JPS62155564A - 電力用半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、動作中かなりの熱を発生する電力用半導体装
置に関し、特に、１つ以上の半導体ヒートシンク電極を
通常の半導体素子の基板に永久的に結合した集積構造に
関する。

従来技術 周知のサイリスクおよびダイオードは典型的には金属パ
ッケージ内に多くのプレート、スペーサおよびリングと
ともに組み立てられている。パッケージは、内部の部品
に大きな圧力を加えて部品間の電気的接触を維持するよ
うに構成されている。

典型的な直径５０ｍｍのサイリスタでは、シリコン・ウ
ェーハの一方の側に合金結合されたタングステンまたは
モリブデンの厚い板を使用し、反対の側に結合しない第
２のタングステンまたはモリブデンの板を使用している
。典型的には、３端子半導体装置の場合または半導体装
置の一部を電気的に隔離する必要がある場合、電極とし
てリング状の板が用いられている。通常、半導体装置の
構造全体にわたって乾いた界面が用いられており、この
ため極めて高い締め付は力が装置を動作するために必要
とされている。この構造は重くかつ大きく、製造上高価
である。これらの装置を効率よく動作させるためには特
別な冷却機構が必要である。

更に、これらのパッケージは直径が７５ｍｎ＋以上の電
力用半導体装置には容易に適用することができない。米
国特許第４１２９２４３号は電力用半導体装置用の従来
のハウジングの例が開示されている。

発明の概要 本発明は１縮退的（こ（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅｌｙ）　
　ドープされた高導電性の半導体電極を、基板として作
用する通常の電力用半導体素子の少なくとも１つの表面
たとえばアノード表面に永久的に結合した改良電力用半
導体装置を提供する。半導体電極は、基板すなわち通常
の半導体素子に取り付けられたとき、半導体素子の端子
と低抵抗の電気的接触部を形成し、また熱伝導率の高い
ヒートシンクとして作用して、大量の熱が発生しても十
分に熱を放散して半導体素子の熱による損傷を防止する
。以下、この半導体電極を半導体ヒートシンク電極また
は単に電極とも呼ぶ。好適実施例においては、半導体ヒ
ートシンク電極および半導体素子は両者ともシリコンか
ら形成される。本発明は、特に、以下に説明するように
、凹んだゲート構造を持つ半導体素子に適用できる。

半導体ヒートシンク電極は基板すなわち通常の半導体素
子の熱膨張係数とほぼ同じ熱膨張係数を有するようにす
ることができる。半導体ヒートシンク電極はこの電極と
半導体素子との間の滑りまたはクリープを防止するため
に硬質合金結合によって半導体素子に取り付けることが
できる。アルミニウム・シリコン共融結合部を形成する
ことにより、低抵抗の電気的接続を形成するとともに、
半導体素子から半導体ヒートシンク電極への熱の流れに
対する無視し１′７る程の障壁を形成することができる
。通常の半導体素子と接触していない側の半導体ヒート
シンク電極の表面は、この電極から熱を放散するための
付加的な構造に容易に接合また接触させることができる
。基板（半導体素子）および半導体ヒートシンク電極間
の共融結合部を形成するには、例えば基板の一方の表面
および電極の一方の表面を約Ｏ，Ｓミル以下の厚さを有
するアルミニウム層で被覆する。次いで、２つの被覆さ
れた表面を互いに隣接して配置してサンドイッチ構造を
形成し、これを水素雰囲気中において約５８０℃の温度
で加熱することにより、両表面間に共融結合部か形成さ
れる。アルミニウム層は、例えば、スパッタリング法ま
たは真空蒸着法によって形成することができる。第２の
縮退的にドープされた半導体ヒートシンク電極を同様に
同じ技術によって半導体素子すなわち基板の反対側の第
２の表面に設けることができる。

半導体ヒートシンク電極を基板に取り付ける前または取
り付けた後に、付加的なより大きなヒートシンクおよび
外部金属電極を軟質はんだまたはエポキシ接着剤によっ
て半導体ヒートシンク電極に取り付けることができる。

一実施例においては、半導体ヒートシンク電極は半導体
素子の全表面を覆わないように設けられ、パッシベーシ
ョン層を半導体素子の表面および電極の隣接表面に設け
て、電極の内側の半導体素子の露出表面を特徴する特許
性があると考えられる本発明の特徴は特許請求の範囲に
記載しである。しかしながら、構成および動作方法につ
いての本発明自身は別の目的、特徴および利点とともに
添付図面を参照した以下の説明からより良く理解されよ
う。

