JPWO2022230220A5

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Publication number: JPWO2022230220A5
Application number: JP2023517029A
Authority: JP
Filing date: 2021-11-01
Publication date: 2023-06-27

Description

半導体チップ６５ａ，６５ｂは、ダイオード素子である。ダイオード素子は、例えば、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、ＰｉＮ（Ｐ-intrinsic-Ｎ）ダイオード等のＦＷＤ（Free Wheeling Diode）である。このような半導体チップ６５ａ，６５ｂは、裏面に出力電極（主電極）としてカソード電極を、おもて面に入力電極６６ａ，６６ｂ（主電極）として、アノード電極をそれぞれ備えている。上記の半導体チップ６５ａ，６５ｂは、その裏面側が金属層３０ｂ，３０ｃ上に、既述のはんだ（図示を省略）により接合されている。なお、半導体チップ６０ａ，６０ｂ，６５ａ，６５ｂは、スイッチング素子及びダイオード素子を一つの半導体チップとしたＲＣ（Reverse Conductive）－ＩＧＢＴ素子、ＲＢ（Reverse Blocking）－ＩＧＢＴ素子であってもよい。

セラミックス板２０では、酸化アルミニウムの含有量が、酸化物換算で全体の９０ｗｔ％以上、９９ｗｔ％以下であり、より好ましくは、９２ｗｔ％以上、９８ｗｔ％以下である。また、セラミックス板２０に対して、シリコンを具備する酸化物の含有量は、酸化物換算した全体量に対して、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）換算で、０．０１ｗｔ％以上、３．０ｗｔ％以下であり、より好ましくは、１．０ｗｔ％以上、３．０ｗｔ％以下である。シリコンを具備する酸化物の含有量が少なすぎるとセラミックス板に空隙が多く残り、割れやすくなる。また、多すぎると半導体装置１の運転時にセラミックス板中のイオンの伝導が多くなり、絶縁性の低下や銅箔の接合性の低下が起きやすくなる。

また、このようなセラミックス板２０は、セラミックス粒子、マグネシウムを具備する酸化物、シリコンを具備する酸化物以外にも、製造に用いられる様々な材料を含む。このような材料の一例として、ナトリウムを具備する酸化物がある。例えば、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）がある。セラミックス板２０に対して、ナトリウムを具備する酸化物の含有量は、酸化物換算した全体量に対して、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）換算で、０．００１ｗｔ％以上、０．２ｗｔ％以下であり、より好ましくは、０．００２ｗｔ％以上、０．２ｗｔ％以下である。ナトリウムを具備する酸化物の含有量が少なすぎると、セラミックス原料粉末の精製が困難になる。また、多すぎると、βアルミナ（Ｎａ_２Ｏ・１１Ａｌ_２Ｏ_３）が形成され、絶縁性の低下や強度の低下が起きやすくなる。セラミックス板２０では、好ましくは、βアルミナを含まない。

後述する実施例１－１のセラミックス積層基板１０は、酸化マグネシウムの粉末の塗工を行い、マンガン含有溶液を用いた湿式酸化法を行わなかった場合である。この場合、セラミックス積層基板１０は、マグネシウムを具備する酸化物を含み、マンガンを具備する酸化物を含まない。後述する実施例１－２のセラミックス積層基板は、酸化マグネシウムの粉末の塗工、及び、マンガン含有溶液を用いた湿式酸化法の両方を行った場合である。したがって、セラミックス積層基板１０では、マグネシウムを具備する酸化物、及び、マンガンを具備する酸化物を共に含む。後述する実施例１－３のセラミックス積層基板１０は、酸化マグネシウムの粉末の塗工を行わず、マンガン含有溶液を用いた湿式酸化法を行った場合である。したがって、セラミックス積層基板１０では、マグネシウムを具備する酸化物を含まず、マンガンを具備する酸化物を含む。なお、後述する比較例のセラミックス積層基板１００は、酸化マグネシウムの粉末の塗工、及び、マンガン含有溶液を用いた湿式酸化法の両方を行わなかった場合である。したがって、セラミックス積層基板１００では、マグネシウムを具備する酸化物、及び、マンガンを具備する酸化物を共に含まない。

