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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】2023-12-11
(45)【発行日】2023-12-19
(54)【発明の名称】半導体装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 29/78 20060101AFI20231212BHJP
   H01L 29/12 20060101ALI20231212BHJP
   H01L 29/739 20060101ALI20231212BHJP
   H01L 21/336 20060101ALI20231212BHJP
【FI】
H01L29/78 652N
H01L29/78 652T
H01L29/78 655F
H01L29/78 658J
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2019154877
(22)【出願日】2019-08-27
(65)【公開番号】P2021034614
(43)【公開日】2021-03-01
【審査請求日】2021-12-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110000110
【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】吉澤 洋明
【審査官】上田 智志
(56)【参考文献】
【文献】特開2019-087635(JP,A)
【文献】特開2017-011007(JP,A)
【文献】特開2005-079462(JP,A)
【文献】国際公開第2017/169086(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/336、29/12、
29/739、29/78
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止体と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられた第1導電膜及び第2導電膜と、を備え、
前記第2導電膜は、前記第1導電膜の周縁に沿って延びるとともに、平面視において前記第1導電膜を取り囲んでおり、
前記絶縁膜の表面は、前記第1導電膜が設けられた第1領域と、前記第2導電膜が設けられた第2領域と、前記第1領域及び前記第2領域の間に位置する第3領域と、を有し、
前記第3領域は、前記第1領域及び前記第2領域に対して突出している、
半導体装置。
【請求項2】
前記半導体素子は、前記半導体基板上に設けられており、前記半導体基板の周縁に沿って延びるとともに、前記絶縁膜上に設けられた前記第1導電膜及び前記第2導電膜を少なくとも部分的に覆う保護膜をさらに備え、
前記絶縁膜の表面には、前記絶縁膜上に設けられた前記第2導電膜と前記保護膜の外周縁との間に位置するとともに、前記外周縁に沿って連続的又は断続的に延びる突出部が設けられており、
前記突出部は、前記保護膜の表面に露出する高さを有する、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止体と、を備え、
前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられた第1導電膜及び第2導電膜と、
前記半導体基板上に設けられており、前記半導体基板の周縁に沿って延びるとともに、前記絶縁膜上に設けられた前記第1導電膜及び前記第2導電膜を少なくとも部分的に覆う保護膜と、を備え、
前記第2導電膜は、前記第1導電膜の周縁に沿って延びるとともに、平面視において前記第1導電膜を取り囲んでおり、
前記絶縁膜の表面は、前記第1導電膜が設けられた第1領域と、前記第2導電膜が設けられた第2領域と、前記第1領域及び前記第2領域の間に位置する第3領域と、を有し、
前記第3領域は、前記第2領域に対して突出しており、
前記絶縁膜の表面には、前記絶縁膜上に設けられた前記第2導電膜と前記保護膜の外周縁との間に位置するとともに、前記外周縁に沿って連続的又は断続的に延びる突出部が設けられており、
前記突出部は、前記保護膜の表面に露出する高さを有する、
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1に、半導体素子が開示されている。この半導体素子では、半導体基板上に複数の信号配線やそれを覆う保護膜を含む表面構造が設けられている。
【0003】
半導体素子は、半導体装置に組み込まれ、封止体の内部に封止される。半導体装置では、温度に応じて各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、半導体基板と表面構造との間には、大きなせん断応力が生じ易く、例えば主電極及び信号配線といった複数の導電膜には、弾性域を超える大きな変形(即ち、塑性変形)が生じ得る。