好適実施例の説明 先ず、第１図を参照すると、本発明による電力用半導体
装置１０の分解断面図が示されている。

この電力用半導体装置１０は、基板部材１２として表わ
した通常の半導体素子を含むとともに、この基板に取り
付けられる第１および第２の半導体ヒートシンク電極１
４および１６を含む。この通常の半導体素子１２は多く
の相異なる電力素子を有するものであってよいが、図示
の例では、この半導体素子１２は凹んだゲート構造を有
するもので、これは例えばシリコン・ウェーハに形成さ
れたエツジ・ゲート型シリコン電力サイリスクである。

この半導体素子の構造は以下に説明する第３図から一層
明らかになるであろう。特に、ゲート電極はインボリュ
ート形の構造を有する。第１図に示す基板すなわち通常
の半導体素子１２は下側の第１の表面１８および上側の
第２の表面２０を有する。上述のシリコン電力用サイリ
スクの例では、はぼ平坦なアノード端子２２のような第
１の端子か半導体素子１２の第１の表面１８に形成され
、第２および第３の端子２４および２５が半導体素子の
第２の表面２０に形成されている。図示の凹んだインボ
リュート形のゲート構造を有する電力用サイリスタの例
では、第２の端子２４は複数のメサ形カソードとして表
わされ、第３の端子２５は複数の凹んだゲートとして表
わされている。

このカソード端子２４は、はぼ平坦な表面２９とほぼ円
筒状の内壁３０および外壁３２とを有する凹んでいない
領域２６として示されている。円形状のカソード端子２
４およびゲート端子または電極２はそれぞれ互いの境界
を周方向に限定していると考えられる。

第１図に示すように、第１および第２の半導体ヒートシ
ンク電極１４および１６は、半導体素子１２の第１およ
び第２の表面１８および２０にそれぞれ接合または接触
するための表面を有するほぼ平坦な半導体ウェーハとし
て形成されている。

半導体素子１２の第１および第２の表面１８および２０
に凹凸がある場合、対応する電極には上記表面と合わさ
って接触するように上記凹凸とは反対の凹凸を設けるこ
とができる。第１の半導体ヒートシンク電極１４は典型
的にはほぼ平坦な第１および第２の表面５０および５２
を有している。

第１の表面５０は半導体素子（基板）１２とほぼ同一の
広がりを有し、特に半導体素子１２のほぼ平坦な第１の
端子すなわちアノード端子２２の下側表面全体と実質的
に合わさるように形成される。

図示の典型的な例では、第２の半導体ヒートシンク電極
１６もまたほぼ平坦であり、第１および第２のほぼ平坦
な表面５６および５８を有する。

第１の表面５６は、半導体素子１２の第２の表面２０上
に配設されている第２の端子すなわちカソード端子２４
の表面２９全体と実質的に合わさるように形成されてい
る。図示の例においては、第２の電極１６はカソード端
子２４とのみ電気的に接触し、ゲート電極２５とは電気
的に接触しない。

図示の実施例における第２の電極１６は通常の半導体素
子１２の広がりより小さい広がりを有し、半導体素子１
２の第２の表面２０の全体を覆わない。図示の例では、
半導体素子１２の周囲の露出したゲート電極２５の部分
に直ちに直接アクセスできるようになっている。図示し
ないが、ゲート電極が中央電極を有するインボリュート
形ゲートとして構成されている場合には、第２の電極１
６は基板（半導体素子）と同じ広がりを有するように形
成して、例えば中央のゲート電極にアクセスして適切な
接続が行えるようにするための中央開口部を設けること
ができる。後で説明するように、半導体ヒートシンク電
極によって覆われていない半導体素子の端子の部分はパ
ッシベーション層によって封止することができる。

第１および第２の電極１４および１６の各々は、通常の
半導体素子１２を含む基板の膨張係数とほぼ同じ膨張係
数を有する縮退的にドープされた高導電性の半導体材料
から作るのが好ましい。また、電極１４および１６は低
価格の単結晶質、多品質または多結晶シリコンのような
縮退的にドープされた多結晶半導体材料から作るのが好
ましい。シリコン半導体素子を使用した図示の実施例に
おいては、電極１４および１６はシリコン・ウェーハか
ら形成される。また、第１および第２の電極１４および
１６はそれぞれ厚さＴ２およびＴ３を有し、これらの厚
さは通常の半導体素子１２の基板の厚さＴ１より小さい
のが好ましい。

