JP7400267B2

JP7400267B2 - 半導体装置

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Publication number: JP7400267B2
Application number: JP2019154877A
Authority: JP
Inventors: 洋明吉澤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2039-08-27
Also published as: JP2021034614A

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、半導体素子が開示されている。この半導体素子では、半導体基板上に複数の信号配線やそれを覆う保護膜を含む表面構造が設けられている。

半導体素子は、半導体装置に組み込まれ、封止体の内部に封止される。半導体装置では、温度に応じて各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、半導体基板と表面構造との間には、大きなせん断応力が生じ易く、例えば主電極及び信号配線といった複数の導電膜には、弾性域を超える大きな変形（即ち、塑性変形）が生じ得る。

特許文献１の半導体素子では、主電極と信号配線との間に、電極及び信号配線とは電気的に独立したダミー配線といった導電膜が設けられている。これにより、上記した応力が生じた場合に、主電極が塑性変形し、それに伴い主電極と信号配線との間に短絡が生じることを防止する。

特開２００５－１１６９６２号公報

上記したような半導体素子では、各々の導電膜に塑性変形が生じると、主電極と信号配線とが直接的又は間接的に（例えばダミー配線を介して）接触し、それらの間で短絡するおそれがある。本明細書は、導電膜間において短絡が生じることを回避又は抑制し得る技術を提供する。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を封止する封止体とを備える。半導体素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられた第１導電膜及び第２導電膜とを備える。絶縁膜の表面は、第１導電膜が設けられた第１領域と、第２導電膜が設けられた第２領域と、第１領域及び第２領域の間に位置する第３領域とを有している。第３領域は、第２領域に対して突出している。

上記した構造によると、絶縁膜の表面に、少なくとも一つの段差（高低差）が存在しており、その段差の両側に、第１導電膜と第２導電膜とが分配されている。このような構成によると、絶縁膜の表面における第１導電膜と第２導電膜との間の沿面距離が延長されるので、各導電膜に塑性変形が生じたとしても、導電膜間において短絡が生じることが回避又は抑制される。

実施例１の半導体装置１０の外観を示す平面図。図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図。図２のＩＩＩ部における拡大図。半導体素子１２を示す平面図。半導体素子１２における絶縁膜３４のいくつかの変形例を示す断面図。実施例２の半導体装置における半導体素子１１２の内部構成を示す断面図。半導体素子１１２における絶縁膜１３４の一変形例を示す断面図。

本技術の一実施形態において、半導体素子は、半導体基板上に設けられた保護膜をさらに備えてもよい。この場合、保護膜は、半導体基板の周縁に沿って延びるとともに、絶縁膜上に設けられた導電膜を少なくとも部分的に覆ってもよい。但し、半導体素子に保護膜が設けられていると、半導体基板と表面構造とに生じる熱変形の違いにより、半導体基板と表面構造との間において剥離が生じ得る。通常、半導体基板と表面構造との間の剥離は、保護膜の外周縁を起点として発生し、半導体素子の内側に向けて進展する。そして、その剥離が導電膜に達してしまうと、半導体素子の動作不良又は不能といった不具合が生じ得る。

この問題を回避又は抑制するために、上記した実施形態において、絶縁膜の表面に突出部が設けられてもよい。この突出部は、導電膜と保護膜の外周縁との間に位置するとともに、保護膜の外周縁に沿って連続的又は断続的に延びており、かつ、保護膜の表面に露出する高さを有してもよい。このような構成によると、半導体基板と表面構造との間の剥離が、保護膜の外周縁を起点として発生したときでも、その剥離を突出部によって保護膜の外部へ誘導することができる。これにより、半導体基板と表面構造との間の剥離が、導電膜に達することを回避又は抑制することができる。なお、ここでいう導電膜は、前述した第１導電膜又は第２導電膜であってもよいし、絶縁膜上に設けられた他の導電膜であってもよい。

（実施例１）図面を参照して、実施例１の半導体装置１０について説明する。この半導体装置１０は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。なお、本明細書における電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。

図１、図２に示すように、半導体装置１０は、半導体素子１２に加え、半導体素子１２を封止する封止体１４を備える。封止体１４は、絶縁性の材料で構成されている。特に限定されないが、本実施例における封止体１４は、例えばエポキシ樹脂といった封止用材料で構成されており、その中にはシリカといった添加物が含有されている。封止体１４は、概して板形状を有しており、上面１４ａ、下面１４ｂ、第１端面１４ｃ、第２端面１４ｄ、第１側面１４ｅ及び第２側面１４ｆを有する。