【0004】
特許文献1の半導体素子では、主電極と信号配線との間に、電極及び信号配線とは電気的に独立したダミー配線といった導電膜が設けられている。これにより、上記した応力が生じた場合に、主電極が塑性変形し、それに伴い主電極と信号配線との間に短絡が生じることを防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開2005-116962号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記したような半導体素子では、各々の導電膜に塑性変形が生じると、主電極と信号配線とが直接的又は間接的に(例えばダミー配線を介して)接触し、それらの間で短絡するおそれがある。本明細書は、導電膜間において短絡が生じることを回避又は抑制し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を封止する封止体とを備える。半導体素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられた第1導電膜及び第2導電膜とを備える。絶縁膜の表面は、第1導電膜が設けられた第1領域と、第2導電膜が設けられた第2領域と、第1領域及び第2領域の間に位置する第3領域とを有している。第3領域は、第2領域に対して突出している。
【0008】
上記した構造によると、絶縁膜の表面に、少なくとも一つの段差(高低差)が存在しており、その段差の両側に、第1導電膜と第2導電膜とが分配されている。このような構成によると、絶縁膜の表面における第1導電膜と第2導電膜との間の沿面距離が延長されるので、各導電膜に塑性変形が生じたとしても、導電膜間において短絡が生じることが回避又は抑制される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】実施例1の半導体装置10の外観を示す平面図。
図2図1のII-II線における断面図。
図3図2のIII部における拡大図。
図4】半導体素子12を示す平面図。
図5】半導体素子12における絶縁膜34のいくつかの変形例を示す断面図。
図6】実施例2の半導体装置における半導体素子112の内部構成を示す断面図。
図7】半導体素子112における絶縁膜134の一変形例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本技術の一実施形態において、半導体素子は、半導体基板上に設けられた保護膜をさらに備えてもよい。この場合、保護膜は、半導体基板の周縁に沿って延びるとともに、絶縁膜上に設けられた導電膜を少なくとも部分的に覆ってもよい。但し、半導体素子に保護膜が設けられていると、半導体基板と表面構造とに生じる熱変形の違いにより、半導体基板と表面構造との間において剥離が生じ得る。通常、半導体基板と表面構造との間の剥離は、保護膜の外周縁を起点として発生し、半導体素子の内側に向けて進展する。そして、その剥離が導電膜に達してしまうと、半導体素子の動作不良又は不能といった不具合が生じ得る。
【0011】
この問題を回避又は抑制するために、上記した実施形態において、絶縁膜の表面に突出部が設けられてもよい。この突出部は、導電膜と保護膜の外周縁との間に位置するとともに、保護膜の外周縁に沿って連続的又は断続的に延びており、かつ、保護膜の表面に露出する高さを有してもよい。このような構成によると、半導体基板と表面構造との間の剥離が、保護膜の外周縁を起点として発生したときでも、その剥離を突出部によって保護膜の外部へ誘導することができる。これにより、半導体基板と表面構造との間の剥離が、導電膜に達することを回避又は抑制することができる。なお、ここでいう導電膜は、前述した第1導電膜又は第2導電膜であってもよいし、絶縁膜上に設けられた他の導電膜であってもよい。
【実施例
【0012】
(実施例1)図面を参照して、実施例1の半導体装置10について説明する。この半導体装置10は、例えば電気自動車の電力制御装置に採用され、コンバータやインバータといった電力変換回路の一部を構成することができる。なお、本明細書における電気自動車は、車輪を駆動するモータを有する自動車を広く意味し、例えば、外部の電力によって充電される電気自動車、モータに加えてエンジンを有するハイブリッド車、及び燃料電池を電源とする燃料電池車等を含む。
【0013】
図1図2に示すように、半導体装置10は、半導体素子12に加え、半導体素子12を封止する封止体14を備える。封止体14は、絶縁性の材料で構成されている。特に限定されないが、本実施例における封止体14は、例えばエポキシ樹脂といった封止用材料で構成されており、その中にはシリカといった添加物が含有されている。封止体14は、概して板形状を有しており、上面14a、下面14b、第1端面14c、第2端面14d、第1側面14e及び第2側面14fを有する。
