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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-10
(45)【発行日】2022-11-18
(54)【発明の名称】半導体装置及びパワーモジュール
(51)【国際特許分類】
H01L 21/60 20060101AFI20221111BHJP
H01L 25/07 20060101ALI20221111BHJP
H01L 25/18 20060101ALI20221111BHJP
【ＦＩ】
H01L21/60 301P
H01L21/60 321E
H01L25/04 C
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2021136430
(22)【出願日】2021-08-24
(62)【分割の表示】P 2018513160の分割
【原出願日】2017-04-14
(65)【公開番号】P2021185615
(43)【公開日】2021-12-09
【審査請求日】2021-08-24
(31)【優先権主張番号】P 2016083634
(32)【優先日】2016-04-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100133514
【弁理士】
【氏名又は名称】寺山 啓進
(72)【発明者】
【氏名】大塚 拓一
【審査官】河合 俊英
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－００４７９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－２１６７７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０８２３６７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２１／６０
Ｈ０１Ｌ ２５／０７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
絶縁性の基板上に形成された第１の基板電極、第２の基板電極、および第３の基板電極と、前記第１の基板電極上に配置され、表面と裏面とを有する半導体チップであって、前記表面側に形成されている層間絶縁膜上に形成された制御電極に接続された信号に応じて前記表面側の前記層間絶縁膜上に形成された第１電極と裏面側に形成された第２電極との間のスイッチング動作を行う前記半導体チップと、
前記表面側に形成され、前記制御電極上を除いて前記第１電極を覆う高耐熱性膜と、
前記高耐熱性膜と前記第２の基板電極との間を電気的に接続する第１のワイヤまたは平板状の上部配線と、
前記第３の基板電極と前記制御電極との間を電気的に接続する第３のワイヤと
を備える、半導体装置。
【請求項2】
前記第１の基板電極および前記第２の基板電極には、外部接続用の端子がそれぞれ接続される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第１電極上の前記高耐熱性膜に接続される前記第１のワイヤまたは前記上部配線とは別に、前記第１電極に直接接続される第４のワイヤを備える、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第４のワイヤが接続される部分の前記第１電極は、前記表面側に前記高耐熱性膜に覆われないように形成される、請求項３に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第１乃至第３の基板電極と前記半導体チップと前記第１のワイヤまたは前記上部配線と前記外部接続用の端子の少なくとも一部とを封止する樹脂をさらに備える、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記半導体チップの前記第１電極と前記第２の基板電極との間を電気的に接続する複数の前記第１のワイヤを前記高耐熱性膜に接合した、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第１のワイヤまたは平板状の前記上部配線の厚みは、前記第１乃至第３の基板電極の各々の厚みよりも厚い、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記半導体チップは、第１のＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴと第２のＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴとを備え、前記第１のＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴおよび前記第２のＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴにそれぞれ逆並列接続される第１のダイオードおよび第２のダイオードが１つのモジュールに内蔵されている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記高耐熱性膜上に第３電極が形成されており、前記第３電極を介して平板状の前記上部配線が前記高耐熱性膜に接合される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記第３電極は前記高耐熱性膜よりも厚い、請求項９に記載の半導体装置。
【請求項11】
前記高耐熱性膜は、角部を面取りするようにして前記第１電極上にキャップ配置された、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項12】
前記高耐熱性膜の厚さ範囲が１０μｍ～１００μｍである、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項13】
前記高耐熱性膜は、銀焼成膜である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項14】
前記高耐熱性膜は、銅焼成膜である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項15】
前記第１のワイヤは、銅ワイヤ、Ａｌワイヤ若しくは、中心部のＣｕを覆うようにＡｌが接合されたクラッドワイヤを備え、前記第１のワイヤの一方端が超音波接合されている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項16】
前記半導体チップはパワー用トランジスタを備えており、
前記第１電極が設けられる場所の下方に前記パワー用トランジスタが形成されている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項17】
前記第１の基板電極には、パワー端子が接続され、前記第２の基板電極には、出力端子が接続され、前記第３の基板電極には、信号電極端子が接続される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項18】
請求項１～１７のいずれか１項に記載の半導体装置を複数個備える、パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本実施の形態は、半導体装置及びパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
パワーモジュールのジャンクション温度Ｔｊの上昇とともに、パワーサイクル耐量が従来の技術（アルミワイヤ）では厳しくなっている。そこで、最近では、寿命を延ばすためにアルミワイヤではなく銅ワイヤを使用する場合がある。また、ワイヤに代えてリード材や電極柱などの上部配線を使用する場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００９－４５４４号公報
