JP7143730B2

JP7143730B2 - 半導体モジュールとその製造方法

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Publication number: JP7143730B2
Application number: JP2018211717A
Authority: JP
Inventors: 賢昌永田; 成雅副島; 奏浦上
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: JP2020077827A

Description

本明細書が開示する技術は、半導体モジュールとその製造方法に関する。

炭化珪素基板を有する炭化珪素半導体装置の開発が進められている。炭化珪素は、ワイドバンドギャップを有しており、半導体装置の低いオン抵抗と高いオフ耐圧を両立し得る半導体材料として知られている。

特許文献１は、炭化珪素半導体装置が搭載された半導体モジュールを開示する。この半導体モジュールに搭載される炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板の下面に下面電極が設けられており、炭化珪素基板の上面に上面電極が設けられている。リードフレームが炭化珪素半導体装置の下面電極に下側はんだ層を介して接合しており、導体ブロックが炭化珪素半導体装置の上面電極に上側はんだ層を介して接合している。このように、特許文献１に開示される半導体モジュールは、リードフレームと炭化珪素半導体装置と導体ブロックが積層して構成されており、両面冷却構造の半導体モジュールとして構成されている。

特開２０１７－１１２２８０号公報

この半導体モジュールを積層方向から見たときに、炭化珪素半導体装置はリードフレームよりも内側に位置しており、導体ブロックは炭化珪素半導体装置よりも内側に位置している。このため、リードフレームと炭化珪素半導体装置の間にある下側はんだ層は、積層方向から見たときに、炭化珪素半導体装置の形状に概ね一致する。また、炭化珪素半導体装置と導体ブロックの間にある上側はんだ層は、積層方向から見たときに、導体ブロックの形状に概ね一致する。したがって、積層方向から見たときに、下側はんだ層と上側はんだ層の形状は一致しておらず、下側はんだ層が上側はんだ層よりも面方向に広がった形態を有している。

本発明者らの研究によると、このような半導体モジュールについて、以下の２つのことが分かってきた。

（１）本発明者らの研究によると、炭化珪素半導体装置に断続的な通電が行われ、半導体モジュール内で温度変動が繰り返されると（冷熱サイクル）、下側はんだ層を構成するはんだの面方向における流動と上側はんだ層を構成するはんだの面方向における流動が異なることにより、炭化珪素半導体装置が湾曲することが分かってきた。はんだが流動することにより、下側はんだ層におけるはんだ量の疎密部分の位置と上側はんだ層におけるはんだ量の疎密部分の位置が積層方向に不一致となり、炭化珪素半導体装置が湾曲することが分かってきた。なお、このような現象は、炭化珪素半導体装置が採用され、従来よりも高温域での使用が可能となった結果、初めて観測されたものである。このような湾曲による変形量が大きくなると、炭化珪素半導体装置の破損が発生する可能性がある。このような炭化珪素半導体装置の破損を抑えるためには、炭化珪素基板の抗折強度を高めることが肝要である。

（２）下面電極と炭化珪素基板のオーミック性を改善するために、下面電極を形成するための電極材料層の全体にレーザ光を照射してシンタリングし、電極材料層と炭化珪素基板を反応させることが考えられる。本発明者らの研究によると、電極材料層の単位面積当たりに照射されるレーザ光の照射エネルギー密度が大きいと、完成した下面電極と炭化珪素基板が良好に接合し、下面電極と炭化珪素基板の良好なオーミック性によって炭化珪素半導体装置のオン抵抗が低下するものの、炭化珪素基板の抗折強度が低下することが分かってきた。一方、電極材料層の単位面積当たりに照射されるレーザ光の照射エネルギー密度が小さいと、炭化珪素基板の抗折強度が高く維持されるものの、完成した下面電極と炭化珪素基板のオーミック性が悪化して炭化珪素半導体装置のオン抵抗が増加することが分かってきた。即ち、本発明者らの研究によると、電極材料層の全体にレーザ光を照射した場合、電極材料層の単位面積当たりに照射されるレーザ光の照射エネルギー密度に関して、炭化珪素半導体装置のオン抵抗と炭化珪素基板の抗折強度の間にトレードオフ関係が存在することが分かってきた。この現象の理由の詳細については分からないものの、レーザアニールによる炭化珪素基板の応力の増大及び／又は結晶欠陥の増加などが影響しているものと推察される。

本願明細書は、上記（１）及び（２）の新規な知見に基づいて想起された半導体モジュールであって、低いオン抵抗を示すとともに破損が抑えられた炭化珪素半導体装置を備えた半導体モジュールを提供する。

