(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主表面、および前記一方の主表面と反対側の他方の主表面を有する第１導電型の半導体基板を含む電力用半導体素子と、
前記半導体基板の前記一方の主表面の少なくとも一部を覆うように形成された樹脂膜と、
前記電力用半導体素子および前記樹脂膜の少なくとも一部を覆うように形成された封止絶縁材料とを備える半導体装置であって、
前記電力用半導体素子は、
前記半導体基板の前記一方の主表面における第１領域を覆うように形成された第１電極と、
前記他方の主表面における前記第１領域と平面的に重なる領域を含むように形成された第２電極と、
前記半導体基板の前記一方の主表面における前記第１領域の平面視での外側である第２領域に形成された第２導電型のガードリングと、
前記第２領域において前記ガードリングを覆うように形成された非導電無機膜とをさらに含み、
前記樹脂膜は、平面視において前記ガードリングと重なる領域上に形成され、
前記非導電無機膜の真上の少なくとも一部における前記樹脂膜の厚みは３５μｍ以上であり、
前記樹脂膜は単層膜であり、
前記樹脂膜の最外縁は、前記半導体基板側に凸形状となり、かつ前記半導体基板側にて樹脂膜の前記一方の主表面に沿う方向の幅が広くなるように湾曲しており、
前記樹脂膜の最外縁は前記半導体基板の最外縁よりも平面視における内側に配置される、半導体装置。
【請求項２】
前記樹脂膜はポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドからなる群から選択されるいずれかにより形成される、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記樹脂膜の最外縁が湾曲した領域の前記一方の主表面に沿う方向の寸法は、前記樹脂膜の最外縁が湾曲した領域の前記一方の主表面に交差する方向の寸法よりも小さい、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体基板は、シリコン、炭化珪素、および窒化ガリウムからなる群から選択される１種以上の材料により形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記非導電無機膜は、酸化珪素および窒化珪素からなる群から選択される１種以上の材料により形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５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、
前記半導体基板を準備する工程と、
前記樹脂膜を形成する工程とを備え、
前記樹脂膜を形成する工程は、ディスペンサを用いて前記一方の主表面上に前記樹脂膜を構成する材料を塗布する工程と、
前記材料を塗布する工程の後に、前記半導体基板を熱処理する工程とを含む、半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記樹脂膜を形成する工程は、前記材料を塗布する工程の後に、前記材料に対して写真製版技術によるパターニングを行なう工程をさらに含む、請求項６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】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に電力制御に用いられる半導体素子を有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）などの電力用半導体素子を備えた電力用の半導体装置においては、電流値または電圧値などの主耐圧特性を安定させるために、ＩＧＢＴを取り囲むようにガードリングなどの外周接合領域が形成される。またこのガードリングにおける電位分布を安定にするために、ガードリング上に半絶縁性の非導電無機膜が形成される。【０００３】
また一般に、電力用の半導体装置は、ＩＧＢＴまたはダイオードなどの電力用の半導体素子が搭載された半導体チップがシリコーンゲルなどの封止絶縁材料によって封止された構成を有している。この状態で、当該電力用の半導体装置に含まれる電極であるコレクタとエミッタとの間に電圧が印加されると、封止絶縁材料中に含まれる不純物イオンのうち正イオンがグランド側へ集まり、負イオンが高電位側へ集まることにより、封止絶縁材料に分極が生じる。この分極によりガードリングにおける電界強度分布が変化し、コレクタとエミッタとの間の電流および電圧の主耐圧特性が不安定になることがある。【０００４】
そこでたとえば特開２０１３−１９１７１６号公報（特許文献１）においては、ガードリングを互いに不純物濃度の異なる複数の領域に分けて形成し、かつ非導電無機膜としての酸化珪素無機層上に厚みが５０μｍ以上の樹脂膜を形成することにより、ガードリングにおける電界集中を緩和させ、封止樹脂材料の分極を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９１７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし上記の構成を適用しても、特開２０１３−１９１７１６号公報においては非導電無機膜としての酸化珪素無機層の最外縁における樹脂膜の形状が考慮されていない。たとえば当該最外縁が上に凸の形状を有することにより、封止樹脂材料の分極が抑制できない可能性がある。また樹脂膜が厚すぎるために樹脂膜に加わる応力が大きくなりこれが半導体素子の表面から剥離してその信頼性が低下したり、膜が厚くなる分だけ樹脂膜の製造コストが増大したりするなどの問題が起こり得る。【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、主耐圧特性をより安定させることが可能な高信頼性の半導体装置およ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】
