(57)【要約】【課題】基板とベースプレートの間に半田ボイドが形成されてもボイドによる放熱効率の低下を抑制することできる半導体装置を実現する。【解決手段】ダイオード１００は、基板１０の裏面であってガードリング１４の下方の領域に、活性領域を囲んでいるとともに活性領域の裏面よりも盛り上がっている隆起部１８が形成されている。基板１０とベースプレート１２は、隆起部１８の内側に充填された半田材３０によって固定される。半田付けの際、ガードリング１４の周囲には隆起部１８が存在するのでボイドが形成されることがない。発熱の主な一因であるガードリング１４で発生した熱の伝熱経路がボイドで阻害されることがない。ダイオード１００は、ボイドによる伝熱効率の低下を抑制することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板の表面側に、半導体素子が形成されている活性領域を囲んでいる第２導電型の周辺耐圧確保部が形成されている半導体装置であり、
半導体基板の裏面であって周辺耐圧確保部に対応している領域に、活性領域を囲んでいるとともに活性領域の裏面よりも盛り上がっている隆起部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板の裏面に取り付けられるベースプレートをさらに備えており、
隆起部の頂面とベースプレートが接しているとともに、隆起部の内側の領域に半導体基板とベースプレートを固着している半田材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記隆起部が、半導体基板の裏面であって周辺耐圧確保部に対応する領域の内側まで拡がっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
活性領域を囲んでいるループ状の隆起部に、ループの外側から内側に通じる切欠が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の表面側に、半導体素子が形成されている活性領域を囲んでいる周辺耐圧確保部が形成されている半導体装置に関する。特に、半導体基板が発生する熱を他の部材へ効率的に伝達することのできる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置は、耐圧を高めて大電流を流すことが可能になっている。耐圧を高めた半導体装置として、半導体基板を平面視したときに、第１導電型の半導体基板の表面側に、半導体素子が形成されている活性領域を囲んでいる第２導電型の周辺耐圧確保部が形成されている半導体基板を有する半導体装置が知られている。周辺耐圧確保部は、具体的には、ガードリング、フィールドリミティングリング、あるいは表面リサーフ層と呼ばれる構造が採用されることが多い。
高耐圧・大電流の半導体装置は発熱量が多い。発熱による破壊を防止するため、半導体基板が発生する熱を効率的に放熱することが求められている。
半導体基板が発生する熱の一部は、半導体基板の裏面に取り付けられている部品を伝って放熱される。本明細書では、その部品をベースプレートと称する。ベースプレートがいわゆるヒートシンクの機能を果たす。
半導体基板とベースプレートは、半田付けされることが多い。半田付けする際に、半導体基板とベースプレートの間に気泡が発生してしまうことがある。半田付け後に、気泡によって形成される空隙は半田ボイド（以下、単純に「ボイド」と称する）と呼ばれている。ボイドが形成されると、半導体基板からベースプレートへの熱伝達効率が低下してしまう。
特許文献１に、半田付けの際にヒートシンクと半導体基板（より正確には、半導体基板の裏面に取り付けられた絶縁基板）の間にボイドが形成されにくい半導体装置が開示されている。特許文献１の技術は、半導体基板（絶縁基板）の裏面（ヒートシンクを取り付ける面）に、溝が形成された金属パターンを有している。半田付けの際に、ボイドの原因となる気泡は、溝を通じて外部に抜けていく。溝の底面が金属面であるので、気泡が抜けた後の溝の底面にも半田材が充填されやすい。従ってボイドが形成され難い。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４７８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術によれば、ボイドが形成されることを抑制することができるが、ボイドを完全になくすことは困難である。例えボイドが形成されても、ボイドによる放熱効率の低下を抑制することできる半導体装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
