特開 2024-171821 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】P2024171821

(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】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023089064

(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

(57)【要約】

【課題】主電極の内部破壊を抑制でき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、第１厚さを有する緩衝板と、前記主電極と前記緩衝板との間に設けられ、第２厚さを有する緩衝接合材と、を有し、前記主電極は第１主面を有し、前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記主電極の外縁から前記第１厚さと前記第２厚さとの和だけ内側の仮想の環状の第１曲線と重なるか、前記第１曲線の外側にある。
【選択図】図６

【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、
第１厚さを有する緩衝板と、
前記主電極と前記緩衝板との間に設けられ、第２厚さを有する緩衝接合材と、
を有し、
前記主電極は第１主面を有し、
前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記主電極の外縁から前記第１厚さと前記第２厚さとの和だけ内側の仮想の環状の第１曲線と重なるか、前記第１曲線の外側にある、半導体装置。

【請求項2】

前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記主電極の外縁から前記第１厚さと前記第２厚さとの和の１／２だけ内側の仮想の環状の第２曲線と重なるか、前記第２曲線の外側にある、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記半導体基板は、
半導体素子が設けられた素子領域と、
前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記素子領域を囲むガードリング領域と、
を有し、
前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記ガードリング領域の内側にある、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記緩衝板の外縁は、
直線領域と、
前記直線領域に連接する曲率領域と、
を有し、
前記半導体基板は、
単結晶基板と、
前記単結晶基板の上に設けられ、第３厚さを有するエピタキシャル層と、
を有し、
前記曲率領域の曲率半径を前記第３厚さで除した値が５以上１０以下である、請求項３に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝接合材の外縁は、前記第１曲線と重なるか、前記第１曲線の外側にある、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。

【請求項7】

前記緩衝接合材は、銅焼結体または銀焼結体を含む、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項8】

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、
第１厚さを有する緩衝板と、
前記主電極と前記緩衝板との間に設けられ、第２厚さを有する緩衝接合材と、
を有し、
前記主電極は第１主面を有し、
前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記主電極の外縁から前記第１厚さと前記第２厚さとの和だけ内側の仮想の環状の第１曲線と重なるか、前記第１曲線の外側にあり、
前記緩衝板の外縁は、
直線領域と、
前記直線領域に連接する曲率領域と、
を有し、
前記半導体基板は、
単結晶基板と、
前記単結晶基板の上に設けられ、第３厚さを有するエピタキシャル層と、
を有し、
前記曲率領域の曲率半径を前記第３厚さで除した値が５以上１０以下であり、
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、
前記緩衝接合材は、銅焼結体または銀焼結体を含む、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】

従来の半導体装置では、主電極の内部破壊に伴う剥離等の故障が生じることがある。

【0005】

本開示は、主電極の内部破壊を抑制でき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、第１厚さを有する緩衝板と、前記主電極と前記緩衝板との間に設けられ、第２厚さを有する緩衝接合材と、を有し、前記主電極は第１主面を有し、前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記主電極の外縁から前記第１厚さと前記第２厚さとの和だけ内側の仮想の環状の第１曲線と重なるか、前記第１曲線の外側にある。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、主電極の内部破壊を抑制できる。

【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１実施形態における炭化珪素基板および緩衝板を拡大して示す上面図である。

【図4】図４は、第１実施形態における炭化珪素基板、アノード電極、緩衝接合材および緩衝板を拡大して示す断面図である。

【図5】図５は、第１実施形態の変形例における炭化珪素基板、アノード電極および緩衝板を拡大して示す上面図である。

【図6】図６は、第１実施形態の変形例における炭化珪素基板、アノード電極、緩衝接合材および緩衝板を拡大して示す断面図である。

【図7】図７は、緩衝板の平面形状の第１例を示す上面図である。

【図8】図８は、緩衝板の平面形状の第２例を示す上面図である。

【図9】図９は、緩衝板の平面形状の第３例を示す上面図である。

【図10】図１０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11】図１１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12】図１２は、トランジスタの一例のガードリング領域を示す断面図である。

【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、第１厚さを有する緩衝板と、前記主電極と前記緩衝板との間に設けられ、第２厚さを有する緩衝接合材と、を有し、前記主電極は第１主面を有し、前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記主電極の外縁から前記第１厚さと前記第２厚さとの和だけ内側の仮想の環状の第１曲線と重なるか、前記第１曲線の外側にある。