本明細書が開示する半導体モジュールの製造方法は、炭化珪素基板を有する炭化珪素半導体装置であって、前記炭化珪素基板の下面に下面電極が設けられており、前記炭化珪素基板の上面に上面電極が設けられている、炭化珪素半導体装置と、前記炭化珪素半導体装置の前記下面電極に下側はんだ層を介して接合するリードフレームと、前記炭化珪素半導体装置の前記上面電極に上側はんだ層を介して接合する導体ブロックと、を備えており、前記リードフレームと前記炭化珪素半導体装置と前記導体ブロックの積層方向から見たときに、前記炭化珪素半導体装置は前記リードフレームよりも内側に位置しており、前記導体ブロックは前記炭化珪素半導体装置よりも内側に位置している、半導体モジュールを製造するときに採用することができる。この半導体モジュールの製造方法は、前記炭化珪素基板の前記下面に電極材料層を成膜する電極材料層成膜工程と、前記電極材料層にレーザ光を照射するレーザアニール工程と、を有することができる。前記電極材料層は、前記電極材料層の中心を含む第１範囲と、前記第１範囲の周囲であって前記電極材料層の前記中心を取り囲む第２範囲と、を有している。前記レーザアニール工程は、前記電極材料層と前記炭化珪素基板の界面の温度が、前記第１範囲よりも前記第２範囲で低くなるように実施される。

上記製造方法で製造される半導体モジュールによると、前記第１範囲における良好なオーミック性によって前記炭化珪素半導体装置が低いオン抵抗を示すとともに、前記第２範囲において前記炭化珪素基板の抗折強度を高めることができ、前記炭化珪素半導体装置の破損が抑えられる。

本明細書が開示する炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板を有する炭化珪素半導体装置であって、前記炭化珪素基板の下面に下面電極が設けられており、前記炭化珪素基板の上面に上面電極が設けられている、炭化珪素半導体装置と、前記炭化珪素半導体装置の前記下面電極に下側はんだ層を介して接合するリードフレームと、前記炭化珪素半導体装置の前記上面電極に上側はんだ層を介して接合する導体ブロックと、を備えることができる。前記リードフレームと前記炭化珪素半導体装置と前記導体ブロックの積層方向から見たときに、前記炭化珪素半導体装置は前記リードフレームよりも内側に位置しており、前記導体ブロックは前記炭化珪素半導体装置よりも内側に位置している。前記下面電極は、前記下面電極の中心を含む第１範囲と、前記第１範囲の周囲であって前記下面電極の前記中心を取り囲む第２範囲と、を有している。前記下面電極と前記炭化珪素基板の反応層の厚みが、前記第１範囲よりも前記第２範囲で薄い。

上記半導体モジュールによると、前記第１範囲における良好なオーミック性によって前記炭化珪素半導体装置が低いオン抵抗を示すとともに、前記第２範囲において前記炭化珪素基板の抗折強度を高めることができ、前記炭化珪素半導体装置の破損が抑えられる。

本実施形態の半導体モジュールの構成を模式的に示す要部断面図。本実施形態の炭化珪素半導体装置の構成を模式的に示す断面図であり、図３のＩＩ－ＩＩ線における断面図。本実施形態の炭化珪素半導体装置の平面図。本実施形態の炭化珪素半導体装置の底面図。冷熱サイクルにおける半導体モジュールの炭化珪素半導体装置の様子を説明する図。炭化珪素半導体装置を製造する方法の一工程を示す断面図である。炭化珪素半導体装置を製造する方法の一工程を示す断面図である。炭化珪素半導体装置を製造する方法の一工程を示す断面図である。炭化珪素半導体装置を製造する他の方法の一工程を示す断面図である。炭化珪素半導体装置を製造する他の方法の一工程を示す断面図である。

図１～図４を参照し、本実施形態の半導体モジュール１００について説明する。図１に示されるように、半導体モジュール１００は、下側リードフレーム３２と、炭化珪素半導体装置１０と、導体ブロック３４と、上側リードフレーム３６と、封止体５２とを備えている。下側リードフレーム３２と炭化珪素半導体装置１０と導体ブロック３４と上側リードフレーム３６が積層しており、これらを封止体５２が封止している。このように、半導体モジュール１００は、両面冷却構造の半導体モジュールとして構成されている。

図２に示されるように、炭化珪素半導体装置１０は、炭化珪素基板１２と、炭化珪素基板１２の上面１２ａに設けられた上面電極１４と、炭化珪素基板１２の下面１２ｂに設けられた下面電極２０とを備えている。炭化珪素半導体装置１０は、いわゆるパワー半導体素子であり、炭化珪素基板１２の内部に例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）といったスイッチング素子の構造が形成されている。なお、炭化珪素基板１２の内部には、スイッチング素子の構造に加えて、又は代えて、ｐｎ接合型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の構造が形成されていてもよい。炭化珪素基板１２の内部構造については特に限定されない。

