JP2024036083A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱抵抗の上昇を抑えつつ、高精度な温度検知機能を備えた半導体装置を提供する。【解決手段】主面が第1表面電極3に覆われ、半導体素子を備えた半導体チップ2と、第1表面電極3の一部に導電性を有する接合材10を介して接合され、半導体素子に電気的に接続された主端子5と、主端子5および第1表面電極3とは絶縁され、平面視において主端子5から離間し、主端子5よりも厚さが小さいセンス端子7、8と、センス端子7、8のそれぞれの半導体チップ2側の面に、導電性を有する接合材11を介して第1面が接続された温度センサ9と、主端子5、センス端子7、8、第1表面電極3および温度センサ9のそれぞれの一部の面を覆い、温度センサ9の第1面の一部を覆い、温度センサ9と第1表面電極3との間に介在する樹脂12と、を有し、温度センサ9、センス端子7および8は、平面視において半導体チップ2と重なっている、半導体装置を用いる。【選択図】図2
Description
本発明は、パワー素子を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、SiC(炭化ケイ素)パワー半導体チップが搭載された半導体装置(半導体モジュール)を使用した電力変換装置が市場に投入され始めている。SiCを代表とするワイドバンドギャップパワー半導体は従来のSi(シリコン)パワー半導体よりも導通損失が小さいため、サイズの小さい半導体チップを用いた小型半導体モジュールが作製可能である。しかし、チップサイズが小さくなるためチップの放熱の面積も小さくなり、熱抵抗は大きくなる傾向にある。また、電力変換装置によっては過昇温保護のためチップの温度検知機能が必須となる場合があり、より精密な半導体モジュールの温度管理が求められる。
特許文献1(特開2022-78954号公報)には、下面の端部にチップ温度センサを備えたチップと、当該チップの下面にはんだボールを介して接続され、チップ温度センサと対向する面にキャリア温度センサを備えたキャリアとを有するチップパッケージが記載されている。
特許文献2(特開2016-163535号公報)には、温度センサを備えたトランジスタと、ダイオードとを有し、冷却媒体が供給される冷却器により冷却されるパッケージが記載されている。ここでは、冷却媒体が減少した際に冷却機能の低下を速やかに検知するため、温度センサを備えたトランジスタを上側に配置している。
特許文献3(特開2016-115727号公報)には、パワー半導体を備えた第1半導体チップと、他の第2半導体チップとを重ねて接合し、第1半導体チップの直下の第2半導体チップの上面に加熱検出回路を設けることが記載されている。
過昇温保護のための温度検知機能としては、特許文献1のように、半導体チップ内に温度センサを形成する方法が提案されている。しかし、パワー半導体チップにおいて温度センサを半導体チップ内に形成すると、活性化領域が減少して損失が増加するため、半導体チップの発熱量が上昇する。また、特許文献2および3のように、半導体チップの直上または直下に温度センサを搭載する方法が提案されているが、半導体チップの放熱について考慮されていないため、半導体チップの熱抵抗が大きく上昇する懸念がある。
本発明の目的は、熱抵抗の上昇を抑えつつ、高精度な温度検知機能を備えた半導体装置を提供することにある。
その他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態である半導体装置は、主面が第1電極に覆われ、半導体素子を備えた半導体チップと、第1電極の一部に導電性を有する第1接合材を介して接合され、半導体素子に電気的に接続された主端子と、主端子および第1電極とは絶縁され、平面視において主端子から離間し、主端子よりも厚さが小さい複数のセンス端子と、複数のセンス端子のそれぞれの半導体チップ側の面に、導電性を有する第2接合材を介して第1面が接続された温度センサと、主端子、複数のセンス端子、第1電極および温度センサのそれぞれの一部の面を覆い、温度センサの第1面の一部を覆い、温度センサと第1電極との間に介在する樹脂と、を有するものである。温度センサおよび複数のセンス端子は、平面視において半導体チップと重なっている。
一実施の形態である半導体装置の製造方法は、(a)支持体と、支持体上に形成された第1凸部および第1凸部よりも高さが低い複数の第2凸部とを含む導体、主面を覆う表面電極と表面電極に電気的に接続された半導体素子とを備えた半導体基板、並びに、温度センサを用意する工程、(b)複数の第2凸部のそれぞれの上面と、温度センサとを、導電性を有する第2接合材を介して接合する工程、(c)第1凸部の上面と、表面電極とを、導電性を有する第1接合材を介して接合する工程、(d)(b)工程および(c)工程の後、導体と半導体基板および表面電極との間に樹脂を埋め込む工程と、(e)(d)工程の後、支持体を除去することで樹脂の一部を露出させる工程、を有するものである。温度センサの半導体基板側と反対側の面は、第2接合材および樹脂により覆われている。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
本発明によれば、熱抵抗の上昇を抑えつつ、高精度な温度検知機能を備えた半導体装置を提供できる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図または斜視図などであってもハッチングを付す場合がある。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、断面図においてハッチングを省略する場合がある。