【文献】特開２０００－１００８４９号公報
【文献】特開２０１６－４７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、銅ワイヤを半導体チップ上に接合する場合は、アルミワイヤに比べ超音波のパワーが非常に大きくなるため、デバイスを破壊してしまう。
【0005】
また、リード材や電極柱などの上部配線を使用する場合は、その接合材としてＰｂフリー系のはんだが使用される。しかし、Ｐｂフリー系のはんだを使用した場合、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）など２００℃以上の耐熱性を持つデバイスでは、融点がジャンクション温度Ｔｊ＝２００℃に近く、さらにΔＴｊパワーサイクルが大きくなるため、パワーサイクル耐量（パワーサイクル寿命）は小さくなってしまう。
【0006】
本実施の形態は、パワーサイクル耐量を向上させることが可能な半導体装置及びパワーモジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本実施の形態の一態様によれば、絶縁性の基板上に形成された第１の基板電極、第２の基板電極、および第３の基板電極と、前記第１の基板電極上に配置され、表面と裏面とを有する半導体チップであって、前記表面側に形成されている層間絶縁膜上に形成された制御電極に接続された信号に応じて前記表面側の前記層間絶縁膜上に形成された第１電極と裏面側に形成された第２電極との間のスイッチング動作を行う前記半導体チップと、前記表面側に形成され、前記制御電極上を除いて前記第１電極を覆う高耐熱性膜と、前記高耐熱性膜と前記第２の基板電極との間を電気的に接続する第１のワイヤまたは平板状の上部配線と、前記第３の基板電極と前記制御電極との間を電気的に接続する第３のワイヤとを備える半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【0008】
本実施の形態によれば、パワーサイクル耐量を向上させることが可能な半導体装置及びパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】比較例１に係る半導体装置の模式的鳥瞰図。
【図2】第１の実施の形態に係る半導体装置の模式的鳥瞰図であり、（ａ）銅ワイヤ接合前の状態、（ｂ）銅ワイヤ接合後の状態。
【図3】第１の実施の形態に係る半導体装置のシミュレーションモデルを示す模式的断面構造図。
【図5】比較例２に係る半導体装置の模式的鳥瞰図。
【図6】第２の実施の形態に係る半導体装置の模式的鳥瞰図。
【図7】第２の実施の形態に係る半導体装置のシミュレーションモデル１（キャップ構造）を示す模式的断面構造図。
【図8】比較例２に係る半導体装置のシミュレーションモデル２（はんだ構造）を示す模式的断面構造図。
【図9】シミュレーションモデル１とシミュレーションモデル２の比較結果を示すグラフ。
【図10】ΔＴｊパワーサイクルとパワーサイクル寿命の関係を示すグラフ。
【図11】ワイヤ材に亀裂が生じた状態を示す図。
【図12】時間の経過とともにひずみ量が飽和することを示すグラフ。
【図13】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図であり、（ａ）半導体チップを示す図、（ｂ）マスク印刷工程を示す図、（ｃ）乾燥工程を示す図、（ｄ）焼成工程を示す図。
【図15】第２の実施の形態に係る半導体装置を用いたモジュールの構成図（写真）であり、（ａ）鳥瞰図、（ｂ）平面図。
【図21】第１の実施の形態に係る半導体装置を用いたモジュールの模式的構成図。
【図22】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置のΔＴｊパワーサイクルテストにおける電流と温度の変化の模式図。
【図23】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置の熱サイクルテストにおける温度プロファイル例。
【図24】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置であって、（ａ）ワンインワンモジュール（1 in 1 Module）のＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的回路表現図、（ｂ）ワンインワンモジュールのＩＧＢＴの模式的回路表現図。
【図25】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置であって、ワンインワンモジュールのＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの詳細回路表現図。
【図26】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置であって、（ａ）ツーインワンモジュールのＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的回路表現図、（ｂ）ツーインワンモジュールの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）の模式的回路表現図。
【図27】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、（ａ）ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造図、（ｂ）ＩＧＢＴの模式的断面構造図。
【図28】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図29】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置に適用する半導体デバイスの例であって、エミッタパッド電極ＥＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＩＧＢＴの模式的断面構造図。
【図30】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置に適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ ＤＩ（Double Implanted）ＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図31】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置に適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ トレンチ（Ｔ：Trench）ＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図32】第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を用いて構成した３相交流インバータの模式的回路構成において、（ａ）半導体デバイスとしてＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴを適用し、電源端子ＰＬ、接地端子ＮＬ間にスナバコンデンサを接続した回路構成例、（ｂ）半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用し、電源端子ＰＬ、接地端子ＮＬ間にスナバコンデンサを接続した回路構成例。
【図33】半導体デバイスとしてＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴを適用した第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を用いて構成した３相交流インバータの模式的回路構成図。