上面電極１４と下面電極２０の各々は、例えば金属材料といった導体で構成されている。上面電極１４は、炭化珪素基板１２の上面１２ａにオーミック接触している。下面電極２０も、炭化珪素基板１２の下面１２ｂにオーミック接触している。上面電極１４と下面電極２０の各々の具体的な構成は特に限定されない。上面電極１４と下面電極２０の各々は、モリブテン、ニッケル、チタン、アルミニウム、金又はその他の金属材料や、それらの金属材料の少なくとも一つを含む合金を用いて構成することができる。一例ではあるが、後述する製造方法でも説明するように、本実施形態における下面電極２０は、モリブテンとニッケルが積層した電極材料層をレーザアニールした後に、チタンと金を積層させた多層構造を有している。

炭化珪素半導体装置１０は、絶縁膜１６と保護膜１８とをさらに備えている。絶縁膜１６と保護膜１８は、炭化珪素基板１２の上面１２ａのうちの周縁側に設けられている。絶縁膜１６は、酸化シリコンといった絶縁材料で構成されており、炭化珪素基板１２の周縁に沿って枠状に延びている。保護膜１８は、エポキシ樹脂といった樹脂材料で構成されており、絶縁膜１６上に位置するとともに、炭化珪素基板１２の周縁に沿って枠状に延びている。なお、本技術の適用に関して絶縁膜１６と保護膜１８は必ずしも必要とされない。

図２及び図４に示されるように、下面電極２０は、下面電極２０の中心ＣＴを含む第１範囲２０Ａ、第１範囲２０Ａの周囲であって下面電極２０の中心ＣＴを取り囲む第２範囲２０Ｂ、及び、第２範囲２０Ｂの周囲であって下面電極２０の中心ＣＴを取り囲む第３範囲２０Ｃに区画されている。換言すると、下面電極２０のうちの第２範囲２０Ｂとして区画された範囲よりも内側が第１範囲２０Ａであり、その範囲よりも外側が第３範囲２０Ｃである。下面電極２０の第１範囲２０Ａは円形状であり、下面電極２０の第２範囲２０Ｂはリング状である。ここでいう下面電極２０の中心ＣＴとは、半導体モジュール１００の積層方向から見たとき（以下、「平面視したとき」という）の下面電極２０の中心を意味する。一例ではあるが、本実施形態の炭化珪素半導体装置１０では、下面電極２０が炭化珪素基板１２の下面１２ｂの全体に設けられているので、下面電極２０の中心ＣＴは炭化珪素半導体装置１０の中心に一致する。したがって、以下では、中心ＣＴを炭化珪素半導体装置１０の中心と記載することもある。第２範囲２０Ｂとして区画されたリングの中心は、下面電極２０の中心ＣＴに一致している。

ここで、上記した下面電極２０の第２範囲２０Ｂは、必ずしもリング状に区画される必要はない。他の実施形態として、下面電極２０の第２範囲２０Ｂは、長円、楕円又はその他の閉曲線に沿って延びるように区画されてもよい。あるいは、下面電極２０の第２範囲２０Ｂは、四角形、六角形又はその他の多角形に沿って延びるように設けられてもよい。これらの例示に限られず、下面電極２０の第２範囲２０Ｂは、下面電極２０の中心ＣＴを取り囲む閉じた経路に沿って、断続的又は連続的に設けられていればよい。そして、この閉じた経路は、曲線のみで構成されてもよいし、直線のみで構成されてもよいし、曲線と直線との組み合わせによって構成されてもよい。

下面電極２０の第２範囲２０Ｂは、下面電極２０と炭化珪素基板１２のオーミック性を改善するために実施されるレーザアニール工程において、照射されるレーザ光の照射エネルギー密度が第１範囲２０Ａ及び第３範囲２０Ｃよりも低くなるように調整された領域である。これにより、第２範囲２０Ｂにおける下面電極２０と炭化珪素基板１２の接合層の厚さが、第１範囲２０Ａ及び第３範囲の各々における下面電極２０と炭化珪素基板１２の接合層の厚さよりも薄くなる。なお、ここでいう「接合層の厚さが薄い」には、接合層が存在しない場合も含む。また、接合層とは、下面電極２０のうちのレーザアニールによってシリサイド化した領域をいう。

図６～図８を参照し、炭化珪素半導体装置１０の下面電極２０を形成する工程を説明する。まず、図６に示されるように、表面構造（各種半導体領域、各種電極など）が形成された炭化珪素基板１２を準備する。表面構造を製造する方法については、既知の製造方法を適宜採用することができる。