【０００８】
本発明の半導体装置は、電力用半導体素子と、樹脂膜と、封止絶縁材料とを備える。電力用半導体素子は、半導体基板の一方の主表面における第１領域を覆う第１電極と、半導体基板の他方の主表面に形成される第２電極と、第１領域の外側である第２領域に形成されたガードリングと、第２領域においてガードリングを覆う非導電無機膜とを含む。樹脂膜は平面視においてガードリングと重なり、非導電無機膜上の樹脂膜の厚みは３５μｍ以上である。樹脂膜は単層膜であり、樹脂膜の最外縁は下側に広くなるフィレット形状を有する。樹脂膜の最外縁は半導体基板の最外縁よりも内側に配置される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、封止樹脂材料の分極の抑制に寄与する樹脂膜の厚み、層数、最外縁の形状、および最外縁の位置を制御することにより、主耐圧特性をより安定させることが可能な、高信頼性の半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態における半導体装置の構成の一例を示す概略断面図である。
【図２】図１中に点線で囲まれた領域ＩＩにおける構成および寸法の定義を示す概略断面図である。
【図３】本実施の形態の半導体装置における、樹脂膜の厚みとリーク電流との関係を示すグラフである。
【図４】本実施の形態における半導体装置の構成の、図１とは異なる他の例を示す概略断面図である。
【図５】本実施の形態の半導体装置の製造方法の第１例を説明するための第１工程を示す概略断面図（Ａ）と、同第２工程を示す概略断面図（Ｂ）と、同第３工程を示す概略断面図（Ｃ）とである。
【図６】図５により形成された部材をダイシングする前の状態、および寸法の定義を示す概略断面図（Ａ）と、同ダイシングした後の状態、および寸法の定義を示す概略断面図（Ｂ）とである。
【図７】本実施の形態の半導体装置の製造方法の第２例を説明するための第１工程を示す概略断面図（Ａ）と、同第２工程を示す概略断面図（Ｂ）と、同第３工程を示す概略断面図（Ｃ）とである。
【図８】比較例における半導体装置の構成を示す概略断面図である。
【図９】本実施の形態における半導体チップと樹脂膜と封止絶縁材料との三重点およびそれに隣接する領域の態様を拡大して示す、概略拡大断面図である。
【図１０】図９中に点線で囲まれた領域Ｘにおける構成の、本実施の形態とは異なる他の態様の第１例およびその領域における応力の印加を示す概略拡大断面図（Ａ）と、同態様の第２例およびその領域における応力の印加を示す概略拡大断面図（Ｂ）と、同態様の第３例およびその領域における応力の印加を示す概略拡大断面図（Ｃ）とである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、一実施の形態について図に基づいて説明する。
まず図１〜図４を用いて、本実施の形態の半導体装置の構成について説明する。図１を参照して、本実施の形態の半導体装置１００は、電力用半導体素子１０と、樹脂膜１１と、封止絶縁材料１３とを主に備えている。
【００１２】
半導体装置１００は電力制御に用いられる半導体素子を有するパワーモジュールであるため、電力用半導体素子１０はＩＧＢＴなどの素子を搭載している。電力用半導体素子１０は、半導体基板としての半導体チップ１と、第１電極３と、第２電極５と、ガードリング８と、非導電無機膜９とを含んでいる。
【００１３】
半導体チップ１はたとえば平面視において矩形状または正方形状を有する薄板部材である。すなわち半導体チップ１は、一方の主表面１ａと、これと反対側の他方の主表面１ｂとを有している。ここでは図１の上側に一方の主表面１ａが、図１の下側すなわち図示されないが装置全体の土台が配置される側に他方の主表面１ｂが配置されるものとする。
【００１４】
半導体チップ１はたとえばシリコン、炭化珪素、および窒化ガリウムからなる群から選択される１種以上の材料により形成されている。すなわち上記の材料を２種類以上組み合わせた材料により半導体チップ１が形成されていてもよい。半導体装置をパワーモジュールとして高性能に機能させる観点から、上記の材質により半導体チップ１が形成されることが好ましい。半導体チップ１は第１導電型であり、すなわちたとえばｎ型の半導体基板として形成されている。
【００１５】
半導体チップ１は、特に一方の主表面１ａにおいて、第１領域１ｃと、第２領域１ｄとを有している。第１領域１ｃは、一方の主表面１ａの平面視における比較的内側の領域であり、この領域を覆うように第１電極３が形成されている。また半導体チップ１の他方の主表面１ｂにおいては、第１領域１ｃと平面的に重なる領域を含むように第２電極５が形成されている。図１においては第２電極５は、第１領域１ｃと平面的に重なる領域すなわち第１電極３と平面的に重なる領域を含むように、その外側の領域にも拡がるように形成されている。図１においては第２電極５は、他方の主表面１ｂの全面を覆うように形成されている。
【００１６】
第１電極３と第２電極５と、これらの間に挟まれる半導体チップ１の領域とにより、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子が形成される。
【００１７】
