JP3226082B2 - 半導体装置 - Google Patents
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、絶縁ゲート形バイポ
ーラトランジスタ(IGBT)などのMOS構造のパワ
ースイッチング素子を対象に、基板の一主面に第一主電
極(エミッタ)と制御電極(ゲート)、別の主面に第二
主電極(コレクタ)を有する半導体チップをパッケージ
に組み込んだ半導体装置に関する。
ーラトランジスタ(IGBT)などのMOS構造のパワ
ースイッチング素子を対象に、基板の一主面に第一主電
極(エミッタ)と制御電極(ゲート)、別の主面に第二
主電極(コレクタ)を有する半導体チップをパッケージ
に組み込んだ半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】IGBTは、パワースイッチング素子と
してモータPWM制御インバータの応用などに幅広く使
われている。また、このIGBTは電圧駆動型で扱い易
いなどから、市場への要求は大容量化へ向かってきてお
り、半導体チップの大型化と相まって益々素子の大容量
化が進められる傾向にある。
してモータPWM制御インバータの応用などに幅広く使
われている。また、このIGBTは電圧駆動型で扱い易
いなどから、市場への要求は大容量化へ向かってきてお
り、半導体チップの大型化と相まって益々素子の大容量
化が進められる傾向にある。
【0003】ところで、IGBTのような絶縁ゲート形
素子(MOS構造の素子)では半導体チップの一主面上
に主電極としてのエミッタ電極、および制御電極として
のゲート電極とが並んで形成されている。このためIG
BTのチップをパッケージングして組立てる場合に、第
二主面側のコレクタは放熱体兼用の金属ベース(ケース
下面側に設けられる)上に直接マウントすることができ
るが、第一主面側のエミッタ電極とゲート電極は別々に
外部導出端子を介して引き出す必要がある。そこで、従
来のパッケージ構造では、ケース上面側にエミッタ、ゲ
ート用の外部導出端子を装備し、エミッタ電極と外部導
出端子、およびゲート電極と外部導出端子との間に線径
300μm程度のアルミ導線をワイヤボンデングして引
き出すようにしている。
素子(MOS構造の素子)では半導体チップの一主面上
に主電極としてのエミッタ電極、および制御電極として
のゲート電極とが並んで形成されている。このためIG
BTのチップをパッケージングして組立てる場合に、第
二主面側のコレクタは放熱体兼用の金属ベース(ケース
下面側に設けられる)上に直接マウントすることができ
るが、第一主面側のエミッタ電極とゲート電極は別々に
外部導出端子を介して引き出す必要がある。そこで、従
来のパッケージ構造では、ケース上面側にエミッタ、ゲ
ート用の外部導出端子を装備し、エミッタ電極と外部導
出端子、およびゲート電極と外部導出端子との間に線径
300μm程度のアルミ導線をワイヤボンデングして引
き出すようにしている。
【0004】しかし、このような従来の構造ではコレク
タ側からの放熱はできるが、エミッタ側からの放熱はで
きず、素子を大容量化する上で支障がでてきた。そこ
で、当該発明者らは、MOS構造の素子のエミッタ側表
面の一部にMOS構造部を作らず、放熱と電流通路とし
ての役割をもたせたエミッタ集電電極と呼ばれる構造を
提案し、この集電電極の部分にのみ加圧できるコンタク
ト端子体と呼ばれる電極で素子を加圧し、主電極へのワ
イヤボンデングレス化を達成した(富士時報 1994年5
月号pp283-287 )。
タ側からの放熱はできるが、エミッタ側からの放熱はで
きず、素子を大容量化する上で支障がでてきた。そこ
で、当該発明者らは、MOS構造の素子のエミッタ側表
面の一部にMOS構造部を作らず、放熱と電流通路とし
ての役割をもたせたエミッタ集電電極と呼ばれる構造を
提案し、この集電電極の部分にのみ加圧できるコンタク
ト端子体と呼ばれる電極で素子を加圧し、主電極へのワ
イヤボンデングレス化を達成した(富士時報 1994年5
月号pp283-287 )。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この構造は、コレクタ
側からの放熱に加えて、エミッタ側からの放熱もできる
ため、電流密度の増大が図れることと主電極に対するワ
イヤボンデングが不要になることから信頼性の大幅な向
上が図れるなどの利点がある反面、集電電極というMO
S構造を設けない無効な領域を作らざるを得ないという
欠点を有する。この集電電極を設ける理由は、IGBT
のようなMOS構造の素子ではゲート電極上に酸化膜を
介してエミッタ電極が延長して作られるために、エミッ
