JP6958210B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

特許文献１に、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上面に設けられた上面電極と、半導体基板の下面に設けられた下面電極とを備える。半導体基板には、ＩＧＢＴが形成されたＩＧＢＴ領域と、ＩＧＢＴに対する逆導通ダイオードが形成されたダイオード領域とが、上面電極と下面電極との間で並列に設けられている。この種の半導体装置は、一般に、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting - Insulated Gate Bipolar Transistor）と称される。

特開２０１３−１３８０６９号公報

半導体装置では、エレクトロマイグレーションやサーモマイグレーションによって、電極に欠損が生じるという問題が知られている。エレクトロマイグレーションは、電極を流れる電子の流れに起因して生じるものであり、温度及び電流密度に応じてその程度は大きくなる。サーモマイグレーションは、電極及びそれに隣接する構成要素（例えば、はんだ層）の温度勾配に起因して生じるものであり、温度及び温度勾配に応じてその程度は大きくなる。

ＲＣ−ＩＧＢＴでは、ダイオードとして機能したときに、上面電極において電子が流れる方向と温度勾配の方向とが一致する。従って、エレクトロマイグレーションとサーモマイグレーションとの両者によって、上面電極の欠損が進行しやすい。特に、ダイオード領域を覆う範囲では、電流密度が局所的に高まり、それに起因して温度や温度勾配も増大し得ることから、上面電極の欠損が早期に進行することがある。本明細書は、このような問題を解決又は改善し得る技術を提供する。

本技術が開示する技術は、半導体装置に具現化される。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上面に設けられた上面電極と、半導体基板の下面に設けられた下面電極とを備える。半導体基板には、ＩＧＢＴが形成されたＩＧＢＴ領域と、ＩＧＢＴに対する逆導通ダイオードが形成されたダイオード領域とが、上面電極と下面電極との間で並列に設けられている。上面電極は、第１電極層と第２電極層と第３電極層とを有する。第１電極層は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域との両者を覆うように、半導体基板の上面上に設けられている。第２電極層は、ダイオード領域を覆うとともにＩＧＢＴ領域の少なくとも一部を覆わないように、第１電極層上に設けられている。第３電極層は、ＩＧＢＴ領域とダイオード領域との両者を覆うように、第１電極層及び第２電極層上に設けられている。そして、第２電極層を構成する材料は、第３電極層を構成する材料よりも、電気伝導率と熱伝導率との少なくとも一方が低い。

上記した半導体装置では、ダイオードとして機能したときに、上面電極において、電子が流れる方向と温度勾配の方向とが一致する。この場合、前述したように、エレクトロマイグレーションとサーモマイグレーションとの両者に起因する欠損が、上面電極の特にダイオード領域を覆う範囲において生じやすくなる。しかしながら、上面電極のダイオード領域を覆う範囲には、第１電極層と第３電極層との間に第２電極層が設けられている。そして、第２電極層を構成する材料は、第３電極層を構成する材料よりも、電気伝導率と熱伝導率との少なくとも一方が低い。これにより、上面電極のダイオード領域を覆う範囲において、エレクトロマイグレーションとサーモマイグレーションとの少なくとも一方が抑制されるように構成されている。

例えば、第２電極層を構成する材料が、第３電極層を構成する材料よりも、低い電気伝導率を有する場合、ダイオード領域から上面電極へ流れ込んだ電子の一部が、第２電極層を迂回するように流れる。その結果、ダイオード領域を覆う範囲における電流密度が緩和されることから、少なくともエレクトロマイグレーションが有意に抑制される。あるいは、第２電極層を構成する材料が、第３電極層を構成する材料よりも、低い熱伝導率を有する場合、第２電極層が形成された範囲では、半導体基板から上面電極への熱伝導が制限される。その結果、ダイオード領域を覆う範囲における温度上層及び温度勾配が緩和されることから、少なくともサーモマイグレーションが有意に抑制される。

半導体モジュール１０の外観を示す斜視図である。 半導体モジュール１０の内部構造を模式的に示す断面図である。 図２中のＩＩＩ部の拡大図であり、半導体装置２０の構造を模式的に示す。 参考例として、上面電極２４が第２電極層２４ｂを有さない半導体装置２０’において、上面電極２４に生じる欠損Ｄを模式的に示す。

