半导体芯片及半导体装置的制作方法

本发明涉及具有与接合部件电连接的电极部的半导体芯片及半导体装置。

背景技术：

以往，提出有一种半导体装置，其构成为依次层叠有第一散热部件、接合部件、半导体芯片、接合部件、散热块、接合部件以及第二散热部件(例如参照专利文献1)。此外，作为半导体芯片，采用如下半导体芯片，其具有栅极电极、且形成有在该半导体芯片的厚度方向上流通电流的mosfet(即，metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor)元件、igbt(即，insulatedgatebipolartransistor)元件等半导体元件。另外，第一散热部件及第二散热部件分别经由接合部件而与半导体芯片热连接及电连接，具有将半导体芯片产生的热量放出的功能，并且具有作为构成流过半导体芯片的电流的电流路径的布线部的功能。

在这样的半导体装置中，通过对施加于栅极电极的驱动电压进行调整，从而切换在半导体芯片中流过电流的导通状态、和在半导体芯片中不流过电流的截止状态。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2005－268496号公报

发明概要

但是，在上述半导体装置中，在因某种不良情形而在第一散热部件与第二散热部件之间发生短路的情况下，由于在半导体芯片中流过大电流而半导体芯片的温度急剧上升。并且，当半导体芯片的温度达到损坏温度，则该半导体芯片可能损坏。

为了解决这样的问题，可以考虑在上述半导体装置中配置热敏电阻等温度检测元件，根据温度检测元件的检测结果来调整向栅极电极施加的驱动电压。即，可以考虑在检测出的温度为阈值温度以上的情况下降低驱动电压而切断在半导体芯片中流过的电流，从而避免半导体芯片的温度达到损坏温度。

但是，在该方法中，由于在检测出温度后调整驱动电压，因此响应性低，有可能在降低驱动电压之前半导体装置损坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供能够提高耐久性的半导体芯片及半导体装置。

本发明的一个方面的半导体装置，具有电极部的半导体芯片的该电极部与接合部件电连接，经由接合部件在半导体芯片中流过电流，该半导体装置具备半导体芯片、和与电极部电连接的接合部件，接合部件包含保护材料而构成，该保护材料，其电阻率的温度系数为正，在将比所述半导体芯片被损坏的损坏温度低的规定温度设为阈值温度时，比所述阈值温度高的温度侧的电阻率的温度系数大于比所述阈值温度低的温度侧的电阻率的温度系数。

由此，当在半导体芯片中流过大电流从而该半导体芯片的温度上升，接合部件的温度也随之上升。并且，当温度超过阈值温度，接合部件的保护材料的电阻率急剧增大。因此，能够使流过半导体芯片的电流减少。因此，能够抑制半导体芯片的温度达到损坏温度，能够提高耐久性。另外，保护材料由于电阻率随温度变化，所以也不会有响应性变低的情况。

另外，根据本发明的另一方面，接合部件构成为，包含保护材料和电阻率低于保护材料的基础材料。

由此，与接合部件仅由保护材料构成的情况相比，能够抑制在低于阈值温度的温度下使用时整体的电阻率提高，能够抑制导通损耗增大。

此外，根据本发明的另一方面，在具有电极部并且形成有半导体元件的半导体芯片中，电极部包含保护材料而构成，该保护材料，其电阻率的温度系数为正，在将比所述半导体元件被损坏的损坏温度低的规定温度设为阈值温度时，比所述阈值温度高的温度侧的电阻率的温度系数大于比所述阈值温度低的温度侧的电阻率的温度系数。

由此，当由于在半导体芯片中流过大电流而该半导体芯片的温度上升，则电极部的温度也随之上升。此时，电极部如果超过了比半导体芯片被损坏的损坏温度低规定温度的阈值温度，则保护材料的电阻率急剧增大，因而流过半导体芯片的电流减少。因此，通过按照半导体芯片的特性并基于损坏温度来适当地设定阈值温度，能够抑制半导体芯片的温度达到损坏温度，能够提高耐久性。另外，保护材料由于电阻率随温度变化从而也不会有响应性降低的情况。

