半导体装置及半导体模块的制作方法

1.本发明涉及半导体装置及半导体模块。


背景技术：

2.对于被施加高电压的电力半导体装置，要求高的耐压泄漏特性。该耐压泄漏特性有时由于湿度(水分)的影响而降低。但是，以湿度为原因的不良情况在主耐压降低之前无法判明，多数情况下是通过系统错误而判明的。耐压的降低在最坏的情况下，会引起电力半导体装置及其系统的破损。
3.在专利文献1中提出了用于对低-k材料所吸收的水分或由该水分引起的低-k材料的剥离进行检测的半导体芯片。该半导体芯片在保护环和电路元件之间或保护环的外侧包含多个电容器电极。半导体芯片通过电容器电极间的静电电容的变化的检测，能够掌握由水分、剥离引起的保护环的损伤部位。
4.专利文献1：日本特开2005-228854号公报


技术实现要素：

5.在末端区域形成电容的情况下，作为用于向形成该电容的两个电极进行配线的区域，需要大于或等于两处开口。特别地，在将导线连接于这些电极的情况下，该开口需要具有与导线直径对应的面积。因此，半导体装置的尺寸增大，进而成本上升。
6.本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供能够进行耐压特性的判定以及成本的削减的半导体装置。
7.本发明涉及的半导体装置包含半导体基板、第1电极、第2电极及绝缘膜。半导体基板在表面包含半导体元件，在背面包含对半导体元件的动作进行控制的背面电极。第1电极及第2电极设置于末端区域，该末端区域是在半导体基板的外周部形成的，位于形成有半导体元件的有源区域的外侧。绝缘膜设置于第1电极和第2电极之间。第2电极设置于在半导体基板的表面设置的绝缘性的层间膜之上。第1电极与半导体基板的表面接触，并且，第1电极与第2电极相比设置于半导体基板的端部侧，该第1电极与背面电极电连接。
8.发明的效果
9.根据本发明，能够提供实现耐压特性的判定以及成本的削减的半导体装置。
10.通过下面的详细说明和附图，本发明的目的、特征、方案、及优点会变得更加明白。
附图说明
11.图1是表示实施方式1涉及的半导体装置的结构的剖视图。
12.图2是表示实施方式1涉及的半导体装置的结构的俯视图。
13.图3是表示被封装化后的半导体装置的结构的一个例子的俯视图。
14.图4是表示图3所示的结构的剖面和电气电路的图。
15.图5是表示实施方式1涉及的半导体模块的结构的框图。
16.图6是表示电容及半导体装置的耐压相对于湿度的关系的一个例子的图。
17.图7是表示实施方式1涉及的半导体装置的耐压特性的测量方法的流程图。
18.图8是表示实施方式1的变形例涉及的半导体装置的结构的剖视图。
19.图9是表示实施方式1的变形例涉及的半导体装置的结构的俯视图。
20.图10是表示实施方式2涉及的半导体装置的结构的俯视图。
21.图11是表示实施方式2的变形例涉及的半导体装置的结构的俯视图。
具体实施方式
22.《实施方式1》
23.图1及图2各自是表示实施方式1涉及的半导体装置1的结构的剖视图及俯视图。图1示出图2所示的a-a’处的剖面。图3是表示被封装化后的半导体装置1的结构的一个例子的俯视图。
24.半导体装置1包含半导体基板2、半导体元件(未图示)、表面电极3、背面电极4、第1电极10、第2电极20、绝缘膜5、保护膜6、封装材料11及电极端子12。
25.半导体元件设置于半导体基板2的表面，并且位于表面电极3的下方。半导体元件例如由si等半导体、或sic、gan等所谓宽带隙半导体形成。半导体元件例如是igbt(insulated gate bipolar transistor)、mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor)、二极管等。半导体元件例如是电力用半导体元件(功率半导体元件)。实施方式1涉及的半导体基板2及半导体元件由宽带隙半导体形成。
26.表面电极3与形成有半导体元件的有源区域对应地设置于半导体基板2的表面。表面电极3对半导体元件的动作进行控制。动作例如是igbt、mosfet等的通断动作。
