(57)【要約】【課題】  第１電極層に発生するクラックの成長を抑制する。【解決手段】  半導体装置は、半導体素子が形成された半導体基板と、半導体基板上に設けられ、半導体素子と電気的に接続する第１電極層と、第１電極層の上面の一部に積層された保護絶縁膜と、第１電極層と保護絶縁膜の両者に亘って積層された第２電極層とを備える。第２電極層を構成する材料は、第１電極層を構成する材料よりも機械的強度が高い。第１電極層の上面には、溝部が設けられており、第２電極層の下面には、溝部内に突出する突出部が設けられている。突出部の下端は、第１電極層の厚み方向の中央位置よりも下方に位置する。【選択図】図４
2017050358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が形成された半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、前記半導体素子と電気的に接続する第１電極層と、
前記第１電極層の上面の一部に積層された保護絶縁膜と、
前記第１電極層と前記保護絶縁膜の両者に亘って積層され、前記第１電極層を構成する材料よりも機械的強度の高い材料で構成された第２電極層と、を備え、
前記第１電極層の上面に、溝部が設けられており、
前記第２電極層の下面に、前記溝部内に突出する突出部が設けられており、
前記突出部の下端が、前記第１電極層の厚み方向の中央位置よりも下方に位置する、半導体装置。
【請求項２】
前記溝部は、前記第１電極層の上面において環状に伸びており、
前記第１電極層の、環状に伸びる前記溝部の内側に位置する内側部分は、前記保護絶縁膜に接していないとともに、前記半導体基板の素子領域上に位置する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記溝部は、前記第１電極層の下面に達している、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記溝部の幅は、前記第１電極層の上面に近づくほど広くなる、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１電極層の上面に、前記第１電極層の下面に達する貫通孔群が設けられており、
前記第２電極層の下面に、前記貫通孔群に突出する第２突出部群が設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１電極層を構成する材料の線膨張係数よりも、前記第２電極層を構成する材料の線膨張係数の方が、前記半導体基板を構成する材料の線膨張係数に近い、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、半導体装置が記載されている。この半導体装置は、半導体素子が形成された半導体基板と、半導体基板上に設けられて半導体素子と電気的に接続する第１電極層と、第１電極層の上面の一部に積層された保護絶縁膜と、第１電極層と保護絶縁膜の両者に亘って積層された第２電極層とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０５０３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体装置が動作して発熱すると、それぞれの構成要素が熱膨張し、その相互作用の結果、それぞれの構成要素内に応力が生じる。この点に関して、上記した半導体装置では、第１電極層の上面に、保護絶縁膜と第２電極層の両者が接触している。このような構成であると、保護絶縁膜が接触する範囲と第２電極層が接触する範囲との間で、第１電極層に生じる応力分布が相違し得る。そのため、それらの二つの範囲の境界では、第１電極層に大きな応力が局所的に生じることがあり、例えば半導体装置が過酷な熱履歴を長期に亘って経験したときに、当該境界を起点として第１電極層にクラックが発生するおそれがある。仮に第１電極層にクラックが発生し、それが大きく成長していけば、例えば半導体装置の能力が低下するといった問題が想定される。
【０００５】
上記の問題を鑑み、本明細書は、第１電極層に発生するクラックの成長を抑制し得る半導体装置を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で開示される半導体装置は、半導体素子が形成された半導体基板と、半導体基板上に設けられているとともに半導体素子と電気的に接続する第１電極層と、第１電極層の上面の一部に積層された保護絶縁膜と、第１電極層と保護絶縁膜の両者に亘って積層された第２電極層とを備える。ここで、第２電極層を構成する材料は、第１電極層を構成する材料よりも機械的強度が高い。第１電極層の上面には、溝部が設けられており、第２電極層の下面には、溝部内に突出する突出部が設けられている。この突出部の下端は、第１電極層の厚み方向の中央位置よりも下方に位置する。
【０００７】
上記した半導体装置では、第１電極層の上面に溝部が設けられ、第２電極層の下面にはその溝部内に突出する突出部が設けられている。これにより、第１電極層は、第２電極層の突出部によって、少なくとも部分的に分断されている。第２電極層の突出部を構成する材料は、第１電極層を構成する材料よりも機械的強度が高い。従って、仮に第１電極層でクラックが発生したとしても、当該クラックの成長が第２電極層の突出部において物理的に阻止される。第１電極層に発生したクラックは、様々な態様で成長し得るが、第１電極層内の厚み方向の中央位置に沿って成長しやすいことが判明している。そのことから、前述した突出部の下端が、第１電極層の厚み方向の中央位置よりも下方に位置していれば、そのようなクラックの成長を抑制することができる。