附图说明

图1是第一实施方式的半导体装置的剖视图。

图2是半导体芯片的平面图。

图3是沿图2中的iii－iii线的剖视图。

图4是表示基础材料的温度与电阻率的关系的图。

图5是第二实施方式的第一接合部件的剖视图。

图6是第三实施方式的第一接合部件的平面图。

图7是第四实施方式的第一接合部件的剖视图。

图8是另一实施方式的第一接合部件的剖视图。

图9a是另一实施方式的第一接合部件的平面图。

图9b是另一实施方式的第一接合部件的平面图。

图10是另一实施方式的第一接合部件的剖视图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，在以下的各实施方式彼此之间，对于相同或等同的部分标记相同符号进行说明。

(第一实施方式)

参照附图对第一实施方式进行说明。如图1所示，本实施方式的半导体装置构成为，在第一散热部件1上搭载有半导体芯片2，在半导体芯片2上隔着散热块3配置有第二散热部件4。另外，在第一散热部件1与半导体芯片2之间配置有第一接合部件5，在半导体芯片2与散热块3之间配置有第二接合部件6，在散热块3与第二散热部件4之间配置有第三接合部件7。此外，如后所述，在本实施方式的半导体芯片2具备栅极焊盘20，该栅极焊盘20经由键合线9而与栅极端子8电连接。此外，在本实施方式中，键合线9相当于外部部件。

半导体芯片2形成有流通大电流的功率元件等半导体元件，在本实施方式中，如图2及图3所示那样，采用形成有igbt元件的结构。在此，参照图2及图3对本实施方式的半导体芯片2的结构进行简要说明。

半导体芯片2具备具有n－型的漂移层11的半导体基板10，在漂移层11上(即，半导体基板10的一面10a侧)，形成有作为沟道层发挥功能的p型的基极层12。此外，在本实施方式中，作为基板，采用sic基板、gan基板或金刚石基板等，做成在高温下也能够稳定地工作的结构。并且，在半导体基板10中，以贯通基极层12而到达漂移层11的方式形成有多个沟槽13，利用该沟槽13使基极层12分离为多个。

此外，多个沟槽13沿着半导体基板10的一面10a的面方向中的一个方向等间隔地形成。其中，这里的一个方向是指图3中的纸面进深方向。另外，半导体基板10的一面10a由基极层12中的与漂移层11相反侧的一面构成。

在基极层12的表层部形成有n+型的发射极区域14、和被发射极区域14夹着的p+型的体(body)区域15。发射极区域14相比于漂移层11以高杂质浓度构成，且在基极层12内结束，并且形成为与沟槽13的侧面相接。另一方面，体区域15相比于基极层12以高杂质浓度构成，且与发射极区域14同样地形成为在基极层12内结束。

另外，各沟槽13内被栅极绝缘膜16和栅极电极17填埋，栅极绝缘膜16以将各沟槽13的壁面覆盖的方式形成，栅极电极17由在该栅极绝缘膜16之上形成的多晶硅等构成。由此构成了沟槽栅结构。

在基极层12(即，半导体基板10的一面10a)上，形成有由bpsg(即，borophosphosilicateglass(硼磷硅玻璃))等构成的层间绝缘膜18。并且，在层间绝缘膜18，形成有使发射极区域14的一部分以及体区域15露出的接触孔18a。

在层间绝缘膜18上形成有上部电极19。该上部电极19经由接触孔18a，与发射极区域14及体区域15电连接。即，上部电极19作为发射极电极发挥功能。此外，在本实施方式中，上部电极19相当于电极部及第二电极。

另外，在半导体基板10的一面10a侧，除了上部电极19之外，还形成有栅极焊盘20。关于该栅极焊盘20，在该栅极焊盘20与各栅极电极17之间经由引绕的栅极布线21电连接。此外，虽然没有特别地进行图示，在半导体基板10的一面10a侧，除了栅极焊盘20之外还形成有各种焊盘。

在漂移层11中的与基极层12侧相反的一侧(即，半导体基板10的另一面10b侧)，形成有n型的场截止(fieldstop)层(以下简称为fs层)22。虽然该fs层22并非必须，但其通过防止耗尽层扩展而实现耐压和稳态损耗的性能提高，并且抑制从半导体基板10的另一面10b侧注入的空穴的注入量，因此具备fs层22。

另外，夹着fs层22而在漂移层11的相反侧形成有p型的集电极层23。在集电极层23上(即，半导体基板10的另一面10b)，形成有下部电极24。此外，在本实施方式中，下部电极24相当于电极部及第一电极。

