JP6135501B2

JP6135501B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP6135501B2
Application number: JP2013268637A
Authority: JP
Inventors: 未浩中川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: JP2015126056A

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置に関する。

通常の半導体素子では動作するときに熱が発生する。特にＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のパワー半導体素子を用いるときは、半導体素子から高温の熱が発生することがある。そこで従来から、半導体素子で発生する熱を放熱するための技術が提案されている。例えば特許文献１には、半導体素子と、半導体素子で発生する熱を放熱するための放熱部材とを備える半導体装置が開示されている。

特開２００５−２７６９６８号公報

従来の半導体装置では、半導体素子で発生する熱をある程度は放熱することができるが、それでも、半導体素子の周囲に配置された金属からなる接合材（特に、異なる部材同士を接合する接合材）が半導体素子の熱の影響を受けることがある。例えば、異なる部材同士をはんだで接合する場合には、半導体素子の熱がはんだに伝わることにより、はんだにボイドが発生したり、クラックが発生したりすることがある。このように、半導体素子の周囲における接続部分が半導体素子の熱の影響を受けることがある。そこで本明細書は、半導体素子の周囲の接続部分に高温の熱が伝わることを抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。

本明細書に開示する半導体装置は、キャリアが縦方向に流れる半導体素子が形成された半導体基板を備えている。前記半導体基板は、厚板領域と、前記厚板領域に隣接し、前記厚板領域よりも縦方向の厚みが薄い薄板領域と、を備えている。前記厚板領域の上面と前記薄板領域の上面との間に段差が形成されており、前記薄板領域の上面より上方の前記半導体基板に前記半導体素子が形成されている。前記厚板領域の上面に第１端子が接続されており、前記薄板領域の一部に第２端子が接続されている。

このような構成によれば、第１端子と第２端子の間で半導体基板を介して電流を流すことができる。また、半導体素子で発生した熱が伝わる経路を避けた部分において第２端子を半導体基板に接続することができる。したがって、半導体素子の周囲の第２端子の接続部分に高温の熱が伝わることを抑制することができる。

また、上記半導体装置において、前記薄板領域の上面に第２端子が接続されていてもよい。

また、前記薄板領域の上面より下方の前記半導体基板に含まれる不純物の濃度が、前記薄板領域の上面より上方の前記半導体基板に含まれる不純物の平均濃度より高くてもよい。

また、上記半導体装置は、前記半導体基板の下面に取り付けられた下面冷却器を更に備えていてもよい。

また、前記半導体基板は、ＳｉＣから形成されていてもよい。

また、上記半導体装置は、前記厚板領域の上面に形成された上面電極を更に備えていてもよい。前記第１端子が前記上面電極に取り付けられていてもよい。

また、上記半導体装置は、前記上面電極に取り付けられた上面冷却器を更に備えていてもよい。

実施形態に係る半導体装置の断面図である。半導体層と放熱部材の配置を模式的に示す上面図（図１のII−II断面図）である。他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。更に他の実施形態に係る半導体装置の断面図である。

以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。図１に示すように、実施形態に係る半導体装置１は、半導体素子が形成された半導体基板１０を備えている。また、半導体装置１は、半導体基板１０に電気的に接続された第１端子１１および第２端子１２を備えている。また、半導体装置１は、半導体基板１０の上に配置された上面冷却器４２と、半導体基板１０の下に配置された下面冷却器４１とを備えている。

半導体基板１０には、内部に不純物が注入されることによりｎ型又はｐ型の各層が形成されている。半導体基板１０の内部に形成される半導体素子は、例えばダイオード、トランジスタ、又はサイリスタなどであり、本実施形態ではショットキーバリアダイオードを用いている。他の例では、半導体素子として例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などを用いることができる。半導体基板１０の内部に形成された半導体素子では縦方向（上下方向）にキャリアが流れる。

半導体基板１０の材料は、熱伝導率が高い材料であることが好ましく、この材料としては、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ダイヤモンド（Ｃ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等を用いることができる。半導体基板１０の材料の熱伝導率は、半導体素子で発生する熱を放熱する観点から、銅（Ｃｕ）の熱伝導率より高いことが好ましい。銅（Ｃｕ）の熱伝導率は約４００Ｗ／ｍＫである。炭化ケイ素（ＳｉＣ）の熱伝導率は約４９０Ｗ／ｍＫである。ダイヤモンド（Ｃ）の熱伝導率は約６００Ｗ／ｍＫである。但し、製造条件等によって半導体基板１０の材料に制限がある場合には、銅より熱伝導率が低い材料を使用してもよい。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の熱伝導率は約２１０Ｗ／ｍＫである。