【０００８】
ここで、本明細書における機械的強度とは、材料の破壊に対する耐性を意味し、例えば引っ張り力やせん断力といった外力に対して、破壊し難いことを意味する。機械的強度は各種の指標によって規定され得るが、本明細書では特に引っ張り強さと疲労強度とに着目する。即ち、機械的強度が高いとは、少なくとも引っ張り強さが優れていることを意味し、より好ましくは、引っ張り強さと疲労強度の両者が優れていることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の半導体装置１０の平面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ断面図である。ただし、半導体基板１２に形成された半導体素子２２の内部構造は図示省略されている。
【図３】図２中のＩＩＩ部の拡大図である。
【図４】図３中のＩＶ部の拡大図である。
【図５】図２中のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】保護絶縁膜１６と第１電極層１４の溝部５０との位置関係を説明する図である。
【図７】半導体装置１０の一変形例であって、保護絶縁膜１６に対する第１電極層１４の溝部５０の位置が変更されたものを示す。
【図８】半導体装置１０の一変形例であって、層間絶縁膜４２のコンタクトホール４２ａに埋め込み電極４４が設けられたものを示す。
【図９】半導体装置１０の一変形例であって、層間絶縁膜４２のコンタクトホール４２ａに埋め込み電極４４が設けられたものを示す。特に、第２電極層１８の突出部５２の下端５２ｂが、埋め込み電極４４を介して半導体基板１２の上面１２ａと電気的に接続された様子が示されている。
【図１０】半導体装置１０の一変形例であって、第１電極層１４の溝部５０の幅Ｗが、第１電極層１４の上面１４ａに近づくほど広くなるものを示す。
【図１１】半導体装置１０の一変形例であって、第１電極層１４の溝部５０の側面５０ａが保護絶縁膜１６の端面１６ｄに連続するものを示す。
【図１２】半導体装置１０の一変形例であって、第１電極層１４の溝部５０の側面５０ａが凹上に湾曲するものを示す。
【図１３】半導体装置１０の一変形例であって、第１電極層１４の溝部５０が有底の溝であるものを示す。
【図１４】半導体装置１０の一変形例であって、第２電極層１８に複数の第２突出部６２が設けられたものを、図２に対応する断面図で示す。
【図１５】図１４中のＸＶ−ＸＶ断面図。
【図１６】半導体装置１０の一変形例であって、第１電極層１４に環状の溝部５０が多重に設けられたものを示す。
【図１７】半導体装置１０の一変形例であって、第１電極層１４に溝部５０が断続的に設けられたものを示す。
【図１８】半導体モジュール１００の構造を模式的に示す断面図である。
【図１９】図１８中のＸＩＸ部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１０】
図面を参照して、実施例の半導体装置１０を説明する。図１、図２に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１２と、第１電極層１４と、保護絶縁膜１６と、第２電極層１８と、下面電極層２０とを備える。第１電極層１４と保護絶縁膜１６と第２電極層１８は半導体基板１２の上面１２ａ側に位置しており、下面電極層２０は半導体基板１２の下面１２ｂ側に位置している。なお、ここでいう上面１２ａ及び下面１２ｂとは、半導体基板１２の互いに反対側に位置する二つの表面を、便宜的に区別して表現するものである。即ち、ここでいう上面１２ａ及び下面１２ｂが、半導体装置１０の使用時において、必ずしも鉛直方向の上面及び下面になることを意味しない。
【００１１】
半導体基板１２は、半導体材料で構成された基板であり、例えばシリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いて構成することができる。半導体基板１２には、半導体素子２２が形成されている。半導体素子２２は、特定の種類の半導体素子に限定されないが、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ダイオードといったパワー半導体素子であってよい。一例ではあるが、本実施例における半導体素子２２はＩＧＢＴである。
【００１２】
図３を参照して、本実施例における半導体素子２２（ＩＧＢＴ）の構造について説明する。図３に示すように、半導体素子２２は、半導体基板１２の下面１２ｂ側から上面１２ａ側に向かって順に、コレクタ領域２４、バッファ領域２６、ドリフト領域２８、ボディ領域３０、エミッタ領域３２及びコンタクト領域３４を備えている。また、半導体素子２２は、複数のゲート電極４０を備えている。
【００１３】
コレクタ領域２４は、ｐ型の領域である。コレクタ領域２４は、半導体基板１２の下面１２ｂに露出する範囲に形成されている。コレクタ領域２４は、その不純物濃度が十分に高く、下面電極層２０と電気的に接続している。バッファ領域２６は、ｎ型の領域である。バッファ領域２６は、コレクタ領域２４の上面側に形成されており、コレクタ領域２４とドリフト領域２８との間に位置している。