【0012】

緩衝接合材により主電極に緩衝板が接合されているため、主電極の熱変形が緩衝板により拘束できる。このとき、以下に説明するように、平面視で、緩衝板の外縁が主電極の外縁から第１厚さと第２厚さとの和だけ内側の仮想の環状の第１曲線と重なるか、第１曲線の外側にあるため、より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、主電極の内部破壊を抑制できる。

【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、前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記主電極の外縁から前記第１厚さと前記第２厚さとの和の１／２だけ内側の仮想の環状の第２曲線と重なるか、前記第２曲線の外側にあってもよい。この場合、主電極の熱変形を緩衝接合材によって更に抑制しやすい。

【0016】

〔３〕 〔１〕または〔２〕において、前記半導体基板は、半導体素子が設けられた素子領域と、前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記素子領域を囲むガードリング領域と、を有し、前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記ガードリング領域の内側にあってもよい。この場合、緩衝板とガードリングとの間での放電を抑制し、良好な耐圧が得られる。

【0017】

〔４〕 〔１〕から〔３〕のいずれかにおいて、前記緩衝板の外縁は、直線領域と、前記直線領域に連接する曲率領域と、を有し、前記半導体基板は、単結晶基板と、前記単結晶基板の上に設けられ、第３厚さを有するエピタキシャル層と、を有し、前記曲率領域の曲率半径を前記第３厚さで除した値が５以上１０以下であってもよい。この場合、良好な耐圧および寿命が得られる。

【0018】

〔５〕 〔１〕から〔４〕のいずれかにおいて、前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝接合材の外縁は、前記第１曲線と重なるか、前記第１曲線の外側にあってもよい。この場合、主電極と緩衝板とを強固に接合しやすい。

【0019】

〔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。

【0020】

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。

【0021】

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が生じると、粒界すべりが重畳しやすい。

【0022】

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。

【0023】

〔７〕 〔１〕から〔６〕のいずれかにおいて、前記緩衝接合材は、銅焼結体または銀焼結体を含んでもよい。この場合、主電極と緩衝板とを強固に接合しやすい。

【0024】

〔８〕 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、第１厚さを有する緩衝板と、前記主電極と前記緩衝板との間に設けられ、第２厚さを有する緩衝接合材と、を有し、前記主電極は第１主面を有し、前記第１主面に垂直な方向からの平面視で、前記緩衝板の外縁は、前記主電極の外縁から前記第１厚さと前記第２厚さとの和だけ内側の仮想の環状の第１曲線と重なるか、前記第１曲線の外側にあり、前記緩衝板の外縁は、直線領域と、前記直線領域に連接する曲率領域と、を有し、前記半導体基板は、単結晶基板と、前記単結晶基板の上に設けられ、第３厚さを有するエピタキシャル層と、を有し、前記曲率領域の曲率半径を前記第３厚さで除した値が５以上１０以下であり、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、前記緩衝接合材は、銅焼結体または銀焼結体を含む。この場合、熱変形に伴って主電極に生じる熱応力を特に抑制しやすく、主電極の内部破壊を特に抑制しやすい。

【0025】

［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。

【0026】

（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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。炭化珪素基板３１０は、炭化珪素単結晶基板３１１と、炭化珪素単結晶基板３１１の上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層３１２とを有する。主面３１０Ａが炭化珪素エピタキシャル層３１２にあり、主面３１０Ｂが炭化珪素単結晶基板３１１にある。

【0035】

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。アノード電極３３２は、主面３１０Ａに対向する主面３３２Ｂと、主面３３２Ｂとは反対の主面３３２Ａとを有する。主面３３２Ａは主面３３２ＢのＺ１側にある。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。主面３３２Ａは第１主面の一例である。

【0036】

緩衝板５００は、例えば、第１銅層５１０と、鉄－ニッケル合金層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側に鉄－ニッケル合金層５２０が設けられ、鉄－ニッケル合金層５２０のＺ１側に第２銅層５３０が設けられている。すなわち、鉄－ニッケル合金層５２０が第１銅層５１０の上に設けられ、第２銅層５３０が鉄－ニッケル合金層５２０の上に設けられている。鉄－ニッケル合金層５２０は、例えば、ニッケルを３６質量％含有する鉄－ニッケル合金の層である。鉄－ニッケル合金層５２０に、０．７質量％程度のマンガンが含まれていてもよい。鉄－ニッケル合金層５２０に、１７質量％程度のコバルトが含まれてもよい。鉄－ニッケル合金層５２０の材料は、インバー（登録商標）であってもよい。緩衝板５００は厚さＴ１を有する。厚さＴ１は、例えば０．０５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下である。例えば、緩衝板５００の厚さＴ１はダイオード３００の厚さよりも小さい。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は厚さＴ２を有する。厚さＴ２は、例えば０．０２ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下である。厚さＴ１は第１厚さの一例である。厚さＴ２は第２厚さの一例である。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

