JP6892023B1 - 半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

ボンディングされた配線部材の半導体素子を含む下地への影響を軽減して信頼性を向上させた半導体装置を得る。第一主面を有する半導体素子（１）と、第一主面上に形成された第一金属部材（２）と、第一金属部材（２）の上面上に形成された第二金属部材（３）と、第二金属部材（３）の上面上に形成された第三金属部材（４）と、第三金属部材（４）の上面上に形成された銅を主成分とする第四金属部材（５）と、第三金属部材（４）の形成位置に対応した第四金属部材（５）の上面上に接合する銅を主成分とする配線部材（６）と、を備えた半導体装置である。

Description

本開示は、銅配線を用いるための電極構造を有する半導体装置、半導体装置の製造方法および電力変換装置に関する。

近年、電力用の半導体装置では、高電流密度化が求められている。高電流密度化のために、高温の条件下での駆動に耐えうる半導体装置が求められている。そのような半導体装置においては、半導体装置と外部端子を接続する金属配線として、銅配線（ワイヤ）を用いることが提案されている。

一般に、直径１００μｍ程度の金属ワイヤを半導体装置にボンディングするのに、超音波による振動エネルギーを金属ワイヤに付与してボンディングする手法がある。この手法では、金属ワイヤとして銅ワイヤをボンディングする際の超音波のエネルギーは、アルミニウムワイヤをボンディングする際の超音波エネルギーよりも大きいエネルギーが必要とされる。

このため、従来の半導体装置では、銅ワイヤをボンディングするために、電極が形成された半導体素子に大きなエネルギーが作用する。このエネルギーによる下地への影響を軽減するために、銅ワイヤがボンディングされる電極の最表面には銅を用い、さらに、銅の下には最表面の銅よりビッカース硬度の高い銅（Ｃｕ）、或いはニッケル（Ｎｉ）を形成することで、ワイヤボンディング性を向上させる方法が記載されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１８−３７６８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体装置においては、銅ワイヤをボンディングする場合、硬度の高い材料の下に硬度の低い材料があると、硬度の高い材料で生じたクラックは、硬度の低いアルミニウムへも進展するので、半導体装置の信頼性が劣化するという問題点があった。

本開示は、上述のような問題を解決するためになされたもので、金属配線のボンディング時の半導体素子を含む下地への影響を軽減することで、信頼性を向上させた半導体装置を得ることを目的としている。

本開示に係る半導体装置は、第一主面を有する半導体素子と、第一主面上に形成された
第一金属部材と、第一金属部材の上面上に形成された第二金属部材と、第二金属部材の上
面上に形成された第三金属部材と、第三金属部材の上面上に形成された銅を主成分とする
第四金属部材と、第三金属部材の形成位置に対応した第四金属部材の上面上に接合する銅
を主成分とする配線部材と、を備え、第一金属部材の材料は、アルミニウムであり、第二
金属部材の材料は、銅である、半導体装置である。

本開示によれば、第一金属部材の上面上に形成された第二金属部材と、第二金属部材の上面上に形成された第三金属部材とを形成し、銅を主成分とする配線部材を第三金属部材の形成位置に対応した第四金属部材の上面上に設けたので、ボンディングされた配線部材の半導体素子を含む下地への影響を軽減することが可能となり、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態１における半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態１における半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態１における半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態１における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態１における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態１における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態２における半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態２における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態２における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態２における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態２における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態２における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態２における他の半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態３における半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。 実施の形態４における半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態４における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態４における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態４における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態４における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態４における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。 実施の形態５における電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。

はじめに、本開示の半導体装置の全体構成について、図面を参照しながら説明する。なお、図は模式的なものであり、示された構成要素の正確な大きさなどを反映するものではない。また、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における半導体装置を示す平面構造模式図である。図２は、実施の形態１における半導体装置を示す断面構造模式図である。図２は、図１の一点鎖線ＡＡにおける断面構造模式図である。

図において、半導体装置１００は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、を備えている。ボンディングワイヤ６は、第四金属部材５の上面上に接合されている。

図において、半導体素子１の第一主面上には、第一金属部材２が配置（形成）されている。第一金属部材２の上面上には、第二金属部材３が形成されている。第二金属部材３の上面上には、第三金属部材４が形成されている。第三金属部材４の上面上には、第四金属部材５が形成されている。第四金属部材５の上面上には、銅を主成分とするボンディングワイヤ６が接合されている。第四金属部材５の上面上の接合領域６１は、ボンディングワイヤ６と第四金属部材５の上面との接合部分である。ボンディングワイヤ６は、第四金属部材５の上面上の接合領域６１に接合している。

図１において、ボンディングワイヤ６と第四金属部材５との接合領域６１は、点線にて表示している。ボンディングワイヤ６の接合領域６１は、第四金属部材５の外縁よりも内側に形成されている。ボンディングワイヤ６の接合領域６１の対向する辺方向にボンディングワイヤ６は延在している。

図２において、ボンディングワイヤ６は、ボンディングワイヤ６の接合領域６１の対向する側のボンディングワイヤ６の延在方向に対して第四金属部材の上面から離れる方向へ屈曲している。言い換えると、ボンディングワイヤ６は、第四金属部材５の上面との距離が増加する方向へ屈曲している。

半導体素子１は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電力用半導体素子などを用いることができる。また、半導体素子１の材料としては、珪素（Ｓｉ：Ｓｉｌｉｃｏｎ）、炭化珪素（ＳｉＣ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｂｉｄｅ）、および窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）を用いることができる。

しかしながら、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５が形成できる半導体素子１であれば、構造・材料・形状は問わない。半導体素子１の厚さは、５０μｍから５００μｍが考えられる。半導体素子１の厚さは、半導体素子１の適用される定格電圧、電流に応じて適宜選択されることができる。

第一金属部材２は、半導体素子１の第一主面上に形成される。第一金属部材２の材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。ただし、第一金属部材２の材料としては、Ａｌに限定されるものではなく、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）およびこれらの合金材料を適用することができる。第一金属部材２の膜厚は、１μｍから５０μｍの範囲である。

第一金属部材２としてＮｉを用いる場合は、Ｎｉの膜厚は厚いほうがワイヤボンディング性が向上する効果は高いが、Ｎｉの膜厚を厚すぎると膜応力が増加して割れる可能性が高くなるため、膜厚としては５μｍから２０μｍの範囲が望ましい。

第二金属部材３は、第一金属部材２の上面上に形成される。第二金属部材３の材料としては、例えば、Ｃｕを用いることができる。第二金属部材３の材料としては、Ｃｕに限定されるものではなく、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、すず（Ｓｎ）、パラジウム（Ｐｄ）および亜鉛（Ｚｎ）を適用することができる。第二金属部材３の膜厚は、１μｍから５０μｍの範囲である。

第三金属部材４は、第二金属部材３の上面上に形成される。第三金属部材４の材料としては、例えばＮｉを用いることができる。第三金属部材４の材料としては、Ｎｉに限定されるものではなく、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｗ、窒化チタン（ＴｉＮ）およびこれらの合金材料を適用することができる。第三金属部材４の膜厚は、１μｍから５０μｍの範囲である。第三金属部材４の材料としてＣｏおよびＣｒを用いた場合は、これらの材料をめっきで形成することができるので、第三金属部材４の膜厚は、１μｍから２０μｍの範囲であることがより好ましい。