27.背面电极4设置于半导体基板2的背面。背面电极4对半导体元件的动作进行控制。在半导体元件为igbt的情况下，表面电极3包含与栅极电极及发射极电极各自连接的两个电极焊盘(未图示)，背面电极4与连接于集电极(collector)电极(electrode)的电极焊盘对应。在半导体元件为mosfet的情况下，表面电极3包含与栅极电极及源极电极各自连接的两个电极焊盘(未图示)，背面电极4与连接于漏极电极的电极焊盘对应。在半导体元件为二极管的情况下，表面电极3为与阳极连接的电极焊盘，背面电极4为与阴极连接的电极焊盘。
28.第1电极10及第2电极20设置于形成有半导体元件的有源区域的外侧的末端区域8。该末端区域8形成于表面电极3的外侧，即半导体基板2的外周部。第2电极20设置于在半导体基板2的表面设置的绝缘性的层间膜7之上。第1电极10与半导体基板2的表面接触，并且，与第2电极20相比设置于半导体基板2的端部侧。第1电极10也可以隔着在半导体基板2的表面设置的接触电极(未图示)而设置于半导体基板2的表面。优选第1电极10设置于半导体基板2的端部(端面)附近。第1电极10及第2电极20以不参与半导体元件的动作的程度远离表面电极3及半导体元件。即，第1电极10及第2电极20是独立的。第1电极10经由半导体基板2的端面处的微小电阻与背面电极4电连接。另外，实施方式1涉及的第1电极10及第2电极20由与表面电极3相同的材料形成。第1电极10、第2电极20及表面电极3例如由al、alsi等形成。
29.如图3所示，第1电极10及第2电极20设置于半导体基板2的外周部中的位于电极端子12向外部凸出的方向的区域。换言之，第1电极10及第2电极20设置于半导体基板2的外周
部中的电极端子12的根端部12a侧。
30.绝缘膜5设置于第1电极10和第2电极20之间。第1电极10、第2电极20及绝缘膜5在末端区域8处形成电容构造。其电容根据绝缘膜5的吸湿程度而变化。
31.保护膜6具有绝缘性，将半导体基板2的表面覆盖。保护膜6具有两个开口。第2电极20的一部分20a及表面电极3各自从这两个开口露出。另一方面，第1电极10被保护膜6覆盖，第1电极10没有露出。实施方式1涉及的绝缘膜5及保护膜6彼此由相同材料形成。例如，绝缘膜5及保护膜6由聚酰亚胺形成。
32.封装材料11对图1所示的构造，即包含半导体基板2、第1电极10、第2电极20及绝缘膜5等的构造进行封装。实施方式1涉及的半导体装置1通过封装材料11被封装化，该封装是树脂封装的模塑封装。但是，封装并不限于该结构，也可以是对容纳于壳体内的半导体基板2等进行封装的结构。
33.电极端子12与封装材料11的内部的第2电极20、表面电极3及背面电极4中的任意者连接。在图3中，省略了封装材料11的内部的内部配线13的详细构造的图示，但例如，在图3中位于中央的电极端子12的一端经由导线等内部配线13与第2电极20的一部分20a连接。相同地，在图3中位于下方的电极端子12的一端经由内部配线13与背面电极4连接。各电极端子12的另一端凸出至封装材料11的外部。该另一端能够与外部电路连接，例如，与后述的控制部16连接。图4是表示图3所示的结构的剖面和电气电路的图。第1电极10经由半导体基板2的端面处的微小电阻与背面电极4连接。
34.图5是表示实施方式1涉及的半导体模块15的结构的框图。半导体模块15包含上述半导体装置1和控制部16。
35.控制部16预先将第1电极10和第2电极20之间的电容相对于湿度的关系及半导体装置1的耐压相对于湿度的关系分别存储于存储器等。图6是表示电容及半导体装置1的耐压相对于湿度的关系的一个例子的图。控制部16基于半导体装置1的耐压相对于湿度的关系，决定半导体装置1失去耐压功能的湿度。而且，控制部16基于第1电极10和第2电极20之间的电容相对于湿度的关系，将失去耐压功能的湿度下的电容设定为阈值。控制部16基于该阈值、通过将电压施加于第2电极20和背面电极4之间而求出的第1电极10和第2电极20之间的检测电容，对半导体装置1的耐压功能进行判定。例如，控制部16在检测电容超过阈值前，即检测电容示出相对于阈值来说的预先规定的范围内的值的情况下，输出错误。
36.控制部16的功能由处理电路(未图示)实现。处理电路例如包含处理器和存储器。通过由处理器执行储存于存储器的程序，从而实现控制部16的功能。
