(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】2024-03-07
(45)【発行日】2024-03-15
(54)【発明の名称】半導体装置及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 23/28 20060101AFI20240308BHJP
H01L 21/56 20060101ALI20240308BHJP
H01L 21/301 20060101ALI20240308BHJP
H01L 23/50 20060101ALI20240308BHJP
【FI】
H01L23/28 A
H01L21/56 D
H01L21/78 R
H01L23/50 J
(21)【出願番号】P 2021044298
(22)【出願日】2021-03-18
【審査請求日】2023-02-02
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【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】110004026
【氏名又は名称】弁理士法人iX
(72)【発明者】
【氏名】大川 直樹
【審査官】庄司 一隆
(56)【参考文献】
【文献】特開2008-112961(JP,A)
【文献】特開2017-028200(JP,A)
【文献】国際公開第2020/166512(WO,A1)
【文献】米国特許出願公開第2022/0084912(US,A1)
【文献】特開2008-186891(JP,A)
【文献】特開2017-175131(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2017/0271249(US,A1)
【文献】特開平04-333274(JP,A)
【文献】特開平05-190718(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 23/28
H01L 21/56
H01L 21/301
H01L 23/50
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1導電部と、
前記第1導電部の上に設けられた半導体素子と、
前記第1導電部から前記半導体素子へ向かう第1方向に垂直な第2方向において前記第1導電部から離れた第1端子であって、
第1部分と、
前記第1部分と前記第1導電部との間に設けられた第2部分と、を含み、
前記第2部分の下面は、前記第1部分の下面よりも下方に位置し、且つ前記第1導電部と前記第2部分との間に設けられた第1絶縁部の下面よりも下方に位置する、前記第1端子と、
前記第1部分の前記下面及び前記第2部分の前記下面に設けられた金属層と、
を備え
、
前記第1端子は、前記第1方向及び前記第2方向に垂直な第3方向において複数設けられ、
それぞれの前記第1部分の前記下面は、前記第1部分同士の間に設けられた第2絶縁部の下面よりも上方に位置する、半導体装置。
【請求項2】
前記第2部分は、前記第2方向と交差し且つ前記第1絶縁部の前記下面よりも下方に位置する第1側面を有し、
前記金属層は、さらに前記第1側面に設けられた、請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第2部分は、前記第1側面よりも上方に位置し且つ前記第1絶縁部と接する第2側面を有する、請求項2記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第1部分の前記下面及び前記第2絶縁部の前記下面は、上方に向けて凸に湾曲している、請求項
1~3のいずれか1つに記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第1部分の前記下面の曲率は、前記第2絶縁部の前記下面の曲率の1.0倍よりも大きく1.1倍よりも小さい、請求項
4記載の半導体装置。
【請求項6】
第1導電部と、
前記第1導電部の上に設けられた半導体素子と、
前記第1導電部から前記半導体素子へ向かう第1方向に垂直な第2方向において前記第1導電部から離れた端子部と、
を含む構造体に対して、前記端子部の一部をダイシングにより除去することで、前記端子部の前記一部の厚さを小さくし、
ダイシングされた前記端子部を電解エッチングする、半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記ダイシング後の前記端子部は、
第1部分と、
前記第1部分と前記第1導電部との間に設けられた第2部分と、
を含み、前記第2部分の下面は、前記第1部分の下面よりも下方に位置し、
