JP2018014414A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 金属膜がスライドし難い半導体装置を提供する。【解決手段】 本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面を覆う第１金属膜と、前記第１金属膜の表面の外周部を覆う保護膜と、前記第１金属膜の表面の中央部から前記保護膜の表面に跨る範囲を覆う第２金属膜を有する。保護膜の表面に、凹部が設けられている。第２金属膜の一部が、前記凹部内に配置されている。第２金属膜の凹部内に配置された部分によって、第２金属膜が保護膜に係止される。したがって、第２金属膜と第１金属膜がスライドし難い。【選択図】図２
Description
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。
特許文献１の半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面を覆う第１金属膜（エミッタ電極膜）と、第１金属膜の表面の外周部を覆う保護膜（パッシベーション膜）と、第１金属膜の表面の中央部から保護膜の表面に跨る範囲を覆う第２金属膜（付加電極）を有している。
特許文献１の半導体装置では、第１金属膜上に第２金属膜と保護膜の境界が存在している。半導体装置が発熱すると、第１金属膜と第２金属膜と保護膜のそれぞれが熱膨張する。第２金属膜と保護膜の線膨張係数が異なるので、第２金属膜の下部の第１金属膜の膨張率と保護膜の下部の第１金属膜の膨張率が異なる。このため、第２金属膜と保護膜の境界において、その境界の下部の第１金属膜に高い応力が加わり、この位置の第１金属膜にクラックが生じやすい。
一方で、一般に、半導体基板上の金属膜には、金属膜の中央側に向かって応力が加わっている。したがって、特許文献１においても、第１金属膜と第２金属膜に、各金属膜の中央側に向かって応力が加わっている。すなわち、第１金属膜と第２金属膜には、これらを保護膜から引き離す方向に応力が加わっている。上記のように第１金属膜にクラックが生じると、第１金属膜と第２金属膜を保護膜から引き離す方向に作用する力が第２金属膜と保護膜の界面に集中する。これによって、第２金属膜が保護膜から剥離し、第１金属膜と第２金属膜が中央側にスライドする場合がある。その結果、半導体装置の電気的特性に異常が生じる。
したがって、本明細書では、第１金属膜と第２金属膜がスライドし難い半導体装置を開示する。
本明細書に開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表面を覆う第１金属膜と、第１金属膜の表面の外周部を覆う保護膜と、第１金属膜の表面の中央部から保護膜の表面に跨る範囲を覆う第２金属膜と、を有する。この半導体装置は、保護膜の表面に凹部が設けられており、第２金属膜の一部が、前記凹部の内面に接していることを特徴とする。
上記の半導体装置では、第２金属膜の一部が保護膜の表面に形成された凹部内に配置されている。このような構成によれば、第２金属膜に対して保護膜から引き離す方向に力が作用したとしても、第２金属膜の凹部内に配置された部分によって、第２金属膜が保護膜に係止される。したがって、第２金属膜が保護膜から剥離し難い。このため、第２金属膜と、その第２金属膜に接している第１金属膜がスライドし難い。
図１に示すように、実施形態に係る半導体装置１０は、半導体素子２０と、ヒートシンクブロック８０と、表面側放熱板８１と、裏面側放熱板８２と、封止樹脂８３を備えている。半導体素子２０は、半導体基板と、表面電極と、裏面電極を有している。なお、図１では、表面電極と裏面電極の図示が省略されている。ヒートシンクブロック８０は、はんだ層９１を介して半導体素子２０の表面電極に固定されている。表面側放熱板８１は、はんだ層９２を介してヒートシンクブロック８０の表面に固定されている。裏面側放熱板８２は、はんだ層９３を介して半導体素子２０の裏面電極に固定されている。封止樹脂８３は、表面側放熱板８１の下面、ヒートシンクブロック８０、半導体素子２０及び裏面側放熱板８２の上面を覆っている。
半導体素子２０としては、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、またはダイオード等を用いることができる。半導体素子２０は、動作中に発熱する。図２に示すように、半導体素子２０は、半導体基板２４と、表面電極２３と、保護膜２６と、裏面電極２８を有している。
半導体基板２４は、板状であり、例えばシリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等により構成されている。半導体基板２４の線膨張係数は、３〜５ｐｐｍである。
表面電極２３と保護膜２６は、半導体基板２４上に設けられている。表面電極２３は、第１金属膜２１と第２金属膜２２を有している。
