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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023139980
(43)【公開日】2023-10-04
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/60 20060101AFI20230927BHJP
   H01L 29/12 20060101ALI20230927BHJP
   H01L 29/78 20060101ALI20230927BHJP
   H01L 29/739 20060101ALI20230927BHJP
   H01L 23/48 20060101ALI20230927BHJP
【FI】
H01L21/60 321E
H01L29/78 652T
H01L29/78 652Q
H01L29/78 655F
H01L23/48 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022045800
(22)【出願日】2022-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317011920
【氏名又は名称】東芝デバイス&ストレージ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100119035
【弁理士】
【氏名又は名称】池上 徹真
(74)【代理人】
【識別番号】100141036
【弁理士】
【氏名又は名称】須藤 章
(74)【代理人】
【識別番号】100178984
【弁理士】
【氏名又は名称】高下 雅弘
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 健之
(57)【要約】
【課題】信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】第1上面を有する板と、板に接続された第1端子と、を有する第1コネクタであって、板の第1板部の板厚は、第1板部と第1端子の間の板の第2板部の板厚より薄い第1コネクタと、第1上面の上に設けられた半導体チップと、第1上面と半導体チップの間に設けられた第1接合材と、半導体チップの上に設けられた第2コネクタと、第3コネクタであって、板は第1端子と第3コネクタの間に設けられた第3コネクタと、第2コネクタと半導体チップの間に設けられた第2接合材と、第2コネクタと第3コネクタの間に設けられた第3接合材と、を備える半導体装置である。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1上面を有する板と、前記板に接続された第1端子と、を有する第1コネクタであって、前記板の第1板部の板厚は、前記第1板部と前記第1端子の間の前記板の第2板部の板厚より薄い前記第1コネクタと、
前記第1上面の上に設けられた半導体チップと、
前記第1上面と前記半導体チップの間に設けられた第1接合材と、
前記半導体チップの上に設けられた第2コネクタと、
第3コネクタであって、前記板は前記第1端子と前記第3コネクタの間に設けられた前記第3コネクタと、
前記第2コネクタと前記半導体チップの間に設けられた第2接合材と、
前記第2コネクタと前記第3コネクタの間に設けられた第3接合材と、
を備える半導体装置。
【請求項2】
前記半導体チップは、第2コネクタが設けられた側に凸となる形状を有する、
請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第1上面は、前記第1上面の上に、前記第2板部から前記第1板部に向かって低くなっている傾斜部を有する、
請求項1又は請求項2記載の半導体装置。
【請求項4】
上方から見た場合の前記傾斜部の面積は、上方から見た場合の前記半導体チップの面積より大きい、
請求項3記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第1上面と前記傾斜部の第2上面のなす角は、0.2度以上3度以下である、
請求項3又は請求項4記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第2接合材はボイドを有する、
請求項1乃至請求項5いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項7】
前記ボイドの直径は1mm以下である、
請求項6記載の半導体装置。
【請求項8】
前記半導体チップの第3上面は、第1辺と、前記第1辺に対向する第2辺と、を有し、
上方から見たときに、前記第1辺は、前記第2辺と前記第3コネクタの間に設けられ、
前記第1辺の近傍の前記第2接合材の膜厚は、前記第2辺の近傍の前記第2接合材の膜厚より薄い、