前記電解エッチング後において、前記第2部分の前記下面は、前記第1部分の前記下面よりも下方に位置し、且つ前記第1導電部と前記第2部分との間に設けられた第1絶縁部の下面よりも下方に位置する、請求項
6記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子及び端子を備えた半導体装置がある。この半導体装置について、実装に関する信頼性の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【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、実装の信頼性を向上可能な、半導体装置及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態に係る半導体装置は、第1導電部と、半導体素子と、第1端子と、金属層と、を備える。前記半導体素子は、前記第1導電部の上に設けられている。前記第1端子は、前記第1導電部から前記半導体素子へ向かう第1方向に垂直な第2方向において前記第1導電部から離れている。前記第1端子は、第1部分と、前記第1部分と前記第1導電部との間に設けられた第2部分と、を含む。前記第2部分の下面は、前記第1部分の下面よりも下方に位置し、且つ前記第1導電部と前記第2部分との間に設けられた第1絶縁部の下面よりも下方に位置する。前記金属層は、前記第1部分の前記下面及び前記第2部分の前記下面に設けられている。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【
図1】実施形態に係る半導体装置を表す平面図である。
【
図2】実施形態に係る半導体装置を表す斜視図である。
【
図3】実施形態に係る半導体装置を表す断面図である。
【
図4】実施形態に係る半導体装置を表す断面図である。
【
図5】実施形態に係る半導体装置の製造方法を表す模式図である。
【
図6】実施形態に係る半導体装置の製造方法を表す模式図である。
【
図7】実施形態に係る半導体装置の製造方法を表す模式図である。
【
図8】実施形態に係る半導体装置の製造方法を表す模式図である。
【
図9】実施形態に係る半導体装置の製造方法を表す模式図である。
【
図10】実施形態に係る半導体装置の製造方法を表す模式図である。
【
図11】参考例及び実施形態に係る半導体装置の一部を表す断面図である。
【
図12】実施形態の変形例に係る半導体装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【0008】
図1は、実施形態に係る半導体装置を表す平面図である。
図2(a)及び
図2(b)は、実施形態に係る半導体装置を表す斜視図である。
図1、
図2(a)、及び
図2(b)に示すように、実施形態に係る半導体装置100は、半導体素子1、第1導電部11、連結部11a、第2導電部12、端子20、及び絶縁部30を含む。なお、
図1では、絶縁部30が破線で表され、透過して示されている。また、各図面において、連結部11aは、二点鎖線で表されている。
【0009】
実施形態の説明では、XYZ直交座標系を用いる。第1導電部11から半導体素子1に向かう方向をZ方向(第1方向)とする。Z方向に対して垂直であり、相互に直交する2方向をX方向(第2方向)及びY方向(第3方向)とする。また、説明のために、第1導電部11から半導体素子1に向かう方向を「上」と言い、その反対方向を「下」と言う。これらの方向は、第1導電部11と半導体素子1との相対的な位置関係に基づき、重力の方向とは無関係である。
【0010】
半導体素子1は、第1導電部11の上に設けられている。
図1の例では、半導体素子1は、Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET)である。半導体素子1は、Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)又はダイオードであっても良い。第2導電部12は、Y方向において第1導電部11から離れている。
【0011】
端子20は、X方向及びY方向において複数設けられている。複数の端子20は、互いに離れている。また、複数の端子20は、X方向において、第1導電部11及び第2導電部12から離れている。複数の端子20は、第1端子20a、第2端子20b、及び第3端子20cを含む。各図面において、第1端子20a、第2端子20b、及び第3端子20cは、二点鎖線で表されている。
【0012】
第1導電部11は、X方向において第1端子20a同士の間に設けられている。第1導電部11と第1端子20aとの間には、連結部11aが設けられている。第1端子20aは、連結部11aを介して、第1導電部11と電気的に接続されている。
