JP7443926B2

JP7443926B2 - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP7443926B2
Application number: JP2020086218A
Authority: JP
Inventors: 信之加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2024-03-06
Anticipated expiration: 2040-05-15
Also published as: US11495509B2; CN113675167A; US20210358826A1; JP2021180294A

Description

この明細書における開示は、半導体装置およびその製造方法に関する。

特許文献１は、電力変換部を構成する半導体素子を備えた半導体装置を開示している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２００５－１９４４７号公報

特許文献１では、半導体基板の表面上には、エミッタ電極が形成されている。エミッタ電極は、Ａｌ合金からなる下地電極と、下地金属層上に設けられた接続電極を有している。接続電極は、保護膜の開口部内に配置されている。接続電極の外周端と保護膜との境界（界面）は、半導体基板の板厚方向からの平面視において、半導体基板のアクティブ領域と重なる位置に設けられている。

この構成では、はんだ接合された状態で、パワーサイクルや冷熱サイクル等の応力により、境界直下、すなわち接続電極の外周端直下、の下地電極にクラックが発生しやすい。クラックは、境界直下に存在するアクティブ領域まで進展する虞がある。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、半導体装置にはさらなる改良が求められている。

本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、熱応力によってアクティブ領域がダメージを受けるのを抑制することができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

ここに開示された半導体装置は、
電力変換部（６）を構成する半導体素子（４０）を備えた半導体装置であって、
半導体素子は、
板厚方向において表面（４１ａ）側に設けられた素子形成領域であるアクティブ領域（４１０）と、板厚方向からの平面視においてアクティブ領域を取り囲む外周領域（４１１）と、を有する半導体基板（４１）と、
表面上に形成された下地電極（４２０）と、下地電極上に形成された接続電極（４２１）と、を有する表面電極（４２）と、
接続電極をはんだ接合可能に露出させる開口部（４６ａ）を有し、下地電極の周縁部（４２０ａ）および接続電極の外周端（４２１ｂ）を覆うように配置された保護膜（４６）と、を備え、
接続電極の外周端と保護膜との境界が、板厚方向からの平面視において、外周領域と重なる位置に設けられている。
開示された半導体装置のひとつは、
表面において表面電極との接続部分を除く部分の全域に形成されたシリコン酸化膜（４５）をさらに備え、
下地電極の周縁部である第１周縁部は、シリコン酸化膜において保護膜により覆われた部分の上に積層され、
接続電極は、第１周縁部上に積層され、保護膜により覆われた第２周縁部（４２１ａ）を有し、
接続電極は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇのいずれかを含む金属層を少なくともひとつ含む。
開示された半導体装置の他のひとつは、
表面において表面電極との接続部分を除く部分の全域に形成されたシリコン酸化膜（４５）をさらに備え、
下地電極の周縁部である第１周縁部は、シリコン酸化膜において保護膜により覆われた部分の上に積層され、
接続電極は、第１周縁部上に積層され、保護膜により覆われた第２周縁部（４２１ａ）を有し、
シリコン酸化膜の膜内残留応力は圧縮応力であり、
接続電極の膜内残留応力は引張応力である。
開示された半導体装置の他のひとつは、
表面において表面電極との接続部分を除く部分の全域に形成されたシリコン酸化膜（４５）をさらに備え、
下地電極の周縁部である第１周縁部は、シリコン酸化膜において保護膜により覆われた部分の上に積層され、
接続電極は、第１周縁部上に積層され、保護膜により覆われた第２周縁部（４２１ａ）を有し、
保護膜において開口部を規定する開口端（４６ｃ）が、平面視において、外周領域と重なる位置に設けられている。
開示された半導体装置の他のひとつにおいて、
接続電極は、開口部内のみに配置されており、開口部から露出する下地電極上に積層されている。

開示の半導体装置によると、接続電極の外周端と保護膜との境界を、アクティブ領域から離れた位置に設けている。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクル等の熱応力が境界の直下部分に集中しても、アクティブ領域にクラックが進展し難い。以上より、熱応力によってアクティブ領域がダメージを受けるのを抑制することができる。

ここに開示された半導体装置の製造方法は、
電力変換部（６）を構成する半導体素子（４０）を備えた半導体装置の製造方法であって、
板厚方向の表面（４１ａ）側にアクティブ領域（４１０）を有し、アクティブ領域を取り囲む外周領域（４１１）を有する半導体ウエハ（４１Ｗ）を準備し、
表面の全体にシリコン酸化膜（４５）を成膜した後、シリコン酸化膜をパターニングしてアクティブ領域を内包するようにコンタクトホール（４５ｃ）を形成し、
シリコン酸化膜を覆うように表面の全体に下地電極（４２０）を成膜した後、周縁部（４２０ａ）がシリコン酸化膜におけるコンタクトホールの周囲部分に重なるように下地電極をパターニングし、
下地電極およびシリコン酸化膜を覆うように表面の全体に接続電極（４２１）を成膜した後、接続電極と下地電極またはシリコン酸化膜との密着力の差によりシリコン酸化膜上の接続電極を除去して、下地電極上に接続電極が積層配置された表面電極（４２）を形成し、
表面電極およびシリコン酸化膜を覆うように表面の全体に保護膜（４６）を形成した後、保護膜をパターニングして、接続電極のはんだ接合部分が露出するように開口部（４６ａ）を形成するとともにスクライブ領域（４１２）上の保護膜を除去し、
保護膜の形成後、スクライブ領域に沿って半導体ウエハを分離して、半導体素子を形成する。

開示の製造方法によると、シリコン酸化膜を、半導体ウエハの表面のうち、表面電極が接続する部分を除く領域、すなわちコンタクトホールから露出する部分を除く領域に形成する。また、接続電極の下地電極またはシリコン酸化膜に対する密着力の差と、膜内残留応力の差を利用して、シリコン酸化膜上の接続電極を除去し、下地電極上の接続電極を残す。よって、レジストを用いずに接続電極をパターニングし、接続電極の外周端と保護膜との境界を、アクティブ領域から離れた位置に設けることができる。すなわち、熱応力によってアクティブ領域がダメージを受けるのを抑制することができる半導体装置を形成することができる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態に係る半導体装置が適用される車両の駆動システムの概略構成を示す図である。第１実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。図２のIII-III線に沿う断面図である。半導体素子を示す平面図である。図４のV-V線に沿う断面図である。半導体素子の製造方法を示す断面図である。半導体素子の製造方法を示す断面図である。半導体素子の製造方法を示す断面図である。半導体素子の製造方法を示す断面図である。半導体素子の製造方法を示す断面図である。半導体素子の製造方法を示す断面図である。半導体素子の製造方法を示す断面図である。半導体素子の製造方法を示す断面図である。半導体素子の製造方法を示す断面図である。参考例を示す断面図である。第１実施形態に係る半導体装置において、半導体素子とターミナルとのはんだ接続構造を示す断面図である。変形例を示す断面図である。第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。第３実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。第４実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。第５実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

本実施形態の半導体装置は、たとえば、回転電機を駆動源とする移動体の電力変換装置に適用される。移動体は、たとえば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、燃料電池車（ＦＣＶ）などの電動車両、ドローンなどの飛行体、船舶、建設機械、農業機械である。以下では、車両に適用される例について説明する。

（第１実施形態）
先ず、図１に基づき、車両の駆動システムの概略構成について説明する。

＜車両の駆動システム＞
図１に示すように、車両の駆動システム１は、直流電源２と、モータジェネレータ３と、電力変換装置４を備えている。

直流電源２は、充放電可能な二次電池で構成された直流電圧源である。二次電池は、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池である。モータジェネレータ３は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ３は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。モータジェネレータ３は、回生時に発電機として機能する。電力変換装置４は、直流電源２とモータジェネレータ３との間で電力変換を行う。

＜電力変換装置＞
次に、図１に基づき、電力変換装置４の回路構成について説明する。電力変換装置４は、平滑コンデンサ５と、インバータ６を備えている。

平滑コンデンサ５は、主として、直流電源２から供給される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサ５は、高電位側の電力ラインであるＰライン７と低電位側の電力ラインであるＮライン８とに接続されている。Ｐライン７は直流電源２の正極に接続され、Ｎライン８は直流電源２の負極に接続されている。平滑コンデンサ５の正極は、直流電源２とインバータ６との間において、Ｐライン７に接続されている。同じく負極は、直流電源２とインバータ６との間において、Ｎライン８に接続されている。平滑コンデンサ５は、直流電源２に並列に接続されている。