第２領域１ｄは、半導体チップ１の一方の主表面１ａにおける第１領域１ｃの平面視での外側の領域である。第２領域１ｄにはガードリング８が形成されている。ガードリング８は第２導電型であるたとえばｐ型の不純物領域として形成されている。ガードリング８は平面視において第１領域１ｃおよび第１電極３を取り囲むように、すなわちＩＧＢＴなどを取り囲むように形成されている。ガードリング８はその全体が第１電極３の平面視における外側に配置されていることが好ましい。
【００１８】
ガードリング８を形成することによって、当該半導体装置１００に含まれる電極であるコレクタとエミッタとの間に電圧が印加される際に、空乏層がガードリング８側にも延びるため、エミッタに隣接する領域におけるｐｎ接合の電界強度が緩和される。これにより、コレクタとエミッタとの間の電流および電圧を安定させることができる。
【００１９】
非導電無機膜９は、第２領域１ｄにおいてガードリング８を覆うように形成されている。図１においてはガードリング８の全体を覆うように非導電無機膜９が形成されている。非導電無機膜９は、第１電極３側すなわち内側の領域において、第１電極３に乗り上げられる構成を有していてもよい。非導電無機膜９は、たとえば酸化珪素および窒化珪素からなる群から選択される１種以上の材料により形成されている。すなわち非導電無機膜９は、酸化珪素または窒化珪素のいずれかのみから形成されてもよいし、酸化珪素と窒化珪素との双方の組み合わせた材料により形成されてもよい。
【００２０】
なお図１のように非導電無機膜９の第１領域１ｃ側の最外縁およびそれに隣接する領域は、第１電極３に覆われるように形成されていてもよい。ただし非導電無機膜９の第１領域１ｃ側の最外縁が第１電極３に覆われることなく、当該最外縁が直接樹脂膜１１に覆われる構成であってもよい。
【００２１】
上記のように酸化窒素などの材料からなる非導電無機膜９をガードリング８の上に形成することにより、ＩＧＢＴのコレクタとしてのたとえば第１電極３とエミッタとしてのたとえば第２電極５との間に電圧が印加された際に、当該非導電無機膜９に微小電流が流れる。この微小電流により、ガードリング８と非導電無機膜９との間の領域の電位が固定されて、ガードリング８の電位分布が安定する。
【００２２】
以上に述べた各部材からなる電力用半導体素子１０の少なくとも一部、特に半導体チップ１の一方の主表面１ａの少なくとも一部を覆うように、樹脂膜１１が形成されている。樹脂膜１１は、一方の主表面１ａの少なくとも一部である図１の非導電無機膜外領域１１ａを覆うように形成されており、第２領域１ｄを覆うように形成されている。図１のように樹脂膜１１は第２領域１ｄのみに形成されていてもよく、第２領域１ｄの全体を覆うように形成されていてもよい。ただし樹脂膜１１は第２領域１ｄのみならず第１領域１ｃの一部の領域にも形成されてもよい。これにより、樹脂膜１１は、特に平面視においてガードリング８と重なる領域上に形成されている。また樹脂膜１１は、たとえばその最も内側の領域において第１領域３の上に乗り上げる態様を有していてもよい。
【００２３】
また非導電無機膜９がガードリング８（の全体）を覆うように形成されていることから、樹脂膜１１は、非導電無機膜９を直接覆うように形成されている。ただし樹脂膜１１は非導電無機膜９の平面視における全体を覆う必要はなく、その一部のみを覆う構成であってもよい。
【００２４】
樹脂膜１１は耐熱性と絶縁性となどを兼ね備えたポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドからなる群から選択されるいずれかにより形成されている。ただし樹脂膜１１は絶縁性を確保できる任意の樹脂材料により構成することができる。
【００２５】
図１においては、非導電無機膜９および樹脂膜１１はいずれも、半導体チップ１の最外縁の真上には形成されず、それよりも平面視における内側の領域に最外縁を有するように形成されている。すなわち半導体チップ１の最外縁、および一方の主表面１ａの最外縁に隣接する領域としてのチップ最外領域１ｅは、非導電無機膜９および樹脂膜１１のいずれにも覆われず、後述の封止絶縁材料１３に直接覆われる構成となっている。しかし一方の主表面１ａの最外縁に隣接するチップ最外領域１ｅが非導電無機膜９および樹脂膜１１の少なくとも一方または双方に覆われる構成となっていてもよい。
【００２６】
図１および図２を参照して、樹脂膜１１は単層膜としてすなわち１層の膜として形成されている。樹脂膜１１は、ガードリング８と平面視において重なる領域および第２領域１ｄを含むそのほぼ全体において、最上面１１ｔが一方の主表面１ａに沿うように（ほぼ平行に）拡がる平面となっている。ただし樹脂膜１１は、その平面視における最外縁１１ｂにおいては一方の主表面１ａに沿うように拡がる平面とはなっておらず、半導体チップ１側に凸形状となるように（すなわち図１および図２の下側に凸形状となるように）湾曲している。またこの最外縁１１ｂは、半導体チップ１側すなわち図１および図２の下側にて樹脂膜１１の一方の主表面１ａに沿う方向すなわち図１および図２の左右方向の幅が広くなるように湾曲している。
【００２７】
樹脂膜１１はその大半の領域において一方の主表面１ａに沿う最上面１１ｔを有しているが、一部の非導電無機膜外領域１１ａでは一方の主表面１ａを直接覆い、他の一部の領域では非導電無機膜９を直接覆い、さらに他の一部の領域では第１電極３を直接覆っている。このため樹脂膜１１の、図２の上下方向に関する厚みＴは、領域間で異なっている。ただしここでは樹脂膜１１の、非導電無機膜９の真上の少なくとも一部の領域、すなわち非導電無機膜９を直接覆う領域における厚みをＴと定義する。このとき厚みＴは３５μｍ以上である。言い換えれば、一方の主表面１ａに沿って拡がる樹脂膜１１の最上面１１ｔと非導電無機膜９との、図２の上下方向に関する距離としての樹脂膜１１が厚みＴであり、その厚みＴは３５μｍ以上である。
