特開 2024-171820 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】P2024171820

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20241205BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

H01L21/60 301N

H01L25/04 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023089063

(22)【出願日】2023-05-30

(71)【出願人】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】田中 聡

(72)【発明者】

【氏名】新開 次郎

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 弘

【テーマコード（参考）】

5F044

【Ｆターム（参考）】

5F044AA02

5F044EE01

5F044EE04

5F044EE06

5F044EE11

5F044EE13

(57)【要約】

【課題】高い動作温度においても良好な寿命が得られる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられた主電極とを備えた半導体チップと、緩衝板と、前記主電極と前記緩衝板との間に設けられた緩衝接合材と、を有し、前記緩衝板は、積層材、または、キュリー点が３００℃以上の合金材であり、前記積層材は、前記緩衝接合材に接する第１銅層と、前記第１銅層の上に設けられたキュリー点が３００℃以上の合金層と、前記合金層の上に設けられた第２銅層と、を有する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられた主電極とを備えた半導体チップと、
緩衝板と、
前記主電極と前記緩衝板との間に設けられた緩衝接合材と、
を有し、
前記緩衝板は、積層材、または、キュリー点が３００℃以上の合金材であり、
前記積層材は、
前記緩衝接合材に接する第１銅層と、
前記第１銅層の上に設けられたキュリー点が３００℃以上の合金層と、
前記合金層の上に設けられた第２銅層と、
を有する、半導体装置。

【請求項2】

前記緩衝接合材は、空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を有する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記合金材および前記合金層は、鉄およびニッケルを含み、
前記合金材および前記合金層におけるニッケルの割合は４０質量％以上である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記合金材および前記合金層は、鉄、ニッケルおよびコバルトを含み、
前記合金材および前記合金層におけるニッケルおよびコバルトの合計の割合は４０質量％以上である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項5】

半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられた主電極とを備えた半導体チップと、
緩衝板と、
前記主電極と前記緩衝板との間に設けられた緩衝接合材と、
を有し、
前記緩衝接合材は、空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を有する、半導体装置。

【請求項6】

前記主電極は、アルミニウムまたはアルミニウム合金層を含み、
前記半導体基板の第１線膨張率および前記緩衝板の第２線膨張率は、前記主電極の第３線膨張率よりも小さく、
前記第２線膨張率は、前記第１線膨張率よりも小さい、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

パワーモジュールに好適な半導体装置の例として、半導体チップの主電極に緩衝板が接合され、緩衝板にボンディングワイヤが接合された半導体装置が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－１８６２２０号公報

【特許文献2】特開２０１７－００５０３７号公報

【特許文献3】特開２０１９－０５７６６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、より高温で使用可能な半導体装置に対する要求が高まっている。このため、より高温において良好な寿命が望まれる。

【0005】

本開示は、高い動作温度においても良好な寿命が得られる半導体装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられた主電極とを備えた半導体チップと、緩衝板と、前記主電極と前記緩衝板との間に設けられた緩衝接合材と、を有し、前記緩衝板は、積層材、または、キュリー点が３００℃以上の合金材であり、前記積層材は、前記緩衝接合材に接する第１銅層と、前記第１銅層の上に設けられたキュリー点が３００℃以上の合金層と、前記合金層の上に設けられた第２銅層と、を有する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、高い動作温度においても良好な寿命が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態に係る半導体装置を示す上面図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

【図3】図３は、第２実施形態に係る半導体装置を示す上面図である。

【図4】図４は、第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

【図5】図５は、パワーサイクル試験の結果の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

実施するための形態について、以下に説明する。

【0010】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。

【0011】

〔１〕 本開示の一態様に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられた主電極とを備えた半導体チップと、緩衝板と、前記主電極と前記緩衝板との間に設けられた緩衝接合材と、を有し、前記緩衝板は、積層材、または、キュリー点が３００℃以上の合金材であり、前記積層材は、前記緩衝接合材に接する第１銅層と、前記第１銅層の上に設けられたキュリー点が３００℃以上の合金層と、前記合金層の上に設けられた第２銅層と、を有する。

【0012】

強磁性材料においては、キュリー点未満の温度では、磁気歪みによる体積変化と通常の格子振動による熱膨張とが相殺し合うため、熱膨張が小さい。緩衝板が、キュリー点が３００℃以上の合金材であるか、キュリー点が３００℃以上の合金層を有する積層材であるため、３００℃未満の温度では、緩衝板の熱膨張が小さい。このため、緩衝接合材により緩衝板に接合された主電極の熱変形も抑制される。従って、高い温度で使用される場合であっても、主電極の内部破壊を抑制し、良好な寿命が得られる。

【0013】

主電極の内部破壊は、主電極を構成する結晶の粒界で生じる粒界すべりやクラックの発生が、繰り返しの熱変形に伴って重畳することで生じる。主電極の内部破壊は、例えば、主電極の密度の低下として確認されたり、主電極の厚さの増加として確認されたりする。また、主電極に内部破壊が生じると、主電極を間に挟む部材との間の有効な接合面積が減少する。このため、電気的または熱的な直列抵抗の増加としても、内部破壊を確認できる。

【0014】

主電極の内部破壊は、パワーサイクル試験においても生じ得る。すなわち、パワーサイクル試験では、温度の上昇および降下が繰り返されるため、粒界すべりやクラックの発生が重畳し、内部破壊が生じ得る。例えば、パワーサイクル試験の後期では、主電極の内部破壊は、主電極の破断または剥離として確認されたり、電気的抵抗の急増または断線として確認されたり、熱抵抗の急増または熱暴走の発生として確認されたりする。特に、寿命到達直前には、これらの現象が顕著となる。