【００１４】
ドリフト領域２８は、ｎ型の領域である。ドリフト領域２８の不純物濃度は、バッファ領域２６の不純物濃度よりも低い。ドリフト領域２８は、バッファ領域２６の上面側に形成されており、バッファ領域２６とボディ領域３０の間に形成されている。ボディ領域３０は、ｐ型の領域である。ボディ領域３０の不純物濃度は、コレクタ領域２４の不純物濃度よりも低い。ボディ領域３０は、ドリフト領域２８の上面側に形成されており、ドリフト領域２８とエミッタ領域３２及びコンタクト領域３４との間に位置している。
【００１５】
エミッタ領域３２は、ｎ型の領域である。エミッタ領域３２の不純物濃度は、ドリフト領域２８の不純物濃度よりも高い。エミッタ領域３２は、ボディ領域３０の上面側に形成されており、半導体基板１２の上面１２ａに露出する範囲に形成されている。エミッタ領域３２は、第１電極層１４と電気的に接続している。コンタクト領域３４は、ｐ型の領域である。コンタクト領域３４の不純物濃度は、ボディ領域３０の不純物濃度よりも高い。コンタクト領域３４は、ボディ領域３０の上面側に形成されており、半導体基板１２の上面１２ａに露出する範囲に形成されている。コンタクト領域３４は、第１電極層１４と電気的に接続している。半導体基板１２の上面１２ａには、複数のエミッタ領域３２と複数のコンタクト領域３４とが、一定の配列で露出している。
【００１６】
各々のゲート電極４０は、半導体基板１２に設けられたトレンチ３６内に位置している。ゲート電極４０は、導電性材料で構成されており、例えばポリシリコン（Ｐｏｌｙ  Ｓｉ）を用いて構成することができる。トレンチ３６は、半導体基板１２の上面１２ａに設けられており、その下端はドリフト領域２８に達している。複数のトレンチ３６は、図３の紙面に垂直な方向に沿って、互いに平行に伸びている。ゲート電極４０とトレンチ３６の内面との間には、ゲート絶縁膜３８が設けられている。ゲート絶縁膜３８は、絶縁性材料で構成されており、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いて構成することができる。ゲート電極４０は、ゲート絶縁膜３８を介して、ドリフト領域２８とボディ領域３０とエミッタ領域３２とに対向している。層間絶縁膜４２は、半導体基板１２の上面１２ａにおいて、ゲート電極４０を覆うように設けられている。層間絶縁膜４２には、半導体基板１２の上面１２ａを露出する複数のコンタクトホール４２ａが設けられている。エミッタ領域３２とコンタクト領域３４は、コンタクトホール４２ａを介して、第１電極層１４に接続されている。以上の構造により、本実施例における半導体素子（ＩＧＢＴ）２２は、ノーマリーオフ型のパワートランジスタとして機能することができる。なお、半導体素子２２の構成は適宜変更可能であり、上述した構成に限定されるものはない。
【００１７】
次に、図１から図４を参照して、半導体基板１２の上面１２ａ側における電極構造について説明する。前述したように、半導体基板１２の上面１２ａ側には、第１電極層１４と保護絶縁膜１６と第２電極層１８とが設けられている。
【００１８】
第１電極層１４は、導電性材料で構成されている。第１電極層１４は、半導体基板１２上に設けられており、コンタクトホール４２ａを通じて半導体素子２２と電気的に接続している。第１電極層１４は、金属材料を用いて構成することができ、その金属材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウムを主成分とする合金等が挙げられる。一例ではあるが、本実施例における第１電極層１４には、シリコン（Ｓｉ）を比較的に多く含むＡｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金が用いられている。第１電極層１４は、層間絶縁膜４２によって、ゲート電極４０から電気的に絶縁されている。
【００１９】
保護絶縁膜１６は、絶縁性材料で構成されており、例えば樹脂材料を用いて構成することができる。一例ではあるが、本実施例における保護絶縁膜１６には、ポリイミドが用いられている。図１、図２に示されるように、保護絶縁膜１６は、半導体基板１２を平面視したときに、半導体基板１２の周縁に沿って枠状に設けられている。保護絶縁膜１６の少なくとも一部は、第１電極層１４の上面１４ａの一部に積層されている。保護絶縁膜１６は、例えば半導体装置１０の耐圧を維持する機能や、半導体装置１０を異物の接触から保護する機能を有する。保護絶縁膜１６を構成する材料は、第１電極層１４、第２電極層１８及び半導体基板１２をそれぞれ構成する各材料よりも、高い線膨張係数を有する。
【００２０】
図３、図４に示されるように、第１電極層１４と第２電極層１８との間に位置する保護絶縁膜１６の端部１６ｃは、テーパー形状を有している。即ち、保護絶縁膜１６の下面１６ｂと端面１６ｄとが成す角度θは鋭角である。本実施例における当該角度θは３５度〜４０度であるが、保護絶縁膜１６の端部１６ｃの形状は様々に変更可能である。保護絶縁膜１６の端部１６ｃにおける角度θについても特に限定されず、例えば０度に近い角度であってもよいし（特に端面１６ｄが凹状に湾曲する曲面の場合）、あるいは９０度であってもよい。
【００２１】
