特開 2024-134660 半導体装置

(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】P2024134660

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20240927BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H01L21/60 321V

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023044970

(22)【出願日】2023-03-22

(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】松尾 一輝

(72)【発明者】

【氏名】新井 雅俊

(72)【発明者】

【氏名】藤本 理恵

(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】半導体チップの上に設けられた金属膜と、金属膜の上に設けられ、開口部を有する絶縁膜と、開口部内の金属膜の上に設けられ、金属膜と接合された接合材と、接合面と、接合面に設けられ、接合面の外周に沿い、内径が外径の６０％以上９０％以下である環状溝と、を有し、接合面が接合材に接合されたコネクタと、を備える半導体装置である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体チップの上に設けられた金属膜と、
前記金属膜の上に設けられ、開口部を有する絶縁膜と、
前記開口部内の前記金属膜の上に設けられ、前記金属膜と接合された接合材と、
接合面と、
前記接合面に設けられ、前記接合面の外周に沿い、内径が外径の６０％以上９０％以下である環状溝と、
を有し、前記接合面が前記接合材に接合されたコネクタと、
を備える半導体装置。

【請求項2】

前記接合面は矩形の形状を有し、
前記環状溝は、前記接合面に対し、矩形の形状で形成されている、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記矩形の形状の角は面取りされている、
請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記接合面に平行な所定方向における前記環状溝の外径は、前記所定方向における前記接合面の長さの９０％以上１００％未満である、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項5】

互いに同心状に設けられた複数の前記環状溝を有する、
請求項１記載の半導体装置。

【請求項6】

外側に設けられた前記環状溝の深さは、内側に設けられた前記環状溝の深さより深い、
請求項５記載の半導体装置。

【請求項7】

前記接合面に平行な所定方向における最も内側に設けられた前記環状溝の内径は、前記所定方向における最も外側に設けられた前記環状溝の外径の６０％以上９０％以下である、
請求項５記載の半導体装置。

【請求項8】

前記接合面に平行な所定方向における最も外側に設けられた前記環状溝の外径は、前記所定方向における前記接合面の長さの９０％以上１００％未満である、請求項５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】国際公開第２０１９／１６７２１８号

【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、半導体チップの上に設けられた金属膜と、金属膜の上に設けられ、開口部を有する絶縁膜と、開口部内の金属膜の上に設けられ、金属膜と接合された接合材と、接合面と、接合面に設けられ、接合面の外周に沿い、内径が外径の６０％以上９０％以下である環状溝と、を有し、接合面が接合材に接合されたコネクタと、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要部の模式図である。

【図3】実施形態の半導体装置の接合面の模式図の他の一例である。

【図4】比較形態の半導体装置の要部の模式図である。

【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、半導体チップの上に設けられた金属膜と、金属膜の上に設けられ、開口部を有する絶縁膜と、開口部内の金属膜の上に設けられ、金属膜と接合された接合材と、接合面と、接合面に設けられ、接合面の外周に沿い、内径が外径の６０％以上９０％以下である環状溝と、を有し、接合面が接合材に接合されたコネクタと、を備える。

【0010】

図１は、本実施形態の半導体装置１００の模式上面図である。図２は、本実施形態の半導体装置１００の要部の模式断面図である。図２（ａ）は、図１におけるＡ－Ａ’断面の模式図である。図２（ｂ）は、実施形態の接合面５５の模式図である。図２（ｃ）は、実施形態の接合面５５の模式図の他の一例である。図２（ｄ）は、実施形態の接合面５５の模式図の他の一例である。

【0011】

図１及び図２を用いて、本実施形態の半導体装置１００の説明をする。

【0012】

ダイパッド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。ダイパッド２は、第１ベッド部３と、第１アウターリード６と、を有する。第１ベッド部３は、上面４を有する。上面４の上に、半導体チップ１０が設けられている。第１アウターリード６は第１ベッド部３に接続されている。第１アウターリード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。上面４は、ＸＹ面に平行に配置されている。Ｙ方向は第１方向の一例である。Ｘ方向は第２方向の一例である。

【0014】

半導体チップ１０は、ダイパッド２の上面４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、又はＳｉ基板の上に設けられたＧａＮ（窒化ガリウム）等の半導体層に、縦型のＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はダイオード等が設けられたものである。

【0015】

第１接合材７０は、上面４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、上面４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、図示しない半導体チップ１０のドレイン電極と、上面４を接合している。

