(57)【要約】【課題】半導体装置における三重点で生じる応力を低減し得る技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に位置する第１電極層と、第１電極層上に位置する第２電極層と、第１電極層上に位置するとともに、第２電極層に隣接する第１樹脂層とを備える。第２電極層には、第１電極層、第２電極層及び第１樹脂層が互いに集まる境界線に沿って、当該境界線から所定の距離だけ離れた位置に第２樹脂層が設けられている。【選択図】図２
2020061533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に位置する第１電極層と、
前記第１電極層上に位置する第２電極層と、
前記第１電極層上に位置するとともに、前記第２電極層に隣接する第１樹脂層と、を備え、
前記第２電極層には、前記第１電極層、前記第２電極層及び前記第１樹脂層が互いに集まる境界線に沿って、当該境界線から所定の距離だけ離れた位置に第２樹脂層が設けられている、
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には、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に位置する第１電極層と、第１電極層上に位置する第２電極層と、第１電極層上に位置するとともに、第２電極層に隣接する第１樹脂層とを備える。この半導体装置は、例えば半導体モジュールに採用され、第２電極層には、半導体モジュールを構成する導体部材が、はんだ層を介して接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１５２４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体モジュールでは、半導体装置に断続的に通電されることによって、半導体装置を含む構成部品の温度が繰り返し変動する。この温度変動が繰り返されたときに、半導体装置の内部で大きな応力が生じると、半導体装置がダメージを受けるおそれがある。この点に関して、上記した半導体装置では、第１電極層、第２電極層及び第１樹脂層といった、三種の異種材料が互いに集まる三重点が存在しており、三重点では局所的に大きな応力が生じやすい。従って、本明細書では、三重点で生じる応力を低減し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に位置する第１電極層と、第１電極層上に位置する第２電極層と、第１電極層上に位置するとともに、第２電極層に隣接する第１樹脂層とを備える。第２電極層には、第１電極層、第２電極層及び第１樹脂層が互いに集まる境界線に沿って、当該境界線から所定の距離だけ離れた位置に第２樹脂層が設けられている。
【０００６】
本発明者の研究によると、半導体モジュールにおいて温度変動が繰り返されときに、第２電極層に接するはんだ層に塑性変形やクリープ変形が発生し、それによって、第２電極層が隣接する第１樹脂層へ押し込まれる現象が確認された。その結果、第１樹脂層と第２電極層との両者に接触する第１電極層では、三重点において局所的に大きな応力が発生してしまう。そのことから、はんだ層の変形（塑性変形やクリープ変形）に起因して第２電極層が第１樹脂層へ押し込まれる現象を抑制することができれば、三重点で生じる応力を低減することができる。
【０００７】
上記の点に関して、本明細書が開示する半導体装置では、第２電極層に、第２樹脂層が設けられている。第２樹脂層は、第１電極層、第２電極層及び第１樹脂層が互いに集まる境界線（即ち、三重点）に沿って、当該境界線から所定の距離だけ離れた位置に設けられている。このような構成によると、はんだ層に上述した変形（塑性変形やクリープ変形）が生じたときでも、第２樹脂層が柔軟に変形することによって、第２電極層が第１樹脂層へ押し込まれる現象を抑制することができる。これにより、三重点で生じる応力を有意に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例の半導体モジュール１００の内部構造を示す断面図。
【図２】図１のＩＩ部における拡大図。
【図３】はんだ層３４に変形が生じたときの半導体装置１０の内部構造を示す断面図。
【図４】半導体装置１０の中心からの距離に対する第１電極層１４の非線形ひずみ振幅Δεを示すグラフ。
【図５】三重点３０から第２樹脂層２０までの距離Ｄに対する第１電極層１４の非線形ひずみ振幅Δεを示すグラフ。
【図６】第２樹脂層２０の幅寸法２０ｗに対する第１電極層１４の非線形ひずみ振幅Δεを示すグラフ。
【図７】半導体基板１２上に第１電極層１４を形成する工程を示す図。
【図８】第１電極層１４上に樹脂溶液１９ｓを塗布する工程を示す図。
【図９】樹脂層１９が形成された半導体基板１２をプリベークする工程を示す図。
