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公開番号2021040055
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210311
出願番号2019160791
出願日20190904
発明の名称半導体装置
出願人住友電気工業株式会社
代理人個人,個人
主分類H01L 21/60 20060101AFI20210212BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】信頼性の向上を図ることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置11Aは、基板15と、半導体チップ31Aと、半導体チップ31A上に配置される平板状の第1部分23Aと、第1部分23Aに対して傾斜して延びる平板状の第2部分24Aと、第1部分23Aと第2部分24Aとの間に配置されて第1部分23Aおよび第2部分24Aと連なる第3部分25Aと、を含む金属板17Aと、を備える。半導体チップ31Aは、活性領域33Aと、半導体チップ31Aの厚み方向に見て活性領域33Aを取り囲む終端領域34Aと、活性領域33A上に配置され、第1部分23Aと電気的に接合されるパッド電極35Aと、を含む。第3部分25Aの外縁側に位置する角部28Aは、半導体チップ31Aの厚み方向に見て、パッド電極35Aおよび活性領域33Aの少なくともいずれか一方の範囲内に位置する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
回路パターンを有する基板と、
前記回路パターン上に配置される半導体チップと、
前記半導体チップ上に配置される平板状の第1部分と、前記第1部分に対して傾斜して延びる平板状の第2部分と、前記第1部分と前記第2部分との間に配置されて前記第1部分および前記第2部分と連なる第3部分と、を含む金属板と、を備え、
前記半導体チップは、
活性領域と、
前記半導体チップの厚み方向に見て前記活性領域を取り囲む終端領域と、
前記活性領域上に配置され、前記第1部分と電気的に接合されるパッド電極と、を含み、
前記第3部分の外縁側に位置する角部は、前記半導体チップの厚み方向に見て、前記パッド電極および前記活性領域の少なくともいずれか一方の範囲内に位置する、半導体装置。
続きを表示(約 730 文字)【請求項2】
前記半導体チップの厚み方向に見て、
前記パッド電極の外縁は、前記活性領域の範囲内に位置し、
前記第3部分の外縁側に位置する角部は、前記活性領域の範囲内に位置する、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記半導体チップの厚み方向に見て、
前記活性領域の外縁は、前記パッド電極の範囲内に位置し、
前記第3部分の外縁側に位置する角部は、前記パッド電極の範囲内に位置する、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記半導体チップの厚み方向に見て、
前記パッド電極の外縁は、前記活性領域の範囲内に位置し、
前記第3部分の外縁側に位置する角部は、前記パッド電極の範囲内に位置する、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記半導体装置は、ショットキーバリアダイオードである、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記半導体装置は、MOSFETである、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記半導体装置は、IGBTである、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記半導体チップは、SiC層を含む、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記半導体チップは、GaN層を含む、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記半導体チップは、酸化ガリウム層を含む、請求項1から請求項7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】
本開示は、半導体装置に関するものである。
続きを表示(約 7,500 文字)【背景技術】
【0002】
絶縁基板、回路パターンおよび半導体チップを放熱板上に搭載した半導体装置が知られている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。特許文献1および特許文献2に開示の半導体装置は、半導体チップの上面に設けられた上面電極と、上面電極上に設けられためっき層と、めっき層を貫通して設けられ、めっき層を分割するゲートランナーと、上面電極と電気的に接続される金属配線板と、を含む。特許文献1および特許文献2に開示の半導体装置は、ゲートランナーと金属配線板との位置関係を規定して、半導体装置内におけるクラックの発生を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2018−98282号公報