<改善の余地の詳細>
まず、温度センサを備えた半導体装置に関する改善の余地の詳細について説明する。半導体モジュールに用いられる半導体チップのうち、特にSiC(炭化ケイ素)基板を用いたSiCパワー半導体チップは、Si(シリコン)パワー半導体チップに比べてサイズを小さくできる。この場合、半導体チップの放熱の面積も小さくなり、熱抵抗が大きくなることが考えられる。したがって、半導体チップの過昇温による半導体チップの動作不良または破壊などから半導体チップを保護するため、半導体チップの温度検知機能が必須となる場合がある。
まず、温度センサを備えた半導体装置に関する改善の余地の詳細について説明する。半導体モジュールに用いられる半導体チップのうち、特にSiC(炭化ケイ素)基板を用いたSiCパワー半導体チップは、Si(シリコン)パワー半導体チップに比べてサイズを小さくできる。この場合、半導体チップの放熱の面積も小さくなり、熱抵抗が大きくなることが考えられる。したがって、半導体チップの過昇温による半導体チップの動作不良または破壊などから半導体チップを保護するため、半導体チップの温度検知機能が必須となる場合がある。
半導体チップの温度を検知可能な半導体モジュールでは、半導体チップから横方向(半導体チップの主面に沿う方向)において、半導体チップから離れた位置に温度センサを設置することが考えられる。しかしこの場合、温度検出の精度が低いという第1の改善の余地がある。
また、半導体チップの温度を検知するために、半導体チップに温度センサとして用いられる素子を形成することが考えられる。この温度センサは、例えば半導体チップに設けられたメインのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、MOS型電界効果トランジスタ)と同様の構造を有するセンス素子である。しかしこの場合、半導体基板にセンス素子を設けることで、活性化領域(センス素子とは異なるメインの素子形成領域)が減少して損失が増加するため、半導体チップの発熱量が上昇するという、第2の改善の余地が存在する。
また、半導体チップの温度を検知するために、半導体チップの主面に対し垂直な方向、つまり半導体チップの直上または直下の方向において、半導体チップと重なるように温度センサを配置することが考えられる。この場合、温度センサが当該半導体チップと他の基板などとの間に挟まれ、温度センサの熱抵抗が高くなる場合がある。したがって、温度センサの放熱性を高める工夫が必要となる。すなわち、半導体チップと温度センサとを重ねる場合には、冷却性能が低下し得るという、第3の改善の余地が存在する。
このように、温度センサを備えた半導体装置では、温度センサを設けることによる温度検出の精度の向上、半導体チップの発熱量の上昇の防止、および、温度センサの熱抵抗が増加の防止を実現することが、改善の余地として存在する。
そこで、本願の実施の形態では、上述した改善の余地を解決する工夫を施している。以下では、この工夫を施した実施の形態における技術的思想について説明する。
(実施の形態1)
以下、半導体チップおよび温度センサを有する半導体装置について、図面を用いて説明する。
以下、半導体チップおよび温度センサを有する半導体装置について、図面を用いて説明する。
<半導体装置の構造>
本実施の形態1による半導体装置であるチップの構造について、図1および図2を用いて説明する。図1に示すように、チップ1の平面形状は矩形である。チップ1は主面(上面)とその反対側の裏面(下面)を有している。平面視において、チップ1の主面には、主端子(ソースパッド)5、制御端子(ゲートパッド、第3主端子)6、並びに、2つのセンス端子(センスパッド)7および8が露出している。平面視において、主端子5、制御端子6、センス端子7および8のそれぞれの周囲を囲む樹脂12が露出している。センス端子7および8は、平面視において主端子5および制御端子6から離間している。
本実施の形態1による半導体装置であるチップの構造について、図1および図2を用いて説明する。図1に示すように、チップ1の平面形状は矩形である。チップ1は主面(上面)とその反対側の裏面(下面)を有している。平面視において、チップ1の主面には、主端子(ソースパッド)5、制御端子(ゲートパッド、第3主端子)6、並びに、2つのセンス端子(センスパッド)7および8が露出している。平面視において、主端子5、制御端子6、センス端子7および8のそれぞれの周囲を囲む樹脂12が露出している。センス端子7および8は、平面視において主端子5および制御端子6から離間している。
図2に、図1のA-A線における断面、つまり、主端子5、センス端子7および8を含む断面を示す。図2に示すように、チップ1は、主面(表面、上面)とその反対側の裏面(下面)とを備えた半導体チップ2を有している。半導体チップ2の主面は第1表面電極3および第2表面電極(図示しない)により覆われており、半導体チップ2の裏面は裏面電極4により覆われている。図2において半導体チップ2の主面を覆う電極は第1表面電極(ソース電極、ソース配線)3のみである。ただし、実際には、図示されていない電極であって、第1表面電極3とは別の第2表面電極(ゲート電極、ゲート配線)も、半導体チップ2の主面を覆っている。第2表面電極は、第1表面電極3とは分離されており、それらの電極同士は互いに絶縁されている。第1表面電極3および第2表面電極は、例えば主にNi(ニッケル)またはAl(アルミニウム)からなり、裏面電極4は、例えば主にTi(チタン)、NiまたはAu(金)からなる。第1表面電極3、第2表面および裏面電極4のそれぞれは、前述した材料のうちの1つのみからなるのではなく、当該材料からなる層と他の金属層とにより構成される積層膜であってもよい。