次に、図７に示されるように、スパッタ技術を利用して、炭化珪素基板１２の下面１２ｂにモリブテンとニッケルが積層した電極材料層１２０を成膜する電極材料層成膜工程を実施する。電極材料層１２０の厚みは、例えば５０～３００ｎｍである。電極材料層１２０は、最終的に下面電極２０となるものであり、下面電極２０と同様に、第１範囲２０Ａと第２範囲２０Ｂと第３範囲２０Ｃに区画されている。

次に、図８に示されるように、電極材料層１２０に対してレーザ光７２を照射するレーザアニール工程を実施する。照射するレーザとしては、特に限定されるものではないが、例えばＹＡＧレーザ、エキシマレーザなどが用いられてもよい。このレーザアニール工程では、電極材料層１２０の第１範囲２０Ａと第３範囲２０Ｃにレーザ光７２を照射し、電極材料層１２０の第２範囲２０Ｂにレーザ光７２を照射しないように実施される。第１範囲２０Ａと第３範囲２０Ｃに照射されるレーザ光７２の照射エネルギー密度については、例えば１．５～４．０Ｊ／ｃｍ²に調整されている。第２範囲２０Ｂに照射されるレーザ光７２の照射エネルギー密度が第１範囲２０Ａと第３範囲２０Ｃに照射されるレーザ光７２の照射エネルギー密度よりも小さい範囲内であれば、必要に応じて、第２範囲２０Ｂにレーザ光７２を照射してもよい。いずれの場合も、このレーザアニール工程では、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２の界面の温度が、第１範囲２０Ａ及び第３範囲２０Ｃよりも第２範囲２０Ｂで低くなるように実施される。レーザアニール工程の後に、表面にチタンと金を成膜して下面電極２０を完成させる。

レーザアニール工程を実施すると、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２が反応し、電極材料層１２０の一部がシリサイド化する。完成した下面電極２０のうちのシリサイド化した領域を反応層という。上記のレーザアニール工程では、下面電極２０の第２範囲２０Ｂに形成される反応層の厚みが、下面電極２０の第１範囲２０Ａと第３範囲２０Ｃに形成される反応層の厚みよりも薄くなる。

このように、第１範囲２０Ａと第３範囲２０Ｃでは、完成した下面電極２０と炭化珪素基板１２が良好にオーミック接触することができる。一方、第２範囲２０Ｂでは、完成した下面電極２０と炭化珪素基板１２のオーミック性は良好でないものの、本発明者らの研究によると、下面電極２０と炭化珪素基板１２の反応が抑えられることにより、レーザアニール工程を実施した前後においても、この部分の炭化珪素半導体装置１０の抗折強度が維持されている。これらの工程を経て、上記した炭化珪素半導体装置１０の下面電極２０を形成することができる。

図１に戻る。半導体モジュール１００では、炭化珪素半導体装置１０の下面電極２０が下側はんだ層４２を介して下側リードフレーム３２に接合しており、炭化珪素半導体装置１０の上面電極１４が上側はんだ層４４を介して導体ブロック３４に接合している。さらに、半導体モジュール１００では、導体ブロック３４と上側リードフレーム３６が、はんだ層４６を介して接合している。下側リードフレーム３２は、封止体５２の下面５２ｂにおいて外部に露出している。上側リードフレーム３６も、封止体５２の上面５２ａにおいて外部に露出している。下側リードフレーム３２と上側リードフレーム３６の各々は、半導体モジュール１００の電気回路の一部を構成するだけでなく、炭化珪素半導体装置１０の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。このように、半導体モジュール１００は、封止体５２の上面５２ａと下面５２ｂのそれぞれに放熱板が露出する両面冷却構造を有している。

下側はんだ層４２は、炭化珪素半導体装置１０の下面電極２０の全体に塗布して形成されており、下側リードフレーム３２と炭化珪素半導体装置１０の間に位置してこれらを接合している。上側はんだ層４４は、炭化珪素半導体装置１０の上面電極１４の全体に塗布して形成されており、炭化珪素半導体装置１０と導体ブロック３４の間に位置してこれらを接合している。したがって、平面視したときの下側はんだ層４２の形状は、炭化珪素半導体装置１０の下面電極２０の形状（あるいは、炭化珪素半導体装置１０の形状）に一致する。また、平面視したときの上側はんだ層４４の形状は、炭化珪素半導体装置１０の上面電極１４（あるいは、導体ブロック３４の形状）に一致する。