半導体基板１０は、厚板領域２と、厚板領域２に隣接した薄板領域３とを備えている。厚板領域２の縦方向（ｚ方向）の厚みｔ１は、薄板領域３の縦方向の厚みｔ２より厚い（薄板領域３の縦方向の厚みｔ２は、厚板領域２の縦方向の厚みｔ１より薄い。）。半導体基板１０の一部を薄くすることにより薄板領域３が形成されている。例えば半導体基板１０の一部を表面側からエッチングによって除去することにより薄くすることができる。エッチングされずに残った部分に厚板領域２が形成される。厚板領域２と薄板領域３は一体になっている。厚板領域２より側方に薄板領域３が突出している。厚板領域２に半導体素子が形成されている。

厚板領域２の上面２１と薄板領域３の上面３１との間に段差が形成されている。すなわち、厚板領域２の厚みと薄板領域３の厚みが異なるので、厚板領域２の上面２１の高さ位置と薄板領域３の上面３１の高さ位置が異なっている。厚板領域２の上面２１の高さ位置が薄板領域３の上面３１の高さ位置より高い（薄板領域３の上面３１の高さ位置が厚板領域２の上面２１の高さ位置より低い。）。薄板領域３の上面３１より上方の半導体基板１０に半導体素子が形成されている。厚板領域２の上面２１と薄板領域３の上面３１は平行に延びている。厚板領域２の側方において薄板領域３の上面３１が露出している。図２に示すように、上面視における薄板領域３の上面３１の面積が厚板領域２の上面２１の面積より大きく、薄板領域３の上面３１が厚板領域２から露出している。厚板領域２の上面２１に第１端子１１が接続され、薄板領域３の上面３１に第２端子が接続されている。本実施形態では厚板領域２の上面２１側がアノード側であり、薄板領域３の上面３１側がカソード側である。厚板領域２の上面２１と薄板領域３の上面３１の間でキャリアが流れる。厚板領域２の上面２１側から薄板領域３の上面３１側へホールが移動し、逆側へ電子が移動する。また、本実施形態では、半導体基板１０において薄板領域３の上面３１より下方の部分がｎ^＋の半導体層になっており、薄板領域３の上面３１より上方の部分がｎ⁻の半導体層になっている。

また、薄板領域３の上面３１より下方の半導体基板１０に含まれる不純物の濃度は、薄板領域３の上面３１より上方の半導体基板１０に含まれる不純物の平均濃度より高い。例えば、本実施形態では、薄板領域３の上面３１より下方の半導体基板１０にｎ^＋の半導体層が形成され、薄板領域３の上面３１より上方の半導体基板１０にｎ⁻の半導体層が形成されることにより、薄板領域３の上面３１より下方と上方で不純物濃度が相違している。薄板領域３の上面３１より下方の半導体基板１０では、薄板領域３の上面３１より上方の半導体基板１０よりも低抵抗になっている。また、薄板領域３の上面３１より上方における厚板領域２は、キャリアが流れる有効領域２５と、キャリアが流れない無効領域２６とを有している。有効領域２５では半導体基板１０にｎ型又はｐ型の不純物が注入されており、無効領域２６では半導体基板１０に不純物が注入されていない。有効領域２５では電流が流れて熱が発生する。

また、図１に示すように、厚板領域２の上面２１には上面電極２０が形成されている。上面電極２０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属から形成されており、厚板領域２の上面２１に密着している。上面電極２０と厚板領域２は、ショットキー接合している。上面電極２０の一部は、上面冷却器４２から露出している。本実施形態では無効領域２６に配置された上面電極２０が露出している。

上面冷却器４２から露出した上面電極２０の上面には、第１金属膜１６が配置されている。第１金属膜１６は、めっき処理により上面電極２０の上面に形成されている。第１金属膜１６は、第１端子１１と上面電極２０とを接続するために上面電極２０の上面に形成されている。

第１端子１１は、金属から形成されており、第１はんだ１４を介して上面電極２０に取り付けられている。第１端子１１は、上面電極２０の上面に形成された第１金属膜１６に接合している。第１端子１１の端部は、縦方向（ｚ方向）において厚板領域２と重なっている。第１端子１１の端部が上面電極２０に接続されている。第１はんだ１４は、第１端子１１と厚板領域２とが縦方向（ｚ方向）に重なる位置において、第１端子１１と上面電極２０とを接合している。第１はんだ１４と厚板領域２は、上下方向（ｚ方向）に重なっている。第１端子１１と厚板領域２は、上面電極２０を介して電気的に接続されており、上面電極２０を介して電流が流れる。

薄板領域３の上面３１には、第２金属膜１５が配置されている。第２金属膜１５は、めっき処理により薄板領域３の上面３１に形成されている。第２金属膜１５は、第２端子１２と薄板領域３とを接続するために薄板領域３の上面３１に形成されている。

