JP2004349383A

JP2004349383A - 高耐圧半導体装置

Info

Publication number: JP2004349383A
Application number: JP2003143285A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Saito; 安正斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】半導体チップにフレームを接着する接着剤のエミッタ電極上への流れ出しを防止し、熱緩衝板がエミッタ電極の圧接面に均等に圧接するようにして、半導体チップを破損させてしまうこと等なく、所定の電気特性、熱特性を得ることができる高耐圧半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップ３１上面にエミッタ電極１５を設け、下面にコレクタ電極１８を設けると共に、エミッタ電極１５より外方の半導体チップ３１の上面外縁部４２に終端電極４１を設け、かつ該外縁部４２上にシリコン接着剤２１を塗布して樹脂製フレーム２０を接着し、エミッタ電極１５上に上側熱緩衝板２２を圧接してなるもので、終端電極４１等の高さを低く形成して、外縁部４２の高さが、エミッタ電極１５の高さより低くなるようにする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐圧のＩＧＢＴやＩＥＧＴ、パワーＭＯＳ集積回路等の高耐圧半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、パワーエレクトロニクス分野で用いられるプレーナ型の高耐圧ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の高耐圧半導体装置は、数十から数百アンペアの大電流、３．３ｋＶ〜４．５ｋＶの高電圧で使用するものである。こうした高耐圧半導体装置では、半導体チップの下面にコレクタ電極を設け、また上面に可能な限り大面積にして電流が多く流せるようエミッタ電極を略素子全面にわたって設け、さらに３．３ｋＶ〜４．５ｋＶの高電圧に対応するため、半導体チップの外縁部に合成樹脂等の絶縁性材料でなるフレームを接着し、沿面距離を大きくするようにしている。そして高耐圧半導体装置は、半導体チップのコレクタ電極とエミッタ電極を、それぞれに圧接した熱緩衝板を介してコレクタポスト、エミッタポストに導通させる構成となっている。
【０００３】
以下、従来の高耐圧ＩＧＢＴにおける半導体チップの要部を断面図で示す図４を参照して説明する。
【０００４】
図４において、１は半導体チップで、２はＰ^＋型高濃度シリコン拡散層からなるコレクタであり、３はＮ型シリコン基板であり、４はＮ型シリコン基板３の上部の所定位置に離間して形成されたＰ型不純物拡散領域のＰベースであり、５はＰベース４の上部に形成されたＮ型不純物拡散領域のエミッタである。また、６は所定厚さに成膜したゲート絶縁膜で、Ｐベース４が形成されているＮ型シリコン基板３上面に、互いに隣り合うＰベース４間にわたって積層してあり、７はゲート絶縁膜６の上面に形成したポリシリコンのゲートである。
【０００５】
さらに、８はＮ型シリコン基板３の上部外縁部分に形成されたＰ⁻型不純物拡散領域であり、９はＮベース３の外縁部分上面に高耐圧を安定的に保持するために形成されたＳＩＰＯＳ（Ｓｅｍｉ−ＩｎｓｕｌａｔｅｄＰＯｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｌｉｃｏｎ）膜である。また、１０，１１はゲート７等を覆うよう全面に積層された層間絶縁膜のＵＤＯ（Ｕｎ−ＤｏｐｅｄＯｘｉｄｅ）膜、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−ｄｏｐｅｄＰｈｏｓｐｈｏ−ＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ）膜である。