請求項1乃至請求項7いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項9】
前記半導体チップの第3上面は、第1辺と、前記第1辺に対向する第2辺と、を有し、
上方から見たときに、前記第1辺は、前記第2辺と前記第3コネクタの間に設けられ、
前記第1辺の近傍の前記第2接合材の膜厚は、前記第2辺の近傍の前記第2接合材の膜厚より厚い、
請求項1乃至請求項7いずれか一項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの半導体チップを有する半導体装置は、電力変換等の用途に用いられる。例えば、上述の半導体装置が縦型のMOSFETである場合、半導体チップの上面に設けられたソース電極は、例えばMOSFETの上に設けられたコネクタと接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2021-034615号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明が解決しようとする課題は、信頼性の高い半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態の半導体装置は、第1上面を有する板と、板に接続された第1端子と、を有する第1コネクタであって、板の第1板部の板厚は、第1板部と第1端子の間の板の第2板部の板厚より薄い第1コネクタと、第1上面の上に設けられた半導体チップと、第1上面と半導体チップの間に設けられた第1接合材と、半導体チップの上に設けられた第2コネクタと、第3コネクタであって、板は第1端子と第3コネクタの間に設けられた第3コネクタと、第2コネクタと半導体チップの間に設けられた第2接合材と、第2コネクタと第3コネクタの間に設けられた第3接合材と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0006】
図1】実施形態の半導体装置の模式上面図である。
図2】実施形態の半導体装置の模式断面図である。
図3】実施形態の半導体装置の要部の模式断面図である。
図4】実施形態の第1比較形態となる半導体装置の模式断面図である。
図5】実施形態の第2比較形態となる半導体装置の模式断面図である。
図6】実施形態の第3比較形態となる半導体装置の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
【0008】
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
【0009】
(実施形態)
実施形態の半導体装置は、第1上面を有する板と、板に接続された第1端子と、を有する第1コネクタであって、板の第1板部の板厚は、第1板部と第1端子の間の板の第2板部の板厚より薄い第1コネクタと、第1上面の上に設けられた半導体チップと、第1上面と半導体チップの間に設けられた第1接合材と、半導体チップの上に設けられた第2コネクタと、第3コネクタであって、板は第1端子と第3コネクタの間に設けられた第3コネクタと、第2コネクタと半導体チップの間に設けられた第2接合材と、第2コネクタと第3コネクタの間に設けられた第3接合材と、を備える。
【0010】
図1は、実施形態の半導体装置100の模式上面図である。図2は、実施形態の半導体装置100の模式断面図である。図2は、図1におけるA-A’断面の模式図である。
【0011】
図1及び図2を用いて、実施形態の半導体装置100の説明をする。
【0012】
ドレインコネクタ(ダイパッド、第1コネクタの一例)2は、半導体チップ10が配置される、Cu(銅)等の導電性材料を含む部材である。ドレインコネクタ2は、第1板(板の一例)3と、ドレイン端子(第1端子の一例)6と、を有する。第1板3は、底面1と、第1上面4と、を有する。ドレイン端子6は、第1板3に接続されている。ドレイン端子6は、半導体チップ10と、図示しない外部回路との接続に用いられる。
【0013】
ここで、X方向と、X方向に対して垂直に交差するY方向と、X方向及びY方向に垂直に交差するZ方向を定義する。底面1及び第1上面4は、XY面に平行に配置されている。ドレイン端子6は、第1板3のY方向の側に設けられている。
【0014】
第1板3は、第1板部3aと、第2板部3bと、を有する。第2板部3bは、第1板部3aとドレイン端子6の間に設けられている。第1板3の第1板部3aの膜厚tは、第1板3の第2板部3bの膜厚tより薄い。
【0015】
例えば、第1上面4は、第1上面4の上に、傾斜部30を有している。傾斜部30は、第2板部3bから、第1板部3aに向かって、低くなるように設けられている。傾斜部30は、第2上面32を有している。
【0016】