第四金属部材５は第三金属部材４の上面上に形成される。第四金属部材５としては、Ｃｕを主成分とする材料を用いることができる。第四金属部材５の膜厚は、１μｍから５０μｍの範囲である。

ここで、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の材料の関係について説明する。

第四金属部材５は、後述するボンディングワイヤ６としてＣｕを主成分とする材料を用いることから、Ｃｕボンディングワイヤ６の半導体素子１の第一主面上へのワイヤボンディング性を考慮した場合、Ｃｕを主成分とする材料が選択される。そして、第二金属部材３または第三金属部材４のいずれかは、Ｃｕボンディングワイヤ６の半導体素子１の第一主面上へのワイヤボンディング時の下方へ負荷（ダメージ）を軽減するために、第四金属部材５の硬度以上の材料が用いられる。ここで、硬度とは、例えば、ビッカース硬度により規定される値であるが、他の硬度の指標を用いても同様の関係となる。

特に、第三金属部材４としてＮｉを用いることで、ワイヤボンディング時に発生する負荷（ダメージ）を第二金属部材３よりも下方へ伝搬することを抑制するダメージ抑制層として機能する。

第二金属部材３は、半導体装置１００が動作時の発熱による熱応力に起因するダメージを抑制するダメージ抑制層として機能する。このため、第二金属部材３の硬度は、第三金属部材４の硬度以下の材料が用いられる。

第一金属部材２の硬度は、第二金属部材３および第三金属部材４の硬度以下（柔らかい）の材料である。上述のように、第二金属部材３は、第一金属部材２の硬度以上の材料を用いることで、熱応力によるダメージの影響を第一金属部材２へ伝搬することを抑制することができる。なお、各材料の硬度については、同じでも効果があるが、各材料間の硬度差が生じる材料を用いることが効果的である。

具体的には、第一金属部材２から第四金属部材５までの層構成の中に、Ｃｕ／Ｎｉ／Ｃｕのサンドイッチ構造を含んでいることが必要である。特に、このＣｕ／Ｎｉ／Ｃｕのサンドイッチ構造は、第四金属部材５／第三金属部材４／第二金属部材３のように、それぞれが隣接して配置されていることが望ましい。しかしながら、必ずしも隣接している必要はなく、第四金属部材５／第二金属部材３／第一金属部材２または、第四金属部材５／第三金属部材４／第一金属部材２の層構造のように、結果的に、ＮｉがＣｕに挟まれた構成となっていればよい。第一金属部材２、第二金属部材３および第三金属部材４のうち、Ｃｕ、Ｎｉでない金属部材は、第一金属部材２であれば、半導体素子１の第一主面に形成することが、一般的であるＡｌであることが考えられる。そして、この場合の構成としては、第一金属部材２から第四金属部材５までの構成としてＡｌ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ｃｕの構成が考えられる。その他の場合として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｕでない層は、上に記載の金属とし、バリアメタルや密着層としての機能を果たすことが想定される。

また、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５以外に、これらの金属部材間に、適宜拡散バリア層や、密着層を挟むことがきる。拡散バリア層または密着層としては、Ｗ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｐｔおよびこれらの合金を適用することができ、本開示の効果が得られれば、これに限定されず他の材料でも構わない。

さらに、第四金属部材５の上面上に、第四金属部材５の上面からの酸化防止のために、酸化防止膜を別途形成してもよい。酸化防止膜としては、有機系材料または、金属などの無機材料でも適用することができる。酸化防止膜が、金属材料である場合は、Ａｕ、Ａｇ、ＰｄおよびＰｔなどを用いることができる。酸化防止膜は、貴金属材料であることが望ましい。ただし、本開示の効果を損なわなければ、これに限定されず適用することができる。

このように、金属部材間に拡散バリア層を設けることで、各層間での金属原子の相互拡散が抑制できる。また、金属部材間に密着層を設けることで、各層間の密着性を向上させることができる。さらに、金属部材間に酸化防止膜を設けることで、酸化による不具合（密着性不足）を抑制することができる。

配線部材６は、第四金属部材５の上面上に形成される。配線部材６の材料としては、Ｃｕを主成分としたものが適用できる。配線部材６の成分中には、Ｃｕ以外に他の金属や有機成分などの異種材料を含んでいてもよい。また、配線部材６の表面が、他の金属や有機成分などでコーティングされていてもよい。配線部材６の形状としては、板状、箔状、またはワイヤ状が適用できる。配線部材６として最適な形状は、ワイヤ状であり、ワイヤ状の配線部材６の太さとしては、直径１００μｍから５００μｍであることが望ましい。ただし、特に本開示の効果を損なわなければ、構造、材料および形状は問わない。

図３は、実施の形態１における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。図４は、実施の形態１における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図４は、図３の一点鎖線ＢＢにおける断面構造模式図である。

図において、半導体装置１０１は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８と、を備えている。ボンディングワイヤ６は、第四金属部材５の上面上に接合されている。

図３において、半導体装置１００の最外縁は、半導体素子１の外縁である。半導体素子１の外縁よりも内側には、第四金属部材５の外縁がある。絶縁部材８は、第四金属部材５の外周（外縁）を囲んで配置されている。ボンディングワイヤ６と第四金属部材５との接合領域６１は、点線にて表示している。ボンディングワイヤ６の接合領域６１は、第四金属部材５の外縁よりも内側に形成されている。ボンディングワイヤ６の接合領域６１の対向する辺方向にボンディングワイヤ６は延在している。

図４において、ボンディングワイヤ６は、ボンディングワイヤ６の接合領域６１の対向する辺のボンディングワイヤ６の延在方向に対して第四金属部材５の上面から離れる方向へ屈曲している。言い換えると、ボンディングワイヤ６は、接合領域６１の外縁よりも外側で第四金属部材５の上面との距離が増加する方向へ屈曲している。また、絶縁部材８の上面は、第四金属部材５の上面よりも高い位置に配置される。言い換えると、絶縁部材８の上面は、第四金属部材５の上面よりも上方へ突出している。

図５は、実施の形態１における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図６は、実施の形態１における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。

図５において、半導体装置１０２は、図４の半導体装置１０１と同等の構成を備えているが、絶縁部材８の形態が異なっている。図４の半導体装置１０１では、絶縁部材８の上面は、第四金属部材５の上面よりも上方に配置されるが、半導体装置１０２では、絶縁部材８の上面は、第四金属部材５の上面よりも下方に配置されている。

積層された金属部材である第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５は、半導体装置として機能させるため、他の領域との絶縁性を確保するために、外周部の側面が絶縁性の材料である絶縁部材８で覆われることも考えられる。この場合は、半導体素子１自体は、積層された金属部材よりも大きな外形を有しており、絶縁部材８は、半導体素子１の第一主面（上面）上に形成される。

図４においては、絶縁部材８は、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５のそれぞれの側面と接している。絶縁部材８の上面は、第四金属部材５の上面よりも上方へ突出している。

図５においては、図４とは異なり、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５のうち少なくとも積層された金属部材の一部の側面と接していればよい。