図３は半導体素子２０の上面図である。但し、図３では、第２金属膜２２の図示を省略している。また、図３では、保護膜２６に覆われている範囲をハッチングにより示している。図３に示すように、半導体基板２４の表面に、２つの第１金属膜２１が設けられている。各第１金属膜２１は、半導体基板２４の表面を部分的に覆っている。第１金属膜２１は、導電性を有しており、例えばアルミニウム合金（ＡｌＳｉ）により構成されている。第１金属膜２１の線膨張係数は、約２３ｐｐｍである。
保護膜２６は、樹脂により構成されており、絶縁性を有している。保護膜２６は、例えばポリイミドにより構成されている。保護膜２６の線膨張係数は、約３５ｐｐｍである。図２、３に示すように、保護膜２６は、第１金属膜２１に覆われていない範囲の半導体基板２４の表面と、第１金属膜２１の表面の外周部を覆っている。保護膜２６は、各第１金属膜２１の上部に開口部５２を有している。開口部５２内に、第１金属膜２１の表面の中央部が配置されている。したがって、第１金属膜２１の表面の中央部は、保護膜２６に覆われていない。保護膜２６の表面には、凹部５１が形成されている。凹部５１は、２つの開口部５２（すなわち、各第１金属膜２１の中央部）を囲むように環状に伸びている。
図２に示すように、第２金属膜２２は、各第１金属膜２１の表面の中央部から保護膜２６の表面に跨る範囲を覆っている。したがって、第２金属膜２２は、保護膜２６の開口部５２の側面を覆っている。このため、第１金属膜２１上に、第２金属膜２２と保護膜２６の境界５４が存在している。第２金属膜２２は、導電性を有しており、例えばニッケル（Ｎｉ）により構成されている。第２金属膜２２の線膨張係数は、約１３ｐｐｍである。第２金属膜２２は、凹部５１が設けられている範囲の保護膜２６の表面全域を覆っている。第２金属膜２２の一部は、凹部５１内に配置されている。凹部５１が環状に伸びる方向の全域において、凹部５１内に第１金属膜２１が充填されている。凹部５１内の第２金属膜２２は、凹部５１の内面（すなわち、底面と側面）に接している。第２金属膜２２の表面全体がはんだ層９１に覆われている。
半導体装置１０が発熱すると、第１金属膜２１と第２金属膜２２と保護膜２６のそれぞれが熱膨張する。保護膜２６の線膨張係数は、第２金属膜２２の線膨張係数よりも大きい。そのため、保護膜２６の下部の第１金属膜２１の膨張率は、第２金属膜２２の下部の第１金属膜の膨張率よりも大きい。このため、第２金属膜２２と保護膜２６の境界５４の下部で第１金属膜２１に高い応力が加わり、この位置の第１金属膜２１にクラックが生じやすい。
一方で、第１金属膜２１と第２金属膜２２には、常時、各金属膜の中央側に向かって応力が加わっている。第１金属膜２１と第２金属膜２２は、スパッタリングや蒸着などにより３００℃前後の高温状態で半導体基板２４上に成膜される。成膜時においては、第１金属膜２１と第２金属膜２２にはほとんど応力が加わっていない。成膜後の冷却時に、第１金属膜２１、第２金属膜２２及び半導体基板２４が収縮する。このとき、半導体基板２４の線膨張係数が第１金属膜２１と第２金属膜２２の線膨張係数よりも小さいので、第１金属膜２１と第２金属膜２２が十分に収縮せず、各金属膜の中央側に向かって応力が生じる。半導体装置１０の使用温度は、上記成膜温度以下であるため、第１金属膜２１と第２金属膜２２には、常時、各金属膜の中央側に向かって応力が加わっている。すなわち、第１金属膜２１と第２金属膜２２には、これらを保護膜２６から引き離す方向に応力が加わっている。第１金属膜２１と第２金属膜２２に加わる応力は、半導体装置１０の温度が高いほど小さくなり、半導体装置１０の温度が低いほど大きくなる。半導体装置１０の使用環境や通電状態により、半導体装置１０の温度が変化し、第１金属膜２１にクラックの原因となる金属疲労が蓄積する。
さらに、第２金属膜２２の表面全体は、はんだ層９１に覆われている。はんだ層９１は、高温の溶融状態で第２金属膜２２の表面に形成され、その後、冷えて固化する際に収縮する。したがって、はんだ層９１によっても、第２金属膜２２と第１金属膜２１に対して、各金属層の中央側に向かう応力（すなわち、これらを保護膜２６から引き離す方向に作用する応力）が生じる。
上記のように境界５４の下部の第１金属膜２１にクラックが生じると、第１金属膜２１と第２金属膜２２を保護膜２６から引き離す方向に作用する力が第２金属膜２２と保護膜２６の界面に集中する。しかしながら、本実施形態に係る半導体装置１０では、第２金属膜２２の一部が保護膜２６の表面に形成された凹部内に配置されている。このような構成によれば、第２金属膜２２に対して保護膜２６から引き離す方向に力が作用したとしても、第２金属膜２２の凹部５１内に配置された部分によって、第２金属膜２２が保護膜２６に係止される。したがって、第２金属膜２２が保護膜２６から剥離し難く、第２金属膜２２がスライドし難い。これによって、第１金属膜２１と第２金属膜２２のスライドを抑制することができ、半導体装置１０の高い信頼性を実現することができる。