第2上面32と第1上面4のなす角θは、0.2度以上3度以下であることが好ましい。なお、実施形態の図においては、傾斜部30を見やすく図示するため、θを3度より大きくして図示している。
【0017】
半導体チップ10は、ドレインコネクタ2の第1上面4の上又はドレインコネクタ2の傾斜部30の上に設けられている。半導体チップ10は、例えば、Si(シリコン)、SiC(炭化珪素)、GaAs(ヒ化ガリウム)、又はGaN(窒化ガリウム)等の半導体基板に、縦型のMOSFETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等が設けられたものである。
【0018】
図2に示すように、実施形態の半導体チップ10は、凸部11dを有する。実施形態の半導体チップ10は、上に凸の形状を有している。半導体装置100においては、上に凸になるように凸部11dが配置されている。言い換えると、凸部11dは第2金属膜(ソース電極)18側に凸の形状を有する。つまり、半導体チップ10は第2コネクタ50が設けられた側に凸の形状を有する。なお、上に凸の形状を有しない半導体チップ10であっても、実施形態の半導体装置100に好ましく用いることができる。
【0019】
半導体チップ10は、第3上面11aを有する。第3上面11aは、第1辺11bと、第1辺11bに対向する第2辺11cと、を有する。上方から見たときに、第1辺11bは、第2辺11cと第3コネクタ54の間に設けられている。
【0020】
第1接合材70は、第1上面4と半導体チップ10の間に設けられている。第1上面4が傾斜部30を有する場合、第1接合材70は、傾斜部30と半導体チップ10の間に設けられている。第1接合材70は、第1上面4又は傾斜部30と半導体チップ10を接合している。例えば半導体チップ10にMOSFETが設けられている場合、第1接合材70は、第1上面4又は傾斜部30と、図示しない半導体チップ10のドレイン電極を接合している。
【0021】
上方から見た場合の傾斜部30の面積は、上方から見た場合の半導体チップ10の面積より大きいことが好ましい。
【0022】
なお、傾斜部30は、第1上面4の上の全面に設けられていてもかまわないし、第1上面4の上の一部に設けられていてもかまわない。
【0023】
第1接合材70は、第1接合材70の中に、ボイド(気泡)72を有していても良い。図2には、ボイド72a及びボイド72bが示されている。
【0024】
第1金属膜16は、半導体チップ10の上に設けられている。第1金属膜16は、例えば、Al(アルミニウム)を含む。
【0025】
絶縁膜12は、第1金属膜16の上に設けられている。例えば、絶縁膜12は、半導体チップ10の端部の上及び第1金属膜16の端部の上に設けられている。絶縁膜12は、例えばポリイミド等の絶縁材料を含む。
【0026】
第2金属膜18は、第1金属膜16の上に設けられている。第2金属膜18は、第1金属膜16の上において、絶縁膜12に囲まれている。第2金属膜18は、例えば、Ni及びAuを含む。
【0027】
例えば、半導体チップ10にMOSFETが設けられている場合、第1金属膜16及び第2金属膜18は、MOSFETのソース電極に相当する。
【0028】
第3コネクタ(第1ポスト部の一例)54は、第2板58と、ソース端子(第2端子の一例)56と、を有する。第3コネクタ54は、Cu等の導電性材料を含む。第3コネクタ54は、半導体チップ10と、図示しない外部回路との接続に用いられる。ここで、第1板3は、ドレイン端子6とソース端子56の間に設けられている。また、第2板58は、例えば、ソース端子56と第1板3の間に設けられている。
【0029】
第4コネクタ(第2ポスト部の一例)64は、第3板68と、ゲート端子66と、を有する。第4コネクタ64は、Cu等の導電性材料を含む。第4コネクタ64は、半導体チップ10と、図示しない外部回路との接続に用いられる。
【0030】
第2コネクタ50は、第1端部51aと、第2端部51bと、を有する。第2コネクタ50は、例えば、Cu等の導電性材料を含む。なお、第2コネクタ50の表面に、例えばSnを含む材料によりめっきが施されていてもかまわない。第1端部51aは、第1金属膜16の上に設けられている。第2端部51bは、第2板58の上に設けられている。
【0031】
第2接合材20は、第2金属膜18の上に設けられている。第2接合材20は、第2金属膜18と第1端部51aの間に設けられている。第2接合材20は、第1端部51aと第2金属膜18を接合している。
【0032】
第2接合材20は、第2接合材20の中に、ボイド(気泡)22を有していても良い。図2には、ボイド22a及びボイド22bが示されている。
【0033】
ボイド22の直径は、1mm以下であることが好ましい。なお、ボイド22の直径は、500μm以下であることが、さらに好ましい。
【0034】
第3接合材59は、第2板58と第2端部51bの間に設けられている。第3接合材59は、第2板58と第2端部51を接合している。