【0016】

第１金属膜１６は、半導体チップ１０の上に設けられている。例えば半導体チップ１０にＭＯＳＦＥＴが設けられている場合、第１金属膜１６は、かかるＭＯＳＦＥＴのソース電極に相当する。第１金属膜１６は、例えばＡｌ（アルミニウム）を含む。

【0017】

第１絶縁膜１２は、第１金属膜１６の上に設けられている。例えば、第１絶縁膜１２は、半導体チップ１０の端部の上、第１金属膜１６の端部の上に設けられている。第１絶縁膜１２は、第１開口部１３を有している。第１開口部１３は、第１絶縁膜１２を貫通している。第１絶縁膜１２は、例えば、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によりＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏ－ｓｉｌｉｃａｔｅ）から形成されるシリコン酸化物や、ポリイミド等の絶縁材料を含む。

【0018】

第１絶縁膜１２は、絶縁膜の一例である。第１開口部１３は、開口部の一例である。

【0019】

第１ポスト部５４は、第２ベッド部５８と、第２アウターリード５６と、を備える。第１ポスト部５４は、Ｃｕ等の導電性材料を含む。第２アウターリード５６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。

【0020】

第２ポスト部６４は、第３ベッド部６８と、第３アウターリード６６と、を備える。第２ポスト部６４は、Ｃｕ等の導電性材料を含む。第３アウターリード６６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。

【0021】

第１コネクタ（コネクタの一例）５０は、第１端部５０ａと、第２端部５０ｂと、を有する。第１端部５０ａは、接合面５５を有する。第１コネクタ５０は、例えば、Ｃｕ等の導電性材料を含む。なお、第１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５０ａは、第１開口部１３内の第１金属膜１６の上に設けられている。第２端部５０ｂは、第２ベッド部５８の上に設けられている。第１コネクタ５０は、例えば、第２端部５０ｂが接続される第１ポスト部５４とダイパッド２の間を跨ぐＹ方向に、延伸して設けられている。

【0022】

第２金属膜１８は、第１開口部１３内において、第１コネクタ５０の第１端部５０ａと第１金属膜１６の間に設けられている。第２金属膜１８は、例えば、Ｎｉ及びＡｕを含む。第２金属膜１８は、例えば、第２接合材２０と第１金属膜１６の接合強度を増加させるために設けられている。

【0023】

第１金属膜１６又は第２金属膜１８は、金属膜の一例である。

【0024】

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５０ａの接合面５５の間に設けられている。第２接合材２０は、第１端部５０ａの接合面５５と第２金属膜１８を接合している。第２接合材２０は、接合材の一例である。

【0025】

接合面５５は、接合面５５の外周５７に沿って、環状溝５１を有する。

【0026】

接合面５５は、例えば、平面である。しかし、接合面５５は平面でなくてもかまわない。例えば、接合面５５に、第２接合材２０の食い込み性を向上させるための研磨処理等がされていてもかまわない。

【0027】

図２（ｂ）には、２本の環状溝５１ａ及び環状溝５１ｂが示されている。環状溝５１ｂは、環状溝５１ａの外側に設けられている。環状溝５１ｂと環状溝５１ａは、互いに同心状に設けられている。図２（ｃ）には、１本の環状溝５１ａが示されている。このように、接合面５５は、互いに同心状に設けられた複数の環状溝５１を有していても良い。また、環状溝５１の本数は、特に限定されるものではない。

【0028】

接合面５５に平行な所定方向における環状溝５１の外径は、接合面５５に平行な所定方向における環状溝５１の内径の６０％以上９０％以下である。

【0029】

まず、１本の環状溝５１ａを有する図２（ｃ）を例として説明する。Ｘ方向の環状溝５１ａの内径Ｌ２は、Ｘ方向の環状溝の外径Ｌ１の６０％以上９０％以下である。また、Ｙ方向の環状溝５１ａの内径Ｌ４は、Ｙ方向の環状溝５１ｂの外径Ｌ３の６０％以上９０％以下である。ここで、接合面５５は、ＸＹ面に平行に設けられているものとする。Ｘ方向又はＹ方向は、接合面５５に平行な所定方向の一例である。