インバータ６は、ＤＣ－ＡＣ変換回路である。インバータ６は、図示しない制御回路によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータジェネレータ３へ出力する。これにより、モータジェネレータ３は、所定のトルクを発生するように駆動する。インバータ６は、車両の回生制動時、車輪からの回転力を受けてモータジェネレータ３が発電した三相交流電圧を、制御回路によるスイッチング制御にしたがって直流電圧に変換し、Ｐライン７へ出力する。このように、インバータ６は、直流電源２とモータジェネレータ３との間で双方向の電力変換を行う。

インバータ６は、三相分の上下アーム回路９を備えて構成されている。上下アーム回路９は、レグと称されることがある。上下アーム回路９は、上アーム９Ｈと、下アーム９Ｌをそれぞれ有している。上アーム９Ｈと下アーム９Ｌは、上アーム９ＨをＰライン７側として、Ｐライン７とＮライン８との間で直列接続されている。上アーム９Ｈと下アーム９Ｌとの接続点は、出力ライン１０を介して、モータジェネレータ３における対応する相の巻線３ａに接続されている。インバータ６は、６つのアームを有している。Ｐライン７、Ｎライン８、および出力ライン１０それぞれの少なくとも一部は、たとえばバスバーなどの導電部材により構成されている。

本実施形態では、各アームを構成するスイッチング素子として、ｎチャネル型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ１１（以下、ＩＧＢＴ１１と示す）を採用している。ＩＧＢＴ１１のそれぞれには、還流用のダイオード１２（以下、ＦＷＤ１２と示す）が逆並列に接続されている。上アーム９Ｈにおいて、ＩＧＢＴ１１のコレクタが、Ｐライン７に接続されている。下アーム９Ｌにおいて、ＩＧＢＴ１１のエミッタが、Ｎライン８に接続されている。そして、上アーム９ＨにおけるＩＧＢＴ１１のエミッタと、下アーム９ＬにおけるＩＧＢＴ１１のコレクタが相互に接続されている。ＦＷＤ１２のアノードは対応するＩＧＢＴ１１のエミッタに接続され、カソードはコレクタに接続されている。

電力変換装置４は、電力変換回路として、コンバータをさらに備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するＤＣ－ＤＣ変換回路である。コンバータは、直流電源２と平滑コンデンサ５との間に設けられる。コンバータは、たとえばリアクトルと、上記した上下アーム回路９を備えて構成される。この構成によれば、昇降圧が可能である。電力変換装置４は、直流電源２からの電源ノイズを除去するフィルタコンデンサを備えてもよい。フィルタコンデンサは、直流電源２とコンバータとの間に設けられる。

電力変換装置４は、インバータ６などを構成するスイッチング素子の駆動回路を備えてもよい。駆動回路は、制御回路の駆動指令に基づいて、対応するアームのＩＧＢＴ１１のゲートに駆動電圧を供給する。駆動回路は、駆動電圧の印加により、対応するＩＧＢＴ１１を駆動、すなわちオン駆動、オフ駆動させる。駆動回路は、ドライバと称されることがある。

電力変換装置４は、スイッチング素子の制御回路を備えてもよい。制御回路は、ＩＧＢＴ１１を動作させるための駆動指令を生成し、駆動回路に出力する。制御回路は、図示しない上位ＥＣＵから入力されるトルク要求、各種センサにて検出された信号に基づいて、駆動指令を生成する。各種センサとして、たとえば電流センサ、回転角センサ、電圧センサがある。電流センサは、各相の巻線３ａに流れる相電流を検出する。回転角センサは、モータジェネレータ３の回転子の回転角を検出する。電圧センサは、平滑コンデンサ５の両端電圧を検出する。制御回路は、駆動指令として、たとえばＰＷＭ信号を出力する。制御回路は、たとえばマイコン（マイクロコンピュータ）を備えて構成されている。ＥＣＵは、Electronic Control Unitの略称である。ＰＷＭは、Pulse Width Modulationの略称である。

＜半導体装置＞
次に、図２および図３に基づき、半導体素子が適用される半導体装置の概略構成について説明する。図２は、半導体装置を示す平面図である。図２は、半導体装置の上面視平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。図３では、半導体素子４０の構造を簡素化して図示している。

以下において、半導体素子の板厚方向をＺ方向とする。Ｚ方向に直交し、複数のパッドの並び方向をＸ方向とする。Ｚ方向およびＸ方向の両方向に直交する方向をＹ方向とする。特に断わりのない限り、Ｚ方向から平面視した形状、換言すればＸ方向およびＹ方向により規定されるＸＹ面に沿う形状を平面形状とする。また、Ｚ方向からの平面視を単に平面視と示す。

図２および図３に示すように、半導体装置２０は、封止樹脂体３０と、半導体素子４０と、ヒートシンク５０、６０と、ターミナル７０と、主端子８０、８１と、信号端子８２を備えている。半導体装置２０は、ひとつのアームを構成する。すなわち、２つの半導体装置２０により、一相分の上下アーム回路９が構成される。

封止樹脂体３０は、半導体装置２０を構成する他の要素の一部を封止している。他の要素の残りの部分は、封止樹脂体３０の外に露出している。封止樹脂体３０は、たとえばエポキシ系樹脂を材料とする。封止樹脂体３０は、たとえばトランスファモールド法により成形されている。図２に示すように、封止樹脂体３０は平面略矩形状をなしている。封止樹脂体３０は、一面３０ａと、Ｚ方向において一面３０ａとは反対の面である裏面３０ｂを有している。一面３０ａおよび裏面３０ｂは、たとえば平坦面である。

半導体素子４０は、シリコン（Ｓｉ）、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体などを材料とする半導体基板４１に、縦型素子が形成されてなる。ワイドバンドギャップ半導体としては、たとえばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、ダイヤモンドがある。縦型素子は、半導体素子４０（半導体基板４１）の板厚方向、すなわちＺ方向に主電流が流れるように構成されている。本実施形態の縦型素子は、ひとつのアームを構成するＩＧＢＴ１１およびＦＷＤ１２である。すなわち、縦型素子として、ＲＣ（Reverse Conducting）－ＩＧＢＴが形成されている。縦型素子は、通電により発熱する発熱素子である。半導体素子４０は、半導体チップと称されることがある。

半導体基板４１には、図示しないゲート電極が形成されている。ゲート電極は、たとえばトレンチ構造をなしている。半導体素子４０は、半導体基板４１の板面のそれぞれに主電極を有している。主電極間に、主電流が流れる。主電極は、半導体基板４１の表面側に形成されたエミッタ電極４２と、表面とは反対の裏面側に形成されたコレクタ電極４３を含んでいる。半導体基板４１の表面は、封止樹脂体３０の一面３０ａ側の面である。エミッタ電極４２が、表面電極に相当する。

エミッタ電極４２は、ダイオードのアノード電極を兼ねている。コレクタ電極４３は、ダイオードのカソード電極を兼ねている。コレクタ電極４３は、半導体基板４１の裏面のほぼ全体に形成されている。エミッタ電極４２は、半導体基板４１の表面の一部分に形成されている。半導体基板４１の表面において、エミッタ電極４２の形成領域とは異なる領域には、信号用の電極であるパッド４４が形成されている。パッド４４は、エミッタ電極４２と電気的に分離されている。パッド４４は、Ｙ方向において、エミッタ電極４２の形成領域とは反対側の端部に形成されている。パッド４４は、Ｙ方向においてエミッタ電極４２と並んで設けられている。

パッド４４は、ゲート電極用のパッドを少なくとも含む。本実施形態の半導体素子４０は、５つのパッド４４を有している。具体的には、ゲート電極用、エミッタ電極４２の電位を検出するケルビンエミッタ用、電流センス用、半導体素子４０の温度を検出する感温ダイオード（感温素子）のアノード電位用、同じくカソード電位用を有している。５つのパッド４４は、平面略矩形状の半導体素子４０において、Ｙ方向の一端側にまとめて形成されるとともに、Ｘ方向に並んで形成されている。

ヒートシンク５０、６０は、Ｚ方向において半導体素子４０を挟むように配置されている。ヒートシンク５０、６０は、Ｚ方向において互いに対向するように配置されている。ヒートシンク５０、６０は、平面視において半導体素子４０を内包している。ヒートシンク５０、６０は、半導体素子４０の生じた熱を、半導体装置２０の両面側で外部に放熱する。ヒートシンク５０、６０として、たとえばＣｕ、Ｃｕ合金などを材料とする金属板、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板などを採用することができる。ヒートシンク５０、６０は、表面に、ＮｉやＡｕなどのめっき膜を備えてもよい。本実施形態のヒートシンク５０、６０は、Ｃｕを材料とする金属板である。

