JP6448852B2 - 電力用半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力用半導体装置に関する。
パワー半導体モジュールは、大電流をスイッチング制御するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）パワーデバイスと、スイッチング時に発生する逆電流を遮断するダイオードとから構成されており、電力変換器の主要な構成部品として家電あるいは車両用等の幅広い分野で使用されている。
近年、パワー半導体モジュールが使用される環境が厳しくなっており、例えば使用環境が高温化したり、制御する電流が増加したりしている。このような厳しい環境下で使用するために、ＩＧＢＴパワーデバイス等のパワー半導体装置の性能としては、温度変化が大きい使用環境下で長期間に渡って正常な動作を確保することができる高い信頼性、および大電流の通電に伴ってパワー半導体装置を構成する半導体チップからの発熱量増大によるパワー半導体装置の高温化に耐える高い耐熱性が求められる。
特に、耐熱性を確保するために、従来では、はんだまたは金属粒子を含む接合材であるダイボンド剤が用いられている。例えば、半導体基板の放熱を裏面側からリードフレームを介して行う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ベアチップの表面に形成された表面電極（Ａｌ電極）と、表面電極上に無電解めっき法で成膜されたＮｉめっき層およびＡｕめっき層からなる積層金属層と、表面電極の側面に形成された周辺耐圧構造とを備え、ベアチップの表面からの放熱を積層金属層を介して行う技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
また、電極上に焼結金属とはんだとからなるバンプ構造が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２０１３−１６５８０号公報 特許第５４９４５５９号公報 特開２０１５−１２６１５８号公報
車載用など小型化が要求されるパワー半導体モジュールは、発熱量が大きくなるため、放熱性能のさらなる向上が求められる。また、ＳｉＣのようなワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体モジュールは、使用可能な温度範囲が広がるため、例えば−４０℃〜２５０℃程度の範囲における信頼性が求められる。このような条件下でパワー半導体モジュールを動作させるためには、パワー半導体装置の裏面からの放熱では不十分である。
特許文献２では、Ｎｉめっき層およびＡｕめっき層の厚みを増やすことによって熱容量を増やすことができるが、Ｎｉめっき層およびＡｕめっき層の厚みを増やすと応力も増すため反りが発生し、基板が割れるなどして信頼性が低下するため、厚く積層することは困難である。また、特許文献２では、無電解めっき膜の形成を想定しているが、めっき膜の成膜レートは低く、厚く積層すると生産性が低下してしまう。
Ｎｉは、例えばはんだ等の金属材料と比較して熱伝導性が低い。ＩＧＢＴの短絡耐量は、１０μｓ程度の短い時間スケールであるため、熱伝導性が低いことによって十分な放熱性が得られず、厚く積層することによる放熱の効果は限定される。ここで、短絡耐量とは、短絡状態で素子（例えば、ＩＧＢＴ）がオンしても破壊しない時間のことをいう。また、ＩＧＢＴの通電損失およびターンオフ損失の低減を目的として基板を薄くすると、基板における熱容量が下がることによって短絡耐量が低下してしまう。
特許文献３では、電極上に焼結金属とはんだとからなるバンプ構造が開示されているが、当該構造では表面電極からの放熱が不十分であるため、短絡耐量が増えるという効果は小さい。また、特許文献３では、電極上にはんだを形成しているが、電極とはんだとの接合は形成条件によっては密着が不十分になることがある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、放熱性および密着性を向上させることが可能な電力用半導体装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明による電力用半導体装置は、半導体基板上に形成され主電流が流れる表面電極と、表面電極上に形成された焼結体でない第１の金属層と、第１の金属層上に形成された焼結体である第２の金属層とを備え、第２の金属層は、平面視において表面電極の全体を覆う大きさを有し、かつ第１の金属層よりも熱伝導性が高い。
本発明によると、電力用半導体装置は、半導体基板上に形成され主電流が流れる表面電極と、表面電極上に形成された焼結体でない第１の金属層と、第１の金属層上に形成された焼結体である第２の金属層とを備え、第２の金属層は、平面視において表面電極の全体を覆う大きさを有し、かつ第１の金属層よりも熱伝導性が高いため、放熱性および密着性を向上させることが可能となる。