【0030】

次に、２本の環状溝５１ａ及び環状溝５１ｂを有する図２（ｂ）を例として説明する。Ｘ方向において、内側に設けられた環状溝５１ａの内径Ｌ６は、Ｘ方向において、外側に設けられた環状溝５１ｂの外径Ｌ５の６０％以上９０％以下である。Ｙ方向において、内側に設けられた環状溝５１ａの内径Ｌ８は、Ｙ方向において、外側に設けられた環状溝５１ｂの外径Ｌ７の６０％以上９０％以下である。ここでも、接合面５５は、ＸＹ面に平行に設けられているものとする。Ｘ方向又はＹ方向は、接合面５５に平行な所定方向の一例である。

【0031】

同様にして、複数の環状溝５１が設けられている場合は、接合面５５に平行な所定方向における最も内側に設けられた環状溝５１の内径が、接合面５５に平行な所定方向における最も外側に設けられた環状溝５１の外径の６０％以上９０％以下である。

【0032】

また、接合面５５に平行な所定方向における環状溝５１の外径は、接合面５５に平行な所定方向における接合面５５の長さの９０％以上１００％未満であることが好ましい。

【0033】

まず、１本の環状溝５１ａを有する図２（ｃ）を例として説明する。Ｘ方向の環状溝５１ａの外径Ｌ１は、Ｘ方向の接合面５５の長さＬ１０の９０％以上１００％未満であることが好ましい。また、Ｙ方向の環状溝５１ａの外径Ｌ３は、Ｙ方向の環状溝５１ａの外径Ｌ１１の９０％以上１００％未満であることが好ましい。

【0034】

次に、２本の環状溝５１ａ及び環状溝５１ｂを有する図２（ｂ）を例として説明する。Ｘ方向において、外側に設けられた環状溝５１ｂの外径Ｌ５は、Ｘ方向の接合面５５の長さＬ１０の９０％以上１００％未満であることが好ましい。Ｙ方向において、外側に設けられた環状溝５１ｂの外径Ｌ７は、Ｙ方向の接合面５５の長さＬ１１の９０％以上１００％未満であることが好ましい。

【0035】

同様にして、複数の環状溝５１が設けられている場合は、接合面５５に平行な最も外側に設けられた環状溝５１の外径は、接合面５５に平行な所定方向における接合面５５の長さの９０％以上１００％以下であることが好ましい。

【0036】

環状溝５１は、例えば、図２に示すように、矩形の形状を有する接合面５５に対し、接合面５５の外周５７に沿って、矩形の形状で形成されている。しかし、環状溝５１の形状はこれに限定されるものではない。

【0037】

また、図２（ｄ）に示すように、矩形の形状を有する環状溝５１ａの角５３は面取りされていてもかまわない。

【0038】

第３接合材５９は、第２ベッド部５８と第２端部５０ｂの間に設けられている。第３接合材５９は、第２ベッド部５８と第２端部５０ｂを接合している。

【0039】

第２コネクタ６０は、第３端部６１ａと、第４端部６１ｂと、を有する。第２コネクタ６０は、例えば、Ｃｕ等の導電性材料を含む。なお、第２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のゲート電極パッドが設けられている。そして、ゲート電極パッドが、半導体チップ１０のゲート電極に接続されている。

【0040】

第５接合材６９は、第３ベッド部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ベッド部６８と第４端部６１ｂを接合している。

【0041】

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。

【0042】

第１金属膜１６の膜厚は、特に限定されないが、例えば４μｍ程度である。第２金属膜１８の膜厚は、特に限定されないが、例えば３μｍ程度である。第１絶縁膜１２の膜厚は、特に限定されないが、例えば５μｍ程度である。環状溝５１の深さは、特に限定されないが、例えば数μｍの程度である。

【0043】

図３は、実施形態の半導体装置１１０の模式断面図の他の一例である。外側に設けられた環状溝５１ｂの深さｄ２は、内側に設けられた環状溝５１ａの深さｄ１より深いことが好ましい。

【0044】

次に、本実施形態の半導体装置の作用効果を説明する。

【0045】

半導体装置１００が製造される際に、第２接合材２０が半導体チップ１０の端部に拡がり、第１絶縁膜１２の上に残ってしまうことがあった。この、残ってしまった接合材により、半導体装置の特性不良や信頼性不良が発生することがあった。