ヒートシンク５０は、半導体素子４０側の面である対向面５０ａと、対向面５０ａとは反対の面である裏面５０ｂを有している。同様に、ヒートシンク６０も、対向面６０ａと裏面６０ｂを有している。ヒートシンク５０、６０は、平面略矩形状をなしている。ヒートシンク５０、６０それぞれの裏面５０ｂ、６０ｂは、封止樹脂体３０から露出している。裏面５０ｂ、６０ｂは、放熱面、露出面と称されることがある。

ヒートシンク５０は、Ｚ方向において半導体素子４０のエミッタ電極４２側に配置され、はんだ９０を介して、エミッタ電極４２に電気的に接続されている。ヒートシンク５０は、エミッタ電極４２を他の部材に電気的に接続する配線部材として機能する。ヒートシンク５０は、ターミナル７０を介してエミッタ電極４２に接続されている。はんだ９０は、ヒートシンク５０とターミナル７０との間、および、ターミナル７０とエミッタ電極４２との間に、それぞれ介在している。ヒートシンク５０の裏面５０ｂは、封止樹脂体３０の一面３０ａと略面一である。はんだ９０は、Ｓｎの他に、Ｃｕ、Ｎｉなどを含む多元系の鉛フリーはんだである。

ターミナル７０は、Ｚ方向において半導体素子４０とヒートシンク５０との間に介在し、エミッタ電極４２とヒートシンク５０とを電気的に中継している。ターミナル７０は、半導体素子４０（エミッタ電極４２）とヒートシンク５０との電気伝導、熱伝導経路の途中に位置する。ターミナル７０は、Ｃｕ、Ｃｕ合金などの金属材料を用いて形成された柱状体である。ターミナル７０は、表面に、めっき膜を備えてもよい。ターミナル７０は、金属ブロック体、中継部材と称されることがある。本実施形態のターミナル７０は、平面略矩形状の柱状体である。

ヒートシンク６０は、Ｚ方向において半導体素子４０のコレクタ電極４３側に配置され、はんだ９０を介して、コレクタ電極４３に電気的に接続されている。ヒートシンク６０は、コレクタ電極４３を他の部材に電気的に接続する配線部材として機能する。ヒートシンク６０の対向面６０ａと半導体素子４０のコレクタ電極４３との間にはんだ接合部が形成されている。ヒートシンク６０の裏面６０ｂは、封止樹脂体３０の裏面３０ｂと略面一である。

主端子８０、８１および信号端子８２は、半導体装置２０を外部機器と電気的に接続するための外部接続端子である。主端子８０、８１は、主電極に電気的に接続されている。主端子８０は、エミッタ電極４２に電気的に接続されている。主端子８０は、エミッタ端子と称されることがある。主端子８１は、コレクタ電極４３に電気的に接続されている。主端子８１は、コレクタ端子と称されることがある。

主端子８０は、ヒートシンク５０を介して、エミッタ電極４２に接続されている。主端子８０は、ヒートシンク５０におけるＹ方向の一端に連なっている。主端子８０の厚みは、ヒートシンク５０よりも薄い。主端子８０は、たとえば、対向面５０ａと略面一となるようにヒートシンク５０に連なっている。主端子８０は、ヒートシンク５０に対して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接続により連なってもよい。

本実施形態の主端子８０は、リードフレームの一部として、ヒートシンク５０と一体的に設けられている。主端子８０は、ヒートシンク５０からＹ方向に延設され、封止樹脂体３０の側面３０ｃから外部に突出している。主端子８０は、封止樹脂体３０により覆われる部分の途中に屈曲部を有し、側面３０ｃにおいてＺ方向の中央付近から突出している。

主端子８１は、ヒートシンク６０を介して、コレクタ電極４３に接続されている。主端子８１は、ヒートシンク６０におけるＹ方向の一端に連なっている。主端子８１の厚みは、ヒートシンク６０よりも薄い。主端子８１は、たとえば、対向面６０ａと略面一となるようにヒートシンク６０に連なっている。主端子８１は、ヒートシンク６０に対して一体的に設けられることで連なってもよいし、別部材として設けられ、接続により連なってもよい。

本実施形態の主端子８１は、主端子８０とは別のリードフレームの一部として、ヒートシンク６０と一体的に設けられている。主端子８１は、ヒートシンク６０からＹ方向に延設され、主端子８０と同じ側面３０ｃから外部に突出している。主端子８１も、封止樹脂体３０により覆われる部分の途中に屈曲部を有し、側面３０ｃにおいてＺ方向の中央付近から突出している。２本の主端子は、Ｘ方向において並んで配置されている。

信号端子８２は、半導体素子４０のパッド４４に電気的に接続されている。本実施形態では、ボンディングワイヤ９１を介して電気的に接続されている。信号端子８２は、Ｙ方向に延設されており、封止樹脂体３０の側面３０ｄから外部に突出している。側面３０ｄは、Ｙ方向において側面３０ｃとは反対の面である。本実施形態の半導体装置２０は、パッド４４に対応して、５本の信号端子８２を備えている。信号端子８２は、たとえば、ヒートシンク６０、主端子８１と共通のリードフレームに構成されている。複数の信号端子８２は、図示しないタイバーをカットすることで、互いに電気的に分離されている。

上記したように、半導体装置２０では、封止樹脂体３０によってひとつのアームを構成する半導体素子４０が封止されている。封止樹脂体３０は、半導体素子４０、ヒートシンク５０の一部、ヒートシンク６０の一部、ターミナル７０、主端子８０、８１それぞれの一部、信号端子８２それぞれの一部を、一体的に封止している。

Ｚ方向において、ヒートシンク５０、６０の間に、半導体素子４０が配置されている。半導体素子４０は、対向配置されたヒートシンク５０、６０によって挟まれている。これにより、半導体素子４０の熱を、Ｚ方向において両側に放熱することができる。半導体装置２０は、両面放熱構造をなしている。ヒートシンク５０の裏面５０ｂは、封止樹脂体３０の一面３０ａと略面一となっている。ヒートシンク６０の裏面６０ｂは、封止樹脂体３０の裏面３０ｂと略面一となっている。裏面５０ｂ、６０ｂが露出面であるため、放熱性を高めることができる。

＜半導体素子＞
次に、図４および図５に基づき、半導体素子について説明する。図４は、半導体素子の表面側を示す平面図である。図４では、下地電極および接続電極の外周端を破線で示し、シリコン酸化膜の内周端を一点鎖線で示している。また、アクティブ領域の外周端、すなわちアクティブ領域と外周領域との境界を二点鎖線で示している。図５は、図４のV-V線に沿う断面図である。以下において、「内側」、「外側」とは、半導体素子のアクティブ領域の中心を基準位置とする相対的な位置関係を示す。中心に近い側が内側、遠い側が外側である。

半導体基板４１は、平面略矩形状をなしている。半導体基板４１は、表面４１ａ側の表層に、アクティブ領域４１０を有している。アクティブ領域４１０は、素子の形成領域である。アクティブ領域４１０は、メイン領域と称されることがある。図示を省略するが、アクティブ領域４１０には、ＲＣ－ＩＧＢＴの表面４１ａ側の部分、たとえばＩＧＢＴ１１のトレンチゲート、ベース領域、エミッタ領域、ＦＷＤ１２のアノード領域などが形成されている。図５では、アクティブ領域４１０を破線で示している。

半導体基板４１は、アクティブ領域４１０を取り囲む外周領域４１１を有している。図５では、アクティブ領域４１０と外周領域４１１との境界を、一点鎖線で示している。外周領域４１１は、平面視において、アクティブ領域４１０の外周端４１０ａよりも外側の領域である。図示を省略するが、外周領域４１１には、たとえばガードリングなどの耐圧構造部が形成されている。

半導体基板４１において、裏面４１ｂ側の表層には、ＩＧＢＴ１１のコレクタ領域と、ＦＷＤ１２のカソード領域が形成されている。裏面４１ｂは、Ｚ方向において表面４１ａとは反対の面である。半導体基板４１の裏面４１ｂ上のほぼ全体に、コレクタ電極４３が形成されている。

