JP2019016738A - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device.
半導体装置の損失を低減するために、半導体基板を薄板化する技術が広く知られている。特許文献1には、半導体ウエハを薄板化する技術が開示されている。半導体ウエハの周辺部には、半導体ウエハの上面から下面まで達する金属層または樹脂層が設けられている。半導体ウエハの外周縁から内周側に向かってクラックが生じた場合、金属層または樹脂層によってクラックが伸展することを抑制することができる。 In order to reduce the loss of a semiconductor device, a technique for thinning a semiconductor substrate is widely known. Patent Document 1 discloses a technique for thinning a semiconductor wafer. A metal layer or a resin layer reaching from the upper surface to the lower surface of the semiconductor wafer is provided on the periphery of the semiconductor wafer. When a crack is generated from the outer peripheral edge to the inner peripheral side of the semiconductor wafer, it is possible to suppress the crack from being extended by the metal layer or the resin layer.
半導体基板の表面と裏面の間に電流を流すことが可能な縦型の半導体素子を備える半導体装置が知られている。縦型の半導体素子では、半導体基板を薄板化することで、損失を低減することができる。他方、半導体基板を薄板化すると、半導体基板の強度が低下するという問題がある。特許文献1の技術では、半導体ウエハの状態においてクラックの進展を抑制することができる。しかしながら、特許文献1の技術では、半導体ウエハを半導体装置に分離した後のことは考慮されていない。このため、半導体ウエハから分離された各半導体装置において、半導体基板が割れやすいという問題があった。本明細書では、半導体装置が備える縦型の半導体素子の損失を低減するとともに、半導体装置が備える半導体基板のクラックを好適に抑制する技術を提供する。 2. Description of the Related Art A semiconductor device including a vertical semiconductor element capable of flowing a current between a front surface and a back surface of a semiconductor substrate is known. In the vertical semiconductor element, the loss can be reduced by thinning the semiconductor substrate. On the other hand, when the semiconductor substrate is thinned, there is a problem that the strength of the semiconductor substrate is lowered. With the technique of Patent Document 1, it is possible to suppress the progress of cracks in the state of the semiconductor wafer. However, the technique disclosed in Patent Document 1 does not take into consideration after the semiconductor wafer is separated into semiconductor devices. For this reason, in each semiconductor device separated from the semiconductor wafer, there is a problem that the semiconductor substrate is easily broken. The present specification provides a technique for reducing the loss of a vertical semiconductor element included in a semiconductor device and appropriately suppressing cracks in a semiconductor substrate included in the semiconductor device.
本明細書が開示する半導体装置は、活性領域と前記活性領域の周囲に配置された周辺領域とを有する半導体基板を備えている。前記活性領域に、前記半導体基板の表面と裏面の間に電流を流すことが可能な縦型半導体素子が設けられている。前記裏面には、前記活性領域内に凹部が設けられている。前記凹部内に、金属層が配置されている。前記金属層の裏面が、はんだ接合可能な材料により覆われている。 A semiconductor device disclosed in this specification includes a semiconductor substrate having an active region and a peripheral region disposed around the active region. In the active region, a vertical semiconductor element capable of passing a current between the front surface and the back surface of the semiconductor substrate is provided. On the back surface, a recess is provided in the active region. A metal layer is disposed in the recess. The back surface of the metal layer is covered with a solderable material.
この半導体装置では、活性領域内の半導体基板の裏面に、凹部が設けられている。このため、凹部が設けられている部分では、活性領域における半導体基板の厚みが、周辺領域における半導体基板の厚みよりも薄い。縦型の半導体素子が動作する際には、活性領域において半導体基板の厚み方向に電流が流れる。なお、凹部内に配置されている金属層は、活性領域と導通する電極として機能する。電流が流れる領域である活性領域において半導体基板の厚みが薄いため、半導体素子の損失を低減することができる。また、周辺領域における半導体基板の厚みは厚いので、半導体基板の強度を確保することができる。さらに、凹部内に配置された金属層によって、半導体基板の強度をさらに向上させることができる。したがって、半導体基板を曲げる方向に応力が加わっても、半導体基板にクラックが生じ難い。このように、この半導体装置では、半導体素子の損失を低減するとともに、半導体基板の強度を確保することができる。 In this semiconductor device, a recess is provided on the back surface of the semiconductor substrate in the active region. For this reason, in the part in which the recessed part is provided, the thickness of the semiconductor substrate in an active region is thinner than the thickness of the semiconductor substrate in a peripheral region. When the vertical semiconductor element operates, a current flows in the thickness direction of the semiconductor substrate in the active region. In addition, the metal layer arrange | positioned in a recessed part functions as an electrode electrically connected with an active region. Since the semiconductor substrate is thin in the active region where current flows, loss of the semiconductor element can be reduced. Moreover, since the thickness of the semiconductor substrate in the peripheral region is thick, the strength of the semiconductor substrate can be ensured. Furthermore, the strength of the semiconductor substrate can be further improved by the metal layer disposed in the recess. Therefore, even if stress is applied in the direction in which the semiconductor substrate is bent, the semiconductor substrate is unlikely to crack. Thus, in this semiconductor device, the loss of the semiconductor element can be reduced and the strength of the semiconductor substrate can be ensured.