【0046】

図４は、実施形態の比較形態となる半導体装置１０００の模式断面図である。接合面５５の全面に、環状溝５１が形成されている。Ｘ方向において、最も内側に設けられた環状溝５１ａの内径Ｌ６は、最も外側に設けられた環状溝５１ｄの外径Ｌ５の、６０％未満である。Ｙ方向において、最も内側に設けられた環状溝５１ａの内径Ｌ８は、最も外側に設けられた環状溝５１ｄの外径Ｌ７の、６０％未満である。

【0047】

接合面５５の全面に環状溝５１を設け、第２接合材２０が接触する面積を増加させることにより、第２接合材２０が第１絶縁膜１２の上に残ってしまうことを防止できる。しかし、環状溝５１が内側に複数設けられている場合、内側に設けられている環状溝５１ほど、第２接合材２０が充填されずに空洞が形成されやすい。そのために、接合面５５と第１金属膜１６の間の接触抵抗が増加してしまうおそれがあった。これにより、半導体装置のオン抵抗が増加してしまうおそれがあった。

【0048】

そこで、本実施形態の半導体装置においては、環状溝５１の内径は、環状溝５１の外径の６０％以上９０％としている。これにより、第２接合材２０が第１絶縁膜１２の第１開口部１３内に十分に広がり、かつ、第２接合材２０が第１絶縁膜１２の上に残ることを抑制することが出来る。

【0049】

環状溝５１は、接合面５５に対し、矩形の形状で形成されることが好ましい。多くの場合半導体チップ１０の形状は矩形である。そのため、半導体チップ１０の形状にあわせて環状溝５１を形成することにより、第１開口部１３内における第２接合材２０の広がり方を容易に制御出来るためである。また、矩形の形状の角は、面取りされている場合の方が、形成が容易である。

【0050】

また、接合面５５は、複数の環状溝５１を有していても良い。環状溝５１の数を適切に制御することにより、第２接合材２０が第１絶縁膜１２の第１開口部１３内に十分に広がり、かつ、第２接合材２０が第１絶縁膜１２の上に残ることを抑制することが、容易になるためである。

【0051】

接合面５５が複数の環状溝５１を有する場合、最も内側に設けられた環状溝５１の内径は、最も外側に設けられた環状溝の外径の６０％以上９０％以下であることが好ましい。第２接合材２０が第１絶縁膜１２の第１開口部１３内に十分に広がり、かつ、第２接合材２０が第１絶縁膜１２の上に残ることを抑制することが出来るためである。

【0052】

接合面５５が複数の環状溝５１を有する場合、外側に設けられた環状溝５１の深さは、内側に設けられた環状溝５１の深さより深いことが好ましい。内側の環状溝５１を深くすると、第２接合材２０が第１開口部１３内に十分に広がりにくくなるためである。

【0053】

また、環状溝５１の外径は、接合面５５の長さの９０％以上１００％未満であることが好ましい。環状溝５１の外径が９０％未満であり、第１絶縁膜１２の近傍に配置された第２接合材２０の量が多すぎる場合を考える。この場合、第２接合材２０が環状溝５１に入り込まずに、第１絶縁膜１２の上にはみ出ることが生じやすくなる。環状溝５１の外径を、接合面５５の長さの９０％以上１００％未満とすることにより、これを抑制できる。

【0054】

本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を提供することが可能となる。

【0055】

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】

【0056】

２ ：ダイパッド
３ ：第１ベッド部
４ ：上面
６ ：第１アウターリード
１０ ：半導体チップ
１２ ：第１絶縁膜
１３ ：第１開口部
１６ ：第１金属膜
１８ ：第２金属膜
２０ ：第２接合材
５０ ：第１コネクタ
５０ａ ：第１端部
５０ｂ ：第２端部
５１ ：環状溝
５３ ：角
５４ ：第１ポスト部
５５ ：接合面
５６ ：第２アウターリード
５８ ：第２ベッド部
５９ ：第３接合材
６０ ：第２コネクタ
６１ａ ：第３端部
６１ｂ ：第４端部
６４ ：第２ポスト部
６６ ：第３アウターリード
６８ ：第３ベッド部
６９ ：第５接合材
７０ ：第１接合材
８０ ：第４接合材
１００ ：半導体装置
Ｌ１ ：外径
Ｌ２ ：内径
Ｌ３ ：外径
Ｌ４ ：内径
Ｌ６ ：内径
Ｌ７ ：外径
ｄ１ ：深さ
ｄ２ ：深さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】