以上为本实施方式的半导体芯片2的结构。在这样的半导体芯片2中，例如，上部电极19接地且下部电极24被施加正电压，经由栅极焊盘20及栅极布线21向栅极电极17施加驱动电压。具体而言，向栅极电极17施加绝缘栅结构的阈值电压vth以上的电压。由此，在基极层12中的与配置栅极电极17的沟槽13相接的部分形成反型层，从发射极区域14经由反型层向漂移层11供给电子、并且从集电极层23向漂移层11供给空穴而成为导通状态。即，在半导体芯片2的厚度方向上流通电流。

如图1所示，散热块3配置在半导体芯片2与第二散热部件4之间而将它们电连接及热连接，例如，由导电率及导热率高的cu(铜)等构成。在本实施方式中，散热块3为长方体形状。并且，散热块3经由第二接合部件6而与半导体芯片2的表面侧的上部电极19电连接及热连接，并且经由第三接合部件7而与第二散热部件4电连接及热连接。

第一散热部件1及第二散热部件4作为使半导体芯片2所产生的热大范围地扩散而放出的散热板发挥功能。第一散热部件1及第二散热部件4例如以导电率及导热率大的cu为基础而形成，并根据需要在表面施加有金镀层等。

另外，第一散热部件1经由第一接合部件5而与半导体芯片2的背面侧的下部电极24电连接，除了作为散热板的功能之外，也作为与下部电极24连接的布线部发挥功能。同样地，第二散热部件4经由散热块3而与半导体芯片2的表面侧的上部电极19电连接，除了作为散热板的功能之外，也作为与上部电极19连接的布线部发挥功能。

以上为本实施方式的半导体装置的基本结构。接下来，对本实施方式的第一接合部件5的结构进行说明。

在本实施方式中，第一接合部件5构成为包含基材材料和保护材料。在本实施方式中，作为基础材料，采用即使在高温(例如250°左右)下电阻率也较低的ag(银)。另外，作为保护材料，采用图4所示那样的材料，即：电阻率的温度系数为正，在将比半导体芯片2(即半导体元件)的损坏温度低规定温度的温度设为阈值温度时，比阈值温度高的温度侧的电阻率的温度系数大于比阈值温度低的温度侧的电阻率的温度系数。即，作为保护材料，采用当高于阈值温度时电阻率急剧增大的材料。例如，作为具有这样的特性的保护材料，采用ruo2(氧化钌)、batio3(钛酸钡)、cuo(氧化铜)、ga2o3(氧化镓)等金属氧化物，优选按照基于半导体芯片2的损坏温度的阈值温度来适当选择。并且，第一接合部件5是在涂敷了包含基础材料和保护材料的粉末而构成的膏状物之后、将该膏状物烧结而构成的。

此外，基础材料并不限定于ag，例如也能够采用cu等，但是采用与保护材料相比电阻率低的材料。另外，关于保护材料，只要电阻率的温度系数为正、比阈值温度高的温度侧的电阻率的温度系数大于比阈值温度低的温度侧的电阻率的温度系数，则并不限定于金属氧化物，也可以采用非氧化物。但是，在保护材料采用金属氧化物的情况下，作为基础材料，优选采用基础材料的特性不因该氧化物而发生变化的ag等。

以上为第一接合部件5的结构。此外，在本实施方式中，第二接合部件6及第三接合部件7做成与第一接合部件5同样的结构，分别包含基础材料和保护材料而构成。

如以上说明的那样，在本实施方式的半导体装置中，第一接合部件5、第二接合部件6以及第三接合部件7包含基础材料和保护材料而构成。并且，作为保护材料，采用如下那样的材料，即：电阻率的温度系数为正，在将比半导体芯片2的损坏温度低规定温度的温度设为阈值温度时，比阈值温度高的温度侧的电阻率的温度系数大于比阈值温度低的温度侧的电阻率的温度系数。

因此，例如，当在第一散热部件1与第二散热部件4之间发生短路而在半导体芯片2中流过大电流时，当该半导体芯片2的温度由于在半导体芯片2中流过大电流而上升，则第一～第三接合部件5～7的温度也随之上升。并且，第一～第三接合部件5～7当温度超过阈值温度则保护材料的电阻率急剧增大。因此，能够使流过半导体芯片2的电流减少，能够抑制半导体芯片2的温度达到损坏温度，或者能够延长达到损坏温度的时间，因此能够提高耐久性。此外，由于保护材料的电阻率随温度变化，因此不会有响应性降低的情况。