ここで、炭化珪素基板３１０、アノード電極３３２、緩衝接合材１３５および緩衝板５００の間の位置関係について説明する。図３は、第１実施形態における炭化珪素基板３１０および緩衝板５００を拡大して示す上面図である。図４は、第１実施形態における炭化珪素基板３１０、アノード電極３３２、緩衝接合材１３５および緩衝板５００を拡大して示す断面図である。図４は、図３中のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図に相当する。

【0041】

平面視で、炭化珪素基板３１０は、素子領域２１と、素子領域２１を囲む終端領域（無効領域）２２とを有する。例えば、炭化珪素単結晶基板３１１の導電型はｎ型であり、炭化珪素エピタキシャル層３１２は、ｎ型層３１３と、ｎ型層３１３の表層部に形成された複数の環状のｐ型層３１４とを有する。複数のｐ型層３１４は多重に配置され、隣り合うｐ型層３１４の間にｎ型層３１３の一部がある。

【0042】

素子領域２１はｎ型層３１３のうちで複数のｐ型層３１４に囲まれた部分を含み、素子領域２１内でｎ型層３１３の上にアノード電極３３２が設けられている。素子領域２１は、半導体素子としてショットキーバリアダイオード３０を含む。

【0043】

終端領域２２はガードリング領域３１を含み、ガードリング領域３１は複数のｐ型層３１４を含む。複数のｐ型層３１４の各々は、ガードリングとして作用する導電領域である。

【0044】

ガードリングは、耐圧終端構造ともよばれ、パワーデバイスでの重要な動作特性の一つである逆方向にバイアスした際の電圧である「耐圧性能」を得るために用いられる。ガードリングを炭化珪素基板３１０の上面の活性領域の外周部に設けることにより、高い耐圧性能を安定して保持することが可能になる。

【0045】

ガードリング領域３１は、直線領域３２と、当該直線領域３２に連接する曲率領域３３とを有する。具体的には４つの直線領域３２と４つの曲率領域３３とが交互に配置され、環状のガードリング領域３１が構成されている。曲率領域３３は中心Ｃ１の円の円弧に沿って形成されている。曲率領域３３は曲率半径Ｒ１を有する。曲率半径Ｒ１は、例えば５０μｍ以上１２６０μｍ以下である。

【0046】

ガードリング領域３１が複数のｐ型層３１４を含む場合、複数のｐ型層３１４の各々は隙間を隔てて配置される。具体的には、複数のｐ型層３１４の各々は、直線領域３２と曲率領域３３とを有する。複数のｐ型層３１４の直線領域３２の各々は、平面視において平行に配置されている。また、複数のｐ型層３１４の曲率領域３３の各々は、中心Ｃ１を有し半径の異なる同心円の円弧状に沿って配置されている。複数のｐ型層３１４の各々に含まれるｐ型不純物の濃度は同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、複数のｐ型層３１４のうち、外周側のｐ型層３１４の不純物濃度が内周側のｐ型層３１４の不純物濃度よりも低くてもよい。

【0047】

アノード電極３３２は、平面視で、最も内側のｐ型層３１４の内側に設けられている。平面視で、アノード電極３３２は、すべてのｐ型層３１４から離れている。例えば、アノード電極３３２の外縁３３２Ｅの形状は、最も内側のｐ型層３１４の内縁３１４Ｆの形状と相似である。アノード電極３３２の外縁３３２Ｅと、最も内側のｐ型層３１４の内縁３１４Ｆとの間の距離は、例えば１５μｍ以上５０μｍ以下である。隣り合うｐ型層３１４の間の距離は、例えば５μｍ以上１０μｍ以下である。