【００２８】
図３を参照して、このグラフの横軸は上記定義に基づく樹脂膜１１の厚みＴを示し、縦軸は電力用半導体素子１０を含むパワーモジュールのリーク電流を示す。上記の樹脂膜１１の厚みＴについては、電力用半導体素子１０を含むパワーモジュールのリーク電流が１０ｍＡを下回る膜厚として３５μｍ以上であることが好ましいといえる。ただしこの厚みＴは５０μｍ未満であることが好ましく、４５μｍ以下であることがより好ましい。さらにこの厚みＴは４０μｍ以下であることがいっそう好ましい。ただし樹脂膜１１の厚みＴが３５μｍ以下の場合には、パワーモジュールのリーク電流が１０ｍＡを上回るため、樹脂膜１１に要求される耐圧値を満足することができない。
【００２９】
図２において樹脂膜１１の最外縁１１ｂが湾曲した領域の、半導体チップ１の一方の主表面１ａに沿う方向の寸法Ｂは、樹脂膜１１の最外縁１１ｂが湾曲した領域の一方の主表面１ａに交差する方向の寸法Ａよりも小さくなっている。この寸法Ａは、ここでは上記の非導電無機膜９の厚みＴよりは厚いものとして定義される。
【００３０】
その他、本実施の形態の樹脂膜１１は、形状および寸法について以下の特徴を有している。図２において、半導体チップ１の最外縁１ｆから、樹脂膜１１の最外縁１１ｂまでの、一方の主表面１ａに沿う方向の寸法Ｄは、１０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。また第１電極３の最外縁３ｂから、樹脂膜１１の最外縁３ｂの最も外側の領域すなわち図２の最下部（半導体チップ１と接する後述の三重点１４）における樹脂膜１１の最外縁３ｂの位置までの、一方の主表面１ａに沿う方向の寸法Ｅは、１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。また、樹脂膜１１の湾曲した最外縁１１ｂの最下部すなわち半導体チップ１と接する点における最外縁１１ｂの接線１５と、半導体チップ１の一方の主表面１ａとのなす角度αは９０°以下であることが好ましい。
【００３１】
再度図１を参照して、電力用半導体素子１０はその下方の電極２１と、接合層２３により接合されている。具体的には電力用半導体素子１０に含まれる第２電極５が、図示されない半導体装置１００の土台となる回路基板に形成された電極２１と、接合層２３により接合されている。電極２１は熱拡散板を兼ねた材料である。上記においては図示されない回路基板の一部としての電極２１を示しているが、この電極２１の代わりに、絶縁材料からなる絶縁基板が接合層２３により接合されてもよい。また接合層２３ははんだを用いることが好ましいが、銀などを用いてもよい。
【００３２】
図１のように第２電極５が電極２１と接合される場合、電極２１は第２電極５と電気的に接続される。そして第１電極３は電線２５により、電極２１は電線２７により、半導体装置１００の外部と電気的に接続される。電線２５，２７はボンディングワイヤのような線状のものであってもよいし、板状のリードフレームがはんだなどの接合材により第１電極３などに接続されたものであってもよい。なお図１においては電線２５は第１電極３から、電線２７は電極２１から、いずれも半導体装置１００の外部にまで延びることにより、電力用半導体素子１０が半導体装置１００の外部と電気的に接続されている。しかし図４を参照して、半導体装置１００に封止絶縁材料１３の内部から外部まで延びる外部接続端子３１，３３が設けられ、電線２５が外部接続端子３１に、電線２７が外部接続端子３３に接続されることにより、電力用半導体素子１０が半導体装置１００の外部と電気的に接続されてもよい。
【００３３】
再度図１および図２を参照して、以上の電力用半導体素子１０および樹脂膜１１の少なくとも一部を覆うように、封止絶縁材料１３が形成されている。具体的には封止絶縁材料１３は、電力用半導体素子１０を構成する半導体チップ１の側面、チップ最外領域１ｅ、第１領域３の上面、樹脂膜１１の最上面１１ｔおよび最外縁１１ｂ、電極２１の上面の一部および側面、電線２５，２７、外部接続端子３１，３３の一部などを直接覆い、これらを包むように封止している。封止絶縁材料１３はシリコーンゲルまたはエポキシ樹脂により構成されることが好ましく、あるいはこれらの材料を組み合わせた材料により構成されてもよい。
【００３４】
次に、図５〜図７を用いて、以上の構成を有する半導体装置１００のうち、特に半導体チップ１およびその上方の領域の製造方法について説明する。
【００３５】
図５（Ａ）を参照して、上記の一方の主表面１ａおよび他方の主表面１ｂを有する半導体チップ１を形成するための半導体基板としてのチップ形成用部材１０１が準備される。なおチップ形成用部材１０１はダイシングにより個々の半導体チップ１を形成する前の状態の半導体基板を意味しており、チップ形成用部材１０１と半導体チップ１とは同一部材である。しかしここではダイシング前の半導体基板をチップ形成用部材１０１、ダイシング後の半導体基板を半導体チップ１と呼んで区別する。
【００３６】
図示および詳細な説明を省略するが、チップ形成用部材１０１の他方の主表面１ｂ上には第２電極５が形成される。そして一般公知の成膜工程および写真製版技術により、一方の主表面１ａ上には非導電無機膜９および第１電極３のパターンが形成される。
【００３７】