【0014】
半導体素子12は、パワー半導体素子であって、半導体基板12aと上面電極12bと下面電極12cとを有する。上面電極12bは、半導体基板12aの上面に位置しており、下面電極12cは、半導体基板12aの下面に位置している。上面電極12bと下面電極12cは、半導体基板12aを介して互いに電気的に接続される。特に限定されないが、本実施例における半導体素子12は、スイッチング素子であり、上面電極12bと下面電極12cとの間を、選択的に導通及び遮断することができる。半導体基板12aの種類については特に限定されない。半導体基板12aは、例えばシリコン(Si)基板、炭化シリコン(SiC)基板又は窒化物半導体基板であってもよい。上面電極12b及び下面電極12cについては、例えばアルミニウム、ニッケル又は金といった、一又は複数種類の金属を用いて構成されることができる。
【0015】
一例ではあるが、本実施例における半導体素子12は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、その半導体基板12aには炭化シリコンの基板が採用されている。上面電極12bは、半導体基板12a内に構成されたMOSFET構造のソースに接続されており、下面電極12cは、MOSFET構造のドレインに接続されている。なお、半導体素子12は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はRC(Reverse Conducting)-IGBTであってもよい。この場合、上面電極12bは、半導体基板12a内に構成されるIGBTのエミッタに接続され、下面電極12cは、IGBT構造のコレクタに接続される。半導体素子12の種類や具体的な構造については、ここで例示したものに限られず、様々に変更することができる。また、半導体装置10は、例えばMOSFETとダイオードとの組み合わせといった、二以上の半導体素子を有してもよい。
【0016】
半導体装置10は、第1導体板16と第2導体板18とをさらに備える。第1導体板16と第2導体板18は、例えば金属といった導体で構成されている。第1導体板16と第2導体板18は、封止体14によって保持されており、半導体素子12を挟んで互いに対向している。第1導体板16の上面16aは、封止体14の内部に位置しており、半導体素子12の下面電極12cにはんだ層13を介して接合されている。第1導体板16の下面16bは、封止体14の下面14bに露出している。これにより、第1導体板16は、半導体素子12と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子12の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
【0017】
第2導体板18の下面18bは、封止体14の内部に位置しており、導体スペーサ20を介して、半導体素子12の上面電極12bに接続されている。なお、第2導体板18の下面18bは、はんだ層17を介して導体スペーサ20に接合されており、導体スペーサ20は、はんだ層15を介して半導体素子12の上面電極12bに接合されている。第2導体板18の上面18aは、封止体14の上面14aに露出している。第1導体板16と同様に、第2導体板18は、半導体素子12と電気的に接続された回路の一部を構成するとともに、半導体素子12の熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
【0018】
半導体装置10は、第1電力端子22と、第2電力端子24と、複数の信号端子26とを備える。第1電力端子22及び第2電力端子24は、封止体14の第1端面14cから突出している。第1電力端子22は、封止体14の内部において第1導体板16と電気的に接続されており、第2電力端子24は、封止体14の内部において第2導体板18と電気的に接続されている。これにより、第1電力端子22と第2電力端子24との間は、半導体素子12を介して電気的に接続されている。複数の信号端子26は、封止体14の第2端面14dから突出している。各々の信号端子26は、例えばワイヤボンディングによって、半導体素子12の信号パッド(図示省略)と電気的に接続されている。
【0019】
次に、図3図4を参照して、半導体素子12の細部について説明する。図3図4に示すように、半導体素子12は、半導体基板12a上に順に設けられた絶縁膜34及び保護膜30と、絶縁膜34と保護膜30との間に設けられた複数の導電膜32とを備える。保護膜30は、絶縁体で構成されており、一例ではあるが、本実施例にはポリイミド樹脂が採用されている。保護膜30は、導電膜32を少なくとも部分的に覆う。具体的には、保護膜30は、半導体基板12aの外周縁12eに沿って、枠状に設けられており、上面電極12bを露出させる開口30wを画定している。
