JP7151278B2 - Power semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、吸熱素子を備えたパワー半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a power semiconductor device having a heat absorbing element and a manufacturing method thereof.
パワー半導体素子からの発熱を吸収するように、パワー半導体素子の発熱部と冷却用ペルチェ素子とを隣接して配置した構成が知られている。 A configuration is known in which a heat generating portion of a power semiconductor element and a cooling Peltier element are arranged adjacent to each other so as to absorb heat generated from the power semiconductor element.
以下に挙げる特許文献1には、半導体素子の炭化シリコンからなる発熱部の上に、絶縁体で且つ熱伝導体である真性炭化シリコン(i-SiC)が連続して形成された半導体装置が記載されている。この構成により、半導体素子の発熱部とペルチェ素子との接触部での熱抵抗を小さくし、外部への排熱の熱流速(W/m2)を向上させている。
しかしながら、引用文献1に開示された構成をもってしても、自動車に搭載されたパワー半導体素子からの瞬間的な発熱に対して、ペルチェ素子による冷却(吸熱及び放熱)が間に合わず、結果的に、半導体素子の出力を制限せざるを得ないという問題がある。
However, even with the configuration disclosed in
本発明は、前記従来の問題を解決し、パワー半導体素子の出力を抑制することなく、当該半導体素子からの発熱を吸熱し且つ放熱できるようにすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the conventional problems described above and to absorb and dissipate heat generated from a power semiconductor element without suppressing the output of the power semiconductor element.
前記の目的を達成するため、本発明は、ペルチェ素子を構成する構成体の体積をそれぞれ増大してその熱容量を大きくする構成とする。 In order to achieve the above object, the present invention is configured to increase the volume of each component constituting the Peltier element to increase its heat capacity.
具体的に、本発明は、パワー半導体装置及びその製造方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。 Specifically, the present invention is directed to a power semiconductor device and a method of manufacturing the same, and has taken the following solutions.
すなわち、第1の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子の上面に接合されたペルチェ素子とを備えたパワー半導体装置であって、ペルチェ素子は、複数のp型半導体ブロックと複数のn型半導体ブロックとから構成され、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックは、パワー半導体素子との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成し、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックにおける高さ方向の互いに隣接する中間部分は、金属電極により電気的に接続されている。 That is, a first invention is a power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element joined to the upper surface of the power semiconductor element, the Peltier element comprising a plurality of p-type semiconductor blocks and a plurality of n-type semiconductor blocks. Each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block extends upward from the joint surface with the power semiconductor element, and is formed as a cubic column whose height is greater than the diameter of the bottom portion to increase the heat capacity. Intermediate portions adjacent to each other in the height direction of each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block are electrically connected by metal electrodes .
これによれば、各半導体ブロックは、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成する。このため、各半導体ブロックはパワー半導体素子に対して瞬間的に大きな負荷が生じた場合に、パワー半導体素子からの発熱を一時的に蓄えることができる。また、その後の軽負荷時には、各半導体ブロックに蓄えられていた熱を排熱することができる。 According to this, each semiconductor block is formed as a solid column whose height is greater than the diameter of its bottom portion, thereby forming a heat capacity body. Therefore, each semiconductor block can temporarily store heat generated from the power semiconductor element when a large load is momentarily applied to the power semiconductor element. Further, when the load is light after that, the heat stored in each semiconductor block can be exhausted .
また、これによれば、ペルチェ素子を構成する各半導体ブロックを十分な容量を持つ熱容量体として構成すると、内部抵抗による発熱が大きくなるので、各半導体ブロックの高さ方向の中間部分で電気的な接続をすれば、熱容量の増大と内部抵抗による発熱の抑制とを両立することができる。 Further , according to this, if each semiconductor block constituting the Peltier element is configured as a heat capacitor having a sufficient capacity, the heat generated by the internal resistance becomes large, so that an electrical current is generated at the intermediate portion in the height direction of each semiconductor block. By connecting, it is possible to achieve both an increase in heat capacity and suppression of heat generation due to internal resistance.
第2の発明は、上記第1の発明において、p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックは、半導体シリコンにより構成されていてもよい。 In a second invention according to the first invention, the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block may be made of semiconductor silicon.
これによれば、ペルチェ素子を安価で入手が容易な半導体材料によって形成することができる。 According to this, the Peltier element can be formed from a semiconductor material that is inexpensive and readily available.