特開2018−98283号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
半導体装置においては、半導体装置の安定した動作を確保して、信頼性を高めることが求められる。そこで、信頼性の向上を図ることができる半導体装置を提供することを目的の1つとする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示に従った半導体装置は、回路パターンを有する基板と、回路パターン上に配置される半導体チップと、半導体チップ上に配置される平板状の第1部分と、第1部分に対して傾斜して延びる平板状の第2部分と、第1部分と第2部分との間に配置されて第1部分および第2部分と連なる第3部分と、を含む金属板と、を備える。半導体チップは、活性領域と、半導体チップの厚み方向に見て活性領域を取り囲む終端領域と、活性領域上に配置され、第1部分と電気的に接合されるパッド電極と、を含む。第3部分の外縁側に位置する角部は、半導体チップの厚み方向に見て、パッド電極および活性領域の少なくともいずれか一方の範囲内に位置する。
【発明の効果】
【0006】
上記半導体装置によれば、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1は、実施の形態1における半導体装置の一部を後述する半導体チップの厚み方向に見た場合の概略平面図である。
図2は、図1に示す半導体装置をII−IIで切断した場合の概略断面図である。
図3は、図2に示す半導体装置に含まれる後述する金属板の第3部分の外縁側に位置する角部付近を拡大して示す拡大断面図である。
図4は、活性領域の外縁から第3部分の外縁側に位置する角部までのX方向の距離と第3部分の外縁側に位置する角部の外周側の領域における最大電界強度との関係を示すグラフである。
図5は、活性領域の外縁から第3部分の外縁側に位置する角部までのX方向の距離と第3部分の外縁側に位置する角部の外周側の領域における最大電界強度との関係を示すグラフである。
図6は、距離xが40μmである場合の第3部分の外縁側に位置する角部付近を拡大して示す概略図であり、等電位線を図示している。
図7は、距離xが0μmである場合の第3部分の外縁側に位置する角部付近を拡大して示す概略図であり、等電位線を図示している。
図8は、第3部分の外縁側に位置する角部付近を拡大して示す概略断面図である。
図9は、実施の形態2における半導体装置に含まれる金属板の第3部分の外縁側に位置する角部付近を拡大して示す拡大断面図である。
図10は、実施の形態3における半導体装置に含まれる金属板の第3部分の外縁側に位置する角部付近を拡大して示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示に係る半導体装置は、回路パターンを有する基板と、回路パターン上に配置される半導体チップと、半導体チップ上に配置される平板状の第1部分と、第1部分に対して傾斜して延びる平板状の第2部分と、第1部分と第2部分との間に配置されて第1部分および第2部分と連なる第3部分と、を含む金属板と、を備える。半導体チップは、活性領域と、半導体チップの厚み方向に見て活性領域を取り囲む終端領域と、活性領域上に配置され、第1部分と電気的に接合されるパッド電極と、を含む。第3部分の外縁側に位置する角部は、半導体チップの厚み方向に見て、パッド電極および活性領域の少なくともいずれか一方の範囲内に位置する。
【0009】
半導体装置においては、金属板の第1部分とパッド電極とが電気的に接合されているため、電圧の印加時に金属板とパッド電極とが同じ電位となる。ここで、本願発明者は、電圧の印加時において、第1部分と第2部分との間に配置され、第1部分および第2部分と連なる第3部分の外縁側に位置する角部付近の最大の電界強度が局部的に高くなる場合があることに着目した。さらに本願発明者は、半導体チップの厚み方向に見て、パッド電極が位置する領域の外縁および活性領域の外縁のうちの外周側に位置する外縁から上記角部が離れるにつれ、上記角部付近の最大の電界強度が高くなっていくことを見出した。そこで本願発明者は鋭意検討し、第3部分の外縁側に位置する角部は、半導体チップの厚み方向に見て、パッド電極および活性領域の少なくともいずれか一方の範囲内に位置すれば良いことを考えた。上記半導体装置では、電圧の印加時に上記角部付近において、電界が集中することを緩和することができる。したがって、高い電圧を印加した場合でも最大の電界強度が局部的に高くなる領域が発生することを抑制することができる。その結果、半導体装置の安定した動作を確保して、信頼性の向上を図ることができる。なお、本願明細書における活性領域とは、半導体装置の動作時においてオン状態の時に電流が流れる領域をいう。
【0010】
上記半導体装置において、半導体チップの厚み方向に見て、パッド電極の外縁は、活性領域の範囲内に位置してもよい。第3部分の外縁側に位置する角部は、活性領域の範囲内に位置してもよい。このようにすることにより、半導体チップの厚み方向に見て、上記角部付近において最大の電界強度が比較的高くなる領域を、半導体装置内に収めることが容易になる。よって、半導体装置における耐圧の制御を、半導体装置を構成する部材の設計等によって容易にすることができる。
【0011】