半導体素子１２は、パワー半導体素子であって、半導体基板１２ａと上面電極１２ｂと下面電極１２ｃとを有する。上面電極１２ｂは、半導体基板１２ａの上面に位置しており、下面電極１２ｃは、半導体基板１２ａの下面に位置している。上面電極１２ｂと下面電極１２ｃは、半導体基板１２ａを介して互いに電気的に接続される。特に限定されないが、本実施例における半導体素子１２は、スイッチング素子であり、上面電極１２ｂと下面電極１２ｃとの間を、選択的に導通及び遮断することができる。半導体基板１２ａの種類については特に限定されない。半導体基板１２ａは、例えばシリコン（Ｓｉ）基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板又は窒化物半導体基板であってもよい。上面電極１２ｂ及び下面電極１２ｃについては、例えばアルミニウム、ニッケル又は金といった、一又は複数種類の金属を用いて構成されることができる。

一例ではあるが、本実施例における半導体素子１２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であり、その半導体基板１２ａには炭化シリコンの基板が採用されている。上面電極１２ｂは、半導体基板１２ａ内に構成されたＭＯＳＦＥＴ構造のソースに接続されており、下面電極１２ｃは、ＭＯＳＦＥＴ構造のドレインに接続されている。なお、半導体素子１２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴであってもよい。この場合、上面電極１２ｂは、半導体基板１２ａ内に構成されるＩＧＢＴのエミッタに接続され、下面電極１２ｃは、ＩＧＢＴ構造のコレクタに接続される。半導体素子１２の種類や具体的な構造については、ここで例示したものに限られず、様々に変更することができる。また、半導体装置１０は、例えばＭＯＳＦＥＴとダイオードとの組み合わせといった、二以上の半導体素子を有してもよい。

半導体装置１０は、第１導体板１６と第２導体板１８とをさらに備える。第１導体板１６と第２導体板１８は、例えば金属といった導体で構成されている。第１導体板１６と第２導体板１８は、封止体１４によって保持されており、半導体素子１２を挟んで互いに対向している。第１導体板１６の上面１６ａは、封止体１４の内部に位置しており、半導体素子１２の下面電極１２ｃにはんだ層１３を介して接合されている。第１導体板１６の下面１６ｂは、封止体１４の下面１４ｂに露出している。これにより、第１導体板１６は、半導体素子１２と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子１２の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。

第２導体板１８の下面１８ｂは、封止体１４の内部に位置しており、導体スペーサ２０を介して、半導体素子１２の上面電極１２ｂに接続されている。なお、第２導体板１８の下面１８ｂは、はんだ層１７を介して導体スペーサ２０に接合されており、導体スペーサ２０は、はんだ層１５を介して半導体素子１２の上面電極１２ｂに接合されている。第２導体板１８の上面１８ａは、封止体１４の上面１４ａに露出している。第１導体板１６と同様に、第２導体板１８は、半導体素子１２と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子１２の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。

半導体装置１０は、第１電力端子２２と、第２電力端子２４と、複数の信号端子２６とを備える。第１電力端子２２及び第２電力端子２４は、封止体１４の第１端面１４ｃから突出している。第１電力端子２２は、封止体１４の内部において第１導体板１６と電気的に接続されており、第２電力端子２４は、封止体１４の内部において第２導体板１８と電気的に接続されている。これにより、第１電力端子２２と第２電力端子２４との間は、半導体素子１２を介して電気的に接続されている。複数の信号端子２６は、封止体１４の第２端面１４ｄから突出している。各々の信号端子２６は、例えばワイヤボンディングによって、半導体素子１２の信号パッド（図示省略）と電気的に接続されている。

次に、図３、図４を参照して、半導体素子１２の細部について説明する。図３、図４に示すように、半導体素子１２は、半導体基板１２ａ上に順に設けられた絶縁膜３４及び保護膜３０と、絶縁膜３４と保護膜３０との間に設けられた複数の導電膜３２とを備える。保護膜３０は、絶縁体で構成されており、一例ではあるが、本実施例にはポリイミド樹脂が採用されている。保護膜３０は、導電膜３２を少なくとも部分的に覆う。具体的には、保護膜３０は、半導体基板１２ａの外周縁１２ｅに沿って、枠状に設けられており、上面電極１２ｂを露出させる開口３０ｗを画定している。