図６においては、図４で示した構造を複数個並べて配置してもよく、絶縁部材８が、半導体素子１の終端部となってもよい。図４に示した構造を複数個並べる構成とした場合、積層された金属部材の構成としては、少なくとも１つが図４に示した構造となっていれば、その他の領域が図４と異なる構造となっていてもよい。また、絶縁部材８が、半導体素子１の終端部となっている場合は、半導体素子１と絶縁部材８との位置関係は、絶縁部材８が、半導体素子１の第一主面の外縁よりも内側に形成されていてもよく、半導体素子１の終端部を共有して形成されていてもよい。また、絶縁部材８は、半導体素子１の第一主面の外縁よりも外側へはみ出していてもよい。さらに、絶縁部材８は、半導体素子１の側面および第一主面に対向する第二主面（裏面）を覆って配置されていてもよい。

絶縁部材８の材料としては、ポリイミドなどが考えられるが、本開示の機能を損なわれなければ、どのような材料でも適用できる。

次に、本実施の形態に記載の半導体装置１００の製造方法について説明する。

図７から図１２は、実施の形態１における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。

本実施の形態１の主要な製造工程は、大きく分けて６つ工程である。第一工程としては、半導体素子１に半導体素子として機能させるための処理をおこなう（半導体素子準備工程）。第二工程としては、半導体素子１の第一主面上に、第一金属部材２を形成する（第一金属部材形成工程）。第三工程としては、第一金属部材２の上面上に、第二金属部材３を形成する（第二金属部材形成工程）。第四工程としては、第二金属部材３の上面上に、第三金属部材４を形成する（第三金属部材形成工程）。第五工程としては、第三金属部材４の上面上に第四金属部材５を形成する（第四金属部材形成工程）。第六工程としては、第四金属部材５の上面上に、配線部材であるボンディングワイヤ６を形成する（配線部材形成工程）。これらの工程を経ることで、半導体装置１００が製造できる。

はじめに、第一工程は、半導体素子１に半導体素子として機能させるための処理を行う。

次に、図７に示すように、第二工程は、半導体素子１の第一主面上に第一金属部材２を形成する。第一金属部材２の形成方法としては、化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ法）、物理気相成長法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ法）またはめっき法が考えられる。めっき法としては、無電解めっきと電解めっきの２種類がある。めっき法を用いた場合、めっき処理工程の詳細な工程（プロセス）については、第一金属部材２が形成できれば、どのような工程・手法・形成条件でも適用できる。また、めっき膜を形成するため必要な前工程があれば、必要に応じて実施してもよい。

ＰＶＤ法としては、例えば、スパッタ成膜が適用できる。スパッタ成膜の種類として、マグネトロンスパッタ、蒸着、またはイオンビームスパッタと数多くのスパッタ方法があり、目的とする第一金属部材２が形成できれば、どのようなスパッタ方法でも適用できる。

また、スパッタ成膜時の電源の種類としては、直流型と交流型とがあるが、目的とする第一金属部材２が形成できれば、どのようなスパッタ方法でも適用できる。なお、スパッタ成膜条件としては、成膜時の加熱の有無、アシスト成膜の有無、投入電力およびガス流量等の設定パラメータが多くあるが、目的とする第一金属層が形成できれば、どのような成膜条件でも適用できる。

電解めっき法を用いて第一金属部材２を形成する場合には、めっき膜形成のためのシード層の形成と、必要に応じて半導体素子１の第一主面との密着性向上のために密着膜の形成が必要となる場合がある。シード層の形成方法と密着層の形成方法は、上述したＣＶＤ法またはＰＶＤ法を適用することができ、目的とする膜が形成できれば、いずれの形成方法を用いても構わない。しかしながら、半導体素子１の構成あるいはシード層および密着層として必要な膜厚の観点から、シード層と密着層との形成は、スパッタ成膜で実施することが望ましい。

次に、図８に示すように、第三工程として、第一金属部材２の上面上に、第二金属部材３を形成する。第二金属部材３の形成方法としては、上述の第一金属部材２と同様の形成方法を適用することができる。

次に、図９に示すように、第四工程として、第二金属部材３の上面上に、第三金属部材４を形成する。第三金属部材４の形成方法としては、上述の第一金属部材２と同様の形成方法を適用することができる。

次に、図１０に示すように、第五工程として、第三金属部材４の上面上に、第四金属部材５を形成する。第四金属部材５の形成方法としては、上述の第一金属部材２と同様の形成方法を適用することができる。

次に、図１１に示すように、第六工程として、第四金属部材５の上面上に、ボンディングワイヤ６を形成する。ボンディングワイヤ６の形成方法としては、熱圧着、超音波エネルギーによる接合およびはんだなどの接合材による接合がある。本開示の目的を鑑みれば、ボンディングワイヤ６の形成方法としては、超音波エネルギーによる接合で行うことが望ましい。超音波エネルギーによる接合形成は、荷重、振幅および処理時間など様々なパラメータがあるが、目的とする接合が得られれば、どのような方法、条件でも適用できる。ツール９を用いて、ボンディングワイヤ６を第四金属部材５の上面方向１１へ押し当てながら、ツール９を半導体素子１の第一主面に平行な方向に振動１０することで超音波エネルギーを加えることで、第四金属部材５の上面とボンディングワイヤ６とが、第四金属部材５の上面と接合領域６１で接合される。

これらの工程を経ることで、図１２に示した半導体装置１００を製造することができる。

以上のように構成された半導体装置においては、第一金属部材２の上面上に形成された第二金属部材３と、第二金属部材３の上面上に形成された第三金属部材４とを形成し、銅を主成分とするボンディングワイヤ６を第三金属部材４の形成位置に対応した第四金属部材５の上面上に設けたので、ボンディングされたボンディングワイヤ６の半導体素子１を含む下地への影響を軽減するが可能となり、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態２
本実施の形態２においては、実施の形態１で用いた第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５のうち、少なくとも第四金属部材５の外縁は、その他の金属部材の外縁よりも内側に形成されるようにした点で異なる。金属部材を積層することで、金属部材の総膜厚が必然的に増加する。金属部材の総膜厚が増加することで、半導体素子１と直接金属部材とが接する箇所では応力が発生しやすくなるため、半導体素子１にクラックが入るなどの半導体素子１への損傷が起こる懸念がある。このように、第四金属部材５の外縁が、第一金属部材２、第二金属部材３および第三金属部材４の少なくともいずれかの金属部材の外縁よりも内側に形成したので、半導体素子１と金属部材とが接する箇所での金属部材の総膜厚が減少し、半導体素子１に発生する応力が減少する。その結果、半導体素子１へのクラックなどの損傷の発生を抑制でき、半導体装置２００の信頼性を向上することができる。なお、その他の点については、実施の形態１と同様であるので、詳しい説明は省略する。

図１３は、実施の形態２における半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、を備えている。ボンディングワイヤ６は、第四金属部材５の上面上に接合されている。