【0048】

平面視で、緩衝接合材１３５の外縁１３５Ｅはアノード電極３３２の外縁３３２Ｅと一致している。緩衝接合材１３５の下面の全体とアノード電極３３２の上面の全体とが互いに接している。また、平面視で、緩衝板５００の外縁５００Ｅはアノード電極３３２の外縁３３２Ｅおよび緩衝接合材１３５の外縁１３５Ｅと一致している。緩衝板５００の下面の全体と緩衝接合材１３５の上面の全体とが互いに接している。

【0049】

炭化珪素基板３１０およびアノード電極３３２の熱変形に着目すると、第１線膨張率ρ１が第３線膨張率ρ３よりも小さいため、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得る。炭化珪素基板３１０とアノード電極３３２とは互いに強固に接合されているため、第１線膨張率ρ１と第３線膨張率ρ３との間の相違が大きいほど、アノード電極３３２に大きな熱応力が作用し、アノード電極３３２に内部破壊が生じやすい。

【0050】

その一方で、緩衝接合材１３５によりアノード電極３３２に緩衝板５００が接合されており、アノード電極３３２の熱変形が緩衝板５００により拘束される。そして、本実施形態では、平面視で、緩衝板５００の外縁５００Ｅがアノード電極３３２の外縁３３２Ｅと一致している。このため、アノード電極３３２の熱変形を緩衝板５００および炭化珪素基板３１０によって大きく抑制できる。従って、本実施形態によれば、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。

【0051】

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。

【0052】

緩衝接合材１３５が銅焼結体または銀焼結体を含むことで、アノード電極３３２と緩衝板５００とを強固に接合しやすい。

【0053】

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。

【0054】

緩衝板５００は、第１銅層５１０及び第２銅層５３０を含まなくてもよい。つまり、緩衝板５００は、インバー等の鉄－ニッケル合金層５２０から構成されてもよい。

【0055】

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。

【0056】

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の変形例について説明する。変形例は、主として、緩衝接合材１３５および緩衝板５００の配置の点で第１実施形態と相違する。図５は、第１実施形態の変形例における炭化珪素基板３１０、アノード電極３３２および緩衝板５００を拡大して示す上面図である。図６は、第１実施形態の変形例における炭化珪素基板３１０、アノード電極３３２、緩衝接合材１３５および緩衝板５００を拡大して示す断面図である。図６は、図５中のＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図に相当する。

【0057】

第１実施形態の変形例では、平面視で、緩衝板５００の外縁５００Ｅがアノード電極３３２の外縁３３２Ｅから、厚さＴ１と厚さＴ２との和だけ内側の仮想の環状の第１曲線４１と重なる。変形例の構成は第１実施形態と同じである。

【0058】

変形例によっても、第１実施形態と同じく、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。

【0059】

平面視で、外縁５００Ｅが第１曲線４１の外側にあっても、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。平面視で、外縁５００Ｅが外縁３３２Ｅから、厚さＴ１と厚さＴ２との和の１／２だけ内側の仮想の環状の第２曲線４２と重なってもよく、第２曲線４２の外側にあってもよい。平面視で、外縁５００Ｅが外縁３３２Ｅから、厚さＴ１と厚さＴ２との和の１／５だけ内側の仮想の環状の第３曲線４３と重なってもよく、第３曲線４３の外側にあってもよい。

【0060】

一方、外縁５００Ｅが第１曲線４１よりも内側にある場合には、アノード電極３３２の緩衝板５００により熱変形が拘束されない部分が大きい。このため、局所的にアノード電極３３２に大きな熱応力が作用し、アノード電極３３２に内部破壊が生じやすい。なお、緩衝板５００の厚さおよび緩衝接合材１３５の厚さは互いに独立に決定できるが、緩衝接合材１３５の厚さが緩衝板５００の厚さよりも小さい場合、アノード電極３３２の内部破壊を抑制しやすい。

【0061】

平面視で、外縁５００Ｅが外縁３３２Ｅの外側にあっても、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。ただし、平面視で、外縁５００Ｅがｐ型層３１４と重なると、緩衝板５００とｐ型層３１４との間に大きな電圧、例えば数百Ｖから数千Ｖの電圧が生じ、放電が発生するおそれがある。放電の発生は耐圧の低下につながる。平面視で、外縁５００Ｅが最も内側のｐ型層３１４の内縁３１４Ｆの内側にあれば、このような耐圧の低下を抑制できる。