第1表面電極3の直上には、接合材10を介して主端子5が形成されている。主端子5は、導電性を有する接合材10を介して第1表面電極3に接合されている。主端子5は接合材10を介して第1表面電極3に電気的に接続されている。また、図示していない領域では、第2表面電極(ゲート電極)の直上に、接合材を介して接合された制御端子6が形成されている。制御端子6は、当該接合材を介して第2表面電極に電気的に接続されている。接合材は、例えばはんだまたは導電性を有する焼結材により構成されている。
半導体チップ2の主面上には、第1表面電極3および第2表面電極のそれぞれから離間して、温度センサ(センス素子)9が設けられている。温度センサ9の上面の一部と、センス端子7の半導体チップ2側の面(下面)とは、導電性を有する接合材11を介して接続されている。温度センサ9の上面の他の一部と、センス端子8の半導体チップ2側の面(下面)とは、他の接合材11を介して接続されている。つまり、温度センサ9は接合材11を介してセンス端子7および8のそれぞれに電気的に接続されている。主端子5、制御端子6、センス端子7および8のそれぞれは、例えば、Cu、W(タングステン)、AlまたはMo(モリブデン)からなる。接合材11は、例えばはんだ、銀ペーストまたは導電性を有する焼結材により構成されている。
主端子5、制御端子6、センス端子7および8のそれぞれは、互いに離間している。主端子5、制御端子6、センス端子7および8のそれぞれの上面の高さは、同じである。ここでいう高さとは、半導体チップ2の主面に対して垂直な方向(高さ方向、厚さ方向、垂直方向)における、半導体チップ2の主面からの距離をいう。主端子5、制御端子6および第1表面電極3と、センス端子7および8とは、互いに絶縁されている。温度センサ9、センス端子7および8のそれぞれの厚さは、主端子5および制御端子6のそれぞれの厚さよりも小さい。
半導体チップの主面、第1表面電極3の上面、および、第2表面電極の上面のそれぞれの一部は、樹脂12により覆われている。樹脂12は、接合材10、11、主端子5、制御端子6、センス端子7および8のそれぞれの側面を覆っている。樹脂12は、温度センサ9の上面の一部、側面の全体および底面の全体を覆っている。すなわち、第1表面電極3と温度センサ9との間には、高さ方向において絶縁体である樹脂12が介在している。第1表面電極3の上面のうち、接合材10から露出する面は、樹脂12により覆われている。第2表面電極の上面のうち、接合材から露出する面は、樹脂12により覆われている。温度センサ9、センス端子7および8は、主端子5および制御端子6と同じ高さに位置している。
半導体チップ2は、半導体基板を有している。半導体基板は、例えば主にSi(シリコン)、SiC(炭化ケイ素)、GaN(窒化ガリウム)またはGa2O3(酸化ガリウム)からなる。半導体チップ2は、半導体素子を有している。半導体素子は、半導体基板内に構成部分の少なくとも一部と電流経路とを有している。半導体素子としては、例えばMOSFETまたはダイオードなどが挙げられる。本実施の形態では、半導体チップ2にMOSFETが形成されている場合について説明する。MOSFETは、半導体基板の主面側にソース領域およびゲート電極を有し、半導体基板の裏面側にドレイン領域を有する縦型素子である。半導体素子がダイオードのみである場合、制御端子6および第2表面電極は不要である。
具体的な図示はしていないが、半導体チップ2は、半導体基板と、半導体基板上の層間絶縁膜と、層間絶縁膜を貫通する複数のコンタクトプラグとを有している。第1表面電極3は、コンタクトプラグを介してMOSFETのソース領域に電気的に接続されている。すなわち、主端子5は、接合材10、第1表面電極3およびコンタクトプラグを介して半導体素子に電気的に接続されている。第2表面電極は、他のコンタクトプラグを介してMOSFETのゲート電極に電気的に接続されている。裏面電極4は、MOSFETのドレイン領域に電気的に接続されたドレイン電極である。半導体素子がダイオードのみである場合、例えば第1表面電極3はアノード電極であり、裏面電極4はカソード電極である。
温度センサ9は、例えば2端子素子であるサーミスタからなる。サーミスタは、熱を感知した際の抵抗値の変化を利用した温度センサである。温度が高くなると抵抗値が下がり、温度が低くなると抵抗値が上がるというサーミスタの特性を利用して、チップ1の温度を検知することができる。このように、温度センサ9は直接温度を検知する素子である必要はなく、間接的に温度を検知できる素子であればよい。温度センサ9にはサーミスタではなく、例えば歪センサを用いてもよい。
図1に示すように、平面視において、主端子5は他の制御端子6、センス端子7および8のいずれよりも大きい面積を有する主電流端子である。つまり、チップ1の動作時において、主端子5は他の制御端子6、センス端子7および8のいずれよりも大きい電流が流れる。図1および図2に示すように、ここでは、温度センサ9は平面視においてチップ1の端部に位置しているが、平面視におけるチップ1のどの位置に配置されていてもよい。また、温度センサ9の数は1つに限らず、2つ以上であってもよい。図1に示すセンス端子7、8はそれぞれの長さが異なるが、センス端子7、8のそれぞれの長さはこれに限られるものではなく、自由に変更可能である。図1では制御端子6を1つのみ示しているが、制御端子6の数は2以上であってもよい。