図１３において、半導体素子１の第一主面上には、第一金属部材２が形成（接合）されている。第一金属部材２の上面上には、第二金属部材３が形成されている。第二金属部材３の上面上には、第三金属部材４が形成されている。第三金属部材４の上面上には、第四金属部材５が形成されている。第四金属部材５の上面上には、銅を主成分とするボンディングワイヤ６が接合されている。第四金属部材５の上面上の接合領域６１は、ボンディングワイヤ６と第四金属部材５の上面との接合部分である。ボンディングワイヤ６は、第四金属部材５の上面上の接合領域６１に接合している。第四金属部材５の外縁は、第一金属部材２、第二金属部材３および第三金属部材４の外縁よりも内側に配置されている。

図１４は、実施の形態２における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図１５は、実施の形態２における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。図１４においては、第四金属部材５の外縁よりも外側である第三金属部材４の上面の外周領域に絶縁部材８が配置されている。絶縁部材８は、第四金属部材５の側面と接している。絶縁部材８の上面は、第四金属部材５の上面よりも上部へ突出している。図１５においては、絶縁部材８は、第四金属部材５の側面に接して、第三金属部材４の上面の外周領域から半導体素子１の第一主面上まで、第三金属部材４、第二金属部材３および第二金属部材３の側面に接して配置されている。

図１６は、実施の形態２における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図１６は、図１３に示した半導体装置２００の第二金属部材３および第三金属部材４が、第四金属部材５と同じ外形（外縁）とした形状である。図において、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、を備えている。ボンディングワイヤ６は、第四金属部材５の上面上に接合されている。

図１６において、半導体素子１の第一主面上には、第一金属部材２が形成（接合）されている。第一金属部材２の上面上には、第二金属部材３が形成されている。第二金属部材３の上面上には、第三金属部材４が形成されている。第三金属部材４の上面上には、第四金属部材５が形成されている。第四金属部材５の上面上には、銅を主成分とするボンディングワイヤ６が接合されている。第四金属部材５の上面上の接合領域６１は、ボンディングワイヤ６と第四金属部材５の上面との接合部分である。ボンディングワイヤ６は、第四金属部材５の上面上の接合領域６１に接合している。第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の外縁は、同じ大きさであり、第一金属部材２の外縁は、第二金属部材３の外縁よりも外側に配置されている。

図１７は、実施の形態２における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図１８は、実施の形態２における他の半導体装置を示す平面構造模式図である。図１７においては、第四金属部材５の外縁よりも外側である第一金属部材２の上面の外周領域に絶縁部材８が配置されている。絶縁部材８は、第四金属部材５、第三金属部材４および第二金属部材３の側面と接している。絶縁部材８の上面は、第四金属部材５の上面よりも上部へ突出している。図１８においては、絶縁部材８は、第四金属部材５から第二金属部材３までの側面に接して、第一金属部材２の上面の外周領域から半導体素子１の第一主面上まで配置されている。

このように、絶縁部材８は、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の少なくとも１つの金属部材の周囲に配置されていればよい。絶縁部材８の配置としては、第三金属部材４の上面上で、第四金属部材５の側面に接して第四金属部材５の周囲に配置されていてもよい。また、絶縁部材８の配置としては、第一金属部材２の上面上で、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の側面に接して第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の周囲に配置されていてもよい。さらに、絶縁部材８の配置としては、第一金属部材２の上面上で、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の側面に接して第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の周囲に配置されていてもよい。この場合、絶縁部材８は。第一金属部材２の側面および半導体素子１の第一主面上に配置されていてもよい。

上述のように、第四金属部材５の外縁は、第一金属部材２、第二金属部材３および第三金属部材４の少なくともいずれかの金属部材の外縁よりも内側に配置されることで、応力による半導体素子1へのクラックなどの損傷の発生を抑制でき、半導体装置２００の信頼性を向上することができる。第四金属部材５の外縁は、第一金属部材２、第二金属部材３および第三金属部材４のいずれかの複数の金属部材の外縁よりも内側に配置されることでも、同様の効果を得ることができる。

例えば、第一金属部材２と第二金属部材３との外縁が一致しており、第三金属部材４と第四金属部材５との外縁が一致しており、第三金属部材４と第四金属部材５との外縁が、第一金属部材２と第二金属部材３との外縁よりも内側に配置されてもよい。

あるいは、第二金属部材３と第三金属部材４と第四金属部材５との外縁が一致しており、第二金属部材３と第三金属部材４と第四金属部材５との外縁が、第一金属部材２の外縁よりも内側に配置されていてもよい。また、第一金属部材２と第二金属部材３と第三金属部材４との外縁が一致しており、第四金属部材５の外縁が、第一金属部材２と第二金属部材３と第三金属部材４との外縁よりも内側に配置されていてもよい。

本開示の効果をより得るためには、第二金属部材３の外縁は、第一金属部材２の外縁の内側にある方が望ましい。また、第四金属部材５の外縁は、第二金属部材３と第三金属部材４のどちらか、あるいはその両方の外縁よりも外側にある場合においても、第四金属部材５の外縁が、第一金属部材２、第二金属部材３および第三金属部材４のいずれかの金属部材の外縁の内側に配置されていればよい。

このように、金属部材を積層することで、金属部材の総膜厚が必然的に増加する。金属部材の総膜厚が増加することで、半導体素子１と直接金属部材とが接する箇所では応力が発生しやすくなるため、半導体素子１にクラックが入るなどの半導体素子１への損傷が起こる懸念がある。

しかしながら、例えば、第四金属部材５の外縁が、第一金属部材２、第二金属部材３および第三金属部材４の少なくともいずれかの金属部材の外縁よりも内側に形成することで、半導体素子１と金属部材とが接する箇所での金属部材の総膜厚が減少し、半導体素子１に発生する応力が減少する。その結果、半導体素子１へのクラックなどの損傷の発生を抑制でき、半導体装置２００の信頼性を向上することができる。

次に、本実施の形態に記載の半導体装置２００の製造方法について説明する。

図１９から図２３は、実施の形態２における半導体装置の製造工程を示す断面構造模式図である。

例えば、図１４に示した第四金属部材５の外縁を、第一金属部材２、第二金属部材３および第三金属部材４の少なくともいずれかの金属部材の外縁よりも内側に配置する方法としては、レジスト材または金属マスクを用いて、金属部材の形成領域を制限する方法がある。

レジスト材を用いて、第四金属部材５の外縁を第三金属部材４の外縁よりも内側に配置する場合は、以下工程を経ることでできる。

まず、図１９に示すように、実施の形態１で示した第五工程までを実施して、半導体素子１の第一主面上に第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５を形成する。この際、第六工程を実施前に以下の工程を実施する。

次に、図２０に示すように、第七工程として、第四金属部材５の上面上に、レジスト材７を塗布する（レジスト材塗布工程）。用いるレジスト材７としては、ポジレジストあるいはネガレジストが適用できる。レジスト材７としてフォトレジストを用いた場合、第四金属部材５まで形成された半導体素子１上へのレジストパターンの形成工程は、まず、レジスト材７を第四金属部材５まで形成された半導体素子１の第四金属部材５の上面上に塗布し、スピンコートすることで第四金属部材５まで形成された半導体素子１上の全面に均一にレジスト材７を行き渡らせる（濡れ広がらせる）。