第3の発明は、上記第1又は第2の発明において、p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックと熱的に接触する冷却部をさらに備えていてもよい。 According to a third invention, in the first or second invention, a cooling part may be further provided in thermal contact with the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block.
これによれば、各半導体ブロックが吸収した熱を冷却部を通して速やかに放熱することができる。 According to this, the heat absorbed by each semiconductor block can be quickly dissipated through the cooling portion.
また、第4の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子の上面に接合されたペルチェ素子とを備えたパワー半導体装置の製造方法であって、パワー半導体素子の上に、絶縁膜を介在させ且つパターン化された下部電極を形成する工程と、下部電極の上に、それぞれ複数のp型半導体ブロック及びn型半導体ブロックを交互に配置する工程と、交互に配置されたp型半導体ブロック及びn型半導体ブロックを上部電極により接続する工程とを備え、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックは、パワー半導体素子との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成し、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックを配置する工程よりも前に、上部電極を各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックの側面上に形成する工程をさらに備え、各上部電極は、互いに隣接する半導体ブロックの高さ方向の中間部分で電気的に接続されている。 A fourth aspect of the invention is a method of manufacturing a power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element bonded to the upper surface of the power semiconductor element, wherein an insulating film is interposed on the power semiconductor element. and forming a patterned lower electrode; alternately arranging a plurality of p-type semiconductor blocks and n-type semiconductor blocks respectively on the lower electrode; each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block extending upward from the joint surface with the power semiconductor element and having a height greater than the diameter of the bottom portion; Prior to the step of forming a heat capacitor formed as a vertical column and arranging each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block, upper electrodes are formed on the side surfaces of each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block. The upper electrodes are electrically connected to each other at intermediate portions in the height direction of the adjacent semiconductor blocks .
これによれば、パワー半導体素子の製造工程において、当該パワー半導体素子の上面にペルチェ素子を接合して形成することができる。その上、ペルチェ素子は、各半導体ブロックの高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成するので、各半導体ブロックはパワー半導体素子に対して瞬間的に大きな負荷が生じた場合に、パワー半導体素子からの発熱を一時的に蓄えることができる。また、その後の軽負荷時には、各半導体ブロックに蓄えられていた熱を排熱することができる。 According to this, in the manufacturing process of the power semiconductor element, the Peltier element can be formed by bonding to the upper surface of the power semiconductor element. In addition, since the Peltier element is formed as a cubic column in which the height of each semiconductor block is larger than the diameter of the bottom portion to form a heat capacitor, each semiconductor block momentarily causes a large load on the power semiconductor element. In this case, heat generated from the power semiconductor element can be temporarily stored. Further, when the load is light after that, the heat stored in each semiconductor block can be exhausted .
また、これによれば、ペルチェ素子を構成する各半導体ブロックを十分な容量を持つ熱容量体として構成しており、内部抵抗による発熱が大きくなるので、各半導体ブロックの高さ方向の中間部分で電気的な接続をすれば、熱容量の増大と内部抵抗による発熱の抑制とを両立することができる。 In addition, according to this, each semiconductor block constituting the Peltier element is configured as a heat capacitor having a sufficient capacity, and heat generation due to internal resistance increases. With such a connection, it is possible to achieve both an increase in heat capacity and suppression of heat generation due to internal resistance.
第5の発明は、上記第4の発明において、p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックは、半導体シリコンにより構成されていてもよい。 In a fifth aspect based on the fourth aspect, the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block may be made of semiconductor silicon.
これによれば、ペルチェ素子を安価で入手が容易な半導体材料によって形成することができる。 According to this, the Peltier element can be formed from a semiconductor material that is inexpensive and readily available.
第6の発明は、上記第4又は第5の発明において、各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックを配置する工程は、各p型半導体ブロック又は各n型半導体ブロックの配置位置に開口部を有するマスクを用いて行ってもよい。 A sixth aspect of the invention is based on the fourth or fifth aspect, wherein the step of arranging each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block includes openings at positions where each p-type semiconductor block or each n-type semiconductor block is arranged. may be performed using a mask having
これによれば、下部電極の所定の位置に、微小な半導体ブロックを効率良く配置することができる。 According to this, it is possible to efficiently arrange a minute semiconductor block at a predetermined position of the lower electrode.
