(57)【要約】【課題】窒化物半導体を用いたＦＥＴを樹脂封止パッケージに搭載した半導体装置の耐湿性を向上させること。【解決手段】本発明は、窒化物半導体を用いたＦＥＴが形成されたチップ３０と、前記チップがＡｇペースト２２を用い搭載されたベース１２と、前記チップ３０を封止するガラス転移温度が１９０℃以上の樹脂２０と、を具備する半導体装置である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を用いたＦＥＴが形成されたチップと、
前記チップがＡｇペーストを用い搭載されたベースと、
前記チップを封止するガラス転移温度が１９０℃以上の樹脂と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置の動作チャネル温度は１９０℃以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ＡｇペーストはＡｇフィラーと有機バインダーの混合物であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記樹脂は熱硬化型エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ベースと前記樹脂を含むモールドパッケージを具備することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ガラス転移温度は、２１０℃以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ガラス転移温度は、２５０℃以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、例えばチップが樹脂封止された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高温動作に優れた窒化物半導体を用いたＦＥＴ（Field Effect Transistor）が開発されている。一方、半導体チップを搭載するパッケージとして、樹脂を用いチップを封止する樹脂封止パッケージが用いられている。樹脂封止パッケージは低コストであるため、多く用いられている。例えば、特許文献１には、化合物半導体からなるＦＥＴを樹脂封止した半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２３７４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、窒化物半導体を用いたＦＥＴを樹脂封止パッケージに搭載した半導体装置においては、通常のＦＥＴを樹脂封止パッケージに搭載した場合に比べ耐湿性に劣る。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、窒化物半導体を用いたＦＥＴを樹脂封止パッケージに搭載した半導体装置の耐湿性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、窒化物半導体を用いたＦＥＴが形成されたチップと、前記チップがＡｇペーストを用い搭載されたベースと、前記チップを封止するガラス転移温度が１９０℃以上の樹脂と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、窒化物半導体を用いたＦＥＴを樹脂封止パッケージに搭載した半導体装置の耐湿性を向上させることができる。
【０００７】
上記構成において、前記半導体装置の動作チャネル温度は１９０℃以上である構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記ＡｇペーストはＡｇフィラーと有機バインダーの混合物である構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記樹脂は熱硬化型エポキシ樹脂である構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記ベースと前記樹脂を含むモールドパッケージを具備する構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記ガラス転移温度は、２１０℃以上である構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記ガラス転移温度は、２５０℃以下である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、窒化物半導体を用いたＦＥＴを樹脂封止パッケージに搭載した半導体装置の耐湿性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施例に用いるＦＥＴの断面図である。
【図２】図２（ａ）および（ｂ）は、実施例に係る半導体装置のそれぞれ上面図および下面図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例に係る半導体装置のそれぞれ透視図および断面図である。
【図４】図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】図５は、比較例および実施例の耐湿性試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００１６】