図面を参照して、実施例の半導体装置２０、４０と、それを採用した半導体モジュール１０について説明する。本実施例の半導体モジュール１０は、例えば電動型の自動車において、コンバータやインバータといった電力変換装置に採用することができる。ここでいう電動型の自動車には、例えば、ハイブリッド車、燃料電池車又は再充電式の電気自動車といった、車輪をモータによって駆動する各種の自動車が含まれる。

図１−図３に示すように、半導体モジュール１０は、二つの半導体装置２０、４０と、複数の外部接続端子１４、１５、１６、１７、１８と、封止体３０とを備える。二つの半導体装置２０、４０は、封止体３０内に封止されている。封止体３０は、絶縁性を有する材料で構成されている。特に限定されないが、封止体３０を構成する材料は、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料であってよい。なお、半導体モジュール１０が備える半導体装置２０、４０の数は、特に限定されない。半導体モジュール１０は、少なくとも一つの半導体装置２０又は４０を備えればよい。以下では、一方の半導体装置２０を第１半導体装置２０と称し、他方の半導体装置４０を第２半導体装置４０と称することによって、両者を区別することがある。

各々の外部接続端子１４、１５、１６、１７、１８は、例えば銅又はその他の金属といった、導電性を有する材料で構成されている。各々の外部接続端子１４、１５、１６、１７、１８は、封止体３０の外部から内部に亘って延びており、封止体３０の内部において、第１半導体装置２０及び第２半導体装置４０の少なくとも一方に電気的に接続されている。一例ではあるが、複数の外部接続端子１４、１５、１６、１７、１８には、信号用である複数の第１信号端子１４及び複数の第２信号端子１５と、電力用であるＰ端子１６、Ｎ端子１７及びＯ端子１８が含まれる。

第１半導体装置２０及び第２半導体装置４０は、後述するように、ＩＧＢＴと逆導通ダイオードとが一体に形成されたＲＣ−ＩＧＢＴである。第１半導体装置２０は、半導体基板２２と上面電極２４と下面電極２６とを有する。上面電極２４は半導体基板２２の上面に位置しており、下面電極２６は半導体基板２２の下面に位置している。同様に、第２半導体装置４０は、半導体基板４２と上面電極４４と下面電極４６とを有する。第１半導体装置２０及び第２半導体装置４０の構成については、後段において詳細に説明する。但し、第１半導体装置２０及び第２半導体装置４０は互いに同一の構成を有しているので、以下では、主に第１半導体装置２０について説明し、第２半導体装置４０については重複する説明を省略することがある。

半導体モジュール１０は、第１上側導体板３２、第１導体スペーサ３４及び第１下側導体板３６をさらに備える。これらの部材は、例えば、銅、銅合金、又はその他の金属といった、導電性を有し、かつ、熱伝導性に優れた材料を用いて構成されることができる。第１上側導体板３２は、第１導体スペーサ３４を介して第１半導体装置２０の上面電極２４にはんだ付けされており、当該上面電極２４へ電気的及び熱的に接続されている。第１下側導体板３６は、第１半導体装置２０の下面電極２６にはんだ付けされており、当該下面電極２６へ電気的及び熱的に接続されている。また、第１下側導体板３６には、Ｐ端子１６が電気的に接続されている。第１上側導体板３２及び第１下側導体板３６は、封止体３０の両面にそれぞれ露出しており、第１半導体装置２０の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。

半導体モジュール１０は、第２上側導体板５２、第２導体スペーサ５４及び第２下側導体板５６をさらに備える。これらの部材もまた、例えば、銅、銅合金、又はその他の金属といった、導電性を有し、かつ、熱伝導性に優れた材料を用いて構成されることができる。第２上側導体板５２は、第２導体スペーサ５４を介して第２半導体装置４０の上面電極４４にはんだ付けされており、当該上面電極４４へ電気的及び熱的に接続されている。また、第２上側導体板５２には、Ｎ端子１７が電気的に接続されている。第２下側導体板５６は、第２半導体装置４０の下面電極４６にはんだ付けされており、当該下面電極４６へ電気的及び熱的に接続されている。また、第２下側導体板５６には、Ｏ端子１８が電気的に接続されているとともに、継手５８を介して第１上側導体板３２へ電気的に接続されている。第２上側導体板５２及び第２下側導体板５６は、封止体３０の両面にそれぞれ露出しており、第２半導体装置４０の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。