第２電極層１８は、導電性材料で構成されている。第２電極層１８は、第１電極層１４の上面１４ａと保護絶縁膜１６の表面（上面１６ａ及び端面１６ｄ）との両者に亘って積層されている。第２電極層１８は、金属材料を用いて構成することができ、その金属材料としては、例えばニッケル（Ｎｉ）又はニッケルを主成分とする合金等が挙げられる。一例ではあるが、本実施例の第２電極層１８には、ニッケルが用いられている。ここで、第１電極層１４を構成する材料の線膨張係数よりも、第２電極層１８を構成する材料の線膨張係数の方が、半導体基板１２を構成する材料の線膨張係数に近い。第１電極層１４と第２電極層１８との間には、チタン（Ｔｉ）その他の導電性材料で構成される層が付加的に設けられてもよい。この場合、その付加的な層は、第２電極層１８の一部と見なすことができる。
【００２２】
本実施例の半導体装置１０において、第１電極層１４を構成する材料と、第２電極層１８を構成する材料との組み合わせは、様々に変更可能である。但し、第２電極層１８を構成する材料には、第１電極層１４を構成する材料よりも、機械的強度が高い材料を採用することが好ましい。ここでいう機械的強度とは、材料の破壊に対する耐性を意味し、例えば引っ張り力やせん断力といった外力に対して、破壊しにくいことを意味する。機械的強度は各種の指標によって規定され得るが、本実施例では、特に引っ張り強さと疲労強度とに着目する。即ち、第２電極層１８を構成する材料には、第１電極層１４を構成する材料よりも引っ張り強さが優れる材料を採用するとよく、より好ましくは、引っ張り強さと疲労強度の両者が優れる材料を採用するとよい。
【００２３】
第１電極層１４の上面１４ａには、溝部５０が設けられており、第２電極層１８の下面１８ｂには、溝部５０内へ突出する突出部５２が設けられている。突出部５２は、第２電極層１８と同じ材料で構成されており、第２電極層１８と一体に形成されている。図４に示すように、本実施例における溝部５０は、第１電極層１４の下面１４ｂに達しており、第２電極層１８の突出部５２についても、第１電極層１４を介することなく、半導体基板１２の上面１２ａに対して接続されている。なお、図４に示す位置では、突出部５２の下端５２ｂが層間絶縁膜４２に接触しているが、他の位置（例えば、溝部５０がトレンチ３６の長手方向に対して交差する方向へ伸びる位置）では、突出部５２の下端５２ｂが半導体基板１２の上面１２ａに直接的に接触し得る。また、詳しくは後述するが、第１電極層１４の溝部５０は有底の溝であってもよく、突出部５２の下端５２ｂが第１電極層１４内に位置してもよい。
【００２４】
図４、５に示すように、溝部５０は、第１電極層１４の上面１４ａにおいて環状に伸びている。それにより、第１電極層１４は、環状の溝部５０の内側に位置する内側部分１４ｃと、環状の溝部５０の外側に位置する外側部分１４ｄとに区分されている。保護絶縁膜１６は、第１電極層１４の外側部分１４ｄに接しており、第１電極層１４の内側部分１４ｃには接していない。また、第１電極層１４の内側部分１４ｃは、その全体が半導体基板１２の素子領域上に位置している。ここでいう半導体基板１２の素子領域とは、半導体基板１２において半導体素子２２が形成された領域を示す。なお、外側部分１４ｄの一部についても、半導体基板１２の素子領域上に位置している。
【００２５】
上述した構成の半導体装置１０が動作して発熱すると、それぞれの構成要素が熱膨張する。それぞれの構成要素は、互いに異なる材料で構成されているので、互いに異なる線膨張係数を有する。従って、それぞれの構成要素は様々に熱膨張し、その相互作用の結果として、それぞれの構成要素内に応力が生じる。この点に関して、本実施例の半導体装置１０では、第１電極層１４の上面１４ａに、保護絶縁膜１６と第２電極層１８の両者が接触している。保護絶縁膜１６を構成する材料は、第２電極層１８を構成する材料よりも線膨張係数が大きい。また、第１電極層１４の下面１４ｂは、半導体基板１２の上面１２ａに対して接続されている。このような構成であると、第１電極層１４に生じる応力分布が、保護絶縁膜１６が接触する範囲と、第２電極層１８が接触する範囲との間で相違し得る。そのため、図６に示すように、それらの二つの範囲の境界Ｔでは、第１電極層１４に大きな応力が局所的に生じることがある。従って、例えば半導体装置１０が過酷な熱履歴を長期に亘って経験したときに、当該境界Ｔを起点として、第１電極層１４にクラックＣが発生し得る。仮に第１電極層１４にクラックＣが発生し、それが大きく成長していけば、例えば半導体装置１０の能力が低下するといった問題が想定される。
【００２６】
上記の問題に対して、本実施例の半導体装置１０では、第１電極層１４の上面１４ａに溝部５０が設けられており、第２電極層１８の下面１８ｂには溝部５０内に突出する突出部５２が設けられている。ここで、第２電極層１８を構成する材料は、第１電極層１４を構成する材料よりも機械的強度が高い。このような構成によると、第１電極層１４が、機械的強度の高い第２電極層１８の突出部５２によって、少なくとも部分的に分断される。これにより、仮に第１電極層１４でクラックＣが発生したとしても、当該クラックＣの成長が第２電極層１８の突出部５２において物理的に抑制される。従って、仮に第１電極層１４にクラックＣが発生したとしても、そのクラックＣが大きく成長するようなことを避けることができる。
【００２７】