【0035】
第5コネクタ60は、第3端部61aと、第4端部61bと、を有する。第5コネクタ60は、例えば、Cu等の導電性材料を含む。なお、第5コネクタ60の表面に、例えばSnを含む材料によりめっきが施されていてもかまわない。第3端部61aは、半導体チップ10の上に設けられた第4接合材80を介して、半導体チップ10と電気的に接続されている。第4接合材80の下には、例えば、図示しない半導体チップ10のゲート電極が設けられている。
【0036】
第5接合材69は、第3板68と第4端部61bの間に設けられている。第5接合材69は、第3板68と第4端部61bを接合している。
【0037】
半導体チップ10が凸部11dを有する場合、第1接合材70については、半導体チップ10の中央付近の第1接合材70の膜厚が厚い。一方、半導体チップ10の端部付近の第1接合材70の膜厚は薄い。
【0038】
半導体チップ10が凸部11dを有する場合、第2接合材20については、半導体チップ10の中央付近の第2接合材20の膜厚が薄い。一方、半導体チップ10の端部付近の第2接合材20の膜厚は厚い。
【0039】
第1接合材70、第2接合材20、第3接合材59、第4接合材80及び第5接合材69としては、例えば、Pb(鉛)及びSn(スズ)を含むはんだ、Pb、Ag(銀)及びSn(スズ)を含むはんだ、Sn及びSb(アンチモン)を含むはんだ、Au(金)及びSnを含むはんだ、Au及びSiを含むはんだ、又はAu及びGe(ゲルマニウム)を含むはんだ等を好ましく用いることができる。
【0040】
図3は、実施形態の半導体装置の要部の模式断面図である。
【0041】
図3(a)及び図3(b)に示すように、第1辺11bと底面1の距離Lは、第2辺11cと底面1の距離Lより短い。図3(a)においては、第1辺11bの近傍の第2接合材20の膜厚tが、第2辺11cの近傍の第2接合材20の膜厚tより薄い場合が示されている。図3(b)においては、第1辺11bの近傍の第2接合材20の膜厚tが、第2辺11cの近傍の第2接合材20の膜厚tより厚い場合が示されている。いずれの場合であっても、実施形態の半導体装置100として好ましく用いることができる。
【0042】
実施形態の半導体装置100の製造方法について記載する。まず、リフロー板の上に、ドレインコネクタ2、第3コネクタ54、第4コネクタ64を配置する。次に、ドレインコネクタ2の上に、第1接合材70となるクリームはんだを塗布する。次に、第1接合材70となるクリームはんだの上に、半導体チップ10を載置する。次に、半導体チップ10の上に、第2接合材20となるクリームはんだを塗布する。次に、第3コネクタ54の第2板58の上に、第3接合材59となるクリームはんだを載置する。次に、半導体チップ10のゲート電極の上に、第4接合材80となるクリームはんだを載置する。次に、第4コネクタ64の第3板68の上に、第5接合材69となるクリームはんだを載置する。次に、第2コネクタ50の第1端部51aを、第2接合材20となるクリームはんだの上に載置する。次に、第2コネクタ50の第2端部51bを、第3接合材59となるクリームはんだの上に載置する。次に、第5コネクタ60の第3端部61aを、第4接合材80となるクリームはんだの上に載置する。次に、第5コネクタ60の第4端部61bを、第5接合材69となるクリームはんだの上に載置する。次に、真空リフロー加熱処理によりクリームはんだを加熱し、溶融する。次に、溶融したクリームはんだを冷却によって固化する。これにより、第1接合材70、第2接合材20、第3接合材59、第4接合材80及び第5接合材69を形成する。これにより、実施形態の半導体装置100を得る。なお、実施形態の半導体装置100の製造方法は、上記のものに限定されるものではない。
【0043】
次に、実施形態の半導体装置の作用効果を記載する。
【0044】
図4は、実施形態の第1比較形態となる半導体装置1000の模式断面図である。半導体チップ10は、凸部11dを有していない。また、半導体装置1000には、傾斜部30は設けられていない。
【0045】
図5は、実施形態の第2比較形態となる半導体装置1100の模式断面図である。半導体チップ10は、凸部11dを有している。また、半導体装置1100には、傾斜部30は設けられていない。
【0046】
半導体チップの膜厚を薄くすることが求められている。例えば、半導体チップに縦型のMOSFETが設けられている場合、MOSFETのオン抵抗を小さくするために、半導体チップの膜厚が薄いことが好ましい。しかし、この場合、半導体チップの底面に設けられたドレイン電極、及び半導体チップの上面に設けられたソース電極の膜厚が、相対的に厚くなる。そのため、ドレイン電極及びソース電極の応力の影響を、半導体チップが受けやすくなる。特に、半導体チップが上に凸に反ることが、頻繁に発生する。そのため、かかる半導体チップに対してどのようにコネクタを接続するかが問題となっていた。