複数の導電膜３２には、前述の上面電極１２ｂの他、ゲート配線１２ｇなどが含まれる。ゲート配線１２ｇは、外部から入力されるゲート信号の伝送線であり、半導体基板１２ａに設けられたＭＯＳＦＥＴ構造のゲートに接続されている。ゲート配線１２ｇは、上面電極１２ｂの周縁に沿って設けられており、平面視において上面電極１２ｂを取り囲んでいる。各々の導電膜３２は、少なくとも部分的に、半導体基板１２ａと保護膜３０との間に位置している。これらの導電膜３２は、アルミニウムで構成されている。但し、導電膜３２を構成する材料は、アルミニウムに限定されない。導電膜３２は、アルミニウムに代えて、又は加えて、その他の金属で構成されてもよいし、金属以外の他の導電性を有する材料を用いて構成されてもよい。ここで、上面電極１２ｂは、本明細書が開示する技術における第１導電膜の一例であり、ゲート配線１２ｇは、本明細書が開示する技術における第２導電膜の一例である。

また、半導体基板１２ａと導電膜３２との間には、絶縁膜３４（例えば、酸化シリコン膜）が形成されており、導電膜３２（上面電極１２ｂを除く）は、半導体基板１２ａから電気的に絶縁されている。絶縁膜３４の外周縁３４ｅは、半導体基板１２ａの外周縁１２ｅに沿って延びている。なお、絶縁膜３４の表面３４ａは、第１領域ａ１と第２領域ａ２と第３領域ａ３とを有する。第１領域ａ１には、上面電極１２ｂが設けられており、第２領域ａ２には、ゲート配線１２ｇが設けられている。第３領域ａ３は、第１領域ａ１と第２領域ａ２との間に位置する領域であって、第１領域ａ１及び第２領域ａ２に対して突出した突条形状を有している。言い換えると、第３領域ａ３の高さ（即ち、突条形状の頂面部分）は、第１領域ａ１及び第２領域ａ２の高さよりも高い。従って、絶縁膜３４の表面３４ａの第３領域ａ３には、二つの段差（高低差）３４ｓが存在しており、それらの段差３４ｓの両側に、上面電極１２ｂとゲート配線１２ｇがそれぞれ設けられている。

半導体素子１２は、半導体装置１０に組み込まれ、封止体１４の内部に封止される。半導体装置１０では、温度に応じて各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、半導体基板１２ａと表面構造（保護膜３０や導電膜３２）との間には、大きなせん断応力が生じ易く、上面電極１２ｂ及びゲート配線１２ｇといった複数の導電膜３２には、弾性域を超える大きな変形（即ち、塑性変形）が生じ得る。半導体素子１２では、各々の導電膜３２に塑性変形が生じると、上面電極１２ｂとゲート配線１２ｇとが直接的及び間接的に電気的に接触し、それらの間で短絡するおそれがある。

上記の課題を鑑み、実施例１の半導体装置１０における半導体素子１２では、絶縁膜３４の表面３４ａに、二つの段差３４ｓが存在しており、それらの段差３４ｓの両側に、上面電極１２ｂとゲート配線１２ｇとが分配されている。このような構成によると、絶縁膜３４の表面３４ａにおける上面電極１２ｂとゲート配線１２ｇとの間の沿面距離が延長されるので、各導電膜３２に塑性変形が生じたとしても、導電膜３２間において短絡が生じることが回避又は抑制される。

実施例１における絶縁膜３４の形状は、様々に変形可能である。図５を参照して、絶縁膜３４のいくつかの変形例について説明する。図５（ａ）に示すように、絶縁膜３４の表面３４ａでは、上記した突条形状を有する第３領域ａ３が、上面電極１２ｂ及び／又はゲート配線１２ｇに接触してもよい。即ち、上面電極１２ｂ及び／又はゲート配線１２ｇは、第３領域ａ３の段差３４ｓに接触してもよい。