タ電極全面にパッケージ側の電極板を加圧接触させる
と、ゲート電極にも加圧力が加わり特性が変化したり劣
化したりするため、実用に供しないためである。
側からの放熱に加えて、エミッタ側からの放熱もできる
ため、電流密度の増大が図れることと主電極に対するワ
イヤボンデングが不要になることから信頼性の大幅な向
上が図れるなどの利点がある反面、集電電極というMO
S構造を設けない無効な領域を作らざるを得ないという
欠点を有する。この集電電極を設ける理由は、IGBT
のようなMOS構造の素子ではゲート電極上に酸化膜を
介してエミッタ電極が延長して作られるために、エミッ
タ電極全面にパッケージ側の電極板を加圧接触させる
と、ゲート電極にも加圧力が加わり特性が変化したり劣
化したりするため、実用に供しないためである。
【0006】この発明は、前記欠点を解決するために、
ゲート電極上のエミッタ電極に加圧力が加わらないよう
に、この領域以外のエミッタ電極とパッケージ側の電極
板とを接触させて、さらに集電電極という無効な領域を
設けない構造とすることで、加圧力による特性変化がな
く、両面冷却効果が大きくでき、かつ活性領域が広くと
れるMOS構造の半導体装置を提供することにある。
ゲート電極上のエミッタ電極に加圧力が加わらないよう
に、この領域以外のエミッタ電極とパッケージ側の電極
板とを接触させて、さらに集電電極という無効な領域を
設けない構造とすることで、加圧力による特性変化がな
く、両面冷却効果が大きくでき、かつ活性領域が広くと
れるMOS構造の半導体装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は前記の目的を
達成するために、第一主面に第一主電極と制御電極を、
第二主面に第二主電極をそれぞれ有するMOS構造の半
導体チップを、両面が露出する一対の共通電極板の間に
絶縁外筒を介装してなる平形パッケージの中に組み込
み、該半導体チップの第一主電極とこれに対向するパッ
ケージ側の共通電極板との間に加圧、導電、放熱体を兼
ねたコンタクト端子体を介装したものにおいて、制御電
極上に絶縁膜を介して、該制御電極上も被覆する第一の
第一主電極と、制御電極上以外の第一の第一主電極の表
面に形成する制御電極上の第一の第一主電極の表面高さ
より表面高さが高い絶縁膜と、第一の第一主電極および
第一の第一主電極の表面高さより表面高さが高い絶縁膜
の上を被覆する第二の第一主電極とを有し、制御電極上
以外の第一主電極の表面高さが制御電極上の第一主電極
の表面高さより高いものとする。さらに絶縁膜がポリイ
ミド膜であるとよい。
達成するために、第一主面に第一主電極と制御電極を、
第二主面に第二主電極をそれぞれ有するMOS構造の半
導体チップを、両面が露出する一対の共通電極板の間に
絶縁外筒を介装してなる平形パッケージの中に組み込
み、該半導体チップの第一主電極とこれに対向するパッ
ケージ側の共通電極板との間に加圧、導電、放熱体を兼
ねたコンタクト端子体を介装したものにおいて、制御電
極上に絶縁膜を介して、該制御電極上も被覆する第一の
第一主電極と、制御電極上以外の第一の第一主電極の表
面に形成する制御電極上の第一の第一主電極の表面高さ
より表面高さが高い絶縁膜と、第一の第一主電極および
第一の第一主電極の表面高さより表面高さが高い絶縁膜
の上を被覆する第二の第一主電極とを有し、制御電極上
以外の第一主電極の表面高さが制御電極上の第一主電極
の表面高さより高いものとする。さらに絶縁膜がポリイ
ミド膜であるとよい。
【0008】
【作用】上記構成にすることで、ゲート電極上以外のエ
ミッタ電極の表面高さをゲート電極上のエミッタ電極の
表面高さより高くすることで、ゲート電極上のエミッタ
電極とパッケージ側の電極板との接触はなく、一方ゲー
ト電極以外の領域のエミッタ電極は全面に亘って電極板
と接触する。そのため、ゲート電極には加圧力が加わら
ず、加圧による特性変化はなく、一方エミッタ電極から
の熱放散の向上と、集電電極の不要によりチップ面積全
面が有効活用できる。また電流容量が同一ならチップ面
積の縮小化ができる。
ミッタ電極の表面高さをゲート電極上のエミッタ電極の
表面高さより高くすることで、ゲート電極上のエミッタ
電極とパッケージ側の電極板との接触はなく、一方ゲー
ト電極以外の領域のエミッタ電極は全面に亘って電極板
と接触する。そのため、ゲート電極には加圧力が加わら
ず、加圧による特性変化はなく、一方エミッタ電極から
の熱放散の向上と、集電電極の不要によりチップ面積全
面が有効活用できる。また電流容量が同一ならチップ面
積の縮小化ができる。
【0009】
【実施例】図1はこの発明の一実施例を示す要部断面図
