JP7293978B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。

半導体装置は、半導体基板と、その半導体基板の表面上に設けられている保護膜と、を備えていることが多い。保護膜は、半導体基板の外周縁に沿って枠状に延びるように配置されている。

半導体装置が動作すると、ジュール熱によって各々の構成要素に熱変形が生じ、保護膜に熱応力が加わる。特許文献１は、保護膜を複数に分断することにより、そのような熱応力を緩和する技術を提案する。

特開２００６－３１８９８９号公報

保護膜は、例えばナトリウムイオン（Ｎａ⁺）等の外乱イオンによって半導体基板内の電気力線が崩れ、半導体装置の耐圧が低下するのを抑えるために設けられている。このため、保護膜は、表面に付着した外乱イオンの影響が半導体基板に及ばないように、十分な厚みを有するのが望ましい。しかしながら、特許文献１のように、保護膜が複数に分断されていると、分断箇所において半導体基板の表面の一部が露出してしまう。これにより、半導体基板の表面の一部が外乱イオンに曝されることとなる。このため、特許文献１の技術では、半導体基板内の電気力線が崩れ、半導体装置の耐圧が低下することが懸念される。本明細書は、外乱イオンの影響を抑える機能を維持しながら熱応力が緩和された保護膜を備えた半導体装置を提供することを目的としている。

本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられているとともに、前記半導体基板の外周縁に沿って枠状に延びている保護膜と、前記保護膜内に埋設されており、前記保護膜の面内に分散して配置されている複数の埋設部材と、を備えることができる。前記埋設部材は、前記保護膜よりもヤング率が低い材料で構成されている。前記複数の埋設部材が前記保護膜の面内に分散して設けられていると、前記保護膜が面方向に沿って実質的に分断されることとなり、前記保護膜の熱応力が緩和される。さらに、前記複数の埋設部材が前記保護膜に埋設されていることから、前記保護膜は、前記半導体基板の表面が露出しないように前記半導体基板の表面上を被覆している。したがって、外乱イオンの影響が前記半導体基板に及ぶことが抑えられている。このように、前記保護膜内に前記複数の埋設部材を設ける技術は、外乱イオンの影響を抑えるという前記保護膜の本来の機能を維持しながら、前記保護膜の熱応力を緩和することができる。

本実施形態の半導体モジュール１０の外観を示す平面図。 図１中のＩＩ－ＩＩ線における断面図。 図２中のＩＩＩ部の拡大図。 半導体装置３０の平面図。 図２中のＩＩＩ部の拡大図であって、スピンコート法を利用して保護膜４０を成膜する段階の拡大図である。 図２中のＩＩＩ部の拡大図であって、スピンコート法を利用して保護膜４０を成膜する段階の拡大図である。

図１～図４参照して、本実施形態の半導体モジュール１０について説明する。本実施例の半導体モジュール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及び図２に示すように、半導体モジュール１０は、半導体装置３０と、半導体装置３０を封止する封止体１４とを備える。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。

半導体装置３０は、パワー半導体素子であって、半導体基板３２と上面電極３４と下面電極３６とを有する。上面電極３４は、半導体基板３２の上面に位置しており、下面電極３６は、半導体基板３２の下面に位置している。上面電極３４と下面電極３６は、半導体基板３２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装置３０は、スイッチング素子であり、上面電極３４と下面電極３６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３２の種類については特に限定されない。半導体基板３２は、例えばシリコン基板、炭化シリコン基板又は窒化物半導体基板であってもよい。上面電極３４及び下面電極３６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、本実施例における上面電極３４及び下面電極３６は、アルミニウム合金（例えばアルミニウム－シリコン系合金）層の上にニッケル層が設けられた積層構造を有する。

一例ではあるが、本実施例における半導体装置３０は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）であり、その半導体基板３２には炭化シリコン（ＳｉＣ）の基板が採用されている。上面電極３４は、半導体基板３２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３６は、ＭＯＳＦＥＴ構造のドレインに接続されている。なお、半導体装置３０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３４は、半導体基板３２内に構成されるＩＧＢＴのエミッタに接続され、下面電極３６は、ＩＧＢＴ構造のコレクタに接続される。半導体装置３０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、様々なに変更することができる。また、半導体モジュール１０は、例えばＭＯＳＦＥＴ（又はＩＧＢＴ）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。

半導体モジュール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、半導体装置３０を挟んで互いに対向している。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によって一体に保持されている。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、半導体装置３０の下面電極３６にはんだ層１３を介して接合されている。一方、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、半導体装置３０と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体装置３０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、半導体装置３０の上面電極３４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を介して半導体装置３０の上面電極３４に接合されている。一方、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、半導体装置３０と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体装置３０の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。

半導体モジュール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、半導体装置３０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、半導体装置３０の信号パッド３８（図４参照）と電気的に接続されている。