（比較例１のセラミックス積層基板）
以下では、中間層５０ａ，５０ｂによる金属層３０，４０の接合性低下の抑制を説明するにあたり、まず、比較例１として、中間層５０ａ，５０ｂを含まないセラミックス積層基板について、図５及び図６並びに図１３を用いて説明する。図５は、比較例１のセラミックス積層基板の断面模式図であり、図６は、比較例１のセラミックス積層基板の高温下高電圧時の断面模式図である。図１３は、セラミックス積層基板の試験結果のまとめの表である。なお、図５は、図２における破線で囲った範囲におけるミクロ状態を模式的に示している。また、図６では、図５において、高温下で金属層３０，４０の間に高電圧を印加した際のミクロ状態を模式的に示している。また、図１３は、比較例１と共に、以後に説明する、実施例１－１～１－３における試験結果も併せて示している。

まず、信頼性試験は、高温環境下においてハーフブリッジ回路を所定のオン、オフパターンで所定時間、連続運転する。なお、ここでは、セラミックス板１２０の裏面に形成された金属層４０がＮ端子と同電位になるように接地した。そのため、セラミックス板１２０のおもて面に形成された金属層３０が高電位の金属層、裏面に形成された金属層４０が低電位の金属層である。このような連続運転をセラミックス積層基板１００のおもて面に行う。

他方、負極に移動したナトリウムイオン２４は、マグネシウムを具備する酸化物５１ｂが存在しない箇所では、銅を具備する酸化物４１（図７を参照）と反応して、酸化銅を還元して、ナトリウムイオン２４と反応した負極の銅を具備する酸化物４１はＣｕとなり、金属層４０に含まれる。また、ナトリウムイオン２４は酸化されて、酸化ナトリウムになる。このように、酸化アルミニウム２１及びシリコンを具備する酸化物２２のそれぞれに対して接合力が大きい銅を具備する酸化物４１が減少する。また、負極の金属層４０の境界近傍のセラミックス板２０において、ナトリウムイオン（酸化ナトリウム２３）の濃度が増加して、酸化アルミニウム２１の粒子の離脱が生じやすくなる。

また、第１，第２の実施の形態では、セラミックス板２０の裏面に形成された金属層４０が、Ｍ端子と同電位になるように接地された場合、または、接地されずに浮遊の場合、高電位の金属層は、セラミックス板２０のおもて面に形成された金属層３０ａ，３０ｂであり、低電位の金属層は、セラミックス板２０の裏面に形成され、金属層３０ａ，３０ｂに対向する金属層４０である。また、この場合、低電位の金属層は、セラミックス板２０のおもて面に形成された金属層３０ｄであり、高電位の金属層は、セラミックス板２０の裏面に形成され、金属層３０ｄに対向する金属層４０である。

このようなセラミックス積層基板１０に対しても引きはがし強さの評価試験を行った。実施例１－３に対する評価結果は、図１３に示されるように、セラミックス積層基板１０のおもて面で「Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ」、裏面で「ＶｅｒｙＧｏｏｄ」となっている。すなわち、セラミックス積層基板１０は信頼性試験を行っても、実施例１－１と比べて、金属層４０のセラミックス板２０の裏面に対する接合力が幾分改善され、接合性の低下が抑制されている。この理由は現時点では未だ充分に解明されておらず、また、理論に拘束されるわけではないが、以下のように考えることができる。

ところが、実施例１－３のセラミックス積層基板１０は、酸化マンガン２７が中間層５０ａ，５０ｂに配置されている。そのため、ナトリウムイオン２４が銅を具備する酸化物４１と反応することをブロックする。したがって、マンガンを具備する酸化物５３ｂが形成されている箇所には、銅を具備する酸化物４１がＣｕになることなく存在する。また、酸化マンガン２７が酸化アルミニウム２１の粒界及び３重点に配置されている。そのため、粒界のシリコンを具備する酸化物２２の一部の移動ルートが遮断され、一部のナトリウムイオン２４の移動が遮断される。したがって、ナトリウムイオン２４と銅を具備する酸化物４１との反応が抑制される。したがって、この箇所においては、セラミックス板２０と金属層４０との接合強度が維持される。また、この際の接合強度は、実施例１－１よりも大きいことが考えられる。

第２の実施の形態のセラミックス板２０を製造するには、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）粉末に加えて、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、あるいは、酸化カルシウム（ＣａＯ）の粉末を添加してよい。または、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）粉末に替わり部分安定化ジルコニアの粉末を添加してもよい。こうすることで、セラミックス板２０はセラミックス粒子として酸化アルミニウムを含み、セラミックス粒子の粒界並びに３重点に部分安定化ジルコニアとシリコンを具備する酸化物（第２酸化物）とを含む。この場合の部分安定化ジルコニアは、好ましくは、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）に換算したジルコニウムに対して、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）に換算したイットリウムが、２．５ｍｏｌ％以上、３．５ｍｏｌ％以下含まれている。こうすることで、酸化ジルコニウムだけの場合に比べて、さらに抗折強度を高めることができる。また、セラミックス粒子の平均粒径は、０．５μｍ以上、２５μｍ以下である。より好ましくは、１μｍ以上、１０μｍ以下である。

