特許 7668958 半導体装置およ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】2025-04-17

(45)【発行日】2025-04-25

(54)【発明の名称】半導体装置および半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/52 20060101AFI20250418BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20250418BHJP

   H01L 25/065 20230101ALI20250418BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20250418BHJP

【ＦＩ】

H01L21/52 E

H01L25/08 Z

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2024515974

(86)(22)【出願日】2022-04-20

(86)【国際出願番号】 JP2022018307

(87)【国際公開番号】W WO2023203688

(87)【国際公開日】2023-10-26

【審査請求日】2024-03-21

(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】山内 宏哉

(72)【発明者】

【氏名】井本 裕児

(72)【発明者】

【氏名】大串 直弘

【審査官】小池 英敏

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０８２０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７２５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０７１８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３９６３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／５２

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０１Ｌ ２５／０６５

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

Ｈ０１Ｌ ２３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上面に導電パターンを有する絶縁基板と、
上面に上面電極および信号パット、下面に下面電極を有し、前記下面電極が前記絶縁基板の前記導電パターンに接合された半導体素子と、
前記半導体素子の前記上面電極に接合された内部配線部材と、
信号端子と、
前記信号パットと前記信号端子との間を接続する信号配線部材と、
を備え、
前記下面電極と前記導電パターンとの接合、前記上面電極と前記内部配線部材との接合、前記信号パットと前記信号配線部材との接合、および、前記信号端子と前記信号配線部材との接合が、Ａｌを主成分とするろう材であるＡｌろう材によって成されている、
半導体装置。

【請求項2】

前記絶縁基板の前記導電パターン、前記半導体素子の前記上面電極および前記下面電極、ならびに、前記内部配線部材は、Ａｌを主成分とする材料で形成されている、
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記下面電極と前記導電パターンとを接合するＡｌろう材の組成と、前記上面電極と前記内部配線部材とを接合するＡｌろう材の組成とが同じである、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記導電パターンに接合された外部配線部材をさらに備え、
前記導電パターンと前記外部配線部材との接合も、Ａｌろう材によって成されている、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記導電パターンおよび前記内部配線部材の片方または両方は、Ａｌろう材とＡｌ合金とのクラッド材によって形成されている、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記下面電極と前記導電パターンとの間の前記ろう材内、および、前記上面電極と前記内部配線部材との間の前記ろう材内に、一定の厚さの芯材が挿入されている、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記半導体素子を複数備える、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項8】

複数の前記半導体素子に接合される複数の前記内部配線部材のうちの２つ以上は同じ形状である、
請求項７に記載の半導体装置。

【請求項9】

絶縁基板に設けられた導電パターン上に第１のＡｌろう材を配置する工程と、
前記第１のＡｌろう材上に半導体素子を配置する工程と、
前記半導体素子上に第２のＡｌろう材を配置する工程と、
前記第２のＡｌろう材上に内部配線部材を配置する工程と、
前記内部配線部材に上から圧力を加えながら熱処理することで、前記半導体素子と前記導電パターンとを前記第１のＡｌろう材により接合するとともに、前記半導体素子と前記内部配線部材とを前記第２のＡｌろう材により接合する工程と、
を備える半導体装置の製造方法。

【請求項10】

前記半導体素子は、前記絶縁基板上に複数配置され、
前記半導体素子と、前記導電パターンおよび前記内部配線部材とを接合する工程は、複数の前記半導体素子に対して同時に行われる、
請求項９に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項11】

複数の前記半導体素子に接合される複数の前記内部配線部材のうちの２つ以上は同じ形状である、
請求項１０に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】

本開示は、半導体装置に関し、特に、基板上に実装される複数の半導体素子に対して同時に配線部材を接続させる技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

基板上に、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）、ダイオードなどの半導体素子が複数搭載された構成の半導体装置が知られている。半導体素子のおもて面（以下「上面」という）および裏面（以下「下面」という）にそれぞれ金属製の上面電極および下面電極が形成されており、上面電極は配線部材に接合され、下面電極は基板に接合され、それらの接合にははんだ等のろう材が用いられるのが一般的である（例えば、下記の特許文献１）。また、下面電極と基板との接合を、はんだよりも放熱性および耐熱性に優れたアルミニウム（Ａｌ）を主成分とするろう材（以下、「Ａｌろう材」という）を用いて行うことも提案されている（例えば、下記の特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－７２５７５号公報