【図１０】プリベークされた半導体基板１２を露光処理する工程を示す図。
【図１１】露光処理された半導体基板１２を現像処理する工程を示す図。
【図１２】現像処理された半導体基板１２をポストベークする工程を示す図。
【図１３】第１電極層１４の表面のうち、第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０が形成された領域を除く他の領域に、第２電極層１６を形成する工程を示す。
【図１４】第２樹脂層２０が形成される位置について他の実施形態を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して、実施例の半導体装置１０と、それが採用された半導体モジュール１００について説明をする。半導体モジュール１００は、例えば、電気自動車、ハイブリッド車、又は燃料電池車等に搭載される電子制御回路に搭載されている。図１に示すように、半導体モジュール１００は、半導体装置１０、導体スペーサ２２、第１放熱板２４、第２放熱板２６及び封止体２８を備える。半導体装置１０、導体スペーサ２２、第１放熱板２４及び第２放熱板２６は、封止体２８によって一体に封止されている。封止体２８は、例えばエポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料を用いて構成されている。また、半導体モジュール１００は、封止体２８の内部から外部に向かって延びる複数の外部接続端子（図示省略）を備える。半導体装置１０は、封止体２８の内部において、複数の外部接続端子に電気的に接続されている。
【００１０】
半導体装置１０は、半導体基板１２と上面電極１０ａと下面電極１０ｂとを備える。上面電極１０ａは、半導体基板１２の上面に位置しており、下面電極１０ｂは半導体基板１２の下面に位置する。半導体基板１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）といった各種の半導体材料を用いて構成されることができる。上面電極１０ａ及び下面電極１０ｂは、例えば、アルミニウム系又は他の金属等を採用することができる。半導体装置１０は、パワー半導体装置であり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。但し、半導体装置１０は、ＩＧＢＴに限定されずＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はダイオード等といった他のパワー半導体装置が採用されていてもよい。また、半導体装置１０は、単体のパワー半導体装置による構成に限定されず、例えばＩＧＢＴとダイオードとを内蔵するＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）といった異種のパワー半導体装置を組み合わせて構成されていてもよい。
【００１１】
導体スペーサ２２は、半導体装置１０の上側に位置している。導体スペーサ２２は、概して板形状又はブロック形状を有する導体部材であり、例えば銅又は他の金属等で構成されている。導体スペーサ２２は、上面と、上面の反対側に位置する下面を有している。導体スペーサ２２の上面は、後述する第１放熱板２４の下面にはんだ層３２を介して接合されている。導体スペーサ２２の下面は、半導体装置１０の上面電極１０ａにはんだ層３４を介して接合されている。即ち、導体スペーサ２２は、半導体装置１０と電気的及び熱的に接続されている。
【００１２】
第１放熱板２４は、導体スペーサ２２の上側に位置している。第１放熱板２４は、板形状又は直方体形状を有する導体部材であり、例えば銅又は他の金属で構成されている。第１放熱板２４は、上面と、上面の反対側に位置する下面とを有する。第１放熱板２４の下面は、導体スペーサ２２の上面にはんだ層３２を介して接合されている。即ち、第１放熱板２４は、導体スペーサ２２を介して半導体装置１０と電気的及び熱的に接続されている。第１放熱板２４の上面は、封止体２８の上面において外部に露出されている。
【００１３】
第２放熱板２６は、半導体装置１０の下側に位置している。第２放熱板２６は、板形状又は直方体形状を有する導体部材であり、例えば銅又は他の金属で構成されている。第２放熱板２６は、上面と、上面の反対側に位置する下面とを有する。第２放熱板２６の上面は、半導体装置１０の下面電極１０ｂにはんだ層３６を介して接合されている。即ち、第２放熱板２６は、半導体装置１０と電気的及び熱的に接続されている。第２放熱板２６の下面は、封止体２８の下面において外部に露出されている。従って、第１放熱板２４及び第２放熱板２６は、半導体装置１０で生じる熱を外部へ放出する放熱板としても機能する。
【００１４】