セラミックス板２０では、酸化アルミニウムの含有量が、酸化物換算で全体の８０ｗｔ％以上、９５ｗｔ％以下であり、より好ましくは、８４ｗｔ％以上、９２ｗｔ％以下である。また、ジルコニウムを具備する酸化物の含有量が、酸化物換算した全体量に対して、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）換算で、全体の５．０ｗｔ％以上、２０．０ｗｔ％以下であり、より好ましくは、８ｗｔ％以上、１６ｗｔ％以下含まれている。また、セラミックス板２０に対して、シリコンを具備する酸化物の含有量は、酸化物換算した全体量に対して、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）換算で、０．０１ｗｔ％以上、３．０ｗｔ％以下であり、より好ましくは、１．０ｗｔ％以上、３．０ｗｔ％以下である。シリコンを具備する酸化物の含有量が少なすぎるとセラミックス板に空隙が多く残り、割れやすくなる。また、多すぎるとセラミックス板の熱伝導性が低下し、放熱性が悪くなる。

また、第２の実施の形態のセラミックス板２０でも、セラミックス粒子、マグネシウムを具備する酸化物、シリコンを具備する酸化物、ジルコニウムを具備する酸化物以外にも、製造に用いられる様々な材料を含む。このような材料の一例として、ナトリウムを具備する酸化物がある。例えば、酸化ナトリウムがある。セラミックス板２０に対して、ナトリウムを具備する酸化物の含有量は、酸化物換算した全体量に対して、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）換算で、０．００１ｗｔ％以上、０．２ｗｔ％以下であり、より好ましくは、０．００２ｗｔ％以上、０．２ｗｔ％以下である。ナトリウムを具備する酸化物の含有量が少なすぎると、セラミックス原料粉末の精製が困難になる。また、多すぎると、βアルミナが形成され、絶縁性の低下や強度の低下が起きやすくなる。セラミックス板２０では、好ましくは、βアルミナを含まない。

図１５に示すように、比較例２のセラミックス積層基板１００は、高温下で、金属層３０，４０に高電位（正極）及び低電位（負極）の電圧が印加される。これにより、負極側の金属層４０とセラミックス板１２０の酸化ジルコニウム２８との境界に形成されている銅を具備する酸化物４１（Ｃｕ－Ｏ）が還元される。例えば、ＣｕＯ＋２ｅ（電子）→Ｃｕ＋Ｏ^２－の反応が生じる。そのため、負極側では、銅を具備する酸化物４１が減少して、金属層４０とセラミックス板１２０の接合力が低下する。そして、銅を具備する酸化物４１（Ｃｕ－Ｏ）の還元により生成された酸素イオン２５は、酸化アルミニウム２１の粒界及び３重点の酸化ジルコニウム２８を通過して、正極である高電位の金属層３０側に移動する。正極に移動した酸素イオン２５は、金属層３０の銅と反応して、銅を具備する酸化物３１を成長させる。例えば、Ｃｕ＋Ｏ^２－→ＣｕＯ＋２ｅ（電子）の反応が生じる。そのため、正極では、銅を具備する酸化物３１が過剰に増加して、金属層３０とセラミックス板１２０の接合力が低下する。

第２の実施の形態における比較例２のセラミックス積層基板１００のセラミックス板１２０では、既述の通り、酸素イオンの移動が酸化ジルコニウムにより促進される。このため、負極側で還元が進み、正極側では酸化が進むことになる。したがって、第１の実施の形態における比較例１よりもさらにセラミックス板１２０に対する金属層３０，４０の接合強度が低下してしまう。

また、酸化マグネシウム２６が粒界及び３重点に存在していてもよい。こうすることで、粒界での酸素イオンの移動ルートが一部遮断される。これによっても、正極及び負極における酸化還元の反応が抑制される。また、セラミックス積層基板１０は、正極側にマグネシウム及びマンガンを具備する酸化物５２ａを含む中間層５０ａが形成されていてもよい。こうすることで、正極側において、中間層５０ａが形成された部分では、酸化ジルコニウム２８と銅を具備する酸化物３１（Ｃｕ－Ｏ）とが直接接触せず、金属層３０の酸化が抑制される。つまり、中間層５０ａが金属層３０の酸化をブロックする。こうすることで、金属層３０，４０のセラミックス板２０に対する接合力がさらに改善され、接合性の低下が抑制されている。