【0015】

〔２〕 〔１〕において、前記緩衝接合材は、空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を有してもよい。空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を緩衝接合材が有することで、緩衝接合材に作用する熱応力が低減され、主電極の熱変形が抑制される。従って、良好な寿命を得やすい。

【0016】

〔３〕 〔１〕または〔２〕において、前記合金材および前記合金層は、鉄およびニッケルを含み、前記合金材および前記合金層におけるニッケルの割合は４０質量％以上であってもよい。この場合、合金材および合金層に３００℃以上のキュリー点を得やすい。

【0017】

〔４〕 〔１〕または〔２〕において、前記合金材および前記合金層は、鉄、ニッケルおよびコバルトを含み、前記合金材および前記合金層におけるニッケルおよびコバルトの合計の割合は４０質量％以上であってもよい。この場合、合金材および合金層に３００℃以上のキュリー点を得やすい。

【0018】

〔５〕 本開示の他の一態様に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられた主電極とを備えた半導体チップと、緩衝板と、前記主電極と前記緩衝板との間に設けられた緩衝接合材と、を有し、前記緩衝接合材は、空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を有する。

【0019】

空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を緩衝接合材が有することで、緩衝接合材に作用する熱応力が低減され、主電極の熱変形が抑制される。従って、高い温度で使用される場合であっても、主電極の内部破壊を抑制し、良好な寿命が得られる。

【0020】

〔６〕 〔１〕から〔５〕のいずれかにおいて、前記主電極は、アルミニウムまたはアルミニウム合金層を含み、前記半導体基板の第１線膨張率および前記緩衝板の第２線膨張率は、前記主電極の第３線膨張率よりも小さく、前記第２線膨張率は、前記第１線膨張率よりも小さくてもよい。この場合、主電極に良好な導電性を得やすい。その一方で、第３線膨張率が第１線膨張率よりも大きいため、主電極が半導体基板よりも大きく熱変形しようとする。ただし、第２線膨張率が第１線膨張率よりも小さいため、効果的に主電極の熱変形を緩衝接合材によって抑制できる。従って、熱変形に伴って主電極に生じる熱応力を抑制し、主電極に含まれるアルミニウムまたはアルミニウム合金層の内部破壊を抑制できる。

【0021】

一般に、アルミニウムまたはアルミニウム合金層は、強度および耐熱性の点で、半導体装置を構成する他の金属製の部位よりも脆弱である。主電極の内部破壊を引き起こす粒界すべりはクリープ現象とよばれ、クリープ現象の発生開始温度として、融点（Ｔｍ）の０．４倍の温度を指標とすることができる。この指標により、アルミニウムまたはアルミニウム合金層中では他の部位に比べ、低温域からクリープ現象が開始することがわかる。例えば、アルミニウム、銅、ニッケルの「Ｔｍ×０．４」の値は、それぞれ１００℃、２７０℃、４１８℃である。

【0022】

特に、主電極に含まれるアルミニウムまたはアルミニウム合金層がスパッタ法により形成された場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金層を構成する結晶の粒径は数μｍと小さい。このため、アルミニウムまたはアルミニウム合金層中に結晶粒界が高密度で存在し、パワーサイクル試験時の昇降温サイクル等により主電極を間に挟む層の間で熱歪みが生じると、粒界すべりが重畳しやすい。

【0023】

これに対し、第２線膨張率が第１線膨張率よりも小さい場合には、効果的に主電極の熱変形を緩衝接合材によって抑制し、主電極に含まれるアルミニウムまたはアルミニウム合金層の内部破壊を抑制できる。

【0024】

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。本明細書および図面において、Ｘ１－Ｘ２方向、Ｙ１－Ｙ２方向、Ｚ１－Ｚ２方向を相互に直交する方向とする。Ｘ１－Ｘ２方向およびＹ１－Ｙ２方向を含む面をＸＹ平面とし、Ｙ１－Ｙ２方向およびＺ１－Ｚ２方向を含む面をＹＺ平面とし、Ｚ１－Ｚ２方向およびＸ１－Ｘ２方向を含む面をＺＸ平面とする。便宜上、Ｚ１方向を上方向、Ｚ２方向を下方向とする。また、本開示において平面視とは、Ｚ１側から対象物を見ることをいう。

【0025】

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。第１実施形態は、半導体装置に関する。図１は、第１実施形態に係る半導体装置を示す上面図である。図２は、第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図に相当する。

【0026】

図１および図２に示すように、第１実施形態に係る半導体装置１は、主として、放熱板１２０と、基板１１０と、端子１０２と、端子１０３と、ケース１９０と、ダイオード３００と、緩衝板５００とを有する。

【0027】

放熱板１２０は、例えば平面視で矩形状の厚さが一様の板状体である。放熱板１２０の材料は、熱伝導率の高い素材である金属、例えば銅（Ｃｕ）、銅合金、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム－シリコン－炭素合金（Ａｌ－Ｓｉ－Ｃ合金）等である。放熱板１２０は、熱界面材料（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ：ＴＩＭ）等を用いて冷却器等に固定される。

【0028】

ケース１９０は、例えば平面視において枠状に形成されており、ケース１９０の外形は放熱板１２０の外形と同等である。ケース１９０の材料は樹脂等の絶縁体である。ケース１９０は、互いに対向する一対の側壁部１９１および１９２と、側壁部１９１および１９２の両端をつなぐ一対の端壁部１９３および１９４とを有する。側壁部１９１および１９２はＺＸ平面に平行に配置され、端壁部１９３および１９４はＹＺ平面に平行に配置されている。側壁部１９１は側壁部１９２のＹ１側に配置され、端壁部１９３は端壁部１９４のＸ２側に配置されている。