另外，本实施方式的半导体装置的结构还能够应用于搭载热敏电阻等温度检测元件、基于温度来调整向栅极焊盘20施加的驱动电压的半导体装置。该情况下，由于保护材料的电阻率根据温度而增大，因此能够取得从进行温度检测起到调整驱动信号为止的时间。因此，即使在半导体芯片2中流过大电流，也能够进一步抑制该半导体芯片2的损坏。

此外，在本实施方式中，第一接合部件5、第二接合部件6及第三接合部件7包含与保护材料相比电阻率低的基础材料。因此，与第一接合部件5、第二接合部件6以及第三接合部件7仅由保护材料构成的情况相比，能够抑制低温时(例如在室温下使用时)的整体的电阻率升高，能够抑制低温时的导通损耗增大。

即，根据本实施方式的半导体装置，能够抑制低温时的导通损耗并提高耐久性。

另外，通过采用金属氧化物作为保护材料，在金属氧化物中具有温度系数为正的特性的材料大量存在，因此能够按照半导体芯片2的特性来选择适当的材料作为保护材料。另外，在采用金属氧化物作为保护材料的情况下，通过采用ag作为基础材料，能够抑制因保护材料而导致基础材料的特性发生变化。

(第二实施方式)

对第二实施方式进行说明。本实施方式相对于第一实施方式而言，对第一～第三接合部件5～7的结构进行了变更，其他与第一实施方式相同而在此省略说明。

在本实施方式中，第一接合部件5如图5所示，将由基础材料构成的基础层30a和由保护材料构成的保护层30b层叠而构成。此外，基础层30a通过将包含基础材料ag的粉末的膏状物烧结而构成。保护层30b通过将包含作为保护材料的金属氧化物的粉末的膏状物烧结而构成。

此外，虽然没有特别图示，在本实施方式中，第二接合部件6及第三接合部件7也采用与第一接合部件5同样的结构。

这样，将基础层30a和保护层30b层叠而构成第一接合部件5、第二接合部件6以及第三接合部件7，也能够获得与上述第一实施方式同样的效果。

(第三实施方式)

对第三实施方式进行说明。本实施方式相对于第二实施方式而言，对第一～第三接合部件5～7的结构进行了变更，其他与第二实施方式相同而在此省略说明。

在本实施方式中，第一接合部件5如图6所示构成为，将基础层30a和保护层30b在平面方向上分割而配置。具体而言，在本实施方式中，基础层30a和保护层30b以面积比为一比一的方式被分割为两个部分。

此外，虽然没有特别图示，在本实施方式中，第二接合部件6及第三接合部件7也采用与第一接合部件5同样的结构。另外，所谓平面方向，是指沿着半导体芯片2的平面方向的方向，换言之，是指沿着半导体基板10的一面10a的方向。

这样，将基础层30a和保护层30b在平面方向上分割而构成第一接合部件5、第二接合部件6以及第三接合部件7，也能够获得与上述第一实施方式同样的效果。另外，在这样的半导体装置中，由于基础层30a和保护层30b在平面方向上被分割，因此例如第一散热部件1和半导体芯片2存在仅通过基础层30a电连接的部分。因此，在第一散热部件1与半导体芯片2之间的电流路径中，在仅由基础层30a连接的部分，电阻率变小，能够抑制低温时的导通损耗。

(第四实施方式)

对第四实施方式进行说明。本实施方式是将第二实施方式和第三实施方式组合而成的，其他与第一实施方式相同而在此省略说明。

在本实施方式中，第一接合部件5如图7所示构成为，将基础层30a和保护层30b在平面方向上分割而配置，并且将其层叠有多个。此外，在本实施方式中，在层叠方向上，基础层30a以连续地连接的方式配置。另外，虽然没有特别图示，在本实施方式中，第二接合部件6及第三接合部件7也采用与第一接合部件5同样的结构。

这样，采用将基础层30a和保护层30b在平面方向上分割配置并且将其层叠而成的结构，也能够获得与上述第一实施方式同样的效果。另外，由于在层叠方向上基础层30a连续地连接，因此也能够获得与上述第三实施方式同样的效果。

(第五实施方式)