半導体装置１０の製造方法の一例を説明する。なお、この製造方法は凹部５１の形成に特徴を有するので、凹部５１の形成に関連する工程について以下に説明し、その他の工程については説明を省略する。
まず、図４に示すように、半導体基板２４上に第１金属膜２１と保護膜２６を成膜する。保護膜２６は、第１金属膜２１に覆われていない範囲の半導体基板２４の表面と第１金属膜２１を覆うように成膜する。次に、図５に示すように、レジスト１００を形成する。保護膜２６の凹部５１を形成すべき範囲の上部においてレジスト１００に開口部１０１を設け、保護膜２６の開口部５２を形成すべき範囲の上部においてレジスト１００に開口部１０２を設ける。開口部１０２の幅は開口部１０１の幅よりも広い。開口部１０２は略四角形であり、開口部１０１は開口部１０２を囲むように環状に伸びている。次に、図６に示すように、開口部１０１、１０２内の保護膜２６を等方性エッチングにより除去する。開口部１０２内では、第１金属膜２１を露出させる。開口部１０１の幅が開口部１０２の幅よりも狭いので、開口部１０１内では開口部１０２内よりもエッチングレートが低い。ここでは、開口部１０１内で第１金属膜２１が露出しない段階でエッチングを停止する。したがって、開口部１０１内に凹部５１が形成される。その後、レジスト１００を除去する。次に、図７に示すように、凹部５１を覆うように第２金属膜２２を成膜する。これによって、凹部５１内に第２金属膜２２の一部が配置されている構造が得られる。
なお、上述した実施形態において、第２金属膜２２がニッケルにより構成されていた。しかしながら、第２金属膜２２が、はんだ接合可能な他の金属によって構成されていてもよい。例えば、第２金属膜２２が、金、銀、銅、錫等により構成されていてもよい。また、第２金属膜２２をはんだ接合以外の方法により外部に接続する場合には、第２金属膜２２がはんだ接合不可能な金属により構成されていてもよい。
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
本明細書が開示する一例の構成では、凹部が第１金属膜の中央部を囲むように環状に伸びている。
このような構成によれば、外周部の全域で第２金属膜が保護膜から剥離することを抑止できる。
本明細書が開示する一例の構成では、第２金属膜の表面を覆うはんだ層をさらに有する。
このような構成によれば、はんだ層によって第２金属層に対してさらに高い応力が加わる。したがって、保護膜の表面に凹部を設けることで、第２金属膜の剥離をより効果的に抑制できる。
以上、実施形態について詳細に説明したが、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さまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術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１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術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１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
１０ ：半導体装置
２０ ：半導体素子
２１ ：第１金属膜
２２ ：第２金属膜
２３ ：表面電極
２４ ：半導体基板
２６ ：保護膜
２８ ：裏面電極
５１ ：凹部
５２ ：開口部
５４ ：境界
８０ ：ヒートシンクブロック
８１ ：表面側放熱板
８２ ：裏面側放熱板
８３ ：封止樹脂
２０ ：半導体素子
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８０ ：ヒートシンクブロック
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Claims (3)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の表面を覆う第１金属膜と、
前記第１金属膜の表面の外周部を覆う保護膜と、
前記第１金属膜の表面の中央部から前記保護膜の表面に跨る範囲を覆う第２金属膜と、
を有する半導体装置であって、
前記保護膜の表面に、凹部が設けられており、
前記第２金属膜の一部が、前記凹部の内面に接している半導体装置。 - 前記凹部が、前記第１金属膜の前記中央部を囲むように環状に伸びている請求項１の半導体装置。
- 前記第２金属膜の表面を覆うはんだ層をさらに有する請求項１または２の半導体装置。
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