第２端子１２は、金属から形成されており、厚板領域２から横方向（ｘ方向）に離間した位置に配置されている。第２端子１２は、厚板領域２から離間した位置において、第２はんだ１３を介して薄板領域３に取り付けられている。第２端子１２は、厚板領域２から露出した薄板領域３の上面３１に形成された第２金属膜１５に接合している。第２端子１２の端部は、縦方向（ｚ方向）において厚板領域２と重なっていない。第２端子１２の端部が薄板領域３に接続されている。第２はんだ１３は、第２端子１２と厚板領域２が縦方向（ｚ方向）に重ならない位置において、第２端子１２と薄板領域３とを接合している。したがって、第２はんだ１３と厚板領域２は、上下方向（ｚ方向）に重なっていない。第２はんだ１３と厚板領域２とを横方向（ｘ方向）に離間することにより、厚板領域２で発生する熱から第２はんだ１３を遠ざけることができる。第２端子１２は、厚板領域２より側方において薄板領域３に接続されている。

第１端子１１と第２端子１２は離間した位置に配置されている。上面視において第１端子１１と第２端子１２はオフセットしている。本実施形態では第１端子１１がアノード端子であり、第２端子１２がカソード端子である。第１端子１１は厚板領域２の上面２１に電気的に接続され、第２端子１２は薄板領域３の上面３１に電気的に接続される。第１端子１１および第２端子１２は、外部の回路（図示省略）に接続されている。

下面冷却器４１は、半導体基板１０の下面１０２に取り付けられている。上面冷却器４２は、上面電極２０に取り付けられている。下面冷却器４１及び上面冷却器４２は、それぞれ内部に冷媒が循環しており、接触している対象物を冷却することができる。下面冷却器４１は、半導体基板１０の下面１０２（厚板領域２の下面２２及び薄板領域３の下面３２）と対向するように配置されており、絶縁グリス４３を介して半導体基板１０の下面に接触している。絶縁グリス４３は、絶縁性および熱伝導性を有しており、半導体基板１０の下面１０２に塗布されている。下面冷却器４１は、半導体基板１０を下面側から冷却する。上面冷却器４２は、上面電極２０と対向するように配置されており、絶縁グリス４４を介して上面電極２０の上面に接触している。上面冷却器４２は、半導体基板１０を上面側から冷却する。

次に、上記の構成を備える半導体装置の動作について説明する。上記の半導体装置１では、第１端子１１と第２端子１２の間に順方向の電圧を印加すると、第１端子１１から第２端子１２へ電流が流れる。より詳細には、第１端子１１と第２端子１２の間に電圧を印加すると、半導体基板１０の薄板領域３の上面３１側から厚板領域２の上面２１側へ電子が流れ、逆側へホールが流れる。半導体素子１０の内部に形成された半導体素子では縦方向にキャリアが流れる。半導体基板１０に電流が流れると半導体基板１０が発熱する。特に、薄板領域３の上面３１より上方の半導体素子が形成されている部分において熱が発生する。半導体基板１０（特に半導体素子が形成されている部分）で発生した熱は、上面側では上面冷却器４２に伝わり、下面側では下面冷却器４１に伝わる。上面冷却器４２及び下面冷却器４１により半導体基板１０が冷却される。

従来の技術では、薄型化のために半導体基板１０を下面側から研削していたが、本明細書に開示の技術では、この部分を研削せずに残して放熱部分として利用している。薄板領域３の上面３１より下方の半導体基板１０は、研削されずに、従来の技術と比較して厚く残存している。半導体基板１０（特に半導体素子が形成されている部分）で発生した熱は、研削されずに残っている放熱部分を介して下面冷却器４１に放熱される。また、研削されずに残った下面側の半導体基板１０は、電流が流れるバスバーとしての機能を有している。このバスバー部分を通じて第１端子１１と第２端子１２の間で電流が流れる。

上述の半導体装置１によれば、第１端子１１が半導体基板１０の厚板領域２の上面２１に接続されており、第２端子１２が薄板領域３の上面３１に接続されている。これにより、第１端子１１と第２端子１２の間で半導体基板１０を介して電流を流すことができる。また、厚板領域２の上面２１と薄板領域３の上面３１との間に段差が形成されており、薄板領域３の上面３１より上方の半導体基板１０に半導体素子が形成されている。これにより、半導体素子で発生した熱が伝わる経路を避けた部分において第２端子１２を半導体基板１０に接続することができる。したがって、第２端子１２の接続部分に高温の熱が伝わることを抑制することができる。

なお、従来の半導体装置では、金属製（銅等）の放熱部材が半導体基板に対してはんだ接合されている。このため、半導体層で発熱が生じると、放熱部材と半導体基板を接続するはんだが熱の影響を受けやすかった。これに対して、実施形態の半導体装置１では、第２端子１２が薄板領域３の上面３１に接続されているので、第２端子１２の接続部分が半導体素子で発生する熱の影響を受け難い。

