JP6006966B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
実施の形態に係る半導体装置1に搭載する半導体デバイス10の模式的平面パターン構成は、図1に示すように表され、図1のI−I線に沿う模式的断面構造は、図2に示すように表される。
実施の形態に係る半導体装置1の製造方法は、図5に示すように、実装基板70とドレインパッド電極36を固相拡散接合して、ドレイン固相拡散接合層48Dを形成する工程と、ソースパッド電極SP1・SP2とソースコネクタSCを固相拡散接合して、ソース固相拡散接合層48Sを形成する工程とを有する。
また、実施の形態に係る半導体装置1の製造方法において、固相拡散接合を形成する圧力は、例えば、約1MPa〜約100MPaであり、固相拡散接合を形成する温度は、例えば、約200℃〜約350℃である。
半導体デバイス10のドレイン側にAg、Au、Ti、Niなどを、めっき技術、スパッタリング技術若しくは真空蒸着技術を用いて形成する。例えば、ドレイン領域24に対して順次Ti/Ni/Au/Agが積層されたドレインパッド電極36の構造を形成しても良い。また、半導体デバイス10のソース電極34をAlで形成する場合には、このAl上に順次Ni/Agが積層された電極構造を形成しても良い。
絶縁基板8とヒートスプレッダー100などのベースプレートの接合も同様に形成可能である。すなわち、ヒートスプレッダー100の表面にAg、Au、Ti、Niなどからなる金属層100a・100bを、めっき技術、スパッタリング技術若しくは真空蒸着技術を用いて形成する。また、絶縁基板8の表面にAg、Au、Ti、Niなどからなる金属層14・6を、めっき技術、スパッタリング技術若しくは真空蒸着技術を用いて形成する。
実施の形態に係る半導体装置1の製造方法においては、まず図3〜図6に示すように、ソースパッド電極SP、ゲートパッド電極GPに接合させるためのソースコネクタSC、ゲートコネクタGCを用意する。ソースコネクタSCおよびゲートコネクタGCの材料は、基本的には、電気伝導度、熱伝導度の高い材料、さらに搭載する半導体デバイス10と熱膨張係数の近い材料が選択される。例えば、電気伝導度、熱伝導度の高い材料としては、Al、Cuなどの材料を選択可能である。或いは、搭載する半導体デバイス10と熱膨張係数の近い材料の観点からは、CuMoやCuW、さらにAl-SiCなどの材料を選択可能である。ソースコネクタSCおよびゲートコネクタGCの材料の表面上には、AgやAu、さらにTiやNiを、めっき技術、スパッタリング技術若しくは真空蒸着技術を用いて形成しても良い。さらに、ソースコネクタSCおよびゲートコネクタGCは、半導体デバイス10を複数個同時に接合することも可能である。
実施の形態に係る半導体装置1に適用する半導体デバイス10の例として、SiC・MOSFETの模式的断面構造は、図7に示すように、n-高抵抗層からなる半導体基板26と、半導体基板26の表面側に形成されたpベース領域28と、pベース領域28の表面に形成されたソース領域30と、pベース領域28間の半導体基板26の表面上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極38と、ソース領域30に接続されたソース電極34と、半導体基板26の表面と反対側の裏面に配置されたn+ドレイン領域24と、n+ドレイン領域24に接続されたドレインパッド電極36とを備える。
次に、図9を参照して、実施の形態に係る半導体装置1を用いて構成した3相交流インバータについて説明する。
ソースコネクタSC・ゲートコネクタGCの材料の表面上に、Ag、Au、Ti、Niなどを、めっき技術、スパッタリング技術若しくは真空蒸着技術を用いて形成し、かつ半導体デバイス10のソースパッド電極SP・ゲートパッド電極GPの表面上に、Ag、Au、Ti、Niなどを、めっき技術、スパッタリング技術若しくは真空蒸着技術を用いて形成した後、実際の固相拡散接合工程を実施する。
実施の形態に係る半導体装置1において、半導体デバイス10のドレインパッド電極36と絶縁基板8との間のドレイン固相拡散接合について、ダイシェアー(Die Shear)強度テストを実施したところ、室温および300℃の環境下で、共に従来のPb半田接合と同程度、若しくは従来のPb半田接合より高強度接合の結果が得られた。
実施の形態に係る半導体装置1において、熱サイクルテストにおける温度プロファイル例は、図18に示すように表される。熱サイクルテストは窒素雰囲気中で行われ、マイナス50℃〜プラス250℃の範囲で実施した。熱サイクルの1サイクルの周期は80分であり、その内訳は、マイナス50℃で30分、マイナス50℃からプラス250℃までの昇温時間10分、プラス250℃で30分、プラス250℃からマイナス50℃までの冷却時間10分である。100サイクル毎に順方向電圧降下Vf、逆方向耐圧Vrを測定したが、特性劣化は観測されていない。また、オン抵抗の値は、0サイクル時に比較して、70サイクル時においても、実質的な特性劣化は観測されていない。
実施の形態に係る半導体装置の製造方法に適用するソース固相拡散接合工程の説明であって、半導体デバイス101・102に上側から圧力を印加するためのソースコネクタSCの模式的鳥瞰構造は、図19(a)に示すように表され、半導体デバイス101・102およびインサート金属12a・12bの模式的鳥瞰構造は、図19(b)に示すように表され、半導体デバイス101・102およびインサート金属12a・12bを挿入するための中間部材60の模式的鳥瞰構造は、図19(c)に示すように表され、半導体デバイス101・102およびインサート金属12a・12bを搭載するための半導体基板7の模式的鳥瞰構造は、図19(d)に示すように表され、半導体基板7を挿入し、半導体デバイス101・102に下側から圧力を印加するための下部部材80の模式的鳥瞰構造は、図19(e)に示すように表される。
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
5、6、14、100a、100b、SM、GM…金属層
7…半導体基板
8…絶縁基板
10…半導体デバイス
12a、12b…インサート金属
24…ドレイン領域
26…高抵抗基板
28…ベース領域
30…ソース領域
32…ゲート絶縁膜
34…ソース電極
36…ドレインパッド電極
38…ゲート電極
44…層間絶縁膜
48G…ゲート固相拡散接合層
48S…ソース固相拡散接合層
48D…ドレイン固相拡散接合層
48H…ヒートスプレッダー固相拡散接合層
50…ゲートドライブ部
52…パワーモジュール部
54…3相交流モータ部
56…上部部材
56a・56b…凸部
60…中間部材
70…実装基板
80…下部部材
100…ヒートスプレッダー
C…コンデンサ
D1〜D6…ダイオード
GP、GP1、GP2…ゲートパッド電極
SP、SP1、SP2…ソースパッド電極
GC…ゲートコネクタ