<半導体装置の製造方法>
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について、図3~図7を用いて説明する。
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法について、図3~図7を用いて説明する。
まず、図3に示すように、上部に第1凸部である主端子5および制御端子6(図1参照)と、第2凸部であるセンス端子7および8とを有し、板状の支持体13を用意する。主端子5、制御端子6、センス端子7および8は1つの導体を加工することで形成されており、支持体13と一体となっている。主端子5および制御端子6は、センス端子7および8よりも支持体の上面からの高さが高い凸部である。つまり、主端子5、制御端子6、センス端子7および8と支持体13とを含む導体は、主端子5および制御端子6のそれぞれの上面と、センス端子7および8のそれぞれの上面と、支持体13の上面という、3水準の高さの上面を有している。
当該導体は、後の工程で切り分けることにより複数のチップに個片化できる。当該導体は、後の工程でチップとなるチップ領域を複数有しており、それぞれのチップ領域に主端子5、制御端子6、センス端子7および8が形成されている。当該導体は、例えば、Cu、W、AlまたはMoからなる。
また、図示はしていないが、主面上に第1表面電極3(図2参照)と第2表面電極を備え、裏面上に裏面電極4を備えた半導体ウェハ2aを用意する。半導体ウェハ2aは、半導体基板および半導体素子を有している。
次に、図4に示すように、センス端子7の上面およびセンス端子8の上面に跨るように、それらの上面に温度センサ9を接続する。温度センサ9は、接合材11によりセンス端子7およびセンス端子8に接続される。続いて、主端子5および制御端子6のそれぞれの上面に、接合材10を用いて半導体ウェハ2aを接続する。具体的には、主端子5は半導体ウェハ2aの主面に接して形成された第1表面電極3に接合材10を介して接続され、制御端子6は半導体ウェハ2aの主面に接して形成された第2表面電極(図示しない)に接合材を介して接続される。支持体13および温度センサ9と、半導体ウェハ2aとは互いに離間している。
次に、図5に示すように、支持体13と半導体ウェハ2aとの間の空間を樹脂12により埋め込むことで封止を行う。このとき、温度センサ9と半導体ウェハ2aとの間は樹脂12により埋め込まれ、温度センサ9と支持体13との間も樹脂12により埋め込まれる。
次に、図6に示すように、互いに接合された支持体13および半導体ウェハ2aの上下を逆さまにする。続いて、支持体13を研削することで、支持体13全体を除去し、樹脂12を露出させる。このとき、センス端子7および8と、それらの相互間の樹脂12を残すことで、温度センサ9が露出しないようにする。つまり、温度センサ9の半導体ウェハ2a側(半導体基板側)と反対側の面は、接合材11および樹脂12により覆われている。
次に、図7に示すように、各チップ領域同士の間を切削するダイシング工程を行うことで、半導体ウェハ2aを個片化する。これにより、複数の半導体チップ2が得られる。なお、図7では第2表面電極と制御端子6の図示を省略している。当該ダイシング工程では、樹脂12も切削する。これにより、半導体チップ2、主端子5、制御端子6、センス端子7、8および温度センサ9を少なくとも1つずつ有するチップ1が形成できる。
<本実施の形態の効果>
本実施の形態では、図2に示す温度センサ9を半導体チップ2とセンス端子7、8との間に配置して樹脂12で覆うことで、半導体チップ2と温度センサ9との絶縁を保ちつつ、精度のよい温度センスが可能となる。温度センサ9は、平面視において半導体チップ2と重なっている。つまり、チップ面積内に温度センサ9が存在している。これにより、高精度で温度検知を行える。すなわち、温度検出の精度が低いという第1の改善の余地を解消できる。
本実施の形態では、図2に示す温度センサ9を半導体チップ2とセンス端子7、8との間に配置して樹脂12で覆うことで、半導体チップ2と温度センサ9との絶縁を保ちつつ、精度のよい温度センスが可能となる。温度センサ9は、平面視において半導体チップ2と重なっている。つまり、チップ面積内に温度センサ9が存在している。これにより、高精度で温度検知を行える。すなわち、温度検出の精度が低いという第1の改善の余地を解消できる。
また、温度センサを半導体チップ2に内蔵するのではなく、半導体チップ2とは別の箇所に温度センサ9を設けることで、半導体チップ2の活性化領域の減少を防ぎ、損失の増大を防いでいる。これにより、半導体チップの発熱量の上昇を防いでいる。半導体チップの活性化領域の減少に起因して半導体チップの発熱量が上昇するという、第2の改善の余地を解消できる。
また、平面視において半導体チップ2と重なる位置に、チップ1から露出するセンス端子7、8を設けているため、半導体チップ2の放熱性の低下を防げる。また、温度センサ9とセンス端子7、8の間に介在するのは接合材11のみであり、温度センサ9からの放熱経路が短い。よって、温度センサ9を設けることによるチップ1の放熱性の低下を防げる。したがって、半導体チップと温度センサとを重ねる場合には、冷却性能が低下し得るという、第3の改善の余地を解消できる。また、温度センサ9と半導体チップ2との間には樹脂12が充填されているため、温度センサ9と半導体チップ2との間における放電を防止できる。