半導体素子４０は、シリコン酸化膜４５と、保護膜４６をさらに有している。シリコン酸化膜４５は、半導体基板４１の表面４１ａに形成された層間絶縁膜である。シリコン酸化膜４５は、アクティブ領域４１０を取り囲むように環状に設けられている。シリコン酸化膜４５は表面４１ａにおいて外周領域４１１上に形成されている。シリコン酸化膜４５は、エミッタ電極４２を半導体基板４１に接続させるためのコンタクトホールを有しておいる。シリコン酸化膜４５の開口端４５ａは、コンタクトホールを規定する壁面である。開口端４５ａは、アクティブ領域４１０の外周端４１０ａよりも外側に位置している。シリコン酸化膜４５の膜内残留応力は、圧縮応力である。

本実施形態のシリコン酸化膜４５は、保護膜４６の外周端よりも外側まで延設されている。シリコン酸化膜４５は、保護膜４６から露出する露出部４５ｂを有している。露出部４５ｂは、スクライブ領域を含んでいる。シリコン酸化膜４５は、半導体基板４１の表面４１ａにおいて、エミッタ電極４２の接続部分（コンタクト）を除く部分、すなわちコンタクトホールから露出する部分を除く部分、のほぼ全域に形成されている。

エミッタ電極４２は、多層構造をなしている。エミッタ電極４２は、下地電極４２０と、接続電極４２１を有している。パッド４４も、エミッタ電極４２と同様の構成を有している。

下地電極４２０は、多層構造のエミッタ電極４２において、半導体基板４１に隣接して形成された金属層である。下地電極４２０は、下部電極、下層電極、配線電極、第１金属層などと称されることがある。下地電極４２０は、半導体基板４１の表面４１ａおよびシリコン酸化膜４５に接続されている。下地電極４２０は、接続電極４２１に較べてシリコン酸化膜４５との密着力が高い。下地電極４２０は、たとえばＡｌ（アルミニウム）を主成分とする材料を用いて形成されている。本実施形態では、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕなどのＡｌ合金を材料としている。

下地電極４２０は、平面視において、アクティブ領域４１０を内包しつつ外周領域４１１上まで延設されている。下地電極４２０は、エミッタ領域、ベース領域、アノード領域に接続されている。下地電極４２０の周縁部４２０ａは、シリコン酸化膜４５上に積層配置されている。周縁部４２０ａは、シリコン酸化膜４５において開口端４５ａの周囲部分の上に配置されている。周縁部４２０ａは、平面環状をなし、外周領域４１１上に配置されている。下地電極４２０の外周端４２０ｂは、シリコン酸化膜４５上に位置している。

接続電極４２１は、はんだ９０との接合強度向上、はんだ９０に対する濡れ性向上などを目的として、下地電極４２０上に積層配置されている。接続電極４２１は、上地電極、上部電極、上層電極、第２金属層とも称される。接続電極４２１は、少なくともひとつの金属層を含む。接続電極４２１を構成する金属層は、下地電極４２０に較べてシリコン酸化膜４５との密着力の低い材料、たとえばＮｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇのいずれかを含む。接続電極４２１の膜内残留応力は、引張応力である。

本実施形態の接続電極４２１は、Ｎｉ（ニッケル）層を少なくとも含む。Ｎｉは、下地電極４２０を構成するＡｌ合金よりも硬い。Ｎｉ層上に、さらにＡｕ（金）層を備えてもよい。Ａｕ層は、たとえば、Ｎｉ層の酸化を抑制してはんだとの濡れ性を向上する。Ａｕは、はんだ付け時にはんだ中に拡散するため、Ａｕ層は、はんだ接合する前の状態で存在し、はんだ接合した状態で存在しない。

接続電極４２１も、下地電極４２０同様、平面視において、アクティブ領域４１０を内包しつつ外周領域４１１上まで延設されている。接続電極４２１の周縁部４２１ａは、下地電極４２０の周縁部４２０ａ上に積層配置されている。周縁部４２１ａは、周縁部４２０ａを介してシリコン酸化膜４５上に配置されている。周縁部４２１ａは、平面環状をなし、外周領域４１１上に配置されている。接続電極４２１の外周端４２１ｂは、シリコン酸化膜４５上に位置している。周縁部４２０ａが第１周縁部に相当し、周縁部４２１ａが第２周縁部に相当する。

本実施形態の接続電極４２１は、平面視において下地電極４２０とほぼ一致するように配置されている。外周端４２０ｂ、４２１ｂの位置は、全周で互いにほぼ一致している。外周端４２０ｂ、４２１ｂは、シリコン酸化膜４５の開口端４５ａよりも外側に位置している。

保護膜４６は、エミッタ電極４２の周縁部とシリコン酸化膜４５とを覆うように、半導体基板４１の表面４１ａ上に設けられた絶縁膜である。絶縁膜の材料として、たとえばポリイミド、シリコン窒化膜などを採用することができる。保護膜４６は、エミッタ電極４２とはんだ９０との接続領域を規定する開口部４６ａを有している。開口部４６ａは、エミッタ電極４２をはんだ接合可能に露出させる。保護膜４６は、パッド４４における接続領域を規定する開口部４６ｂを有している。開口部４６ａ、４６ｂは、いずれも保護膜４６をＺ方向に貫通する貫通孔である。エミッタ電極４２（接続電極４２１）のうち、保護膜４６の開口部４６ａから露出する露出部４２１ｃが、はんだ９０との間に接合部を形成する。

本実施形態の保護膜４６は、ポリイミドを材料としている。保護膜４６は、下地電極４２０の周縁部４２０ａおよび接続電極４２１の周縁部４２１ａを覆っている。保護膜４６は、シリコン酸化膜４５のうち、露出部４５ｂを除く部分を覆っている。保護膜４６は、半導体基板４１の外周端から所定範囲のスクライブ領域には設けられていない。開口部４６ａの開口形状、すなわち開口部４６ａを規定する保護膜４６の開口端４６ｃは、平面略矩形状をなしている。開口端４６ｃは、内周端と称されることがある。開口端４６ｃは、アクティブ領域４１０の外周端４１０ａよりも内側に位置している。

＜半導体素子の製造方法＞
次に、図６～図１４に基づき、半導体装置の製造方法、具体的には半導体素子の製造方法について説明する。図６～図１４は、半導体素子の製造工程を示す断面図であり、図５に対応している。図６はシリコン酸化膜の成膜工程を示し、図７はシリコン酸化膜のパターニング工程を示している。図８は下地電極の成膜工程を示し、図９は下地電極のパターニング工程を示している。図１０は、接続電極の成膜工程を示し、図１１および図１２は接続電極のパターニング工程を示している。図１３は保護膜の形成工程を示し、図１４はコレクタ電極の形成工程を示している。

先ず、ウエハ状態の半導体基板に、イオン注入等により素子（ＲＣ－ＩＧＢＴ）を形成する。以下、ウエハ状態の半導体基板を半導体ウエハと示す。そして、図６に示すように、シリコン酸化膜４５を、たとえばＣＶＤ法により成膜する。このとき、半導体ウエハ４１Ｗの表面４１ａの全体を覆うように、シリコン酸化膜４５を成膜する。よって、半導体ウエハ４１Ｗのスクライブ領域４１２にも、シリコン酸化膜４５を成膜する。ダイシングを考慮し、シリコン酸化膜の厚みを、スクライブ領域４１２において他の部分よりも薄くするとよい。ＣＶＤ法と熱酸化法とを用いて、シリコン酸化膜を成膜してもよい。スクライブ領域４１２は、スクライブラインと称されることがある。

次に、図７に示すように、シリコン酸化膜４５をパターニングする。たとえば、シリコン酸化膜４５の表面にフォトレジストを塗布して露光によりパターニングし、このフォトレジストをマスクとしてエッチングを行うことで、シリコン酸化膜４５をパターニングする。具体的には、シリコン酸化膜４５に、エミッタ電極４２を半導体ウエハ４１Ｗに接続させるためのコンタクトホール４５ｃを形成する。このとき、平面視においてアクティブ領域４１０を内包するように、コンタクトホール４５ｃを形成する。

このように、シリコン酸化膜４５のうち、エミッタ電極４２のコンタクト部分については除去し、それ以外の部分については残す。外周領域４１１において、パターニング後の下地電極４２０が積層配置される部分だけでなく、積層部分より外側にも、意図的にシリコン酸化膜４５を残す。

次に、図８に示すように、下地電極４２０（Ａｌ合金膜）を、たとえばスパッタ法や蒸着法により成膜する。このとき、シリコン酸化膜４５を覆うように、表面４１ａの全体に下地電極４２０を成膜する。