周辺耐圧確保部を備えた半導体基板は、周辺耐圧確保部に電流が集中することがあり、この電流の集中が発熱の一因となっている。例えばダイオードでは、リカバリ電流が周辺耐圧確保部に集中する。従って、周辺耐圧確保部の近傍でボイドが発生することを防止できれば、周辺耐圧確保部から離れた領域でボイドが発生しても、伝熱効率の低下を抑制できる。
【０００６】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板の裏面であって周辺耐圧確保部に対応している領域（半導基板の裏面の領域であって、半導体基板を平面視したときに、周辺耐圧確保部とオーバーラップする領域）に、活性領域を囲んでいるとともに活性領域の裏面よりも盛り上がっている隆起部が形成されている。別言すれば、半導体基板の裏面が活性領域で窪んでいる。半導体基板とベースプレートは、隆起部に囲まれた窪みに半田材を充填することで半田付けすることができる。半田付けの際、窪みにボイドが形成されることはあっても、周辺耐圧確保部の近傍には隆起部が存在するのでボイドが形成されることがない。周辺耐圧部とベースプレートの間に介在する隆起部が、周辺耐圧確保部の周囲で発生した熱の主な拡散経路となる。窪みでボイドが形成されても、周辺耐圧確保部の周囲で発生した熱の拡散経路がボイドで阻害されることがないので、ボイドによる伝熱効率の低下を抑制することができる。
【０００７】
半導体基板とベースプレートは、半導体基板の裏面中央の窪みにおいて半田付けすればよいので、隆起部の頂面とベースプレートは半田材を介することなくダイレクトに接することができる。すなわち、隆起部の頂面とベースプレートの間にボイドが発生することがない。周辺耐圧確保部からベースプレートへの最短の伝熱経路がボイドによって阻害されることがない。他の領域にボイドが発生しても、周辺耐圧確保部が発生する熱の放熱効率が低下することを抑制することができる。
【０００８】
半導体基板の裏面に形成される隆起部は、半導体基板の裏面であって周辺耐圧確保部に対応する領域の内側まで拡がっていることが好ましい。特に周辺耐圧確保部の内側で発生した熱が隆起部へ拡散しやすくなる。
【０００９】
隆起部のループの内側（即ち、半導体基板の裏面の中央部分の窪み）は、半田材で満たされていることが好ましい。窪みでのボイドの発生を抑制できるからである。そのため、活性領域を囲んでいるループ状の隆起部に、ループの外側から内側に通じる切欠が形成されていることが好ましい。半田付けの際、余剰の半田材を切欠から外へ逃がすことができるので、窪みに十分な半田材を充填してから半導体基板とベースプレートを半田付けすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体基板とベースプレートの間にボイドが形成されても放熱効率の低下を抑制することできる半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施例の半導体装置の付加的な技術的特徴を列記する。
（第１特徴）半導体装置は、半導体基板の表面に一方の電極が形成されているとともに、半導体基板の裏面であってループ状の隆起部の内側に他方の電極が形成されているダイオード、或いはＩＧＢＴである。それらの半導体装置が、周辺耐圧確保部において他の部分よりも過大な熱を発生することがあるからである。ダイオードでは、リカバリ電流が周辺耐圧確保部に集中する際に発生する熱が、過大な発熱の大きな要因だからである。ＩＧＢＴでは、短絡時に周辺耐圧確保部に電流が集中する際に発生する熱が、過大な発熱の大きな原因だからである。
【実施例】
【００１２】