【0062】

第１実施形態およびその変形例において、アノード電極３３２の熱変形が抑制され、アノード電極３３２の内部破壊が抑制できることは、本願発明者が行った有限要素法による半導体装置１の内部の応力解析により確認できている。また、実際に作製した試料を用いたパワーサイクル試験において、平面視で、緩衝板５００の外縁５００Ｅが第１曲線４１の内側にある場合には、アノード電極３３２に内部破壊が生じていた。

【0063】

なお、平面視で、緩衝接合材１３５の外縁１３５Ｅが第１曲線４１と重なるか、第１曲線４１の外側にあることで、アノード電極３３２と緩衝板５００とを強固に接合しやすい。

【0064】

次に、緩衝板５００の平面形状について説明する。図７は、緩衝板５００の平面形状の第１例を示す上面図である。図８は、緩衝板５００の平面形状の第２例を示す上面図である。図９は、緩衝板５００の平面形状の第３例を示す上面図である。

【0065】

アノード電極３３２の外縁３３２Ｅは、直線領域５２と、当該直線領域５２に連接する曲率領域５３とを有する。具体的には４つの直線領域５２と４つの曲率領域５３とが交互に配置されている。曲率領域５３は中心Ｃ２の円の円弧に沿って形成されている。曲率領域５３は曲率半径Ｒ２を有する。

【0066】

緩衝板５００の外縁５００Ｅは、直線領域６２と、当該直線領域６２に連接する曲率領域６３とを有する。具体的には４つの直線領域６２と４つの曲率領域６３とが交互に配置されている。曲率領域６３は中心Ｃ３の円の円弧に沿って形成されている。曲率領域６３は曲率半径Ｒ３を有する。

【0067】

図７に示す第１例では、平面視で直線領域５２と直線領域６２とが重なり合い、曲率半径Ｒ３が曲率半径Ｒ２よりも大きい。この場合、曲率半径Ｒ３と曲率半径Ｒ２との差によっては、外縁５００Ｅが第１曲線４１の内側に位置し得る。

【0068】

図８に示す第２例では、平面視で直線領域５２と直線領域６２とが重なり合い、曲率半径Ｒ３が曲率半径Ｒ２よりも小さい。この場合、曲率半径Ｒ３と曲率半径Ｒ２との差によっては、平面視で、外縁５００Ｅがｐ型層３１４と重なり得る。

【0069】

図９に示す第３例では、平面視で、曲率領域５３の直線領域５２から最も離れた点と曲率領域６３の直線領域６２から最も離れた点とが重なり合い、曲率半径Ｒ３が曲率半径Ｒ２よりも小さい。この場合、曲率半径Ｒ３と曲率半径Ｒ２との差によっては、外縁５００Ｅが第１曲線４１の内側に位置し得る。

【0070】

第１例、第２例および第３例のいずれにおいても、４つの直線領域５２および４つの曲率領域６３の全てで、第１実施形態またはその変形例の条件が満たされている場合、アノード電極３３２の内部破壊を特に抑制しやすい。ただし、半導体装置１の動作時のダイオード３００の面内の温度分布等から熱的な設計余裕が緩い部分では、上記の条件が満たされていなくてもよい。上記の条件が部分的にでも満たされていれば、その部分においてアノード電極３３２の内部破壊を抑制できる。

【0071】

上記のように、例えば、アノード電極３３２の外縁３３２Ｅの形状は、最も内側のｐ型層３１４の内縁３１４Ｆの形状と相似である。従って、曲率半径Ｒ２は、曲率領域３３の曲率半径Ｒ１に依存する。曲率半径Ｒ１が大きいほど、電界集中が緩和されるため、高い耐圧が得られる。その一方で、曲率半径Ｒ１が大きいほど、素子領域２１の面積が小さくなるため、オン電流が低下する。このため、曲率半径Ｒ１は、要求される耐圧およびオン電流に応じて決定される。また、要求される耐圧に応じて炭化珪素エピタキシャル層３１２の厚さも決定される。

【0072】

本願発明者は、これらの事項を考慮して、種々の炭化珪素エピタキシャル層３１２の厚さＴ３について、緩衝板５００における曲率半径Ｒ３を変化させた場合の放電の発生状況および寿命を調査した。この結果、１２００Ｖの耐圧を得るために炭化珪素エピタキシャル層３１２の厚さＴ３が１０μｍとされた試料では、曲率半径Ｒ３が５０μｍ以上１７５μｍ以下であれば、放電の発生を抑制し、優れた寿命が得られた。また、１７００Ｖの耐圧を得るために炭化珪素エピタキシャル層３１２の厚さＴ３が１５μｍとされた試料では、曲率半径Ｒ３が７５μｍ以上１５０μｍ以下であれば、放電の発生を抑制し、優れた寿命が得られた。３３００Ｖの耐圧を得るために炭化珪素エピタキシャル層３１２の厚さＴ３が３０μｍとされた試料では、曲率半径Ｒ３が１５０μｍ以上３２５μｍ以下であれば、放電の発生を抑制し、優れた寿命が得られた。