図２、図３を参照して、半導体装置１０の上面電極１０ａ側の構成について詳細を説明する。図２に示すように、上面電極１０ａには、第１電極層１４及び第２電極層１６が含まれる。第１電極層１４は、半導体基板１２上に位置する。第１電極層１４は、例えば、アルミニウム系金属又は他の金属で構成されている。ここでいうアルミニウム系金属とは、純アルミニウム又はアルミニウムを主成分とした合金（例えば、Ａｌ−Ｓｉ系合金）を示す。第２電極層１６は、第１電極層１４上に位置するとともに、第２電極層１６には、導体スペーサ２２がはんだ層３４を介して接合されている。第２電極層１６は、例えばニッケル系金属又は他の金属で構成されている。ここでいうニッケル系金属とは、純ニッケル又はニッケルを主成分とした合金を示す。
【００１５】
また、半導体装置１０は、第１樹脂層１８を備える。第１樹脂層１８は、第１電極層１４上に位置するとともに、第２電極層１６に隣接している。第１樹脂層１８には開口１８ａが設けられている。詳しくは、第１樹脂層１８は半導体装置１０の外周縁に沿って枠状に伸びており、第２電極層１６の周囲を取り囲んでいる。第１樹脂層１８の開口１８ａにおいて、第１電極層１４は、第２電極層１６に接触している。第１樹脂層１８は、絶縁性を有する樹脂材料であって、例えばポリイミド等を用いて構成される。第１樹脂層１８は、半導体装置１０の耐圧を維持する、且つ、半導体装置１０に異物が接触することを防止する保護膜として機能する。
【００１６】
半導体モジュール１００の使用時において、半導体装置１０は断続的に通電される。それに伴い、半導体装置１０を含む構成部品の温度が繰り返し変動する。この温度変動が繰り返されたときに、各々の構成部品が熱変形することによって、半導体装置１０の内部で大きな応力が生じ得る。特に、第２電極層１６に接するはんだ層３４には、塑性変形やクリープ変形が発生することがある。そのような変形がそのはんだ層３４に生じると、第２電極層１６が第１樹脂層１８へ押し込まれる現象が起こる。ここで、半導体装置１０には、第１電極層１４、第２電極層１６及び第１樹脂層１８といった、三種の異種材料が互いに集まる三重点３０が存在している。そのため、第２電極層１６が第１樹脂層１８へ押し込まれると、第１樹脂層１８と第２電極層１６との両者に接触する第１電極層１４では、三重点３０において局所的に大きな応力が発生しやすい。
【００１７】
そこで、上記した構成に加え、半導体装置１０は、第２樹脂層２０をさらに備えている。第２樹脂層２０は、第２電極層１６に設けられている。第２樹脂層２０は、第１電極層１４、第２電極層１６及び第１樹脂層１８が互いに集まる境界線（即ち、三重点３０）に沿って、その三重点３０から所定の距離Ｄだけ離れた位置に設けられている。このような構成によると、はんだ層３４に上述した塑性変形やクリープ変形が生じたときでも、第２樹脂層２０が柔軟に変形することによって、第２電極層１６が第１樹脂層１８へ押し込まれる現象を抑制することができる（図３参照）。これにより、三重点３０で生じる応力を有意に低減することができる。
【００１８】
第２樹脂層２０は、例えばポリイミドといった樹脂材料を用いて構成されている。この場合、第１樹脂層１８と第２樹脂層２０が同種の樹脂材料であるため、製造段階において、第２樹脂層２０を第１樹脂層１８と同時に形成することができる。従って、二つの樹脂層１８、２０を同時に形成した分だけ、半導体装置１０の製造工程が簡略化される。但し、第２樹脂層２０を構成する樹脂材料は、ポリイミドに限定されず、第１樹脂層１８へ第２電極層１６を押し込むように作用する力が緩和されるような柔らかい材料であって、且つ、比較的に熱膨張係数が小さい材料であるとよい。一例ではあるが、第２樹脂層２０は、エポキシ樹脂を用いて構成されていてもよい。
【００１９】
図４、図５、図６は、半導体装置１０の使用時（即ち、半導体装置１０に繰り返し温度変動が生じる場合）を想定した条件下において、第２電極層１６に接触する第１電極層１４の表面に生じる非線形ひずみ振幅Δεをシミュレーションした結果の一例を示す。ここでいう、非線形ひずみ振幅Δεは、塑性ひずみ（即ち、塑性変形）とクリープひずみ（クリープ変形）の和である。この非線形ひずみ振幅Δεと寿命Ｎｆ（最初にクラックが生じるサイクル回数）との関係はコフィン−マンソン（Ｃｏｆｆｉｎ−Ｍａｎｓｏｎ）則に従い、下式で表すことができ、非線形ひずみ振幅Δεは、寿命Ｎｆの判断基準の指標に一般的によく用いられる。ここで、α、及びＣは、材料定数である。
Δε・Ｎｆα＝Ｃ
また、比較例として、第２樹脂層２０を備えていない従来技術の半導体装置の非線形ひずみ振幅Δεを図４、図５、図６中に破線で示す。以下では、第２樹脂層２０及びその実施形態の詳細について、シミュレーション結果に基づいて説明する。
【００２０】
図４には、本実施例の第２樹脂層２０を備える半導体装置１０のうち、最も効果が高かった条件のものを示す。図４から、半導体装置１０及び比較例の半導体装置は、ともに三重点３０に対応する位置において、非線形ひずみが生じていることが理解される。このとき、本実施例の三重点３０について、第２電極層１６に接触する第１電極層１４の表面に生じる非線形ひずみ振幅Δεは、従来技術と比較して最大約１６．２％減少する。このことから、第２樹脂層２０によって、三重点３０に生じるひずみが低減する。即ち、第２樹脂層２０が三重点３０に生じる応力も低減させることが推察される。