（第１実施例）  図面を参照して、本発明に好適な半導体装置を説明する。本実施例の半導体装置は、ダイオード１００である。図１は、ダイオード１００の模式的斜視図である。ダイオード１００は、ｎ型（第１導電型）の半導体基板１０（以下、基板１０と称する）と、ベースプレート１２を備えている。基板１０とベースプレート１２は、半田付けされている。図１においてドットのハッチングが半田材を表している。
図２は、基板１０をその裏面からみた模式的斜視図である。図２は、図１に示すダイオード１００からベースプレート１２と半田材を取り去った基板１０のみを示している。
図３は、図１のIII−III線に沿ってみたダイオード１００の断面図である。
図１では、理解しやすいように、図３で示しているアノード電極２４の図示を省略している。図２では、理解しやすいように、図３で示しているカソード電極２８の図示を省略している。また、図３は断面図であるが、理解しやすいように、一部の領域ではハッチングを省略して描いている。
【００１３】
まず、ダイオード１００の概要を説明する。
基板１０を半田付けしているベースプレート１２は、ヒートシンクとして機能する。即ち、基板１０が発生した熱の多くは、ベースプレート１２に伝達されて放熱される。ベースプレート１２の放熱によって、基板１０の温度上昇が抑制される。
半導体基板１０の表面側に、活性領域を囲んでいるｐ型（第２導電型）ガードリング１４（周辺耐圧確保領域）が形成されている。ガードリング１４は、活性領域を２重に囲んでいる。
基板１０の裏面であってガードリング１４に対応している領域（基板１０を平面視したときに、ガードリング１４とオーバーラップする領域）に、活性領域を囲んでいるとともに活性領域の裏面よりも盛り上がっている隆起部１８が形成されている。隆起部１８は、活性領域をループ状に囲んでいる。隆起部１８の２箇所に、切欠１６が形成されている。切欠１６は、隆起部１８のループの外側から内側に通じている。切欠１６の底面は、隆起部１８の内側の基板裏面と同じレベルに形成されている。
【００１４】
ダイオード１００の構造、特に基板１０の断面構造を、図３を参照して説明する。半田材３０によって、ベースプレート１２の上に基板１０が固定されている。半田材３０は、隆起部１８の内側に充填されている。隆起部１８の頂面（図３において、隆起部１８の下面）がベースプレート１２に直接に接している。
隆起部１８の内側に、カソード電極２８が形成されている。カソード電極２８の上に、ｎ＋型のカソード層２２が形成されている。なお、図３では、便宜上カソード層２２と隆起部１８を区別するための破線を描いているが、カソード層２２と隆起部１８は共にｎ＋型の半導体物質で一体に形成されている。即ち、基板１０を製造する際に、平板状の基板１０の裏面の中央部分をエッチングにより除去して隆起部１８を形成している。
カソード層２２の上に、ｎ−型のドリフト層２０が形成されている。
ドリフト層２０の表層（図３において、ドリフト層２０の上面側）の一部の範囲に、ｐ＋型のアノード領域２６が形成されている。ドリフト層２０の表層の他の範囲に、アノード領域２６を２重に囲むｐ型のガードリング１４（内周ガードリング１４ａと外周ガードリング１４ｂ）が形成されている。
基板１０において、内周ガードリング１４ａの内側の領域が活性領域である。活性領域を囲む領域は、周辺領域と呼ばれることがある。ガードリング１４は、周辺領域に形成されている。
アノード領域２６の表面にアノード電極２４が形成されている。アノード電極２４は、アノード領域２６の表面を覆っているとともに、内周ガードリング１４ａの表面の一部を覆っている。
【００１５】
アノード電極２４とカソード電極３０の間の物質が、ダイオードを形成する。従って、換言すれば、活性領域にダイオード（半導体素子）が形成されている。基板１０を平面視したときに、基板１０の表面側に、半導体素子が形成されている活性領域を囲んでいるガードリング１４が形成されている。
【００１６】
隆起部１８の内周縁Ｂの位置は、内周ガードリング１４ａの内周縁の位置Ａよりも内側に位置している。換言すると、隆起部１８は、半導体基板１０の裏面であってガードリング１４に対応する領域から、内周縁Ａよりも内側に拡がっている。
【００１７】
放熱作用に関して、ダイオード１００が有する利点を説明する。