【0029】

端壁部１９３の上面（Ｚ１側の表面）に端子１０２が配置され、端壁部１９４の上面（Ｚ１側の表面）に端子１０３が配置されている。端子１０２および端子１０３は、それぞれ金属板から構成されている。

【0030】

ケース１９０の内側において、放熱板１２０のＺ１側に基板１１０が配置されている。基板１１０は、絶縁基板１１９と、第２導電パターン１１２と、第３導電パターン１１３と、導電層１１５とを有する。第１導電パターン１１１、第２導電パターン１１２、第３導電パターン１１３、第４導電パターン１１４および導電層１１５は、Ｃｕから構成されている。

【0031】

第２導電パターン１１２および第３導電パターン１１３は、絶縁基板１１９のＺ１側の面に設けられている。導電層１１５は、絶縁基板１１９のＺ２側の面に設けられている。導電層１１５は接合材１３１により放熱板１２０に接合されている。接合材１３１は、はんだ材であってもよく、焼結接合材であってもよい。接合材１３１が焼結接合材である場合、はんだの融点の近傍、ないし、それ以上のより高温での動作が可能となる。

【0032】

図２に示すように、ダイオード３００は、主として、炭化珪素基板３１０と、アノード電極３３２と、カソード電極３３３とを有する。

【0033】

炭化珪素基板３１０は、主面３１０Ａと、主面３１０Ａとは反対の主面３１０Ｂとを有する。主面３１０Ａは主面３１０ＢのＺ１側にある。炭化珪素基板３１０の形状は、例えば直方体状である。主面３１０Ａおよび３１０ＢはＸＹ平面に平行な面である。アノード電極３３２は主面３１０Ａに設けられ、カソード電極３３３は主面３１０Ｂに設けられている。ダイオード３００は第３導電パターン１１３の上に設けられている。アノード電極３３２は、例えばアルミニウム層を含む。アノード電極３３２がアルミニウム層に代えて、アルミニウム－シリコン合金（Ａｌ－Ｓｉ合金）、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金等のアルミニウム合金層を含んでいてもよい。カソード電極３３３は、オーミック層と、オーミック層の上に設けられた接合層とを有する。オーミック層は、例えばニッケルまたはニッケル合金を含む。ニッケルまたはニッケル合金は炭化珪素との間に良好な接触抵抗を有する。接合層はニッケル層を含む。接合層が、ニッケル層の上に設けられた金層または銀層を更に有していてもよい。カソード電極３３３が接合層を有することで、カソード電極３３３と第３導電パターン１１３との間に良好な接合性が得られる。カソード電極３３３が銀焼結体または銅焼結体等の接合材１３３を用いて第３導電パターン１１３に接合されている。ダイオード３００は半導体チップの一例である。炭化珪素基板３１０は半導体基板の一例である。アノード電極３３２は主電極の一例である。

【0034】

緩衝板５００は、例えば、第１銅層５１０と、合金層５２０と、第２銅層５３０とを有する積層材である。第１銅層５１０のＺ１側に合金層５２０が設けられ、合金層５２０のＺ１側に第２銅層５３０が設けられている。すなわち、合金層５２０が第１銅層５１０の上に設けられ、第２銅層５３０が合金層５２０の上に設けられている。合金層５２０は、キュリー点が３００℃以上の合金材である。合金層５２０は、例えば、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）を含み、合金層５２０におけるＮｉの割合は４０質量％以上である。合金層５２０は、例えば、Ｆｅ、Ｎｉおよびコバルト（Ｃｏ）を含み、合金層５２０におけるＮｉおよびＣｏの合計の割合が４０質量％以上であってもよい。合金層５２０が２９質量％のＮｉおよび１７質量％のＣｏを含んでもよい。いずれにおいても、合金層５２０は、Ｆｅを４５質量％以上の割合で含有してもよく、４８質量％以上の割合で含んでもよい。合金層５２０に、０．７質量％程度のマンガンが含まれていてもよい。合金層５２０の材料は、コバール（登録商標）であってもよい。緩衝板５００の厚さＴ２は、例えば０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。緩衝板５００の厚さＴ２が０．０５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であってもよい。例えば、緩衝板５００の厚さＴ２はダイオード３００の厚さＴ１よりも小さい。緩衝板５００はアノード電極３３２の上に設けられている。第１銅層５１０が銀焼結体または銅焼結体等の緩衝接合材１３５を用いてアノード電極３３２に接合されている。緩衝接合材１３５は、空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を有する。

【0035】

炭化珪素基板３１０は第１線膨張率ρ１を有し、緩衝板５００は第２線膨張率ρ２を有し、アノード電極３３２は第３線膨張率ρ３を有する。本開示での線膨張率とは、特に断らないかぎり、２５℃での主面３１０Ａに平行な方向の線膨張率である。また、本開示での線膨張率とは、特に断らないかぎり、互いに接合された状態が解かれ、炭化珪素基板３１０、緩衝板５００およびアノード電極３３２を単体としたときの線膨張率である。第１線膨張率ρ１および第２線膨張率ρ２は第３線膨張率ρ３よりも小さい。第２線膨張率ρ２が第１線膨張率ρ１より大きくても、小さくてもよいが、第１線膨張率ρ１と第２線膨張率ρ２との差が小さい場合、アノード電極３３２にかかる熱応力を抑制しやすい。第２線膨張率ρ２が第１線膨張率ρ１より小さい場合、第２線膨張率ρ２が第１線膨張率ρ１より大きい場合よりも寿命を長くしやすい。例えば、第１線膨張率ρ１が４．０×１０^－６／℃であるのに対し、第２線膨張率ρ２は１．２×１０^－６／℃以上３．９×１０^－６／℃以下である。この場合、「ρ２－ρ１」の値は－２．８×１０^－６／℃以上－０．１×１０^－６／℃以下であり、「ρ２－ρ１」の値が正の場合よりも、長い寿命を得やすい。なお、鉄－ニッケル合金の線膨張率は１．２×１０^－６／℃程度であり、銅の線膨張率は１６．５×１０^－６／℃程度であり、アルミニウムの線膨張率は２３．１×１０^－６／℃程度である。