また、図3~図7を用いて説明したように、WLP(Wafer Level Packaging)プロセスで温度センサ9を設置するため、チップに対して別途温度センサを設ける方法よりも、高精度な合わせによって温度センサ9を配置でき、チップ1の熱抵抗上昇を最小限に抑えられる。
以上により、本実施の形態によれば、熱抵抗の上昇を抑えつつ、高精度な温度検知機能を備えた半導体装置を提供できる。すなわち、半導体装置の性能および信頼性を向上できる。
<変形例1>
温度センサおよびセンス端子を配置する位置は、半導体チップ2の裏面側であってもよい。図8に、本実施の形態1の変形例1であるチップ14の断面図を示す。
温度センサおよびセンス端子を配置する位置は、半導体チップ2の裏面側であってもよい。図8に、本実施の形態1の変形例1であるチップ14の断面図を示す。
図8に示すように、本変形例では、半導体チップ2の主面上ではなく、裏面の下に主端子5a、接合材10、11、樹脂12、温度センサ9、センス端子7および8が形成されている。第1表面電極3はチップ14の外部に露出してソースパッドを構成しており、第2表面電極(図示しない)はチップ14の外部に露出してゲートパッドを構成している。主端子5aは図2に示す主端子5と同様に、温度センサ9、センス端子7および8よりも大きい厚さを有している。主端子5aの下面は樹脂12から露出しており、センス端子7および8のそれぞれの下面と同じ高さに位置している。主端子5aは、裏面電極4に接合材10を介して電気的に接続されており、ドレインパッドとしての役割を有している。ここでは、制御端子6(図1参照)は形成されていない。
温度センサ9の下面は接合材11および樹脂12により覆われており、温度センサ9はチップ14の外観において露出していない。すなわち、主端子5a、接合材10、11、樹脂12、温度センサ9、センス端子7および8は、図2に示す主端子5、接合材10、11、樹脂12、温度センサ9、センス端子7および8の上下を逆さにしたような構成を有している。
本変形例のような構造であっても、図1および図2を用いて説明した半導体装置と同様の効果を得られる。
<変形例2>
本実施の形態の半導体装置の製造工程において、予めダイシング工程などにより個片化された半導体チップを支持体上部の主端子などに接続してもよい。以下に、図9~図12を用いて、本変形例の半導体装置の製造方法について説明する。
本実施の形態の半導体装置の製造工程において、予めダイシング工程などにより個片化された半導体チップを支持体上部の主端子などに接続してもよい。以下に、図9~図12を用いて、本変形例の半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図3と同じ工程を行うことで、支持体13を含む導体と、半導体素子を含む半導体ウェハ2aを用意する。続いて、半導体ウェハ2aに対しダイシングを行うことで、半導体ウェハ2aを個片化し、これにより複数の半導体チップ2を得る。また、サーミスタなどである温度センサ9(図9参照)を用意する。
次に、図9に示すように、センス端子7の上面およびセンス端子8の上面に跨るように、それらの上面に温度センサ9を接続する。温度センサ9は、接合材11によりセンス端子7およびセンス端子8に接続される。続いて、主端子5および制御端子6(図示しない)のそれぞれの上面に、接合材10を用いて半導体チップ2を接続する。具体的には、主端子5は半導体チップ2の主面に接して形成された第1表面電極3に接合材10を介して接続され、制御端子6は半導体チップ2の主面に接して形成された第2表面電極(図示しない)に接合材を介して接続される。なお、図9では第2表面電極と制御端子6の図示を省略している。
次に、図10に示すように、支持体13と半導体チップ2との間の空間を樹脂12により埋め込むことで封止を行う。このとき、温度センサ9と半導体チップ2との間は樹脂12により埋め込まれ、温度センサ9と支持体13との間も樹脂12により埋め込まれる。
次に、図11に示すように、互いに接合された支持体13および半導体チップ2の上下を逆さまにする。続いて、支持体13を研削することで、支持体13全体を除去し、樹脂12を露出させる。
次に、図12に示すように、各半導体チップ2同士の間の樹脂12を切削するダイシング工程を行うことで、個片化された複数のチップ15を得る。これにより、複数の半導体チップ2が得られる。以上により、半導体チップ2、主端子5、制御端子6、センス端子7、8および温度センサ9を少なくとも1つずつ有するチップ15が形成できる。
本変形例では、図1および図2を用いて説明した半導体装置と同様の効果を得られる。また、本変形例の半導体装置の製造方法によれば、半導体装置の歩留まりを向上できる。すなわち、半導体ウェハに並ぶ複数のチップ領域のうちには、一部不良のチップ領域が存在する場合が考えられる。この場合に、半導体ウェハをダイシングせずに上記導体に接続してチップを形成すると、不良のチップ領域に接続された主端子および温度センサを含むチップは当然不良を含むため、チップの歩留まりが低下する。