次に、図２１に示すように、第八工程として、均一に濡れ広がったレジスト材７が塗布され、第四金属部材５まで形成された半導体素子１上に、所定のパターンを設けたフォトマスクを置き、露光機で紫外線を照射する（写真製版工程）。紫外線の照射後、紫外線を照射したレジスト材７が塗布され、第四金属部材５まで形成された半導体素子１を現像液に浸して、紫外線照射で硬化しなかった領域のレジスト材７を除去する（写真製版工程）。

次に、図２２に示すように、第九工程として、硬化しなかったレジスト材７が除去され、第四金属部材５の上面が露出した半導体素子１に対し、硬化したレジスト材７をマスクとして、レジスト材７が除去された箇所を、エッチングする（金属部材加工工程）。第四金属部材５のエッチング方法としては、ウェットエッチングまたはドライエッチングを適応することができる。第四金属部材５のエッチング方法としては、目的とするエッチングができれば、どのような方法でも適用可能である。

次に、図２３示すように、第十工程として、レジスト材７を除去することで、第四金属部材５の所望のパターンを形成することが可能である（レジスト材除去工程）。レジスト材７の除去方法としては、ウェットエッチングまたはドライエッチングを適用することがでる。目的とする形状を維持したままレジスト材７を除去するためには、ウェットエッチングで選択的に除去する方法が望ましい。ウェットエッチングで用いるエッチング液としては、目的とする第四金属部材５の形状を維持したままレジスト材７が除去できれば、どのようなエッチング液であっても適用できる。

また、金属マスクを用いて第四金属部材５をエッチングする場合は、第四金属部材５が形成された半導体素子１の上面上に、金属マスクを配置してスパッタエッチングすることで、所望の形状の第四金属部材５を形成することができる。

なお、第三金属部材４の上面上に、外縁が第三金属部材４よりも内側にある第四金属部材５の形成方法を例に説明したが、図２３に示しめすように第一金属部材２の上面上に、外縁が第一金属部材２の外縁よりも内側にある第二金属部材３を形成する場合でも同様の方法で形成することができる。各金属部材、ボンディングワイヤ６は、実施の形態との同様の方法で形成することができる。

以上のように構成された半導体装置においては、第一金属部材２の上面上に形成された第二金属部材３と、第二金属部材３の上面上に形成された第三金属部材４とを形成し、銅を主成分とするボンディングワイヤ６を第三金属部材４の形成位置に対応した第四金属部材５の上面上に設けたので、ボンディングされたボンディングワイヤ６の半導体素子１を含む下地への影響を軽減するが可能となり、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

また、第四金属部材５の外縁が、第一金属部材２、第二金属部材３および第三金属部材４の少なくともいずれかの金属部材の外縁よりも内側に形成したので、半導体素子１と金属部材とが接する箇所での金属部材の総膜厚が減少し、半導体素子１に発生する応力が減少する。その結果、半導体素子１へのクラックなどの損傷の発生を抑制でき、半導体装置の信頼性を向上することができる。

実施の形態３
本実施の形態３においては、実施の形態１、実施の形態２で用いた第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５のうち、隣接する金属部材の界面のうち、少なくとも一つ以上の界面の外周領域に絶縁部材８が配置（挿入）した点が異なる。このように、積層された隣接する金属部材の外周領域に絶縁部材８を配置したので、半導体素子１の外周領域における応力の発生を低減できる。その結果、金属部材よりも柔らかい絶縁部材８によって応力の発生しやすい金属部材の外周領域での応力発生を抑制し、半導体素子１へのクラックなどの損傷の発生を抑制でき、半導体装置の信頼性を向上することができる。なお、その他の点については、実施の形態１、実施の形態２と同様であるので、詳しい説明は省略する。なお、絶縁部材８は、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の少なくともいずれか一つの側面に接して周囲を囲む。絶縁部材８１は、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の少なくともいずれか一つの外周領域に配置される。

図２５は、実施の形態３における半導体装置を示す平面構造模式図である。図２６は、実施の形態３における半導体装置を示す断面構造模式図である。図２６は、図２５の一点鎖線ＣＣにおける断面構造模式図である。図において、半導体装置３００は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８１と、を備える。

図２５において、ボンディングワイヤ６と第四金属部材５との接合領域６１は、点線にて表示している。ボンディングワイヤ６の接合領域６１は、第四金属部材５の外縁よりも内側に形成されている。ボンディングワイヤ６の接合領域６１の対向する辺方向にボンディングワイヤ６は延在している。第四金属部材５の外縁よりも内側には、絶縁部材８１が配置されている。絶縁部材８１は、接合領域６１に対応する位置に絶縁部材８１の開口部８２を備える。絶縁部材８１の開口部８２は、二点鎖線にて表示している。絶縁部材８１の内縁は、開口部８２の外縁である。

図２６において、絶縁部材８１は、第一金属部材２の上面の外周領域に配置されている。絶縁部材８１は、第四金属部材５の上面のボンディングワイヤ６が接合された接合領域６１に対応する領域には配置されていない。絶縁部材８の接合領域６１に対応する領域には、開口部８２が設けられている。絶縁部材８１の開口部８２では、第二金属部材３の厚さは、絶縁部材８の上面上に配置される第二金属部材３の厚さよりも絶縁部材８１の厚さ分だけ厚くなる。このため、第二金属部材３の形状としては、第二金属部材３の下面側は、第一金属部材２の上面に向かって凸形状である。第二金属部材３の上面は平坦である。第三金属部材４の上面と下面とは、平坦な第二金属部材３の上面に配置されるため、その形状を反映して平坦面となっている。同様に、第四金属部材５の上面と下面とは、平坦な第三金属部材４の上面に配置されるため、その形状を反映して平坦面となっている。

第一金属部材２と第二金属部材３との層間に絶縁部材８１を配置することで、絶縁部材８１が配置された第一金属部材２の外周領域では、第一金属部材２と第二金属部材３とが絶縁部材８によって、上下に分断（縁切り）された構造となる。このように、金属部材よりも硬度が低い（柔らかい）絶縁部材８１を用いて、第一金属部材２と第二金属部材３とを分断したので、連続して金属部材を積層した場合に比べて、応力発生に寄与する金属部材の厚みを減少したので、応力発生を抑制することができる。その結果、絶縁部材８１を挿入することで、半導体素子１へ加わる応力を低減でき、クラックの発生による半導体素子１の損傷を低減でき、半導体装置２００の信頼性を向上することができる。

ただし、第一金属部材２の外周領域に形成される絶縁部材８１の第一金属部材２の外縁から内側への距離は短すぎると、金属部材の減少量が少ないため、応力緩和効果が限定的となり、半導体素子１へのクラック等による損傷の抑制効果も限定となる。逆に、絶縁部材８１の第一金属部材２の外縁からの距離が長すぎると、第一金属部材２の上面上の絶縁部材８１で覆われている領域が広範囲となる。絶縁部材８１は、放熱性が低いため、第一金属部材２の上面上を広範囲に覆うことで、半導体装置２００での放熱を妨げるので、絶縁部材８１の第一金属部材２の外縁からの長さは、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。言い換えると、絶縁部材８１の上面上の第二金属部材３の長さは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。

また、絶縁部材８１の材料としては、例えば、ポリイミドが適用できる。ただし、これに限定するものではなく、同様の効果が得られる材料であれば適用でき、特に、金属部材よりも硬度の低い材料であることが望ましい。