【０００６】
また、１２，１３，１４はエミッタ開口、ゲート開口、終端電極開口で、所定位置のＰベース４、エミッタ５及びゲート７等の上方のＢＰＳＧ膜１１、ＵＤＯ膜１０、ゲート絶縁膜６をエッチングにより除去して形成されている。そしてＢＰＳＧ膜１１の上に、各開口１２，１３，１４を埋め込むようにしながらチタンアルミ（Ｔｉ−Ａｌ）、アルミニウム（Ａｌ）を全面に蒸着し、蒸着膜を所定パターンとなるようにエッチングすることによって、エミッタ電極１５、ゲート電極１６、終端電極（ゲート・チャネルストッパ電極）１７が形成されており、またコレクタ２の下面には同様にアルミニウムを蒸着することによってコレクタ電極１８が形成されている。
【０００７】
さらに、上記のように形成された半導体チップ１には、終端電極１７が形成されている外縁部１９の上にポリイミド系樹脂等の絶縁性合成樹脂材料でなる樹脂製フレーム２０が、外縁部１９上に塗布したシリコン接着剤２１によって接着されている。そして、樹脂製フレーム２０が接着された半導体チップ１は、図示しないがモリブデン（Ｍｏ）製の下側熱緩衝板と上側熱緩衝板２２の間に、エミッタ電極１５とコレクタ電極１８の圧接面１５ａ，１８ａにそれぞれ対応する下側熱緩衝板と上側熱緩衝板２２が圧接されるようにして挟持され、また、下側熱緩衝板と上側熱緩衝板２２を対応するコレクタポスト、エミッタポストに導通させ、ゲート電極をゲート端子に導通させるように設け、所定の外囲器に収納されて高耐圧半導体装置は構成されている。
【０００８】
しかしながら上記の従来技術においては、樹脂製フレーム２０を半導体チップ１の外縁部１９に接着する際、所定量のシリコン接着剤２１を外縁部１９の上に塗布し、樹脂製フレーム２０を接着するが、接着の過程でシリコン接着剤２１が加熱によって流動しやすくなり、樹脂製フレーム２０の下方から流れ出す。そして、塗布したシリコン接着剤２１の量が少しでも多い場合には、エミッタ電極１５の上面に流れ出る虞があった。
【０００９】
このため、塗布するシリコン接着剤２１の量の調節が難しく、またエミッタ電極１５の上面にシリコン接着剤２１が流れ出てしまった場合には、半導体チップ１を外囲器に収納する時に、エミッタ電極１５と、これに圧接する上側熱緩衝板２２との接触面積が減少し、導電面積の減少と共に熱伝達面の減少が生じて所定の電気特性、熱特性が得られなくなる。また、上側熱緩衝板２２が傾いた状態で強く圧接した場合には、上側熱緩衝板２２の外周端の角部分がエミッタ電極１５の圧接面１５ａに当たり、部分的な応力集中が生じて半導体チップ１を破損させてしまう虞もあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところはフレームを半導体チップに接着する接着剤のエミッタ電極上への流れ出しを防止し、熱緩衝板がエミッタ電極の圧接面に均等に圧接するようにして、半導体チップを破損させてしまうこと等なく、所定の電気特性、熱特性を得ることができる高耐圧半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の高耐圧半導体装置は、半導体チップ上面にエミッタ電極を設け、下面にコレクタ電極を設けると共に、前記エミッタ電極より外方の前記半導体チップの上面外縁部に終端電極を設け、かつ該外縁部上に接着剤を塗布して絶縁材料でなるフレームを接着し、前記エミッタ電極上に熱緩衝板を圧接してなる高耐圧半導体装置において、前記外縁部の高さが、前記エミッタ電極の高さより低く形成されていることを特徴とするものであり、
さらに、前記フレームが、外縁部よりも狭幅に形成されていて、該フレームとエミッタ電極の間に余剰接着剤を留めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施形態である高耐圧ＩＧＢＴを、図１乃至図３を参照して説明する。図１は半導体チップの要部を示す断面図であり、図２は樹脂製フレームを接着した半導体チップの平面図であり、図３は断面図である。なお、従来と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、従来と異なる本発明の構成について説明する。