【0073】

これらの結果から、本願発明者は、緩衝板５００における曲率半径Ｒ３と、炭化珪素エピタキシャル層３１２の厚さＴ３との比に着目し、曲率半径Ｒ３を厚さＴ３で除した値（Ｒ３／Ｔ３）が５以上１０以下であれば、放電の発生を抑制し、良好な寿命が得られることを見出した。つまり、値（Ｒ３／Ｔ３）が５以上１０以下であれば、良好な耐圧および寿命が得られる。値（Ｒ３／Ｔ３）が６以上９以下であってもよい。

【0074】

（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１０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１１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１１は、図１０中のＸＩ－ＸＩ線に沿った断面図に相当する。

【0075】

図１０および図１１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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

図１１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。

【0080】

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。炭化珪素基板２１０は、炭化珪素単結晶基板２１１と、炭化珪素単結晶基板２１１の上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層２１２とを有する。主面２１０Ａが炭化珪素エピタキシャル層２１２にあり、主面２１０Ｂが炭化珪素単結晶基板２１１にある。

【0081】

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。ソース電極２３２は、主面２１０Ａに対向する主面２３２Ｂと、主面２３２Ｂとは反対の主面２３２Ａとを有する。主面２３２Ａは主面２３２ＢのＺ１側にある。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。主面２３２Ａは第１主面の一例である。

【0082】

緩衝板４００は、例えば、第１銅層４１０と、鉄－ニッケル合金層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側に鉄－ニッケル合金層４２０が設けられ、鉄－ニッケル合金層４２０のＺ１側に第２銅層４３０が設けられている。すなわち、鉄－ニッケル合金層４２０が第１銅層４１０の上に設けられ、第２銅層４３０が鉄－ニッケル合金層４２０の上に設けられている。鉄－ニッケル合金層４２０は、例えば、ニッケルを３６質量％含有する鉄－ニッケル合金の層である。鉄－ニッケル合金層４２０に、０．７質量％程度のマンガンが含まれていてもよい。鉄－ニッケル合金層４２０に、１７質量％程度のコバルトが含まれてもよい。鉄－ニッケル合金層４２０の材料は、インバーであってもよい。緩衝板４００は厚さＴ４を有する。厚さＴ４は、例えば０．０５ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下である。例えば、緩衝板４００の厚さＴ４はトランジスタ２００の厚さよりも小さい。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は厚さＴ５を有する。厚さＴ５は、例えば０．０２ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下である。厚さＴ４は第１厚さの一例である。厚さＴ５は第２厚さの一例である。

【0083】

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、ソース電極２３２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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

平面視で、緩衝接合材１３４の外縁はソース電極２３２の外縁と一致している。緩衝接合材１３４の下面の全体とソース電極２３２の上面の全体とが互いに接している。また、平面視で、緩衝板４００の外縁はソース電極２３２の外縁および緩衝接合材１３４の外縁と一致している。緩衝板４００の下面の全体と緩衝接合材１３４の上面の全体とが互いに接している。

【0087】

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。

【0088】

炭化珪素基板２１０およびソース電極２３２の熱変形に着目すると、第１線膨張率ρ１´が第３線膨張率ρ３´よりも小さいため、ソース電極２３２が炭化珪素基板２１０よりも大きく熱変形し得る。炭化珪素基板２１０とソース電極２３２とは互いに強固に接合されているため、第１線膨張率ρ１´と第３線膨張率ρ３´との間の相違が大きいほど、ソース電極２３２に大きな熱応力が作用し、ソース電極２３２に内部破壊が生じやすい。

【0089】

その一方で、緩衝接合材１３４によりソース電極２３２に緩衝板４００が接合されており、ソース電極２３２の熱変形が緩衝板４００により拘束される。そして、本実施形態では、平面視で、緩衝板４００の外縁がソース電極２３２の外縁と一致している。このため、ソース電極２３２の熱変形を緩衝接合材１３４によって大きく抑制できる。従って、本実施形態によれば、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。