37.接着，说明由半导体模块15的控制部16进行的半导体装置1的耐压特性的测量方法。图7是表示实施方式1涉及的半导体装置1的耐压特性的测量方法的流程图。
38.在步骤s1中，控制部16将电压施加于第2电极20和背面电极4之间。电压例如是通过与第2电极20连接的电极端子12、与背面电极4连接的电极端子12施加的。由于第1电极10经由半导体基板2的端面处的微小电阻与背面电极4电连接，因此如果排除由该微小电阻引起的电压降，则第1电极10与背面电极4短路。即，将两者的电位视为相同电位(共通电位)。控制部16将第1电极10和背面电极4视为呈相同电位，求出第1电极10和第2电极20之间的电容(检测电容)。或者，在第1电极10和背面电极4之间包含其它电阻或电容的情况下，这些电阻及电容也是作为半导体装置1的设计值而预先决定下来的。控制部16基于将电压施加于
第2电极20和背面电极4之间的结果、这些设计值，求出第1电极10和第2电极20之间的电容(检测电容)。
39.该电容测量在半导体装置1没有进行动作的状态下进行。另外，在半导体装置1没有被封装化的状态下也能够进行电容测量，但由于水分的侵入方向及侵入程度是与耐压特性相关的重要的参数，因此优选电容测量在半导体装置1被封装化后的状态下进行。
40.在步骤s2中，控制部16基于第1电极10和第2电极20之间的电容及半导体装置1的耐压相对于湿度的关系(图6)、第1电极10和第2电极20之间的检测电容，对半导体装置1的耐压功能进行判定。这里，控制部16在检测电容超过阈值前，即检测电容示出相对于阈值来说的预先规定的范围内的值的情况下，输出错误。该错误表示水分侵入到封装内，无法确保半导体装置1的耐压功能的状态。由于在检测电容超过阈值前输出错误，因此能够防止半导体装置1的破损。
41.综上所述，实施方式1涉及的半导体装置1包含半导体基板2、第1电极10、第2电极20及绝缘膜5。半导体基板2在表面包含半导体元件，在背面包含对半导体元件的动作进行控制的背面电极4。第1电极10及第2电极20设置于在半导体基板2的外周部形成的末端区域8。该末端区域8位于形成有半导体元件的有源区域的外侧。绝缘膜5设置于第1电极10和第2电极20之间。第2电极20设置于在半导体基板2的表面设置的绝缘性的层间膜7之上。第1电极10与半导体基板2的表面接触，并且，与第2电极20相比设置于半导体基板2的端部侧。第1电极10与背面电极4电连接。
42.另外，实施方式1涉及的半导体装置1包含将半导体基板2的表面覆盖的绝缘性的保护膜6。第2电极20的一部分20a从保护膜6的开口露出。第1电极10被保护膜6覆盖。
43.通过这样的结构，通过在第2电极20和背面电极4之间施加电压，从而对第1电极10和第2电极20之间的电容进行检测。对该电容进行适当监视，基于电容的变动，对水分的侵入状况进行判定。在判定为水分的侵入过多的情况下，例如，采取使半导体装置1或使用了该半导体装置1的系统停止等预防策略。由于事先防止半导体装置1的破损，因此其可靠性提高。另外，用于电容测量的电压被施加于第2电极20和背面电极4之间。因此，半导体装置1不需要用于将内部配线连接于第1电极10的开口。另外，也不需要将第1电极10和背面电极4连接的配线。其结果，半导体装置1的尺寸被小型化，成本得到削减。这样，实施方式1涉及的半导体装置1实现耐压特性的判定以及成本的削减。
44.另外，实施方式1涉及的半导体装置1的第1电极10、第2电极20及表面电极3由相同材料形成。另外，绝缘膜5和保护膜6由相同材料形成。
45.通过这样的结构，第1电极10、第2电极20及表面电极3通过同一工艺进行制作。相同地，绝缘膜5及保护膜6通过同一工艺进行制作。因此，制造成本得到削减。
46.实施方式1涉及的半导体装置1包含封装材料11及电极端子12。封装材料11对半导体基板2、第1电极10、第2电极20及绝缘膜5进行封装。电极端子12的一端与封装材料11的内部的第2电极20、背面电极4及表面电极3中的任意者连接，另一端凸出至封装材料11的外部。第1电极10和第2电极20设置于半导体基板2的外周部中的电极端子12从封装材料11凸出的根端部12a侧。