【図34】半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用した第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を用いて構成した３相交流インバータの模式的回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【0011】
又、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【0012】
[比較例１]
既に説明したように、パワーモジュールのジャンクション温度Ｔｊの上昇とともに、パワーサイクル耐量がアルミワイヤでは厳しくなっている。そこで、比較例１に係る半導体装置では、図１に示すように、銅ワイヤ１８を使用して第１の基板電極１０Ｂと第２の基板電極２０Ｂとを接続している。具体的には、第１の基板電極１０Ｂ上に半導体チップ１２を配置し、半導体チップ１２上のソースパッド電極１４の所定位置１８Ｂに超音波を印加し、銅ワイヤ１８を接合している。符号１６はゲートパッド電極である。
既に説明したように、パワーモジュールのジャンクション温度Ｔｊの上昇とともに、パワーサイクル耐量がアルミワイヤでは厳しくなっている。そこで、比較例１に係る半導体装置では、図１に示すように、銅ワイヤ１８を使用して第１の基板電極１０Ｂと第２の基板電極２０Ｂとを接続している。具体的には、第１の基板電極１０Ｂ上に半導体チップ１２を配置し、半導体チップ１２上のソースパッド電極１４の所定位置１８Ｂに超音波を印加し、銅ワイヤ１８を接合している。符号１６はゲートパッド電極である。
【0013】
しかし、比較例１に係る半導体装置によると、銅ワイヤ１８を接合する際に非常に大きな超音波のパワーが必要になり、デバイスを破壊してしまう。もしくは、破壊を防ぐためのパッドの構造を作成する必要があり、デバイス構造が複雑化してしまう。
【0014】
【0015】
図２（ａ）に示すように、第１の実施の形態に係る半導体装置は、半導体チップ１２と、半導体チップ１２上のソースパッド電極１４を覆うように形成される高耐熱性の焼成膜２２とを備える。
【0016】
例えば、高耐熱性の焼成膜２２は、銀焼成膜でもよいし、銅焼成膜でもよい。以下、銀焼成膜を「銀焼成キャップ２２」、銅焼成膜を「銅焼成キャップ２２」という。
【0017】
図２（ｂ）に示すように、半導体チップ１２が第１の基板電極１０Ｂ上に配置され、超音波により銀焼成キャップ２２上に銅ワイヤ１８の一方端が接合される。また、超音波により銅ワイヤ１８の他方端が第２の基板電極２０Ｂに接合される。
【0018】
尚、銅ワイヤ１８の代わりに、Ａｌワイヤやクラッドワイヤを適用しても良い。クラッドワイヤにおいては、中心部はＣｕで形成されているが、中心部はＣｕを覆うようにＡｌが接合されている。クラッドワイヤは、Ａｌワイヤに比べ高耐熱性・低熱抵抗性を有している。
【0019】
ここで、第１の基板電極１０Ｂや第２の基板電極２０Ｂは、金属とセラミックスと金属との接合体からなる回路基板、例えばＤＢＣ（Direct Bonding Copper）基板、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板やＡＭＢ（Active Metal Brazed, Active Metal Bond）基板などの絶縁基板（回路基板）の、チップ搭載面側の導体パターンにより構成することもできる。絶縁基板の表面側電極および裏面側電極の金属材料としては基本的には同じものが使われる。例えば、ＤＢＣ基板であれば、Ｃｕ／Ａｌ2Ｏ3／Ｃｕ構造、ＤＢＡ基板であれば、Ａｌ／ＡｌＮ／Ａｌ構造、ＡＭＢ基板であれば、Ｃｕ／Ｓｉ3Ｎ4／Ｃｕ構造などを適用可能である。ただし、表面側電極および裏面側電極では役割が多少異なる。表面側電極は、チップや電極などを接合したり、それぞれパターンを切り、正（Ｐ）側パワー電極、負（Ｎ）側パワー電極、出力（Ｏｕｔ）側パワー電極などの役目を果たす。裏面側電極は、冷却器へ接合されたり、ヒートスプレッダに接合したりと熱を下に伝える役目を有する。
【0020】
以上のように、第１の実施の形態に係る半導体装置では、半導体チップ１２上のソースパッド電極１４上に高耐熱焼成材料（銀焼成又は銅焼成）でキャップを行う構造を採用している。これにより、銅ワイヤ接合時にかかる超音波のパワーが緩衝され、銅ワイヤ接合時にかかる大きな荷重からデバイスの破壊を防ぐことができるため、パワーサイクル耐量を向上させることが可能となる。
【0021】
（銀焼成キャップによるデバイスへのダメージの低減効果）
図３は、第１の実施の形態に係る半導体装置のシミュレーションモデルを示す模式的断面構造図である。ここでは、図３に示すように、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）ベースの半導体チップ１２上に酸化膜２５が形成され、酸化膜２５上にアルミニウム電極２６が形成され、アルミニウム電極２６上にメッキ工程で金（Ａｕ）薄膜２８が形成され、金薄膜２８上に銀焼成キャップ２２が形成されている。
図３は、第１の実施の形態に係る半導体装置のシミュレーションモデルを示す模式的断面構造図である。ここでは、図３に示すように、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）ベースの半導体チップ１２上に酸化膜２５が形成され、酸化膜２５上にアルミニウム電極２６が形成され、アルミニウム電極２６上にメッキ工程で金（Ａｕ）薄膜２８が形成され、金薄膜２８上に銀焼成キャップ２２が形成されている。
【0022】
ここでは、アルミニウム電極２６を例示しているが、電極の材料はアルミニウムに限定されるものではなく、銅（Ｃｕ）でもよい。
【0023】
また、金薄膜２８は、銀焼成キャップ２２を付着させるためのものである。金薄膜２８に代えて、銀薄膜、又はパラジウム（Ｐｄ）薄膜を形成してもよい。
【0024】
図４は、図３に示されるシミュレーションモデルの効果を示すグラフである。横軸は、銀焼成キャップ２２の膜厚ｔを示す。縦軸は、銀焼成キャップ２２に変位ＤＡを与えた際に酸化膜２５にかかる最大主応力比を示す。ここでは、銀焼成キャップ２２がない場合の酸化膜２５にかかる応力を「１」としている（点Ｐ１参照）。
【0025】
図４に示される矢印Ｐを見ても分かるように、銀焼成キャップ２２がある場合は、劇的に酸化膜２５にかかる応力を低減できる。具体的には、銀焼成キャップ２２の膜厚ｔが５μｍである場合、最大主応力比は約０．４程度であった（点Ｐ２参照）。銀焼成キャップ２２の膜厚ｔが１０μｍである場合、最大主応力比は約０．２程度であった（点Ｐ３参照）。銀焼成キャップ２２の膜厚ｔが３０μｍである場合、最大主応力比は約０．１程度であった（点Ｐ４参照）。銀焼成キャップ２２の膜厚ｔは特に限定されるものではないが、例えば、約１０μｍ～１００μｍ程度であるのが望ましい（線Ｑ参照）。
【0026】
以上のように、第１の実施の形態に係る半導体装置では、デバイス上の電極に銀焼成を用いてキャップを行うようにしている。このキャップ構造は、緩衝材の役割を果たすため、銅ワイヤ１８からのダメージを低減することが可能となる。もちろん、銅ワイヤ１８を使用すれば、非常に強い接合が可能になり、パワーサイクル耐量が増加するという効果もある。
【0027】
[比較例２]
既に説明したように、パワーモジュールのジャンクション温度Ｔｊの上昇とともに、パワーサイクル耐量がアルミワイヤでは厳しくなっている。そこで、比較例２に係る半導体装置では、図５に示すように、リード材や電極柱などの上部配線２４を使用して第１の基板電極１０Ｂと第２の基板電極２０Ｂとを接続している。
既に説明したように、パワーモジュールのジャンクション温度Ｔｊの上昇とともに、パワーサイクル耐量がアルミワイヤでは厳しくなっている。そこで、比較例２に係る半導体装置では、図５に示すように、リード材や電極柱などの上部配線２４を使用して第１の基板電極１０Ｂと第２の基板電極２０Ｂとを接続している。
【0028】