【0020】
複数の導電膜32には、前述の上面電極12bの他、ゲート配線12gなどが含まれる。ゲート配線12gは、外部から入力されるゲート信号の伝送線であり、半導体基板12aに設けられたMOSFET構造のゲートに接続されている。ゲート配線12gは、上面電極12bの周縁に沿って設けられており、平面視において上面電極12bを取り囲んでいる。各々の導電膜32は、少なくとも部分的に、半導体基板12aと保護膜30との間に位置している。これらの導電膜32は、アルミニウムで構成されている。但し、導電膜32を構成する材料は、アルミニウムに限定されない。導電膜32は、アルミニウムに代えて、又は加えて、その他の金属で構成されてもよいし、金属以外の他の導電性を有する材料を用いて構成されてもよい。ここで、上面電極12bは、本明細書が開示する技術における第1導電膜の一例であり、ゲート配線12gは、本明細書が開示する技術における第2導電膜の一例である。
【0021】
また、半導体基板12aと導電膜32との間には、絶縁膜34(例えば、酸化シリコン膜)が形成されており、導電膜32(上面電極12bを除く)は、半導体基板12aから電気的に絶縁されている。絶縁膜34の外周縁34eは、半導体基板12aの外周縁12eに沿って延びている。なお、絶縁膜34の表面34aは、第1領域a1と第2領域a2と第3領域a3とを有する。第1領域a1には、上面電極12bが設けられており、第2領域a2には、ゲート配線12gが設けられている。第3領域a3は、第1領域a1と第2領域a2との間に位置する領域であって、第1領域a1及び第2領域a2に対して突出した突条形状を有している。言い換えると、第3領域a3の高さ(即ち、突条形状の頂面部分)は、第1領域a1及び第2領域a2の高さよりも高い。従って、絶縁膜34の表面34aの第3領域a3には、二つの段差(高低差)34sが存在しており、それらの段差34sの両側に、上面電極12bとゲート配線12gがそれぞれ設けられている。
【0022】
半導体素子12は、半導体装置10に組み込まれ、封止体14の内部に封止される。半導体装置10では、温度に応じて各々の構成要素に熱変形が生じる。このとき、半導体基板12aと表面構造(保護膜30や導電膜32)との間には、大きなせん断応力が生じ易く、上面電極12b及びゲート配線12gといった複数の導電膜32には、弾性域を超える大きな変形(即ち、塑性変形)が生じ得る。半導体素子12では、各々の導電膜32に塑性変形が生じると、上面電極12bとゲート配線12gとが直接的及び間接的に電気的に接触し、それらの間で短絡するおそれがある。
【0023】
上記の課題を鑑み、実施例1の半導体装置10における半導体素子12では、絶縁膜34の表面34aに、二つの段差34sが存在しており、それらの段差34sの両側に、上面電極12bとゲート配線12gとが分配されている。このような構成によると、絶縁膜34の表面34aにおける上面電極12bとゲート配線12gとの間の沿面距離が延長されるので、各導電膜32に塑性変形が生じたとしても、導電膜32間において短絡が生じることが回避又は抑制される。
【0024】
実施例1における絶縁膜34の形状は、様々に変形可能である。図5を参照して、絶縁膜34のいくつかの変形例について説明する。図5(a)に示すように、絶縁膜34の表面34aでは、上記した突条形状を有する第3領域a3が、上面電極12b及び/又はゲート配線12gに接触してもよい。即ち、上面電極12b及び/又はゲート配線12gは、第3領域a3の段差34sに接触してもよい。
【0025】
あるいは、図5(b)に示すように、絶縁膜34の表面34aでは、ゲート配線12g(即ち、第2領域a2)よりも外側(即ち、反上面電極12b側)に位置する第4領域a4に、他の突条が設けられてもよい。これにより、ゲート配線12gの外側にも、少なくとも一つの段差34sを設けることができる。さらに、図5(c)に示すように、突条形状を有する第4領域a4が、ゲート配線12gに接触してもよい。即ち、ゲート配線12gが、第4領域a4の段差34sに接触していてもよい。
【0026】
図5(d)に示すように、第3領域a3の高さは、各導電膜32よりも低くてよい。このように、第3領域a3の高さや形状は、特に限定されない。そして、第3領域a3の高さにかかわらず、図5(e)に示すように、絶縁膜34の表面34aでは、上面電極12b及び/又はゲート配線12gが、第3領域a3の段差34sに接触してもよい。なお、絶縁膜34の第3領域a3には、複数の突条形状が存在してもよく、これによって、より多くの段差34sが設けられてもよい。
【0027】