次に、図９に示すように、下地電極４２０をパターニングする。たとえば、下地電極４２０の表面にフォトレジストを塗布して露光によりパターニングし、このフォトレジストをマスクとしてエッチングを行うことで、下地電極４２０をパターニングする。これにより、上記した外周端４２０ｂよりも内側の部分を残す。すなわち、シリコン酸化膜４５の開口端４５ａよりも内側の部分と、シリコン酸化膜４５に積層された周縁部４２１ａを残す。

下地電極４２０を形成した後に、接続電極４２１を形成するための前処理としてプラズマ処理を行うとよい。具体的には、プラズマ処理のガスとして、ＣＦ_４などのフッ素系ガスを用いる。そして、フッ素系ガスを、図９に白抜き矢印で示すように、下地電極４２０の表面および下地電極４２０から露出するシリコン酸化膜４５の表面に吹き付ける。これにより、下地電極４２０の表面の酸化膜を除去した後、下地電極４２０およびシリコン酸化膜４５の表面にフッ素を付着させて、図示しないフッ化層を形成する。

真空中で連続してフッ化層を形成することで、下地電極４２０上の酸素の大部分がフッ素に置換され、下地電極４２０上はフッ素と酸素とが混在した状態になる。一方、シリコン酸化膜４５の表面にはフッ素の濃度が高い層が形成される。なお、プラズマ処理のガスとして、フッ素系ガスとともに酸素ガスを用いるとよい。酸素ガスを用いると、フッ素ラジカルの寿命を延ばすことができる。

次に、図１０に示すように、接続電極４２１（Ｎｉ膜）を、たとえばスパッタ法や蒸着法により成膜する。このとき、下地電極４２０およびシリコン酸化膜４５を覆うように、表面４１ａの全体に下地電極４２０を成膜する。

次に、図１１に示すように、接続電極４２１をパターニングする。図１１では、ノズル１００を表面４１ａに沿って走査しつつ、ノズル１００から接続電極４２１に水を噴射する。ノズル１００を走査して、表面４１ａの全域に水を吹き付ける。このとき、水の圧力（水圧）は、接続電極４２１をシリコン酸化膜４５から剥がすことができ、且つ、半導体ウエハ４１Ｗ、下地電極４２０、および下地電極４２０上の接続電極４２１がダメージを受けない範囲で設定する。たとえば、０．２～２０ＭＰａの範囲内で設定する。

接続電極４２１（Ｎｉ層）は、下地電極４２０（Ａｌ合金層）に較べて、シリコン酸化膜４５との密着力が低い。また、電極材に用いられる金属が基板（たとえばＳｉ）よりも線膨張係数が大きいため、下地電極４２０、接続電極４２１の膜内残留応力は、ともに引張応力である。これに対し、二酸化シリコンは基板（Ｓｉ）よりも線膨張係数が小さいため、シリコン酸化膜４５の膜内残留応力は、圧縮応力である。密着力が低いことに加え、応力差もあることから、水が吹き付けられるとそれを機に、接続電極４２１のうち、シリコン酸化膜４５に直接的に積層された部位４２１ｄが、シリコン酸化膜４５から剥離する。

特に本実施形態では、上記した前処理（プラズマ処理）を行う。たとえばスパッタ法により接続電極４２１を成膜すると、成膜時の熱により、下地電極４２０上のフッ化層のフッ素が接続電極４２１に移動する。下地電極４２０と接続電極４２１とが金属結合するため、接続電極４２１は下地電極４２０との密着力が高い。したがって、水が噴射されても、接続電極４２１は下地電極４２０から剥がれにくい。

一方、シリコン酸化膜４５の表層のフッ化層内には、結合力の弱い部位が生じる。このため、接続電極４２１は、シリコン酸化膜４５との密着力が低い。したがって、水が噴射されると、カーボンとフッ素との結合が切れることで、接続電極４２１（部位４２１ｄ）がフッ化層ごとシリコン酸化膜４５から剥がれやすい。

以上のように、接続電極４２１の、下地電極４２０またはシリコン酸化膜４５に対する密着力の差を利用することで、シリコン酸化膜４５上の接続電極４２１を除去し、図１２に示すように接続電極４２１をパターニングする。下地電極４２０上の接続電極４２１が残り、接続電極４２１は、平面視において下地電極４２０にほぼ一致する配置となる。接続電極４２１の周縁部４２１ａが下地電極４２０の周縁部４２０ａ上に積層配置され、外周端４２１ｂが外周端４２０ｂにほぼ一致する。

次に、図１３に示すように、保護膜４６を形成する。たとえば、半導体ウエハ４１Ｗの表面４１ａ上に液状のポリイミドを塗布し、スピンコートすることで保護膜４６を表面４１ａの全体に形成する。そして、保護膜４６の表面にフォトレジストを塗布して露光によりパターニングし、このフォトレジストをマスクとしてエッチングを行うことで、保護膜４６をパターニングする。これにより、保護膜４６に開口部４６ａ、４６ｂを形成する。また、スクライブ領域４１２を開口し、半導体ウエハ４１Ｗに形成された複数の半導体素子を区画する。開口により、シリコン酸化膜４５の露出部４５ｂが露出する。

次に、図１４に示すように、半導体ウエハ４１Ｗの裏面４１ｂ上に、コレクタ電極４３を、たとえばスパッタ法により形成する。そして、図示を省略するが、半導体ウエハ４１Ｗをスクライブ領域４１２に沿ってダイシングすることで、個片化（チップ化）する。以上により、上記した半導体素子４０を得ることができる。

＜第１実施形態のまとめ＞
図１５は、参考例を示す断面図である。参考例では、本実施形態の要素と同一または関連する要素について、本実施形態の符号の末尾にｒを付け加えて示している。図１５では、エミッタ電極とターミナルとのはんだ接続構造を示している。

参考例の半導体装置２０ｒも、本実施形態同様、半導体素子４０ｒのエミッタ電極４２ｒが、下地電極４２０ｒと、接続電極４２１ｒを有している。接続電極４２１ｒは、下地電極４２０ｒのうち、保護膜４６ｒの開口部４６ａｒから臨む部分の表面上に配置されている。接続電極４２１ｒは、開口部４６ａｒ内のみに配置されており、保護膜４６ｒによって覆われていない。接続電極４２１の外周端４２１ｂｒは、保護膜４６ｒの開口端４６ｃｒに接触している。接続電極４２１ｒは、たとえばめっき膜を含む。接続電極４２１ｒは、下地電極４２０ｒを覆うように保護膜４６ｒを成膜し、開口部４６ａｒをパターニングした後に形成される。

半導体素子４０ｒにおいて、下地電極４２０ｒ上には、保護膜４６ｒと接続電極４２１ｒとの境界（界面）が存在する。境界の直下には、アクティブ領域４１０ｒが設けられている。このような構成では、パワーサイクルや冷熱サイクル等の熱応力が、破線矢印で示すように、境界の直下部分、すなわち外周端４２１ｂｒの直下部分に集中する。このため、下地電極４２０ｒにおける境界直下部分にクラックが発生しやすい。クラックは、境界直下に存在するアクティブ領域４１０ｒまで進展する虞がある。なお、熱応力は、半導体素子４０ｒ（半導体基板４１ｒ）とターミナル７０ｒ等の金属部材との線膨張係数差に起因して生じる。

特に参考例の構成では、はんだ９０ｒの外周端が、保護膜４６ｒの開口端４６ｃｒにほぼ一致する。すなわち、はんだ９０ｒと保護膜４６ｒとの境界が、接続電極４２１ｒと保護膜４６ｒとの境界とほぼ一致する。これにより、平面視において外周端４２１ｂｒ、開口端４６ｃｒ、およびはんだ９０ｒの外周端、の３つが重なるため、境界直下部分に熱応力がより集中する。

図１６は、本実施形態の半導体装置２０を示している。図１６では、便宜上、半導体素子４０とターミナル７０とのはんだ接続構造を示している。図１６は、図１５に対応している。図１６に示すように、接続電極４２１は、平面視において外周領域４１１と重なる位置まで延設されている。接続電極４２１の周縁部４２１ａは、保護膜４６によって覆われている。平面視において、半導体基板４１の外周領域４１１と重なる位置に、接続電極４２１の外周端４２１ｂ、すなわち外周端４２１ｂと保護膜４６との境界（界面）が設けられている。