本発明によれば、パワー半導体素子の出力を抑制することなく、当該半導体素子からの発熱を吸熱し且つ放熱することができる。 According to the present invention, heat generated from a power semiconductor element can be absorbed and released without suppressing the output of the power semiconductor element.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することを意図しない。また、各図面の構成部材における寸法比は、便宜上に過ぎず、必ずしも実際の構成部材における寸法比を表してはいない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. The following description of preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention, its applications or its uses. Also, the dimensional ratios of the constituent members in each drawing are for convenience only and do not necessarily represent the dimensional ratios of the actual constituent members.
(一実施形態)
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
(one embodiment)
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は一実施形態に係るパワー半導体装置の模式的な断面構成を表している。図1に示すように、パワー半導体装置1は、パワー半導体素子10と、該パワー半導体素子10の上に載置されて固着されたペルチェ素子20とを備えている。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional configuration of a power semiconductor device according to one embodiment. As shown in FIG. 1, the
パワー半導体素子10は、公知のパワーデバイスでよく、例えば、SiC-DMOSFET又はSi-IGBTを用いることができる。SiC-DMOSFETは、炭化シリコン(SiC)からなる二重拡散MOSFET(酸化金属半導体電界効果トランジスタ)であり、Si-IGBTは、シリコン(Si)からなる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである。ここで、パワー半導体素子10は、例えば、冷却部を兼ねる金属からなる基台40の上にパワー素子電極11及び高熱伝導性の接着材12を介して固着されている。基台40は、筐体の底部であってもよい。
The
ペルチェ素子20は、パワー半導体素子10の上に、それぞれ複数のドット(島)状に交互に配置された構成体であるn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pと、これらシリコン層20n、20pに交互に電流が流れるように、その下部に配置された下部電極21、及びシリコン層20n、20pの高さ方向の中間部分に配置された上部電極22とから構成されている。ここで、各シリコン層20n、20pは、半導体ブロックの一例である。また、下部電極21及び上部電極25には、例えばニッケル(Ni)を用いることができる。これら電極21、22には、ニッケル(Ni)の他にも、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、錫(Sn)、モリブデン(Mo)、銅(Cu)又は金(Au)を用いることができる。
The
ペルチェ素子20は、パワー半導体素子10の上面に、該半導体素子10と接合されている。詳細には、ペルチェ素子20は、その複数の下部電極21が、パワー半導体素子10の上面に形成された絶縁層(図示せず)を介して熱的に接続されている。すなわち、ペルチェ素子20とパワー半導体素子10とは、下部電極21を介して互いに熱的に連結されている。また、下部電極21の両端部は、直流電源53と接続されている。
The
図1に示すように、本実施形態に係るペルチェ素子20は、これを構成するn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pが、その下方に位置するパワー半導体素子10との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されている。これら立柱体の上部がペルチェ素子20の熱容量部30を構成する。
As shown in FIG. 1, the
ここで、ペルチェ素子20を構成するシリコン層20n、20pにおけるシリコン(Si)自体を熱容量部30として用いる際の、該シリコンの必要とされる重量及び体積を概算する。