第１電極層１４に溝部５０を形成する位置（即ち、第２電極層１８に突出部５２を形成する位置）は、特に限定されない。溝部５０及び突出部５２は、クラックＣの予想される成長経路に応じて、様々に配置することができる。なお、クラックＣの成長経路は、半導体装置１０の具体的な構造を考慮し、実験又はシミュレーションによって予想することができる。但し、図６に示すように、クラックＣの成長を早期に止めるためには、クラックＣの起点（即ち、境界Ｔ）から溝部５０までの距離Ａを、短く設計することが好ましい。一例ではあるが、前記した距離Ａは、第１電極層１４の厚みに応じて決定することができ、例えば第１電極層１４の厚みの１０倍未満、好ましくは第１電極層１４の厚みの５倍未満、より好ましくは第１電極層１４の厚み未満とするとよい。
【００２８】
あるいは、上記した距離Ａは、保護絶縁膜１６の断面形状に応じて決定してもよい。これまでの研究により、クラックＣの成長方向は、保護絶縁膜１６の断面形状に応じて変化し得ることが確認されている。特に、本実施例における保護絶縁膜１６は、テーパー形状の端部１６ｃを有しており、下面１６ｂと端面１６ｄとが鋭角を成している。このような構成では、保護絶縁膜１６の端部１６ｃにおける当該角度θに応じてクラックＣの成長する方向が変化し得る。具体的には、保護絶縁膜１６の端面１６ｄを延長した延長面Ｅに沿って、クラックＣが成長しやすいことが判明している。従って、溝部５０及び突出部５２が、保護絶縁膜１６の端面１６ｄの延長面Ｅと交差することが好ましく、そのような位置関係となるように、前述した距離Ａや溝部５０の断面形状を定めることができる。
【００２９】
あるいは、図７に示すように、前記した距離Ａは、比較的に大きな値に設計することもできる。クラックＣは様々な方向に成長し得るが、一つの態様として、第１電極層１４内をその厚み方向の中央位置に沿って成長しやすいことが判明している。これは、第１電極層１４内にせん断応力が生じた場合に、当該せん断応力が厚み方向の中央位置において最大となり得るためである。クラックＣが第１電極層１４の厚み方向の中央位置に沿って成長していくと、最終的には、第１電極層１４が厚み方向で二つに分割されることも想定される。このようなクラックＣの成長については、前記した距離Ａを比較的に大きな値に設計しても抑制することができ、第１電極層１４が厚み方向で二つに分割されるような事態を避けることができる。
【００３０】
本実施例の半導体装置１０では、前述したように、第１電極層１４の溝部５０が、第１電極層１４の上面１４ａにおいて環状に伸びている。これにより、第１電極層１４は、環状の溝部５０の内側に位置する内側部分５０ｃと、環状の溝部５０の外側に位置する外側部分５０ｄとに区分されている（図５参照）。これまでの説明から明らかなように、クラックＣは、第１電極層１４と保護絶縁膜１６と第２電極層１８との三者の境界Ｔを起点にして発生し得る（図６参照）。この点に関して、第１電極層１４の内側部分１４ｃは、保護絶縁膜１６に接していない。従って、クラックＣは、第１電極層１４の内側部分１４ｃではなく、外側部分１４ｄにおいて発生し得る。そして、第１電極層１４の内側部分１４ｃは、溝部５０及び第２電極層１８の突出部５２によって、第１電極層１４の外側部分１４ｄから隔てられている。従って、仮に第１電極層１４の外側部分１４ｄでクラックＣが発生したとしても、そのクラックＣが第１電極層１４の内側部分１４ｃまで成長することが抑制される。そして、第１電極層１４の内側部分１４ｃは、半導体基板１２の素子領域上に位置している。従って、第１電極層１４の外側部分１４ｄにクラックＣが発生したとしても、第１電極層１４の内側部分１４ｃは、クラックＣの影響を受けることなく半導体装置１０の機能を維持することができる。
【００３１】
上述した観点から、第１電極層１４の内側部分１４ｃは、第１電極層１４の全体面積に対して広く設計することが好ましい。これにより、第１電極層１４にクラックＣが発生したときでも、半導体装置１０の能力をより高く維持することができる。一例ではあるが、第１電極層１４の内側部分１４ｃは、第１電極層１４の全体面積に対して５０パーセント以上とするとよく、好ましくは７５パーセント以上、より好ましくは９０パーセント以上とするとよい。
【００３２】
本実施例の半導体装置１０では、前述したように、第１電極層１４の上面１４ａに設けられた溝部５０が、第１電極層１４の下面１４ｂに達している（図４参照）。このような構成によると、第１電極層１４で発生したクラックＣが、第１電極層１４の溝部５０（即ち、第２電極層１８の突出部５２）の位置を超えて成長することを、より確実に抑制することができる。また、溝部５０が第１電極層１４の下面１４ｂに達していると、第２電極層１８の突出部５２の下端５２ｂが、第１電極層１４を介することなく、半導体基板１２の上面１２ａに対して接続される。このような構成によると、半導体基板１２と第２電極層１８との間の相対的な変形及び変位が抑制され、半導体基板１２と第２電極層１８との間に位置する第１電極層１４に作用する応力が緩和され得る。それにより、第１電極層１４におけるクラックＣの発生や成長を抑制することができる。
【００３３】
