特許 7657528 半導体装置及び半導体装置の製造方法

(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】2025-03-28

(45)【発行日】2025-04-07

(54)【発明の名称】半導体装置及び半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/29 20060101AFI20250331BHJP

   H01L 23/31 20060101ALI20250331BHJP

   H01L 23/48 20060101ALI20250331BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20250331BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20250331BHJP

【ＦＩ】

H01L23/30 D

H01L23/48 S

H01L23/48 G

H01L25/04 C

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021178538

(22)【出願日】2021-11-01

(65)【公開番号】P2023067372

(43)【公開日】2023-05-16

【審査請求日】2023-11-06

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】梶 勇輔

(72)【発明者】

【氏名】原田 啓行

【審査官】齊藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２１／１１７５４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第９５／１２８９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平３－２７５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５２１５５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１５９６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１２８８９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２１／１５７０２４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／２８―２３／３１

Ｈ０１Ｌ ２３／４８―２３／４９８

Ｈ０１Ｌ ２３／５２

Ｈ０１Ｌ ２１／４８―２１／６０７

Ｈ０５Ｋ ３／２８

Ｈ０１Ｂ ３／１８―３／５６

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子と、
前記半導体素子の上部に接続された線状の配線部材と、
前記半導体素子と、前記半導体素子の上側の領域の前記配線部材とに接するコーティング部材と、
前記半導体素子、前記配線部材及び前記コーティング部材を保護する封止部材と
を備え、
前記コーティング部材は、シリコン及び金属のそれぞれと酸素との共有結合を有する物質と、シリコン酸化物と、シロキサンとを含み、
前記コーティング部材内の前記物質の個数が、前記コーティング部材内のシリコン原子の個数の０．１％以上である、半導体装置。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体装置であって、
前記半導体素子の下部に接続された接合部材と、
前記半導体素子に前記接合部材を介して接続された導電回路部と
をさらに備え、
前記コーティング部材は、前記接合部材及び前記導電回路部とさらに接する、半導体装置。

【請求項3】

請求項１に記載の半導体装置であって、
前記半導体素子の下部に接合部材を介して順に接続された導電回路部、絶縁層、及び、導電部と、
前記導電部を露出し、前記半導体素子及び前記配線部材を囲うケース部材と
をさらに備える、半導体装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記コーティング部材の厚さが、１０ｎｍ以上１００μｍ以下である、半導体装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記コーティング部材は、炭素原子をさらに含み、
前記炭素原子の個数が前記コーティング部材内に占める原子の個数の割合が５０％以下である、半導体装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
前記封止部材は、エポキシ部材またはシリコーンゲルを含む、半導体装置。

【請求項7】

請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記コーティング部材の薬液に水またはアルコールを含む溶媒を加えずに、前記薬液を前記半導体素子及び前記配線部材に塗布することによって、前記コーティング部材を形成する、半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置の信頼性向上のため、ポリイミドなどのコーティング部材で半導体素子などを被覆して保護する構造が提案されている（例えば特許文献１）。また、接着性の向上のために－Ｓｉ（ＯＲ）_３基を含む少なくとも１つのペンダント基を含む樹脂が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－３５１７３７号公報

【文献】特表２０１０－５２１５５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般的にコーティング部材が、熱、光、プラズマなどのエネルギーによって反応すると、反応後の組成が反応前の組成とは異なるため、目的とする反応物だけでなくそれとは異なる副生成物も生成する。この結果、反応前に組成を指定していても、反応後の副生成物の割合などによっては、目的とする接着性及び信頼性が得られない場合がある。このため、コーティング部材の接着性及び信頼性について改善の余地があった。

【0005】

また従来、半導体装置の信頼性向上のために、半導体装置の中で発熱の大きい半導体素子にコーティングを施すことによって、半導体素子と封止部材との接着性が高められている。しかしながら、配線部材の線径は数１０～数１００μｍと非常に細いにもかかわらず、半導体素子に接続される線状の配線部材の熱は、半導体素子の熱と同様に比較的大きいため、破断しやすいという問題があった。