【文献】特開２０１３－７１８７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体素子の上面電極と配線部材との接合、および、下面電極と基板との接合をはんだで行う場合、まず下面電極と基板とを接合し、その後に上面電極と配線部材とを接合する必要があり、タクト時間が長くなる。

【0005】

また近年、電力制御用の半導体装置の性能向上および動作温度拡大の要求が高まっており、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体で形成された半導体素子の実用化が進んでいる。しかし、上述した構造を持つ半導体装置にＳｉＣからなる半導体素子を適用する場合、以下のような課題がある。

【0006】

まず、ＳｉＣ半導体素子は電流密度を高くできるのでチップサイズを小さくできるが、チップサイズを小さくすると熱抵抗が上昇するため、その周囲の構造の熱抵抗を下げる工夫が必要である。また、ＳｉＣ半導体素子は高温動作が可能であるが、はんだの融点が低く、動作温度ははんだの融点で律速されてしまう。

【0007】

本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、製造工程の削減、熱抵抗の低減および動作温度の拡大に寄与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】

【0008】

本開示に係る半導体装置は、上面に導電パターンを有する絶縁基板と、上面に上面電極および信号パット、下面に下面電極を有し、前記下面電極が前記絶縁基板の前記導電パターンに接合された半導体素子と、前記半導体素子の前記上面電極に接合された内部配線部材と、信号端子と、前記信号パットと前記信号端子との間を接続する信号配線部材と、を備え、前記下面電極と前記導電パターンとの接合、前記上面電極と前記内部配線部材との接合、前記信号パットと前記信号配線部材との接合、および、前記信号端子と前記信号配線部材との接合が、Ａｌを主成分とするろう材であるＡｌろう材によって成されている。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、半導体装置の製造工程の削減、熱抵抗の低減および動作温度の拡大に寄与できる。

【0010】

本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【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】実施の形態１に係る半導体装置の全体構成の例を示す平面図である。

【図3】スイッチング素子の構成例を示す図である。

【図4】還流ダイオードの構成例を示す図である。

【図5】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。

【図6】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。

【図7】実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す平面図である。

【図8】実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。

【図9】実施の形態３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】

【0012】

＜実施の形態１＞
図１は、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１に示すように、実施の形態１に係る半導体装置は、ベース板１と、ベース板１上に搭載され、上面および下面に導電パターン２を有する絶縁基板３と、絶縁基板３の導電パターン２上に搭載された半導体素子４とを備える。図１に示すベース板１は平板状であるが、ピンフィン付きのベース板１が用いられてもよい。

【0013】

半導体素子４は、上面に上面電極（不図示）、下面に下面電極（不図示）を有しており、下面電極は、Ａｌろう材８１を用いて絶縁基板３の導電パターン２に接合されている。また、半導体素子４の上面電極には、内部配線部材５がＡｌろう材８２を用いて接合されている。つまり、下面電極と導電パターン２との接合、および、上面電極と内部配線部材５との接合の両方が、Ａｌ系のろう材によって成されている。

【0014】

下面電極と導電パターン２とを接合するＡｌろう材８１の組成と、上面電極と内部配線部材５とを接合するＡｌろう材８２の組成とは、同じでよい。それにより、Ａｌろう材８１とＡｌろう材８２の融点を揃えることができる。また、絶縁基板３の導電パターン２、半導体素子４の上面電極および下面電極、ならびに、内部配線部材５は、Ａｌを主成分とする材料で形成されていることが好ましい。

【0015】

図１の例では、内部配線部材５の一部が、ろう材８３を用いて絶縁基板３の導電パターン２に接続されている。このろう材８３は、必ずしもＡｌろう材でなくてもよいが、Ａｌろう材であることが好ましい。