典型的な例においては、半導体素子１２の基板は厚さが
３０乃至５０ミルの範囲であり、第１および第２の半導
体ヒートシンク電極は厚さが２０乃至４０ミルの範囲で
ある。典型的には、半導体素子１２の基板の半径は約３
インチ以上である。

ここに説明する実施例の改良された半導体装置は大電力
用装置として、または逆バイアス状態において数千ボル
ト、典型的には２０００乃至６０００ボルトの範囲の電
圧を阻止することができる装　　　　　置として好適に
構成することができる。

第１および第２の電極１４および１６はそれぞれ、例え
ば硬質合金または共融結合によって電力用半導体素子１
２の端子表面に永久的に取り付けることか好ましい。ア
ルミニウム・シリコン共融結合により、シリコンの第１
および第２の電極１４および１６をそれぞれ半導体素子
１２の第１および第２の表面１８および２０に、これら
の電極と半導体素子１２の基板との間に滑りまたはクリ
ープが生じないようにして取り付は固定できることがわ
かった。

第１および第２の電極１４および１６と第１および第２
の半導体素子表面１８および２０との間にアルミニウム
共融結合を形成するためには通常次のステップが実施さ
れる。まず最初に、半導体素子１２と電極１４および１
６の接合しようとする各表面をアルミニウムの薄い膜ま
たは層６０で、好ましくは０，１乃至０．５ミルの範囲
の厚さに被覆する。このアルミニウム層は、例えば真空
蒸着法またはスパッタリング法によって形成することが
できる。

次に、半導体素子および半導体ヒートシンク電極のアル
ミニウムで被覆された対応する表面を合わせる。図示の
例においては、第２の電極１６、半導体素子１２および
第１の電極１４からなる３層サンドイッチ構造が形成さ
れる。それから、このサンドイッチ構造を例えば水素雰
囲気中において５００℃乃至７００℃の範囲の温度で３
０分間加熱して、半導体素子１２と電極１４および１６
との間に共融結合部を形成する。全ての結合は、半導体
材料中に望ましくない不純物が拡散して半導体素子１２
が劣化することを防止するために７００℃以下の温度で
行なうのが好ましい。

第２図に示すように、電極１４および１６と基板すなわ
ち半導体素子１２の間に適当な結合部が形成されると、
半導体装置ｌＯは半導体電極１４、半導体素子（基板）
１２および半導体電極１６から成る３層構造を有する単
一パッケージ、上述の例ではシリコンの電極１４、シリ
コンの半導体素子（基板）１２およびシリコンの電極１
６から成る３層構造を有する単一パッケージを構成する
。

また、これらの半導体電極１４および工６は、半導体素
子１２と外部端子との間の低抵抗の電気的接続部を形成
するのに加えて、電極１４および１６の熱膨張係数が半
導体素子１２の熱膨張係数と実質的に整合しているので
、半導体素子に加わる熱応力を低減するように作用する
。更に、電極１４および１６は半導体索子１２からの熱
を容易に吸収し、電極１４および１６の間にはさまれた
通常の半導体素子１２から成る半導体装置からの熱の放
散を高める。従って、このようにパッケージされた半導
体素子１２は発生した熱を容易に放散することによって
熱サージに一層良く耐えることができる。というのは、
とりわけ共融結合部が本質的に無視し得る熱障壁を構成
するためであり、これにより半導体素子１２からの熱を
８．３ミリ秒以下の時間内に約３０ミルの深さまで電極
１４および１６の中へ容易に伝達することができ、この
ため半導体素子が通常６０Ｈｚの動作における各半サイ
クルの電流／電力サージによって損傷を受けることが防
止される。