また、金属層３０，４０は、銅を主成分として構成されている。中間層５０ａ，５０ｂは、第１酸化物として、マンガンを具備する酸化物５３ａ，５３ｂをそれぞれ含んでいる。マンガンを具備する酸化物５３ａ，５３ｂは、中間層５０ａ，５０ｂにおいて、セラミックス板２０のおもて面側、裏面側にそれぞれ多く形成されている。さらに、金属層３０，４０とセラミックス板２０とマンガンを具備する酸化物５３ａ，５３ｂの境界に銅を具備する酸化物３１，４１がそれぞれ形成されている。

図２１に示すように、実施例２－３のセラミックス積層基板１０は、高温下で、金属層３０，４０に高電位（正極）及び低電位（負極）の電圧が印加されている。セラミックス積層基板１０は、負極側にマンガンを具備する酸化物５３ｂを含む中間層５０ｂが配置されている。そのため、負極側において、中間層５０ｂが形成された部分では、酸化ジルコニウム２８と銅を具備する酸化物４１（Ｃｕ－Ｏ）とが直接接触せず、銅を具備する酸化物４１の還元が抑制される。つまり、中間層５０ｂが銅を具備する酸化物４１の還元をブロックする。したがって、中間層５０ｂが形成されている箇所には、銅を具備する酸化物４１が銅になることなく存在する。また、負極における還元が抑制されるため、酸素イオンの発生が少なく、正極側においても金属層３０とセラミックス板２０との境界において銅が過剰に酸化されることが抑制される。したがって、負極側にマンガンを具備する酸化物５３ｂを含む中間層５０ｂが形成されていることで、比較例２と比べて、金属層３０，４０のセラミックス板２０に対する接合力が改善され、接合性の低下が抑制されている。さらに、実施例２－１よりも、還元をブロックするため、実施例２－１よりも、金属層３０，４０のセラミックス板２０に対する接合力の低下が抑制されていると考えられる。

［第３の実施の形態］
第１，第２の実施の形態で説明したように、セラミックス積層基板１０において、金属層３０，４０の一方が高電位であって、金属層３０，４０の他方が低電位である場合、少なくとも、低電位の金属層とセラミックス板２０との間に中間層が形成される。これにより、セラミックス板２０に対する（中間層が形成された）金属層の剥離が抑制される。

第３の実施の形態では、図１～図３に示した半導体装置１において、半導体装置１の運転時並びに停止時のセラミックス積層基板１０の金属層３０，４０に生じる電位差に基づいて、中間層が必要とされる領域について説明する。

また、半導体装置１の別の駆動時は、半導体チップ６０ａの制御電極６１ａに入力される制御信号がオフであって、半導体チップ６０ｂの制御電極６１ｂに入力される制御信号がオンである。したがって、セラミックス積層基板１０において、金属層３０ａ，３０ｂが高電位であり、金属層３０ｃ，３０ｄが低電位である。この際の上アーム部Ａを停止状態、下アーム部Ｂを駆動状態と呼ぶ。また、この半導体装置１の駆動時は、後述する図２２（Ｃ），２３（Ｃ），２４（Ｃ）の場合にそれぞれ対応する。

次に、セラミックス積層基板１０の金属層３０，４０の電位ごとに中間層を要する領域について、図２２～図２５を用いて説明する。図２２は、第３の実施の形態のセラミックス積層基板（裏面金属層が低電位）の中間層を要する領域を説明するための図である。図２３は、第３の実施の形態のセラミックス積層基板（裏面金属層が高電位）の中間層を要する領域を説明するための図である。図２４は、第３の実施の形態のセラミックス積層基板（裏面金属層が浮遊電位）の中間層を要する領域を説明するための図である。図２５は、第３の実施の形態のセラミックス積層基板の中間層を要する領域を説明するための図である。

なお、図２２～図２４は、図２のセラミックス積層基板１０、半導体チップ６０ａ，６０ｂ、外部接続端子７１～７５を簡略して図示している。説明に必要な構成部品のみに符号を付している。図２２（Ａ），２３（Ａ），２４（Ａ）は、上アーム部Ａ及び下アーム部Ｂが停止状態である場合に対応している。図２２（Ｂ），２３（Ｂ），２４（Ｂ）は、上アーム部Ａが駆動状態、下アーム部Ｂが停止状態である場合に対応している。図２２（Ｃ），２３（Ｃ），２４（Ｃ）は、上アーム部Ａが停止状態、下アーム部Ｂが駆動状態である場合に対応している。図２２（Ｄ），２３（Ｄ），２４（Ｄ）は、中間層の形成領域をそれぞれ示している。