このようにリード材や電極柱などの上部配線２４を使用する場合は、その接合材としてＰｂフリー系のはんだ１７Ａ，１７Ｂが使用される。Ｐｂフリー系のはんだ１７Ａ，１７Ｂとは、スズ（Ｓｎ）を主成分として、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）などが添加物として配合されているＳｎ系のはんだである。しかし、Ｐｂフリー系のはんだ１７Ａ，１７Ｂを使用した場合、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）など２００℃以上の耐熱性を持つデバイスでは、融点がジャンクション温度Ｔｊ＝２００℃に近く、さらにΔＴｊパワーサイクルが大きくなるため、パワーサイクル耐量は小さくなってしまう。
【0029】
【0030】
図６に示すように、第２の実施の形態に係る半導体装置は、第１の実施の形態と同様、半導体チップ１２と、半導体チップ１２上のソースパッド電極１４を覆うように形成される高耐熱性の焼成膜２２とを備える。
【0031】
第１の実施の形態と同様、高耐熱性の焼成膜２２は、銀焼成キャップ２２（又は銅焼成キャップ２２）である。銀焼成キャップ２２の膜厚ｔは特に限定されるものではないが、例えば、約１０μｍ～１００μｍ程度であるのが望ましい。
【0032】
半導体チップ１２が第１の基板電極１０Ｂ上に配置され、はんだ２６Ａを接合材として高耐熱性の焼成膜２２上に平板状の上部配線２４の一方端が接合される。また、はんだ２６Ｂを接合材として上部配線２４の他方端が第２の基板電極２０Ｂに接合される。はんだ２６Ａ，２６Ｂには、比較例２と同様、Ｐｂフリー系のはんだを用いることができる。
【0033】
以上のように、第２の実施の形態に係る半導体装置では、半導体チップ１２上のソースパッド電極１４上に高耐熱焼成材料（銀焼成又は銅焼成）でキャップを行い、その上に従来のはんだを使用するようにしている。これにより、はんだにかかる累積相当ひずみを減少させ、パワーサイクル耐量を向上させることが可能となる。
【0034】
（銀焼成キャップ有無での累積相当ひずみの比較）
図７は、第２の実施の形態に係る半導体装置のシミュレーションモデル１（キャップ構造）を示す模式的断面構造図である。図７に示すように、シミュレーションモデル１では、Ｐｂフリー系のはんだ１７Ａを銀焼成キャップ２２上に使用している。はんだ１７Ａ，１７Ｂの膜厚は１００μｍであり、銀焼成キャップ２２の膜厚は５０μｍである場合を想定している。基板電極１０Ｂの裏面は、６５℃で冷却されることを想定している。
図７は、第２の実施の形態に係る半導体装置のシミュレーションモデル１（キャップ構造）を示す模式的断面構造図である。図７に示すように、シミュレーションモデル１では、Ｐｂフリー系のはんだ１７Ａを銀焼成キャップ２２上に使用している。はんだ１７Ａ，１７Ｂの膜厚は１００μｍであり、銀焼成キャップ２２の膜厚は５０μｍである場合を想定している。基板電極１０Ｂの裏面は、６５℃で冷却されることを想定している。
【0035】
図８は、比較例２に係る半導体装置のシミュレーションモデル２（はんだ構造）を示す模式的断面構造図である。図８に示すように、シミュレーションモデル２では、Ｐｂフリー系のはんだ１７Ａ，１７Ｂのみを使用している。すなわち、銀焼成キャップ２２は、半導体チップ１２上には配置されておらず、半導体チップ１２下にのみ配置されている。はんだ１７Ａ，１７Ｂの膜厚は１５０μｍである場合を想定している。
【0036】
図９は、シミュレーションモデル１とシミュレーションモデル２の比較結果を示すグラフである。縦軸は、はんだにかかる累積相当ひずみを示し、横軸は、ジャンクション温度Ｔｊを示す。累積相当ひずみは、はんだなどの材料の寿命を推定する際の目安として使用される。同じ材料では、累積相当ひずみが大きいほど寿命が短くなる。
【0037】
点Ｓ１と点Ｓ２とを結ぶ線分Ｓは、シミュレーションモデル２（はんだ構造）における累積相当ひずみの変化を表している。線分Ｓを見ても分かるように、はんだ構造では、ジャンクション温度Ｔｊの上昇とともに累積相当ひずみが大きくなる。
【0038】
一方、点Ｃ１と点Ｃ２とを結ぶ線分Ｃ＋Ｓは、シミュレーションモデル１（キャップ構造）における累積相当ひずみの変化を表している。線分Ｃ＋Ｓを見ても分かるように、キャップ構造では、銀焼成キャップ２２の緩衝効果により、ジャンクション温度Ｔｊが変わっても累積相当ひずみはほとんど変化しない。
【0039】
具体的には、キャップ構造によれば、はんだ構造に比べて、ジャンクション温度Ｔｊが１２０℃である場合、累積相当ひずみは約３２％程度減少することが分かった（点Ｃ１，点Ｓ１参照）。また、ジャンクション温度Ｔｊが２００℃である場合、累積相当ひずみは約４４％程度減少することが分かった（点Ｃ２，点Ｓ２参照）。
【0040】
以上のように、キャップ構造によれば、パワーサイクル耐量を向上できる、もしくはΔＴｊパワーサイクル、ＭａｘＴｊが大きくなってもパワーサイクル耐量を保持できる効果がある。
【0041】
ここで、ΔＴｊパワーサイクルは、次式に示すように、パワーサイクルをオンしたときのジャンクション温度Ｔｊの最大値ＭａｘＴｊとオフしたときのジャンクション温度ＭｉｎＴｊとの差である。ＭａｘＴｊが１５０℃でＭｉｎＴｊが５０℃である場合、ΔＴｊパワーサイクルは１００℃となり、ＭａｘＴｊが２００℃でＭｉｎＴｊが５０℃である場合、ΔＴｊパワーサイクルは１５０℃となる。
【0042】
【数1】
【0043】
ΔＴｊパワーサイクルとパワーサイクル寿命の関係は、模式的に図１０に示すように表される。通常、図１０に示すように、ΔＴｊパワーサイクルが低いときは寿命が長くなる傾向が見られ（Ｔ１参照）、ΔＴｊパワーサイクルが高いときは寿命が短くなる傾向が見られる（Ｔ２参照）。また、点で接合するワイヤ材は亀裂１８Ｃが生じやすく（図１１参照）、面で接合するリード材の方が寿命が長い傾向がある。
【0044】
（はんだの寿命と累積相当ひずみの関係）
次に、疲労寿命の算出方法について説明する。非弾性ひずみ（塑性ひずみ、クリープひずみ）が発生するような大きな負荷を繰り返しかけて、少ない繰り返し数（１０５サイクル以下）で疲労破壊させる場合を低サイクル疲労と呼ぶ。低サイクル疲労の疲労寿命は以下に示すマンソン・コフィン則で表される。
次に、疲労寿命の算出方法について説明する。非弾性ひずみ（塑性ひずみ、クリープひずみ）が発生するような大きな負荷を繰り返しかけて、少ない繰り返し数（１０５サイクル以下）で疲労破壊させる場合を低サイクル疲労と呼ぶ。低サイクル疲労の疲労寿命は以下に示すマンソン・コフィン則で表される。
【0045】
【数2】
【0046】
ΔεＰは塑性ひずみ振幅［－］であり、Ｎｊは塑性疲労（疲労寿命）［回］であり、Ｃ，Ｎは材料物性値である。
【0047】
【数3】
【0048】
εａｃ＿ｎｅ（ｆｉｎ＿ｓｔｅｐ）は２サイクル目の累積相当ひずみであり、εａｃ＿ｎｅ（ｒｅｆ＿ｓｔｅｐ）は１サイクル目の累積相当ひずみである。図１２に示すように、時間の経過とともにひずみ量は飽和するため、数３では、１サイクル目と２サイクル目の間をとるようにしている。マンソン・コフィン則によれば、ΔεＰが小さいと寿命は延びる。キャップ構造によれば、累積相当ひずみが小さくなるため、はんだの寿命が延びることが分かる。
【0049】
以上のように、第２の実施の形態に係る半導体装置では、Ｐｂフリー系のはんだ１７Ａ，１７Ｂを銀焼成キャップ２２上に使用するようにしている。これにより、はんだが直接受けていた応力を銀焼成キャップ２２で緩衝することにより、はんだにかかる累積相当ひずみを減少させ、パワーサイクル耐量を向上させることが可能となる。
【0050】
[製造方法]
以下、第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
以下、第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【0051】