Here, when silicon (Si) itself in the silicon layers 20n and 20p constituting the
まず、本実施形態に係るパワー半導体装置1が、パワー半導体素子10を6個搭載しているとする。これら6素子分の熱損失を300Wとし、各半導体素子10の平面積を1cm2とすると、1素子の1秒当たり放熱量は50W/sとなる。ペルチェ素子20の吸熱量による温度差を50℃とし、1素子分の50Wを1秒間で吸熱するには、シリコンの比熱が約0.713J/g・Kであるため、1素子分のペルチェ素子20に必要なシリコンの重量は約1.4gとなる。また、シリコンの密度は約2.3g/cm3であるので、1素子分のペルチェ素子20に必要なシリコンの体積は約0.6cm3となる。
First, it is assumed that the
ここで、パワー半導体素子10の1素子分の平面積を1cm3、ペルチェ素子20の平面積もほぼ1cm3とし、シリコン層20n、20pをそれぞれ32ブロック、併せて64ブロック分を直列に配置するとする。このとき、半導体ブロックの1辺を1.2mm程度の正方形とすると、その高さは、約6.3mmとなる。本願発明者は、シリコンのゼーベック係数、電気抵抗及び熱コンダクタンス等の物性値、並びにペルチェ素子20の表裏面間の温度差等を勘案して、12Vの直流電圧で駆動する場合には、64ブロックの直列配列が好適であるとの知見を得ている。
Here, if the plane area of one
また、上述したように、ペルチェ素子20における複数の上部電極22は、互いに隣接するシリコン層20n、20pの高さ方向の中間部分で電気的に接続されている。このように、上部電極22を各シリコン層20n、20pの上端部ではなく、中間部分に設けると、ペルチェ素子20を構成する各シリコン層20n、20pを十分な容量を持つ熱容量部30として構成した場合に、各シリコン層20n、20pの内部抵抗による発熱が大きくなるおそれがある。そこで、各シリコン層20n、20pの中間部分において上部電極22で接続すると、ペルチェ素子20に対して、熱容量の増大と内部抵抗による発熱の抑制とを両立することができる。
In addition, as described above, the plurality of
また、それぞれペルチェ素子20が接合された複数個のパワー半導体素子10は、筐体の内部に封止されてもよい。図1に示すように、筐体の蓋体50が、熱容量部30の上面と接触してもよい。蓋体50に比較的に熱伝導率が高い、例えばアルミニウムのような金属を用いれば、筐体内及び熱容量部30からの熱を、蓋体50を通して外部に放熱することが可能となる。
Also, the plurality of
-効果-
このように、本実施形態に係るパワー半導体装置1によると、パワー半導体素子10と接合され、熱的に連結されたペルチェ素子20は、その構成体であるn型シリコン層20n及びp型シリコン層20pの上部が上方に延長されて構成された熱容量部30と熱的に接続される。これにより、この熱容量部30が、パワー半導体素子10からの放熱の熱流束を瞬間的に上回るピークを持つ熱量を一時的に貯留することができる。さらに、この熱量のピークが過ぎた後、車両の場合は数秒以内の後には、ペルチェ素子20における直流電源53の極性を反転することにより、熱容量部30に貯留された熱をパワー半導体素子10側から放熱することができる。従って、当該パワー半導体素子10に対してその出力(能力)を十分に引き出すことが可能となる。
-effect-
As described above, according to the
図2に、例えば、IGBTからなる複数のパワー半導体素子10を用いたパワーモジュールを車両に搭載した場合の、モータトルクの要求仕様値とパワー半導体素子10の発熱温度との関係を示す。ここで、破線のグラフはモータトルクの要求仕様値(右縦軸)であり、実線のグラフはパワー半導体素子10の温度(左縦軸)である。図2に示すように、モータへの3秒間程度のトルク要求に対して、パワー半導体素子10が60℃程度から90℃程度にまで上昇する。このときの温度の上昇率は約40℃/sである。インバータシステムの構成によっては、110℃程度まで上昇する場合もあり、本実施形態では、ペルチェ素子20に電気エネルギーを瞬間的(間欠的)に付与することにより、このピーク部分の熱を熱容量部30に放熱する(図1の矢印T1を参照。)。また、パワー半導体素子10の温度が60℃程度の定常状態の下では、熱容量部30に蓄熱された熱を上面の蓋体50を通して放熱すると共に、ペルチェ素子20の上部電極22から吸熱して、下部電極21、パワー半導体素子10、パワー素子電極11、及び接着材12等を通して、冷却部である基台40に放熱する(図1の矢印T2を参照。)。
FIG. 2 shows the relationship between the required specification value of motor torque and the heat generation temperature of the
(製造方法)
以下、本実施形態に係る製造方法について図面を参照しながら説明する。
(Production method)
The manufacturing method according to this embodiment will be described below with reference to the drawings.