【0036】

半導体装置１は、更に、ワイヤ１６２、１６５および１６６を有する。ワイヤ１６２、１６５および１６６の各々の数は限定されず、１本でもよく、２本以上であってもよい。

【0037】

ワイヤ１６２は、緩衝板５００の第２銅層５３０と第２導電パターン１１２とを互いに接続する。ワイヤ１６５は、第２導電パターン１１２と端子１０２とを互いに接続する。ワイヤ１６６は、第３導電パターン１１３と端子１０３とを互いに接続する。ワイヤ１６２、１６５および１６６は、例えば銅ワイヤである。ワイヤ１６２、１６５および１６６の各々の直径は、例えば１００μｍ以上４００μｍ以下である。ワイヤ１６２、１６５および１６６の接合は、例えば超音波接合により行われる。

【0038】

一般に、パワーモジュールに用いられる半導体装置の動作温度での寿命はパワーサイクル試験により評価される。パワーサイクル試験では、半導体装置の試料に対して通電および遮断を繰り返す。このとき、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）を、寿命を評価しようとする動作温度とする。そして、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）と最低接合温度（Ｔｊｍｉｎ）との差（ΔＴ）に基づき、接合温度（Ｔｊ）がＴｊｍａｘ＋ΔＴ×２０％に達した時に試料が寿命に達したと判断する。

【0039】

例えば、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）が２５０℃であり、最低接合温度（Ｔｊｍｉｎ）が６５℃である場合、差（ΔＴ）は１８５℃であるため、接合温度（Ｔｊ）が２８７℃に達した時に試料が寿命に達したと判断する。また、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）が２５０℃であり、最低接合温度（Ｔｊｍｉｎ）が２５℃である場合、差（ΔＴ）は２２５℃であるため、接合温度（Ｔｊ）が２９５℃に達した時に試料が寿命に達したと判断する。

【0040】

また、インバー（登録商標）およびコバール等の強磁性材料においては、キュリー点未満の温度では、磁気歪みによる体積変化と通常の格子振動による熱膨張とが相殺し合うため、熱膨張が小さい。上記のように、本実施形態では、合金層５２０は、キュリー点が３００℃以上の合金材である。つまり、３００℃未満の温度では、合金層５２０の熱膨張が小さい。従って、本実施形態では、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）を２５０℃としたパワーサイクル試験において、合金層５２０および緩衝板５００の熱変形が抑制される。

【0041】

そして、緩衝板５００の熱変形が抑制されるため、緩衝接合材１３５により緩衝板４００に接合されたアノード電極３３２の熱変形も抑制される。従って、本実施形態によれば、高い温度で使用される場合であっても、熱変形に伴ってアノード電極３３２に生じる熱応力を抑制し、アノード電極３３２の内部破壊を抑制できる。

【0042】

また、本実施形態では、緩衝接合材１３５が、空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を有する。加熱時に緩衝接合材１３５に作用する熱応力は空孔率が高いほど低くなり、結果としてアノード電極３３２に生じる熱応力を抑制できる。有限要素法を用いた応力解析によれば、銅焼結体からなる緩衝接合材１３５の温度が２００℃の場合、アノード電極３３２に生じる熱応力は、空孔率が０％のときに５４ＭＰａであり、空孔率が５％のときに３６ＭＰａであり、空孔率が３０％のときに１０ＭＰａである。つまり、空孔率が５％のときは０％のときよりも熱応力が３４％低くなり、空孔率が３０％のときは５％のときよりも熱応力が７２％低くなる。また、有限要素法を用いた応力解析により、銅焼結体からなる緩衝接合材１３５の温度が２５０℃の場合でも、空孔率が５％以上４０％以下のときにアノード電極３３２に生じる熱応力が低減されることが確認できている。

【0043】

このような焼結体の空孔率の増加による熱応力低減の効果は、焼結体を高温で用いることにより、より顕著となる。これは、バルクＣｕの場合は、応力－歪曲線から得られるヤング率は通常温度依存性を有しない。一方、Ｃｕの焼結体は、応力－歪曲線に温度依存性を有し、応力－歪曲線からヤング率は高温域でより小さくなる。この現象がアノード電極３３２の熱変形が抑制する有利な方向に作用することが、上記有限要素法を用いた応力解析によっても確認できている。また、Ｃｕ焼結体だけでなくＡｇ焼結体でも同様の温度依存性が確認されている。

【0044】

空孔率が５％未満であると、アノード電極３３２に生じる熱応力を低減しにくい。また、空孔率が４０％超であると、緩衝接合材１３５が脆くなりやすい。緩衝接合材１３５に含まれる焼結体の空孔率は５％以上３０％以下であってもよく、５％以上２０％以下であってもよい。