上記半導体装置において、半導体チップの厚み方向に見て、活性領域の外縁は、パッド電極の範囲内に位置してもよい。第3部分の外縁側に位置する角部は、パッド電極の範囲内に位置してもよい。半導体装置の設計上、活性領域をできるだけ半導体装置の中央に寄せたい場合がある。活性領域の外縁を中央に近い位置に配置し、半導体装置の耐圧を上げにくい場合、このようにすることにより、上記角部付近において、電界強度が高くなることを抑制することができる。よって、半導体装置を構成する部材の設計の自由度を高めることができる。
【0012】
上記半導体装置において、半導体チップの厚み方向に見て、パッド電極の外縁は、活性領域の範囲内に位置してもよい。第3部分の外縁側に位置する角部は、パッド電極の範囲内に位置してもよい。パッド電極と金属板とを電気的に接合する際に、例えばはんだを用い、パッド電極と金属板との間にはんだを介在させる場合がある。半導体装置の製造時に溶融したはんだがパッド電極上から流れ出ると、はんだの流れ出た部分の近傍、具体的に溶融したはんだの外周側の領域において電界集中が発生し易い。しかし、このようにすることにより、半導体チップの厚み方向に見てパッド電極の面積を広く確保することができ、溶融したはんだをパッド電極上から流れ出にくくすることができる。したがって、電界集中の発生を抑制して安定した動作を確保することができる半導体装置を製造することが容易になる。
【0013】
上記半導体装置は、ショットキーバリアダイオードであってもよい。このような半導体装置は、上記活性領域の一部を例えばショットキー電極として、信頼性の高いものとすることができる。
【0014】
上記半導体装置は、MOSFETであってもよい。このような半導体装置は、上記活性領域の一部を例えばソース電極として、信頼性の高いものとすることができる。
【0015】
上記半導体装置は、IGBTであってもよい。このような半導体装置は、上記活性領域の一部を例えばエミッタ電極として、信頼性の高いものとすることができる。
【0016】
上記半導体装置において、半導体チップは、SiC層を含んでもよい。また、上記半導体装置において、半導体チップは、GaN層を含んでもよい。また、上記半導体装置において、半導体チップは、酸化ガリウム層を含んでもよい。これらのような層を構成する化合物半導体はバンドギャップが大きいため、高耐圧および低オン抵抗を達成可能である。したがって、このような半導体チップを採用することにより、高性能な半導体装置を得ることができる。
【0017】
[本開示の実施形態の詳細]
次に、本開示の半導体装置の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
【0018】
(実施の形態1)
本開示の実施の形態1における半導体装置の構成について説明する。図1は、実施の形態1における半導体装置の一部を後述する半導体チップの厚み方向に見た場合の概略平面図である。図1において、後述する金属板の第1部分および第4部分は、破線で示される。図2は、図1に示す半導体装置をII−IIで切断した場合の概略断面図である。図2は、後述する金属板の幅方向に垂直な断面図である。図3は、図2に示す半導体装置に含まれる後述する第3部分の外縁側に位置する角部付近を拡大して示す拡大断面図である。
【0019】
図1〜図3を参照して、実施の形態1における半導体装置11Aは、平板状の放熱板12と、放熱板12上に配置される枠体13と、回路パターン14を有し、放熱板12上に配置される基板15と、回路パターン14上に配置される半導体チップ31Aと、半導体チップ31A上に配置される金属板17Aと、充填剤18(図3参照)と、を含む。
【0020】
放熱板12は、金属製である。放熱板12は、例えば銅製である。放熱板12の表面には、ニッケルめっき処理が施されてもよい。放熱板12の平面形状は、長方形である。具体的には、放熱板12は、厚み方向に見て、X方向に延びる辺を長辺とし、Y方向に延びる辺を短辺とした長方形である。
【0021】
枠体13は、例えば絶縁性を有する樹脂製である。本実施形態において、枠体13は、四角筒状である。枠体13は、例えば接着剤により、放熱板12の厚み方向の一方の主面12A上に固定される。なお、放熱板12の他方の主面12Bには、例えば、放熱を効率的に行う放熱フィン(図示しない)等が取り付けられる場合がある。放熱板12および枠体13によって規定される空間19に、充填剤18が配置される。充填剤18としては、例えばエポキシ樹脂が用いられる。なお、図1および図2においては、充填剤18の図示を省略し、図3においては、充填剤18の一部を図示している。
【0022】
基板15は、絶縁性を有する絶縁板21と、上記回路パターン14とを有する。絶縁板21は、例えばセラミック製である。絶縁板21は、具体的にはAlN、SiNまたはAl



から構成される。絶縁板21は、ガラス製であってもよい。回路パターン14は、絶縁板21の上に配置される。基板15は、絶縁板21の上に回路パターン14を積層した構成である。本実施形態においては、回路パターン14は、銅配線である。
【0023】
基板15は、放熱板12の一方の主面12A上に図示しないはんだによって接合される。基板15は、基板15の厚み方向において、回路パターン14が配置されていない側の面の面15Aと一方の主面12Aとが接合される。放熱板12の厚み方向および基板15の厚み方向は、Z方向である。