【００２１】
第２樹脂層２０は、第２電極層１６において第１電極層１４、第２電極層１６及び第１樹脂層１８が互いに集まる境界線（即ち、三重点３０）に沿って設けられており、この三重点３０から所定の距離Ｄだけ離れている。ここでいう第２樹脂層２０の三重点３０からの距離Ｄは、三重点３０から第２樹脂層２０の三重点３０側に位置する面までを直線で結んだ時の最短距離を示す。但し、第２樹脂層２０の位置は、特に限定されない。一方で、図５に示すように、第２樹脂層２０の三重点３０からの距離Ｄが０（三重点３０上）から３３０マイクロメートル（導体スペーサ２２の外周縁上までの距離）以内の範囲において、非線形ひずみ振幅Δεは比較例よりも減少する。従って、好ましくは、第２樹脂層２０の少なくとも一部は、三重点３０から導体スペーサ２２の外周縁までの範囲内に位置しているとよい。特に、第２樹脂層２０の三重点３０からの距離Ｄが５マイクロメートルのときに、非線形ひずみ振幅Δεは最も減少している（図５参照）。従って、さらに好ましくは、第２樹脂層２０の三重点３０からの距離Ｄが約５マイクロメートルであってもよい。
【００２２】
また、第２樹脂層２０は、第２電極層１６において第１電極層１４、第２電極層１６及び第１樹脂層１８が互いに集まる境界線（即ち、三重点３０）に沿って連続的又は断続的に延びている枠状に設けられていてよい。また、第２電極層１６において、複数個の枠状の第２樹脂層２０が、多重に形成されていてもよい。但し、第２樹脂層２０の幅寸法２０ｗは、特に限定されない。
【００２３】
一方で、図６に示すように、第２樹脂層２０の幅寸法２０ｗが２から２０マイクロメートルの範囲内である場合において、非線形ひずみ振幅Δεは比較例よりも減少する。従って、好ましくは、第２樹脂層２０の幅寸法２０ｗが、約２から２０マイクロメートルであってもよい。あるいは、さらに好ましくは、第２樹脂層２０の幅寸法２０ｗは、約２から１０マイクロメートルであってもよい。あるいは、さらに好ましくは、第２樹脂層２０の幅寸法２０ｗは、約５マイクロメートルであってもよい。
【００２４】
図７から図１３を参照して、半導体装置１０の製造方法について説明する。ここでは特に、上面電極１０ａ側の第１電極層１４、第２電極層１６、第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０について説明する。半導体装置１０の他の構成については、既知の技術を用いて製造することができる。但し、以下に説明する方法は一例であり、これに限定されない。
【００２５】
図７に示すように、用意した半導体基板１２上に第１電極層１４を形成する。第１電極層１４は、例えばスパッタ法等といった乾式めっき処理又は他のめっき処理によって形成することができる。
【００２６】
図８に示すように、半導体基板１２に形成された第１電極層１４上に、例えば、ポリイミド等の樹脂溶液１９ｓを塗布し、樹脂層１９を形成する。一例ではあるが、この樹脂溶液１９ｓの塗布は、スピンコート法によって塗布する。但し、スピンコート法に限定されず、他の塗布方法によって実施されてもよい。
【００２７】
図９に示すように、樹脂層１９が形成された半導体基板１２をプリベークする。このプリベークによって、樹脂層１９は固化する。このとき、樹脂層１９に含まれていた溶媒も蒸発する。プリベーク温度は、例えば約９０℃程度であってよい。
【００２８】
図１０に示すように、プリベークされた半導体基板１２を露光処理する。具体的には、フォトマスク（レチクルとも称する）３８を介して、半導体基板１２上の樹脂層１９の表面に向けて光を照射し、樹脂層１９を選択的に露光する。ここで、フォトマスク３８は、概して板形状又はシート形状を有し、例えばガラス基板のような透明材料を用いて構成されている。フォトマスク３８の主表面のうち半導体基板１２と対向する面３８ａには、遮光パターン３８ｂが形成されている。遮光パターン３８ｂは、第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０が設けられる位置に対応して配置されている。この遮光パターン３８ｂによって、第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０が設けられる領域以外の他の領域における樹脂層１９が露光される。即ち、フォトマスク３８の遮光パターン３８ｂ部分以外を通過する光は、半導体基板１２の表面を照射し、樹脂層１９を感光させる。フォトマスク３８の遮光パターン３８ｂは、例えばクロムといった金属材料によって構成されている。
【００２９】