その後、一方の主表面１ａ上に樹脂膜１１が形成される。非導電無機膜９および第１電極３のパターンを覆うように、ディスペンサ１１０を用いて、一方の主表面１ａ上に樹脂膜１１を構成する材料である塗布材料１１１が塗布される。塗布材料１１１は、樹脂膜１１を構成するたとえばポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドからなる群から選択されるいずれかにより構成される。ここでは一例として塗布材料１１１は感光性のポリイミドであるとする。
【００３８】
塗布材料１１１は、チップ形成用部材１０１の一方の主表面１ａ上の全面に塗布される。具体的には、ここではたとえば一方の主表面１ａ上に塗布材料１１１を、線幅６ｍｍの線を５ｍｍ間隔で描くように塗布することにより、一方の主表面１ａ上の全面に塗布材料１１１を供給することができる。
【００３９】
次に、図５（Ｂ）を参照して、一方の主表面１ａ上に供給された塗布材料１１１としての感光性ポリイミドに対し、プリベークすなわち軽い熱処理がなされる。その後、当該材料に対して写真製版技術によるパターニングがなされる。具体的には写真製版技術として一般公知の露光工程および現像工程がなされる。
【００４０】
露光工程においては、遮光領域１６１と非遮光領域１６２とを有する平板形状の露光用マスク１６０を用いて、その上方から光源が図中矢印のように照射される。その後、現像処理により感光性ポリイミドがパターニングされる。
【００４１】
図５（Ｃ）を参照して、図５（Ｂ）におけるたとえば非遮光領域１６２の真下すなわち露光を受けた部分の塗布材料１１１が残存し、遮光領域１６１の真下すなわち遮光された部分の塗布材料１１１が除去される。しかしこれと逆に、たとえば非遮光領域１６２の真下において塗布材料１１１が除去され、遮光領域１６１の真下において残存する感光剤が用いられてもよい。
【００４２】
写真製版技術による塗布材料１１１のパターニングの後に（すなわち塗布材料１１１を塗布する工程の後に）、塗布材料１１１を固化させるために、塗布材料１１１を含むチップ形成用部材１０１が熱処理される。ここでは熱処理である、高温キュアと呼ばれる処理がなされる。これにより、図２に示す最外縁１１ｂの一方の主表面１ａに沿う方向の寸法Ｂが３５μｍ以下であり、かつ非導電無機膜９とその真上における平坦な最上面１１ｔとの距離である厚みＴが３５μｍ以上である樹脂膜１１が形成される。
【００４３】
図５（Ｃ）においては、図の左側半分の領域と右側半分の領域との間で２つの電力用半導体素子１０が形成可能となっている。すなわち図の左側半分の領域と右側半分の領域との間の領域は、チップ最外領域１ｅに相当する。この後、図示されないが、チップ最外領域１ｅにおいてチップ形成用部材１０１が図の上下方向にダイシングすなわち切断される。これにより図５（Ｃ）の左側半分の領域と右側半分の領域との２つの電力用半導体素子１０（半導体チップ１）に分割される。
【００４４】
図６（Ａ），（Ｂ）を参照して、図５の左側半分の領域と右側半分の領域との間のチップ最外領域１ｅに相当する領域は、非導電無機膜９および樹脂膜１１は、形成されてもよいが形成されないことが好ましい領域である。この領域は、チップ形成用部材１０１をダイシングして個々の半導体チップ１に分割するダイシングエリア５０であり、この領域に非導電無機膜９および樹脂膜１１が形成されていれば、ダイシングブレードの表面に非導電無機膜９および樹脂膜１１の構成材料による目詰まりが発生する可能性があるためである。すなわちダイシングエリア５０に非導電無機膜９および樹脂膜１１が形成されないようにすれば、ダイシングブレードの表面の目詰まりを軽減することができる。このように加工するため、樹脂膜１１の最外縁１１ｂは半導体チップ１の最外縁１ｆよりも平面視における内側に配置され、この領域に相当するチップ最外領域１ｅは封止絶縁材料１３に直接封止される。
【００４５】
図６（Ａ）に示すように、図５の左側半分の領域と右側半分の領域との非導電無機膜９の間隔Ｄ１は、当該領域の樹脂膜１１の間隔Ｄ２よりも大きくなっており、部分的に樹脂膜１１が半導体チップ１の一方の主表面１ａ上に直接形成された非導電無機膜外領域１１ａが形成される。また図６（Ｂ）に示すように、間隔Ｄ１および間隔Ｄ２はいずれも、ダイシングブレードにより切断される領域の幅を示すダイシングブレード幅５０Ｄの寸法Ｄ３よりも大きくなっている。このようにすれば、非導電無機膜９および樹脂膜１１はともにダイシングブレードにより切削されることはない。
【００４６】
その後、電力用半導体素子１０が、はんだなどの接合層２３により電極２１と接合され、さらに第１電極３に電線２５が、電極２１に電線２７が接続される。その後全体が封止絶縁材料１３により封止される。これにより、図１に示すパワーモジュールとしての半導体装置１００が形成される。
【００４７】
図５においては、ディスペンサ１１０による塗布材料１１１の塗布が、一方の主表面１ａ上の全面になされている。しかし図７（Ａ）を参照して、塗布材料１１１の供給時に一方の主表面１ａ上に描く線の間隔を当該線の幅よりも広くすることにより、塗布材料１１１を一方の主表面１ａ上の一部の領域のみに、複数の線を描くように供給する方法が用いられてもよい。この場合、塗布材料１１１は、特に（図示されないが）概ね非導電無機膜９の真下に配置されるガードリング８を幅方向の中心とする位置に供給されることが好ましい。
【００４８】
図７（Ａ）のようにディスペンサ１１０を用いて塗布材料１１１を線状に供給することにより、塗布材料１１１の膜を平面状ではなく立体状として形成し、当該膜の表面積を増やすことができる。このため、最終的に残留揮発成分が樹脂膜１１内に残らないようにすることができる。またこの工程で形成される塗布材料１１１の線状パターンは、最終的に得ようとしている樹脂膜１１の厚みＴである３５μｍ以上５０μｍ以下程度に比べて非常に大きい。このため樹脂膜１１は単層の膜として形成することができる。このように最終的に得ようとしている樹脂膜１１にくらべて充分に厚い塗布材料１１１のパターンを形成することにより、膜厚追加のための工程追加を不要とすることができ、工程追加に伴うコスト増加を抑制することができる。