図1に示す実施形態の半導体モジュール10は、上部リードフレーム12、銅ブロック16、半導体装置19、金属層24、下部リードフレーム30及び樹脂層32を有している。半導体装置19は、半導体基板22、上部電極層20、下部電極層26及び金属層24を備えている。本実施形態では、半導体基板22は、炭化ケイ素(SiC)によって構成されている。半導体基板22の表面には、上部電極層20が設けられている。半導体基板22の裏面には、金属層24と下部電極層26が設けられている。下部電極層26は、半導体基板22と金属層24の裏面を覆っている。上部電極層20は、はんだ層18を介して銅ブロック16の裏面に接続されている。銅ブロック16の表面は、はんだ層14を介して上部リードフレーム12の裏面に接続されている。下部電極層26は、はんだ層28を介して下部リードフレーム30の表面に接続されている。上部リードフレーム12及び下部リードフレーム30は、半導体基板22に通電するための電極板として機能するとともに、半導体基板22から放熱するための放熱板としても機能する。上部リードフレーム12、銅ブロック16、半導体装置19及び下部リードフレーム30からなる積層体の側面は、樹脂層32によって覆われている。
The semiconductor module 10 of the embodiment shown in FIG. 1 includes an
図2は、図1の半導体基板22の裏面を含む拡大断面図である。図2では、図1における上部電極層20より上側の構成、はんだ層28より下側の構成、及び樹脂層32の図示は省略されていることに留意されたい。また、図3は、半導体基板22の平面図である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view including the back surface of the
図2及び図3に示すように、半導体基板22は、活性領域50と、活性領域50の周囲に配置された周辺領域60とを有する。図示省略しているが、活性領域50には、複数の半導体素子が形成されている。半導体素子は、半導体基板22の表面22a(すなわち、上部電極層20)と裏面22b(下部電極層26)の間に電流を流すことが可能な縦型半導体素子である。活性領域50内に形成される縦型半導体素子の構造としては、特に限定されるものではなく、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等のスイッチング素子が挙げられる。図3に示すように、周辺領域60は、活性領域50と半導体基板22の外周端面との間に設けられている。半導体基板22の外周端面から活性領域50までの距離d2(図3参照)は、特に限定されるものではないが、例えば1000μm以下である。周辺領域60には、活性領域50が形成されていない。すなわち、半導体モジュール10の通電時には、活性領域50においては、半導体基板22の表面22aと裏面22bの間に主電流が流れ、周辺領域60においては、電流があまり流れない。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
半導体基板22の裏面22bには、活性領域50内に凹部40が設けられている。本実施形態では、半導体基板22の裏面22bには、活性領域50内全域に設けられた凹部40によって、活性領域50と周辺領域60の境界において段差が形成されている。すなわち、活性領域50における半導体基板22の厚みは、周辺領域60における半導体基板22の厚みよりも薄い。なお、凹部40の深さ(半導体基板22の厚み方向における、活性領域50内の半導体基板22の裏面22bの位置と、周辺領域60内の半導体基板22の裏面22bの位置との距離)d1(図2参照)は、特に限定されるものではないが、例えば1μm以上である。
A
凹部40内には、金属層24が配置されている。金属層24は、凹部40内に隙間なく充填されている。金属層24は、熱伝導率の高い材料または電気伝導率の高い材料により構成されている。具体的には、金属層24は、例えば、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)等により構成されている。
A
金属層24の裏面と、周辺領域60における半導体基板22の裏面22bに跨る範囲は、下部電極層26によって覆われている。下部電極層26は、金属層24の裏面と、周辺領域60における半導体基板22の裏面22bの全域を覆っている。下部電極層26は、はんだ接合可能な材料により構成されている。具体的には、下部電極層26は、例えば、Cu、Ni、亜鉛(Zn)、鉛(Pb)等により構成されている。下部電極層26の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば100nm以上である。下部電極層26は、「はんだ接合可能な材料」の一例である。
A range extending from the back surface of the
本実施形態の半導体装置19では、活性領域50内の半導体基板22の裏面22bに、凹部40が設けられている。このため、凹部40が設けられている部分では、活性領域50における半導体基板22の厚みが、周辺領域60における半導体基板22の厚みよりも薄い。縦型の半導体素子が動作する際には、活性領域50において半導体基板22の厚み方向に主電流が流れる。凹部40内に配置されている金属層24は、活性領域50と導通する電極として機能する。主電流が流れる領域である活性領域50において半導体基板22の厚みが薄いため、活性領域50内に形成された半導体素子の損失を低減することができる。