【0045】

このように、本実施形態では、緩衝接合材１３５に作用する熱応力が低減されるため、アノード電極３３２の熱変形が抑制される。従って、本実施形態によれば、高い温度で使用される場合であっても、熱変形に伴ってアノード電極３３２に生じる熱応力を抑制し、アノード電極３３２の内部破壊を抑制できる。

【0046】

本実施形態によれば、合金層５２０が、キュリー点が３００℃以上である合金材であることの効果と、緩衝接合材１３５が、空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を有することの効果とが得られるが、下記のように、これらの組み合わせによる効果も得られる。

【0047】

アノード電極３３２に生じる熱応力の要因として、主として２つの要因が考えられる。第１の要因は、緩衝板５００が有する第２線膨張率ρ２と炭化珪素基板３１０が有する第１線膨張率ρ１との差異による熱歪みであり、第２の要因は、緩衝接合材１３５が有するヤング率の温度依存性である。第１の要因については、第２線膨張率ρ２と第１線膨張率ρ１との差を小さくすることで、動作温度である最低接合温度から最高接合温度の広い温度範囲で、熱歪みを抑制することができる。第２の要因については、温度の上昇に伴って緩衝接合材１３５のヤング率が低下するため、広い温度範囲で熱歪みを抑制する効果を維持することができる。これに対し、緩衝接合材１３５に代えて銅のバルク材からなる接合材が用いられた場合には、銅のバルク材はヤング率の温度依存性を有しないため、熱歪みを抑制する効果を低減するおそれがある。

【0048】

アノード電極３３２がアルミニウム層またはアルミニウム合金層を含むため、アノード電極３３２に良好な導電性を得やすい。その一方で、炭化珪素基板３１０の第１線膨張率ρ１および緩衝板５００の第２線膨張率ρ２がアノード電極３３２の第３線膨張率ρ３よりも小さく、第２線膨張率ρ２が第１線膨張率ρ１よりも小さい。この場合、アノード電極３３２が炭化珪素基板３１０よりも大きく熱変形しようとする。ただし、第２線膨張率ρ２が第１線膨張率ρ１よりも小さいため、効果的にアノード電極３３２の熱変形を緩衝接合材１３５によって抑制できる。従って、熱変形に伴ってアノード電極３３２に生じる熱応力を抑制し、アノード電極３３２の内部破壊を抑制できる。

【0049】

本実施形態では、ワイヤ１６２を緩衝板５００に接合することで、緩衝板５００を介してワイヤ１６２をアノード電極３３２に電気的に接続できる。このため、ワイヤ１６２の接合に超音波接合を採用しても、ダイオード３００へのダメージを抑制できる。ワイヤ１６２が銅ワイヤであると、ワイヤ１６２を緩衝板５００の第２銅層５３０に接合しやすく、また、ワイヤ１６２に低電気抵抗を得やすい。

【0050】

緩衝板５００は、第１銅層５１０および第２銅層５３０を含まなくてもよい。つまり、緩衝板５００は、コバール等のキュリー点が３００℃以上の合金層５２０から構成されてもよい。

【0051】

合金層５２０が、ＦｅおよびＮｉを含み、合金層５２０におけるＮｉの割合が４０質量％以上である場合、合金層５２０に３００℃以上のキュリー点を得やすい。合金層５２０が、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏを含み、合金層５２０におけるＮｉおよびＣｏの合計の割合が４０質量％以上である場合も、合金層５２０に３００℃以上のキュリー点を得やすい。

【0052】

合金層５２０のキュリー点が３００℃以上であれば、緩衝接合材１３５に含まれる焼結体の空孔率は５％以上４０％以下でなくてもよい。また、緩衝接合材１３５に含まれる焼結体の空孔率が５％以上４０％以下であれば、合金層５２０のキュリー点は３００℃以上でなくてもよい。

【0053】

なお、第３導電パターン１１３の上に複数のダイオード３００が設けられてもよい。この場合、複数のダイオード３００は互いに電気的に並列に接続される。

【0054】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、主として、トランジスタを含む点で第１実施形態と相違する。図３は、第２実施形態に係る半導体装置を示す上面図である。図４は、第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図４は、図３中のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図に相当する。

【0055】

図３および図４に示すように、第２実施形態に係る半導体装置２は、主として、放熱板１２０と、基板１１０と、端子１０１と、端子１０２と、端子１０３と、ケース１９０と、トランジスタ２００と、ダイオード３００と、緩衝板４００と、緩衝板５００とを有する。

【0056】

端壁部１９３の上面（Ｚ１側の表面）に端子１０１および端子１０２が配置され、端壁部１９４の上面（Ｚ１側の表面）に端子１０３が配置されている。例えば、端子１０２が端子１０１のＹ２側に配置されている。端子１０１、端子１０２および端子１０３は、それぞれ金属板から構成されている。

【0057】

基板１１０は、絶縁基板１１９と、第１導電パターン１１１と、第２導電パターン１１２と、第３導電パターン１１３と、第４導電パターン１１４と、導電層１１５とを有する。第１導電パターン１１１、第２導電パターン１１２、第３導電パターン１１３、第４導電パターン１１４および導電層１１５は、Ｃｕから構成されている。

【0058】

第１導電パターン１１１、第２導電パターン１１２、第３導電パターン１１３および第４導電パターン１１４は、絶縁基板１１９のＺ１側の面に設けられている。導電層１１５は、絶縁基板１１９のＺ２側の面に設けられている。