【００４９】
図７（Ｂ）を参照して、次に図５（Ｂ）と同様に、塗布材料１１１に対して写真製版技術によるパターニングがなされる。ここではガードリング８および非導電無機膜９の真上の領域において主に塗布材料１１１が残存するように、露光用マスク１６０の位置が調整されることが好ましい。これにより、塗布材料１１１としての感光性ポリイミドの濡れ広がり部分が除去され、チップ形成用部材１０１上の素子パターンに無駄なく合致した任意の形状の塗布材料１１１のパターンを形成することができる。
【００５０】
図７（Ｃ）を参照して、図５（Ｃ）の工程と同様にチップ形成用部材１０１が熱処理され、以降図５の工程がなされた場合と同様に処理が進められる。これにより、図１に示すパワーモジュールとしての半導体装置１００が形成される。
【００５１】
次に、本実施の形態の半導体装置１００の動作原理および、半導体装置１００の比較例について解説しながら、本実施の形態の作用効果について説明する。
【００５２】
図８を参照して、本実施の形態に対する比較例としての半導体装置２００は、基本的に図１の半導体装置１００と同様の構成を有している。このため図８の半導体装置２００において図１の半導体装置１００と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。ただし図８の半導体装置２００は、樹脂膜１１が形成されておらず、図１における樹脂膜１１が配置される領域にも封止絶縁材料１３が配置されている。このため封止絶縁材料１３は、第１電極３の側面および非導電無機膜９の上面をも覆うように形成されている。
【００５３】
半導体装置の耐圧評価においては、コレクタとしてのたとえば図８の第１電極３とエミッタとしてのたとえば図８の第２電極５との間に電圧が印加される。この耐圧は半導体装置のオフ時の耐圧であって、当該半導体装置の定格電圧に対応した耐圧を保証する必要がある。たとえば定格電圧がそれぞれ６．５ｋＶ、４．５ｋＶ、３．３ｋＶの半導体装置においては、コレクタとしての第１電極３とエミッタとしての第２電極５との間にはそれぞれ６．５ｋＶ、４．５ｋＶ、３．３ｋＶの電圧を印加することになる。
【００５４】
このとき、半導体チップ１における第１電極３およびガードリング８よりも外側のチップ内最外領域１ｇが高電位となり、第２電極５が接地電位となるように電気的に接続される。なおここでチップ内最外領域１ｇは概ね一方の主表面１ａ上の最外縁１ｆに隣接する領域であるチップ最外領域１ｅの真下の領域、すなわちチップ最外領域１ｅの真下に隣接する半導体チップ１内部のｎ型の領域を意味する。また接地電位となるように接続される第２電極５は、平面視においてガードリング８よりも内側の領域を含むように配置されている。
【００５５】
ガードリング８上に形成された非導電無機膜９の上面は、直接封止絶縁材料１３に覆われている。この非導電無機膜９の上面上の封止絶縁材料１３の領域は、平面視における内側の領域に正のイオンが集まり、平面視における外側の領域に負のイオンが集まる。ここで封止絶縁材料１３の正および負のイオンとは、封止絶縁材料１３を構成するたとえばゲルの中に含まれる不純物イオンである。平面視における特に外側の領域すなわちチップ内最外領域１ｇの真上の領域の封止絶縁材料１３が負に分極することにより、その真下の半導体チップ１内の領域すなわちチップ内最外領域１ｇは、本来ｎ型のドリフト層の部分であるが、反転層としてｐ型層が形成される。
【００５６】
この状態でコレクタとエミッタとの間（たとえば第１電極３と第２電極５との間）に電圧が印加される。すると半導体チップ１内においては、反転層としてのｐ型層と、その真下のｎ型ドリフト層との界面から、主としてｎ型ドリフト層の側へ空乏層が延びることになる。すなわちチップ内最外領域１ｇに反転型ｐ型層が形成されることにより、空乏層は本来の位置よりも外側へ向かって延びやすくなる。そのため、半導体チップ１のチップ内最外領域１ｇにおけるｎ型層に隣接する空乏層においては、その延びにひずみが発生する。その結果、半導体チップ１のチップ内最外領域１ｇにおける電界強度が過剰に強くなり、半導体チップ１内にてリーク電流が発生することによる耐圧特性低下が発生する可能性がある。第２領域１ｄにおいてガードリング８を覆うように形成された非導電無機膜９により、封止絶縁材料１３内におけるイオンの分極による、半導体チップ１内の電界強度を緩和させることができるものの、それだけでは対策として不十分である。
【００５７】
このような比較例の課題を解決すべく、再度図１を参照して、本実施の形態の半導体装置１００は、半導体チップ１の一方の主表面１ａの少なくとも一部を覆うように樹脂膜１１が形成された構成を有している。樹脂膜１１は一方の主表面１ａに沿うように拡がる最上面１１ｔとその真下の非導電無機膜９との間の厚みＴ（図２参照）が３５μｍ以上であるため、上記のように半導体装置１００のリーク電流を１０ｍＡ以下とすることができる。これは以下の理由による。
【００５８】
半導体チップ１の特にガードリング８と重なる第２領域１ｄ上に、樹脂膜１１を形成することにより、第２領域１ｄを含む半導体チップ１の比較的外側の領域と封止絶縁材料１３との間に樹脂膜１１が介在する態様となる。これにより、第２領域１ｄを含む半導体チップ１の比較的外側の領域、たとえばチップ内最外領域１ｇは、封止絶縁材料１３内におけるイオンの分極の影響を受けにくくなる。すなわちたとえばチップ内最外領域１ｇに反転型ｐ型層が形成されにくくなる。