まず、図１３（ａ）に示すように、半導体チップ１２の上部に金薄膜２８を形成する。次いで、図１３（ｂ）に示すように、スキージ３０を用いてマスク２８Ｍの開口部から焼成ペースト２２Ｐを押し込み、ソースパッド電極１４に対応する領域にマスク印刷を行う。次いで、図１３（ｃ）に示すように、焼成ペースト２２Ｐがマスク印刷された半導体チップ１２をホットプレート３２の上で乾燥させる。最後に、図１３（ｄ）に示すように、加熱プレート３４Ｕ，３４Ｄを用いて半導体チップ１２を焼成（熱＋加圧）する。これにより、図１４に示すように、半導体チップ１２の上部に銀焼成キャップ２２を形成することができる。
【0052】
尚、上記の工程において、マスク印刷の代わりに、ディスペンス法を適用しても良い。ディスペンス法を用いても同程度の品質の焼成膜を作成可能である。
【0053】
[モジュール]
以下、第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を複数個備えるパワーモジュールの構成について説明する。
以下、第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を複数個備えるパワーモジュールの構成について説明する。
【0054】
図１５は、第２の実施の形態に係る半導体装置を用いたモジュールの構成図（写真）であり、（ａ）は鳥瞰図、（ｂ）は平面図である。図１５に示すように、第１の基板電極１０Ｂと第２の基板電極２０Ｂとが上部配線２４により接続されている。第１の基板電極１０Ｂと第２の基板電極２０Ｂのそれぞれから外方に信号電極端子Ｇ１，Ｄ１，Ｓ１、信号電極端子Ｇ４，Ｄ４，Ｓ４が引き出されている。もちろん、第１の基板電極１０Ｂと第２の基板電極２０Ｂ以外の基板電極を上部配線２４により接続することも可能である。また、基板電極１０Ｂには、ハイレベル側のＭＩＳＦＥＴＱ１のドレインＤ１に対応するパワー端子Ｐが接続され、基板電極２０Ｂには、ローレベル側のＭＩＳＦＥＴＱ４のドレインＤ４若しくはハイレベル側のＭＩＳＦＥＴＱ１のソースＳ１に対応するに対応するパワー端子Ｏ（出力端子）が接続される。さらに、ローレベル側のＭＩＳＦＥＴＱ１のソースパッド電極Ｓ１に上部配線２４を介して接続されるランド電極には、ローレベル側のＭＩＳＦＥＴＱ４のソースＳ４に対応するパワー端子Ｎが接続される。以上の説明において、ハイレベル側のＭＩＳＦＥＴＱ１およびローレベル側のＭＩＳＦＥＴＱ４は、例えば、図２６（ａ）に示すようなツーインワンモジュールの回路を構成する半導体デバイスの対応している。尚、図２６（ｂ）に示すようなツーインワンモジュールのＩＧＢＴ Ｑ１・Ｑ４であっても良い。以下同様である。
【0055】
【0056】
図１７及び図１８は、図１５に示されるモジュールを部分的に拡大した写真である。図１７及び図１８に示すように、第１の基板電極１０Ｂ上に半導体チップ１２が配置されている。半導体チップ１２に銀焼成キャップ２２が形成され、その銀焼成キャップ２２上にはんだ２６Ａ，２６Ｂを使用して上部配線２４を接合している。
【0057】
図１９は、図１５に示されるモジュールの全体を示す写真である。図２０は、図１５に示されるモジュールを部分的に拡大した写真である。図１９及び図２０に示すように、半導体チップ１２がワイヤーＷを介して信号電極端子Ｇ１，Ｄ１，Ｓ１、信号電極端子Ｇ４，Ｄ４，Ｓ４に接続されている。
【0058】
【0059】
[接合エネルギー]
次に、超音波で接合する際の接合エネルギーについて説明する。
次に、超音波で接合する際の接合エネルギーについて説明する。
【0060】
接合エネルギーは、次式に示すように、接合時の摩擦係数μと速度ｖと圧力Ｐを時間で積分したものである。摩擦係数μも速度ｖも圧力Ｐの関数である。一般的に、接合エネルギーが高い程接合力も高くなる。
【0061】
【数4】
【0062】
[ΔＴｊパワーサイクルテスト]
第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置のΔＴｊパワーサイクルテストにおける電流ＩCと温度Ｔの変化の模式図は、図２２に示すように表される。
第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置のΔＴｊパワーサイクルテストにおける電流ＩCと温度Ｔの変化の模式図は、図２２に示すように表される。
【0063】
ΔＴｊパワーサイクルテストは、図２２に示すように、接合温度を相対的に短時間の周期で上昇・下降させるテストであり、例えば、ワイヤ接合部などの寿命を評価することができる。
【0064】
パワーサイクル試験の場合は、図２２に示すように、半導体装置モジュールに通電・遮断を繰り返し、チップを発熱させる。第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置のΔＴｊパワーサイクルテストにおいては、例えば、Ｔｊ＝１５０℃を２ｓ、その後オフして冷却温度になるまでの時間（例Ｔｊ＝５０℃、オフ時間＝１８ｓ）を繰り返し行う。
【0065】
[熱サイクルテスト]
第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置において、熱サイクルテストにおける温度プロファイル例は、図２３に示すように表される。熱サイクルテストは大気雰囲気中で行われ、マイナス４０℃～プラス１５０℃の範囲で実施した。熱サイクルの１サイクルの周期は８０分であり、その内訳は、マイナス４０℃で３０分、マイナス４０℃からプラス１５０℃までの昇温時間１０分、プラス１５０℃で３０分、プラス１５０℃からマイナス４０℃までの冷却時間１０分である。１００サイクル毎に順方向電圧降下Ｖｆ、逆方向耐圧Ｖｒを測定したが、特性劣化は観測されていない。
第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置において、熱サイクルテストにおける温度プロファイル例は、図２３に示すように表される。熱サイクルテストは大気雰囲気中で行われ、マイナス４０℃～プラス１５０℃の範囲で実施した。熱サイクルの１サイクルの周期は８０分であり、その内訳は、マイナス４０℃で３０分、マイナス４０℃からプラス１５０℃までの昇温時間１０分、プラス１５０℃で３０分、プラス１５０℃からマイナス４０℃までの冷却時間１０分である。１００サイクル毎に順方向電圧降下Ｖｆ、逆方向耐圧Ｖｒを測定したが、特性劣化は観測されていない。
【0066】
通常、熱サイクルテスト、もしくはパワーサイクル試験でも接合部の劣化が始まると、順方向などの高電流を流す試験では抵抗が増加し、順方向電圧Ｖｆが変化する。
パワーサイクル耐量は特性劣化も含めて起こってもその劣化の進行が遅い場合には、パワーサイクル耐量が高いと評価することができる。
パワーサイクル耐量は特性劣化も含めて起こってもその劣化の進行が遅い場合には、パワーサイクル耐量が高いと評価することができる。
【0067】
以上のΔＴｊパワーサイクルテストおよび熱サイクルテストの結果より、第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置の銅ワイヤ１８又は上部配線２４の接合強度は、充分に確保されている。
【0068】
なお、第１又は第２の実施の形態では、銀焼成キャップ２２上に銅ワイヤ１８又ははんだ２６Ａを配置することとしているが、これに限定されるものではない。例えば、銀焼成キャップ２２上に銀焼成で上部配線２４を接合するようにしてもよい。銀焼成キャップ２２上に銀焼成することで膜厚を増加させることができる。これにより、はんだ２６Ａよりも高耐熱化を図ることができ、信頼性を向上させることが可能となる。
【0069】
[半導体装置の具体例]
第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置２０であって、ワンインワンモジュールのＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的回路表現は、図２４（ａ）に示すように表され、ワンインワンモジュールのＩＧＢＴの模式的回路表現は、図２４（ｂ）に示すように表される。