本実施例の半導体装置１０では、前述したように、第１電極層１４を構成する材料の線膨張係数よりも、第２電極層１８を構成する材料の線膨張係数の方が、半導体基板１２を構成する材料の線膨張係数に近い。このような構成によると、半導体装置１０が発熱したときに、第１電極層１４の上面１４ａ側に位置する第２電極層１８と、第１電極層１４の下面１４ｂ側に位置する半導体基板１２との間で、熱膨張の差を抑制することができる。その結果、第１電極層１４に生じる応力（特にせん断応力）が抑制され、第１電極層１４におけるクラックＣの発生や成長を抑制することができる。
【００３４】
図８、図９に示すように、半導体装置１０の一変形例として、層間絶縁膜４２のコンタクトホール４２ａ内には、埋め込み電極４４が設けられてもよい。埋め込み電極４４は、金属その他の導電性材料で構成することができる。埋め込み電極４４の構成は特に限定されない。一例ではあるが、埋め込み電極４４は、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）等の一又は複数を用い、化学気相成長法、スパッタリング法又はめっき法によって形成することができる。図８、図９に示す構成であると、半導体基板１２と第１電極層１４とが直接的に接することを避けることができる。従って、仮に第１電極層１４にクラックＣが発生し、そのクラックＣが第１電極層１４の下面１４ｂまで成長したとしても、そのクラックＣが半導体基板１２まで伝搬することを抑制することができる。なお、第１電極層１４においてクラックＣが発生し得る範囲は限られており、具体的には、第１電極層１４を平面視したときに、保護絶縁膜１６の端部１６ｃと第１電極層１４の溝部５０との間に位置する範囲が、クラックＣの発生し得る範囲となる。従って、クラックＣが半導体基板１２まで伝搬することを抑制するためには、少なくとも当該範囲が半導体基板１２に直接的に接しない構造とするとよい。
【００３５】
図１０、図１１に示すように、半導体装置１０の一変形例として、第１電極層１４の溝部５０は、その幅Ｗが深さ方向に沿って変化するものであってもよい。この場合、溝部５０の幅Ｗは、第１電極層１４の上面１４ａに近づくほど広くなることが好ましい。このような構成によると、半導体装置１０の製造工程において、溝部５０を形成した第１電極層１４に第２電極層１８を積層する際に、溝部５０内を第２電極層１８の材料で充満しやすくなる。ここで、第２電極層１８の積層は、例えばスパッタリング法によって行うことができる。また、溝部５０内における第１電極層１４と第２電極層１８との接触面積を広くすることができる。さらに、溝部５０の側面５０ａが傾斜することになるので、仮にクラックＣが溝部５０まで成長したときに、クラックＣと第２電極層１８の突出部５２の表面と成す角度が比較的に小さくなる。これにより、クラックＣの到達点において第２電極層１８の突出部５２に作用する応力が低下するので、突出部５２へクラックＣが伝搬するおそれを低減することができる。なお、図１１に示すように、溝部５０の側面５０ａは、保護絶縁膜１６の端面１６ｄから連続するように設けられてもよい。このような構成によると、クラックＣの発生自体を抑制し得る。
【００３６】
図１２に示すように、半導体装置１０の一変形例として、第１電極層１４の溝部５０は、その側面５０ａが凹面状に湾曲していてもよい。このような溝部５０は、例えばウエットエッチングによって形成することができる。このとき、溝部５０の幅Ｗは、第１電極層１４の上面１４ａに近づくほど広くなることが好ましく、それにより、上述した図１０、１１に示す変形例と同様の効果を奏することができる。
【００３７】
図１３に示すように、半導体装置１０の一変形例として、第１電極層１４の溝部５０は有底の溝であってもよい。この場合、第２電極層１８の突出部５２の下端５２ｂは、第１電極層１４の内部に位置する。そして、第１電極層１４は、第２電極層１８の突出部５２によって完全に分断されない。前述したように、第１電極層１４に発生したクラックＣは、第１電極層１４の厚み方向の中央位置に沿って成長しやすい。そのことから、第２電極層１８の突出部５２の下端５２ｂが、第１電極層１４の厚み方向の中央位置よりも下方に位置していれば、そのようなクラックＣの成長を抑制することができる。
【００３８】
図１４、図１５に示すように、半導体装置１０の一変形例として、第１電極層１４の上面１４ａに貫通孔６０群が設けられ、第２電極層１８の下面１８ｂに第２突出部６２群が設けられてもよい。第２突出部６２は、第２電極層１８と同じ材料で構成されており、第２電極層１８と一体に形成されている。各々の貫通孔６０は、第１電極層１４の下面１４ｂに達しており、各々の第２突出部６２は、複数の貫通孔６０のうちの対応する一つに突出している。このような構成によると、第２電極層１８の複数の第２突出部６２が、第１電極層１４を介することなく、半導体基板１２の上面１２ａに対して接続される。これにより、半導体基板１２と第２電極層１８との間の相対的な変形及び変位が抑制され、それらの間に位置する第１電極層１４に作用する応力が緩和され得る。それにより、第１電極層１４におけるクラックＣの発生及び成長を抑制することができる。ここで、複数の貫通孔６０（即ち、複数の第２突出部６２）の数及び位置は特に限定されず、様々に設計することができる。また、図１４、図１５に示す例では、複数の貫通孔６０（及び複数の第２突出部６２）が、第１電極層１４の内側部分１４ｃに設けられているが、複数の貫通孔６０（及び複数の第２突出部６２）の一部又は全部が、第１電極層１４の外側部分１４ｄに設けられてもよい。