【0016】

ベース板１上には、絶縁基板３、半導体素子４および内部配線部材５を収容するケース１１が接着剤１０を用いて接着されており、絶縁基板３、半導体素子４および内部配線部材５は、ケース１１内に充填された封止材１２によって封止されている。ケース１１は、当該ケース１１と一体的に形成された外部接続端子である外部配線部材６を備えており、外部配線部材６は、ろう材８４を用いて絶縁基板３の導電パターン２に接合されている。このろう材８４も、必ずしもＡｌろう材でなくてもよいが、Ａｌろう材であることが好ましい。

【0017】

また、内部配線部材５における半導体素子４と接続する部分は、半導体素子４の外形と同じか、それ以上の大きさであることが好ましい。つまり、内部配線部材５における半導体素子４の上面電極との接合部分の幅は、半導体素子４の幅と同等以上であることが好ましい。

【0018】

また、実施の形態１に係る半導体装置では、導電パターン２と半導体素子４との接合および半導体素子４と内部配線部材５との接合の両方が、Ａｌろう材によって成される。Ａｌろう材の熱伝導率（１７０Ｗ／ｍ・Ｋ）は、従来のはんだの熱伝導率（５５Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高いため、半導体装置の熱抵抗の低減に寄与できる。また、Ａｌろう材の融点（約６００℃）は、従来のはんだの融点（約２２０℃）よりも高いため、半導体装置の動作温度の拡大にも寄与できる。よって、実施の形態１は、高温下での動作が可能な、ＳｉＣやＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体からなる半導体素子４を備える半導体装置に特に有効である。

【0019】

図２は、実施の形態１に係る半導体装置の全体構成の例を示す平面図である。図１に示した断面図は、図２に示すＡ－Ｂ線に沿った断面に相当する。

【0020】

図２に示す半導体装置は、３相のインバータ回路を構成しており、半導体素子４として、６つのスイッチング素子４ａ～４ｆおよび６つの還流ダイオード４ｇ～４ｌを備えている。また、内部配線部材５として、スイッチング素子４ａおよび還流ダイオード４ｇに接合された内部配線部材５ａと、スイッチング素子４ｂおよび還流ダイオード４ｈに接合された内部配線部材５ｂと、スイッチング素子４ｃおよび還流ダイオード４ｉに接合された内部配線部材５ｃと、スイッチング素子４ｄおよび還流ダイオード４ｊに接合された内部配線部材５ｄと、スイッチング素子４ｅおよび還流ダイオード４ｋに接合された内部配線部材５ｅと、スイッチング素子４ｆおよび還流ダイオード４ｌに接合された内部配線部材５ｆとが設けられている。また、外部配線部材６として、インバータの入力端子となる外部配線部材６ａ，６ｂと、インバータの出力端子となる外部配線部材６ｃ，６ｄ，６ｅが設けられている。

【0021】

図２の例では、複数の半導体素子４（４ａ～４ｌ）に接合される６つの内部配線部材５（５ａ～５ｆ）は全て同じ形状である。それにより、内部配線部材５にかかるコスト（例えば、製造コストや管理コスト）を抑えることができる。複数の内部配線部材５の全てが同じ形状でなくてもよく、複数の内部配線部材５の２つ以上が同じ形状であれば、コスト削減の効果は得られる。

【0022】

また、図２の半導体装置は、スイッチング素子４ａ～４ｆの制御信号を入力するための複数の信号端子７を備えている。信号端子７のそれぞれは、スイッチング素子４ａ～４ｆのいずれかの信号パット（後述する図３の信号パット１４）に、ボンディングワイヤ９を介して接続されている。

【0023】

スイッチング素子４ａ～４ｆは、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴである。図３は、スイッチング素子４ａ～４ｆの構成例であり、スイッチング素子４ａ～４ｆの上面図および断面図を示している。図３の例において、スイッチング素子４ａ～４ｆの無効領域上には絶縁層１３が形成されており、上面電極として、Ａｌ系材料で形成された電極（以下「Ａｌ電極」という）１５が、スイッチング素子４ａ～４ｆの信号パット１４の領域を除く上面全体に形成されており、絶縁層１３はＡｌ電極１５に覆われる。