本発明の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による電力用半導体装置において、エミッタ電極、ポリイミド層、焼結金属層、およびはんだ層の位置関係を示す平面図である。 本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による電力用半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１によるＩＧＢＴの構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１によるエミッタ電極上に積層した金属層の厚みと短絡耐量との関係を示す図である。 比較例による電力用半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による電力用半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による電力用半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による電力用半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による電力用半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による電力用半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態４によるエミッタ電極上に積層した金属層の厚みと短絡耐量との関係を示す図である。
本発明の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。なお、本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。以下で説明する図面は、理解の容易のために、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。また、各図面間においても同様である。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１による電力用半導体装置１の構成の一例を示す断面図である。
図１に示すように、電力用半導体装置１は、半導体基板２上に形成され主電流が流れる表面電極であるエミッタ電極３と、半導体基板２とエミッタ電極３の一部とを覆うように形成された絶縁層４と、エミッタ電極３および絶縁層４を覆うように形成された焼結体でない第１の金属層（以下、導電層５という）と、導電層５上に形成され平面視においてエミッタ電極３の全体を覆い、かつエミッタ電極３以上の大きさを有する焼結体である第２の金属層（以下、焼結金属層７という）と、導電層５上に焼結金属層７と離間して形成されたポリイミド層６と、ポリイミド層６の一部、焼結金属層７、および導電層５を覆うように形成されたはんだ層８と、はんだ層８上に接合されたバスバー９とを備えている。ここで、平面視とは、電力用半導体装置１を図１の上側から下側に向かって、具体的にはバスバー９側から半導体基板２側に向かって見ることをいう。
図２は、図１に示す電力用半導体装置１を平面視したときにおける平面図である。図２において、図１に示す半導体基板２、絶縁層４、導電層５、およびバスバー９の図示を省略し、エミッタ電極３は平面視では見えないが位置関係が分かるように破線で示している。なお、図２は、エミッタ電極３、ポリイミド層６、焼結金属層７、およびはんだ層８の位置関係を示しているが、エミッタ電極３、ポリイミド層６、焼結金属層７、およびはんだ層８の大きさおよび形はこれに限定されるものではない。また、焼結金属層７がエミッタ電極３の全体を覆い、かつエミッタ電極３よりも大きいとは、焼結金属層７がエミッタ電極３の上部のみを覆う場合を含む。
図３〜６は、電力用半導体装置１の製造工程の一例を示す断面図である。
なお、図３に示す工程の前において、半導体基板２には、半導体基板２の表面の予め定められた領域に不純物が注入された活性領域（図示せず）と、活性領域を囲む領域に不純物が注入された終端領域（図示せず）とが形成されているものとする。
図３において、半導体基板２の活性領域上にエミッタ電極３を形成する。次いで、エミッタ電極３の一部および半導体基板２の終端領域を覆うように絶縁層４を形成する。エミッタ電極３としては、例えばＡｌであってもよい。絶縁層４は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等によって形成したＳｉＮ等であってもよい。
図４において、エミッタ電極３の活性領域、および絶縁層４上に導電層５を形成する。ここで、エミッタ電極３の活性領域とは、半導体基板２の活性領域に対応するエミッタ電極３の領域のことをいう。導電層５は、平面視においてエミッタ電極３の全体を覆い、かつエミッタ電極３の端部をはみ出す大きさを有している。次いで、導電層５上であってエミッタ電極３と平面視で重ならない位置にポリイミド層６を形成する。すなわち、ポリイミド層６は、半導体基板２の終端領域において、後に導電層５上に形成される導電ペースト１０と離間する位置に形成されている。