47.水分容易从电极端子12的根端部12a侵入至封装材料11的内部。通过将形成电容的第1电极10及第2电极20设置于该电极端子12的根端部12a的方向，从而水分的检测灵敏
度提高。
48.另外，实施方式1涉及的半导体基板2由宽带隙半导体形成。
49.由于第1电极10及第2电极20为金属，因此在第1电极10及第2电极20设置于末端区域8的情况下，要求细致的电场强度设计。根据第1电极10及第2电极20的构造，会引起半导体装置1的功能降低，进而导致品质降低。如果考虑到制造波动等，则需要进行预先确保了裕量的末端构造的设计。在实施方式1涉及的半导体基板2由宽带隙半导体(sic、gan等)形成的情况下，即使通过第2电极20而使半导体基板2的内部的电场强度变高，其影响也小。因此，设计变得容易，实现低成本化。
50.另外，实施方式1涉及的半导体模块15包含上述半导体装置1和控制部16。控制部16基于第1电极10和第2电极20之间的电容及半导体装置1的耐压相对于湿度的关系、和通过将电压施加于第2电极20和背面电极4之间而求出的第1电极10和第2电极20之间的检测电容，对半导体装置1的耐压功能进行判定。
51.这样的半导体模块15基于针对检测电容预先设定的判定基准，输出错误。由于在无法确保半导体装置1的耐压功能之前输出错误，因此半导体装置1的可靠性提高。
52.(实施方式1的变形例)
53.图8及图9各自是表示实施方式1的变形例涉及的半导体装置1a的结构的剖视图及俯视图。图8示出图9所示的b-b’处的剖面。
54.实施方式1的变形例涉及的绝缘膜5a由与保护膜6不同的材料形成。绝缘膜5a例如由包含caf2、al2o3及si3n4中的任意者的材料形成。保护膜6由聚酰亚胺形成。
55.通过绝缘膜5a的材料选择，对正常时的电容进行调整。换言之，通过该材料选择，从而对由湿度引起的电容变化的检测灵敏度进行调整。其结果，防止了过度的检测等误动作。
56.《实施方式2》
57.对实施方式2涉及的半导体装置及半导体模块进行说明。实施方式2为实施方式1的下位概念，实施方式2涉及的半导体装置包含实施方式1涉及的半导体装置1的各结构。此外，关于与实施方式1相同的结构及动作，省略说明。
58.图10是表示实施方式2涉及的半导体装置1b的结构的俯视图。第1电极10和第2电极20沿半导体基板2的外周部而设置为环状。换言之，第1电极10和第2电极20配置于整个外周部。
59.通过这样的结构，决定第1电极10和第2电极20之间的电容的剖面面积变大。通过第1电极10或第2电极20的膜厚与第1电极10或第2电极20的长度之积求出该剖面面积。另外，在将绝缘膜5的介电常数设为ε，将剖面面积设为s，将第1电极10和第2电极20的距离设为d时，电容c由c＝ε
×
s/d表示。通过将第1电极10及第2电极20配置于半导体基板2的整个外周部，从而剖面面积s增加，电容c变大。其结果，检测灵敏度变高。
60.另外，根据剖面面积s及距离d，能够设计具有与用途对应的检测灵敏度的半导体装置1b。由于能够根据需要对检测灵敏度进行调整，因此能够防止过度的检测等误动作。例如，优选第1电极10及第2电极20的膜厚为相对于表面电极3的膜厚满足
±
50％的值。优选第1电极10和第2电极20的间隔小于或等于末端区域8的宽度的三分之一。
61.(实施方式2的变形例)
62.图11是表示实施方式2的变形例涉及的半导体装置1c的结构的俯视图。与电极端子12连接的第2电极20的一部分20a不需要设置于电极端子12的根端部12a侧。另外，该区域的大小是任意的。即使是这样的结构，也取得与上述相同的效果。
63.此外，本发明可以将各实施方式自由地组合，对各实施方式适当进行变形、省略。
64.虽然对本发明进行了详细说明，但上述的说明在全部方面都只是例示，本发明并不限定于此。应当理解为，在不脱离本发明的范围的情况下，能设想到未例示的无数的变形例。
65.标号的说明
66.1半导体装置，1a半导体装置，1b半导体装置，1c半导体装置，2半导体基板，3表面电极，4背面电极，5绝缘膜，5a绝缘膜，6保护膜，7层间膜，8末端区域，10第1电极，11封装材料，12电极端子，12a根端部，13内部配线，15半导体模块，16控制部，20第2电极，20a第2电极的一部分。