まず、窒化物半導体を用いたＦＥＴについて説明する。図１は、実施例に用いるＦＥＴの断面図である。図１に示すように、基板４０上に、バッファ層４２、電子走行層４４、電子供給層４６およびキャップ層４８が順次形成され窒化物半導体層５０を形成している。基板４０は、例えばＳｉＣ、サファイアまたはＳｉからなる基板である。バッファ層４２は、例えば膜厚が３００ｎｍのＡｌＮ層である。電子走行層４４は、例えば膜厚が１０００ｎｍのＧａＮ層である。電子供給層４６は、例えば膜厚が２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層である。キャップ層４８は、例えば膜厚が５ｎｍのｎ型ＧａＮ層である。
【００１７】
窒化物半導体層５０上にゲート電極５４、ソース電極５２およびドレイン電極５６が形成されている。ゲート電極５４は、窒化物半導体層５０の上面において、ソース電極５２とドレイン電極５６の間に配置されている。ソース電極５２およびドレイン電極５６は、例えば窒化物半導体層５０側からＴａ層およびＡｌ層から形成されている。ゲート電極５４は、例えば窒化物半導体層５０側からＮｉ層およびＡｕ層から形成されている。ゲート電極５４を覆うように、窒化物半導体層５０上に例えば窒化シリコン膜からなる絶縁膜５８が形成されている。窒化物半導体層５０は、上記各層に限られない。窒化物半導体層５０としては、例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮもしくはＡｌＩｎＧａＮまたはこれらの層の積層を用いることができる。
【００１８】
図２（ａ）および（ｂ）は、実施例に係る半導体装置のそれぞれ上面図および下面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、半導体装置１００はチップ３０全体を樹脂で封止したモールドパッケージ（フルモールドパッケージ）の構造を有している。なお、半導体装置１００の下面には、Ｃｕ等の金属からなるベース１２と端子１４とが露出している。その他の部分は例えば熱硬化型エポキシ系樹脂等の樹脂２０で覆われている。
【００１９】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施例に係る半導体装置のそれぞれ透視図および断面図である。図３（ａ）は、上面から樹脂２０を透視して見た図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。ベース１２と端子１４とはリードフレーム１０を形成している。図１で示したようなＦＥＴが形成されたチップ３０およびキャパシタ３２がＡｇペースト２２を用いベース１２に搭載されている。好ましい一例として、ベース１２は、Ｃｕを主成分とする金属材料を採用することができる。この金属材料には、Ｃｕを主成分とし、他にＳｎ、Ｃｒ、Ｚｎのいずれか１つ以上を含む材料を採用できる。キャパシタ３２は、高誘電体を金属からなる上部電極および下部電極で挟んだＭＩＭ（Metal Insulator Metal）キャパシタチップである。ＦＥＴはチップ３０の上面に形成されている。チップ３０に形成されたＦＥＴのドレインと端子１４ａとはボンディングワイヤ２４ａにより電気的に接続されている。チップ３０に形成されたＦＥＴのゲートとキャパシタ３２の上面電極とはボンディングワイヤ２４ｃにより電気的に接続されている。キャパシタ３２の上面電極と端子１４ｂとはボンディングワイヤ２４ｂにより電気的に接続されている。ボンディングワイヤ２４ａ〜２４ｃとしてはＡｕワイヤを用いている。
【００２０】
図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図４（ａ）に示すように、リードフレーム１０は、ベース１２と１または複数の端子１４を備えている。ベース１２上にＡｇペースト２２を付着させる。図４（ｂ）に示すように、Ａｇペースト２２上にそれぞれチップ３０およびキャパシタ３２を配置する。キュアすることにより、チップ３０の下面（ＦＥＴが形成された上面と反対側の面）をベース１２に接合する。同様にキャパシタ３２の下部電極をベース１２に接合する。端子１４ａとチップ３０内のＦＥＴのドレインとをボンディングワイヤ２４ａを用い電気的に接続する。チップ３０内のＦＥＴのゲートとキャパシタ３２の上部電極とをボンディングワイヤ２４ｃを用い電気的に接続する。キャパシタ３２の上部電極と端子１４ｂとをボンディングワイヤ２４ｂを用い電気的に接続する。
【００２１】
チップ３０およびキャパシタ３２が搭載されたリードフレーム１０を金型内に配置する。熱硬化型モールド樹脂に温度・圧力を印加し、金型内に樹脂を流し込む。樹脂を金型とともに降温する。これにより樹脂が固化し、樹脂２０が形成される。その後、隣接するパッケージとリードフレーム１０が接続する箇所を切断する。これにより、フルモールドパッケージが完成する。
【００２２】
窒化物半導体を用いたＦＥＴにおいては、チャネル温度を１９０℃として動作させても特性が劣化しない。しかしながら、ＦＥＴを樹脂封止してチャネル温度を１９０℃として用いると、高温動作後の耐湿性試験でＦＥＴの電極間がショートしてしまう。このため、低コストの樹脂封止パッケージを用いＦＥＴを高温動作することができない。
【００２３】