【００５９】
これにより、半導体チップ１のチップ内最外領域１ｇにおける電界強度が過剰に強くなり、半導体チップ１内にてリーク電流が発生する可能性を低減することができる。これはチップ内最外領域１ｇにひずんだ空乏層が形成される可能性が低減され、設計通りの位置に設計通りの電界強度および空乏層を得ることができるためである。すなわち半導体装置１００の駆動時における電界強度の緩和を図ることができる。また樹脂膜１１が厚く形成されるほど、半導体チップ１内を封止絶縁材料１３のイオン分極による影響から保護する効果が高められる。このため図３に示すように、樹脂膜１１の厚みＴを大きくするほど、リーク電流を小さくすることができる。この意味で樹脂膜１１の厚みＴは３５μｍ以上であることが好ましい。
【００６０】
しかし樹脂膜１１を過剰に厚くすれば、樹脂膜１１に加わる応力が大きくなりこれが半導体チップ１の表面から剥離してその信頼性が低下するなどの問題が起こり得る。このため樹脂膜１１の厚みＴは５０μｍ未満であることが好ましく、４５μｍ以下であることがより好ましい。さらにこの厚みＴは４０μｍ以下であることがいっそう好ましい。
【００６１】
樹脂膜１１はポリイミド、ポリアミドおよびポリアミドイミドからなる群から選択されるいずれかにより形成される。これにより、樹脂膜１１が封止絶縁材料１３の分極による半導体チップ１側への影響を緩和させる効果が高められる。また上記材質の樹脂膜１１は、半導体チップ１側への応力緩和の効果、ならびに半導体チップ１に対する耐熱性および絶縁性を高める効果をもたらすこともできる。
【００６２】
なお樹脂膜１１の最外縁１１ｂが半導体チップ１の最外縁１ｆよりも平面視における内側に配置される。これは上記のように、半導体チップ１のダイシング工程におけるダイシングブレードの表面の目詰まりを抑制するために、チップ形成用部材１０１にダイシングエリア５０が設けられるためである。非導電無機膜９についても同様であり、その最外縁は半導体チップ１の最外縁１ｆよりも平面視における内側に配置されている。
【００６３】
次に、図９を参照して、樹脂膜１１の最外縁１１ｂは、半導体チップ１側に凸形状となるように湾曲し、かつ樹脂膜１１が下側に幅が広くなるようなフィレット状を有している。これにより、最外縁１１ｂの最下点は半導体チップ１と樹脂膜１１と封止絶縁材料１３との三重点１４における応力集中および樹脂膜１１の剥離発生を抑制することができる。このことについて、図１０を用いて説明する。
【００６４】
図１０（Ａ）を参照して、たとえば樹脂膜１１の最外縁１１ｅが半導体チップ１の一方の主表面１ａに対してほぼ直交するように図の上下方向に延びる場合を考える。半導体装置１００を構成する各構成部材間の線膨張係数差に起因して各構成部材に熱収縮が起こる。このため、最外縁１１ｅの外側から図の矢印のように応力Ｆが加わる。すると樹脂膜１１の伸縮によりこの応力Ｆを吸収しようとするため、三重点１４には樹脂膜１１を半導体チップ１の一方の主表面１ａから剥離させるような力が加わる。
【００６５】
図１０（Ｂ）を参照して、樹脂膜１１が半導体チップ１の一方の主表面１ａに対してほぼ直交するように図の上下方向に延びるが、一方の主表面１ａに隣接する領域において図９の最外縁１１ｂとは逆方向すなわち半導体チップ１側（図の下側）にてその一方の主表面１ａに沿う左右方向の幅が小さくなるように湾曲している例を考える。この場合も図１０（Ａ）の場合と同様に、図の矢印のように加わる応力Ｆに起因して三重点１４には樹脂膜１１を半導体チップ１の一方の主表面１ａから剥離させるような力が加わる。
【００６６】
そこで図１０（Ｃ）を参照して、三重点１４に隣接する領域において、半導体チップ１側（下側）に向かうにつれ樹脂膜１１の左右方向の幅が広くなるような形状の最外縁１１ｅが設けられれば、応力Ｆが加わる際には図中の細い矢印に示すような最外縁１１ｅに沿う方向に樹脂膜１１が熱収縮する。このため図１０（Ｃ）においては三重点１４での樹脂膜１１の半導体チップ１からの剥離を抑制することができる。したがって本実施の形態の樹脂膜１１の最外縁１１ｂは、図１０（Ｃ）と同様に樹脂膜１１の下側に広くなる形状を有する下に凸の曲面形状を有することから、上記のように応力Ｆによる三重点１４での剥離を抑制することができる。
【００６７】
ただし、最外縁１１ｂの幅方向の寸法Ｂ（図２参照）を過剰に長くすれば、ダイシングエリア５０によりチップ最外領域１ｅとして形成される、樹脂膜１１から一方の主表面１ａが露出した領域に不要な成膜がなされることによりダイシング時の目詰まりが発生する可能性がある。またフィレットとしての最外縁１１ｂの左右方向の幅に合わせるようにチップ最外領域１ｅを広くすれば、半導体チップ１の平面視におけるサイズが大きくなり製造コストが増加する。
【００６８】
そこで、現状のダイシングブレード幅５０Ｄの寸法Ｄ３（図５（Ｂ）参照）が３５μｍ以下であることを考慮しつつ、図２の寸法Ｂが寸法Ａよりも小さくなるように樹脂膜１１の最外縁１１ｂが形成されることが好ましい。このようにすれば、最外縁１１ｂのフィレット幅Ｂ（図２参照）を小さくし、ダイシングエリアにより得られるチップ最外領域１ｅを小さくすることができる。このため、半導体チップ１の平面視におけるサイズを小さくし、その製造コストを低減することができる。またダイシング時の目詰まりの発生を抑制することもできる。
【００６９】