【0059】

図４に示すように、トランジスタ２００は、主として、炭化珪素基板２１０と、ゲート電極２３１と、ソース電極２３２と、ドレイン電極２３３とを有する。

【0060】

炭化珪素基板２１０は、主面２１０Ａと、主面２１０Ａとは反対の主面２１０Ｂとを有する。主面２１０Ａは主面２１０ＢのＺ１側にある。炭化珪素基板２１０の形状は、例えば直方体状である。主面２１０Ａおよび２１０ＢはＸＹ平面に平行な面である。ゲート電極２３１およびソース電極２３２は主面２１０Ａに設けられ、ドレイン電極２３３は主面２１０Ｂに設けられている。トランジスタ２００は第４導電パターン１１４の上に設けられている。ゲート電極２３１およびソース電極２３２は、例えばアルミニウム層を含む。ゲート電極２３１およびソース電極２３２がアルミニウム層に代えて、Ａｌ－Ｓｉ合金、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金等のアルミニウム合金層を含んでいてもよい。ドレイン電極２３３は、オーミック層と、オーミック層の上に設けられた接合層とを有する。オーミック層は、例えばニッケルまたはニッケル合金を含む。ニッケルまたはニッケル合金は炭化珪素との間に良好な接触抵抗を有する。接合層はニッケル層を含む。接合層が、ニッケル層の上に設けられた金層または銀層を更に有していてもよい。ドレイン電極２３３が接合層を有することで、ドレイン電極２３３と第４導電パターン１１４との間に良好な接合性が得られる。ドレイン電極２３３が銀焼結体または銅焼結体等の接合材１３２を用いて第４導電パターン１１４に接合されている。トランジスタ２００は半導体チップの一例である。炭化珪素基板２１０は半導体基板の一例である。ソース電極２３２は主電極の一例である。

【0061】

緩衝板４００は、例えば、第１銅層４１０と、合金層４２０と、第２銅層４３０とを有する積層材である。第１銅層４１０のＺ１側に合金層４２０が設けられ、合金層４２０のＺ１側に第２銅層４３０が設けられている。すなわち、合金層４２０が第１銅層４１０の上に設けられ、第２銅層４３０が合金層４２０の上に設けられている。合金層４２０は、キュリー点が３００℃以上の合金材である。合金層４２０は、例えば、ＦｅおよびＮｉを含み、合金層４２０におけるＮｉの割合は４０質量％以上である。合金層４２０は、例えば、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏを含み、合金層４２０におけるＮｉおよびＣｏの合計の割合が４０質量％以上であってもよい。合金層４２０が２９質量％のＮｉおよび１７質量％のＣｏを含んでもよい。いずれにおいても、合金層４２０は、Ｆｅを４５質量％以上の割合で含有してもよく、４８質量％以上の割合で含んでもよい。合金層４２０に、０．７質量％程度のマンガンが含まれていてもよい。合金層４２０の材料は、コバールであってもよい。緩衝板４００の厚さＴ４は、例えば０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。緩衝板４００の厚さＴ４が０．０５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であってもよい。例えば、緩衝板４００の厚さＴ４はトランジスタ２００の厚さＴ３よりも小さい。緩衝板４００はソース電極２３２の上に設けられている。第１銅層４１０が銀焼結体または銅焼結体等の緩衝接合材１３４を用いてソース電極２３２に接合されている。緩衝接合材１３４は、空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を有する。

【0062】

炭化珪素基板２１０は第１線膨張率ρ１´を有し、緩衝板４００は第２線膨張率ρ２´を有し、ソース電極２３２は第３線膨張率ρ３´を有する。本開示での線膨張率とは、特に断らないかぎり、２５℃での主面２１０Ａに平行な方向の線膨張率である。また、本開示での線膨張率とは、特に断らないかぎり、互いに接合された状態が解かれ、炭化珪素基板２１０、緩衝板４００およびソース電極２３２を単体としたときの線膨張率である。第１線膨張率ρ１´および第２線膨張率ρ２´は第３線膨張率ρ３´よりも小さく、第２線膨張率ρ２´は第１線膨張率ρ１´よりも小さい。例えば、第１線膨張率ρ１´が４．０×１０^－６／℃であるのに対し、第２線膨張率ρ２´は１．２×１０^－６／℃以上３．９×１０^－６／℃以下である。この場合、「ρ２´－ρ１´」の値は－２．８×１０^－６／℃以上－０．１×１０^－６／℃以下である。

【0063】

半導体装置２は、更に、ワイヤ１６１、１６２、１６３、１６４、１６５および１６６を有する。ワイヤ１６１、１６２、１６３、１６４、１６５および１６６の各々の数は限定されず、１本でもよく、２本以上であってもよい。

【0064】

ワイヤ１６１は、トランジスタ２００のゲート電極２３１と第１導電パターン１１１とを互いに接続する。ワイヤ１６２は、緩衝板４００の第２銅層４３０と第２導電パターン１１２とを互いに接続する。ワイヤ１６３は、第３導電パターン１１３と第４導電パターン１１４とを互いに接続する。ワイヤ１６４は、第１導電パターン１１１と端子１０１とを互いに接続する。ワイヤ１６５は、第２導電パターン１１２と端子１０２とを互いに接続する。ワイヤ１６６は、ダイオード３００のアノード電極３３２と端子１０３とを互いに接続する。ワイヤ１６１、１６２、１６３、１６４、１６５および１６６は、例えば銅ワイヤである。ワイヤ１６１、１６２、１６３、１６４、１６５および１６６の各々の直径は、例えば１００μｍ以上４００μｍ以下である。ワイヤ１６１、１６２、１６３、１６４、１６５および１６６の接合は、例えば超音波接合により行われる。

