所定の温度に加熱した状態で、導電型がn型およびp型の導電性不純物をp−層14、n層15、p層16の所定の領域に注入することにより、図8に示すようにp+層18、20およびn+層19、21を形成する。基板13の加熱温度は、たとえば500℃とすることができる。
Next, in a state where the
次に、図9に示すように、上述した導電性不純物の注入工程によりp−層14、n層15、p層16などのエピタキシャル成長層において発生した結晶の損傷部分を回復するため、基板13をアニールする工程を実施する。このアニール工程では、たとえば基板13の加熱温度を1800℃、加熱時間を30分とすることができる。
Next, as shown in FIG. 9, in order to recover the damaged portion of the crystal generated in the epitaxial growth layers such as the p − layer 14, the
次に、図10に示すように、エピタキシャル成長層の表面を覆うように酸化膜17を形成する工程を実施する。酸化膜17は、任意の方法で形成できるが、たとえば熱酸化によって形成してもよい。熱酸化の条件としては、たとえば基板13の加熱温度を1200℃とし、雰囲気ガスとして乾燥酸素を用いてもよい。酸化膜17の厚みは、たとえば0.1μmとすることができる。
Next, as shown in FIG. 10, a step of forming an
次に、酸化膜17上にフォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成する。このレジストパターン(パターンを有するレジスト膜)をマスクとして酸化膜17を部分的に除去することにより、酸化膜17に開口部22(図11参照)を形成する。その後、レジストパターンを除去する。そして、この開口部22を導電体膜としてのNi層25により充填する。Ni層25は任意の方法により形成することができるが、たとえば蒸着法により形成することが好ましい。また、たとえば開口部22の内部のみにNi層25を形成する方法としては、たとえば以下のような方法を用いてもよい。すなわち、上述したレジストパターンを酸化膜17上から除去する前に、全面にNi層を蒸着する。その後レジストパターン上に形成されたNi層(つまり、開口部22の内部以外の位置に形成されたNi層)を、レジストパターンを除去することにより当該レジストパターンとともに除去する、あるいは、レジストパターンを除去した後、開口部22の内部から酸化膜17の上部表面上までを覆うようにNi層を蒸着した後、開口部22上を覆うようなレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクとして用いて酸化膜17上のNi層を除去する、といった方法を用いてもよい。
Next, a resist pattern is formed on the
次に、図11に示すように、Ni層25上にアルミニウム(Al)からなるソース電極26、ゲート電極27、およびドレイン電極28を形成する。これらの電極の形成方法としては、たとえば以下のような方法を用いてもよい。まず、Ni層25および酸化膜17上を覆うようにAlを蒸着することによりAl層を形成する。その後、当該Al層上にフォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、エッチングによりAl層を部分的に除去する。そして、レジストパターンを除去する。このようにして、図11に示すように半導体装置2を形成する。
Next, as shown in FIG. 11, a
上述のようにして形成された半導体装置2を用いて、図1および図2に示した半導体パッケージを形成することができる。具体的には、まず図1および図2に示したヒートシンク8を準備する。当該ヒートシンク8の表面には、あらかじめ絶縁体7a、7bおよび外部端子5a〜5cを形成しておく。そして、外部端子5a、5bと外部端子5cとの間のヒートシンク8の表面に、複数の半導体装置2を固定する。ヒートシンク8の表面に対して半導体装置2を固定する方法としては、ヒートシンク8に半導体装置2の熱を伝えることができれば任意の固定方法を採用できる。たとえば、耐熱性の樹脂や任意の材料などにより構成された接着層を半導体装置2とヒートシンク8の表面との間に介在させることにより、半導体装置2をヒートシンク8の表面に固定してもよい。このようにヒートシンク8に直接半導体装置2を固定するので、従来の方法より半導体装置2からの熱を効率的にヒートシンク8へ伝えることができる。つまり、放熱性に優れた半導体パッケージ1を実現できる。
Using the
また、半導体装置2の複数の素子部分11における電極部12(図3参照)上には、予めはんだバンプ9(図2参照)を形成しておく。はんだバンプ9を構成する材料としては、導電性の材料であれば任意の材料を用いてもよいが、鉛(Pb)フリーはんだを用いることが好ましい。そして、外部端子5a、5b上から半導体装置2上を介して外部端子5c上にまで延在するように、接続配線部材3を配置する。この状態で、たとえば接続配線部材3の配線4とはんだバンプ9との接触部、および当該配線4と外部端子5a〜5cとの接続部を局所的に加熱することにより、当該配線4とはんだバンプ9、および配線4と外部端子5a〜5cをそれぞれ電気的に接続する。このようにして、図1および図2に示した半導体パッケージ1を得ることができる。このように、複数の配線4が形成された接続配線部材3を用いることで、従来のようにワイヤーボンディング法を用いて半導体装置2と外部端子5a〜5cとを接続する場合よりタクトタイムを短縮できる。つまり、半導体パッケージの製造効率を向上させることができる。
In addition, solder bumps 9 (see FIG. 2) are formed in advance on the electrode portions 12 (see FIG. 3) in the plurality of
図12は、図1および図2に示した半導体パッケージの変形例を示す断面模式図である。図12を参照して、本発明による半導体パッケージの変形例を説明する。 12 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the semiconductor package shown in FIGS. A modification of the semiconductor package according to the present invention will be described with reference to FIG.