SC…ソースコネクタ
Claims (22)
- 実装基板と、
前記実装基板上に配置され、半導体基板と、前記半導体基板の表面上に配置されたソースパッド電極およびゲートパッド電極と、前記半導体基板の裏面上に前記実装基板に接して配置されたドレインパッド電極とを有する半導体デバイスと、
前記ソースパッド電極上に配置されたソースコネクタと
を備え、
前記実装基板と前記ドレインパッド電極は、固相拡散接合され、
前記実装基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の表面上に配置された第1金属層とを備え、前記実装基板と前記ドレインパッド電極との間に、前記第1金属層と前記ドレインパッド電極とのドレイン固相拡散接合層を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記実装基板を搭載するヒートスプレッダーをさらに備え、前記実装基板と前記ヒートスプレッダーは、固相拡散接合されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ソースパッド電極と前記ソースコネクタは、固相拡散接合されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ゲートパッド電極上に配置されたゲートコネクタを備え、前記ゲートパッド電極と前記ゲートコネクタは、固相拡散接合されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記半導体デバイスを複数備え、前記ソースコネクタは、前記半導体デバイスの複数の前記ソースパッド電極を同時に固相拡散接合可能であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 前記半導体デバイスを複数備え、前記ゲートコネクタは、前記半導体デバイスの複数の前記ゲートパッド電極を同時に固相拡散接合可能であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記ソースパッド電極と前記ソースコネクタとの間に、固相拡散接合によって形成されたソース固相拡散接合層を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ゲートパッド電極と前記ゲートコネクタとの間に、固相拡散接合によって形成されたゲート固相拡散接合層を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記実装基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の裏面上に配置された第2金属層とを備え、前記実装基板と前記ヒートスプレッダー間に、前記第2金属層と前記ヒートスプレッダーとのヒートスプレッダー固相拡散接合層を備えることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記ドレイン固相拡散接合層は、Ag、Au、Ti、若しくはNiの組み合わせから選択されるいずれか単数若しくは複数の金属同士の固相拡散接合によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ソース固相拡散接合層は、Ag、Au、Ti、若しくはNiの組み合わせから選択されるいずれか単数若しくは複数の金属同士の固相拡散接合によって形成されることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
- 前記ゲート固相拡散接合層は、Ag、Au、Ti、若しくはNiの組み合わせから選択されるいずれか単数若しくは複数の金属同士の固相拡散接合によって形成されることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
- 前記ヒートスプレッダー固相拡散接合層は、Ag、Au、Ti、若しくはNiの組み合わせから選択されるいずれか単数若しくは複数の金属同士の固相拡散接合によって形成されることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 前記ソースコネクタは、Al、Cu、CuMo、CuW、若しくはAlSiCのいずれかで形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ゲートコネクタは、Al、Cu、CuMo、CuW、若しくはAlSiCのいずれかで形成されることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記半導体デバイスは、SiC系、GaN系、若しくはAlN系のいずれかのパワーデバイスであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記半導体デバイスは、バンドギャップエネルギーが1.1eV〜8eVの半導体を用いることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 実装基板と、半導体基板と、前記半導体基板の表面上に配置されたソースパッド電極およびゲートパッド電極と、前記半導体基板の裏面上に前記実装基板に接して配置されたドレインパッド電極とを有する半導体デバイスと、前記ソースパッド電極上に配置されたソースコネクタとを備える半導体装置の製造方法において、
前記実装基板と前記ドレインパッド電極を固相拡散接合して、ドレイン固相拡散接合層を形成する工程と、
前記ソースパッド電極と前記ソースコネクタを固相拡散接合して、ソース固相拡散接合層を形成する工程と
を有し、
前記ドレイン固相拡散接合層を形成する工程と、前記ソース固相拡散接合層を形成する工程は、同時に実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記実装基板と前記実装基板を搭載するヒートスプレッダーを固相拡散接合して、ヒートスプレッダー固相拡散接合層を形成する工程を有することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲートパッド電極と前記ゲートパッド電極上に配置されたゲートコネクタを固相拡散接合して、ゲート固相拡散接合層を形成する工程を有することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記固相拡散接合を形成する圧力は、1MPa以上100MPa以下であることを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記固相拡散接合を形成する温度は、200℃以上350℃以下であることを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
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