【００１３】
図１乃至図３において、高耐圧ＩＧＢＴ３０は、下面側にコレクタ電極１８、上面側にエミッタ電極１５を形成した複数個の、例えば１５ｍｍ×１５ｍｍの方形状の半導体チップ３１を、モリブデン製またはタングステン（Ｗ）製の厚さが１ｍｍ〜４ｍｍの円形の下側熱緩衝板３２と、エミッタ電極１５と略同形状の上側熱緩衝板２２とにより上下両面から、コレクタ電極１８とエミッタ電極１５の圧接面１８ａ，１５ａを圧接するようにして挟持し、さらに下側熱緩衝板３２の下面側に銅（Ｃｕ）製のコレクタポスト３３、上側熱緩衝板２２の上面側に同じく銅製のエミッタポスト３４を導通するように設けて構成されている。
【００１４】
また、半導体チップ３１の上面に形成したゲート電極３５の接続面３５ａには、エミッタポスト３４の所定位置に形成した凹所３６に設けたゲート端子部材３７が、背面側から弾性部材３８で付勢されるようにして接続されている。そして、コレクタポスト３３とエミッタポスト３４の外周部間に、セラミック製の外面に数条の環状溝が形成された円筒状の外囲器３９を設け、さらに、この外囲器３９を貫通して片端が外方に延出するように設けたゲートリード４０の他端が、ゲート端子部材３７に接続されている。
【００１５】
また、半導体チップ３１は、Ｐ^＋型高濃度シリコン拡散層からなるコレクタ２の上にＮ型シリコン基板３を有している。さらに、Ｎ型シリコン基板３の上部には、それぞれ不純物濃度を制御し、所定位置に離間して注入し拡散して形成したＰ^＋型領域、Ｐ^＋＋型領域等のＰ型不純物拡散領域のＰベース４が設けられている。またＰベース４の所定位置の上部には、Ｎ型不純物拡散領域のエミッタ５が形成されている。
【００１６】
また、Ｐベース４が形成されているＮ型シリコン基板３上面には、互いに隣り合うＰベース５間にわたってゲート絶縁膜６が積層されており、ゲート絶縁膜６の上面には、ポリシリコンを積層することによってゲート７が形成されている。さらに、Ｎ型シリコン基板３の上部外縁部分には、Ｐ⁻型不純物拡散領域８が形成されており、Ｐ⁻型不純物拡散領域８を含むＮ型シリコン基板３の外縁部分上面には、ＳＩＰＯＳ膜９が形成されている。またさらに、ゲート７やＳＩＰＯＳ膜９等が形成されたＮベース３の全面には、ゲート７等を覆うように層間絶縁膜のＵＤＯ膜１０、ＢＰＳＧ膜１１が、例えば合計１．０μｍ〜２．５μｍの厚さに順次積層されている。
【００１７】
そして、所定位置のＰベース４、エミッタ５及びゲート７等の上方のＢＰＳＧ膜１１、ＵＤＯ膜１０、ゲート絶縁膜６には、これらを順次エッチングにより除去することで、エミッタ開口１２、ゲート開口１３、終端電極開口１４が形成され、またＢＰＳＧ膜１１等の上に、形成された各開口１２，１３，１４を埋め込むようにしながら電極を形成するために、チタンアルミ、アルミニウムが全面に、例えば１０μｍ〜２０μｍ程度の厚さとなるよう蒸着されている。
【００１８】
さらに、アルミニウム等の蒸着膜を、所定パターンとなるようにエッチングすることで、エミッタ電極１５、ゲート電極３５、終端電極（ゲート・チャネルストッパ電極）４１が形成されている。またさらに、エミッタ電極１５よりも外方側の外縁部４２に位置する終端電極４１と、ゲート端子部材３７が直接接続面３５ａに接続されるものを除く終端電極４１とエミッタ電極１５の間に設けられたゲート電極３５とは、例えば４μｍ〜１２μｍ程度エミッタ電極１５よりも上面の高さが低くなるよう電極上面３５ｂ，４１ａが、エッチングされて平坦なものとなっており、外縁部４２全体の高さがエミッタ電極１５よりも低くなっている。
【００１９】