である。n形半導体基板2の一主面の表面層にp形領域
3が拡散などにより選択的に形成され、このp形領域3
の表面層に高濃度n形領域4が形成され、高濃度n形領
域4とn形半導体基板2とに挟まれたp形領域3上にゲ
ート酸化膜6を介してポリシリコンでできたゲート電極
5が形成され、このゲート電極5上に絶縁酸化膜12が
形成される。この酸化膜12上と半導体が露出している
エミッタ領域11とに1層目のAl−Si金属膜7が形
成され、このエミッタ領域11上のAl−Si金属膜7
の表面にポリイミド膜8がゲート電極5と酸化膜6、1
2とを合わせた厚さより厚く形成され、このポリイミド
膜8上と1層目のAl−Si金属膜7が露出している領
域に2層目のAl−Si金属膜9が形成される。このA
l−Si金属膜9がエミッタ電極13となる。この構造
では、ポリイミド膜8上に形成されたエミッタ電極13
の表面は凸状になり、この部分がパッケージ側の電極板
と接触する加圧部10となる。またn形半導体基板2の
他主面の表面層にはp形層1が拡散などで形成される。
またp形層1に相当する部分をp形半導体基板として、
n形半導体基板2に相当する部分をエピタキシャル成長
層でn形層として形成し、その他の領域は前記と同じ構
造になるように製作してもよい。
である。n形半導体基板2の一主面の表面層にp形領域
3が拡散などにより選択的に形成され、このp形領域3
の表面層に高濃度n形領域4が形成され、高濃度n形領
域4とn形半導体基板2とに挟まれたp形領域3上にゲ
ート酸化膜6を介してポリシリコンでできたゲート電極
5が形成され、このゲート電極5上に絶縁酸化膜12が
形成される。この酸化膜12上と半導体が露出している
エミッタ領域11とに1層目のAl−Si金属膜7が形
成され、このエミッタ領域11上のAl−Si金属膜7
の表面にポリイミド膜8がゲート電極5と酸化膜6、1
2とを合わせた厚さより厚く形成され、このポリイミド
膜8上と1層目のAl−Si金属膜7が露出している領
域に2層目のAl−Si金属膜9が形成される。このA
l−Si金属膜9がエミッタ電極13となる。この構造
では、ポリイミド膜8上に形成されたエミッタ電極13
の表面は凸状になり、この部分がパッケージ側の電極板
と接触する加圧部10となる。またn形半導体基板2の
他主面の表面層にはp形層1が拡散などで形成される。
またp形層1に相当する部分をp形半導体基板として、
n形半導体基板2に相当する部分をエピタキシャル成長
層でn形層として形成し、その他の領域は前記と同じ構
造になるように製作してもよい。
【0010】図2は前記素子を製作するときの工程図を
示す。同図(a)はポリイミド膜を形成する前の状態を
示す工程図である。同図(b)は1層目のAl−Si金
属膜7上全面にポリイミド膜8を被覆した工程図を示
す。同図(c)はホトエッチングでゲート電極5上のポ
リイミド膜8を除去し、その後で全面を2層目のAl−
Si金属膜9を被覆しエミッタ電極を形成する。ゲート
電極5上に位置するエミッタ電極13は凹、エミッタ領
域11上に位置するエミッタ電極13は凸に形成される
工程図を示す。この凸部がエミッタ電極13の加圧部1
0となる。
示す。同図(a)はポリイミド膜を形成する前の状態を
示す工程図である。同図(b)は1層目のAl−Si金
属膜7上全面にポリイミド膜8を被覆した工程図を示
す。同図(c)はホトエッチングでゲート電極5上のポ
リイミド膜8を除去し、その後で全面を2層目のAl−
Si金属膜9を被覆しエミッタ電極を形成する。ゲート
電極5上に位置するエミッタ電極13は凹、エミッタ領
域11上に位置するエミッタ電極13は凸に形成される
工程図を示す。この凸部がエミッタ電極13の加圧部1
0となる。
【0011】ここで、ゲート電極5と酸化膜6、12を
合わせた厚さは2μm程度、ポリイミド膜8の厚さは1
0μm程度であり、エミッタ電極の凹凸の表面高さの差
は8μm程度となる。またポリイミド以外の絶縁膜を用
いても勿論よい。またこのポリイミド膜は他の箇所で層
間絶縁およびパッシベーションとして使用するポリイミ
ド膜と同時に形成されるため、従来工程と同様の工程で
できる利点がある。
合わせた厚さは2μm程度、ポリイミド膜8の厚さは1
0μm程度であり、エミッタ電極の凹凸の表面高さの差
は8μm程度となる。またポリイミド以外の絶縁膜を用
いても勿論よい。またこのポリイミド膜は他の箇所で層
間絶縁およびパッシベーションとして使用するポリイミ
ド膜と同時に形成されるため、従来工程と同様の工程で
できる利点がある。
【0012】尚、図には示さないが、他の実施例につい
て説明する。1層目のAl−Si金属膜上に1μm程度
の薄いポリイミド膜を被着させ、ゲート電極上に位置す