このように、外周端４２１ｂと保護膜４６との境界を、平面視においてアクティブ領域４１０から離れた位置に設けている。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクル等の熱応力が境界の直下部分に集中しても、アクティブ領域４１０にクラックが進展し難い。以上より、熱応力によってアクティブ領域４１０がダメージを受けるのを抑制することができる。

本実施形態では、接続電極４２１の外周端４２１ｂと保護膜４６との境界の位置を、はんだ９０と保護膜４６との境界の位置に対して外側にずらしている。これにより、熱応力が分散する。よって、外周端４２１ｂと保護膜４６との境界の直下に作用する熱応力を低減することができる。

接続電極４２１の外周端４２１ｂの位置は、外周領域４１１と重なる範囲内で設定可能である。たとえば図１７に示す変形例のように、外周端４２１ｂの位置を、下地電極４２０の外周端４２０ｂに対してずらしてもよい。図１７は、変形例を示す断面図であり、図１６に対応している。外周端４２１ｂは、外周端４２０ｂよりも内側に位置する。外周端４２１ｂと保護膜４６との境界は、平面視においてアクティブ領域４１０から離れた位置に設けられている。したがって、熱応力によりアクティブ領域４１０がダメージを受けるのを抑制することができる。

これに対し、本実施形態では、接続電極４２１が平面視において下地電極４２０とほぼ一致するように配置されている。外周端４２０ｂ、４２１ｂの位置は、全周で互いにほぼ一致している。この構成では、外周端４２１ｂと保護膜４６との境界の直下に、下地電極４２０が存在しない。よって、熱応力が集中し、下地電極４２０における境界直下部分にクラックが生じるのを抑制することができる。境界直下には、シリコン酸化膜４５が設けられている。シリコン酸化膜４５における境界直下部分に熱応力が集中しても、シリコン酸化膜４５は脆性材であり、繰り返しによる塑性破壊がない。よって、熱応力により半導体基板４１がダメージを受けるのを抑制することができる。

本実施形態では、シリコン酸化膜４５を、半導体ウエハ４１Ｗの表面４１ａのうち、エミッタ電極４２が接続する部分を除く領域の全体に形成する。そして、接続電極４２１の、下地電極４２０またはシリコン酸化膜４５に対する密着力の差と、膜内残留応力の差とを利用して、シリコン酸化膜４５上の接続電極４２１を除去し、下地電極４２０上の接続電極４２１を残す。シリコン酸化膜４５上のいずれかの場所から接続電極４２１が剥がれると、剥がれた場所を起点としてシリコン酸化膜４５上の接続電極４２１を繋げたままシリコン酸化膜４５から剥離することができる。よって、レジストを用いずに、接続電極４２１をパターニングすることができる。

特に本実施形態では、下地電極４２０の形成後、接続電極４２１を形成する前にプラズマ処理を実施する。プラズマ処理においては、フッ素系ガスを用いる。これにより、下地電極４２０表面の酸化膜を除去した後、下地電極４２０およびシリコン酸化膜４５の表面にフッ素を付着させて、下地電極４２０およびシリコン酸化膜４５の表面にフッ化層を形成することができる。フッ化層の形成により、接続電極４２１との密着力の差がより大きくなり、シリコン酸化膜４５上の接続電極４２１を剥がしやすくなる。

シリコン酸化膜４５上の接続電極４２１（Ｎｉ層）を剥がす際、略円板状の半導体ウエハ４１Ｗをその中心軸を中心に回転させながら、水を吹き付けてもよい。これにより、半導体ウエハ４１Ｗの表面４１ａに水をほぼ均一に当てることができる。このように、スピン洗浄を用いてもよい。

水に代えて、その他の液体（たとえば有機溶媒）を用いてもよい。水に代えて、空気などの気体を吹き付けてもよい。液体や気体の圧力で、接続電極４２１において、密着力の低い部分を剥がすことができる。

また、ウェット洗浄により、シリコン酸化膜４５上の接続電極４２１を剥がしてもよい。このとき、硫酸を含むエッチング液、たとえば硫酸過水を用いるとよい。硫酸過水は、硫酸と過酸化水素の混合液である。

（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、はんだと保護膜との境界、すなわち保護膜の開口端を、アクティブ領域と重なる位置に設けた。これに代えて、保護膜の開口端を、アクティブ領域よりも外側に設けてもよい。

図１８は、本実施形態に係る半導体装置２０を示す断面図である。図１８でも、図１６同様、半導体素子４０とターミナル７０とのはんだ接続構造を示している。保護膜４６の開口端４６ｃは、平面視においてアクティブ領域４１０の外周端４１０ａよりも外側に設けられている。開口端４６ｃは、外周領域４１１と重なる位置に設けられている。これにより、はんだ９０と保護膜４６との境界の直下には、アクティブ領域４１０が存在せず、外周領域４１１が存在している。それ以外の構成は、先行実施形態（図１６参照）と同じである。

＜第２実施形態のまとめ＞
上記したように、パワーサイクルや冷熱サイクル等の熱応力は、はんだ９０と保護膜４６と境界にも集中する。本実施形態では、接続電極４２１の外周端４２１ｂと保護膜４６との境界に加えて、はんだ９０と保護膜４６との境界も、外周領域４１１と重なる位置に設けている。したがって、熱応力によりアクティブ領域４１０がダメージを受けるのを、より効果的に抑制することができる。

はんだ９０と保護膜４６との境界をアクティブ領域４１０の外側に設けた分、Ｚ方向に直交する方向において、半導体素子４０の体格が大きくなる。先行実施形態に記載の構成によれば、半導体素子４０の体格を小型化しつつ、熱応力によりアクティブ領域４１０がダメージを受けるのを抑制することができる。

本実施形態の構成は、先行実施形態に示した変形例との組み合わせも可能である。

（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、接続電極が単層構造をなしていた。これに代えて、多層構造としてもよい。

図１９は、本実施形態に係る半導体装置２０を示す断面図である。図１９でも、図１６同様、半導体素子４０とターミナル７０とのはんだ接続構造を示している。接続電極４２１は、２層構造をなしている。接続電極４２１は、下地電極４２０に接する層である下層４２１０と、はんだ９０に接する層である上層４２１１を有している。

下層４２１０は、シリコン酸化膜４５に対する密着力が下地電極４２０よりも低い金属を材料とする層である。下層４２１０は、シリコン酸化膜４５よりも、下地電極４２０および上層４２１１との密着力が高い。上層４２１１は、下層４２１０よりもはんだ付け性のよい金属を材料とする層である。本実施形態では、下層４２１０としてＰｔ（プラチナ）層を採用し、上層４２１１としてＮｉ層を採用している。下層４２１０（Ｐｔ）は、はんだ９０のＳｎとの合金形成に対するバリア層としても機能する。下層４２１０および上層４２１１は、スパッタ法、蒸着法により形成されている。それ以外の構成は、先行実施形態（図１６参照）と同じである。

＜第３実施形態のまとめ＞
本実施形態では、接続電極４２１を多層構造としている。接続電極４２１の下層４２１０は、シリコン酸化膜４５との密着力が低く、上層４２１１は、はんだ９０との接合性に優れる。よって、高い接合強度を確保しつつ、シリコン酸化膜４５上の接続電極４２１を剥がしやすい。Ｐｔは硬く、エッチングし難い材料であるが、下層４２１０の、下地電極４２０またはシリコン酸化膜４５に対する密着力の差を利用することで、シリコン酸化膜４５上の下層４２１０、ひいては上層４２１１を除去することができる。よって、下地電極４２０上の接続電極４２１を残すことができる。

下層４２１０がＰｔ層、上層４２１１がＮｉ層の例を示したが、これに限定されない。たとえば下層４２１０としてＰｄ層を有してもよい。Ｐｄ層もバリア層として機能する。また、下層４２１０をＰｔ層、上層４２１１をＡｇ層にしてもよい。Ａｇの線膨張係数が１９ｐｐｍ／℃と大きいため、引張応力が大きくなり、接続電極４２１全体を剥離しやすくできる。

接続電極４２１は２層に限定されない。３層以上の構成としてもよい。たとえば、下層４２１０と上層４２１１の間に、バリア層として機能する図示しない中間層を有してもよい。中間層として、たとえばＴｉ層を採用することができる。

本実施形態の構成は、第１実施形態に示した変形例、第２実施形態に示した構成との組み合わせも可能である。

（第４実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、接続電極が、シリコン酸化膜上に配置された部分を除去（剥離）してなる層のみを有していた。これに代えて、保護膜の形成後に開口部内に配置されためっき層を有してもよい。