【0047】
また、半導体装置の製造の際には、真空リフロー加熱処理によりクリームはんだを溶融し、固化させる。ここで、クリームはんだが溶融した際に、クリームはんだの内部に気泡(ボイド)が入ることがある。かかるボイドが入った部分は、周囲の接合材の部分と比較して、熱抵抗が大きくなってしまう。そのため、ボイドをうまく除去するかが問題となっていた。
【0048】
第3コネクタ54が配置されているため、真空リフローにおいて半導体チップ10と第3コネクタ54との間の真空引きのコンダクタンスが小さくなり、第3コネクタ54に近い側の第2接合材20のボイド22aが抜けにくい。特に、半導体チップ10が凸部11dを有する場合には、第3コネクタ54に近い側における、半導体チップ10と第2コネクタ50の間の隙間が狭くなり、さらにボイドが抜けにくい。
【0049】
また、半導体チップ10が凸部11dを有する場合には、半導体チップ10が凸部11dを有しない場合と比較して、第1接合材70の膜厚及び第2接合材20の膜厚が不均一になる。このように、接合材の膜厚が不均一である場合、半導体装置100の加熱及び冷却により、半導体装置100に加わる熱サイクルのために、接合材に、特にクラックが入りやすくなるという問題があった。
【0050】
そこで、半導体装置100においては、第1板3の第1板部3aの板厚が、第1板部3aとドレイン端子6の間の第1板3の第2板部3bの板厚より薄いドレインコネクタ2を用いている。これにより、半導体チップ10と第2コネクタ50の間の隙間をより均等にすることができる。そのため、真空リフローを行う際に、第2接合材20の内部に形成されるボイドが抜けやすくなる。
【0051】
また、第1板部3aの熱容量が第2板部3bの熱容量より小さくなるため、第1板部3a側の接合材20が第2板部3b側の接合材20よりも先に溶融する。これにより、第2接合材20の第1板部3a側、すなわち第3コネクタ54に近い側にボイドが形成されにくくなる。
【0052】
また、第2接合材20の膜厚のばらつきを小さくし、第2接合材20の膜厚をより均一にすることができる。そのため、第2接合材20にクラックが入りにくくなる。
【0053】
傾斜部30は、金型を使用して容易に精度良く形成可能である。また、傾斜部30は、第1接合材70を介して、安定して半導体チップ10を保持することが可能である。そのため、傾斜部30は実施形態の半導体装置100に好ましく用いられる。
【0054】
上方から見た場合の傾斜部30の面積は、上方から見た場合の半導体チップ10の面積より大きいことが好ましい。これは、傾斜部30の面積がより大きい方が、より安定して半導体チップ10を保持することが可能であるためである。
【0055】
第2上面32と第1上面4のなす角θは、0.2度以上3度以下であることが好ましい。θが0.2度未満である場合には、半導体チップ10と第2コネクタ50の間の隙間が十分に均等にならないため、第2接合材20の内部に形成されるボイド22が抜けづらくなってしまう。一方、θが3度より大きい場合には、ドレイン端子6に近い側の第2接合材20の膜厚がかえって薄くなりすぎて、ボイド22を抜くのが困難になる。
【0056】
ボイド22の直径は、半導体装置100の熱抵抗をできるだけ小さくするために、1mm以下であることが好ましい。
【0057】
図6は、実施形態の第3比較形態となる半導体装置1200の模式断面図である。第2端部51bに、コネクタ延長部55を接続することにより、第2接合材20の膜厚をより均一にすることが考えられる。しかし、XY面に平行な面内におけるコネクタ延長部55の断面積は小さい。そのため、実施形態の半導体装置100のように、第1板3の第1板部3aの板厚が、第1板部3aとドレイン端子6の間の第1板3の第2板部3bの板厚より薄いドレインコネクタ2を用いる方が、より大きな断面積を確保できる。また、半導体チップ10との接触を向上させることが出来る。そのため、半導体装置の熱抵抗を小さくすることが出来る。
【0058】
実施形態の半導体装置によれば、信頼性の高い半導体装置の提供が可能となる。
【0059】
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0060】
1 :底面
2 :ドレインコネクタ(第1コネクタ)
3 :第1板(板)
3a :第1板部
3b :第2板部
4 :第1上面
6 :ドレイン端子(第1端子)
10 :半導体チップ
11a :第3上面
11b :第1辺
11c :第2辺
11d :凸部
20 :第2接合材
22 :ボイド
30 :傾斜部
32 :第2上面
50 :第2コネクタ
54 :第3コネクタ
56 :ソース端子(第2端子)
58 :第2板
59 :第3接合材
70 :第1接合材
100 :半導体装置
図1
図2
図3
図4
図5
図6