あるいは、図５（ｂ）に示すように、絶縁膜３４の表面３４ａでは、ゲート配線１２ｇ（即ち、第２領域ａ２）よりも外側（即ち、反上面電極１２ｂ側）に位置する第４領域ａ４に、他の突条が設けられてもよい。これにより、ゲート配線１２ｇの外側にも、少なくとも一つの段差３４ｓを設けることができる。さらに、図５（ｃ）に示すように、突条形状を有する第４領域ａ４が、ゲート配線１２ｇに接触してもよい。即ち、ゲート配線１２ｇが、第４領域ａ４の段差３４ｓに接触していてもよい。

図５（ｄ）に示すように、第３領域ａ３の高さは、各導電膜３２よりも低くてよい。このように、第３領域ａ３の高さや形状は、特に限定されない。そして、第３領域ａ３の高さにかかわらず、図５（ｅ）に示すように、絶縁膜３４の表面３４ａでは、上面電極１２ｂ及び／又はゲート配線１２ｇが、第３領域ａ３の段差３４ｓに接触してもよい。なお、絶縁膜３４の第３領域ａ３には、複数の突条形状が存在してもよく、これによって、より多くの段差３４ｓが設けられてもよい。

図５（ｆ）に示すように、絶縁膜３４の表面３４ａでは、第１領域ａ１が、第３領域ａ３と同じ高さを有してもよい。この場合でも、絶縁膜３４の表面３４ａには、一つの段差３４ｓが存在しており、その段差３４ｓの両側に、上面電極１２ｂとゲート配線１２ｇとが分配されている。このように、上面電極１２ｂとゲート配線１２ｇとの間には、少なくとも一つの段差３４ｓが存在すればよい。これにより、上面電極１２ｂとゲート配線１２ｇとの間の沿面距離が延長され、それらの塑性変形に起因する短絡が回避又は抑制される。これに加え、図５（ｇ）に示すように、ゲート配線１２ｇは、第３領域ａ３の段差３４ｓに接触するように構成されてもよい。

（実施例２）図６を参照して、実施例２の半導体装置について説明する。実施例２の半導体装置は、実施例１での半導体素子１２に代えて、図６に示す半導体素子１１２を備える。以下では、本実施例における半導体素子１１２について主に説明し、半導体素子１１２を除く他の構成については、実施例１と同様であることから、その説明は省略する。

図６に示すように、本実施例における半導体素子１１２では、絶縁膜１３４の構成が変更されている。即ち、その絶縁膜１３４は、実施例１の構成に加え、突出部１３４ｃをさらに有している。これに伴い、保護膜３０の形状も一部変更されている。突出部１３４ｃは、絶縁膜１３４上に設けられたゲート配線１２ｇと保護膜３０の外周縁３０ｅとの間に位置する。さらに、突出部１３４ｃは、保護膜３０の外周縁３０ｅに沿って連続的又は断続的に延びている。加えて、突出部１３４ｃは、絶縁膜１３４の表面１３４ａから保護膜３０の表面３０ａに向かって延びており、保護膜３０の表面３０ａに露出する高さを有する。

実施例１と同様に、実施例２における半導体素子１１２においても、保護膜３０が設けられている。保護膜３０が設けられていると、半導体基板１２ａと表面構造（保護膜３０及び導電膜３２）とに生じる熱変形の違いにより、半導体基板１２ａと表面構造との間において剥離Ｓが生じ得る。通常、半導体基板１２ａと表面構造との間の剥離Ｓは、保護膜３０の外周縁３０ｅを起点として発生し、半導体素子１１２の内側に向けて進展する。そして、その剥離Ｓが導電膜３２に達してしまうと、半導体素子１１２の動作不良又は不能といった不具合が生じ得る。こうした問題は、本実施例のように、ヤング率が比較的に高い炭化シリコンを採用した半導体素子１１２において顕著に現れる。

この問題を回避又は抑制するために、実施例２における半導体素子１１２では、絶縁膜１３４の表面１３４ａに突出部１３４ｃが設けられている。この突出部１３４ｃは、導電膜３２（ゲート配線１２ｇ）と保護膜３０の外周縁３０ｅとの間において、保護膜３０の表面３０ａに露出する高さを有している。このような構成によると、半導体基板１２ａと表面構造との間の剥離Ｓが、保護膜３０の外周縁３０ｅを起点として発生したときでも、その剥離Ｓを突出部１３４ｃによって保護膜３０の外部へ誘導することができる。これにより、半導体基板１２ａと表面構造との間の剥離Ｓが、導電膜３２（即ち上面電極１２ｂ及びゲート配線１２ｇ）に達することを回避又は抑制することができる。