第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置２０であって、ワンインワンモジュールのＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的回路表現は、図２４（ａ）に示すように表され、ワンインワンモジュールのＩＧＢＴの模式的回路表現は、図２４（ｂ）に示すように表される。
【0070】
図２４（ａ）には、ＭＩＳＦＥＴＱに逆並列接続されるダイオードＤＩが示されている。ＭＩＳＦＥＴＱの主電極は、ドレイン端子ＤＴおよびソース端子ＳＴで表される。同様に、図２４（ｂ）には、ＩＧＢＴＱに逆並列接続されるダイオードＤＩが示されている。ＩＧＢＴＱの主電極は、コレクタ端子ＣＴおよびエミッタ端子ＥＴで表される。ダイオードＤＩとしては、ファーストリカバリダイオード（ＦＲＤ）や、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を外付けしても良い。また、ＭＩＳＦＥＴの半導体基板中に形成されるダイオードのみを用いても良い。
【0071】
また、第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置２０であって、ワンインワンモジュールのＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの詳細回路表現は、図２５に示すように表される。
【0072】
また、１つのモジュールに複数個のＭＩＳＦＥＴが内蔵されていても良い。一例として５チップ（ＭＩＳＦＥＴ×５）搭載可能であり、それぞれのＭＩＳＦＥＴＱは、５個まで並列接続可能である。尚、５チップの内、一部をダイオードＤＩ用として搭載することも可能である。
【0073】
さらに詳細には、図２５に示すように、ＭＩＳＦＥＴＱに並列にセンス用ＭＩＳＦＥＴＱｓが接続される。センス用ＭＩＳＦＥＴＱｓは、ＭＩＳＦＥＴＱと同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。図２５において、ＳＳは、ソースセンス端子、ＣＳは、電流センス端子であり、Ｇは、ゲート信号端子である。尚、第１又は第２の実施の
形態においても半導体デバイスＱには、センス用ＭＩＳＦＥＴＱｓが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。
形態においても半導体デバイスＱには、センス用ＭＩＳＦＥＴＱｓが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。
【0074】
また、第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置２０Ｔであって、ツーインワンモジュールのＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的回路表現は、図２６（ａ）に示すように表される。
【0075】
図２６（ａ）に示すように、２個のＭＩＳＦＥＴＱ１・Ｑ４と、ＭＩＳＦＥＴＱ１・Ｑ４に逆並列接続されるダイオードＤ１・Ｄ４が１つのモジュールに内蔵されている。Ｇ１は、ＭＩＳＦＥＴＱ１のゲート信号端子であり、Ｓ１は、ＭＩＳＦＥＴＱ１のソース端子である。Ｇ４は、ＭＩＳＦＥＴＱ４のゲート信号端子であり、Ｓ４は、ＭＩＳＦＥＴＱ４のソース端子である。Ｐは、正側電源入力端子であり、Ｎは、負側電源入力端子であり、Ｏは、出力端子である。
【0076】
また、第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置２０Ｔであって、ツーインワンモジュールのＩＧＢＴの模式的回路表現は、図２６（ｂ）に示すように表される。図２６（ｂ）に示すように、２個のＩＧＢＴＱ１・Ｑ４と、ＩＧＢＴＱ１・Ｑ４に逆並列接続されるダイオードＤ１・Ｄ４が１つのモジュールに内蔵されている。Ｇ１は、ＩＧＢＴＱ１のゲート信号端子であり、Ｅ１は、ＩＧＢＴＱ１のエミッタ端子である。Ｇ４は、ＩＧＢＴＱ４のゲート信号端子であり、Ｅ４は、ＩＧＢＴＱ４のエミッタ端子である。Ｐは、正側電源入力端子であり、Ｎは、負側電源入力端子であり、Ｏは、出力端子である。
【0077】
（半導体デバイスの構成例）
第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造は、図２７（ａ）に示すように表され、ＩＧＢＴの模式的断面構造は、図２７（ｂ）に示すように表される。
第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造は、図２７（ａ）に示すように表され、ＩＧＢＴの模式的断面構造は、図２７（ｂ）に示すように表される。
【0078】
第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０（Ｑ）の例として、ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造は、図２７（ａ）に示すように、ｎ-高抵抗層からなる半導体基板１２６と、半導体基板１２６の表面側に形成されたｐボディ領域１２８と、ｐボディ領域１２８の表面に形成されたソース領域１３０と、ｐボディ領域１２８間の半導体基板１２６の表面上に配置されたゲート絶縁膜１３２と、ゲート絶縁膜１３２上に配置されたゲート電極１３８と、ソース領域１３０およびｐボディ領域１２８に接続されたソース電極１３４と、半導体基板１２６の表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ドレイン領域１２４と、ｎ+ドレイン領域１２４に接続されたドレイン電極１３６とを備える。
【0079】
図２７（ａ）では、半導体デバイス１１０は、プレーナゲート型ｎチャネル縦型ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴで構成されているが、後述する図３１に示すように、ｎチャネル縦型ＳｉＣ ＴＭＩＳＦＥＴなどで構成されていても良い。
【0080】
また、第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０（Ｑ）には、ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの代わりに、ＧａＮ系ＦＥＴなどを採用することもできる。
【0081】
第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０には、ＳｉＣ系、ＧａＮ系のいずれかのパワーデバイスを採用可能である。
【0082】
さらには、第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０には、バンドギャップエネルギーが、例えば、１．１ｅＶ～８ｅＶのワイドギャップ型と云われる半導体を用いることができる。
【0083】
同様に、第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０Ａ（Ｑ）の例として、ＩＧＢＴは、図２７（ｂ）に示すように、ｎ-高抵抗層からなる半導体基板１２６と、半導体基板１２６の表面側に形成されたｐボディ領域１２８と、ｐボディ領域１２８の表面に形成されたエミッタ領域１３０Ｅと、ｐボディ領域１２８間の半導体基板１２６の表面上に配置されたゲート絶縁膜１３２と、ゲート絶縁膜１３２上に配置されたゲート電極１３８と、エミッタ領域１３０Ｅおよびｐボディ領域１２８に接続されたエミッタ電極１３４Ｅと、半導体基板１２６の表面と反対側の裏面に配置されたｐ+コレクタ領域１２４Ｐと、ｐ+コレクタ領域１２４Ｐに接続されたコレクタ電極１３６Ｃとを備える。
【0084】
図２７（ｂ）では、半導体デバイス１１０Ａは、プレーナゲート型のｎチャネル縦型ＩＧＢＴで構成されているが、トレンチゲート型ｎチャネル縦型ＩＧＢＴなどで構成されていても良い。
【0085】
第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０の例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造は、図２８に示すように表される。ゲートパッド電極ＧＰは、ゲート絶縁膜１３２上に配置されたゲート電極１３８に接続され、ソースパッド電極ＳＰは、ソース領域１３０およびｐボディ領域１２８に接続されたソース電極１３４に接続される。