これに対し、本変形例では導体に接続する前に半導体ウェハをダイシングして半導体チップ2を得ているため、半導体チップ2を導体に接続する前に不良の半導体チップ2を排除することができる。したがって、主端子および温度センサを無駄にすることなく正常な半導体チップ2を用いてチップ15を形成できるため、チップ15の歩留まりを向上できる。
(実施の形態2)
<半導体装置の構造>
以下に、図13~図16を用いて、本実施の形態の半導体装置について説明する。ここでは、特に前記実施の形態1との違いについて説明する。図13に示すように、チップ21の平面形状は矩形である。チップ21は主面(上面)とその反対側の裏面(下面)を有している。平面視において、チップ21の主面には、2つの主端子(ソースパッド)5、制御端子(ゲートパッド、第3主端子)6、温度センサ9、並びに、2つのセンス端子(センスパッド)7および8が露出している。平面視において、2つの主端子5および制御端子6のそれぞれの周囲を囲む樹脂12が露出している。平面視において、温度センサ9の両端のそれぞれは、センス端子7とセンス端子8とのそれぞれと接続されている。平面視において、温度センサ9、センス端子7および8からなるパターンの周囲は、樹脂12により覆われている。温度センサ9、センス端子7および8は、平面視において主端子5および制御端子6から離間している。
<半導体装置の構造>
以下に、図13~図16を用いて、本実施の形態の半導体装置について説明する。ここでは、特に前記実施の形態1との違いについて説明する。図13に示すように、チップ21の平面形状は矩形である。チップ21は主面(上面)とその反対側の裏面(下面)を有している。平面視において、チップ21の主面には、2つの主端子(ソースパッド)5、制御端子(ゲートパッド、第3主端子)6、温度センサ9、並びに、2つのセンス端子(センスパッド)7および8が露出している。平面視において、2つの主端子5および制御端子6のそれぞれの周囲を囲む樹脂12が露出している。平面視において、温度センサ9の両端のそれぞれは、センス端子7とセンス端子8とのそれぞれと接続されている。平面視において、温度センサ9、センス端子7および8からなるパターンの周囲は、樹脂12により覆われている。温度センサ9、センス端子7および8は、平面視において主端子5および制御端子6から離間している。
前記実施の形態1とは異なり、ここでは温度センサ9の上面がチップ21の外観において露出している。つまり、前記温度センサの一部である上面は、樹脂12、17から露出している。ここでは、温度センサ9は平面視におけるチップ21の中央部に位置している。
図14に、図13のB-B線における断面、つまり、主端子5、制御端子6、温度センサ9を含む断面を示す。また、図15に、図13のC-C線における断面、つまり、主端子5、センス端子7および8を含む断面を示す。図14および図15に示すように、チップ21は半導体チップ2を有している。半導体チップ2の主面は第1表面電極3および第2表面電極3a(図14のみ図示)により覆われており、半導体チップ2の裏面は裏面電極4により覆われている。
第1表面電極3の直上には、接合材10を介して主端子5が形成されている。また、第2表面電極3aの直上に、接合材を介して制御端子6が形成されている。前記実施の形態1とは異なり、主端子5の上面、つまり半導体チップ2側とは反対側の面には、主端子5の厚さよりも小さい深さを有する溝状の凹部16が形成されている。凹部16内には、樹脂17を介して温度センサ9、センス端子7および8が形成されている。言い換えれば、凹部16内において、主端子5と温度センサ9およびセンス端子7および8との間には、樹脂17が介在している。すなわち、温度センサ9、センス端子7および8と主端子5とは、樹脂17により互いに離間しており、相互に絶縁されている。樹脂17は、例えば、樹脂12とは異なるものであり、互いに別工程で形成される。樹脂17は、温度センサ9、センス端子7および8のそれぞれの側面と底面とを覆っている。
ここでは、温度センサ9、センス端子7および8のそれぞれの直下においても、主端子5は接合材10を介して第1表面電極3に接続されている。言い換えれば、半導体チップ2の主面に対して垂直な方向における、温度センサ9、センス端子7および8と半導体チップ2との間において、主端子5は、接合材10を介して第1表面電極3に接合されている。このため、温度センサ9、センス端子7および8を設けることによる主端子5と第1表面電極3との間の損失を低減し、チップ21の放熱性を向上できる。
半導体チップ2の主面に沿う方向において、センス端子7および8は温度センサ9を挟んでいる。センス端子7および8のそれぞれの側面は、例えば接合材(図示しない)を介して温度センサ9の側面に接続されている。また、センス端子7および8の温度センサ9に対する接続態様としては、図16に示すような構造を用いてもよい。すなわち、図16に示すように、センス端子7および8と温度センサ9とは、上下方向に接合材11を介して接続されていてもよい。この場合、センス端子7および8は温度センサ9よりも厚さが大きく、側面に突出部を有し、温度センサ9はこの突出部の上面に接続される。
主端子5、制御端子6、温度センサ9、センス端子7および8のそれぞれの上面の高さは、同じである。温度センサ9、センス端子7および8のそれぞれの厚さは、主端子5および制御端子6のそれぞれの厚さよりも小さい。