導電層５としては、例えばスパッタまたは蒸着等によって形成したＮｉ、Ａｕ、Ｎｉ合金、またはＡｕ合金であってもよい。ここで、導電層５は、後の工程で焼成して焼結体とならない、すなわち、焼結体以外の金属である。導電層５は、緻密な層であり、単位面積あたりの空孔率（空隙率またはボイド率ともいう）は１％以下であることが望ましい。Ｎｉは、焼結体である焼結金属がエミッタ電極３（例えばＡｌ）に拡散することを防止する。また、エミッタ電極３とはんだ（後述するはんだ層８）との接合は、形成条件によっては密着が不十分になることがあるが、Ｎｉをエミッタ電極とはんだとの間に形成することによって、Ｎｉとエミッタ電極が強く密着し、かつＮｉとはんだとの合金が形成されてＮｉとはんだとが強く密着する。これにより、エミッタ電極３とはんだ層８、および焼結金属層７とエミッタ電極３との密着性を高めることができる。
Ａｕは、酸化耐性を有しており、大気に触れた場合であっても錆の発生を防ぐことができる。本実施の形態では、導電層５としてＮｉを単独で使用した場合であっても、ポリイミド層６、焼結金属層７、およびはんだ層８が導電層５を覆うため、導電層５が空気に触れる可能性は低い。しかし、経年劣化等ではんだ層８に腐食が生じた場合は、それまではんだ層８が覆っていた導電層５が大気に触れて錆が発生し、電力用半導体装置１の劣化が進行する可能性がある。従って、導電層５の表面のうち、導電層５とはんだ層８とが直接接合する部分は、Ａｕであることが望ましい。導電層５の厚みは、厚くする必要はなく、例えば１μｍかそれ以下であってもよい。
図５において、導電層５上に、平面視においてエミッタ電極３の端部をはみ出し、エミッタ電極３以上の大きさで覆い、かつポリイミド層６と接しないように導電ペースト１０を形成する。次いで、導電ペースト１０、導電層５、およびポリイミド層６の一部を覆うようにはんだ層８を形成する。なお、はんだ層８は、ポリイミド層６の全部を覆うように形成してもよい。導電ペースト１０は、例えばＣｕまたはＡｇ等の金属を用いればよい。
導電ペースト１０は、後の工程で焼成されて焼結金属層７となる。焼結金属は、熱伝導性が高く、かつ低応力のため厚く形成することができて熱容量付加となるため、素子表面の放熱性を向上させることができる。焼結金属層７を平面視でエミッタ電極３を完全に覆うように形成することによって、過渡的な放熱性を高めることができ、電力用半導体装置１の短絡時に熱暴走によって過電流が流れるまでの時間である短絡耐量を延ばすことができる。ここで、過渡的な放熱とは、電力用半導体装置１の短絡時に熱暴走によって過電流が流れるまでの時間に放熱することをいう。
図８は、エミッタ電極３上に積層した金属層の厚みと短絡耐量との関係を示す図であり、計算機シミュレーションの結果をグラフ化したものである。図８では、エミッタ電極３上に積層する金属層がない一例として空気（熱容量：０．０１Ｊ／ｃｍ３・Ｋ、熱伝導率０．０００３Ｗ／ｃｍ・Ｋ）とした場合と、エミッタ電極３上にＣｕの焼結金属層（熱容量：２．７１Ｊ／ｃｍ３・Ｋ、熱伝導率１．８Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を形成した場合と、エミッタ電極３上にＮｉＰからなる金属層（熱容量：３．４２Ｊ／ｃｍ３・Ｋ、熱伝導率０．０５Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を形成した場合と、エミッタ電極３上にはんだ（熱容量：１．７４Ｊ／ｃｍ３・Ｋ、熱伝導率０．６４Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を形成した場合とについて示している。また、エミッタ電極３に積層する金属層の厚みは、２０μｍと４０μｍとしている。なお、Ｃｕの焼結金属層とは、Ｃｕからなる導電ペースト１０を焼成して形成された焼結金属層のことをいう。Ｃｕの焼結金属層は、Ｃｕ焼結体ともいう。ＮｉＰは、めっき金属の一例である。
図８に示すように、エミッタ電極３上に積層する金属層がない場合（ここでは空気の場合）の短絡耐量は４．５μｓである。エミッタ電極３上に２０μｍの金属層を積層した場合の短絡耐量は、はんだの場合は５．５μｓ、焼結金属層およびＮｉＰからなる金属層の場合は６．０μｓである。従って、エミッタ電極３上に２０μｍの焼結金属層またはＮｉＰからなる金属層を積層した場合における短絡耐量は、空気またははんだよりも延びが大きい。
また、エミッタ電極３上に４０μｍの金属を積層した場合の短絡耐量は、ＮｉＰおよびはんだの場合は６．５μｓ、焼結Ｃｕの場合は７．５μｓである。従って、エミッタ電極３上に４０μｍの焼結Ｃｕを積層した場合における短絡耐量は、空気、はんだ、またはＮｉＰよりも延びが大きい。
上記より、エミッタ電極３上にめっきによってＮｉＰからなる金属層を積層することによる効果は、２０μｍを超えると小さくなる。また、図９に示すようなバスバー９と導電層５との間にはんだ単体を積層する電力用半導体装置と比較して、本実施の形態１による電力用半導体装置１（図１参照）はＣｕの焼結金属層７を積層することによって短絡耐量が増加することが分かる。なお、ここではＣｕの焼結金属層を一例として説明したが、Ａｇの焼結金属層（熱容量：２．００Ｊ／ｃｍ３・Ｋ、熱伝導率２．４Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を用いても上記と同様の効果が得られる。このように、短絡耐量を増やすために厚い金属層を積層する場合は、焼結金属層を用いればより効果的であることが分かる。なお、短絡耐量は、電流の熱暴走が最も早く発生する箇所に律速されるため、短絡耐量を確実に向上させるためには、図５のＢ−Ｂで示すエミッタ電極３の活性領域の直上の全面に焼結金属層を積層することが望ましい。なお、Ａｇの焼結金属層とは、Ａｇからなる導電ペースト１０を焼成した焼結金属層のことをいう。Ａｇの焼結金属層は、Ａｇ焼結体ともいう。