図７に示すように、一変形例として、突出部１３４ｃは、保護膜３０の表面３０ａから上方へ突出していてもよい。絶縁膜１３４の突出部１３４ｃは、保護膜３０の表面３０ａから露出していればよく、突出部１３４ｃの頂面が、保護膜３０の表面３０ａと同一平面上に位置する必要はない。この点に関して、突出部１３４ｃは、保護膜３０の表面３０ａに対して下方へ窪んでいてもよい。

上述した各実施例における半導体素子１２、１１２では、絶縁膜３４、１３４が様々な厚みを有することによって、その表面３４ａ、１３４ａに突条形状（即ち、段差３４ｓ）や突出部１３４ｃが形成されている。しかしながら、他の実施形態として、それらの突条形状や突出部は、半導体基板１２ａの表面に形成されてもよく、この場合、絶縁膜３４、１３４は一定の厚みを有してもよい。あるいは、それらの突条形状や突出部１３４ｃを形成するために、半導体基板１２ａと絶縁膜３４、１３４との間に、他の付加的な膜や層が部分的に設けられてもよい。なお、実施例２における半導体素子１１２では、絶縁膜１３４の表面１３４ａに、突条形状を必ずしも設ける必要はなく、突出部１３４ｃのみが存在してもよい。

以上、本明細書が開示する技術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り、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の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：半導体装置
１２、１１２：半導体素子
１２ａ：半導体基板
１２ｂ：上面電極
１２ｃ：下面電極
１２ｅ：外周縁
１２ｇ：ゲート配線
１３、１５、１７：はんだ層
１４：封止体
１６、１８：導体板
２０：導体スペーサ
２２、２４：電力端子
２６：信号端子
３０：保護膜
３０ａ：表面
３０ｅ：外周縁
３２：導電膜
３４、１３４：絶縁膜
３４ａ、１３４ａ：表面
３４ｅ：外周縁
１３４ｃ：突出部
Ｓ：剥離
ａ１：第１領域
ａ２：第２領域
ａ３：第３領域
ａ４：第４領域

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止体と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられた第１導電膜及び第２導電膜と、を備え、
前記第２導電膜は、前記第１導電膜の周縁に沿って延びるとともに、平面視において前記第１導電膜を取り囲んでおり、
前記絶縁膜の表面は、前記第１導電膜が設けられた第１領域と、前記第２導電膜が設けられた第２領域と、前記第１領域及び前記第２領域の間に位置する第３領域と、を有し、
前記第３領域は、前記第１領域及び前記第２領域に対して突出している、
半導体装置。
前記半導体素子は、前記半導体基板上に設けられており、前記半導体基板の周縁に沿って延びるとともに、前記絶縁膜上に設けられた前記第１導電膜及び前記第２導電膜を少なくとも部分的に覆う保護膜をさらに備え、
前記絶縁膜の表面には、前記絶縁膜上に設けられた前記第２導電膜と前記保護膜の外周縁との間に位置するとともに、前記外周縁に沿って連続的又は断続的に延びる突出部が設けられており、
前記突出部は、前記保護膜の表面に露出する高さを有する、
請求項１に記載の半導体装置。
半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止体と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられた第１導電膜及び第２導電膜と、
前記半導体基板上に設けられており、前記半導体基板の周縁に沿って延びるとともに、前記絶縁膜上に設けられた前記第１導電膜及び前記第２導電膜を少なくとも部分的に覆う保護膜と、を備え、
前記第２導電膜は、前記第１導電膜の周縁に沿って延びるとともに、平面視において前記第１導電膜を取り囲んでおり、
前記絶縁膜の表面は、前記第１導電膜が設けられた第１領域と、前記第２導電膜が設けられた第２領域と、前記第１領域及び前記第２領域の間に位置する第３領域と、を有し、
前記第３領域は、前記第２領域に対して突出しており、
前記絶縁膜の表面には、前記絶縁膜上に設けられた前記第２導電膜と前記保護膜の外周縁との間に位置するとともに、前記外周縁に沿って連続的又は断続的に延びる突出部が設けられており、
前記突出部は、前記保護膜の表面に露出する高さを有する、
半導体装置。