図１１に示すように、露光処理された半導体基板１２を現像処理する。現像処理によって、露光された不要部分（第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０が設けられる領域以外の他の領域）が除去され、洗浄される。これにより、第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０が形成される。本実施例の場合、一例ではあるが、半導体基板１２に光を露光し、樹脂層１９が感光した部分が不要部分に該当する。本実施例では、このようなポジ型のフォトリソグラフィを採用しているが、特別に限定されず、ネガ型を採用してもよい。
【００３０】
図１２に示すように、現像処理された半導体基板１２をポストベークする。このポストベークによって、第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０と半導体基板１２との密着性が高まる。ポストベーク温度は、例えば約１１０℃程度であってよい。
【００３１】
図１３に示すように、第１電極層１４上に第２電極層１６を形成する。詳しくは、第１電極層１４の表面のうち、第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０が形成された領域を除く他の領域に、第２電極層１６を形成する。第２電極層１６は、例えばスパッタ法等といった乾式めっき処理又は他のめっき処理によって形成することができる。
【００３２】
以上の製造方法により、半導体装置１０の製造は完了する。作製された半導体装置１０は、はんだ付けによって、半導体モジュール１００内に組み込まれる。
【００３３】
本実施例では、第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０が、例えばポリイミドといった感光性の樹脂材料を採用する場合で説明した。そのため、第１樹脂層１８と第２樹脂層２０は同時に形成されているが、第１樹脂層１８と第２樹脂層２０を別々に形成してもよく、その第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０の製造順序については、特に限定されない。第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０の製造方法についても限定されず、第１樹脂層１８及び第２樹脂層２０に採用される樹脂材料に応じて様々な製造方法で製造することができる。
【００３４】
図１４を参照して、第２樹脂層２０の他の実施形態を説明する。前述した実施例の半導体装置１０では、第２樹脂層２０の厚み寸法は、第２電極層１６の厚み寸法と同等に形成されている。即ち、第２樹脂層２０は、第２電極層１６を貫通するように形成されている。但し、これに限定されず、第２樹脂層２０の厚み寸法は、第２電極層１６の厚み寸法よりも小さくてもよく、例えば、第２電極層１６の厚み寸法の半分であってもよい。第２樹脂層２０の厚み寸法が第２電極層１６の厚み寸法よりも小さい場合、第２樹脂層２０の第２電極層１６における厚み方向の位置は限定されない。図１４（Ａ）に示すように、第２樹脂層２０は、第２樹脂層２０の一方の表面がはんだ層３４に接触するとともに、第２樹脂層２０の他方の表面が第１電極層１４に接触しないように設けられていてもよい。あるいは、図１４（Ｂ）に示すように、第２樹脂層２０は、第２樹脂層２０の他方の表面が第１電極層１４に接触するとともに、第２樹脂層２０の一方の表面がはんだ層３４に接触しないように設けられていてもよい。
【００３５】
以上、いくつか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る。
【符号の説明】
【００３６】
１０：半導体装置
１０ａ：上面電極
１０ｂ：下面電極
１２：半導体基板
１４：第１電極層
１６：第２電極層
１８：第１樹脂層
１８ａ：開口
２０：第２樹脂層
２２：導体スペーサ
２４、２６：放熱板
２８：封止体
３０：三重点
３２、３４、３６：はんだ層
１００：半導体モジュール
【図１】
2020061533.tif 000003
【図２】
2020061533.tif 000004
【図３】
2020061533.tif 000005
【図４】
2020061533.tif 000006
【図５】
2020061533.tif 000007
【図６】
2020061533.tif 000008
【図７】
2020061533.tif 000009
【図８】
2020061533.tif 000010
【図９】
2020061533.tif 000011
【図１０】
2020061533.tif 000012
【図１１】
2020061533.tif 000013
【図１２】
2020061533.tif 000014
【図１３】
2020061533.tif 000015
【図１４】
2020061533.tif 000016