【００３９】
図１６に示すように、半導体装置１０の一変形例として、第１電極層１４には、複数の溝部５０を多重に設けてもよい。このような構成によると、クラックＣの成長をより確実に抑制することが可能となる。また、図１７に示すように、半導体装置１０の一変形例として、第１電極層１４の溝部５０（即ち、第２電極層１８の突出部５２）は、必ずしも環状の溝でなくてもよく、断続的に伸びるものであってもよい。
【００４０】
次に、図１８、図１９を参照し、半導体装置１０（上述した各変形例を含む）の使用例として、半導体装置１０を用いた半導体モジュール１００について説明する。半導体モジュール１００は、半導体装置１０と、半導体装置１０が封止された樹脂モールド１０２とを備える。さらに、半導体装置１０は、第１放熱板１０４と金属ブロック１０６と第２放熱板１０８とを備える。第１放熱板１０４、金属ブロック１０６及び第２放熱板１０８は金属材料で構成されており、一例ではあるが銅で構成することができる。
【００４１】
第１放熱板１０４は、半導体装置１０の上面側（即ち、第２電極層１８）に金属ブロック１０６を介して接合されている。第１放熱板１０４と金属ブロック１０６との間、及び、金属ブロック１０６と第２電極層１８との間は、それぞれはんだ１１０、１１１によって接合されている。第２放熱板１０８は、半導体装置１０の下面側（即ち、下面電極層２０）に接合されている。下面電極層２０と第２放熱板１０８との間は、はんだ１１２によって接合されている。図示省略するが、第１放熱板１０４と第２放熱板１０８の各々には、樹脂モールド１０２の外部へ伸びるリード（又はバスバー）が接続されている。これにより、第１放熱板１０４、金属ブロック１０６及び第２放熱板１０８は、半導体装置１０を外部の機器と電気的に接続する導電経路の少なくとも一部を構成する。
【００４２】
第１放熱板１０４は、樹脂モールド１０２の上面１０２ａに露出しており、第２放熱板１０８は樹脂モールド１０２の下面１０２ｂに露出している。このような構成により、動作時に半導体装置１０で発生する熱は、金属ブロック１０６を介して第１放熱板１０４へ伝導して、あるいは第２放熱板１０８へ伝導して、半導体モジュール１００の外部に放出される。即ち、半導体モジュール１００は、両面冷却型のモジュール構造を有する。通常、半導体モジュール１００は、樹脂モールド１０２の上面１０２ａ及び下面１０２ｂが冷却器に接触するように配置される。
【００４３】
上記した構造の半導体モジュール１００では、半導体装置１０の動作時に金属ブロック１０６等にも熱膨張が生じる。前述したように、金属ブロック１０６は、はんだ１１１を介して第２電極層１８に接合されている。従って、金属ブロック１０６の熱膨張に起因して、はんだ１１１、第２電極層１８、第１電極層１４等に応力が生じ得る。ここで、第１電極層１４を構成する金属材料（例えばアルミニウム）は、はんだ１１１よりも機械的強度が低いとする。さらに、第１電極層１４を構成する金属材料は、第２電極層１８を構成する金属材料（例えばニッケル）よりも機械的強度が低いとする。この場合、金属ブロック１０６の熱膨張に起因して、特に第１電極層１４に大きな歪みが生じることになり、その結果、前述した境界Ｔを起点として、第１電極層１４にクラックＣが発生することがある。このように、半導体装置１０では、半導体装置１０の構成要素の熱膨張だけでなく、第１電極層１４に直接又は間接的に接合された金属ブロック１０６その他の外部部材の熱膨張によっても、第１電極層１４にクラックＣが生じ得る。しかしながら、仮にこのようなクラックＣが発生した場合でも、当該クラックＣの成長が第２電極層１８の突出部５２において物理的に抑制されるので、そのクラックＣが大きく成長するようなことを避けることができる。
【００４４】
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。本明細書また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り、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【００４５】
以下に、本明細書の開示内容から把握される技術的事項を列記する。なお、以下に記載する技術的事項は、それぞれが独立した技術的事項であり、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。
【００４６】
半導体装置は、半導体素子が形成された半導体基板と、半導体基板上に設けられ、半導体素子と電気的に接続する第１電極層と、第１電極層の上面の一部に積層された保護絶縁膜と、第１電極層と保護絶縁膜の両者に亘って積層され、前記第１電極層を構成する材料よりも機械的強度の高い材料で構成された第２電極層とを備えることが好ましい。この場合、第１電極層の上面には溝部が設けられており、第２電極層の下面には溝部内に突出する突出部が設けられていることが好ましい。そして、突出部の下端は、第１電極層の厚み方向の中央位置よりも下方に位置することが好ましい。このような構成によると、仮に第１電極層でクラックが発生した場合でも、そのクラックが大きく成長することを抑制することができる。
【００４７】