对第五实施方式进行说明。本实施方式相对于第一实施方式而言，对栅极焊盘20的结构进行了变更，其他与第一实施方式相同而在此省略说明。

在本实施方式中，半导体芯片2其基本结构与上述第一实施方式相同，但做成使栅极焊盘20为与第一接合部件5同样的结构、并包含上述基础材料和保护材料的结构。

由此，由于栅极焊盘20包含保护材料而构成，因此在半导体芯片2的温度由于该半导体芯片2中流过大电流而上升的情况下，栅极焊盘20的温度也随之上升，栅极焊盘20所含的保护材料的电阻率也变大。即，能够使施加于栅极焊盘20的驱动电压自动地减小到不满阈值电压vth的电压。换言之，能够使半导体芯片2自动成为截止状态。因此，能够抑制半导体芯片2的温度上升至损坏温度。

(其它实施方式)

本发明基于实施方式进行了记述，但是应理解为本发明并不限定于该实施方式及结构。本发明也包括各种变形例及等价范围内的变形。此外，各种组合及形态、在它们中还包含仅一要素、其以上或其以下的其它组合及形态也落入本发明的范畴及思想范围。

例如，在上述第一～第五实施方式中，作为半导体芯片2，以形成有igbt元件的情况为例进行了说明，但是，例如，作为半导体芯片2，也可以采用形成有不具备集电极层23的mosfet元件的结构。另外，在上述第一～第四实施方式中，作为半导体芯片2，也可以采用不具备栅极电极17的例如形成有二极管元件等的结构。

此外，也可以是，在上述第一实施方式中，第一接合部件5、第二接合部件6以及第三接合部件7中的1个或2个接合部件包含保护材料和基础材料，其余的接合部件仅由基础材料构成或仅由保护材料构成。同样地，在上述第二～第四实施方式中，也可以是，第一接合部件5、第二接合部件6以及第三接合部件7中的1个或2个接合部件包含基础层30a和保护层30b，其余的接合部件仅由基础层30a构成或仅由保护层30b构成。

另外，也可以将基础层30a和保护层30b如下那样配置。此外，以下，以第一接合部件5为例进行说明，但第二接合部件6及第三接合部件7也是同样的。

即，在上述第二实施方式中，也可以如图8所示那样，将基础层30a和保护层30b依次层叠多个。

另外，在上述第三实施方式中，也可以将基础层30a和保护层30b在平面方向上分割为多个。例如，可以如图9a所示那样将基础层30a和保护层30b分割为条状，也可以如图9b所示那样将基础层30a和保护层30b以相对于中心而点对称的方式分割。另外，基础层30a与保护层30b的面积比并不限定于一比一，优选按照半导体芯片2的特性进行设定。

此外，在上述第四实施方式中，也可以如图10所示那样做成在层叠方向上基础层30a没有被连接的结构。另外，虽然没有特别图示，但也可以做成保护层30b在层叠方向上被连接的结构。

并且，在上述第一～第五实施方式中，也可以做成不具备散热块3及第三接合部件7的结构。即，也可以做成在半导体芯片2与第二散热部件4之间仅配置有第二接合部件6的结构。该情况下，优选根据半导体芯片2的特性使第二接合部件6的厚度适当地较厚。例如，在不具备散热块3及第三接合部件7的情况下，能够以与图1中的第二接合部件6、散热块3以及第三接合部件7的层叠方向的厚度大致相等的方式来设定第二接合部件6的厚度。换言之，可以使图1中的散热块3也由接合部件构成。

另外，在上述第五实施方式中，也可以是，除了栅极焊盘20之外，栅极布线21以及栅极电极17的至少一方包含基础材料及保护材料而构成。另外，也可以是，取代栅极焊盘20而使栅极布线21及栅极电极17的至少一方由基础材料及保护材料构成。即，可以是，在半导体芯片2中，当使被施加驱动信号的部分作为电极部，则电极部的至少一部分由基础材料及保护材料构成。

此外，在上述第五实施方式中，也可以是，上部电极19及下部电极24的至少一方由基础材料及保护材料构成。由此，在包含保护材料的部分，随着该半导体芯片2的温度上升，保护材料的电阻率也增大，因此能够采用与上述各实施方式同样的结构。此外，在采用这样的结构的情况下，第一接合部件5、第二接合部件6以及第三接合部件7也可以仅由作为基础材料的ag构成。

并且，在上述第五实施方式中，也可以做成将上述第二～第四实施方式组合并具有基础层30a和保护层30b的结构。

另外，在上述第五实施方式中，半导体芯片2也可以不是在半导体芯片2的厚度方向上流通电流而是在半导体芯片2的平面方向上流通电流。