【0086】
また、ゲートパッド電極ＧＰおよびソースパッド電極ＳＰは、図２８に示すように、半導体デバイス１１０の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜１４４上に配置される。尚、ゲートパッド電極ＧＰおよびソースパッド電極ＳＰの下方の半導体基板１２６内には、図２７（ａ）或いは、図２８の中央部と同様に、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。
【0087】
さらに、図２８に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜１４４上にソースパッド電極ＳＰが延在して配置されていても良い。
【0088】
第１又は第２の実施の形態に適用する半導体デバイス１１０Ａの例であって、ソースパッド電極ＳＰ、ゲートパッド電極ＧＰを含むＩＧＢＴの模式的断面構造は、図２９に示すように表される。ゲートパッド電極ＧＰは、ゲート絶縁膜１３２上に配置されたゲート電極１３８に接続され、エミッタパッド電極ＥＰは、エミッタ領域１３０Ｅおよびｐボディ領域１２８に接続されたエミッタ電極１３４Ｅに接続される。
【0089】
また、ゲートパッド電極ＧＰおよびエミッタパッド電極ＥＰは、図２９に示すように、半導体デバイス１１０Ａの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜１４４上に配置される。尚、ゲートパッド電極ＧＰおよびエミッタパッド電極ＥＰの下方の半導体基板１２６内には、図２７（ｂ）或いは、図２９の中央部と同様に、微細構造のＩＧＢＴ構造が形成されていても良い。
【0090】
さらに、図２９に示すように、中央部のＩＧＢＴ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜１４４上にエミッタパッド電極ＥＰが延在して配置されていても良い。
【0091】
ーＳｉＣ ＤＩＭＩＳＦＥＴー
第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０の例であって、ＳｉＣ ＤＩＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造は、図３０に示すように表される。
第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０の例であって、ＳｉＣ ＤＩＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造は、図３０に示すように表される。
【0092】
第１又は第２の実施の形態に適用可能なＳｉＣ ＤＩＭＩＳＦＥＴは、図３０に示すように、ｎ-高抵抗層からなる半導体基板１２６と、半導体基板１２６の表面側に形成されたｐボディ領域１２８と、ｐボディ領域１２８の表面に形成されたｎ+ソース領域１３０と、ｐボディ領域１２８間の半導体基板１２６の表面上に配置されたゲート絶縁膜１３２と、ゲート絶縁膜１３２上に配置されたゲート電極１３８と、ソース領域１３０およびｐボディ領域１２８に接続されたソース電極１３４と、半導体基板１２６の表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ドレイン領域１２４と、ｎ+ドレイン領域１２４に接続されたドレイン電極１３６とを備える。
【0093】
図３０では、半導体デバイス１１０は、ｐボディ領域１２８と、ｐボディ領域１２８の表面に形成されたｎ+ソース領域１３０が、ダブルイオン注入（ＤＩ）で形成され、ソースパッド電極ＳＰは、ソース領域１３０およびｐボディ領域１２８に接続されたソース電極１３４に接続される。ゲートパッド電極ＧＰ（図示省略）は、ゲート絶縁膜１３２上に配置されたゲート電極１３８に接続される。また、ソースパッド電極ＳＰおよびゲートパッド電極ＧＰ（図示省略）は、図３０に示すように、半導体デバイス１１０の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜１４４上に配置される。
【0094】
ＳｉＣ ＤＩＭＩＳＦＥＴは、図３０に示すように、ｐボディ領域１２８に挟まれたｎ-高抵抗層からなる半導体基板１２６内に、破線で示されるような空乏層が形成されるため、接合型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）効果に伴うチャネル抵抗ＲJFETが形成される。また、ｐボディ領域１２８／半導体基板１２６間には、図３０に示すように、ボディダイオードＢＤが形成される。
【0095】
ーＳｉＣ ＴＭＩＳＦＥＴー
第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０の例であって、ＳｉＣ ＴＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造は、図３１に示すように表される。
第１又は第２の実施の形態に適用可能な半導体デバイス１１０の例であって、ＳｉＣ ＴＭＩＳＦＥＴの模式的断面構造は、図３１に示すように表される。
【0096】
第１又は第２の実施の形態に適用可能なＳｉＣ ＴＭＩＳＦＥＴは、図３１に示すように、ｎ層からなる半導体基板１２６Ｎと、半導体基板１２６Ｎの表面側に形成されたｐボディ領域１２８と、ｐボディ領域１２８の表面に形成されたｎ+ソース領域１３０と、ｐボディ領域１２８を貫通し、半導体基板１２６Ｎまで形成されたトレンチの内にゲート絶縁層１３２および層間絶縁膜１４４Ｕ・１４４Ｂを介して形成されたトレンチゲート電極１３８ＴＧと、ソース領域１３０およびｐボディ領域１２８に接続されたソース電極１３４と、半導体基板１２６Ｎの表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ドレイン領域１２４と、ｎ+ドレイン領域１２４に接続されたドレイン電極１３６とを備える。
【0097】
図３１では、半導体デバイス１１０は、ｐボディ領域１２８を貫通し、半導体基板１２６Ｎまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁層１３２および層間絶縁膜１４４Ｕ・１４４Ｂを介して形成されたトレンチゲート電極１３８ＴＧが形成され、ソースパッド電極ＳＰは、ソース領域１３０およびｐボディ領域１２８に接続されたソース電極１３４に接続される。ゲートパッド電極ＧＰ（図示省略）は、ゲート絶縁膜１３２上に配置されたゲート電極１３８に接続される。また、ソースパッド電極ＳＰおよびゲートパッド電極ＧＰ（図示省略）は、図３１に示すように、半導体デバイス１１０の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜１４４Ｕ上に配置される。
【0098】
ＳｉＣ ＴＭＩＳＦＥＴでは、ＳｉＣ ＤＩＭＩＳＦＥＴのような接合型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）効果に伴うチャネル抵抗ＲJFETは形成されない。また、ｐボディ領域１２８／半導体基板１２６Ｎ間には、ボディダイオードＢＤが形成される。
【0099】
第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を用いて構成した３相交流インバータ１４０の模式的回路構成において、半導体デバイスとしてＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴを適用し、電源端子ＰＬ、接地端子ＮＬ間にスナバコンデンサＣを接続した回路構成例は、図３２（ａ）に示すように表される。同様に、第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を用いて