図２７は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３０１は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８１と、を備える。

図２７において、絶縁部材８１は、第二金属部材３の下面の外周領域に配置されている。絶縁部材８１は、第四金属部材５の上面のボンディングワイヤ６が接合された接合領域６１に対応する領域には配置されていない。絶縁部材８１の接合領域６１に対応する領域には、開口部８２が設けられている。絶縁部材８１の開口部８２では、第一金属部材２の厚さは、絶縁部材８１の下面に接して配置される第一金属部材２の厚さよりも絶縁部材８の厚さ分だけ厚くなる。言い換えると、絶縁部材８１を配置した第一金属部材２の外周領域の厚さは、絶縁部材８１の開口部８２での厚さよりも絶縁部材８１の厚さ分だけ薄くなっている。第一金属部材２の形状としては、第二金属部材３の下面に向かって凸形状である。第二金属部材３の上面は平坦である。第三金属部材４の上面と下面とは、平坦な第二金属部材３の上面に配置されるため、その形状を反映して平坦面となっている。同様に、第四金属部材５の上面と下面とは、平坦な第三金属部材４の上面に配置されるため、その形状を反映して平坦面となっている。

図２８は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３０２は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８１と、を備える。

図２８において、半導体装置３０２の形状としては、半導体装置３００と半導体装置３０１との形状を合わせたような形状となっている。絶縁部材８１は、第一金属部材２と第二金属部材３の界面を跨いで（界面を越えて両側に）配置されている。このため、第一金属部材２の形状としては、第二金属部材３の下面に向かって凸形状である。また、第二金属部材３の形状としては、第一金属部材２の上面に向かって凸形状である。第一金属部材２の凸部と第二金属部材３の凸部とが接しており、その周囲を絶縁部材８１が囲んでいる。

図２８において、絶縁部材８１は、第四金属部材５の上面のボンディングワイヤ６が接合された接合領域６１に対応する領域には配置されていない。絶縁部材８１の接合領域６１に対応する領域には、開口部８２が設けられている。絶縁部材８１の開口部８２では、第一金属部材２の厚さは、絶縁部材８１の下面に接して配置される第一金属部材２の厚さよりも絶縁部材８１の厚さ分だけ厚くなる。絶縁部材８１の開口部８２では、第二金属部材３の厚さは、絶縁部材８１の上面上に配置される第二金属部材３の厚さよりも絶縁部材８１の厚さ分だけ厚くなる。また、絶縁部材８１の開口部８２では、第一金属部材２の厚さは、絶縁部材８１の下面に接して配置される第一金属部材２の厚さよりも絶縁部材８１の厚さ分だけ厚くなる。言い換えると、絶縁部材８１を配置した第一金属部材２の外周領域の厚さは、絶縁部材８１の開口部８２での厚さよりも絶縁部材８１の厚さ分だけ薄くなっている。第二金属部材３の上面は平坦である。第三金属部材４の上面と下面とは、平坦な第二金属部材３の上面に配置されるため、その形状を反映して平坦面となっている。同様に、第四金属部材５の上面と下面とは、平坦な第三金属部材４の上面に配置されるため、その形状を反映して平坦面となっている。

図２９は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３０３は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８１と、を備える。

図２９において、半導体装置３０３の形状としては、半導体装置３００で第一金属部材２の上面の外周領域に絶縁部材８１を配置後、その形状に合わせて（維持して）第二金属部材３、第三金属部材４、第四金属部材５およびボンディングワイヤ６をそれぞれ配置している。このため、絶縁部材８１の開口部８２に対応する領域では、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の形状は下方に凸形状（上方に凹形状）である。また、ボンディングワイヤ６の形状も、第四金属部材５の形状を反映して、第四金属部材５との接合領域６１では、下方に凸形状となっている。

図２９において、絶縁部材８１は、第一金属部材２の上面の外周領域に配置されている。絶縁部材８１は、第四金属部材５の上面のボンディングワイヤ６が接合された接合領域６１に対応する領域には配置されていない。絶縁部材８１の接合領域６１に対応する領域には、開口部８２が設けられている。第二金属部材３の厚さは、形成箇所（絶縁部材８１の有無）によらず均一であるが、絶縁部材８１の開口部８２では、絶縁部材８１の厚み分だけ窪んでいる（凹形状である）。第三金属部材４および第四金属部材５の形状は、第二金属部材３の上面に配置されるため、下地となる第二金属部材３の形状を反映して、第二金属部材３と同様の形状となる。ボンディングワイヤ６は、第四金属部材５の上面と接合されているが、その接合領域６１は、絶縁部材８１の開口部８２に対応する第四金属部材５の凹部内である。このため、ボンディングワイヤ６は、接合領域６１に対応する部分が凸形状となっている。

図３０は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３０４は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８１と、を備える。

図３０において、半導体装置３０４は、図２８に示した半導体装置３０３の第四金属部材５の上面を平坦にした形状である。その他については、図２８に示した半導体装置３０３と同様な形状をしている。

図３１は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３０５は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８，８１と、を備える。

図３１において、半導体素子１の外縁は、第一金属部材２の外縁よりも外側に配置されている。図２６に示した半導体装置３００と同様の金属部材の構成であるが、半導体装置３０５では、絶縁部材８は、半導体素子１の第一主面上の外周領域で、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５のそれぞれの側面に接して、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の周囲を囲んで配置した点が異なる。第一金属部材２の上面の外周領域に配置された絶縁部材８１の側面は、金属部材の周囲に配置した絶縁部材８と接している。

図３２は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３０６は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８，８１と、を備える。

図３２に示す半導体装置３０６は、図３１に示した半導体装置３０５の第一金属部材２の外縁を第一金属部材２を囲んで配置された絶縁部材８の外縁と同じ位置とした点が異なる。図３１において、半導体素子１の外縁は、第一金属部材２の外縁よりも外側に配置されている。また、第一金属部材２の外縁は、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の外縁よりも外側に配置されている。第一金属部材２の上面の外周領域には、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５のそれぞれの側面に接して、周囲を囲んで絶縁部材８が配置される。絶縁部材８の外縁は、第一金属部材２の外縁と面一となっている。第一金属部材２の上面の外周領域に配置された絶縁部材８１の側面は、金属部材の周囲に配置した絶縁部材８と接している。

図３３は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３０７は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８１と、を備える。

図３３に示す半導体装置３０７は、図３２に示した半導体装置３０６の第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５のそれぞれの側面に接して周囲を囲んで配置した絶縁部材８を取り除いた点が異なる。第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５のそれぞれの側面に接して周囲を囲んで配置した絶縁部材８を取り除いたことで、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５のそれぞれの側面が露出している。半導体素子１の外縁は、第一金属部材２の外縁よりも外側に配置されている。また、第一金属部材２の外縁は、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の外縁よりも外側に配置されている。第一金属部材２の上面の外周領域には、上面を露出して絶縁部材８１が突出している。絶縁部材８１の外縁は、第一金属部材２の外縁と面一となっている。

図３４は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３０８は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８，８１と、を備える。