電力用半導体装置１の製造工程の説明に戻り、図６において、はんだ層８上にバスバー９を接合した後、加圧処理および過熱処理を行う。このとき、導電ペースト１０は焼成されて焼結金属層７になる。上記の各工程を経て、図１に示す電力用半導体装置１が完成する。
図７は、ＩＧＢＴ１１の構成の一例を示す断面図である。ＩＧＢＴ１１は、電力用半導体装置１（図３のＡ−Ａ部分）に実装可能である。
図７に示すように、コレクタ電極１２上には、ｐコレクタ層１３、ｎバッファ層１４（ｎバッファ層１４は、ｎドリフト層１５の一部でもよい）、ｎドリフト層１５、ｐ型不純物層であるｐベース層１６、および高濃度のｎ型不純物層であるｎエミッタ層１７が順に積層されている。ｐコレクタ層１３、ｎバッファ層１４、およびｎドリフト層１５は、Ｓｉで形成されている。
また、ｎエミッタ層１７およびｐベース層１６を貫通してｎドリフト層１５に至るように、周囲がゲート酸化膜１８で覆われたトレンチゲート１９が形成されている。トレンチゲート１９は、例えばポリシリコンからなる。トレンチゲート１９およびゲート酸化膜１８の上面（表面）は、酸化シリコン等の層間絶縁膜２０で覆われている。ｐベース層１６、ｎエミッタ層１７、および層間絶縁膜２０を覆うようにエミッタ電極３が形成されている。
ＩＧＢＴ１１を実装した電力用半導体装置１を製造する場合は、まず図７に示すＩＧＢＴ１１を作成した後に、図３〜６に示す順の製造工程を経ることによって、図１に示す電力用半導体装置１を得ることができる。なお、電力用半導体装置１がＩＧＢＴ１１を実装する場合は、平面視においてエミッタ電極３とゲート電極（図示せず）とが形成されている。本発明は、エミッタ電極３およびゲート電極のうち、より面積が広いエミッタ電極３を対象としている。
以上のことから、本実施の形態１によれば、焼結金属層７は、熱伝導性が高く、かつ低応力のため厚く形成することができて熱容量付加となるため、素子表面の放熱性を向上させることができる。導電層５をエミッタ電極３とはんだ層８との間に形成することによって、エミッタ電極３とはんだ層８、および焼結金属層７とエミッタ電極３との密着性を高めることができる。さらに、焼結金属層７は、エミッタ電極３を平面視で覆うように形成されているため、短絡時の放熱性（過渡的な放熱性）を高めることができる。
＜実施の形態２＞
図１０は、本発明の実施の形態２による電力用半導体装置２１の構成の一例を示す断面図である。
図１０に示すように、本実施の形態２による電力用半導体装置２１は、Ｃｕからなる第１の金属層である導電層２２と、Ｃｕからなる導電ペーストを焼成して形成された第２の金属層である焼結金属層２３と、焼結金属層２３上にボンディングされたＣｕからなるワイヤー２４とを備えることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１による電力用半導体装置１（図１参照）と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
ワイヤーボンディングは、ワイヤーを接続する対象物に一定の強度が必要とされる。従って、本実施の形態２では、ワイヤー２４を高強度の焼結金属層２３に直接接続している。また、焼結金属層２３と下地との密着性を確保して信頼性を高めるために、焼結金属層２３の下地として導電層２２を形成している。
導電層２２は、例えば、スクリーン印刷またはめっき等によって形成すればよい。また、導電層２２の厚みは、厚くする必要はなく、例えば１μｍかそれ以下であってもよい。
焼結金属層２３は、熱伝導性が高く、かつ低応力のため厚く形成することができて熱容量付加となるため、素子表面の放熱性を向上させることができる。エミッタ電極３上に焼結金属層２３を形成することによる効果は、実施の形態１（図５）で説明した通りである。
なお、短絡耐量は、電流の熱暴走が最も早く発生する箇所に律速されるため、短絡耐量を確実に向上させるためには、図１０のＣ−Ｃで示すエミッタ電極３の活性領域の直上の全面に焼結金属層２３を積層することが望ましい。
実施の形態１と同様、電力用半導体装置２１は、ＩＧＢＴ１１（図７参照）を実装することが可能である。
以上のことから、本実施の形態２によれば、焼結金属層２３は、熱伝導性が高く、かつ低応力のため厚く形成することができて熱容量付加となるため、素子表面の放熱性を向上させることができる。導電層２２をエミッタ電極３と焼結金属層２３との間に形成することによって、エミッタ電極３と焼結金属層２３との密着性を高めることができる。さらに、焼結金属層２３は、エミッタ電極３を平面視で覆うように形成されているため、短絡時の放熱性（すなわち、過渡的な放熱性）を高めることができる。
＜実施の形態３＞
実施の形態１，２で説明したように、導電ペーストはエミッタ電極を平面視で覆うように形成することが望ましいが、電力用半導体装置のパターンまたは製造方法によってはエミッタ電極３の端部の直上に導電ペーストを形成することができない可能性がある。また、導電層および焼結金属層を同じ幅で形成すれば、製造工程における例えばスクリーン印刷を２回繰り返すことによって形成することができるため、製造が容易となる。本実施の形態３では、このような場合であっても放熱性を向上させて短絡耐量を確保することが可能な電力用半導体装置について説明する。