【0013】
第2導電部12は、X方向において第2端子20bと第3端子20cとの間に設けられている。第2導電部12と第2端子20bとの間には、連結部12aが設けられている。第2端子20bは、連結部12aを介して第2導電部12と電気的に接続されている。
【0014】
図3(a)、
図3(b)、
図4(a)、及び
図4(b)は、実施形態に係る半導体装置を表す断面図である。
具体的には、
図3(a)は、
図1のIII-III断面図である。
図3(b)は、
図3(a)の一部の拡大図である。
図4(a)は、
図1のIV-IV断面図である。
図4(b)は、
図4(a)の一部の拡大図である。
【0015】
図1及び
図3(a)に示すように、半導体素子1は、ドレイン電極1a、ソース電極1b、ゲートパッド1c、及び半導体層1dを含む。ドレイン電極1aは、半導体素子1の下面に設けられている。ソース電極1b及びゲートパッド1cは、半導体素子1の上面に設けられている。半導体層1dは、ドレイン電極1aとソース電極1bとの間及びドレイン電極1aとゲートパッド1cとの間に設けられている。
【0016】
図3(a)に示すように、ドレイン電極1aは、接合層41を介して第1導電部11と電気的に接続されている。
図1に示すように、ソース電極1bは、ボンディングワイヤ42bを介して第2導電部12と電気的に接続されている。ゲートパッド1cは、ボンディングワイヤ42cを介して第3端子20cと電気的に接続されている。
【0017】
絶縁部30は、半導体素子1の周囲に設けられ、半導体素子1を封止している。絶縁部30は、複数の第1絶縁部31を含む。複数の第1絶縁部31は、X方向において、第1導電部11と端子20との間及び第2導電部12と別の端子20との間にそれぞれ設けられている。
【0018】
具体的には、
図3(a)に示すように、連結部11aの厚さ(Z方向における長さ)は、第1導電部11及び第1端子20aのそれぞれの厚さよりも小さい。第1絶縁部31は、連結部11aの下に設けられ、第1導電部11と第1端子20aとの間に位置する。
【0019】
図4(a)に示すように、連結部12aの厚さは、第2導電部12及び第2端子20bのそれぞれの厚さよりも小さい。別の第1絶縁部31は、連結部12aの下に設けられ、第2導電部12と第2端子20bとの間に位置する。さらに別の第1絶縁部31は、第2導電部12と第3端子20cとの間に位置する。
【0020】
図3(b)及び
図4(b)に示すように、端子20は、第1部分21及び第2部分22を含む。各図面において、第1部分21及び第2部分22は、二点鎖線で表されている。
【0021】
第2部分22は、第1部分21よりも半導体装置100の中央側に設けられている。半導体装置100をY方向から見たとき、第2部分22は、第1導電部11と第1部分21との間に位置する。より具体的には、第1端子20aでは、第2部分22は、X方向において第1導電部11と第1部分21との間に位置する。第2端子20b及び第3端子20cでは、第2部分22は、X方向において第2導電部12と第1部分21との間に設けられている。
【0022】
第1部分21は、下面BS1を有する。第2部分22は、下面BS2を有する。下面BS1と下面BS2はX方向において連なっており、下面BS2は下面BS1よりも半導体素子1側(半導体装置100のX方向中央側)に位置している。第1絶縁部31は、下面BS3を有する。下面BS1は、Y方向に延びている。下面BS2及び下面BS3は、X-Y面に平行である。
【0023】
下面BS2は、下面BS1及び下面BS3よりも下方に位置する。下面BS3は、下面BS1よりも下方に位置する。第2部分22の厚さは、第1部分21の厚さよりも大きい。下面BS1は、上方に向けて凸となるように湾曲している。このため、第1部分21の厚さは、第1導電部11から離れるほど小さい。また、その厚さの変化は、第1導電部11から離れるほど小さい。
【0024】
第2部分22は、側面SS1(第1側面)及び側面SS2(第2側面)を有する。側面SS1は、下面BS3よりも下方に位置し、X方向と交差する。側面SS1は、絶縁部30から露出している。側面SS2は、側面SS1よりも上方に位置し、第1絶縁部31と接する。すなわち、側面SS1と側面SS2はZ方向において連なっており、側面SS2は側面SS1よりも半導体素子1側(半導体装置100のZ方向中央側)に位置している。
【0025】
金属層25が、端子20の表面に設けられている。具体的には、金属層25は、下面BS1、下面BS2、及び側面SS1に設けられている。金属層26が、第1導電部11の表面及び第2導電部12の表面にそれぞれ設けられている。なお、
図2(a)及び
図2(b)では、金属層25及び26が省略されている。
【0026】