これにより、エミッタ電極１５の側端面１５ｂが壁状となって外縁部４２に臨むことになる。また、コレクタ２の下面には、同様にアルミニウムを蒸着することによってコレクタ電極１８が形成されている。
【００２０】
一方、上記のように形成された半導体チップ３１には、エミッタ電極１５よりも低くなっている外縁部４２に、外縁部４２より狭幅のポリイミド系樹脂等の絶縁性合成樹脂材料でなる樹脂製フレーム２０が、所定量のシリコン接着剤２１を外縁部４２の終端電極４１の上面４１ａとＢＰＳＧ膜１１の上面１１ａ上に塗布し、樹脂製フレーム２０を加熱しながら押し当てることによって終端電極４１とＢＰＳＧ膜１１の上方を覆うように接着されている。
【００２１】
そして、樹脂製フレーム２０が接着された半導体チップ３１は、前述したように、コレクタ電極１８とエミッタ電極１５の圧接面１８ａ，１５ａに対応する下側熱緩衝板３２と上側熱緩衝板２２が圧接されるようにして、両熱緩衝板２２，３２の間に挟持され、両熱緩衝板２２，３２をコレクタポスト３３、エミッタポスト３４に導通させて外囲器３９内に収納される。
【００２２】
以上の通り構成することによって、樹脂製フレーム２０を半導体チップ３１の外縁部４２に接着する際、外縁部４２の上に所定量のシリコン接着剤２１を塗布し、樹脂製フレーム２０を接着するも、加熱によって流動しやすくなったシリコン接着剤２１は、エミッタ電極１５の側端面１５ｂによって流れが阻止され、樹脂製フレーム２０とエミッタ電極１５の側端面１５ｂとの間等の、エミッタ電極１５よりも高さの低い終端電極４１やゲート電極３５の配置されている外縁部４２に留まることになり、エミッタ電極１５の圧接面１５ａに流れ出てしまう虞が低減する。
【００２３】
この結果、エミッタ電極１５の圧接面１５ａに圧接面積を減少させることなく上側熱緩衝板２２が確実に圧接できることになり、接触面積も減少の虞がないことから所要の熱伝導特性を得ることができ、また所要の導電面積が確保できるため所定の電気特性を得ることができる。さらに、上側熱緩衝板２２が傾いた状態で圧接しないため、半導体チップ３１を破損させてしまう虞もない。
【００２４】
なお、上記の実施形態においては高耐圧半導体装置を高耐圧ＩＧＢＴとしたが、高耐圧ＩＥＧＴ、高耐圧のパワーＭＯＳ集積回路等であってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、フレームを半導体チップに接着する接着剤のエミッタ電極上への流れ出しを確実に防止することができ、熱緩衝板がエミッタ電極の圧接面に均等に圧接することから所定の電気特性、熱特性を得ることができ、半導体チップを破損させてしまう虞もない等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における半導体チップの要部を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における樹脂製フレームを接着した半導体チップの平面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す断面図である。
【図４】従来技術における半導体チップの要部を示す断面図である。
【符号の説明】
１５…エミッタ電極
１８…コレクタ電極
２０…樹脂製フレーム
２１…シリコン接着剤
２２…上側熱緩衝板
３１…半導体チップ
４２…外縁部
４１…終端電極

Claims

半導体チップ上面にエミッタ電極を設け、下面にコレクタ電極を設けると共に、前記エミッタ電極より外方の前記半導体チップの上面外縁部に終端電極を設け、かつ該外縁部上に接着剤を塗布して絶縁材料でなるフレームを接着し、前記エミッタ電極上に熱緩衝板を圧接してなる高耐圧半導体装置において、前記外縁部の高さが、前記エミッタ電極の高さより低く形成されていることを特徴とする高耐圧半導体装置。
前記フレームが、外縁部よりも狭幅に形成されていて、該フレームとエミッタ電極の間に余剰接着剤を留めるようにしたことを特徴とする請求項１記載の高耐圧半導体装置。