図１１は、本発明の実施の形態３による電力用半導体装置２５の構成の一例を示す断面図である。
本実施の形態３による電力用半導体装置２５は、ポリイミド層６、導電層２６、および焼結金属層２７の形成箇所が実施の形態１と異なっている。その他の構成は、実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
図１１において、Ｄ−Ｄで示す領域（以下、Ｄ−Ｄ領域という）は、エミッタ電極３の活性領域を示している。Ｅ１−Ｅ２で示す領域（以下、Ｅ１−Ｅ２領域という）は、エミッタ電極３の活性領域のうち導電層２６および焼結金属層２７が形成されていない領域を示している。Ｅ１は、活性領域と終端領域との境界位置を示し、Ｅ２は、エミッタ電極３上に積層する導電層２６および焼結金属層２７の端部の位置を示している。
Ｅ１−Ｅ２領域が大きい場合は放熱性が下がり、Ｄ−Ｄ領域における他の領域よりも早く電流の熱暴走が発生して短絡耐量が低下する可能性がある。Ｅ１−Ｅ２領域で発生した熱は熱伝導性が高い領域に拡散するが、Ｅ１−Ｅ２領域の直上は放熱性が低いポリイミド層６が形成されているため、Ｅ１−Ｅ２領域で発生した熱は当該Ｅ１−Ｅ２領域の表面を通って外部に拡散することになる。Ｅ１−Ｅ２領域の表面は、エミッタ電極３上に積層された導電層２６および焼結金属層２７、および終端領域へと続くが、熱伝導性が金属である導電層２６および焼結金属層２７からの放熱が支配的であると考えられる。短絡が始まってから熱暴走が発生するまでの過渡時間内に放熱が間に合うようにするためには、Ｅ１−Ｅ２領域のうち導電層２６および焼結金属層２７から最も遠い箇所であるＥ１の位置で発生した熱が、過渡時間内に放熱性が高い（すなわち、熱伝導性が高くかつ熱容量が大きい）焼結金属層２７の形成位置であるＥ２の位置まで到達できるようにすればよい。
図８に示すように、エミッタ電極３上に積層する金属層は、３種類とも厚みが０μｍから４０μｍに増すとともに短絡耐量が増加しており、このことは厚みが増加したことによって放熱経路が延びて、過渡的な放熱効果も増加したことを示している。
また、図８には示していないが、エミッタ電極３上に積層する金属層の厚みを０μｍから４０μｍへと段階的に厚くすると、短絡耐量も段階的に増加する。エミッタ電極３を形成するＡｌの熱伝導率は２．３６Ｗ／ｃｍ・Ｋ程度であり、これはＮｉＰの４０倍以上であり、Ｃｕからなる導電ペーストを焼成して形成された焼結金属層の８０％以上である。従って、エミッタ電極３および焼結金属層２７の厚みを少なくとも０μｍから４０μｍに増やすことによって、過渡的な４０μｍの放熱経路を確保することができる。すなわち、Ｅ１−Ｅ２領域の距離が、Ｄ−Ｄ領域内であってＥ１−Ｅ２領域を除く領域に積層する金属層の厚み以内であれば、積層する金属層による短絡耐量が向上するという効果に寄与する。
次に、電力用半導体装置２５の製造工程について説明する。
半導体基板２の表面上に、エミッタ電極３および絶縁層４を形成する。次いで、エミッタ電極３上に、平面視においてエミッタ電極３の活性領域（Ｄ−Ｄ領域）を覆う大きさを有する導電層２６を形成する。
次いで、絶縁層４と、エミッタ電極３の活性領域であって導電層２６が形成されていない領域（Ｅ１−Ｅ２領域）とを覆うようにポリイミド層６を形成する。
次いで、導電層２６上に、平面視において導電層２６と同じ幅の導電ペーストを形成する。次いで、導電ペーストと、ポリイミド層６の一部とを覆うようにはんだ層８を形成する。なお、はんだ層８は、ポリイミド層６の全部を覆うように形成してもよい。このとき、導電層２６の端部および導電ペーストの端部は、平面視においてＥ１の位置からＤ−Ｄ領域側に導電ペーストの厚み以下の距離を空けた位置（すなわち、Ｅ２の位置）に対応する。
最後に、はんだ層８上にバスバー９を接合する。その後、加圧処理および過熱処理を行う。このとき、導電ペーストは焼成されて焼結金属層２７になる。上記の各工程を経て、図１１に示す電力用半導体装置２５が完成する。
なお、図１１に示す電力用半導体装置２５の構造に限らず、導電ペーストを活性領域の全面に積層する構造、あるいは、導電ペーストを活性領域からはみ出して終端領域の一部または全部を覆うように積層する構造であっても、短絡耐量を向上させる効果が得られることはいうまでもない。一例として、活性領域の全面に導電ペーストを積層して焼結することによって焼結金属層を形成した構造を有する電力用半導体装置２８を図１２に示す。
上記では、はんだ層８およびバスバー９を備える場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、図１３に示すように、電力用半導体装置２９は、焼結金属層２７にワイヤー３０をワイヤーボンディングによって接続した構成としてもよい。この場合、実施の形態２と同様、焼結金属層２７をＣｕからなる導電ペーストを焼成して形成し、Ｃｕからなる導電層２６を例えばスクリーン印刷またはめっき等によって形成し、Ｃｕからなるワイヤー３０とすればよい。
実施の形態１と同様、電力用半導体装置２５，２８，２９は、ＩＧＢＴ１１（図７参照）を実装することが可能である。エミッタ電極３上に焼結金属層２７を形成することによる効果は、実施の形態１（図５）で説明した通りである。