図17の平面図に、半導体装置であるチップ31の温度分布を示す。この温度分布は、本発明者らが熱シミュレーションによりチップ31を動作させた際に温度を計算した結果に基づくものである。チップ31は、本実施の形態および前記実施の形態1で説明した温度センサおよびセンス端子を有するものではない。図17では、制御端子6の輪郭を破線で示している。また、所定の温度である箇所を実線で結び、これにより、複数の温度範囲の部分同士を区切っている。図17のうち、中央の領域1Aは、170℃以上の領域である。領域1Bは、160℃以上170℃未満の領域である。領域1Cは、150℃以上160℃未満の領域である。領域1Dは、150℃未満の領域である。
図17に示すように、チップ31の動作時において、平面視におけるチップ31の中央近傍が最も高温となり、チップ31の周縁部は中央部より低温となっている。領域1Aは特に高温となっており、チップ31の温度変化を検知するのには最適な箇所である。そこで、温度センサ9を設ける位置は、平面視における領域1A内であることが望ましい。具体的には、平面視において、正方形であるチップ31の一辺の長さX1は5mmであり、チップ31の中央を通る長さであって、領域1Aの最短の長さX2は1.9mmであった。つまり、領域1Aの最短の長さX2は、チップ31の辺の長さX1に対し38%の大きさを有する。言い換えれば、平面視におけるチップ31の中央からチップ31の1辺の19%の距離の範囲内は、領域1Aと重なる。この範囲内に温度センサを設けることで、より高精度な温度検知が可能となる。このことは、本実施の形態だけでなく、前記実施の形態1においても同様である。
<本実施の形態の効果>
本実施の形態では、温度センサを最表面に配置することで、半導体チップ2(第1表面電極3)と主端子5とが接合材10によって接合される面積を、前記実施の形態1に比べて増大させている。これにより、前記実施の形態1に比べて、チップ21の熱抵抗を低減できる。
本実施の形態では、温度センサを最表面に配置することで、半導体チップ2(第1表面電極3)と主端子5とが接合材10によって接合される面積を、前記実施の形態1に比べて増大させている。これにより、前記実施の形態1に比べて、チップ21の熱抵抗を低減できる。
<変形例>
温度センサおよびセンス端子を配置する位置は、半導体チップ2の裏面側であってもよい。図18および図19に、本実施の形態2の変形例であるチップ22の断面図を示す。図18および図19は、図14および図15のそれぞれに対応する箇所における断面図である。
温度センサおよびセンス端子を配置する位置は、半導体チップ2の裏面側であってもよい。図18および図19に、本実施の形態2の変形例であるチップ22の断面図を示す。図18および図19は、図14および図15のそれぞれに対応する箇所における断面図である。
図18および図19に示すように、本変形例では、半導体チップ2の主面上ではなく、裏面の下に主端子5a、接合材10、樹脂12、温度センサ9、センス端子7および8が形成されている。第1表面電極3はチップ14の外部に露出してソースパッドを構成しており、第2表面電極3aはチップ14の外部に露出してゲートパッドを構成している。主端子5aは図14に示す主端子5と同様に、温度センサ9、センス端子7および8よりも大きい厚さを有している。主端子5aの下面は樹脂12、17から露出しており、センス端子7および8のそれぞれの下面と同じ高さに位置している。主端子5aは、裏面電極4に接合材10を介して電気的に接続されており、ドレインパッドとしての役割を有している。ここでは、制御端子6(図14参照)は形成されていない。
温度センサ9はチップ1の外観において露出している。すなわち、主端子5a、接合材10、樹脂12、17、温度センサ9、センス端子7および8は、図14に示す主端子5、接合材10、樹脂12、17、温度センサ9、センス端子7および8の上下を逆さにしたような構成を有している。
本変形例のような構造であっても、図13~図16を用いて説明した半導体装置と同様の効果を得られる。
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、各部の材質および製造条件などは前述した実施の形態の記載に限定されるものではなく、各々多くの変形が可能であることはいうまでもない。
また、ここでは半導体チップの主面側と裏面側の間で電流が流れる縦型の半導体素子を有するチップについて説明したが、半導体素子は、半導体チップの裏面側に電流が流れない横型の半導体素子であってもよい。
1、14、15、21、22、31 チップ
2 半導体チップ
2a 半導体ウェハ
3 第1表面電極
4 裏面電極
5 主端子
6 制御端子
7、8 センス端子
9 温度センサ
10、11 接合材
12、17 樹脂
13 支持体
2 半導体チップ
2a 半導体ウェハ
3 第1表面電極
4 裏面電極
5 主端子
6 制御端子
7、8 センス端子
9 温度センサ
10、11 接合材
12、17 樹脂
13 支持体
Claims (13)
- 主面が第1電極に覆われ、半導体素子を備えた半導体チップと、
前記第1電極の一部に導電性を有する第1接合材を介して接合され、前記半導体素子に電気的に接続された主端子と、
前記主端子および前記第1電極とは絶縁され、平面視において前記主端子から離間し、前記主端子よりも厚さが小さい複数のセンス端子と、
前記複数のセンス端子のそれぞれの前記半導体チップ側の面に、導電性を有する第2接合材を介して第1面が接続された温度センサと、
前記主端子、前記複数のセンス端子、前記第1電極および前記温度センサのそれぞれの一部の面を覆い、前記温度センサの前記第1面の一部を覆い、前記温度センサと前記第1電極との間に介在する樹脂と、
を有し、