図２４により、セラミックス積層基板１０において裏面金属層である金属層４０が浮遊電位である場合について説明する。すなわち、半導体装置１が駆動していない場合には、金属層４０に何も電位が印加されていない場合である。この際、上アーム部Ａ及び下アーム部Ｂが停止状態である場合は、図２４（Ａ）に示されるように、金属層３０ａ，３０ｂが高電位となり、金属層３０ｄが低電位となる。この時、裏面金属層である金属層４０は、おもて面の電位の面積比に応じた電位となる。本実施の形態では、高電位の面積が低電位の面積に比べて大きくなる（図１参照）。そのため、金属層４０は、低電位よりも高電位に近い電位となる。したがって、セラミックス板２０において低電位の金属層３０ｄと金属層４０の間（破線で示されるＰ４領域）に電位差が生じる。このため、Ｐ４領域のセラミックス板２０と金属層３０ｄとの間で金属層３０ｄの剥離が生じることが考えられる。

次いで、上アーム部Ａが駆動状態、下アーム部Ｂが停止状態である場合は、図２４（Ｂ）に示されるように、金属層３０ａ，３０ｂ，３０ｃが高電位となり、金属層３０ｄが低電位となる。この時、裏面金属層である金属層４０は、おもて面の電位の面積比に応じた電位となる。本実施の形態では、高電位の面積が低電位の面積に比べて非常に大きくなる（図１参照）。そのため、金属層４０は、高電位とほぼ同等の電位となる。したがって、金属層４０は、金属層３０ａ，３０ｂ，３０ｃとほぼ同等の電位となる。セラミックス板２０において低電位の金属層３０ｄと高電位の金属層４０の間（破線で示されるＰ４領域）に電位差が生じる。このため、Ｐ４領域のセラミックス板２０と金属層３０ｄとの間で金属層３０ｄの剥離が生じることが考えられる。

Claims

前記セラミックス板及び前記中間層は、酸化物換算でマグネシウムを０．１ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下、または、
酸化物換算でマンガンを０．０１ｗｔ％以上、０．１５ｗｔ％以下、
の少なくとも一方を含んでいる、
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
前記第１酸化物は、前記第２主面及び前記低電位金属層との界面の一部に形成されている、
請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。
前記積層基板は、前記マグネシウムを具備する酸化物を含んでおり、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算したマグネシウムを、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）換算した前記シリコンの含有量に対して、１０ｗｔ％以上、５０ｗｔ％以下、または、
前記マンガンを具備する酸化物を含んでおり、酸化マンガン（ＭｎＯ）換算したマンガンを、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）換算した前記シリコンの含有量に対して、１．０ｗｔ％以上、５．０ｗｔ％以下、
の少なくともいずれか一方を含む、
請求項１３乃至１５のいずれかに記載の半導体装置。
前記ジルコニウム及びイットリウムを具備する酸化物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）に換算したジルコニウムに対して、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）に換算したイットリウムが、２．５ｍｏｌ％以上、３．５ｍｏｌ％以下含まれている、
請求項２１に記載の半導体装置。
前記積層基板は、マグネシウムを具備する酸化物を含んでおり、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）換算したマグネシウムを、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）換算したジルコニウムに対して、２．０ｗｔ％以上、２０．０ｗｔ％以下を含む、
請求項２０乃至２３のいずれかに記載の半導体装置。
前記半導体チップは、第１半導体チップ及び第２半導体チップを含み、
前記低電位金属層は、
正極端子が接続される正極金属層と、
前記第１半導体チップが接合されるチップ金属層と、
前記第２半導体チップが接合され、出力端子が接続される出力金属層と、
負極端子が接続される負極金属層と、
を含み、
前記第２主面の前記負極金属層に対向する領域に前記中間層が含まれている、
請求項４に記載の半導体装置。
前記第１酸化物は、さらに、マグネシウムを含み、
前記セラミックス板及び前記中間層は、酸化物換算でマグネシウムを０．１ｗｔ％以上、１．５ｗｔ％以下、及び、
酸化物換算でマンガンを０．０１ｗｔ％以上、０．１５ｗｔ％以下、
の少なくとも一方を含んでいる、
請求項３８に記載の半導体装置。