製造方法においては、パワー半導体素子10としてDMOSFETを用い、このパワー半導体素子10の上にペルチェ素子20を接合して形成する。
In the manufacturing method, a DMOSFET is used as the
図3に本実施形態に係るパワー半導体素子10の要部の断面構成の一例を示す。図3に示すように、パワー半導体素子10は、n+型SiCからなるバルク層(コンタクト層)320と、該バルク層320の上にエピタキシャル成長したn型SiCからなり、耐圧を規制するドリフト層330と、該ドリフト層330の上にエピタキシャル成長したi型SiCからなる絶縁性の熱伝導層370とを有している。ここでは、n+型SiCの不純物濃度は、例えば、1.0×1018cm-3程度としてもよく、n型SiCは、1.0×1016cm-3程度としてもよい。また、ドリフト層330の厚さは、10μm程度としてもよい。
FIG. 3 shows an example of a cross-sectional configuration of a main part of the
ドリフト層330の表面上で、且つ熱伝導層370から部分的に露出した領域(電極形成領域)の上には、ゲート絶縁膜380aを介したゲート電極390が選択的に形成されている。該ゲート電極390及びゲート絶縁膜380aは、絶縁膜380bにより覆われている。ゲート電極390は、多結晶シリコン(Poly-Si)でもよく、多結晶炭化シリコン(Poly-SiC)、アルミニウム(Al)又は銅(Cu)であってもよい。また、ゲート絶縁膜380aは、酸化シリコン(SiO2)でもよく、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(Si3N4)、窒化ボロン(BN)又はダイヤモンド(C)であってもよい。
A
さらに、ドリフト層330の上で、且つ熱伝導層370同士の間の電極形成領域には、例えばニッケル(Ni)からなるソース電極400が絶縁膜380bを覆うように形成されている。
Furthermore, a
ドリフト層330の上部には、各熱伝導層370とこれと対向するゲート絶縁膜380aの端部との間に、それぞれp型のボディ層340が形成されている。各ボディ層340の上部には、ゲート絶縁膜380a側にn+型のソース層350がそれぞれ形成され、該ソース層350と隣接して熱伝導層370側に、耐圧向上のためのp+領域360がそれぞれ形成されている。各ソース層350は、その上に形成されているソース電極400とオーミック接触する。また、バルク層320の裏面上には、例えばニッケル(Ni)からなるドレイン電極310が形成されている。これらボディ層340、ソース層350及びp+領域360は、それぞれ、公知のリソグラフィ法及びイオン注入法等によって形成することができる。ここで、ボディ層340のp型の不純物濃度は、例えば、1.0×1016cm-3程度としてもよく、また、ソース層350のn型の不純物濃度は、例えば、1.0×1020cm-3程度としてもよい。
A p-
DMOSFETにおいては、ゲート電極390に所定の電圧が引加されて、p型のボディ層340におけるゲート絶縁膜380aとの境界部分に反転層であるn型のチャネル領域340aが形成される。その結果、動作電流は、ドレイン電極310、バルク層320、ドリフト層330、チャネル領域340a、ソース層350及びソース電極400の順に流れる。この電流経路においては、チャネル領域340aにおけるチャネル抵抗とドリフト層330におけるドリフト抵抗とが大きい。従って、該チャネル抵抗及び該ドリフト抵抗によるジュール熱が、パワー半導体素子10の全体の発熱量に高い割合で占める。
In the DMOSFET, a predetermined voltage is applied to the
次に、図4に示すように、ウエハ状態にあって、例えば酸化シリコン(SiO2)からなる絶縁膜170が最表面に形成されたパワー半導体素子10に対して、下部電極21を形成して所定のパターニングを行う。
Next, as shown in FIG. 4, a
まず、下部電極21には、例えば、銅(Cu)をターゲット材とするスパッタリング法を用いて、厚さが70μm程度の銅膜を形成する。
First, a copper film having a thickness of about 70 μm is formed on the
続いて、形成した銅膜の上にレジストを塗布して第1レジスト膜101を形成し、リソグラフィ法により、第1レジスト膜101に所定の下部電極パターンを形成する。その後、パターン化された第1レジスト膜101をマスクとして、塩化第二鉄(塩化鉄(III):FeCl3)溶液や酸性溶液を用いてエッチングを行って、図4に示す所定のパターンを有する下部電極21を得る。
Subsequently, a resist is applied on the formed copper film to form a first resist
次に、図5に示すように、第1レジスト膜101を除去し、その後、下部電極21が形成されたパワー半導体素子10の上に、例えば、化学気層堆積(MOCVD)法を用いて、酸化シリコン(SiO2)又は窒化シリコン(SiN)からなる絶縁膜23Aを成膜する。絶縁膜23Aの膜厚は、上部電極22の下端部の位置を決定する。ここでは、絶縁膜23Aの膜厚は、13μm程度としてもよい。