図１及び図３に示されるように、平面視したとき、炭化珪素半導体装置１０は下側リードフレーム３２よりも内側に位置しており、導体ブロック３４（即ち、炭化珪素半導体装置１０の上面電極１４の位置に相当する）は炭化珪素半導体装置１０よりも内側に位置している。このため、平面視したときに、下側はんだ層４２と上側はんだ層４４の形状は一致しておらず、下側はんだ層４２が上側はんだ層４４よりも面方向に広がった形態を有している。

半導体モジュール１００では、炭化珪素半導体装置１０へ断続的な通電が行われると、半導体モジュール１００の温度が繰り返し変動する（冷熱サイクル）。この温度変動に伴い、半導体モジュール１００の各構成要素は、それぞれ膨張と収縮とを繰り返す。このとき、半導体モジュール１００の各構成要素は、互いに異なる線膨張係数を有するので、半導体モジュール１００内に生じる応力分布は一様とならず、炭化珪素半導体装置１０にも局所的に高い応力が生じ得る。半導体モジュール１００では、下側リードフレーム３２と導体ブロック３４と上側リードフレーム３６の線膨張係数はいずれも、炭化珪素基板１２の炭化珪素の線膨張係数よりも大きい。例えば、下側リードフレーム３２と導体ブロック３４と上側リードフレーム３６の各々の材料には銅が用いられており、その線膨張係数は１７．７［ｐｐｍ／℃］である。一方、炭化珪素基板１２の炭化珪素の線膨張係数は、５．１［ｐｐｍ／℃］である。

図５に、半導体モジュール１００の温度が繰り返し変動するときの、炭化珪素半導体装置１０の様子を示す。

下側リードフレーム３２と導体ブロック３４は、線膨張係数が大きいので、半導体モジュール１００が昇温する時に面方向に膨張し、半導体モジュール１００が降温する時に面方向に収縮することを繰り返す。一方、炭化珪素半導体装置１０の炭化珪素基板１２は、線膨張係数が小さいので、面方向の膨張及び収縮は小さい。このような冷熱サイクルの結果、下側はんだ層４２を構成するはんだは、炭化珪素半導体装置１０の中心ＣＴ及び周縁に凝集して密となり、それらの間で粗となるように流動する。一方、上側はんだ層４４を構成するはんだは、導体ブロック３４の周縁で密となり、炭化珪素半導体装置１０の中心ＣＴで粗となるように流動する。このように、下側はんだ層４２を構成するはんだのはんだ量の疎密部分の位置と上側はんだ層４４を構成するはんだのはんだ量の疎密部分の位置が積層方向において不一致となる。

炭化珪素半導体装置１０の中心ＣＴでは、下側はんだ層４２を構成するはんだのはんだ量が密であり、上側はんだ層４４を構成するはんだのはんだ量が粗である。さらに、炭化珪素半導体装置１０の中心ＣＴの周囲では、下側はんだ層４２を構成するはんだのはんだ量が粗であり、上側はんだ層４４を構成するはんだのはんだ量が密である。これにより、炭化珪素半導体装置１０は、その中心ＣＴにおいて上側に向けて凸状に変形し、その周囲において下側に向けて凸状に変形する。この下側に向けて凸状に変形する部分は、炭化珪素半導体装置１０の中心ＣＴの周囲を取り囲むように概ねリング状である。この下側に向けて凸状に変形する部分は、引っ張り方向に変形量が大きくなっており、引張応力が加わっている。炭化珪素基板１２の材料である炭化珪素は、ヤング率の大きい材料であり、この下側に向けて凸状に変形する部分において破損が生じる可能性がある。本実施形態の炭化珪素半導体装置１０では、その下側に向けて凸状に変形する変形量が最大となる位置に対応して、下面電極２０の第２範囲２０Ｂが区画されている。なお、炭化珪素半導体装置１０の下側に向けて凸状に変形する変形量が最大となる位置は、各構成要素の材料及び寸法によって変動するが、その位置については、冷熱サイクル試験の結果、又は、シミュレーションによって把握することが可能である。

上記したように、炭化珪素半導体装置１０では、下面電極２０が第１範囲２０Ａと第２範囲２０Ｂと第３範囲２０Ｃに区画されている。下面電極２０の第１範囲２０Ａは、アクティブ領域（炭化珪素基板１２の表面にゲート構造が形成されている領域）であって電流密度が最も高い領域に対応する。上記製造方法で説明したように、炭化珪素半導体装置１０では、この第１範囲２０Ａにおいて、下面電極２０を形成するための電極材料層１２０の単位面積当たりに照射されるレーザ光の照射エネルギー密度が大きく調整されており、これにより、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２の界面の温度が十分に高くなり、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２の反応が十分に進行し、完成した下面電極２０と炭化珪素基板１２が良好にオーミック接触している。したがって、炭化珪素半導体装置１０は、低いオン抵抗を示すことができる。