図３４に示す半導体装置３０８は、図３３に示した半導体装置３０７の第一金属部材２の側面に接して周囲を囲んで配置した絶縁部材８を配置した点が異なる。半導体素子１の第一主面上の外周領域では、絶縁部材８１は、第二金属部材３の外縁よりも外側へ突出した第一金属部材２の外周領域の上面を覆い、絶縁部材８は、第一金属部材２の側面に接している。半導体素子１の外縁は、第一金属部材２の外縁よりも外側に配置されている。また、第一金属部材２の外縁は、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の外縁よりも外側に配置されている。絶縁部材８の外縁は、半導体素子１の外縁と面一となっている。

図３５は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３０９は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８，８１と、を備える。

図３５に示す半導体装置３０９は、図３４に示した半導体装置３０８の第一金属部材２の外縁が、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の外縁と同じ位置にした点が異なる。半導体素子１の第一主面上の外周領域には、絶縁部材８が、配置されている。半導体素子１の外縁は、第一金属部材２の外縁よりも外側に配置されている。また、第一金属部材２の外縁は、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の外縁と同じ位置に配置されている。絶縁部材８１は、第一金属部材２の外周領域に配置されている。絶縁部材８１の外縁は、第一金属部材２の外縁と同じ位置である。絶縁部材８の外縁は、半導体素子１の外縁と面一となっている。

図３６は、実施の形態３における他の半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置３１０は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８，８１と、を備える。

図３６に示す半導体装置３１０は、図３４に示した半導体装置３０９の絶縁部材８の上面が第四金属部材５の上面よりも上方に配置した点が異なる。半導体素子１の第一主面上の外周領域には、絶縁部材８が、第一金属部材２、第二金属部材３、第三金属部材４および第四金属部材５の側面に接して配置される。半導体素子１の外縁は、第一金属部材２の外縁よりも外側に配置されている。絶縁部材８の外縁は、半導体素子１の外縁と面一となっている。

次に、絶縁部材８１の形成方法について、説明する。

絶縁部材８１の形成方法としては、例えば、絶縁部材８１自体をパターニングして形成することもできる。また、実施の形態２に記載したレジスト材を用いる場合は、絶縁部材８１の上面に、レジスト材などを別途塗布して、実施の形態２に記載の第四金属部材５をパターニングしたのと同様の方法で形成することができる。

絶縁部材８１をレジスト材のよう直接にパターニングする場合には、実施の形態２の工程に記載のレジスト材を絶縁部材８１の材料に置き換えて参照することで形成することができる。

以上のように構成された半導体装置においては、第一金属部材２の上面上に形成された第二金属部材３と、第二金属部材３の上面上に形成された第三金属部材４とを形成し、銅を主成分とするボンディングワイヤ６を第三金属部材４の形成位置に対応した第四金属部材５の上面上に設けたので、ボンディングされたボンディングワイヤ６の半導体素子１を含む下地への影響を軽減するが可能となり、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

また、第一金属部材２と第二金属部材３との外周領域の層間に絶縁部材８１を配置したので、連続して金属部材を積層した場合に比べて応力発生を抑制することができる。その結果、絶縁部材８を挿入することで、半導体素子１へ加わる応力を低減でき、クラックの発生による半導体素子１の損傷を低減でき、半導体装置の信頼性を向上することができる。

実施の形態４
本実施の形態４においては、実施の形態１、実施の形態２および実施の形態３で用いた第三金属部材４をボンディングワイヤ６が接合された接合領域６１に対応する領域にのみ配置した点が異なる。このように、第三金属部材４をボンディングワイヤ６が接合された接合領域６１に対応する領域にのみ配置したので、ボンディングワイヤ６による第一金属部材２へのクラックの発生を抑制できる。なお、その他の点については、実施の形態１、実施の形態２および実施の形態３と同様であるので、詳しい説明は省略する。

図３７は、実施の形態４における半導体装置を示す断面構造模式図である。図において、半導体装置４００は、半導体素子１と、第一金属部材２と、第二金属部材３と、第三金属部材４と、第四金属部材５と、配線部材である銅を主成分とするボンディングワイヤ６と、絶縁部材８と、を備える。

図において、第三金属部材４は、下面が第三金属部材４の上面と接して、第四金属部材５で上面と側面とが覆われている。ボンディングワイヤ６は、第三金属部材４の配置位置に合わせて第三金属部材４の上方の第四金属部材５の上面に配置される。

第三金属部材４の配置（挿入）の目的としては、ボンディングワイヤ６を第四金属部材５の上面上に接合したことによるボンディングワイヤ６の配置箇所を起点に金属部材にクラックが発生し、発生したクラックにより、半導体素子１が損傷することを防ぐためである。このため、第三金属部材４は、少なくともボンディングワイヤ６が配置される領域の直下のみに第三金属部材４があればよい。例えば、第三金属部材４としてＮｉを、第二金属部材３および第四金属部材５とをＣｕを用いて構成した場合、部分的に形成されたＮｉの周囲はＣｕで覆われることになるが、ＣｕはＮｉに比べて熱伝導率が高く、熱伝導率の高い材料であるＣｕの割合が増えることで、半導体装置４００の放熱性が改善し、半導体装置４００の信頼性を向上することができる。

図３８から図４３は、実施の形態４における半導体装置を示す平面構造模式図である。図３７から図４２においては、第三金属部材４を点線で示し、第四金属部材５の上面からの平面図である。

図３８において、第三金属部材４の形状は、四角形（正方形）である。図３９において、第三金属部材４の形状は、三角形である。図４０において、第三金属部材４の形状は、五角形である。図４１において、第三金属部材４の形状は、円形である。図４２において、第三金属部材４の形状は、十字形である。図４３において、第三金属部材４の形状は、台形である。このように、第三金属部材４の平面形状としては、円形、楕円形、正方形、長方形、五角形、六角形、三角形、台形、十字形、星型のような多角形またはドーナツ型の様々な形を用いることができ、ボンディングワイヤ６の配置領域の直下に配置されていればよい。第三金属部材４の大きさとしては、ボンディングワイヤ６が接合される接合領域６１よりも大きいほうがよい。図３８から図４３に示したように、第四金属部材５の上面に接合されるボンディングワイヤ６の本数に合わせて、ボンディングワイヤ６の接合領域６１に合わせて第三金属部材４を複数個配置してもよい。

以上のように構成された半導体装置においては、第一金属部材２の上面上に形成された第二金属部材３と、第二金属部材３の上面上に形成された第三金属部材４とを形成し、銅を主成分とするボンディングワイヤ６を第三金属部材４の形成位置に対応した第四金属部材５の上面上に設けたので、ボンディングされたボンディングワイヤ６の半導体素子１を含む下地への影響を軽減するが可能となり、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

また、第三金属部材４をボンディングワイヤ６が接合された接合領域６１に対応する領域にのみ配置したので、ボンディングワイヤ６による第一金属部材２へのクラックの発生を抑制できる。

実施の形態５．
ここでは、上述した実施の形態１〜４において説明した半導体装置を適用した電力変換装置について説明する。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態５として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。