【0065】

第２実施形態の他の構成、例えばダイオード３００および緩衝板５００の構成は第１実施形態と同じである。

【0066】

上記のように、本実施形態では、合金層４２０は、キュリー点が３００℃以上の合金材である。つまり、３００℃未満の温度では、合金層４２０の熱膨張が小さい。従って、本実施形態では、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）を２５０℃としたパワーサイクル試験において、合金層４２０および緩衝板４００の熱変形が抑制される。

【0067】

そして、緩衝板４００の熱変形が抑制されるため、緩衝接合材１３４により緩衝板４００に接合されたソース電極２３２の熱変形も抑制される。従って、本実施形態によれば、高い温度で使用される場合であっても、熱変形に伴ってソース電極２３２に生じる熱応力を抑制し、ソース電極２３２の内部破壊を抑制できる。

【0068】

また、本実施形態では、緩衝接合材１３４が、空孔率が５％以上４０％以下の焼結体を有する。従って、ダイオード３００と同じく、緩衝接合材１３４に作用する熱応力が低減されるため、ソース電極２３２の熱変形が抑制される。従って、本実施形態によれば、高い温度で使用される場合であっても、熱変形に伴ってソース電極２３２に生じる熱応力を抑制し、ソース電極２３２の内部破壊を抑制できる。緩衝接合材１３４に含まれる焼結体の空孔率は５％以上３０％以下であってもよく、５％以上２０％以下であってもよい。

【0069】

ソース電極２３２がアルミニウム層またはアルミニウム合金層を含むため、ソース電極２３２に良好な導電性を得やすい。その一方で、炭化珪素基板２１０の第１線膨張率ρ１´および緩衝板４００の第２線膨張率ρ２´がソース電極２３２の第３線膨張率ρ３´よりも小さく、第２線膨張率ρ２´が第１線膨張率ρ１´よりも小さい。この場合、ソース電極２３２が炭化珪素基板２１０よりも大きく熱変形しようとする。ただし、第２線膨張率ρ２´が第１線膨張率ρ１´よりも小さいため、効果的にソース電極２３２の熱変形を緩衝接合材１３４によって抑制できる。従って、熱変形に伴ってソース電極２３２に生じる熱応力を抑制し、ソース電極２３２の内部破壊を抑制できる。

【0070】

本実施形態では、ワイヤ１６２を緩衝板４００に接合することで、緩衝板４００を介してワイヤ１６２をソース電極２３２に電気的に接続できる。このため、ワイヤ１６２の接合に超音波接合を採用しても、トランジスタ２００へのダメージを抑制できる。ワイヤ１６２が銅ワイヤであると、ワイヤ１６２を緩衝板４００の第２銅層４３０に接合しやすく、また、ワイヤ１６２に低電気抵抗を得やすい。

【0071】

緩衝板４００は、第１銅層４１０および第２銅層４３０を含まなくてもよい。つまり、緩衝板４００は、コバール等のキュリー点が３００℃以上の合金層４２０から構成されてもよい。

【0072】

合金層４２０が、ＦｅおよびＮｉを含み、合金層４２０におけるＮｉの割合が４０質量％以上である場合、合金層４２０に３００℃以上のキュリー点を得やすい。合金層４２０が、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏを含み、合金層４２０におけるＮｉおよびＣｏの合計の割合が４０質量％以上である場合も、合金層４２０に３００℃以上のキュリー点を得やすい。

【0073】

合金層４２０のキュリー点が３００℃以上であれば、緩衝接合材１３４の空孔率は５％以上４０％以下でなくてもよい。また、緩衝接合材１３４の空孔率が５％以上４０％以下であれば、合金層４２０のキュリー点は３００℃以上でなくてもよい。

【0074】

なお、第４導電パターン１１４の上に複数のトランジスタ２００が設けられてもよい。この場合、複数のトランジスタ２００は互いに電気的に並列に接続される。

【0075】

（特性試験）
次に、本開示の実施形態に係る半導体装置についてパワーサイクル試験の結果の例について説明する。ここでいうパワーサイクル試験は、ＩＥＣ６０７４９に準拠して、次のように行われる。

【0076】

パワーサイクル試験では、試料の温度を室温（２５℃）から６５℃に昇温した後に、１２５Ａの電流の通電および遮断を繰り返す。通電時間は１秒間とし、遮断時間は１３秒間とした。また、各サイクルにおける接合温度（Ｔｊ）の最大値である最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）は２５０℃とし、各サイクルにおける最高接合温度と最低接合温度（６５℃）との差（ΔＴ）は１８５℃とした。

【0077】

１００ｍＡ程度の低電流を試料に流したときの通電開始電圧は、試料の接合温度（Ｔｊ）に対応する。従って、通電および遮断のサイクル毎に、通電直後に通電する電流よりも十分小さい１００ｍＡの低電流を試料に流し、このときの通電開始電圧を測定すれば、各サイクルにおける通電開始温度を最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）に換算できる。パワーサイクル試験を進めていくと、試料が徐々に劣化し、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）が徐々に上昇するため、通電開始から差（ΔＴ）が２０％増加した状態をもって、本試験での寿命と定義している。前出のように、最低接合温度が６５℃、最高接合温度が２５０℃である場合、差（ΔＴ）が１８５℃であるため、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）が２８７℃に達した状態をもって寿命とする。本試験は国際標準化機関が定めた検査規格ＩＥＣ６０７４９に準拠して行っているため、構造、製造方法が異なるパワーモジュールの試料においても、得られる寿命については、同一の基準での比較が可能となる。