図２０は、本実施形態に係る半導体装置２０を示す断面図である。図２０でも、図１６同様、半導体素子４０とターミナル７０とのはんだ接続構造を示している。第３実施形態（図１９参照）と同様、接続電極４２１は２層構造をなしている。接続電極４２１は、下地電極４２０に接する層である下層４２１２と、はんだ９０に接する層である上層４２１３を有している。

下層４２１２は、先行実施形態に記載した接続電極４２１の形成方法と同様の方法により、下地電極４２０上に形成されている。上層４２１３は、めっき法により開口部４６ａ内に形成されている。上層４２１３は、保護膜４６の開口部４６ａから露出する下地電極４２０上に積層配置されている。本実施形態では、下層４２１２としてスパッタ法により形成されたＮｉ層を採用し、上層４２１３として無電解めっき法により形成されたＮｉ層を採用している。上層４２１３のほうが、下層４２１２よりも厚い。

＜第４実施形態のまとめ＞
本実施形態の接続電極４２１は、上記したように、めっき層である上層４２１３を有している。上層４２１３の外周端と保護膜４６との境界は、平面視において下地電極４２０およびアクティブ領域４１０上にある。熱応力が上層４２１３の外周端と保護膜４６との境界に集中しても、境界の直下に位置する下層４２１２（Ｎｉ層）は、下地電極４２０（Ａｌ合金）よりも硬い。また、下層４２１２の外周端と保護膜４６との境界を、アクティブ領域４１０の外側に設けているため、熱応力が分散する。よって、下地電極４２０にクラックが生じ、ひいてはアクティブ領域４１０がダメージを受けるのを抑制することができる。

下地電極上にめっき層を直接的に形成する場合、下地電極表面の酸化膜を除去するエッチング処理が必要となる。酸化膜除去の際、Ａｌの浸食により下地電極の表面が凹凸をなす。浸食部が凹形状となり、熱応力が集中しやすい。これに対し、本実施形態では、めっき層である上層４２１３を、下層４２１２を介して下地電極４２０（Ａｌ合金層）上に形成する。よって、酸化膜除去の工程が不要となり、下地電極４２０の表面の凹凸を抑制することができる。

（第５実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、接続電極の一部が保護膜によって覆われていた。これに代えて、保護膜の開口部のみに配置された接続電極を採用してもよい。

図２１は、本実施形態に係る半導体装置２０を示す断面図である。図２１でも、図１６同様、半導体素子４０とターミナル７０とのはんだ接続構造を示している。先行実施形態とは異なり、接続電極４２１は、保護膜４６の開口部４６ａ内のみに配置されている。開口部４６ａから露出する下地電極４２０上に、接続電極４２１が配置されている。接続電極４２１は、たとえばめっき法により形成されたＮｉ層である。

接続電極４２１の外周端４２１ｂは、保護膜４６の開口端４６ｃに接している。接続電極４２１と保護膜４６との境界（界面）は、平面視において外周領域４１１と重なる位置に設けられている。

＜第５実施形態のまとめ＞
本実施形態では、接続電極４２１と保護膜４６との境界を、アクティブ領域４１０の外周端４１０ａよりも外側に設けている。したがって、パワーサイクルや冷熱サイクル等の熱応力が境界の直下部分に集中しても、アクティブ領域４１０にクラックが進展し難い。以上より、熱応力によってアクティブ領域４１０がダメージを受けるのを抑制することができる。

本実施形態の構成では、はんだ９０の外周端が保護膜４６の開口端４６ｃにほぼ一致する。このため、平面視において、外周端４２１ｂ、開口端４６ｃ、およびはんだ９０の外周端、の３つが重なる。３重点が形成されると、３重点の直下部分に熱応力がさらに集中する。しかしながら、本実施形態では、接続電極４２１と保護膜４６との境界を、アクティブ領域４１０よりも外側に設けているため、熱応力によりアクティブ領域４１０がダメージを受けるのを抑制することができる。

（他の実施形態）
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

ある要素または層が「上にある」、「連結されている」、「接続されている」または「結合されている」と言及されている場合、それは、他の要素、または他の層に対して、直接的に上に、連結され、接続され、または結合されていることがあり、さらに、介在要素または介在層が存在していることがある。対照的に、ある要素が別の要素または層に「直接的に上に」、「直接的に連結されている」、「直接的に接続されている」または「直接的に結合されている」と言及されている場合、介在要素または介在層は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉は、同様のやり方で（例えば、「間に」対「直接的に間に」、「隣接する」対「直接的に隣接する」など）解釈されるべきである。この明細書で使用される場合、用語「および／または」は、関連する列挙されたひとつまたは複数の項目に関する任意の組み合わせ、およびすべての組み合わせを含む。

空間的に相対的な用語「内」、「外」、「裏」、「下」、「低」、「上」、「高」などは、図示されているような、ひとつの要素または特徴の他の要素または特徴に対する関係を説明する記載を容易にするためにここでは利用されている。空間的に相対的な用語は、図面に描かれている向きに加えて、使用または操作中の装置の異なる向きを包含することを意図することができる。例えば、図中の装置をひっくり返すと、他の要素または特徴の「下」または「真下」として説明されている要素は、他の要素または特徴の「上」に向けられる。したがって、用語「下」は、上と下の両方の向きを包含することができる。この装置は、他の方向に向いていてもよく（９０度または他の向きに回転されてもよい）、この明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。

車両の駆動システム１は、上記した構成に限定されない。たとえば、モータジェネレータ３をひとつ備える例を示したが、これに限定されない。複数のモータジェネレータを備えてもよい。電力変換装置４が、電力変換部としてインバータ６を備える例を示したが、これに限定されない。たとえば、複数のインバータを備える構成としてもよい。すくなくともひとつのインバータと、コンバータを備える構成としてもよい。コンバータのみを備えてもよい。

半導体装置２０の構成は、上記した例に限定されない。半導体装置２０は、半導体素子４０を少なくとも備えればよい。

半導体素子４０が、主電極として、表面４１ａに形成されたエミッタ電極４２と、裏面４１ｂに形成されたコレクタ電極４３を有する例を示したが、これに限定されない。表面４１ａのみに主電極を有してもよい。

開口部４６ａの開口形状が平面略矩形状の例を示したが、これに限定されない。

半導体素子４０が、素子としてＲＣ－ＩＧＢＴを有する例を示したが、これに限定されない。スイッチング素子と、ダイオードを別チップとしてもよい。スイッチング素子としてＩＧＢＴの例を示したが、これに限定されない。たとえばＭＯＳＦＥＴを採用することもできる。

ヒートシンク５０、６０の裏面５０ｂ、６０ｂが、封止樹脂体３０から露出する例を示したが、これに限定されない。裏面５０ｂ、６０ｂの少なくとも一方が、封止樹脂体３０によって覆われた構成としてもよい。裏面５０ｂ、６０ｂの少なくとも一方が、封止樹脂体３０とは別の図示しない絶縁部材によって覆われた構成としてもよい。半導体装置２０が封止樹脂体３０を備える例を示したが、これに限定されない。封止樹脂体３０を備えない構成としてもよい。

半導体装置２０が、ひとつのアームを構成する半導体素子４０をひとつのみ備える例を示したが、これに限定されない。一相分の上下アーム回路９を構成する複数の半導体素子４０を備えてもよい。複数相の上下アーム回路９を構成する複数の半導体素子４０を備えてもよい。

信号端子８２がボンディングワイヤ９１を介してパッド４４に接続される例を示したが、これに限定されない。たとえば信号端子８２を、はんだを介してパッド４４に接続してもよい。

１…駆動システム、２…直流電源、３…モータジェネレータ、４…電力変換装置、５…平滑コンデンサ、６…インバータ、７…Ｐライン、８…Ｎライン、９…上下アーム回路、９Ｈ…上アーム、９Ｌ…下アーム、１０…出力ライン、１１…ＩＧＢＴ、１２…ダイオード、２０…半導体装置、３０…封止樹脂体、３０ａ…一面、３０ｂ…裏面、３０ｃ、３０ｄ…側面、４０…半導体素子、４１…半導体基板、４１ａ…表面、４１ｂ…裏面、４１Ｗ…半導体ウエハ、４１０…アクティブ領域、４１０ａ…外周端、４１１…外周領域、４１２…スクライブ領域、４２…エミッタ電極、４２０…下地電極、４２０ａ…周縁部、４２０ｂ…外周端、４２１…接続電極、４２１０、４２１２…下層、４２１１、４２１３…上層、４２１ａ…周縁部、４２１ｂ…外周端、４２１ｃ…露出部、４３…コレクタ電極、４…パッド、４５…シリコン酸化膜、４５ａ…開口端、４５ｂ…露出部、４５ｃ…コンタクトホール、４６…保護膜、４６ａ、４６ｂ…開口部、４６ｃ…開口端、５０…ヒートシンク、５０ａ…対向面、５０ｂ…裏面、６０…ヒートシンク、６０ａ…対向面、６０ｂ…裏面、７０…ターミナル、８０、８１…主端子、８２…信号端子、９０…はんだ、９１…ボンディングワイヤ、１００…ノズル