上記した構成により、本実施例の半導体モジュール１０では、Ｐ端子１６とＮ端子１７との間で二つの半導体装置２０、４０が直列に接続されているとともに、二つの半導体装置２０、４０の中間にＯ端子１８が接続された構造を有する。これにより、半導体モジュール１０は、例えばインバータやコンバータにおいて、一つの上下アームを構成することができる。

次に、図３を参照して、半導体装置２０、４０について説明する。前述したように、第１半導体装置２０及び第２半導体装置４０は、それぞれＲＣ−ＩＧＢＴであって、互いに同一の構造を有する。従って、ここでは第１半導体装置２０について説明し、第２半導体装置４０については説明を省略する。以下では、第１半導体装置２０を、単に半導体装置２０と称することがある。

図３に示すように、半導体装置２０の半導体基板２２には、ＩＧＢＴが形成されたＩＧＢＴ領域２２ａと、ＩＧＢＴに対する逆導通ダイオードが形成されたダイオード領域２２ｂとが、上面電極２４と下面電極２６との間で並列に設けられている。ＩＧＢＴ領域２２ａの具体的な構造については特に限定されず、ＩＧＢＴに関する公知の構造を適宜採用することができる。但し、ＩＧＢＴ領域２２ａは、上面電極２４がエミッタ電極となり、下面電極２６がコレクタ電極となるように構成されている。従って、ＩＧＢＴ領域２２ａを流れる電流の向きは、常に下面電極２６から上面電極２４に向かう向きとなる。

ダイオード領域２２ｂの具体的な構造についても、特に限定されない。ダイオード領域２２ｂには、例えばＰＮ接合型のダイオードやショットキーバリアダイオードといった、ダイオードに関する公知の構造を適宜採用することができる。但し、ダイオード領域２２ｂは、上面電極２４がアノード電極となり、下面電極２６がカソード電極となるように構成されている。従って、ダイオード領域２２ｂを流れる電流の向きは、常に上面電極２４から下面電極２６に向かう向きとなる。

上面電極２４は、第１電極層２４ａと第２電極層２４ｂと第３電極層２４ｃとを有する。第１電極層２４ａは、ＩＧＢＴ領域２２ａとダイオード領域２２ｂとの両者を覆うように、半導体基板２２の上面上に設けられている。第２電極層２４ｂは、ダイオード領域２２ｂを覆うとともにＩＧＢＴ領域２２ａの少なくとも一部を覆わないように、第１電極層２４ａ上において部分的に設けられている。第３電極層２４ｃは、ＩＧＢＴ領域２２ａとダイオード領域２２ｂとの両者を覆うように、第１電極層２４ａ及び第２電極層２４ｂ上に設けられている。

第１電極層２４ａ、第２電極層２４ｂ及び第３電極層２４ｃを構成する材料は、例えば金属といった導電性を有する材料であればよく、特に限定されない。但し、第２電極層２４ｂを構成する材料が、第３電極層２４ｃを構成する材料よりも、電気伝導率と熱伝導率との少なくとも一方が低くなるように、各電極層２４ｂ、２４ｃの材料は選択されている。一例ではあるが、第１電極層２４ａを構成する材料には、アルミニウム又はその合金（例えばＡｌ−Ｓｉ系合金）を採用することができる。第２電極層２４ｂを構成する材料には、チタンを採用することができる。そして、第３電極層２４ｃを構成する材料には、ニッケルを採用することができる。なお、チタンの電気伝導率及び熱伝導率は、ニッケルの電気伝導率及び熱伝導率よりもそれぞれ低い。

下面電極２６は、第４電極層２６ａと第５電極層２６ｂとを有する。第４電極層２６ａは、半導体基板２２の下面上に設けられており、第５電極層２６ｂは、第４電極層２６ａ上に設けられている。第４電極層２６ａを構成する材料は、特に限定されないが、アルミニウム又はその合金（例えばＡｌ−Ｓｉ系合金）であってよい。第５電極層２６ｂを構成する材料は、特に限定されないが、ニッケルといった金属材料であってよい。なお、下面電極２６の構成については、本実施例のような二層構造に限定されることなく、適宜変更することができる。