図12に示した半導体パッケージ1は、基本的には図1および図2に示した半導体パッケージ1と同様の構成を備えるが、ヒートシンク8の形状および可撓性を有する接続配線部材3(図2参照)に変えて配線が形成された基板42を用いている点が異なる。具体的には、ヒートシンク8の表面には半導体装置2を内部に配置するための凹部43が形成されている。この凹部43の底部に半導体装置2は固定されている。そして、この凹部43を塞ぐように、基板42がヒートシンク8に固定されている。この基板42には、図示しない配線と、当該配線と接続された外部端子とが形成されている。そして、基板42の表面に形成された配線は、半導体装置2の表面に形成された電極部12(図3参照)とはんだバンプ9を介して電気的に接続されている。なお、基板42としては、PCB(Printed Circuit Board)や表面に配線が形成されたセラミックス製(たとえば窒化アルミ(AlN)や窒化珪素(SiN)など)の基板などを用いることができる。このような構成としても、図1および図2に示した半導体パッケージ1と同様の効果を得ることができる。
The semiconductor package 1 shown in FIG. 12 basically has the same configuration as that of the semiconductor package 1 shown in FIGS. 1 and 2, but the
図12に示した半導体パッケージは、たとえば以下のような工程により製造できる。まず、配線が形成された基板42を準備する。この基板42の配線と、半導体装置2の電極部とをはんだバンプ9を介して接続することにより、基板42に半導体装置2を固定する。その後、ヒートシンク8を半導体装置2の裏面(半導体装置2において基板42と対向する表面と反対側の面)に接続する。なお、このとき基板42とヒートシンク8とも接続してもよい。半導体装置2とヒートシンク8との接続方法は、基本的に図1および図2に示した半導体パッケージ1における当該接続方法と同様の方法を用いることができる。
The semiconductor package shown in FIG. 12 can be manufactured by the following processes, for example. First, a
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明に従った半導体装置および半導体パッケージは、横型のパワーデバイスを構成する半導体装置および半導体パッケージに特に好適に適用される。 The semiconductor device and the semiconductor package according to the present invention are particularly preferably applied to a semiconductor device and a semiconductor package constituting a horizontal power device.
1 半導体パッケージ、2 半導体装置、3 接続配線部材、4 配線、5a〜5c 外部端子、6 ベース部材、7a,7b 絶縁体、8 ヒートシンク、9 はんだバンプ、11 素子部分、12 電極部、13 基板、14 p−層、15 n層、16 p層、17 酸化膜、18,20,31,32 p+層、19,21 n+層、22 開口部、25 ニッケル(Ni)層、26 ソース電極、27 ゲート電極、28 ドレイン電極、40,41 凹部、42 配線が形成された基板、43 凹部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor package, 2 Semiconductor device, 3 Connection wiring member, 4 wiring, 5a-5c External terminal, 6 Base member, 7a, 7b Insulator, 8 Heat sink, 9 Solder bump, 11 Element part, 12 Electrode part, 13 Substrate, 14 p − layer, 15 n layer, 16 p layer, 17 oxide film, 18, 20, 31, 32 p + layer, 19, 21 n + layer, 22 opening, 25 nickel (Ni) layer, 26 source electrode, 27 gate electrode, 28 drain electrode, 40, 41 recess, 42 substrate on which wiring is formed, 43 recess.
Claims (5)
前記半導体基板上に形成され、互いに電気的に絶縁された横型パワーデバイスとして作用する複数の素子部分とを備える、半導体装置。 A semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising: a plurality of element portions that are formed on the semiconductor substrate and act as horizontal power devices that are electrically insulated from each other.
前記半導体装置を搭載する放熱体と、
前記半導体装置の前記複数の素子部分と電気的に接続される外部端子と、
前記外部端子と前記複数の素子部分とをそれぞれ電気的に接続する複数の配線と、
前記複数の配線の相対的な位置を固定するためのベース部材とを備える、半導体パッケージ。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
A radiator that mounts the semiconductor device;
An external terminal electrically connected to the plurality of element portions of the semiconductor device;
A plurality of wirings that electrically connect the external terminal and the plurality of element portions, respectively;
And a base member for fixing relative positions of the plurality of wirings.
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