次に、上記の半導体装置１００の製造方法の、特に樹脂膜１１を形成する工程については以下の作用効果を有する。通常、半導体装置の製造工程においてはフォトレジストまたはポリイミドなどの塗布材料１１１を半導体基板の主表面上に供給する際にはスピンコートが用いられる。しかしこの場合、半導体基板の熱処理後における当該樹脂膜１１の膜厚を半導体基板の主表面上において同様の膜厚にすることは極めて困難である。それはスピンコートは遠心力により膜を広げる方式であるため、熱処理後に最終的に形成される樹脂膜１１の膜厚を３５μｍ以上とするためには、当初塗布材料１１１を５０μｍ以上の厚みとなるように塗布する必要がある。たとえば半導体基板である円形の半導体ウェハの平面視における中央部に５０μｍの厚みを有する樹脂膜１１を形成する場合には、スピンコートによる処理後の塗布材料１１１の厚みは、当該半導体ウェハの外縁部においては中心部よりも１．５倍から２倍程度の厚みになる。
【００７０】
塗布後に塗布材料１１１に含まれる溶媒揮発成分を乾燥させるためにホットプレートで行なわれるプリベークにおいては、半導体ウェハの下方から加熱された際に塗布材料１１１の膜の厚みの差による膜内の潜熱に差異が生じる。このためにホットプレート内にてレイリー・ベナール対流と呼ばれる自然対流が発生する。このため半導体ウェハの表面の乾燥および硬化による塗布材料１１１の膜内の溶媒残存を防ぐように制御しながら塗布材料１１１に含まれる溶媒の揮発を行なう。しかし塗布材料１１１の膜が過剰に厚ければ、当該膜内の溶媒揮発成分量が膜の表面積の大きさと対比したときに過多となる。すると当該膜内の揮発成分の乾燥が終了する前に当該膜の表面が硬化してしまい、揮発しきれずに当該膜内に残存した残留揮発成分がその後に膜内で揮発してボイドを発生させる問題が生じ得る。
【００７１】
このような問題を回避するためには、厚い樹脂膜１１を形成する場合においても、いったん薄い膜を形成してプリベークを行ない、その後に再度その薄い膜の上に塗布材料１１１の供給およびスピンコート工程を行なうことにより膜厚を厚くする方法が用いられる。しかしこのような工程を用いれば、工程数の増加によりコスト増となる。またこのように樹脂膜１１が複数回の塗布材料１１１の供給により形成されれば、１回目の成膜による層と２回目の成膜による層との間に隙間としての境界部が形成される。このようになれば、これらの隙間を起点として１回目の成膜による層と２回目の成膜による層とが互いに剥がれる可能性がある。このような剥がれが発生すれば、その部分において上記の電界緩和効果が弱められ、当該半導体装置の信頼性が低下する可能性がある。
【００７２】
そこで本実施の形態においては、ディスペンサ１１０を用いて一方の主表面１ａ上に樹脂膜１１を構成する塗布材料１１１が塗布される。これにより、半導体ウェハすなわち図５、図７のチップ形成用部材１０１の一方の主表面１ａ上における領域間での塗布材料１１１の膜厚のばらつきを小さくすることができ、かつ内部にボイドが形成されない熱処理後の膜厚Ｔが３５μｍ以上のポリイミドの樹脂膜１１を形成することができる。またこの樹脂膜１１は単層での厚膜形成であり、膜厚増加に伴うプロセス増加を必要としないため、プロセス増加によるコスト増加を抑制することができる。さらに、樹脂膜１１を単層膜として形成することにより、樹脂膜１１が複数の層を有する場合の当該複数の層間での剥離および電界緩和効果の低下を抑制することができる。
【００７３】
また、スピンコート工程においては半導体ウェハ上に供給される塗布材料１１１の一部がその後の回転時の遠心力により半導体ウェハ上から除去されることになる。このため当初に供給された塗布材料１１１の６割程度のみが樹脂膜１１として寄与することになる。したがってスピンコート工程を用いた場合には塗布材料１１１の利用効率が低下する。しかし本実施の形態のようにディスペンサを用いて塗布材料１１１を供給する場合には、当初に供給された塗布材料１１１を１００％樹脂膜１１として寄与させることができ、塗布材料１１１の利用効率を向上させることができる。この観点からも、本実施の形態によれば、製造コストを大幅に低減させることができる。
【００７４】
また、供給された塗布材料１１１に対して写真製版技術によるパターニングを行なうことにより、意図しない領域に濡れ広がった部分の塗布材料１１１としてのたとえばポリイミドを除去することができる。これにより、半導体チップ１の一方の主表面１ａ上における半導体素子のパターンに無駄なく合致した任意の形状の樹脂膜１１のパターンを形成することができる。
【００７５】
以上に述べた各特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。
【００７６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７７】
１  半導体チップ、１ａ  一方の主表面、１ｂ  他方の主表面、１ｃ  第１領域、１ｄ  第２領域、１ｅ  チップ最外領域、１ｆ，３ｂ，１１ｂ，１１ｅ  最外縁、１ｇ  チップ内最外領域、３  第１電極、５  第２電極、８  ガードリング、９  非導電無機膜、１０  電力用半導体素子、１１  樹脂膜、１１ａ  非導電無機膜外領域、１１ｔ  最上面、１３  封止絶縁材料、１４  三重点、１５  接線、２１  電極、２３  接合層、２５，２７  電線、５０  ダイシングエリア、１００，２００  半導体装置、１１０  ディスペンサ、１１１  塗布材料、１６０  露光用マスク、１６１  遮光領域、１６２  非遮光領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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