図３に示すように、本実施例の半導体装置２０では、ダイオードとして機能したときに、上面電極２４において、電子が流れる方向Ｅと温度勾配の方向Ｔとが一致する。この場合、エレクトロマイグレーションとサーモマイグレーションとの両者に起因する欠損が、上面電極２４の特にダイオード領域２２ｂを覆う範囲において生じやすくなる。ここで、エレクトロマイグレーションは、電極を流れる電子の流れＥに起因して、上面電極２４の特に第３電極層２４ｃを構成する原子が、隣接するはんだ層３５に拡散する現象である。エレクトロマイグレーションは、温度及び電流密度に応じてその程度は大きくなるので、それを抑制するためには、温度上昇と電流密度との少なくとも一方を抑制することが有効である。サーモマイグレーションは、上面電極２４及びそれに隣接するはんだ層３５の温度勾配に起因して、上面電極２４の特に第３電極層２４ｃを構成する原子が、隣接するはんだ層３５に拡散する現象である。サーモマイグレーションは、温度及び温度勾配に応じてその程度は大きくなるので、それを抑制するためには、温度上昇を抑制することが有効である。

上記の点に関して、上面電極２４のダイオード領域２２ｂを覆う範囲には、第１電極層２４ａと第３電極層２４ｃとの間に第２電極層２４ｂが設けられている。そして、第２電極層２４ｂを構成する材料は、第３電極層２４ｃを構成する材料よりも、電気伝導率と熱伝導率との少なくとも一方が低い。これにより、上面電極２４のダイオード領域２２ｂを覆う範囲において、エレクトロマイグレーションとサーモマイグレーションとの少なくとも一方が抑制されるように構成されている。

例えば、第２電極層２４ｂを構成する材料が、第３電極層２４ｃを構成する材料よりも、低い電気伝導率を有する場合、ダイオード領域２２ｂから上面電極２４へ流れ込んだ電子の一部が、第２電極層２４ｂを迂回するように流れる（図３中の流れＥを参照）。その結果、ダイオード領域２２ｂを覆う範囲における電流密度（即ち、電子の密度）が緩和されることから、少なくともエレクトロマイグレーションが有意に抑制される。あるいは、第２電極層２４ｂを構成する材料が、第３電極層２４ｃを構成する材料よりも、低い熱伝導率を有する場合、第２電極層２４ｂが形成された範囲では、半導体基板２２から上面電極２４（特に、第３電極層２４ｃ）への熱伝導が制限される。その結果、ダイオード領域２２ｂを覆う範囲における温度上層及び温度勾配が緩和されることから、少なくともサーモマイグレーションが有意に抑制される。

図４に示す参考例は、上面電極２４が第２電極層２４ｂを有さない半導体装置２０’を示す。この半導体装置２０’では、ダイオードとして機能したときに、上面電極２４のダイオード領域２２ｂを覆う範囲において電流密度が局所的に高まる。また、第２電極層２４ｂが存在しないことから、半導体基板２２から上面電極２４（特に、第３電極層２４ｃ）への熱伝導も制限されない。その結果、上面電極２４のダイオード領域２２ｂを覆う範囲では、第３電極層２４ｃを構成する原子がはんだ層３５へ拡散しやすく、上面電極２４の表面に欠損Ｄが早期に形成されてしまう。

以上、いくつか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。本明細書又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る。

１０：半導体モジュール
２０、４０：半導体装置
２０'：比較例の半導体装置
２２、４２：半導体基板
２２ａ：ＩＧＢＴ領域
２２ｂ：ダイオード領域
２４、４４：上面電極
２４ａ：第１電極層
２４ｂ：第２電極層
２４ｃ：第３電極層
２６、４６：下面電極
３０：封止体
３５：はんだ層
Ｄ：欠損
Ｅ：電子の流れる方向
Ｔ：温度勾配の方向

Claims (1)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の上面に設けられた上面電極と、
   前記半導体基板の下面に設けられた下面電極と、を備え、
   前記半導体基板には、ＩＧＢＴが形成されたＩＧＢＴ領域と、前記ＩＧＢＴに対する逆導通ダイオードが形成されたダイオード領域とが、前記上面電極と前記下面電極との間で並列に設けられており、
   前記上面電極は、
   前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域との両者を覆うように、前記半導体基板の上面上に設けられた第１電極層と、
   前記ダイオード領域を覆うとともに前記ＩＧＢＴ領域の少なくとも一部を覆わないように、前記第１電極層上に設けられた第２電極層と、
   前記ＩＧＢＴ領域と前記ダイオード領域との両者を覆うように、前記第１電極層及び第２電極層上に設けられた第３電極層と、を有し、
   前記第２電極層を構成する材料は、前記第３電極層を構成する材料よりも、電気伝導率と熱伝導率との少なくとも一方が低い、
   半導体装置。

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