下面電極２０の第２範囲２０Ｂは、炭化珪素半導体装置１０が下側に向けて凸状に変形する変形量が最大となる位置を含む領域に対応する。上記製造方法で説明したように、炭化珪素半導体装置１０では、この第２範囲２０Ｂにおいて、下面電極２０を形成するための電極材料層１２０の単位面積当たりに照射されるレーザ光の照射エネルギー密度が小さく調整されており、これにより、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２の界面の温度が低く、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２の反応が十分に進行していない。本発明者らの研究によると、この第２範囲２０Ｂにおいて、レーザアニール前後において、炭化珪素半導体装置１０の抗折強度が高く維持されている。したがって、炭化珪素半導体装置１０は、半導体モジュール１００の温度が繰り返し変動したとしても、その破損が抑えられている。

下面電極２０の第３範囲２０Ｃは、炭化珪素半導体装置１０の変形量が小さい領域である。この第３範囲２０Ｃにおいて、下面電極２０を形成するための電極材料層１２０の単位面積当たりに照射されるレーザ光の照射エネルギー密度が大きく調整されており、これにより、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２の界面の温度が十分に高くなり、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２の反応が十分に進行し、完成した下面電極２０と炭化珪素基板１２が良好にオーミック接触している。したがって、炭化珪素半導体装置１０は、低いオン抵抗を示すことができる。

上記したように、炭化珪素半導体装置１０では、少なくとも第１範囲２０Ａと第２範囲２０Ｂにおいて、電極材料層１２０の単位面積当たりに照射されるレーザ光の照射エネルギー密度が調整されることにより、第１範囲２０Ａにおける良好なオーミック性によって炭化珪素半導体装置１０が低いオン抵抗を示すとともに、第２範囲２０Ｂにおいて炭化珪素基板１２の抗折強度を高めることができ、炭化珪素半導体装置１０の破損が抑えられている。

なお、炭化珪素半導体装置１０では、下面電極２０の第２範囲２０Ｂが、炭化珪素半導体装置１０が下側に向けて凸状に変形する変形量が最大となる位置を含むように区画されていたが、この例に限らない。下面電極２０の中心ＣＴを含む位置に第１範囲を区画し、その第１範囲２０Ａの周囲であって下面電極２０の中心ＣＴを取り囲む位置に第２範囲２０Ｂを区画することにより、炭化珪素半導体装置１０が低いオン抵抗を示すとともに、炭化珪素半導体装置１０の破損が抑えられる。下面電極２０の第２範囲２０Ｂが、炭化珪素半導体装置１０が下側に向けて凸状に変形する変形量が最大となる位置を含むように区画されていると、炭化珪素半導体装置１０の破損が顕著に抑えられる。第１範囲２０Ａと第２範囲２０Ｂと第３範囲２０Ｃの位置及び形状については、炭化珪素半導体装置１０に所望される特性に応じて適宜に設定することができる。

上記で説明した製造方法では、下面電極２０を形成するときに、電極材料層１２０の単位面積当たりに照射されるレーザ光の照射エネルギー密度を調整していた。この例に代えて、図９に示されるように、電極材料層成膜工程において、電極材料層１２０の厚みが第１範囲２０Ａ及び第３範囲２０Ｃよりも第２範囲２０Ｂで厚くなるように電極材料層１２０を形成してもよい。第２範囲２０Ｂの厚みは、第１範囲２０Ａ及び第３範囲２０Ｃの厚みよりも数十ｎｍだけ厚く調整されている。この例によると、レーザアニール工程において、レーザ光の照射エネルギー密度を電極材料層１２０の全体に対して同一にしても、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２の界面の温度が、第１範囲２０Ａ及び第３範囲２０Ｃよりも第２範囲２０Ｂで低くなる。この製造方法によっても、上記した炭化珪素半導体装置１０を製造することができる。なお、レーザアニール工程の後に、エッチング技術を利用して、第２範囲２０Ｂにおける突出した部分を除去してもよい。

また、上記例に代えて、図１０に示されるように、下面電極形成工程とレーザアニール工程の間に、第２範囲２０Ｂに対応する電極材料層１２０上にマスク層６２を成膜するマスク層形成工程を実施してもよい。マスク層６２の材料は、レーザアニール工程において、電極材料層１２０の第２範囲２０Ｂに到達する照射エネルギーが低下される限りにおいて、特に限定されるものではない。マスク層６２の材料には、レーザ光に対する吸収率が電極材料層１２０よりも小さい材料、熱容量が大きい材料、熱伝導率が小さい材料が用いられるのが望ましい。例えば、マスク層６２の材料には、モリブデン、ニッケル、チタン、アルミニウム、鉄、シリコン、炭素又はそれらを含む材料が用いられる。この例によると、レーザアニール工程において、レーザ光の照射エネルギー密度を電極材料層１２０の全体に対して同一にしても、電極材料層１２０と炭化珪素基板１２の界面の温度が、第１範囲２０Ａ及び第３範囲２０Ｃよりも第２範囲２０Ｂで低くなる。この製造方法によっても、上記した炭化珪素半導体装置１０を製造することができる。