次に、図３及び図４を参照して、半導体装置３０の細部について説明する。図３及び図４に示すように、半導体装置３０は、半導体基板３２の表面３２ｆ上に設けられた層間絶縁膜４６と、層間絶縁膜４６の表面４６ｆ上に設けられた保護膜４０とを備える。層間絶縁膜４６は、絶縁体で構成されており、一例ではあるが、本実施形態では酸化シリコンが採用されている。層間絶縁膜４６は、半導体基板３２と各種電極を電気的に絶縁するために設けられている。保護膜４０は、絶縁体で構成されており、一例ではあるが、本実施形態ではポリイミド樹脂が採用されている。保護膜４０は、半導体基板３２の外周縁３２ｅに沿って、枠状に設けられており、上面電極３４を露出させる開口４０ｗを画定している。また、保護膜４０の外周縁４０ｅは、層間絶縁膜４６の外周縁４６ｅを被覆しており、保護膜４０の一部は半導体基板３２の表面３２ｆに接している。保護膜４０は、例えばナトリウムイオン（Ｎａ⁺）等の外乱イオンによって半導体基板３２内の電気力線が崩れ、半導体装置３０の耐圧が低下するのを抑えるために設けられている。

半導体装置３０はさらに、保護膜４０内に埋設された複数の埋設部材４２を備える。複数の埋設部材４２は、層間絶縁膜４６の表面４６ｆ上に設けられており、保護膜４０の面内に分散して配置されている。後述の製造方法で説明するように、埋設部材４２は、層間絶縁膜４６の表面４６ｆ上の同一面内に不規則に配置されている。埋設部材４２は、保護膜４０に接合しておらず、保護膜４０よりもヤング率が低い材料で構成されている。一例ではあるが、本実施形態では、埋設部材４２の材料としてフッ素樹脂であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が採用されている。保護膜４０の材料であるポリイミドのヤング率は約３．９ＧＰａであり、埋設部材４２の材料であるＰＴＦＥのヤング率は約０．５ＧＰａである。

図５及び図６を参照し、複数の埋設部材４２を保護膜４０内に埋設して形成する方法を説明する。保護膜４０は、スピンコート法を利用して、ポリイミドが溶解した溶媒を半導体基板３２上に塗布した後に、アニール処理によって硬化することで形成される。溶媒としては、例えばＮＭＰ（Ｎ－メチルピロリドン）が採用される。複数の埋設部材４２は、スピンコート法を実施する前に、ポリイミドが溶解した溶媒に混入されている。図５に示すように、スピンコート法を利用して、複数の埋設部材４２が混入した溶媒を半導体基板３２上に塗布すると、初期段階では、複数の埋設部材４２が保護膜４０内に浮遊している。埋設部材４２の材料であるＰＴＦＥの比重は２．１５０ｇ／ｃｍ³であり、溶媒の材料であるＮＭＰの比重は１．０２８ｇ／ｃｍ³である。このため、図５及び図６に示すように、保護膜４０内の複数の埋設部材４２は、時間経過とともに沈降して層間絶縁膜４６の表面４６ｆ上に分散して配置される。その後、アニール処理を実施して保護膜４０を硬化させる。複数の埋設部材４２は、保護膜４０と接合することなく、保護膜４０内に埋設される。

このように、複数の埋設部材４２は、層間絶縁膜４６の表面４６ｆ上の同一面内に不規則に配置される。本実施形態では、十分な数の埋設部材４２が保護膜４０内に配置されている。このため、保護膜４０は、保護膜４０の面方向に観測したときに、埋設部材４２によって実質的に分断されることとなる。

半導体モジュール１０では、半導体装置３０の動作によって生じるジュール熱により、各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、保護膜４０には、大きな熱応力が生じ易い。このような熱応力は、ヤング率が比較的に高い炭化シリコン（ＳｉＣ）を採用した本実施形態の半導体モジュール１０において顕著に現れる。

本実施形態の半導体モジュール１０では、複数の埋設部材４２によって保護膜４０が面方向に沿って実質的に分断されていることから、保護膜４０の熱応力が緩和される。さらに、埋設部材４２が保護膜４０に埋設されていることから、保護膜４０の表面は連続して延びている。即ち、保護膜４０は、半導体基板３２の表面が露出しないように半導体基板３２の表面上を被覆している。したがって、例えばナトリウムイオン（Ｎａ⁺）等の外乱イオンが保護膜４０の表面に付着しても、保護膜４０の表面から半導体基板３２までの距離が十分に確保されていることから、外乱イオンの影響が半導体基板３２に及ぶことが抑えられている。このように、保護膜４０内に複数の埋設部材４２を設ける技術は、外乱イオンの影響を抑えるという保護膜４０の本来の機能を維持しながら、保護膜４０の熱応力を緩和することができる。

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 ：半導体モジュール
３０ ：半導体装置
３２ ：半導体基板
４０ ：保護膜
４２ ：埋設部材
４６ ：層間絶縁膜

Claims (1)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられている層間絶縁膜と、
   前記層間絶縁膜上に設けられているとともに、前記半導体基板の外周縁に沿って枠状に延びている保護膜と、
   前記保護膜内に埋設されており、前記保護膜の面内に分散して配置されている複数の埋設部材と、を備えており、
   前記埋設部材は、前記保護膜よりもヤング率が低い材料で構成されており、
   複数の前記埋設部材は、前記層間絶縁膜に接しており、前記層間絶縁膜と前記保護膜の界面のみに配置されている、半導体装置。
   

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