Next, as shown in FIG. 5, the first resist
続いて、成膜した絶縁膜23Aの上に、銅スパッタリング法を用いて、厚さが100μm程度の銅からなる上部電極形成膜22Aを形成する。
Subsequently, an upper
続いて、上部電極形成膜22Aの上にレジストを塗布して第2レジスト膜102を形成し、リソグラフィ法により、第2レジスト膜102に所定の上部電極パターンを形成する。
Subsequently, a resist is applied on the upper
次に、図6に示すように、第2レジスト膜102をマスクとして、上部電極形成膜22Aに対してエッチングを行って、第1上部電極22aを形成する。ここでは、銅からなる上部電極形成膜22Aのエッチングにはドライエッチングを用いる。このドライエッチングは、エッチングガスに、塩素(Cl2)又は四塩化炭素(CCl4)等を含むガスを用いた減圧プラズマエッチングであってもよい。
Next, as shown in FIG. 6, using the second resist
次に、図7に示すように、第3レジスト膜103を、絶縁膜23Aの上における第1上部電極22a同士の間の領域に形成する。第3レジスト膜103の幅は、絶縁膜23Aに対して、パターン化された下部電極21を共有するシリコン層20n、20pの下部領域同士を絶縁する絶縁幅を規制する。
Next, as shown in FIG. 7, a third resist
続いて、第2レジスト膜102及び第3レジスト膜103をマスクとして、絶縁膜23Aに対してドライエッチングを行う。絶縁膜23Aが酸化シリコンの場合は、例えば、フッ化炭素(CF4)をエッチングガスとするプラズマエッチング法、また、絶縁膜23Aが窒化シリコンの場合は、例えば、フッ化炭素(CF4)と酸素(O2)との混合ガス、又はフッ化硫黄(SF6)等をエッチングガスとするプラズマエッチング法によりエッチングを行う。その後、各レジスト膜102、103を除去して、図8に示す絶縁支持部23a及び下部絶縁膜23bを得る。
Subsequently, using the second resist
一方、図9に示すように、径が8cm程度で、厚さが6.2mm程度の単結晶シリコンからなるインゴット20Aから、底辺が最大で0.98mm程度の立柱体状にダイシングすることにより、複数のn型シリコン層20nを切り出す。ここでは、予めインゴット20Aを所定の不純物濃度を有するn型としておく。図示はしないが、p型の単結晶シリコンからなるインゴット(図示せず)から、同様にして、複数のp型シリコン層20pを切り出す。
On the other hand, as shown in FIG. 9, an
次に、図10に示すように、各シリコン層20n、20pの少なくとも側面及び底面に対して、例えばイオン注入を行って、下部電極21及び上部電極22とのコンタクト用の高濃度ドーピング層20hを形成する。n型シリコン層20nのドーパントには、例えば燐(P)を用いることができ、p型シリコン層20pのドーパントには、例えばホウ素(B)を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 10, at least side surfaces and bottom surfaces of the silicon layers 20n and 20p are subjected to ion implantation, for example, to form high-
続いて、スパッタリング法により、銅からなる第2上部電極22bをp型シリコン層20pの一方の側面の第1上部電極22a(図8を参照。)と対向する領域に形成する。また、n型シリコン層20nの第2上部電極22bは、p型シリコン層20pの第2上部電極22bと対向して接続できるように、p型シリコン層20pとは反対側の側面(図10では左側)に形成する。なお、第2上部電極22bには、めっき法(電界めっき又は無電界めっき)を用いることができる。
Subsequently, a second
次に、複数の下部電極21の上に、n型シリコン層20nとp型シリコン層20pとをそれぞれ所定の位置に配置する。
Next, an n-
ここでは、図11~図14に示すように、例えば、下部電極21の上にそれぞれ配置されるn型シリコン層20n又はp型シリコン20pの各配置位置と対応する複数の開口部60aを有するマスク60を用いる。マスク60における開口パターンは、1種類であってもよい。この場合、例えばp型シリコン20pを配置する際には、n型シリコン層20nの配置位置に対して、平面視で1列分だけ左方向又は右方向にずらして使用すればよい。また、当該マスク60の構成材料には金属膜を用いてもよい。この場合、複数の開口部60aはエッチングにより形成してもよい。
Here, as shown in FIGS. 11 to 14, for example, a mask having a plurality of
まず、図11に示すように、マスク60を、その各開口部60aが下部電極21におけるn型シリコン層20nの各配置位置と一致するように、下部電極21の上方に保持する。続いて、マスク60の各開口部60aを通して、その下方の下部電極21の上に、クリームはんだ等の流動性(粘性)を持つはんだ材24の必要量を塗布又は滴下する。