本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本明細書が開示する半導体モジュールの製造方法は、炭化珪素半導体装置とリードフレームと導体ブロックを備えた半導体モジュールに適用可能である。前記炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板を有しており、前記炭化珪素基板の下面に下面電極が設けられており、前記炭化珪素基板の上面に上面電極が設けられている。前記炭化珪素半導体装置の種類は特に限定されるものではなく、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、又は、ダイオードであってもよい。前記リードフレームは、前記炭化珪素半導体装置の前記下面電極に下側はんだ層を介して接合している。前記導体ブロックは、前記炭化珪素半導体装置の前記上面電極に上側はんだ層を介して接合している。前記リードフレームと前記導体ブロックの材料の線膨張係数はいずれも、炭化珪素の線膨張係数よりも大きくてもよい。前記リードフレームと前記炭化珪素半導体装置と前記導体ブロックの積層方向から見たときに、前記炭化珪素半導体装置は前記リードフレームよりも内側に位置しており、前記導体ブロックは前記炭化珪素半導体装置よりも内側に位置している。この半導体モジュールの製造方法は、前記炭化珪素基板の前記下面に電極材料層を成膜する電極材料層成膜工程と、前記電極材料層にレーザ光を照射するレーザアニール工程と、を有することができる。前記電極材料層は、前記電極材料層の中心を含む第１範囲と、前記第１範囲の周囲であって前記電極材料層の前記中心を取り囲む第２範囲と、を有することができる。前記第１範囲と前記第２範囲の位置及び形状は、炭化珪素半導体装置に求められる特性に応じて適宜に設定可能である。前記レーザアニール工程は、前記電極材料層と前記炭化珪素基板の界面の温度が、前記第１範囲よりも前記第２範囲で低くなるように実施される。

上記半導体モジュールの製造方法において、前記レーザアニール工程では、前記第２範囲に前記レーザ光を照射しないように実施されてもよい。この製造方法によると、前記レーザアニール工程において、前記電極材料層と前記炭化珪素基板の界面の温度が、前記第１範囲よりも前記第２範囲で低くなることができる。

上記半導体モジュールの製造方法は、前記電極材料層成膜工程と前記レーザアニール工程の間に、前記第２範囲に対応する前記電極材料層上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、をさらに備えていてもよい。前記マスク層を形成しておくことで、前記レーザアニール工程において、前記電極材料層と前記炭化珪素基板の界面の温度が、前記第１範囲よりも前記第２範囲で低くなることができる。

上記半導体モジュールの製造方法において、前記電極材料層成膜工程では、前記電極材料層の厚みが前記第１範囲よりも前記第２範囲で厚くなるように前記電極材料層を形成してもよい。この製造方法によると、前記レーザアニール工程において、前記電極材料層と前記炭化珪素基板の界面の温度が、前記第１範囲よりも前記第２範囲で低くなることができる。

上記半導体モジュールの製造方法において前記第２範囲は、冷熱サイクルによって前記炭化珪素半導体装置が下側に向けて凸状に変形する変形量が最大となる位置を含んでもよい。この場合、前記第１範囲が円形状であり、前記第２範囲がリング状であってもよい。これによると、炭化珪素半導体装置の破損が顕著に抑えられる。

本明細書が開示する半導体モジュールは、炭化珪素半導体装置とリードフレームと導体ブロックを備えることができる。前記炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板を有しており、前記炭化珪素基板の下面に下面電極が設けられており、前記炭化珪素基板の上面に上面電極が設けられている。前記炭化珪素半導体装置の種類は特に限定されるものではなく、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、又は、ダイオードであってもよい。前記リードフレームは、前記炭化珪素半導体装置の前記下面電極に下側はんだ層を介して接合している。前記導体ブロックは、前記炭化珪素半導体装置の前記上面電極に上側はんだ層を介して接合している。前記リードフレームと前記導体ブロックの材料の線膨張係数はいずれも、炭化珪素の線膨張係数よりも大きくてもよい。前記リードフレームと前記炭化珪素半導体装置と前記導体ブロックの積層方向から見たときに、前記炭化珪素半導体装置は前記リードフレームよりも内側に位置しており、前記導体ブロックは前記炭化珪素半導体装置よりも内側に位置している。前記下面電極は、前記下面電極の中心を含む第１範囲と、前記第１範囲の周囲であって前記下面電極の前記中心を取り囲む第２範囲と、を有することができる。前記第１範囲と前記第２範囲の位置及び形状は、炭化珪素半導体装置に求められる特性に応じて適宜に設定可能である。前記下面電極と前記炭化珪素基板の反応層の厚みが、前記第１範囲よりも前記第２範囲で薄い。