前記温度センサおよび前記複数のセンス端子は、平面視において前記半導体チップと重なっている、半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記半導体チップの前記主面の反対側の裏面を覆う第2電極と、
前記半導体チップの前記主面を覆う第3電極と、
前記第3電極に導電性を有する第3接合材を介して接合され、前記半導体素子に電気的に接続された制御端子と、
をさらに有する、半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記半導体装置の平面形状は、矩形であり、
前記温度センサは、平面視における前記半導体装置の中央から、前記半導体装置の1辺の長さの19%の距離の範囲内に設けられている、半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記温度センサは、サーミスタまたは歪センサである、半導体装置。 - 主面が第1電極に覆われ、半導体素子を備えた半導体チップと、
前記第1電極の一部に導電性を有する第1接合材を介して接合され、前記半導体チップ側とは反対側の面に凹部を有し、前記半導体素子に電気的に接続された主端子と、
前記凹部内に形成され、前記主端子および前記第1電極とは絶縁され、平面視において前記主端子から離間し、前記主端子よりも厚さが小さい複数のセンス端子と、
前記凹部内に形成され、前記複数のセンス端子と同じ高さに位置し、前記複数のセンス端子に電気的に接続された温度センサと、
前記主端子および前記第1電極のそれぞれの一部の面を覆う第1樹脂と、
前記凹部内において、前記主端子と前記温度センサおよび前記複数のセンス端子との間に介在する第2樹脂と、
を有し、
前記温度センサおよび前記複数のセンス端子は、平面視において前記半導体チップと重なっており、
前記温度センサの一部は、外観において露出している、半導体装置。 - 請求項5に記載の半導体装置において、
前記半導体チップの前記主面の反対側の裏面を覆う第2電極と、
前記半導体チップの前記主面を覆う第3電極と、
前記第3電極に導電性を有する第2接合材を介して接合され、前記半導体素子に電気的に接続された制御端子と、
をさらに有する、半導体装置。 - 請求項5に記載の半導体装置において、
前記半導体チップの前記主面に対して垂直な方向における、前記温度センサおよび前記複数のセンス端子と前記半導体チップとの間において、前記主端子は、前記第1接合材を介して前記第1電極に接合されている、半導体装置。 - 請求項5に記載の半導体装置において、
前記半導体装置は、平面形状が矩形である第1チップであり、
前記温度センサは、平面視における前記第1チップの中央から、前記半導体装置の1辺の長さの19%の距離の範囲内に設けられている、半導体装置。 - 請求項5に記載の半導体装置において、
前記温度センサは、サーミスタまたは歪センサである、半導体装置。 - (a)支持体と、前記支持体上に形成された第1凸部および前記第1凸部よりも高さが低い複数の第2凸部とを含む導体、主面を覆う表面電極と前記表面電極に電気的に接続された半導体素子とを備えた半導体基板、並びに、温度センサを用意する工程、
(b)前記複数の第2凸部のそれぞれの上面と、前記温度センサとを、導電性を有する第2接合材を介して接合する工程、
(c)前記第1凸部の上面と、前記表面電極とを、導電性を有する第1接合材を介して接合する工程、
(d)前記(b)工程および前記(c)工程の後、前記導体と前記半導体基板および前記表面電極との間に樹脂を埋め込む工程と、
(e)前記(d)工程の後、前記支持体を除去することで前記樹脂の一部を露出させる工程、
を有し、
前記温度センサの前記半導体基板側と反対側の面は、前記第2接合材および前記樹脂により覆われている、半導体装置の製造方法。 - 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1凸部は、主端子を構成し、
前記複数の第2凸部のそれぞれは、センス端子を構成し、
前記半導体基板は、半導体チップを構成し、
前記温度センサおよび前記複数のセンス端子は、平面視において前記半導体チップと重なっている、半導体装置の製造方法。 - 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
(f1)前記(e)工程の後、前記半導体基板および前記樹脂を切削することで、個片化された第1チップを複数得る工程をさらに有し、
前記複数の第1チップのそれぞれは、前記第1凸部、前記複数の第2凸部、前記温度センサ、前記半導体基板、前記表面電極、前記第1接合材および前記第2接合材を有し、
前記(a)工程で用意する前記半導体基板は、半導体ウェハを構成する、半導体装置の製造方法。 - 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
(f2)前記(e)工程の後、前記樹脂を切削することで、個片化された第1チップを複数得る工程をさらに有し、
前記(a)工程では、前記導体と、半導体ウェハを個片化して得られた前記半導体基板を含む半導体チップと、前記温度センサとを用意し、
前記複数の第1チップのそれぞれは、前記第1凸部、前記複数の第2凸部、前記温度センサ、前記半導体基板、前記表面電極、前記第1接合材および前記第2接合材を有する、半導体装置の製造方法。
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