以上のことから、本実施の形態３によれば、導電層２６を形成する位置のマージンとして、焼結金属層２７の厚みを超えない範囲内で自由に設定することができる。また、スクリーン印刷を２回繰り返すことによって、同じ幅の導電層２６および焼結金属層２７を形成することができるため、実施の形態１よりも電力用半導体装置の製造が容易となる。さらに、電力用半導体装置のパターンまたは製造方法によってはエミッタ電極３の端部の直上に焼結金属層を形成することができない場合であっても、短絡耐量を向上させる効果を得ることができる。
＜実施の形態４＞
図１４は、本発明の実施の形態４による電力用半導体装置３１の構成の一例を示す断面図である。なお、図１４において、Ｆ−Ｆで示す領域（以下、Ｆ−Ｆ領域という）は、エミッタ電極３の活性領域を示している。
図１４に示すように、本実施の形態４による電力用半導体装置３１は、実施の形態１による電力用半導体装置１の焼結金属層７を、２層の焼結金属層３２，３３としていることを特徴としている。その他の構成は、実施の形態１による電力用半導体装置１（図１参照）と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
焼結金属層３２は、焼結金属層３３よりも空孔率が低い。ここで、空孔率とは、焼結金属層における単位体積当たりの空孔の数の割合のことをいう。空孔率が低いとは、焼結金属層における空孔の単位体積当たりの密度が小さいことをいう。空孔率が高いとは、焼結金属層における空孔の単位体積当たりの密度が大きいことをいう。
焼結金属層は、例えばめっきまたはスパッタ等によって形成された膜と比較して反りが発生しにくいが、例えば１００μｍ程度の厚みとした場合は反りが発生する可能性がある。一方、導電層５と接する焼結金属層は、高い信頼性を得るために、密着性を高くすることが望ましい。これらの条件を満足するために、本実施の形態４では、導電層５と接する焼結金属層３２は高い密着性を有する空孔率が低い層とし、焼結金属層３２上には空孔率が高い焼結金属層３３を形成している。このように、２層の焼結金属層３２，３３を積層する構成とすることによって、導電層５との密着性を確保することができ、かつ焼結金属層３２，３３を厚く積層しても低応力である。
次に、電力用半導体装置３１の製造方法について説明する。
半導体基板２の表面上に、エミッタ電極３および絶縁層４を形成する。このとき、エミッタ電極３は、半導体基板２の活性領域上に形成される。また、絶縁層４は、半導体基板２の終端領域上に形成される。
次いで、エミッタ電極３の活性領域、および絶縁層４上にＮｉまたはＡｕからなる導電層５を形成する。次いで、導電層５上であってエミッタ電極３と平面視で重ならない位置にポリイミド層６を形成する。
次いで、導電層５上に、平面視においてエミッタ電極３の端部をはみ出し、エミッタ電極３以上の大きさで覆い、かつポリイミド層６と接しないように、空孔率が低い金属で構成された導電ペーストと、空孔率が高い金属で構成された導電ペーストとを順に積層する。各導電ペーストは、例えばＣｕまたはＡｇ等の金属を用いて、スクリーン印刷等によって形成すればよい。空孔率が低い金属で構成された導電ペーストの厚みは、厚くする必要はなく、例えば１μｍかそれ以下であってもよい。
次いで、各導電ペースト、導電層５、およびポリイミド層６の一部を覆うようにはんだ層８を形成する。なお、はんだ層８は、ポリイミド層６の全部を覆うように形成してもよい。
最後に、はんだ層８上にバスバー９を接合する。その後、加圧処理および加熱処理を行う。このとき、各導電ペーストは焼成されて焼結金属層になる。具体的には、空孔率が低い金属で構成された導電ペーストは焼成されて焼結金属層３２になり、空孔率が高い金属で構成された導電ペーストは焼成されて焼結金属層３３になる。加圧処理および加熱処理のとき、はんだ層８が溶解して空孔率が高い金属で構成された導電ペーストの積層の方向にしみ込むことになるため、加圧処理および加熱処理後に形成された焼結金属層３３のうちのはんだ層８に近接する部分は、はんだ層８と空孔率が高い金属で構成された導電ペーストとの合金構造となる。上記の各工程を経て、図１４に示す電力用半導体装置３１が完成する。
なお、実施の形態１と同様、電力用半導体装置３１は、ＩＧＢＴ１１（図７参照）を実装することが可能である。
次に、本実施の形態４による電力用半導体装置３１の効果について説明する。
図１５は、エミッタ電極３上に積層した金属層の厚みと短絡耐量との関係を示す図であり、計算機シミュレーションの結果をグラフ化したものである。図１５では、エミッタ電極３上に積層する金属層がない一例として空気（熱容量：０．０１Ｊ／ｃｍ３・Ｋ、熱伝導率０．０００３Ｗ／ｃｍ・Ｋ）とした場合と、エミッタ電極３上に空孔率が１９％のＡｇの焼結金属層（熱容量：２．００Ｊ／ｃｍ３・Ｋ、熱伝導率２．４Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を形成した場合と、エミッタ電極３上に空孔率が２８％のＡｇの焼結金属層（熱容量：１．７８Ｊ／ｃｍ３・Ｋ、熱伝導率１．１Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を形成した場合と、エミッタ電極３上にはんだ（熱容量：１．７４Ｊ／ｃｍ３・Ｋ、熱伝導率０．６４Ｗ／ｃｍ・Ｋ）を形成した場合とについて示している。また、エミッタ電極３に積層する金属層の厚みは、２０μｍ、４０μｍ、６０μｍ、８０μｍ、および１００μｍとしている。