【0090】

第１実施形態の変形例と同じく、平面視で、緩衝板４００の外縁がソース電極２３２の外縁から、厚さＴ４と厚さＴ５との和だけ内側の仮想の環状の第１曲線と重なるか、第１曲線の外側にあっても、熱変形に伴ってソース電極２３２に生じる熱応力を抑制し、ソース電極の内部破壊を抑制できる。平面視で、緩衝板４００の外縁がソース電極２３２の外縁から、厚さＴ４と厚さＴ５との和の１／２だけ内側の仮想の環状の第２曲線と重なってもよく、第２曲線の外側にあってもよい。平面視で、緩衝板４００の外縁がソース電極２３２の外縁から、厚さＴ４と厚さＴ５との和の１／５だけ内側の仮想の環状の第３曲線と重なってもよく、第３曲線の外側にあってもよい。

【0091】

平面視で、緩衝板４００の外縁がソース電極２３２の外縁の外側にあっても、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。ただし、平面視で、緩衝板４００の外縁が炭化珪素エピタキシャル層２１２に設けられたガードリングを構成するｐ型層と重なると、緩衝板４００とｐ型層との間に大きな電圧、例えば数百Ｖから数千Ｖの電圧が生じ、放電が発生するおそれがある。放電の発生は耐圧の低下につながる。平面視で、緩衝板４００の外縁が最も内側のｐ型層の内縁の内側にあれば、このような耐圧の低下を抑制できる。

【0092】

なお、ダイオード３００と同じく、平面視で、緩衝接合材１３４の外縁が第１曲線と重なるか、第１曲線の外側にあることで、ソース電極２３２と緩衝板４００とを強固に接合しやすい。

【0093】

ダイオード３００と同じく、緩衝板４００における曲率領域の曲率半径をＲ４とすると、曲率半径Ｒ４を炭化珪素エピタキシャル層２１２の厚さＴ６で除した値（Ｒ４／Ｔ６）が５以上１０以下であれば、放電の発生を抑制し、優れた寿命が得られる。値（Ｒ４／Ｔ６）が６以上９以下であってもよい。

【0094】

なお、ゲート電極２３１が平面視でソース電極２３２の外側にあり、かつ、緩衝板４００の外縁がソース電極２３２の外縁にあってもよいが、この場合、緩衝板４００はゲート電極２３１に電気的にも、機械的にも接しない。また、この場合には、平面視で、緩衝板４００の外縁は、平面視で、ガードリングを構成するｐ型層のうちで最も内側のｐ型層の内縁の内側にあってもよい。

【0095】

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。

【0096】

緩衝接合材１３４が銅焼結体または銀焼結体を含むことで、ソース電極２３２と緩衝板４００とを強固に接合しやすい。

【0097】

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。

【0098】

緩衝板４００は、第１銅層４１０及び第２銅層４３０を含まなくてもよい。つまり、緩衝板４００は、インバー等の鉄－ニッケル合金層４２０から構成されてもよい。

【0099】

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。

【0100】

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。

【0101】

ダイオード３００のガードリング領域３１には、アノード電極３３２との間に電気的にｎ型層３１３を間に挟んで配置されたｐ型層３１４が含まれる。例えば、平面視でアノード電極３３２の外側にｐ型層がある場合でも、当該ｐ型層が電気的にアノード電極３３２に接続されていれば、当該ｐ型層はガードリング領域３１に含まれない。

【0102】

トランジスタ２００のガードリング領域には、ソース電極２３２との間に電気的にｎ型層を間に挟んで配置されたｐ型層が含まれる。例えば、平面視でソース電極２３２の外側にｐ型層がある場合でも、当該ｐ型層が電気的にソース電極２３２に接続されていれば、当該ｐ型層はガードリング領域に含まれない。

【0103】

図１２は、トランジスタの一例のガードリング領域を示す断面図である。図１２に示すトランジスタ６００は、主として、導電性を備えた炭化珪素単結晶基板６１１と、炭化珪素エピタキシャル層６１２と、ゲート電極６２２と、ソース用のコンタクト電極６２３と、ドレイン電極６２４と、絶縁膜６２１とを有する。