図5(f)に示すように、絶縁膜34の表面34aでは、第1領域a1が、第3領域a3と同じ高さを有してもよい。この場合でも、絶縁膜34の表面34aには、一つの段差34sが存在しており、その段差34sの両側に、上面電極12bとゲート配線12gとが分配されている。このように、上面電極12bとゲート配線12gとの間には、少なくとも一つの段差34sが存在すればよい。これにより、上面電極12bとゲート配線12gとの間の沿面距離が延長され、それらの塑性変形に起因する短絡が回避又は抑制される。これに加え、図5(g)に示すように、ゲート配線12gは、第3領域a3の段差34sに接触するように構成されてもよい。
【0028】
(実施例2)図6を参照して、実施例2の半導体装置について説明する。実施例2の半導体装置は、実施例1での半導体素子12に代えて、図6に示す半導体素子112を備える。以下では、本実施例における半導体素子112について主に説明し、半導体素子112を除く他の構成については、実施例1と同様であることから、その説明は省略する。
【0029】
図6に示すように、本実施例における半導体素子112では、絶縁膜134の構成が変更されている。即ち、その絶縁膜134は、実施例1の構成に加え、突出部134cをさらに有している。これに伴い、保護膜30の形状も一部変更されている。突出部134cは、絶縁膜134上に設けられたゲート配線12gと保護膜30の外周縁30eとの間に位置する。さらに、突出部134cは、保護膜30の外周縁30eに沿って連続的又は断続的に延びている。加えて、突出部134cは、絶縁膜134の表面134aから保護膜30の表面30aに向かって延びており、保護膜30の表面30aに露出する高さを有する。
【0030】
実施例1と同様に、実施例2における半導体素子112においても、保護膜30が設けられている。保護膜30が設けられていると、半導体基板12aと表面構造(保護膜30及び導電膜32)とに生じる熱変形の違いにより、半導体基板12aと表面構造との間において剥離Sが生じ得る。通常、半導体基板12aと表面構造との間の剥離Sは、保護膜30の外周縁30eを起点として発生し、半導体素子112の内側に向けて進展する。そして、その剥離Sが導電膜32に達してしまうと、半導体素子112の動作不良又は不能といった不具合が生じ得る。こうした問題は、本実施例のように、ヤング率が比較的に高い炭化シリコンを採用した半導体素子112において顕著に現れる。
【0031】
この問題を回避又は抑制するために、実施例2における半導体素子112では、絶縁膜134の表面134aに突出部134cが設けられている。この突出部134cは、導電膜32(ゲート配線12g)と保護膜30の外周縁30eとの間において、保護膜30の表面30aに露出する高さを有している。このような構成によると、半導体基板12aと表面構造との間の剥離Sが、保護膜30の外周縁30eを起点として発生したときでも、その剥離Sを突出部134cによって保護膜30の外部へ誘導することができる。これにより、半導体基板12aと表面構造との間の剥離Sが、導電膜32(即ち上面電極12b及びゲート配線12g)に達することを回避又は抑制することができる。
【0032】
図7に示すように、一変形例として、突出部134cは、保護膜30の表面30aから上方へ突出していてもよい。絶縁膜134の突出部134cは、保護膜30の表面30aから露出していればよく、突出部134cの頂面が、保護膜30の表面30aと同一平面上に位置する必要はない。この点に関して、突出部134cは、保護膜30の表面30aに対して下方へ窪んでいてもよい。
【0033】
上述した各実施例における半導体素子12、112では、絶縁膜34、134が様々な厚みを有することによって、その表面34a、134aに突条形状(即ち、段差34s)や突出部134cが形成されている。しかしながら、他の実施形態として、それらの突条形状や突出部は、半導体基板12aの表面に形成されてもよく、この場合、絶縁膜34、134は一定の厚みを有してもよい。あるいは、それらの突条形状や突出部134cを形成するために、半導体基板12aと絶縁膜34、134との間に、他の付加的な膜や層が部分的に設けられてもよい。なお、実施例2における半導体素子112では、絶縁膜134の表面134aに、突条形状を必ずしも設ける必要はなく、突出部134cのみが存在してもよい。
【0034】
以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【0035】
10:半導体装置
12、112:半導体素子
12a:半導体基板
12b:上面電極
12c:下面電極
12e:外周縁
12g:ゲート配線
13、15、17:はんだ層
14:封止体
16、18:導体板
20:導体スペーサ
22、24:電力端子
26:信号端子
30:保護膜
30a:表面
30e:外周縁
32:導電膜
34、134:絶縁膜
34a、134a:表面
34e:外周縁
134c:突出部
S:剥離
a1:第1領域
a2:第2領域
a3:第3領域
a4:第4領域
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7