上記半導体モジュールにおいて、前記第２範囲は、冷熱サイクルによって前記炭化珪素半導体装置が下側に向けて凸状に変形する変形量が最大となる位置を含んでもよい。この場合、前記第１範囲が円形状であり、前記第２範囲がリング状であってもよい。これによると、炭化珪素半導体装置の破損が顕著に抑えられる。

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。また、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。

１０：炭化珪素半導体装置
１２：炭化珪素基板
１４：上面電極
２０：下面電極
２０Ａ：第１範囲
２０Ｂ：第２範囲
２０Ｃ：第３範囲
３２：下側リードフレーム
３４：導体ブロック
３６：上側リードフレーム
４２：下側はんだ層
４４：上側はんだ層
１００：半導体モジュール

Claims

炭化珪素基板を有する炭化珪素半導体装置であって、前記炭化珪素基板の下面に下面電極が設けられており、前記炭化珪素基板の上面に上面電極が設けられている、炭化珪素半導体装置と、
前記炭化珪素半導体装置の前記下面電極に下側はんだ層を介して接合するリードフレームと、
前記炭化珪素半導体装置の前記上面電極に上側はんだ層を介して接合する導体ブロックと、を備えており、
前記リードフレームと前記炭化珪素半導体装置と前記導体ブロックの積層方向から見たときに、前記炭化珪素半導体装置は前記リードフレームよりも内側に位置しており、前記導体ブロックは前記炭化珪素半導体装置よりも内側に位置している、半導体モジュールの製造方法であって、
前記炭化珪素基板の前記下面に電極材料層を成膜する電極材料層成膜工程と、
前記電極材料層にレーザ光を照射するレーザアニール工程と、を有しており、
前記電極材料層は、前記電極材料層の中心を含む第１範囲と、前記第１範囲の周囲であって前記電極材料層の前記中心を取り囲む第２範囲と、を有しており、
前記レーザアニール工程は、前記電極材料層と前記炭化珪素基板の界面の温度が、前記第１範囲よりも前記第２範囲で低くなるように実施され、
前記第２範囲は、冷熱サイクルによって前記炭化珪素半導体装置が下側に向けて凸状に変形する変形量が最大となる位置を含む、半導体モジュールの製造方法。
前記レーザアニール工程では、前記第２範囲に前記レーザ光を照射しないように実施される、請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記電極材料層成膜工程と前記レーザアニール工程の間に、前記第２範囲に対応する前記電極材料層上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、をさらに備えている、請求項１又は２に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記電極材料層成膜工程では、前記電極材料層の厚みが前記第１範囲よりも前記第２範囲で厚くなるように前記電極材料層を形成する、請求項１に記載の半導体モジュールの製造方法。
前記第１範囲が円形状であり、前記第２範囲がリング状である、請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体モジュールの製造方法。
炭化珪素基板を有する炭化珪素半導体装置であって、前記炭化珪素基板の下面に下面電極が設けられており、前記炭化珪素基板の上面に上面電極が設けられている、炭化珪素半導体装置と、
前記炭化珪素半導体装置の前記下面電極に下側はんだ層を介して接合するリードフレームと、
前記炭化珪素半導体装置の前記上面電極に上側はんだ層を介して接合する導体ブロックと、を備えており、
前記リードフレームと前記炭化珪素半導体装置と前記導体ブロックの積層方向から見たときに、前記炭化珪素半導体装置は前記リードフレームよりも内側に位置しており、前記導体ブロックは前記炭化珪素半導体装置よりも内側に位置しており、
前記下面電極は、前記下面電極の中心を含む第１範囲と、前記第１範囲の周囲であって前記下面電極の前記中心を取り囲む第２範囲と、を有しており、
前記下面電極と前記炭化珪素基板の反応層の厚みが、前記第１範囲よりも前記第２範囲で薄く、
前記第２範囲は、冷熱サイクルによって前記炭化珪素半導体装置が下側に向けて凸状に変形する変形量が最大となる位置を含む、半導体モジュール。
前記第１範囲が円形状であり、前記第２範囲がリング状である、請求項６に記載の半導体モジュール。