First, as shown in FIG. 11, the
次に、図12に示すように、n型シリコン層20nの配置位置と一致するように保持されたマスク60の各開口部60aを通して、それぞれn型シリコン層20nを下部電極21上のはんだ材24の上に載置する。
Next, as shown in FIG. 12, the n-
次に、図13に示すように、マスク60を、その各開口部60aが下部電極21におけるp型シリコン層20pの各配置位置と一致するように、絶縁性基板23上の上方に保持する。ここでは、マスク60の保持位置をn型シリコン層20nの場合と比べて、1列分だけ左方向にずらしている。続いて、マスク60の各開口部60aを通して、その下方の下部電極21の上に、はんだ材24を塗布又は滴下する。
Next, as shown in FIG. 13, the
次に、図14に示すように、p型シリコン層20pの配置位置と一致するように保持されたマスク60の各開口部60aを通して、それぞれp型シリコン層20pを下部電極21上のはんだ材24の上に載置する。
Next, as shown in FIG. 14, the p-
その後、マスク60を除去し、上方から各シリコン層20n、20pを押圧しながら所定の温度に加熱して、はんだ材24を硬化する。これにより、各シリコン層20n、20pが下部電極21と固着する。これにより、図15に示す状態のペルチェ素子20の複数の半導体ブロックを得る。
Thereafter, the
なお、図14及び図15に示すように、行方向(図中のx方向)に互いに隣接する各シリコン層20n、20pにおける下部絶縁膜23bとそれぞれ反対側の側面に設けられて対向する第2上部電極22b同士が、第1上部電極22aを挟んで電気的に接続される構成を採る。従って、図12に示すn型シリコン層20n及び図14に示すp型シリコン層20pのマスク60を用いた各配置工程においては、それぞれ側面上の第2上部電極22bが対向するように配置する必要がある。
As shown in FIGS. 14 and 15, the
また、図14において、例えば、下から1行目の右端に位置するn型シリコン層20nと下から2行目の右端に位置するp型シリコン層20pとにおいても、列方向(図中のy方向)に互いに対向する側面に第1上部電極22a及び第2上部電極22bを設けておき、直列に接続できるようにする。下から2行目の左端に位置するn型シリコン層20nと下から3行目の左端に位置するp型シリコン層20pとにおいても同様であり、全8行分を直列に接続する。
In FIG. 14, for example, in the n-
次に、図16に示すように、各シリコン層20n、20p、下部電極21、第1上部電極22a及び第2上部電極22bに対して、温度が約220℃で、180秒間程度のシンタリングを行う。これにより、第1上部電極22aと第2上部電極22bとが接合された上部電極22を得る。
Next, as shown in FIG. 16, the silicon layers 20n and 20p, the
次に、図17に示すように、本実施形態に係るパワー半導体装置1は、一例として、2組の3アーム構成のインバータ装置を搭載するモジュールとしている。すなわち、それぞれペルチェ素子20が接合された6個のパワー半導体素子10を含むインバータ装置を、外部端子52を有する筐体51内に配設する。なお、図17においては、配線の図示を省略している。
Next, as shown in FIG. 17, the
-効果(製造方法)-
上述したように、本実施形態に係るパワー半導体装置1の製造方法によると、パワー半導体素子10の製造プロセスにおいて、パワー半導体素子10の上面に、熱容量体30を構成する各シリコン層20n、20pを有するペルチェ素子20を接合して形成することができる。その上、ペルチェ素子20は、各シリコン層20n、20pの高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体30を構成するので、各シリコン層20n、20pはパワー半導体素子10に対して瞬間的に大きな負荷が生じた場合に、パワー半導体素子10からの発熱を一時的に蓄えることができる。また、その後の軽負荷時には、各半導体ブロックに蓄えられていた熱を排熱することができる。
- Effect (manufacturing method) -
As described above, according to the method of manufacturing the
本発明は、パワー半導体素子の出力を抑制することなく、当該半導体素子からの発熱を吸熱し且つ放熱でき、車両用のパワー半導体装置として特に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can absorb and dissipate heat generated from a power semiconductor element without suppressing the output of the power semiconductor element, and is particularly useful as a power semiconductor device for vehicles.