ダイオード１００は、リカバリ電流が集中するガードリング１４の周辺で多く発熱する。ベースプレート１２は、ヒートシンクとして機能する。ガードリング１４の周辺で発生した熱の多くは、隆起部１８を通じてベースプレート１２に伝達する。ガードリング１４の周辺で発生した熱がベースプレート１２に伝達することによって、ガードリング１４の周辺の温度上昇が抑制される。すなわち、基板１０の温度上昇が抑制される。もちろん、ガードリング１４の周辺で発生した熱の一部は基板１０から雰囲気へ直接拡散し、他の一部は半田材を通じてベースプレート１２に伝達する。
基板１０とベースプレート１２を接着している半田材３０にはボイドが形成されることがある。内部が空洞であるボイドは熱伝達率が低い。しかしながら、半田材３０は、隆起部１８の内側に充填されており、隆起部１８の頂面とベースプレート１２は直接に接しているので、ガードリング１４とベースプレート１２を結ぶ最短経路上にボイドが存在することはない。従って、ガードリング１４の周辺で発生した熱は、ボイドに阻害されることなく、隆起部１８を介してベースプレート１２に効率よく伝達される。ボイドが形成されたとしても、ガードリング１４の周辺で発生した熱のベースプレート１２への熱伝達効率が低下することがない。
【００１８】
また、ボイドが発生すると、ボイドの空間の容量だけ半田材が少なくなるので熱容量が小さくなる。ガードリング１４の周囲にボイドが形成されると、ガードリング１４の周辺の熱容量が小さくなってしまう。熱容量が小さくなると、ダイオード１００の破壊耐量が設計値よりも低くなってしまう。
隆起部１８を形成することによって、ガードリンク１４の周辺にボイドが発生することを防止できるので、ガードリング１４の周辺の熱容量を低下させることがない。換言すれば、隆起部１８を形成することによって、ガードリング１４の周辺に、設計上の熱容量を確実に確保することができる。
【００１９】
図１と２に示したように、隆起部１８には切欠１６が形成されている。隆起部１８の内側に多量の半田材３０を充填した後に基板１０とベースプレート１２を半田付けする際に、余剰の半田材は切欠１６から外部へ押し出される。従って、隆起部１８の内側が半田材３０で満たされているとともに、隆起部１８の頂面がベースプレート１２に確実に接している半導体装置が実現する。隆起部１８の内側を半田材で満たすことができるので、半田付けの際の気泡の発生（即ち、ボイドの形成）を抑制することができる。また、隆起部１８の頂面がベースプレート１２に確実に接するので（即ち、隆起部１８の頂面とベースプレート１２の間にボイドが形成されることがないので）、隆起部１８とベースプレート１２の間に高い伝熱効率を確保することができる。
【００２０】
ボイドは半田材３０が占める領域のいずれの場所でも形成され得るが、ダイオード１００では、最も発熱量の多いガードリング１４の近くでは形成されない。ボイドが、半田材３０が占める領域のいずれの場所で形成されても、最も発熱量の大きいガードリング１４の周囲で発生する熱の伝達効率の変化は小さい。従って、ダイオード１００は、量産したときに耐熱性能のばらつきが小さいという利点がある。
【００２１】
また、ダイオード１００は、半田付けの際、余剰の半田材が切欠１６から押し出される。これによって、基板１０の裏面にループ状に形成された隆起部１８の頂面が直接にベースプレート１２に接触する。従って、基板１０は、ベースプレート１２に対して傾くことなる固定される。
【００２２】
（第２実施例）  次に第２実施例の半導体装置を説明する。本実施例の半導体装置は、ＩＧＢＴ２００である。ＩＧＢＴ２００は、活性領域の構造が実施例１のダイオード１００と異なる。活性領域以外の構造はダイオード１００と同じである。即ち、ＩＧＢＴ２００の概観は、図１で表すことができる。ＩＧＢＴ２００の半導体基板の裏面の概観は、図２で表すことができる。ＩＧＢＴ２００の概観形状、及びＩＧＢＴ２００の半導体基板を裏面からみた概観形状については説明を省略する。
【００２３】
図４に、ＩＧＢＴ２００の断面図を示す。図４は断面図であるが、理解しやすいように、一部断面のハッチングを省略して描いている。
半田材２３０によって、ベースプレート２１２の上に基板２１０が固定されている。半田材３０は、隆起部２１８の内側に充填されている。隆起部２１８の頂面がベースプレート２１２に直接に接している。