【0006】

そこで、本開示は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体装置の信頼性を高めることが可能な技術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】

【0007】

本開示に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子の上部に接続された線状の配線部材と、前記半導体素子と、前記半導体素子の上側の領域の前記配線部材とに接するコーティング部材と、前記半導体素子、前記配線部材及び前記コーティング部材を保護する封止部材とを備え、前記コーティング部材は、シリコン及び金属のそれぞれと酸素との共有結合を有する物質と、シリコン酸化物と、シロキサンとを含み、前記コーティング部材内の前記物質の個数が、前記コーティング部材内のシリコン原子の個数の０．１％以上である。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、コーティング部材は、半導体素子の上側の領域の前記配線部材に接し、シリコン及び金属のそれぞれと酸素との共有結合を有する物質と、シリコン酸化物と、シロキサンとを含む。このような構成によれば、半導体装置の信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。

【図2】変形例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の各実施の形態で説明される特徴は例示であり、すべての特徴は必ずしも必須ではない。また、以下に示される説明では、複数の実施の形態において同様の構成要素には同じまたは類似する符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「表」または「裏」などの特定の位置及び方向は、実際の実施時の位置及び方向とは必ず一致しなくてもよい。

【0011】

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態１に係る半導体装置１００の構成を示す断面図である。図１の半導体装置１００は、ベース板１１と、接合部材１２，１３と、半導体素子１４と、配線部材１７と、ケース部材１８と、封止部材２０と、コーティング部材２１と、絶縁基板３０とを備える。

【0012】

絶縁基板３０は、絶縁層３２と、絶縁層３２に設けられた導電部３１と、絶縁層３２に導電部３１と逆側に設けられた導電回路部３３とを含む。

【0013】

絶縁層３２は、特に限定されないが、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、または窒化ホウ素（ＢＮ）のような、無機セラミックス材料で構成されてもよい。また絶縁層３２は、樹脂材料中に微粒子及びフィラーの少なくとも１つが分散されたもので構成されていてもよい。そして、微粒子及びフィラーの少なくとも１つは、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、または酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）のような無機セラミックス材料で構成されてもよいし、シリコーン樹脂またはアクリル樹脂のような樹脂材料で構成されてもよい。微粒子及びフィラーの少なくとも１つが分散される樹脂は、電気絶縁性を有するのであれば特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂またはアクリル樹脂で構成されてもよい。

【0014】

導電部３１及び導電回路部３３は、特に限定されないが、例えば、銅またはアルミニウムのような金属材料で構成されてもよい。導電部３１の材料と導電回路部３３の材料とは同じであってもよいし異なってもよい。導電回路部３３の個数は、１つでも複数でもよく、例えば半導体装置１００の定格容量及び配線仕様によって決定される。

【0015】

ベース板１１は、接合部材１２を介して絶縁基板３０の導電部３１に接合されている。ベース板１１は、特に限定されないが、例えば、銅、アルミニウム、または、銅－モリブデン合金（ＣｕＭｏ）などの金属材料で構成されてもよく、炭化ケイ素－アルミ複合材（ＡｌＳｉＣ）、または、炭化ケイ素－マグネシウム複合材（ＭｇＳｉＣ）などの複合材料で構成されてもよい。また、ベース板１１は、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂のような有機材料で構成されてもよい。接合部材１２は、接合するための部材であれば特に限定されず、例えばはんだで構成されてもよい。

【0016】

半導体素子１４は、接合部材１３を介して絶縁基板３０の導電回路部３３に接合されている。つまり、接合部材１３は半導体素子１４の下部に接続され、導電回路部３３、絶縁層３２、導電部３１は、この順に接合部材１３を介して半導体素子１４の下部に接続されている。