1 パワー半導体装置
10 パワー半導体素子
11 パワー素子電極
13 ペルチェ素子接続用ソース電極
20 ペルチェ素子
20h 高濃度ドーピング層
20n n型シリコン層(立柱体/半導体ブロック)
20p p型シリコン層(立柱体/半導体ブロック)
21 下部電極
22 上部電極
22a 第1上部電極
22b 第2上部電極
23A 絶縁膜
23a 絶縁支持部
23b 絶縁壁
24 はんだ材
30 熱容量部(熱容量体)
40 基台(冷却部)
50 蓋体
51 筐体
60 マスク
60a 開口部
1
20p p-type silicon layer (cylinder/semiconductor block)
21
40 base (cooling part)
50
Claims (6)
前記ペルチェ素子は、複数のp型半導体ブロックと複数のn型半導体ブロックとから構成され、
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックは、前記パワー半導体素子との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成し、
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックにおける高さ方向の互いに隣接する中間部分は、金属電極により電気的に接続されているパワー半導体装置。 A power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element bonded to the upper surface of the power semiconductor element,
The Peltier element is composed of a plurality of p-type semiconductor blocks and a plurality of n-type semiconductor blocks,
Each of the p-type semiconductor blocks and each of the n-type semiconductor blocks extends upward from the joint surface with the power semiconductor element and is formed as a cubic column whose height is greater than the diameter of its bottom portion to form a heat capacitor. ,
A power semiconductor device , wherein middle portions of the p-type semiconductor blocks and the n-type semiconductor blocks adjacent to each other in the height direction are electrically connected by metal electrodes .
前記p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックは、半導体シリコンにより構成されているパワー半導体装置。 In the power semiconductor device according to claim 1 ,
The power semiconductor device, wherein the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block are made of semiconductor silicon.
前記p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックと熱的に接触する冷却部をさらに備えているパワー半導体装置。 In the power semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
A power semiconductor device further comprising a cooling part in thermal contact with the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block.
前記パワー半導体素子の上に、絶縁膜を介在させ且つパターン化された下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に、それぞれ複数のp型半導体ブロック及びn型半導体ブロックを交互に配置する工程と、
交互に配置された前記p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックを上部電極により接続する工程とを備え、
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックは、前記パワー半導体素子との接合面から上方に延びると共に、その高さが底部の径よりも大きい立柱体として形成されて熱容量体を構成し、
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックを配置する工程よりも前に、前記上部電極を前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックの側面上に形成する工程をさらに備え、
前記各上部電極は、互いに隣接する半導体ブロックの高さ方向の中間部分で電気的に接続されているパワー半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a power semiconductor device comprising a power semiconductor element and a Peltier element bonded to the upper surface of the power semiconductor element,
forming a patterned lower electrode with an insulating film interposed on the power semiconductor element;
alternating a plurality of p-type semiconductor blocks and n-type semiconductor blocks on the lower electrode;
connecting the alternately arranged p-type semiconductor blocks and n-type semiconductor blocks with upper electrodes;
Each of the p-type semiconductor blocks and each of the n-type semiconductor blocks extends upward from the joint surface with the power semiconductor element and is formed as a cubic column whose height is greater than the diameter of its bottom portion to form a heat capacitor. ,
forming the upper electrodes on side surfaces of the p-type semiconductor blocks and the n-type semiconductor blocks before the step of arranging the p-type semiconductor blocks and the n-type semiconductor blocks;
The method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the upper electrodes are electrically connected to each other at intermediate portions in the height direction of adjacent semiconductor blocks .
前記p型半導体ブロック及びn型半導体ブロックは、半導体シリコンにより構成されているパワー半導体装置の製造方法。 In the method for manufacturing a power semiconductor device according to claim 4 ,
A method of manufacturing a power semiconductor device, wherein the p-type semiconductor block and the n-type semiconductor block are made of semiconductor silicon.
前記各p型半導体ブロック及び各n型半導体ブロックを配置する工程は、
前記各p型半導体ブロック又は各n型半導体ブロックの配置位置に開口部を有するマスクを用いて行うパワー半導体装置の製造方法。 In the method for manufacturing a power semiconductor device according to claim 4 or 5 ,
The step of arranging each p-type semiconductor block and each n-type semiconductor block includes:
A method of manufacturing a power semiconductor device using a mask having openings at positions where the p-type semiconductor blocks or the n-type semiconductor blocks are arranged.
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