第２図に示すように、付加的な外部ヒートシンク（７５
）を電極１４および１６の一方または両方に取り付ける
ことができる。図示の実施例では、付加的なヒートシン
ク７５が第２の電極１６の第２の表面５８にのみ設けら
れている。この一層大きなヒートシンク７５は流体冷却
することができる。外部端子８０．８２および８８が半
導体素子１２のアノード、カソードおよびゲート端子に
それぞれ設けられている。エポキシ、軟質はんだ、また
は他の低温結合技術を使用して、ヒートシンク７５また
は外部端子８０および８２を適当な電極１４または１６
に取り付けることにより、電極　　　−１４および１６
と半導体素子１２との間に前に形成した共融結合部がそ
こなわれないようにする。

代りに、ヒートシンク７５および外部端子８０は高温結
合によって取り付けることもできる。しかしながら、こ
の場合、半導体素子１２に熱により不純物が入り込むこ
とによって生じる恐れのある半導体素子の汚染を防止す
るためにこの高温結合は電極１４および１６と半導体素
子１２との間に共融結合を形成する前に行なうことが好
ましい。

代りに、大きなアルミニウムまたは銅の放熱部７５を、
例えばガリウム層を使用した液体金属境界によって半導
体装置に取り付けることもできる。

電極１４および１６は半導体素子１２に永久的に結合さ
れて、これらの電極が覆っている素子１２の表面を実質
的に気密封止する。また、電極１６によって覆われてい
ないで、電極１６の外に延在している表面２０の部分の
ような半導体素子の縁領域８５は、半導体素子を密封す
るためにパッシベーション層９０によって封止すること
ができる。電極１６の外に延在しているゲート電極２５
の一部を含む縁領域８５はゲート電極２５に外部端子８
８を接続し、また室温硬化シリコン（ＲＴＶ）のような
適当なパッシベーション材料９０、または二酸化シリコ
ンのような半導体酸化物で覆うことができる。このパッ
シベーション材料９０は半導体素子１２の露出する全て
の表面および電極の隣接する表面２８を覆って封止する
。図示の例においては、パッシベーション材料９０は表
面２０、ゲート電極２５の表面および電極１６の隣接す
る表面２８を覆って封止することができる。

図示の例においては、パッシベーション層９０はカソー
ド端子２４、ゲート電極２５および半導体ヒートシンク
電極１６の隣接した縁部の表面２８の全周囲を覆い、電
極１＼６に接する半導体素子１２の表面２０の部分を封
止することが好ましい。

第３図は本発明に従ってパッケージした半導体装置１０
の一部破断した平面図である。第２の電極１６は第１図
に示すように基板すなわち半導体索子１２の表面２０に
固定されている。図示の例においては、半導体素子１２
は上側の表面２ｏ上にインボリュート形構造のゲートお
よびカソード電極２５および２４ををするサイリスタで
ある。

第２図および第３図に示すように、縁部のゲート外部端
子８８は二酸化シリコンのような自然酸化物の層９０を
通過してこの層内に封止されている。

カソード外部端子８２は第３図には示されていない。第
１の電極１４は下方から半導体素子１２を支持している
。第１および第２の電極１４および１６は酸化物層９０
と共に半導体素子１２に対して気密封止した半導体パッ
ケージを形成する。大きなヒートシンク７５は第３図に
は示していない。

本技術分野に専門知識を有する者にとっては半導体素子
１２ならびに電極１４および１６が他の種々の形状を取
り得ることは明らがであろう。特に、２つ以上の半導体
ヒートシンク電極を低温結合によって取り付けることが
でき、更に、１つの電極で半導体素子の表面の一部分の
みを覆い、残りの表面部分を１つ以上の他の電極で覆う
ようにすることができることが理解されよう。