【0017】

半導体素子１４は、特に限定されないが、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＰＮＤ（PN junction Diode）、ＳＢＤ（Schottky Barrier Diode）、または、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）などであってもよい。半導体素子１４は、特に限定されないが、例えば、通常の珪素（Ｓｉ）から構成されてもよく、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、または、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体から構成されてもよい。半導体素子１４がワイドバンドギャップ半導体から構成される場合には、高温下及び高電圧下の安定動作、及び、スイッチ速度の高速化が可能となる。接合部材１３は、接合するための部材であれば特に限定されず、接合部材１２の材料と接合部材１３の材料とは同じであってもよいし異なってもよい。

【0018】

なお、絶縁基板３０及び半導体素子１４のそれぞれは、１つでも複数でもよく、例えば半導体装置１００の定格容量及び配線仕様によって決定される。接合部材１２，１３のそれぞれの個数は、絶縁基板３０及び半導体素子１４の個数に応じて決定される。

【0019】

ケース部材１８は、半導体素子１４及び配線部材１７を囲い、ベース板１１の面のうち半導体素子１４と逆側の面を露出する。ケース部材１８は、電気絶縁性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂などで構成されてもよい。

【0020】

端子１９は、その両端が露出された状態でケース部材１８に埋設されている。端子１９の材料は、導電回路部３３の材料と同じであってもよいし異なってもよい。

【0021】

線状の配線部材１７の一端は、半導体素子１４の上部に接続されている。配線部材１７の他端は、絶縁基板３０の導電回路部３３、または、端子１９などに接続されている。配線部材１７は、例えば銅やアルミニウムなどの導電性材料で構成され、配線部材１７の線径は、例えば数１０～数１００μｍである。

【0022】

封止部材２０は、半導体素子１４、配線部材１７及びコーティング部材２１を保護する。封止部材２０は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂またはアクリル樹脂のような絶縁性樹脂で構成されてもよい。エポキシ樹脂はエポキシ部材であり、シリコーン樹脂はシリコーンゲルである。また封止部材２０は、強度及び熱伝導性を向上させる微粒子またはフィラーが分散された絶縁性樹脂材料で構成されてもよく、微粒子またはフィラーは、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、または酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）のような無機セラミックス材料で構成されてもよい。

【0023】

コーティング部材２１は、半導体素子１４と、半導体素子１４の上側の領域１４ａの配線部材１７とに接する。本実施の形態１では、コーティング部材２１は、接合部材１３及び導電回路部３３とさらに接する。

【0024】

コーティング部材２１は、反応前には－Ｓｉ（ＯＲ）_ｘ基を有するシランカップリング剤で構成されている。なお、Ｒは炭化水素基であればよく、ｘは１～３のいずれかであればよく、炭化水素基の炭素数は１～１０であればよい。Ｓｉと接続される官能基は、例えば、エポキシ基、アミノ基、ビニル基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、メルカプト基、イソシアネート、イソシアヌレート、または、酸無水物などであってもよい。

【0025】

コーティング部材２１のシランカップリング剤に、熱、光などのエネルギーが与えられると反応が起こり、－Ｓｉ－Ｏ－Ｍ（Ｍは金属）の共有結合を有する物質、シリコン酸化物、または、シロキサンなどに変化する。このため、完成後の半導体装置１００のコーティング部材２１は、シリコン及び金属のそれぞれと酸素との共有結合を有する物質と、シリコン酸化物と、シロキサンとを含む。これらのうち、共有結合の物質は、コーティング部材２１と、それと接する構成要素との間の接着性に影響を与え、シリコン酸化物及びシロキサンは被着体上の濡れ性に影響を与える。

【0026】

コーティング部材２１内の共有結合の物質の個数は、コーティング部材２１内のシリコン原子の個数の０．１％以上であればよい。接着性に寄与する共有結合の物質がシリコン原子の個数の０．１％以上であれば、それ以外の範囲のコーティング部材２１を用いた構成、及び、コーティング部材２１がない構成と比較して高い接着性を実現でき、半導体装置１００の信頼性向上に貢献できる。なお、コーティング部材２１内のシリコン原子の個数は、例えばＴＯＦ－ＳＩＭＳ（飛行時間型二次イオン質量分析法）などによって計測することができる。