本発明者らは、樹脂封止したＦＥＴでの耐湿性に樹脂のガラス転移温度が関係していることを突き止めた。以下に、発明者らが行なった実験について説明する。比較例および実施例として、ガラス転移温度がそれぞれ１５０℃および２１０℃の半導体装置を作製した。ＦＥＴは、飽和電力が３０Ｗであり、図１に示した構造を有している。各材料および膜厚は、図１の説明において例示したものである。図４（ａ）から図４（ｃ）のように、比較例および実施例にかかる半導体装置を作製した。
【００２４】
比較例および実施例について、まず、チャネル温度を１９０℃とし実用に見合うような時間に相当するＤＣ（Direct Current）通電を行った。次に、温度が１３０℃、湿度が８５％の環境下において、ドレインに５０Ｖ、ゲートにピンチオフする電圧を印加し、耐湿性試験を行った。
【００２５】
図５は、比較例および実施例の耐湿性試験の結果を示す図である。横軸はサンプルが故障した時間を対数表示で示している。なお、時間は任意座標である。縦軸はサンプルの累積故障率を示している。図５は、いわゆるワイブルプロットである。故障時間が長いほど耐湿性に優れることを示している。白丸および黒丸はそれぞれ比較例および実施例の測定結果を示している。直線は、近似直線である。図５に示すように、実施例は比較例に比べ故障時間が長い。すなわち、耐湿性に優れている。
【００２６】
図５の結果から、耐湿性と樹脂のガラス転移温度とに関係があることがわかる。耐湿試験の前に通電を行なわないと図５のような差は生じない。このことから、ガラス転移温度が低い樹脂２０で封止したＦＥＴにおいて、チャネル温度が高い状態で通電を行なうと、水分が樹脂２０内に浸透しやすくなると考えられる。その結果、水分がチップ３０に到達し、ＦＥＴの電極間の電界により電極を構成する例えばＡｕがイオンマイグレーションを起こす。これにより、電極間において電気的短絡が生じるものと考えられる。
【００２７】
実施例によれば、窒化物半導体を用いたＦＥＴが形成されたチップ３０を封止する樹脂２０としてガラス転移温度が１９０℃以上の樹脂を用いる。これにより、高温での通電後においても耐湿性を向上させることができる。ガラス転移温度は２００℃以上が好ましく、２１０℃以上がより好ましく、２２０℃以上がさらに好ましい。
【００２８】
しかしながら、樹脂２０のガラス転移温度が高い場合、モールド成型時において、樹脂２０にボイドが発生する。これは、ガラス転移温度の高い樹脂は、ガラス転移温度の低い樹脂と比べて硬化しやすいためである。樹脂２０にボイドが発生すると、耐湿性が低下してしまう。この問題への対処のため、樹脂のガラス転移温度は２５０度以下であることが好ましい。
【００２９】
また、チップ３０をベース１２に接合するための材料の選定も重要である。一般によく利用されるＡｕＳｎの場合、ＡｕＳｎ中にボイドが生じ易い。これは、ＡｕＳｎは常温ではペレット状（固体）であり、ベース１２上にＡｕＳｎペレットを配置したときにＡｕＳｎペレットとベース１２の間に介在した空気が、ＡｕＳｎペレットの溶融後も排出しきれずに残留することによるものである。
【００３０】
ＡｕＳｎ中にボイドが発生すると、ＡｕＳｎの熱抵抗が高くなり、チップ３０の熱を効率よくベース１２へ排出することができない。この場合、ガラス転移温度が１９０℃以上の樹脂を用いたとしても、チップ３０がさらに高温になることから、耐湿性の低下を招くおそれがある。
【００３１】
この問題に対しては、チップ３０をベース１２に接合するための材料として、Ａｇペースト２２を利用する。Ａｇペースト２２は、Ａｇフィラーとバインダー樹脂を混合したペースト状のものである。Ａｇペーストは硬化することによってＡｇフィラー同士が接合した状態に変換される。これにより、Ａｇを介した熱伝導経路が構成され、高い熱伝導性を得ることができる。また、Ａｇペーストは常温でペースト状であり、ベース１２との間に空気が介在することが少ない。これにより、ボイドの発生を回避することができる。
【００３２】
半導体装置の動作チャネル温度は１９０℃以上であることが好ましい。このように、高温の動作チャネル温度であっても、ガラス転移温度が高温のため、耐湿性を向上させることができる。なお、動作チャネル温度は２００℃以上が好ましく、動作チャネル温度は２１０℃以上がより好ましく、２２０℃以上がさらに好ましい。
【００３３】
実施例として、半導体装置がフルモールドパッケージを備える例を説明したが、チップの発熱による樹脂の劣化が耐湿性劣化の原因であることから、樹脂がチップを封止するパッケージを備えていればよい。また、樹脂２０として熱硬化型エポキシ樹脂を用いる例を説明したが、他の樹脂を用いてもよい。
【００３４】
なお、実施例では、ベース１２にチップ３０とともにキャパシタ３２が搭載される例を説明したが、ベース１２にはＦＥＴが形成されたチップ３０のみが搭載されていてもよい。さらに、チップ３０以外に他の部材が搭載されていてもよい。さらに、チップ３０にはＦＥＴ以外の素子が形成されていてもよい。
【００３５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０        リードフレーム
１２        ベース
１４        端子
２０        樹脂
２２        Ａｇペースト
３０        チップ
【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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