図2に示すように、絶縁部30は、Y方向において隣り合う端子20同士の間に設けられた第2絶縁部32をさらに含む。第2絶縁部32は、Y方向において下面BS1と隣り合う下面BS4を有する。下面BS4は、下面BS1と同様に、上方に向けて凸となるように湾曲している。このため、第2絶縁部32の厚さは、第1導電部11から離れるほどが小さい。また、その厚さの変化は、第1導電部11から離れるほど小さい。
【0027】
半導体装置100の各構成要素の材料の一例を説明する。
ドレイン電極1a、ソース電極1b、及びゲートパッド1cは、アルミニウムなどの金属を含む。半導体層1dは、半導体材料として、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウム、又はガリウムヒ素を含む。第1導電部11、第2導電部12、及び端子20は、銅又はアルミニウムなどの金属を含む。金属層25及び26は、銅又は銀などの金属を含む。絶縁部30は、ポリイミドなどの絶縁性樹脂を含む。接合層41は、銅、銀、又は錫などの金属を含む。ボンディングワイヤ42b及び42cは、アルミニウムなどの金属を含む。
【0028】
実施形態に係る半導体装置100の製造方法を説明する。
図5~
図10は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を表す模式図である。
図5に示すリードフレーム200を用意する。リードフレーム200は、第1導電部11、連結部11a、第2導電部12、連結部12a、及び端子部20tを含む。端子部20tは、X方向及びY方向において複数設けられる。複数の端子部20tは、X方向において、第1導電部11及び第2導電部12からそれぞれ離れている。端子部20tは、加工により、端子20に成形される。
【0029】
図6に示すように、第1導電部11の上に半導体素子1を接合し、半導体素子1のドレイン電極1aを第1導電部11と電気的に接続する。ワイヤボンディングにより、半導体素子1のソース電極1b及びゲートパッド1cを、複数の端子部20tとそれぞれ電気的に接続する。
【0030】
図7(a)、
図7(b)、及び
図8は、リードフレーム200の一部を下方から見たときの斜視図である。
図7(a)に示すように、半導体素子1を絶縁部30により封止する。これにより、第1導電部11、第2導電部12、端子部20t、及び絶縁部30を含む構造体が得られる。第1導電部11、第2導電部12、及び端子部20tのそれぞれの下面は、絶縁部30から露出している。絶縁部30は、第1導電部11と第2導電部12との間に設けられた第1絶縁部31と、Y方向において隣り合う端子部20t同士の間に設けられた第2絶縁部32と、を含む。
【0031】
図7(b)に示すように、ウェットエッチングにより、絶縁部30の表面を後退させる。これにより、リードフレーム200の下面が、絶縁部30の下面よりも下方に位置する。リードフレーム200の側面の一部が、絶縁部30から露出する。
【0032】
図8に示すように、端子部20tの一部及び第2絶縁部32の一部を、ダイシングにより除去する。ダイシングにより、端子部20tの一部の厚さ及び第2絶縁部32の厚さが小さくなる。
図3(b)に示すように、第1部分21及び第2部分22を含む端子部20tが形成される。
【0033】
ダイシングにより、端子部20tの下面には、バリBが発生する。ダイシング後のリードフレーム200を、電解液に浸ける。リードフレーム200が銅を含む場合、電解液は炭酸ナトリウムを含む。リードフレーム200に対して、電解エッチングを実行する。
【0034】
図9(a)は、電解エッチング後のリードフレーム200の一部を下方から見たときの斜視図である。
図9(b)は、第1導電部11及び端子部20tを通るX-Z断面図である。
図9(b)において、破線は、電解エッチング前のリードフレーム200の表面の位置を表す。
【0035】
図9(a)及び
図9(b)に示すように、電解エッチングにより、絶縁部30に対してリードフレーム200が選択的にエッチングされる。電解エッチングにより、バリBが除去される。このとき、リードフレーム200の表面が後退する。これにより、第1部分21の下面が、第2絶縁部32の下面よりも上方に位置する。ただし、第2部分22の下面は、第1絶縁部31の下面よりも下方に位置したままである。
【0036】
めっきにより、それぞれの端子部20tの下面に金属層25をそれぞれ形成し、第1導電部11及び第2導電部12の下面に金属層26をそれぞれ形成する。
図10に示す破線の位置でリードフレーム200を切断し、複数の半導体装置100を得る。以上により、実施形態に係る半導体装置100が製造される。
【0037】
実施形態の利点を説明する。
図11(a)は、参考例に係る半導体装置の一部を表す断面図である。