図１５に示すように、エミッタ電極３上に積層する金属層がない場合（ここでは空気の場合）の短絡耐量は４．５μｓであり、エミッタ電極３上に各金属層を積層した場合は、各金属層の厚みが厚いほど短絡耐量が向上する。
空孔率が２８％のＡｇの焼結金属層は、空孔率が１９％のＡｇの焼結金属層と比較すると、厚みを厚くしても短絡耐量が低い。一方、空孔率が２８％のＡｇの焼結金属層は、はんだと比較すると、厚みが６０μｍ以下では短絡耐量は同等であるが、厚みが８０μｍおよび１００μｍでは短絡耐量が高い。従って、空孔率が低い金属を薄く積層した上に空孔率の高い金属を順次に積層することによって、空孔率が低い金属を単独で積層するよりも低応力とすることができ、さらに空孔率の高い金属をより厚く積層しても低応力を維持することができるため、短絡耐量の増大効果は大きい。
また、空孔率が異なる２層のＡｇの焼結金属層を積層する場合と、１層のＡｇの焼結金属層上にはんだを積層する場合とでは、前者の方が金属の種類が類似しているため反りが小さい。つまり、空孔率が１９％のＡｇの焼結金属層上に空孔率が２８％のＡｇの焼結金属層を積層した構造は、空孔率が１９％のＡｇの焼結金属層上にはんだを積層した構造よりも短絡耐量が高くなることが分かる。
なお、上記では、Ａｇの焼結金属層を一例として説明したが、Ｃｕの焼結金属層についても同様の効果が得られる。従って、空孔率が低い金属層を薄く形成した上に空孔率が高い金属層を積層することによって、応力を小さく抑えることができる。また、空孔率が高い金属層を厚く形成することができ、短絡耐量を延ばす効果が得られる。
上記では、２層の焼結金属層を積層する場合について説明したが、これに限られるものではない。３層以上の焼結金属層を積層する場合であっても、空孔率が異なる焼結金属層を、導電層に近い側から空孔率が低い順に積層することによって、短絡耐量を向上させることができる。
上記で説明した複数の焼結金属層を積層する構造は、実施の形態１（図１参照）だけでなく、実施の形態２，３による電力用半導体装置２１，２５，２８，２９（図１０，１１，１２，１３）にも適用可能である。
焼結金属層に用いるＣｕおよびＡｇは、熱伝導性が高く低応力である。本実施の形態４では、空孔率が低い焼結金属層３２を形成しており、焼結金属層３２上に空孔率が高い焼結金属層３３を形成している。従って、焼結金属層３２と導電層５との密着性を確保する。また、焼結金属層３３を厚く形成しても低応力が維持されるため、十分な熱容量を確保することができ、放熱性を向上させることができる。焼結金属層３２，３３を平面視でエミッタ電極３を完全に覆うように形成することによって、過渡的な放熱性を高めることができ、電力用半導体装置１の短絡時に熱暴走によって過電流が流れるまでの時間である短絡耐量を延ばすことができる。なお、短絡耐量は、電流の熱暴走が最も早く発生する箇所に律速されるため、短絡耐量を確実に向上させるためには、図１４のＦ−Ｆ領域で示すエミッタ電極３の活性領域の直上の全面に焼結金属層３２，３３を積層することが望ましい。
上記では、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、電力用半導体装置に実装する半導体装置はＩＧＢＴ以外のＭＯＳＦＥＴなどでもよく、半導体基板はＳｉ以外のＳｉＣまたはＧａＮなどでもよい。特に、ＳｉＣまたはＧａＮなどのワイドギャップ半導体は、Ｓｉよりも高温動作が要求されるため、エミッタ電極上に焼結金属層を積層することによる過渡的な放熱効果はより大きくなる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
１ 電力用半導体装置、２ 半導体基板、３ エミッタ電極、４ 絶縁層、５ 導電層、６ ポリイミド層、７ 焼結金属層、８ はんだ層、９ バスバー、１０ 導電ペースト、１１ ＩＧＢＴ、１２ コレクタ電極、１３ ｐコレクタ層、１４ ｎバッファ層、１５ ｎドリフト層、１６ ｐベース層、１７ ｎエミッタ層、１８ ゲート酸化膜、１９ トレンチゲート、２０ 層間絶縁膜、２１ 電力用半導体装置、２２ 導電層、２３ 焼結金属層、２４ ワイヤー、２５ 電力用半導体装置、２６ 導電層、２７ 焼結金属層、２８ 電力用半導体装置、２９ 電力用半導体装置、３０ ワイヤー、３１ 電力用半導体装置、３２，３３ 焼結金属層。

Claims (15)

  1. 半導体基板上に形成され主電流が流れる表面電極と、
    前記表面電極上に形成された焼結体でない第１の金属層と、
    前記第１の金属層上に形成された焼結体である第２の金属層と、
    を備え、
    前記第２の金属層は、平面視において前記表面電極の全体を覆う大きさを有し、かつ前記第１の金属層よりも熱伝導性が高いことを特徴とする、電力用半導体装置。
  2. 前記第２の金属層は、平面視において前記表面電極の端部をはみ出す大きさを有することを特徴とする、請求項１に記載の電力用半導体装置。
  3. 前記第１の金属層は、平面視において前記表面電極の全体を覆い、かつ前記表面電極の端部をはみ出す大きさを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の電力用半導体装置。