【0078】

図５に、パワーサイクル試験の結果の例を示す。図５には、合計で４種類の試料（試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３およびＮｏ．４）のパワーサイクル試験の結果を示す。このパワーサイクル試験では、試料としてダイオードを用いた。図５の横軸は通電および遮断の繰り返し数（回）を示し、縦軸は、最高接合温度（Ｔｊｍａｘ）を示す。４種類の試料の間で緩衝板および緩衝接合材の構成を相違させ、他の条件は共通とした。表１に４種類の試料の緩衝板および緩衝接合材の概要を示す。表１には、合金層を構成するＮｉおよびＣｏの割合も示す。さらに、表１には、差（ΔＴ）が２０％増加した時点（寿命）での繰り返し数も示す。

【0079】

【表1】

【0080】

図５および表１に示すように、試料Ｎｏ．１では、合金層の材料がインバーであり、キュリー点が２８０℃であり、緩衝接合材に含まれる焼結体の空孔率が３％であった。そして、寿命は１９７００回であった。

【0081】

試料Ｎｏ．２では、合金層の材料がコバールであり、キュリー点が４３５℃であり、緩衝接合材に含まれる焼結体の空孔率が３％であった。そして、寿命は４５４００回であった。試料Ｎｏ．２の寿命は試料Ｎｏ．１の２．３倍である。

【0082】

試料Ｎｏ．３では、合金層の材料がインバーであり、キュリー点が２８０℃であり、緩衝接合材に含まれる焼結体の空孔率が３０％であった。そして、寿命は４９９００回であった。試料Ｎｏ．３の寿命は試料Ｎｏ．１の２．５倍である。

【0083】

試料Ｎｏ．４では、合金層の材料がコバールであり、キュリー点が４３５℃であり、緩衝接合材に含まれる焼結体の空孔率が３０％であった。そして、寿命は１３５１００回であった。試料Ｎｏ．４の寿命は試料Ｎｏ．１の６．８倍である。

【0084】

このように、合金層のキュリー点が３００℃以上または緩衝接合材に含まれる焼結体が５％以上４０％以下の少なくとも一方を満たす試料Ｎｏ．２、Ｎｏ．３およびＮｏ．４において、動作温度が２５０℃と高い条件下であっても、優れた寿命が得られた。

【0085】

また、試料Ｎｏ．２の寿命は試料Ｎｏ．１の２．３倍であり、試料Ｎｏ．３の寿命は試料Ｎｏ．１の２．５倍であった。これらの結果を掛け合わせれば、試料Ｎｏ．４の寿命は試料Ｎｏ．１の５．７５倍になると類推できるが、実際には、より大きな６．８倍であった。このことから、合金層のキュリー点が３００℃以上であることと、焼結体の空孔率が５％以上４０％以下であることとの組み合わせにより、それぞれの効果の組み合わせよりも大きな効果が得られることが実証されたといえる。

【0086】

本開示において、合金層または合金材のキュリー点は、３５０℃以上であってもよく、４００℃以上であってもよい。

【0087】

焼結体の空孔率は、緩衝板の断面を電子顕微鏡により観察し、当該断面の面積に対する空孔の合計の面積の割合で定義される。断面観察に際しては、通常、試料の断面を機械的に研磨するが、その際に空孔を閉塞させないなどの細心の注意をはらう。機械的に研磨した後に表面のダメージをスパッタ法により除去したり、電子顕微鏡での観察時に電子線の加速電圧を高くして表面層の影響を排除したりすることで、空孔率をより正確に求めやすい。

【0088】

また、焼結体の空孔率は、緩衝接合材を形成するための水素ガス中での熱処理の際の加圧圧力に応じて調整できる。例えば、加圧圧力を２０ＭＰａとすると空孔率は３％程度となり、加圧圧力を３ＭＰａとすると、空孔率は３０％程度となる。

【0089】

本開示において、アルミニウム層に代えてアルミニウム合金層が用いられてもよい。また、緩衝接合材に用いられる材料は限定されない。例えば、緩衝接合材が、銅、銀、ニッケル、または銅と錫とを含む金属間化合物の焼結体から構成されていてもよい。銅と錫とを含む金属間化合物の焼結体は、例えば遷移的液相焼結法により得られる。

【0090】

また、本開示において、半導体チップは炭化珪素チップであってもよい。炭化珪素チップは優れた高温耐性を有しており、高温で使用しても故障しにくい。また、炭化珪素チップは高い機械的特性を有している。また、主電極の内部破壊が抑制されるため、半導体装置全体として高温下でも優れた寿命を得やすい。

【0091】

以上、実施形態について詳述したが、本開示は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形および変更が可能である。

【符号の説明】

【0092】

１、２ 半導体装置
１０１、１０２、１０３ 端子
１１０ 基板
１１１ 第１導電パターン
１１２ 第２導電パターン
１１３ 第３導電パターン
１１４ 第４導電パターン
１１５ 導電層
１１９ 絶縁基板
１２０ 放熱板
１３１、１３２、１３３ 接合材
１３４、１３５ 緩衝接合材
１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６：ワイヤ
１９０ ケース
１９１、１９２ 側壁部
１９３、１９４ 端壁部
２００ トランジスタ（半導体チップ）
２１０ 炭化珪素基板（半導体基板）
２１０Ａ、２１０Ｂ 主面
２３１ ゲート電極
２３２ ソース電極（主電極）
２３３ ドレイン電極
３００ ダイオード（半導体チップ）
３１０ 炭化珪素基板（半導体基板）
３１０Ａ、３１０Ｂ 主面
３３２ アノード電極（主電極）
３３３ カソード電極
４００、５００ 緩衝板
４１０、５１０ 第１銅層
４２０、５２０ 合金層
４３０、５３０ 第２銅層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】