上記した半導体装置では、溝部が、第１電極層の上面において環状に伸びることが好ましい。この場合、第１電極層の、環状に伸びる溝部の内側に位置する内側部分は、保護絶縁膜に接していないとともに、半導体基板の素子領域上に位置することが好ましい。前述したように、クラックは、第１電極層と保護絶縁膜と第２電極層との三者の境界を起点にして発生し得る。この点に関して、第１電極層の内側部分は、保護絶縁膜に接していない。従って、第１電極層では、環状の溝部の内側に位置する内側部分ではなく、環状の溝部の外側に位置する外側部分において、クラックが発生し得る。第１電極層の内側部分は、溝部及び第２電極層の突出部によって、第１電極層の外側部分から隔てられている。従って、仮に第１電極層の外側部分でクラックが発生したとしても、そのクラックが第１電極層の内側部分まで成長することが抑制される。このとき、第１電極層の内側部分の少なくとも一部が、半導体基板の素子領域上に位置していれば、第１電極層の内側部分によって、半導体装置の機能を維持することができる。
【００４８】
上記した半導体装置では、溝部が第１電極層の下面に達していることが好ましい。このような構成によると、第１電極層で発生したクラックが、第１電極層の溝部（即ち、第２電極層の突出部）の位置を超えて成長することを、より確実に抑制することができる。また、溝部が第１電極層の下面に達していると、第２電極層の突出部の下端が、第１電極層を介することなく、半導体基板の上面に対して接続される。このような構成によると、半導体基板と第２電極層との間の相対的な変形及び変位が抑制され、それらの間に位置する第１電極層に作用する応力が緩和され得る。それにより、第１電極層におけるクラックの発生や成長を抑制することができる。
【００４９】
上記した半導体装置では、溝部の幅が、第１電極層の上面に近づくほど広くなることが好ましい。このような構成によると、半導体装置の製造工程において、溝部を形成した第１電極層に第２電極層を積層する際に、溝部内を第２電極層の材料で充満しやすくなる。また、溝部内における第１電極層と第２電極層との接触面積を広くすることができる。さらに、溝部の側面が傾斜することになるので、仮にクラックが溝部まで成長したときに、クラックと第２電極層の突出部の表面とが成す角度が比較的に小さくなる。これにより、クラックの到達点において第２電極層の突出部に作用する応力が低下し、突出部へクラックが伝搬するおそれを低減することができる。
【００５０】
上記した半導体装置では、第１電極層の上面に、前記第１電極層の下面に達する貫通孔群が設けられており、第２電極層の下面に、前記貫通孔群に突出する第２突出部群が設けられていることが好ましい。このような構成によると、第２電極層に設けられた第２突出部群が、第１電極層を介することなく、半導体基板の上面に対して接続される。これにより、半導体基板と第２電極層との間の相対的な変形及び変位が抑制され、それらの間に位置する第１電極層に作用する応力が緩和され得る。それにより、第１電極層におけるクラックの発生及び成長を抑制することができる。
【００５１】
上記した半導体装置では、第１電極層を構成する材料の線膨張係数よりも、第２電極層を構成する材料の線膨張係数の方が、半導体基板を構成する材料の線膨張係数に近いことが好ましい。このような構成によると、例えば半導体装置が発熱したときに、第１電極層の上面側に位置する第２電極層と、第１電極層の下面側に位置する半導体基板との間で、それぞれに生じる熱膨張の差を小さくすることができる。その結果、第１電極層に生じる応力（特にせん断応力）が抑制され、第１電極層におけるクラックの発生及び成長を抑制することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０：半導体装置
１２：半導体基板
１４：第１電極層
１４ｃ：第１電極層の内側部分
１４ｃ：第１電極層の外側部分
１６：保護絶縁膜
１８：第２電極層
２２：半導体素子
４２：層間絶縁膜
４２ａ：コンタクトホール
４４：埋め込み電極
５０：第１電極層の溝部
５２：第２電極層の突出部
５２ｂ：突出部の下端
６０：第２電極層の貫通孔
６２：第２突出部
１００：半導体モジュール
１０２：樹脂モールド
１０４：第１放熱板
１０６：金属ブロック
１０８：第２放熱板
１１０、１１１、１１２：はんだ
Ｃ：クラック
【図１】
2017050358.tif 000003
【図２】
2017050358.tif 000004
【図３】
2017050358.tif 000005
【図４】
2017050358.tif 000006
【図５】
2017050358.tif 000007
【図６】
2017050358.tif 000008
【図７】
2017050358.tif 000009
【図８】
2017050358.tif 000010
【図９】
2017050358.tif 000011
【図１０】
2017050358.tif 000012
【図１１】
2017050358.tif 000013
【図１２】
2017050358.tif 000014
【図１３】
2017050358.tif 000015
【図１４】
2017050358.tif 000016
【図１５】
2017050358.tif 000017
【図１６】
2017050358.tif 000018
【図１７】
2017050358.tif 000019
【図１８】
2017050358.tif 000020
【図１９】
2017050358.tif 000021