図４４は、本実施の形態に係る電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。図４４に示す電力変換システムは、電源１０００、電力変換装置２０００、負荷３０００から構成される。電源１０００は、直流電源であり、電力変換装置２０００に直流電力を供給する。電源１０００は種々のもので構成することが可能であり、たとえば、直流系統、太陽電池、蓄電池により構成することができる。また、交流系統に接続された整流回路またはＡＣ／ＤＣコンバータにより構成してもよい。また、電源１０００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成してもよい。

電力変換装置２０００は、電源１０００と負荷３０００との間に接続された三相のインバータであり、電源１０００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３０００に交流電力を供給する。電力変換装置２０００は、図４４に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２００１と、主変換回路２００１を制御する制御信号を主変換回路２００１に出力する制御回路２００３とを備えている。

負荷３０００は、電力変換装置２０００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３０００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、たとえば、ハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道車両、エレベーター、または、空調機器向けの電動機として用いられる。

以下、電力変換装置２０００の詳細について説明する。主変換回路２００１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えている（図示せず）。スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１０００から供給される直流電力が交流電力に変換されて、負荷３０００に供給される。主変換回路２００１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態に係る主変換回路２００１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。

主変換回路２００１の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかは、上述した実施の形態１〜４の少なくともいずれかに係る半導体装置に相当する半導体装置２００２が有するスイッチング素子または還流ダイオードである。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続された上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち、主変換回路２００１の３つの出力端子は、負荷３０００に接続される。

また、主変換回路２００１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示せず）を備えているが、駆動回路は半導体装置２００２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２００２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２００１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２００１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２００３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。

制御回路２００３は、負荷３０００に所望の電力が供給されるように、主変換回路２００１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３０００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２００１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。たとえば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２００１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２００１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号またはオフ信号を駆動信号として出力する。

本実施の形態に係る電力変換装置２０００では、主変換回路２００１を構成する半導体装置２００２として実施の形態１〜４に係る半導体装置を適用する。これにより、ボンディングワイヤ６として、銅ワイヤ等を接合領域６１により強固に良好に接合させることができる。その結果、電力変換装置２０００の信頼性を向上させることができる。

本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例について説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが、３レベルまたはマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には、単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することも可能である。

また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、たとえば、放電加工機、レーザー加工機、誘導加熱調理器または非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには、太陽光発電システムまたは蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。

なお、各実施の形態において説明した半導体装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本開示は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 半導体素子、２ 第一金属部材、３ 第二金属部材、４ 第三金属部材、５ 第四金属部材、６ 配線部材、７ レジスト材、８，８１ 絶縁部材、６１ 接合領域、８２ 開口部、１００, １０１，１０３，２００，２０１，２０２，２１０，２１１，２１２，３００，３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８，３０９，３１０，４００，２００２ 半導体装置、１０００ 電源、２０００ 電力変換装置、２００１ 主変換回路、２００３ 制御回路、３０００ 負荷。

Claims (16)

1. 第一主面を有する半導体素子と、
   前記第一主面上に形成された第一金属部材と、
   前記第一金属部材の上面上に形成された第二金属部材と、
   前記第二金属部材の上面上に形成された第三金属部材と、
   前記第三金属部材の上面上に形成された銅を主成分とする第四金属部材と、
   前記第三金属部材の形成位置に対応した前記第四金属部材の上面上に接合する銅を主成分とする配線部材と、
   を備え、
   前記第一金属部材の材料は、アルミニウムであり、前記第二金属部材の材料は、銅である、半導体装置。
2. 前記第三金属部材の材料は、ニッケルである、請求項1に記載の半導体装置。
3. 第一主面を有する半導体素子と、
   前記第一主面上に形成された第一金属部材と、
   前記第一金属部材の上面上に形成された第二金属部材と、
   前記第二金属部材の上面上に形成された第三金属部材と、
   前記第三金属部材の上面上に形成された銅を主成分とする第四金属部材と、
   前記第三金属部材の形成位置に対応した前記第四金属部材の上面上に接合する銅を主成分とする配線部材と、
   前記第一金属部材、前記第二金属部材、前記第三金属部材および前記第四金属部材のすくなくとも一つの金属部材間には、前記配線部材の前記第四金属部材との接合領域に対応する位置に開口部を有して配置される絶縁部材と、
   を備え、
   前記絶縁部材は、前記金属部材間の外周領域に配置され、前記開口部内では、前記第一金属部材および前記第二金属部材の少なくとも一方が凸形状である、半導体装置。
4. 前記第二金属部材および前記第三金属部材のいずれか一方の硬度は、前記第四金属部材の硬度以上の材料である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第二金属部材の硬度は、前記第三金属部材の硬度以下の材料である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記第一金属部材の硬度は、前記第二金属部材および前記第三金属部材の硬度以下の材料である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記第四金属部材の外縁は、前記第四金属部材よりも下方に形成される前記第一金属部材から前記第三金属部材の少なくともいずれかの外縁よりも内側に形成されている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記絶縁部材上に配置される前記第二金属部材、前記第三金属部材および前記第四金属部材の長さは、１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項３に記載の半導体装置。
9. 前記第一金属部材の材料は、アルミニウムであり、前記第二金属部材の材料は、銅であり、前記第三金属部材の材料は、ニッケルである、請求項３から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。
10. 前記第三金属部材は、前記第二金属部材の上面上に部分的に形成されている、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記第三金属部材の形状は、円形または多角形である、請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記第三金属部材の厚みは、１μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
    を備えた、電力変換装置。
14. 第一主面を有する半導体素子を準備する半導体素子準備工程と、
    前記第一主面上に第一金属部材を形成する第一金属部材形成工程と、
    前記第一金属部材の上面上に第二金属部材を形成する第二金属部材形成工程と、
    前記第二金属部材の上面上に第三金属部材を形成する第三金属部材形成工程と、
    前記第三金属部材の上面上に銅を主成分とする第四金属部材を形成する第四金属部材形成工程と、
    前記第三金属部材の形成位置に対応した前記第四金属部材の上面上に銅を主成分とする配線部材を接合する配線部材形成工程と、
    を備え、
    前記第一金属部材の材料は、アルミニウムであり、前記第二金属部材の材料は、銅である、半導体装置の製造方法。
15. 前記第三金属部材の材料は、ニッケルである、請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
16. 第一主面を有する半導体素子を準備する半導体素子準備工程と、
    前記第一主面上に第一金属部材を形成する第一金属部材形成工程と、
    前記第一金属部材の上面上に第二金属部材を形成する第二金属部材形成工程と、
    前記第二金属部材の上面上に第三金属部材を形成する第三金属部材形成工程と、
    前記第三金属部材の上面上に銅を主成分とする第四金属部材を形成する第四金属部材形成工程と、
    前記第三金属部材の形成位置に対応した前記第四金属部材の上面上に銅を主成分とする配線部材を接合する配線部材形成工程と、
    前記第一金属部材、前記第二金属部材、前記第三金属部材および前記第四金属部材のすくなくとも一つの金属部材間には、前記配線部材の前記第四金属部材との接合領域に対応する位置に開口部を有する絶縁部材を形成する工程と、
    を備え、
    前記絶縁部材は、前記金属部材間の外周領域に配置され、前記開口部内では、前記第一金属部材および前記第二金属部材の少なくとも一方が凸形状である、半導体装置の製造方法。

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