本発明を好適実施例に関して図示し説明したが、本技術
分野に専門知識を有する者にとっては本発明の精神およ
び範囲から逸脱することなく種々の修正、変更、変形、
置換等を行い得ることが理解されよう。従って、本発明
は特許請求の範囲によって限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体装置の分解断面図であり、 第２図は本発明による組立て後の装置の断面図であり、 第３図は第１図および第２図の構造に用いることのでき
るエツジ・ゲート型電力用サイリスタの一部破断乎面図
である。 １０・・・電力用半導体装置、１２・・・半導体素子、
１４・・・第１の半導体ヒートシンク電極、１６・・・
第２の半導体ヒートシンク電極、２２・・・第１の端子
、２４・・・第２の端子、２５・・・第３の端子、６０
・・・アルミニウム層、７５・・・ヒートシンク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、実質的に平坦な半導体ウェーハとして形成された電
   力用半導体素子と、 第１および第２の表面を有する実質的に平坦な半導体ウ
   ェーハとして形成された縮退的にドープされた半導体ヒ
   ートシンク電極であって、該電極の前記第１および第２
   の表面の一方が前記半導体素子の第１のほぼ平坦な表面
   に対応して接触するように構成されている半導体ヒート
   シンク電極と、前記電極を前記半導体素子のウェーハの
   前記対応する表面に取り付ける低抵抗の熱伝導性の結合
   部と、 を有することを特徴とする電力用半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の電力用半導体装置にお
   いて、前記半導体素子のウェーハおよび前記電極のウェ
   ーハがシリコン・ウェーハである電力用半導体装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の電力用半導体装置にお
   いて、前記電極の少なくとも１つの表面がアルミニウム
   で被覆され、前記半導体素子の少なくとも１つの表面が
   アルミニウムで被覆されている電力用半導体装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の電力用半導体装置にお
   いて、前記電極がアルミニウム共融結合によって前記半
   導体素子に取り付けられている電力用半導体装置。 ５、特許請求の範囲第１項記載の電力用半導体装置にお
   いて、前記半導体素子の一方の表面が少なくとも１つの
   凹んだ端子を含んでいる電力用半導体装置。 ６、特許請求の範囲第１項記載の電力用半導体装置にお
   いて、前記半導体素子がシリコン素子であり、前記電極
   が低価格の結晶質シリコン電極である電力用半導体装置
   。 ７、特許請求の範囲第１項記載の電力用半導体装置にお
   いて、前記電極の熱膨張係数が前記半導体素子のウェー
   ハの熱膨張係数にほぼ等しい電力用半導体装置。 ８、特許請求の範囲第１項記載の電力用半導体装置にお
   いて、少なくとも１つの大きなヒートシンクが前記半導
   体ヒートシンク電極の前記第１および第２の表面の他方
   に取り付けられている電力用半導体装置。 ９、特許請求の範囲第２項記載の電力用半導体装置にお
   いて、別の縮退的にドープされた半導体ヒートシンク電
   極が前記半導体素子の第２の表面に取り付けられている
   電力用半導体装置。 １０、特許請求の範囲第１項記載の電力用半導体装置に
   おいて、前記半導体素子の前記第１の表面内、前記電極
   によって覆われていない部分が露出しており、パシベー
   ション層が前記半導体素子の前記露出した表面部分およ
   び前記電極の隣接部分を覆って前記半導体素子を封止し
   ている電力用半導体装置。 １１、半導体装置を形成する方法において、半導体素子
   および半導体電極の対応する表面の各々をアルミニウム
   で被覆し、 前記アルミニウムで被覆した前記半導体素子の表面を前
   記アルミニウムで被覆した前記電極の表面に隣接して配
   置し、 水素雰囲気中において５００℃以上の温度で前記アルミ
   ニウムで被覆した隣接した両表面を加熱することによっ
   て該両表面間に共融結合部を形成する工程を有すること
   を特徴とする半導体装置の形成方法。 １２、特許請求の範囲第１１項記載の半導体装置の形成
   方法において、前記アルミニウムの被覆が約０．５ミル
   の厚さである半導体装置の形成方法。 １３、特許請求の範囲第１１項記載の半導体装置の形成
   方法において、前記アルミニウムの被覆がスパッタリン
   グ法によって形成される半導体装置の形成方法。 １４、特許請求の範囲第１１項記載の半導体装置の形成
   方法において、前記アルミニウムの被覆が真空蒸着法に
   よって形成される半導体装置の形成方法。 １５、特許請求の範囲第１１項記載の半導体装置の形成
   方法において、第２のシリコンの半導体電極を前記半導
   体素子の第２の実質的に平坦な表面に取り付ける工程を
   含む半導体装置の形成方法。 １６、特許請求の範囲第１１項記載の半導体装置の形成
   方法において、前記半導体素子の前記電極にヒートシン
   クをエポキシ接着剤によって取り付ける工程を含む半導
   体装置の形成方法。 １７、特許請求の範囲第１６項記載の半導体装置の形成
   方法において、前記ヒートシンクを前記電極に取り付け
   る前記工程が前記電極を前記半導体素子に取り付ける工
   程の後に行なわれる半導体装置の形成方法。