構成した３相交流インバータ１４０Ａの模式的回路構成において、半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用し、電源端子ＰＬ、接地端子ＮＬ間にスナバコンデンサＣを接続した回路構成例は、図３２（ｂ）に示すように表される。
構成した３相交流インバータ１４０Ａの模式的回路構成において、半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用し、電源端子ＰＬ、接地端子ＮＬ間にスナバコンデンサＣを接続した回路構成例は、図３２（ｂ）に示すように表される。
【0100】
第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を電源Ｅと接続する際、接続ラインの有するインダクタンスＬによって、ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴやＩＧＢＴのスイッチング速度が速いため、大きなサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔを生ずる。例えば、電流変化ｄｉ＝３００Ａ、スイッチングに伴う時間変化ｄｔ＝１００ｎｓｅｃとすると、ｄｉ／ｄｔ＝３×１０9(Ａ／ｓ)となる。インダクタンスＬの値により、サージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔの値は変化するが、電源Ｖにこのサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔが重畳される。電源端子ＰＬと接地端子ＮＬ間に接続されるスナバコンデンサＣによって、このサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔを吸収することができる。
【0101】
（半導体装置を適用した応用例）
次に、図３３を参照して、半導体デバイスとしてＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴを適用した第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を用いて構成した３相交流インバータ１４０について説明する。
次に、図３３を参照して、半導体デバイスとしてＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴを適用した第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置を用いて構成した３相交流インバータ１４０について説明する。
【0102】
図３３に示すように、３相交流インバータ１４０は、ゲートドライブ部１５０と、ゲートドライブ部１５０に接続された半導体装置部１５２と、３相交流モータ部１５４とを備える。半導体装置部１５２は、３相交流モータ部１５４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータが接続されている。ここで、ゲートドライブ部１５０は、ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴＱ１・Ｑ４、ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴＱ２・Ｑ５、およびＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴＱ３・Ｑ６に接続されている。
【0103】
半導体装置部１５２は、蓄電池（Ｅ）１４６が接続されたコンバータ１４８のプラス端子（＋）とマイナス端子（－）間に接続され、インバータ構成のＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴＱ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５、およびＱ３・Ｑ６を備える。また、ＳｉＣ ＭＩＳＦＥＴＱ１～Ｑ６のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードＤ１～Ｄ６がそれぞれ逆並列に接続されている。
【0104】
次に、図３４を参照して、半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用した第１又は第２の実施の形態に係る半導体装置２０Ｔを用いて構成した３相交流インバータ１４０Ａについて説明する。
【0105】
図３４に示すように、３相交流インバータ１４０Ａは、ゲートドライブ部１５０Ａと、ゲートドライブ部１５０Ａに接続された半導体装置部１５２Ａと、３相交流モータ部１５４Ａとを備える。半導体装置部１５２Ａは、３相交流モータ部１５４ＡのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータが接続されている。ここで、ゲートドライブ部１５０Ａは、ＩＧＢＴＱ１・Ｑ４、ＩＧＢＴＱ２・Ｑ５、およびＩＧＢＴＱ３・Ｑ６に接続されている。
【0106】
半導体装置部１５２Ａは、蓄電池（Ｅ）１４６Ａが接続されたコンバータ１４８Ａのプラス端子（＋）とマイナス端子（－）間に接続され、インバータ構成のＩＧＢＴＱ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５、およびＱ３・Ｑ６を備える。さらに、ＩＧＢＴＱ１～Ｑ６のエミッタ・コレクタ間には、フリーホイールダイオードＤ１～Ｄ６がそれぞれ逆並列に接続されている。
【0107】
本実施の形態に係る半導体装置或いはパワーモジュールは、ワンインワン、ツーインワン、フォーインワン、シックスインワン若しくはセブンインワン型のいずれにも形成可能
である。
である。
【0108】
以上説明したように、本実施の形態によれば、パワーサイクル耐量を向上させることが可能な半導体装置、パワーモジュール及びその製造方法を提供することができる。
【0109】
［その他の実施の形態］
上記のように、実施の形態について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
上記のように、実施の形態について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【0110】
このように、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【0111】
本実施の形態の半導体装置およびパワーモジュールは、ＩＧＢＴモジュール、ダイオードモジュール、ＭＯＳモジュール（Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ）等の半導体モジュール作製技術に利用することができ、ＨＥＶ／ＥＶ向けのインバータ、産業機器向けのインバータ、コンバータなど幅広い応用分野に適用可能である。
【符号の説明】
【0112】
１０Ｂ…第１の基板電極
１２…半導体チップ
１４…ソースパッド電極
１６…ゲートパッド電極
１７Ａ，１７Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ…はんだ
１８…銅ワイヤ
２０Ｂ…第２の基板電極
２２…高耐熱性の焼成膜（銀焼成キャップ，銅焼成キャップ）
２４…上部配線
２５…酸化膜
２６…アルミニウム電極
２８…金薄膜
Ｔｊ…ジャンクション温度
１２…半導体チップ
１４…ソースパッド電極
１６…ゲートパッド電極
１７Ａ，１７Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ…はんだ
１８…銅ワイヤ
２０Ｂ…第２の基板電極
２２…高耐熱性の焼成膜（銀焼成キャップ，銅焼成キャップ）
２４…上部配線
２５…酸化膜
２６…アルミニウム電極
２８…金薄膜
Ｔｊ…ジャンクション温度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】