るポリイミド膜をホトエッチで残し、その後で、2層目
のAl−Si金属膜を被着させ、その上にゲート電極上
に位置する領域を窓明けしたレジスト膜を被覆させ、プ
ラズマエッチングでゲート電極上の2層目のAl−Si
金属膜のみ選択的に除去する。プラズマエッチング時の
エッチングレートはAl−Si金属膜では大きく、有機
材であるポリイミド膜では極めて小さいことを利用し
て、確実に2層目のAl−Si金属膜のみ除去すること
ができる。その後で必要に応じてポリイミド膜を除去す
る。この方法でもエミッタ領域上に位置するエミッタ電
極の表面高さがゲート電極上に位置するエミッタ電極の
表面高さより高い構造が得られる。この構造ではAl−
Si金属膜のみでエミッタ電極の凸部を形成できるの
で、エミッタ電極の電気伝導性および熱伝導性がポリイ
ミド膜が介在する構造より優れている。
て説明する。1層目のAl−Si金属膜上に1μm程度
の薄いポリイミド膜を被着させ、ゲート電極上に位置す
るポリイミド膜をホトエッチで残し、その後で、2層目
のAl−Si金属膜を被着させ、その上にゲート電極上
に位置する領域を窓明けしたレジスト膜を被覆させ、プ
ラズマエッチングでゲート電極上の2層目のAl−Si
金属膜のみ選択的に除去する。プラズマエッチング時の
エッチングレートはAl−Si金属膜では大きく、有機
材であるポリイミド膜では極めて小さいことを利用し
て、確実に2層目のAl−Si金属膜のみ除去すること
ができる。その後で必要に応じてポリイミド膜を除去す
る。この方法でもエミッタ領域上に位置するエミッタ電
極の表面高さがゲート電極上に位置するエミッタ電極の
表面高さより高い構造が得られる。この構造ではAl−
Si金属膜のみでエミッタ電極の凸部を形成できるの
で、エミッタ電極の電気伝導性および熱伝導性がポリイ
ミド膜が介在する構造より優れている。
【0013】
【発明の効果】この発明によれば、パッケージ側の電極
板でエミッタ電極を加圧してもゲート電極には直接加圧
力は伝わらず不当な力がゲート電極に加わらない。また
エミッタ電極上にパッケージ側の電極板が接触するの
で、集電電極を介して接触するよりも熱放散性がよく、
しかも集電電極を形成する面積を活性領域として有効に
活用でるため、素子の電流容量を増大できる。また電流
容量が同一の場合はチップサイズを小型化でき、チップ
コストを低減できる。
板でエミッタ電極を加圧してもゲート電極には直接加圧
力は伝わらず不当な力がゲート電極に加わらない。また
エミッタ電極上にパッケージ側の電極板が接触するの
で、集電電極を介して接触するよりも熱放散性がよく、
しかも集電電極を形成する面積を活性領域として有効に
活用でるため、素子の電流容量を増大できる。また電流
容量が同一の場合はチップサイズを小型化でき、チップ
コストを低減できる。
【図1】この発明の一実施例を示す要部構造図
【図2】この発明による素子の製造工程を、同図(a)
ないし同図(c)に順に示した図
ないし同図(c)に順に示した図
1 p形層 2 n形半導体基板 3 p形領域 4 高濃度n形領域 5 ゲート電極 6 ゲート酸化膜 7 1層目のAl−Si金属膜 8 ポリイミド膜 9 2層目のAl−Si金属膜 10 加圧部 11 エミッタ領域 12 絶縁酸化膜 13 エミッタ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 29/749 H01L 21/336
Claims (2)
- 【請求項1】第一主面に第一主電極と制御電極を、第二
主面に第二主電極をそれぞれ有するMOS構造の半導体
チップを、両面が露出する一対の共通電極板の間に絶縁
外筒を介装してなる平形パッケージの中に組み込み、該
半導体チップの第一主電極とこれに対向するパッケージ
側の共通電極板との間に加圧、導電、放熱体を兼ねたコ
ンタクト端子体を介装したものにおいて、制御電極上に
絶縁膜を介して、該制御電極上も被覆する第一の第一主
電極と、制御電極上以外の第一の第一主電極の表面に形
成する制御電極上の第一の第一主電極の表面高さより表
面高さが高い絶縁膜と、第一の第一主電極および第一の
第一主電極の表面高さより表面高さが高い絶縁膜の上を
被覆する第二の第一主電極とを有し、制御電極上以外の
第一主電極の表面高さが制御電極上の第一主電極の表面
高さより高いことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】第一の第一主電極の表面高さより表面高さ
が高い絶縁膜がポリイミド膜であることを特徴とする請
求項1記載の半導体装置。
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