Claims

電力変換部（６）を構成する半導体素子（４０）を備えた半導体装置であって、
前記半導体素子は、
板厚方向において表面（４１ａ）側に設けられた素子形成領域であるアクティブ領域（４１０）と、前記板厚方向からの平面視において前記アクティブ領域を取り囲む外周領域（４１１）と、を有する半導体基板（４１）と、
前記表面上に形成された下地電極（４２０）と、前記下地電極上に形成された接続電極（４２１）と、を有する表面電極（４２）と、
前記接続電極をはんだ接合可能に露出させる開口部（４６ａ）を有し、前記下地電極の周縁部（４２０ａ）および前記接続電極の外周端（４２１ｂ）を覆うように配置された保護膜（４６）と、を備え、
前記接続電極の前記外周端と前記保護膜との境界が、前記板厚方向からの平面視において、前記外周領域と重なる位置に設けられており、
前記表面において前記表面電極との接続部分を除く部分の全域に形成されたシリコン酸化膜（４５）をさらに備え、
前記下地電極の前記周縁部である第１周縁部は、前記シリコン酸化膜において前記保護膜により覆われた部分の上に積層され、
前記接続電極は、前記第１周縁部上に積層され、前記保護膜により覆われた第２周縁部（４２１ａ）を有し、
前記接続電極は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇのいずれかを含む金属層を少なくともひとつ含む半導体装置。
前記シリコン酸化膜の膜内残留応力は圧縮応力であり、
前記接続電極の膜内残留応力は引張応力である請求項１に記載の半導体装置。
電力変換部（６）を構成する半導体素子（４０）を備えた半導体装置であって、
前記半導体素子は、
板厚方向において表面（４１ａ）側に設けられた素子形成領域であるアクティブ領域（４１０）と、前記板厚方向からの平面視において前記アクティブ領域を取り囲む外周領域（４１１）と、を有する半導体基板（４１）と、
前記表面上に形成された下地電極（４２０）と、前記下地電極上に形成された接続電極（４２１）と、を有する表面電極（４２）と、
前記接続電極をはんだ接合可能に露出させる開口部（４６ａ）を有し、前記下地電極の周縁部（４２０ａ）および前記接続電極の外周端（４２１ｂ）を覆うように配置された保護膜（４６）と、を備え、
前記接続電極の前記外周端と前記保護膜との境界が、前記板厚方向からの平面視において、前記外周領域と重なる位置に設けられており、
前記表面において前記表面電極との接続部分を除く部分の全域に形成されたシリコン酸化膜（４５）をさらに備え、
前記下地電極の前記周縁部である第１周縁部は、前記シリコン酸化膜において前記保護膜により覆われた部分の上に積層され、
前記接続電極は、前記第１周縁部上に積層され、前記保護膜により覆われた第２周縁部（４２１ａ）を有し、
前記シリコン酸化膜の膜内残留応力は圧縮応力であり、
前記接続電極の膜内残留応力は引張応力である半導体装置。
前記保護膜において前記開口部を規定する開口端（４６ｃ）が、前記平面視において、前記接続電極の外周端よりも内側であって、前記アクティブ領域と重なる位置に設けられている請求項１～３いずれか１項に記載の半導体装置。
前記保護膜において前記開口部を規定する開口端（４６ｃ）が、前記平面視において、前記外周領域と重なる位置に設けられている請求項１～３いずれか１項に記載の半導体装置。
電力変換部（６）を構成する半導体素子（４０）を備えた半導体装置であって、
前記半導体素子は、
板厚方向において表面（４１ａ）側に設けられた素子形成領域であるアクティブ領域（４１０）と、前記板厚方向からの平面視において前記アクティブ領域を取り囲む外周領域（４１１）と、を有する半導体基板（４１）と、
前記表面上に形成された下地電極（４２０）と、前記下地電極上に形成された接続電極（４２１）と、を有する表面電極（４２）と、
前記接続電極をはんだ接合可能に露出させる開口部（４６ａ）を有し、前記下地電極の周縁部（４２０ａ）および前記接続電極の外周端（４２１ｂ）を覆うように配置された保護膜（４６）と、を備え、
前記接続電極の前記外周端と前記保護膜との境界が、前記板厚方向からの平面視において、前記外周領域と重なる位置に設けられており、
前記表面において前記表面電極との接続部分を除く部分の全域に形成されたシリコン酸化膜（４５）をさらに備え、
前記下地電極の前記周縁部である第１周縁部は、前記シリコン酸化膜において前記保護膜により覆われた部分の上に積層され、
前記接続電極は、前記第１周縁部上に積層され、前記保護膜により覆われた第２周縁部（４２１ａ）を有し、
前記保護膜において前記開口部を規定する開口端（４６ｃ）が、前記平面視において、前記外周領域と重なる位置に設けられている半導体装置。
前記接続電極は、前記平面視において、前記下地電極と一致するように配置されている請求項１～６いずれか１項に記載の半導体装置。
電力変換部（６）を構成する半導体素子（４０）を備えた半導体装置であって、
前記半導体素子は、
板厚方向において表面（４１ａ）側に設けられた素子形成領域であるアクティブ領域（４１０）と、前記板厚方向からの平面視において前記アクティブ領域を取り囲む外周領域（４１１）と、を有する半導体基板（４１）と、
前記表面上に形成された下地電極（４２０）と、前記下地電極上に形成された接続電極（４２１）と、を有する表面電極（４２）と、
前記接続電極をはんだ接合可能に露出させる開口部（４６ａ）を有し、前記下地電極の周縁部（４２０ａ）および前記接続電極の外周端（４２１ｂ）を覆うように配置された保護膜（４６）と、を備え、
前記接続電極の前記外周端と前記保護膜との境界が、前記板厚方向からの平面視において、前記外周領域と重なる位置に設けられており、
前記接続電極は、前記開口部内のみに配置されており、前記開口部から露出する前記下地電極上に積層されている半導体装置。
電力変換部（６）を構成する半導体素子（４０）を備えた半導体装置の製造方法であって、
板厚方向の表面（４１ａ）側にアクティブ領域（４１０）を有し、前記アクティブ領域を取り囲む外周領域（４１１）を有する半導体ウエハ（４１Ｗ）を準備し、
前記表面の全体にシリコン酸化膜（４５）を成膜した後、前記シリコン酸化膜をパターニングして前記アクティブ領域を内包するようにコンタクトホール（４５ｃ）を形成し、
前記シリコン酸化膜を覆うように前記表面の全体に下地電極（４２０）を成膜した後、周縁部（４２０ａ）が前記シリコン酸化膜における前記コンタクトホールの周囲部分に重なるように前記下地電極をパターニングし、
前記下地電極および前記シリコン酸化膜を覆うように前記表面の全体に接続電極（４２１）を成膜した後、前記接続電極と前記下地電極または前記シリコン酸化膜との密着力の差により前記シリコン酸化膜上の前記接続電極を除去して、前記下地電極上に前記接続電極が積層配置された表面電極（４２）を形成し、
前記表面電極および前記シリコン酸化膜を覆うように前記表面の全体に保護膜（４６）を形成した後、前記保護膜をパターニングして、前記接続電極のはんだ接合部分が露出するように開口部（４６ａ）を形成するとともにスクライブ領域（４１２）上の前記保護膜を除去し、
前記保護膜の形成後、前記スクライブ領域（４１２）に沿って前記半導体ウエハを分離して、前記半導体素子を形成する、半導体装置の製造方法。
前記接続電極を成膜後、液体または気体の吹き付けにより前記シリコン酸化膜から前記接続電極を剥がすことで、前記シリコン酸化膜上の前記接続電極を除去する請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
前記下地電極の形成後、前記下地電極および前記シリコン酸化膜に対して、フッ素系ガスを用いたプラズマ処理を行い、
前記プラズマ処理の実行後、前記接続電極を成膜する請求項９または請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。