また、半導体基板１０の下面側がバスバーとして機能するので、他にバスバーや電極を用いる必要がなく、半導体装置１に用いる部品の数を低減することができる。

また、半導体素子で発生した熱が半導体基板１０を介して下方へ放熱される状況において、第２端子１２が薄板領域３の露出した上面３１に接続されている。これにより、第２端子１２の接続部分が薄板領域３の上面３１に位置するので、半導体素子から下方に向かう熱が第２端子１２の接続部分に伝わることを抑制することができる。また、半導体基板１０の下面１０２に取り付けられた下面冷却器４１によって半導体基板１０を冷却することにより、薄板領域３の上面３１を冷却し、第２端子１２の接続部分を冷却することができる。これにより半導体素子で発生する熱の影響を低減することができる。また、半導体基板１０の材料に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いると、熱伝導率が高いので冷却効率（放熱効率）を高めることができる。

以上、一実施形態について説明したが、具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では上面冷却器４２が絶縁グリス４４を介して上面電極２０に接触していたが、この構成に限定されるものではない。図３に示すように、他の実施形態に係る半導体装置１では、上面冷却器４２が絶縁グリス４４および半導体層５０を介して上面電極２０に接触している。半導体層５０は、上面電極２０の上にエピタキシャル成長により形成されている。本実施形態の半導体層５０はｎ型である。半導体基板１０の内部に形成された半導体素子で発生した熱は、上面側では半導体層５０を介して上面冷却器４２に伝わる。このような構成によっても半導体基板１０を冷却することができる。なお、図３において、図１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

また、上記実施形態では半導体基板１０に形成される半導体素子としてショットキーバリアダイオードを例示していたが、この構成に限定されるものではない。半導体基板１０の内部に形成される半導体素子として例えばＭＯＳＦＥＴを用いた場合、半導体基板１０の厚板領域２の内部には、ソース層、ベース層、ドリフト層、及びトレンチゲート等が形成される（いずれも図示省略）。半導体基板１０の内部の構成は適宜変更可能である。

また、上記実施形態では、薄板領域３の上面３１に第２端子１２が接続されていたが、この構成に限定されるものではなく、第２端子は薄板領域３の一部に接続されていればよい。半導体素子で発生する熱の影響を回避するために、第２端子１２は、半導体基板１０の裏面３２を避けた位置に接続されていることが好ましい。例えば、図４に示すように、第２端子１２は、薄板領域３の側面３３に接続されていてもよい。第２端子１２は半導体基板１０における最も下面側の半導体層に接続されている。なお、図４において、図１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

また、上記実施形態では、半導体基板１０において薄板領域３の上面３１より上方の部分と、薄板領域３の上面３１より下方の部分が一体的に形成されていたが、この構成に限定されるものではなく、それぞれの部分を別々に形成することもできる。

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合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合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し得るものであり、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。

１；半導体装置
２；厚板領域
３；薄板領域
１０；半導体基板
１１；第１端子
１２；第２端子
１３；第２はんだ
１４；第１はんだ
１５；第２金属膜
１６；第１金属膜
２０；上面電極
２１；上面
２２；下面
２５；有効領域
２６；無効領域
３１；上面
３２；下面
４１；下面冷却器
４２；上面冷却器
４３；絶縁グリス
４４；絶縁グリス
５０；半導体層
１０２；下面

Claims

キャリアが縦方向に流れる半導体素子が形成された半導体基板を備え、
前記半導体基板は、厚板領域と、前記厚板領域に隣接し、前記厚板領域よりも縦方向の厚みが薄い薄板領域と、を備え、
前記厚板領域の上面と前記薄板領域の上面との間に段差が形成されており、
前記薄板領域の上面より上方の前記半導体基板に前記半導体素子が形成されており、
前記厚板領域の上面に第１端子が接続されており、
前記薄板領域の一部に第２端子が接続されており、
前記厚板領域の上面に形成された上面電極と、
前記上面電極に取り付けられた半導体層と、
前記半導体層を介して前記上面電極に取り付けられた上面冷却器とを更に備え、
前記第１端子が前記上面電極に取り付けられている、半導体装置。
前記薄板領域の上面に第２端子が接続されている、請求項１に記載の半導体装置。
前記薄板領域の上面より下方の前記半導体基板に含まれる不純物の濃度が、前記薄板領域の上面より上方の前記半導体基板に含まれる不純物の平均濃度より高い、請求項１または２に記載の半導体装置。
前記半導体基板の下面に取り付けられた下面冷却器を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記半導体基板は、ＳｉＣから形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。