【0027】

またコーティング部材２１は、比較的薄い膜状で存在しており、その厚みの範囲は１０ｎｍから１００μｍまでであればよい。コーティング部材２１が１０ｎｍより薄い場合、膜厚が薄い部分またはコーティング部材２１が存在しない部分が残ると考えられ、その部分から半導体装置１００の信頼性が低下する可能性がある。またコーティング部材２１が１００μｍより厚い場合、エネルギーを与えて生じるコーティング部材２１の反応が十分に進行せず、コーティング部材２１の強度が十分に確保できない可能性がある。以上のことから、コーティング部材２１の厚さは１０ｎｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上１μｍ以下であることがより好ましい。

【0028】

コーティング部材２１は、半導体素子１４などと封止部材２０との間の接着性を向上させる役割があり、半導体素子１４の動作時の発熱により発生する応力よりも高い接着強度を有することで、半導体装置１００の劣化を抑制できる。本実施の形態１では、コーティング部材２１は半導体素子１４の上部に設けられ、半導体素子１４の上部は配線部材１７に接続されている。一般的に、配線部材１７の線径は、数１０～数１００μｍと細く、半導体素子１４及び配線部材１７の発熱に伴う構成材料の膨張に起因する応力により、配線部材１７の材料は劣化しやすい。これに対して本実施の形態１では、コーティング部材２１は半導体素子１４だけでなく、配線部材１７にも接して設けられているので、半導体装置１００の信頼性を向上させることができる。

【0029】

なお、コーティング部材２１は、配線部材１７の全てに設けられる必要はない。半導体素子１４の動作に伴う発熱による影響を受ける部分、例えば配線部材１７のうち半導体素子１４の上側の領域１４ａの部分に接するように設けられていれば、半導体装置１００の信頼性向上が期待される。

【0030】

コーティング部材２１は、炭素原子をさらに含んでもよく、当該炭素原子の個数がコーティング部材２１内に占める原子の個数の割合が５０％以下であってもよい。このような構成は、コーティング部材２１の反応が一定以上進行した結果として得られるため、コーティング部材２１による一定以上の効果を確保することができる。

【0031】

共有結合の金属は、コーティング部材２１の反応前にコーティング部材２１に含まれる金属であってもよいし、配線部材１７の金属、接合部材１３の金属、導電回路部３３の金属の少なくともいずれかであってもよい。例えば、共有結合の金属が、配線部材１７の金属である場合には、配線部材１７そのものと共有結合できるので、コーティング部材２１の接着性をより高めることができる。

【0032】

なお、一般的なコーティング部材２１の形成では、水またはアルコールを溶媒としてシランカップリング剤を希釈して、－Ｓｉ（ＯＲ）_ｘ部分を－Ｓｉ（ＯＨ）_ｘとすることによって、シランカップリング剤の反応が進行していく。しかしながら、コーティング部材２１の薬液に、水またはアルコールを含む溶媒を加えなくても、薬液自体の吸湿や空気中の水分の媒介によって、または、熱や光などの高いエネルギーの加算によって反応が進行するため、溶媒を加えることは必要でない。このことに鑑みて、コーティング部材２１の薬液に水またはアルコールを含む溶媒を加えずに、薬液を半導体素子１４及び配線部材１７に塗布することによって、コーティング部材２１が形成されてもよい。このような製造方法によれば、溶液の調製や反応にかかる時間を短縮できるので、半導体装置１００の製造工程の効率化が期待できる。

【0033】

＜変形例＞
図２は、本変形例に係る半導体装置１００の構成を示す断面図である。図２に示すように、ベース板１１が設けられずに、ケース部材１８は導電部３１を露出するように構成されてもよい。このような構成によれば、導電部３１がベース板１１を兼ねるので、装置のコストを低減することができる。

【0034】

なお、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

【符号の説明】

【0035】

１３ 接合部材、１４ 半導体素子、１７ 配線部材、１８ ケース部材、２０ 封止部材、２１ コーティング部材、３１ 導電部、３２ 絶縁層、３３ 導電回路部、１００ 半導体装置。

【図1】

【図2】