基板２１０の裏面であって隆起部２１８の内側の面に、コレクタ電極２２８が形成されている。コレクタ電極２２８の上に、ｐ型のコレクタ層２２２が形成されている。なお、図４では、便宜上コレクタ層２２２と隆起部２１８を区別するための破線を描いているが、コレクタ層２２２と隆起部２１８は共にｐ型の半導体物質で一体に形成されている。
コレクタ層２２２の上に、ｎ−型のドリフト層２２０が形成されている。
ドリフト層２２０の表層（図４において、ドリフト層２２０の上面側）の一部の範囲に、ｐ−型のボディ領域２２６が形成されている。ドリフト層２２０の表層の他の範囲に、ボディ領域２２６を２重に囲むｐ型のガードリング２１４（内周ガードリング２１４ａと外周ガードリング２１４ｂ）が形成されている。
基板２１０において、内周ガードリング２１４ａの内側の領域が活性領域である。
活性領域には、ボディ領域２２６を貫通してドリフト層２２０に達している複数のトレンチ２３０が形成されている。トレンチ２３０の内部には導電性物質が充填されている。トレンチ２３０内部の導電性物質が、ゲート電極を形成する。図示を省略しているがトレンチ２３０の上面には絶縁層が形成されている。ボディ領域２２６の表面にエミッタ電極２２４が形成されている。エミッタ電極２２４とトレンチ２３０内の導電性物質は、絶縁層によって絶縁されている。
図示を省略しているが、トレンチ２３０の両側には、エミッタ電極２２４に接しているｎ型のエミッタ領域が形成されている。ｎ型のエミッタ領域同士の間に、ｐ型のボディコンタクト領域（不図示）が形成されている。ボディ領域２２６はボディコンタクト領域を介してエミッタ電極２２４に導通している。
エミッタ電極２２４とコレクタ電極２２８の間の物質がトランジスタを形成する。換言すれば、活性領域に半導体素子が形成されている。
また、図示を省略しているが、基板の表面には、トレンチ２３０の内部に充填されているゲート電極に接続されているゲート配線が設けられている。
【００２４】
ＩＧＢＴ２００もダイオード１００と同様の放熱効果を有している。即ち、ガードリング２１４の周辺で発生した熱は、ボイドに阻害されることなく、隆起部２１８を介してベースプレート２１２へ伝達される。従って、ＩＧＢＴ２００もダイオード１００と同様に、ボイドが形成されても放熱効率の低下が抑制される。
また、ＩＧＢＴ２００は、ダイオード１００と同様に、ガードリング２１４の周辺の熱容量を確実に確保できる効果を有している。
【００２５】
以上、本発明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。
実施例では、隆起部１８は、平板状の基板１０の裏面の中央部分をエッチングすることによって形成することができる。隆起部１８は、エッチング以外の方法によって形成されてもよい。例えば、平板状の基板１０の裏面の周囲の領域（平面視したときに、ガードリング１４とオーバーラップする領域）に、半田材よりも耐熱温度の高い物質を堆積させて形成してもよい。
【００２６】
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、本明細書または図面に例示した技術は複数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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施例の半導体装置の模式的斜視図である。
【図２】半導体基板を裏面からみた模式的斜視図である。
【図３】図１のIII−III線に沿ってみた半導体装置の模式的断面図である。
【図４】第２実施例の半導体装置の模式的断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０：半導体基板
１２：ベースプレート
１４：ガードリング
１６：切欠
１８：隆起部
２０：ドリフト層
２２：カソード層
２４：アノード電極
２６：アノード領域
２８：カソード電極
３０：半田材
１００：ダイオード（半導体装置）
２００：ＩＧＢＴ（半導体装置）
【図１】
2009141067.tif 000003
【図２】
2009141067.tif 000004
【図３】
2009141067.tif 000005
【図４】
2009141067.tif 000006