In the
また、周辺領域60における半導体基板22の厚みは厚いので、半導体基板22の強度を確保することができる。さらに、凹部40内に配置された金属層24によって、半導体基板22の強度をさらに向上させることができる。したがって、半導体基板22を曲げる方向に応力が加わっても、半導体基板22にクラックが生じ難い。このように、この半導体装置19では、活性領域50内に形成された半導体素子の損失を低減するとともに、半導体基板22の強度を確保することができる。
Moreover, since the thickness of the
次に、実施形態の半導体モジュール10の製造方法について説明する。まず、図4に示すように、素子構造を形成した活性領域50と、活性領域50の周囲に配置された周辺領域60とを有する半導体基板22を準備する。このとき、半導体基板22の厚みは、例えば、200μmとされる。そして、図5に示すように、半導体基板22の裏面22bに凹部40を形成する。凹部40は、半導体基板22の周辺領域60の裏面22bをマスクし、活性領域50内の裏面22bをエッチングすることにより形成される。
Next, a method for manufacturing the semiconductor module 10 of the embodiment will be described. First, as shown in FIG. 4, a
次に、図6に示すように、周辺領域60における半導体基板22の裏面22bをマスクし、スパッタリングによって、凹部40内に金属層24を形成する。次に、スパッタリングによって、金属層24の裏面と半導体基板22の周辺領域60の裏面22bを覆うように下部電極層26を形成する(図2参照)。その後、図1に示すように、スパッタリングによって上部電極層20を形成する。次に、はんだ層14、18、28を介して上部リードフレーム12、銅ブロック16、半導体基板22及び下部リードフレーム30を積層し、その積層体をリフロー炉で加熱する。すると、はんだ層14、18、28が一旦溶融し、その後に凝固する。その結果、上部リードフレーム12、銅ブロック16、半導体基板22及び下部リードフレーム30が互いに接合される。その後、積層体の周囲を樹脂層32で覆うことで、図1に示す半導体モジュール10が完成する。
Next, as shown in FIG. 6, the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。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。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:半導体モジュール
12:上部リードフレーム
14:はんだ層
16:銅ブロック
18:はんだ層
19:半導体装置
20:上部電極層
22:半導体基板
22a:表面
22b:裏面
24:金属層
26:下部電極層
28:はんだ層
30:下部リードフレーム
32:樹脂層
40:凹部
50:活性領域
60:周辺領域
10: Semiconductor module 12: Upper lead frame 14: Solder layer 16: Copper block 18: Solder layer 19: Semiconductor device 20: Upper electrode layer 22:
Claims (1)
前記活性領域に、前記半導体基板の表面と裏面の間に電流を流すことが可能な縦型半導体素子が設けられており、
前記裏面には、前記活性領域内に凹部が設けられており、
前記凹部内に、金属層が配置されており、
前記金属層の裏面が、はんだ接合可能な材料により覆われている、
半導体装置。 Comprising a semiconductor substrate having an active region and a peripheral region disposed around the active region;
In the active region, a vertical semiconductor element capable of flowing a current between the front surface and the back surface of the semiconductor substrate is provided,
The back surface is provided with a recess in the active region,
A metal layer is disposed in the recess,
The back surface of the metal layer is covered with a solderable material,
Semiconductor device.
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