  4. 前記半導体基板は、前記半導体基板の表面に形成された活性領域と、前記活性領域を囲むように形成された終端領域とを有し、
    前記半導体基板の前記終端領域において前記第１の金属層上に形成されたポリイミド層をさらに備え、
    前記ポリイミド層は、前記第２の金属層と離間して形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  5. 前記第２の金属層を覆うように形成されたはんだをさらに備え、
    前記はんだは、前記第１の金属層とも接合されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  6. 前記第１の金属層は、少なくとも前記はんだとの接合部分がＡｕであることを特徴とする、請求項５に記載の電力用半導体装置。
  7. 前記第２の金属層上に一端が接合された金属ワイヤーをさらに備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  8. 半導体基板上に形成され主電流が流れる表面電極と、
    前記表面電極上に形成された焼結体でない第１の金属層と、
    前記第１の金属層上に形成された焼結体である第２の金属層と、
    を備え、
    前記半導体基板は、前記半導体基板の表面に形成された活性領域と、前記活性領域を囲むように形成された終端領域とを有し、
    前記第１の金属層および前記第２の金属層は、平面視において前記活性領域を覆う大きさを有し、
    前記第２の金属層を覆うように形成されたはんだをさらに備えることを特徴とする、電力用半導体装置。
  9. 半導体基板上に形成され主電流が流れる表面電極と、
    前記表面電極上に形成された焼結体でない第１の金属層と、
    前記第１の金属層上に形成された焼結体である第２の金属層と、
    を備え、
    前記半導体基板は、前記半導体基板の表面に形成された活性領域と、前記活性領域を囲むように形成された終端領域とを有し、
    前記第１の金属層および前記第２の金属層は、平面視において前記活性領域を覆う大きさを有し、
    前記第２の金属層上に一端が接合された金属ワイヤーをさらに備えることを特徴とする、電力用半導体装置。
  10. 半導体基板上に形成され主電流が流れる表面電極と、
    前記表面電極上に形成された焼結体でない第１の金属層と、
    前記第１の金属層上に形成された焼結体である第２の金属層と、
    を備え、
    前記半導体基板は、前記半導体基板の表面に形成された活性領域と、前記活性領域を囲むように形成された終端領域とを有し、
    前記第１の金属層の端部および前記第２の金属層の端部は、平面視において前記活性領域と前記終端領域との境界位置から前記活性領域側に前記第２の金属層の厚み以下の距離を空けた位置に対応し、
    前記第２の金属層を覆うように形成されたはんだをさらに備えることを特徴とする、電力用半導体装置。
  11. 半導体基板上に形成され主電流が流れる表面電極と、
    前記表面電極上に形成された焼結体でない第１の金属層と、
    前記第１の金属層上に形成された焼結体である第２の金属層と、
    を備え、
    前記半導体基板は、前記半導体基板の表面に形成された活性領域と、前記活性領域を囲むように形成された終端領域とを有し、
    前記第１の金属層の端部および前記第２の金属層の端部は、平面視において前記活性領域と前記終端領域との境界位置から前記活性領域側に前記第２の金属層の厚み以下の距離を空けた位置に対応し、
    前記第２の金属層上に一端が接合された金属ワイヤーをさらに備えることを特徴とする、電力用半導体装置。
  12. 前記第１の金属層および前記第２の金属層は、平面視において同じ幅であることを特徴とする、請求項８から１１のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  13. 平面視において前記活性領域と前記終端領域との境界位置から前記活性領域側に前記第２の金属層の厚さ以下の距離を空けた位置までの前記活性領域上に形成されたポリイミド層をさらに備えることを特徴とする、請求項８から１２のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  14. 前記第１の金属層は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｎｉの合金、またはＡｕの合金からなり、
    前記第２の金属層は、Ａｇ焼結体またはＣｕ焼結体からなることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
  15. 前記第２の金属層は、複数存在し、
    各前記第２の金属層は、互いに空孔の単位体積当たりの密度が異なり、かつ前記第１の金属層上に前記空孔の単位体積当たりの密度が小さい順に積層して形成されることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の電力用半導体装置。
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