図11(b)は、実施形態に係る半導体装置の一部を表す断面図である。
半導体装置100を別の装置に実装する際、各端子20が、当該別の装置に接合される。各端子20の表面には、金属層25が設けられている。金属層25へのはんだの濡れ性は、端子20へのはんだの濡れ性よりも良い。また、半導体装置100では、下面BS1が、下面BS2よりも上方に位置する。端子20をはんだ付けする際に、はんだが下面BS1に沿って這い上がる。はんだが上方に這い上がることで、端子20が適切に接合されているか外観検査することが可能となる。
【0038】
下面BS1を下面BS2よりも上方に位置させるために、
図8に示すように、端子部20tの一部がダイシングにより除去される。このとき、バリBが発生する。バリBは、端子20の接合不良の原因となるため、除去されることが望ましい。バリBは、例えばウェットエッチングにより除去できる。しかし、バリBを除去するか十分に小さくするためには、リードフレーム200を長時間ウェットエッチングする必要がある。ウェットエッチングを長時間実行すると、リードフレーム200の表面が過剰に除去される。この結果、
図11(a)に示すように、下面BS2が下面BS3よりも上方に位置する。
【0039】
実施形態に係る半導体装置100では、
図11(b)に示すように、下面BS2が下面BS3よりも下方に位置する。この場合、第2部分22の側面SS1が絶縁部30から露出する。
図11(a)に示すように下面BS2が下面BS3よりも上方に位置する場合に比べて、第2部分22の表面積が大きくなる。すなわち、端子20のはんだとの接触面積が大きくなる。この結果、半導体装置100の実装時又は実装後に、半導体装置100と別の装置との間の電気的な接続不良が生じる可能性を低減できる。実施形態によれば、半導体装置100の実装の信頼性を向上できる。
【0040】
上述したように、実施形態では、バリBをエッチングする際に、電解エッチングを用いている。電解エッチングでは、バリBなどの尖った部分に電界が集中し、選択的にエッチングされる。第1部分21の下面や第2部分22の下面などのエッチング量を、小さくできる。この結果、下面BS2を下面BS3よりも下方に位置させることができる。
【0041】
金属層25は、下面BS1及び下面BS2に加えて、側面SS1に設けられていることが好ましい。これにより、金属層25の表面積が大きくなり、金属層25とはんだとの接触面積も大きくなる。半導体装置100の実装の信頼性を、さらに向上できる。
【0042】
図2に示すように、第2絶縁部32は、湾曲した下面BS4を有しても良い。下面BS1は、下面BS4に比べて、上方に位置しすぎないことが好ましい。下面BS1が下面BS4に比べて過度に上方に位置すると、下面BS1に沿って這い上がったはんだの外観検査を阻害する可能性がある。このため、下面BS4の曲率は、下面BS1の曲率の1倍よりも大きく1.1倍よりも小さいことが好ましい。
【0043】
(変形例)
図12(a)及び
図12(b)は、実施形態の変形例に係る半導体装置を示す斜視図である。
図12(a)及び
図12(b)では、金属層25及び26が省略されている。
図12に示す半導体装置110では、端子20の上面の一部が、絶縁部30から露出している。第1部分21同士の間に、第2絶縁部32が設けられていない。実施形態に係る半導体装置において、第2絶縁部32は、省略可能である。
【0044】
半導体装置110では、半導体装置100と同様に、第2部分22の下面BS2が、第1部分21の下面BS1及び第1絶縁部31の下面BS3よりも下方に位置する。これにより、第2部分22の表面積を大きくし、半導体装置110の実装の信頼性を向上できる。
【0045】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、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、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【0046】
1:半導体素子、 1a:ドレイン電極、 1b:ソース電極、 1c:ゲートパッド、 1d:半導体層、 11:第1導電部、 11a:連結部、 12:第2導電部、 12a:連結部、 20:端子、 20a:第1端子、 20b:第2端子、 20c:第3端子、 20t:端子部、 21:第1部分、 22:第2部分、 25,26:金属層、 30:絶縁部、 31:第1絶縁部、 32:第2絶縁部、 41:接合層、 42b:ボンディングワイヤ、 42c:ボンディングワイヤ、 100,110:半導体装置、 200:リードフレーム、 B:バリ、 BS1~BS4:下面、 SS1,SS2:側面