【0024】

還流ダイオード４ｇ～４ｌは例えばショットキーバリアダイオードやＰＮ接合ダイオードなどである。図４は、還流ダイオード４ｇ～４ｌの構成例であり、還流ダイオード４ｇ～４ｌの上面図および断面図を示している。図４の例において、還流ダイオード４ｇ～４ｌの無効領域上には絶縁層１３が形成されており、上面電極としてのＡｌ電極１５が、還流ダイオード４ｇ～４ｌの上面全体に形成されており、絶縁層１３はＡｌ電極１５に覆われる。

【0025】

図１～図４においては、スイッチング素子である半導体素子４と、還流ダイオードである半導体素子４とを別々の素子とした例を示したが、半導体素子４は、スイッチング素子と還流ダイオードとの両方を内蔵するＭＯＳＦＥＴやＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）でもよい。

【0026】

以下、図５のフローチャートを参照しつつ、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法、特に、半導体素子４と絶縁基板３および内部配線部材５とを接合する手順について説明する。

【0027】

まず、ベース板１に搭載された絶縁基板３を用意し、絶縁基板３の導電パターン２上に第１のＡｌろう材であるＡｌろう材８１を配置する（ステップＳ１）。次に、第１のＡｌろう材（Ａｌろう材８１）上に半導体素子４を配置する（ステップＳ２）。続いて、半導体素子４上に第２のＡｌろう材であるＡｌろう材８２を配置する（ステップＳ３）。さらに、第２のＡｌろう材（Ａｌろう材８２）上に内部配線部材５を配置する（ステップＳ４）。その結果、図６のように、絶縁基板３の導電パターン２の上に、Ａｌろう材８１、半導体素子４、Ａｌろう材８２、内部配線部材５がこの順に積層される。ステップＳ１～Ｓ４において配置されるＡｌろう材８１、半導体素子４、Ａｌろう材８２および内部配線部材５は、位置がずれないように接着剤等で仮止めされてもよい。

【0028】

その後、内部配線部材５に上から圧力を加えながら熱処理を行う（ステップＳ５）。この熱処理により、半導体素子４と導電パターン２とが第１のＡｌろう材（Ａｌろう材８１）で接合されるとともに、半導体素子４と内部配線部材５とが第２のＡｌろう材（Ａｌろう材８２）で接合される。

【0029】

このように、実施の形態１に係る半導体装置によれば、導電パターン２と半導体素子４との接合と、半導体素子４と内部配線部材５との接合とを同時に行うことができ、製造工程の削減に寄与できる。また、ろう材としてはんだを用いる場合には、半導体素子４の上面電極および下面電極の表面にはんだ接合用の層（例えば、Ｎｉ層）を設ける必要があるが、それが不要になるという点でも、製造工程の削減に寄与できる。

【0030】

なお、図１のように内部配線部材５の一部が絶縁基板３の導電パターン２に接合される場合、その接合のためのろう材８３もＡｌろう材であることが好ましい。そうすることにより、内部配線部材５と導電パターン２との接合もステップＳ５と同時に行うことができる。また、ろう材８３もＡｌろう材８１およびＡｌろう材８２と同じ組成であることが好ましい。

【0031】

同様に、外部配線部材６と絶縁基板３の導電パターン２とを接合するろう材８４もＡｌろう材であることが好ましい。そうすることにより、外部配線部材６と導電パターン２との接合もステップＳ５と同時に行うことができるため、製造工程の削減にさらに寄与できる。また、ろう材８４もＡｌろう材８１およびＡｌろう材８２と同じ組成であることが好ましい。

【0032】

また、絶縁基板３の導電パターン２を、Ａｌろう材とＡｌ合金とのクラッド材で形成することで、Ａｌろう材８１を絶縁基板３と一体的な部品にしてもよい。「クラッド材」とは２種類以上の異なる金属を貼り合わせた材料のことをいう。これにより、上記のステップＳ１を省略できるため製造工程の削減にさらに寄与できる。また、部品点数が減ることで部品の管理コストも削減にも寄与できる。