【0024】
半導体チップ31Aは、回路パターン14上に配置される。半導体チップ31Aは、ワイドバンドギャップ半導体を含む。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、SiC、GaN等といった化合物半導体が挙げられる。半導体チップ31Aは、例えばショットキーバリアダイオード(SBD)である。半導体チップ31Aの厚み方向は、Z方向である。
【0025】
半導体チップ31Aは、SiC層32Aと、活性領域33Aと、終端領域34Aと、パッド電極35Aと、フィールドストップ層36Aと、絶縁膜37Aとを含む。活性領域33Aは、半導体装置11Aの動作時において、オン状態の時に電流が流れる領域をいう。活性領域33Aおよび終端領域34Aは、SiC層32Aの上に配置される。活性領域33Aは、半導体チップ31Aを厚み方向に見て、半導体チップ31Aの中央に配置される。なお、図1において、活性領域33Aの外縁33Bを二点鎖線で示している。終端領域34Aは、半導体チップ31Aを厚み方向に見て、活性領域33Aを取り囲むように配置される。活性領域33Aの外縁33Bと終端領域34Aの内縁34Bとは接触している。終端領域34Aの内縁34Bと終端領域34Aの外縁34Cとの間隔は、終端領域34AのX方向の幅L

によって示される。活性領域33Aおよび終端領域34Aは、イオン注入により形成される。終端領域34Aは、活性領域33Aよりも注入されたイオンのドーズ量が少ない。活性領域33Aの一部、具体的には、パッド電極35Aと接触する部分に、ショットキー電極(図示せず)が形成される。終端領域34Aの外周側には、終端領域34Aの外縁34Cと間隔をあけてフィールドストップ層36Aが配置される。
【0026】
絶縁膜37Aは、活性領域33Aの一部を露出し、終端領域34Aおよびフィールドストップ層36Aを覆うように配置される。パッド電極35Aは、絶縁膜37Aによって覆われていない部分における活性領域33Aと接触して配置される。半導体チップ31Aの厚み方向における絶縁膜37Aの一方の面37Bと他方の面37Cとの間隔は、絶縁膜37Aの厚みT

によって示される。本実施形態においては、半導体チップ31Aの厚み方向に見て、パッド電極35Aの外縁35Dは、活性領域33Aの範囲内に位置する。なお、半導体チップ31Aの厚み方向におけるパッド電極35Aの一方の面35Bと他方の面35Cとの間隔は、パッド電極35Aの厚みT

によって示される。
【0027】
金属板17Aは、帯状である。金属板17Aは、第1部分23Aと、第2部分24Aと、第3部分25Aと、第4部分26Aと、第5部分27Aと、を含む。第1部分23A、第2部分24Aおよび第4部分26Aはそれぞれ、平板状である。第1部分23Aおよび第4部分26Aはそれぞれ、X−Y平面と平行に配置される。第2部分24Aは、第1部分23Aおよび第4部分26Aに対してそれぞれ傾斜して接続される。本実施形態では、第2部分24Aは、Y−Z平面と平行に配置される。すなわち、第2部分24Aは、第1部分23Aおよび第4部分26Aに対してそれぞれ垂直に配置される。第3部分25Aは、第1部分23Aと第2部分24Aとの間に配置される。第3部分25Aは、第1部分23Aおよび第2部分24Aと連なる。第5部分27Aは、第2部分24Aと第4部分26Aとの間に配置される。第5部分27Aは、第2部分24Aおよび第4部分26Aと連なる。金属板17Aは、例えば一枚の帯状の部材を折り曲げて形成される。第3部分25Aおよび第5部分27Aはそれぞれ、金属板17Aを折り曲げて形成される折り曲げ部に相当する。金属板17Aの幅方向は、Y方向である。
【0028】
第1部分23Aは、パッド電極35Aと電気的に接合される。第1部分23Aの一方の面である第1の平面23Bと、パッド電極35Aの一方の面35Bとが対向するようにして配置される。第1部分23Aの第1の平面23Bは、パッド電極35Aと対向する平面である。パッド電極35Aの一方の面35Bは、第1部分23Aに対向する平面である。
【0029】
次に、実施の形態1における半導体装置11Aの製造方法の一例について簡単に説明する。まず放熱板12、基板15および半導体チップ31Aを準備する。次に、放熱板12上にはんだを介在させて基板15を配置し、基板15上にはんだを介在させて半導体チップ31Aを配置する。そして、リフローはんだ付けにより放熱板12と基板15とを接合し、基板15と半導体チップ31Aとを接合する。次に、枠体13を放熱板12に接着する。その後、パッド電極35Aと金属板17Aの第1部分23Aとを接合する。次に、空間19内に充填剤18を充填して、半導体装置11Aを得る。
【0030】
ここで、第3部分25Aの外縁側に位置する角部28Aは、半導体チップ31Aの厚み方向に見て、パッド電極35Aおよび活性領域33Aの少なくともいずれか一方の範囲内に位置する。本実施形態においては、半導体チップ31Aの厚み方向に見て、第3部分25Aの外縁側に位置する角部28Aは、活性領域33Aの範囲内に位置する(図1参照)。
(【0031】以降は省略されています)

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