【0104】

炭化珪素エピタキシャル層６１２は、ｎ型層６１３と、複数のｐウェル６１６と、複数のｎ型層６１７と、複数のｐ型層６１８と、複数のｐ型層６１４と、ｐ型層６１５とを有する。ｎ型層６１３の表面にｐウェル６１６が形成され、ｐウェルの表面にｎ型層６１７およびｐ型層６１８が形成されている。ｎ型層６１７は、平面視でｐ型層６１８を囲むように形成されている。ｐ型層６１８はｐウェル６１６に接する。

【0105】

ｐ型層６１５は、平面視で全てのｐウェル６１６を囲むようにｎ型層６１３の表面に環状に形成されている。ｐ型層６１５は、一部のｐウェル６１６に接する。例えば、ｐ型層６１５は、複数のｐウェル６１６のうちで、平面視で最も外側に配置されたｐウェル６１６に接する。複数のｐ型層６１４は、ｐ型層６１５を囲むようにｎ型層６１３の表面に環状に形成されている。複数のｐ型層６１４は多重に配置されている。隣り合うｐ型層６１４の間にｎ型層６１３の一部がある。最も内側に位置するｐ型層６１４とｐ型層６１５との間にも、ｎ型層６１３の一部がある。

【0106】

絶縁膜６２１は、ｎ型層６１３、ｐウェル６１６、ｎ型層６１７、ｐ型層６１４およびｐ型層６１５の表面を覆うように形成されている。ゲート電極６２２は、隣り合うｐウェル６１６と重なるようにして絶縁膜６２１の上に形成されている。コンタクト電極６２３は、絶縁膜６２１に形成された開口部を通じてｎ型層６１７およびｐ型層６１８に接するように形成されている。ドレイン電極６２４は、炭化珪素単結晶基板６１１の下に設けられており、炭化珪素単結晶基板６１１に接する。

【0107】

図示を省略するが、ゲート電極６２２を覆う層間絶縁膜が形成され、層間絶縁膜の上にソース電極が設けられる。ソース電極は各コンタクト電極６２３に接続される。従って、コンタクト電極６２３、ｎ型層６１７、ｐ型層６１８、ｐウェル６１６およびｐ型層６１５が電気的にソース電極に接続される。トランジスタ６００においては、ガードリング領域にｐ型層６１４が含まれるが、ｐ型層６１５はガードリング領域に含まれない。

【0108】

ゲート電極６２２の一部が平面視でコンタクト電極６２３の外側にあってもよい。例えば、図１２に示すトランジスタにおいて、コンタクト電極６２３の外側で、ｐウェル６１６とｐ型層６１５との境界の上方にゲート電極６２２の一部６２５があってもよい。この場合、複数のｐ型層６１４は、平面視でゲート電極６２２（一部６２５を含む）の外側にある。ｐ型層６１５は、素子領域からガードリング領域に向けて広がっていてもよく、広がっていなくてもよい。

【0109】

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。

【0110】

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】

【0111】

１、２ 半導体装置
２１ 素子領域
２２ 終端領域
３０ ショットキーバリアダイオード
３１ ガードリング領域
３２、５２、６２ 直線領域
３３、５３、６３ 曲率領域
４１ 第１曲線
４２ 第２曲線
４３ 第３曲線
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
１３５Ｅ 外縁
１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６：ワイヤ
１９０ ケース
１９１、１９２ 側壁部
１９３、１９４ 端壁部
２００、６００ 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
２１１、６１１ 炭化珪素単結晶基板（単結晶基板）
２１２、６１２ 炭化珪素エピタキシャル層（エピタキシャル層）
２３１、６２２ ゲート電極
２３２ ソース電極（主電極）
２３２Ａ 主面（第１主面）
２３２Ｂ 主面
２３３、６２４ 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
３１１ 炭化珪素単結晶基板（単結晶基板）
３１２ 炭化珪素エピタキシャル層（エピタキシャル層）
３１３、６１３、６１７ ｎ型層
３１４、６１４、６１５、６１８ ｐ型層
３１４Ｆ 内縁
３３２ アノード電極（主電極）
３３２Ａ 主面（第１主面）
３３２Ｂ 主面
３３２Ｅ 外縁
３３３ カソード電極
４００、５００ 緩衝板
４１０、５１０ 第１銅層
４２０、５２０ 鉄－ニッケル合金層
４３０、５３０ 第２銅層
５００Ｅ 外縁
６１６ ｐウェル
６２１ 絶縁膜
６２３ コンタクト電極
６２５ ゲート電極の一部
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 中心

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】