【0033】

同様に、内部配線部材５を、Ａｌろう材とＡｌ合金とのクラッド材で形成することで、Ａｌろう材８２を内部配線部材５と一体的な部品にしてもよい。これにより、上記のステップＳ３を省略できるため製造工程の削減にさらに寄与できる。また、部品点数が減ることで部品の管理コストも削減にも寄与できる。

【0034】

また、図３および図４のように半導体素子４の上面のほぼ全体に上面電極が形成され、さらに、内部配線部材５における半導体素子４の上面電極との接合部分の幅は、半導体素子４の幅と同等以上であることが好ましい。そうすることにより、上記したステップＳ５の熱処理において、半導体素子４の全体に圧力を加えることができ、半導体素子４と導電パターン２および内部配線部材５との接合を安定して行うことができる。

【0035】

また、図２の例のように、絶縁基板３上に複数の半導体素子４が配置される場合、複数の半導体素子４に対して同時にステップＳ５の熱処理を行えばよい。そのため、半導体素子４の数が増えても、タクト時間の増大は抑制される。

【0036】

以上のように、実施の形態１に係る半導体装置は、製造工程の削減、熱抵抗の低減および動作温度の拡大に寄与できる。

【0037】

＜実施の形態２＞
図７は、実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す平面図である。図７は、図２に示した半導体装置の平面図の一部に相当するが、半導体素子４の信号パット１４と信号端子７との間が、ボンディングワイヤ９ではなく信号配線部材１７によって接続されている。また、図８は、実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図であり、図７に示すＣ－Ｄ線に沿った断面、すなわち信号配線部材１７を含む断面を示している。

【0038】

図７のように、信号配線部材１７と半導体素子４とはＡｌろう材８５によって接合され、信号配線部材１７と信号端子７とはＡｌろう材８６によって接合されている。Ａｌろう材８５およびＡｌろう材８６は、Ａｌろう材８１およびＡｌろう材８２と同じ組成であることが好ましい。また、信号配線部材１７は、内部配線部材５と同様に、Ａｌを主成分とする材料で形成されることが好ましい。

【0039】

実施の形態２に係る半導体装置によれば、半導体素子４と信号端子７との間の接続（つまり、半導体素子４と信号配線部材１７との接合および信号端子７と信号配線部材１７との接合）を、図５のステップＳ５と同時に行うことができるため、製造工程の削減にさらに寄与できる。

【0040】

＜実施の形態３＞
図９は、実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す平面図である。実施の形態３では、図９のように、半導体素子４の下面電極と導電パターン２との間のろう材８１の内部、および、半導体素子４の上面電極と内部配線部材５との間のろう材８２の内部に、一定の厚さの芯材１９が挿入されている、芯材１９の材料としては、例えばＡｌや、Ａｌろう材とＡｌ合金とのクラッド材を用いることができる。

【0041】

実施の形態３に係る半導体装置によれば、Ａｌろう材８１内およびＡｌろう材８２内に芯材１９が挿入されているため、Ａｌろう材８１およびＡｌろう材８２の厚さを確保できるとともに、Ａｌろう材８１およびＡｌろう材８２の厚さが均一になり、半導体素子４が傾くことを防止できる。半導体素子４の傾きがなくなることで、半導体装置の熱抵抗の安定化および製造の安定化に寄与できる。

【0042】

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

【0043】

上記した説明は、すべての態様において、例示であって、例示されていない無数の変形例が想定され得るものと解される。

【符号の説明】

【0044】

１ ベース板、２ 導電パターン、３ 絶縁基板、４ 半導体素子、５ 内部配線部材、６ 外部配線部材、７ 信号端子、８１，８２ Ａｌろう材、８３，９４ ろう材、８５，８６ Ａｌろう材、９ ボンディングワイヤ、１０ 接着剤、１１ ケース、１２ 封止材、１３ 絶縁層、１４ 信号パット、１５ Ａｌ電極、１７ 信号配線部材、１９ 芯材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】