CN1238560A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

为了抑制因热中子引起的软错误，在容纳半导体芯片(2)的模塑封装体(4)的表面上粘贴含有氮化硼的片(6)。

Description

半导体装置
本发明涉及可抑制因中子引起的软错误(soft error)的半导体装置。
近年来，在学会及论文中，IBM的Ziegler等(J.F.Ziegler eta1.,J.Appl.Phys.52(6),p.4305,1981)、TI的Mckee等(W.R.Mckeeet al.,IRPS Proceedings,p.1,1996)、富士通的登坂等(Y.Tosaka etal.IEEE Trans.Nucl.Sci.,Vol.44,p.173,1997)报告了在硅衬底中形成的DRAM(动态随机存取存储器)及SRAM(静态随机存取存储器)中的因中子引起的软错误的情况。
按照这些报告，能量高的区域的中子、具体地说是能量为约几十MeV以上的中子与硅原子反应，因弹性散射或爆发(burst)反应而产生电荷，由于该电荷中的电子被存储节点部收集，故存储单元的蓄积的电荷发生变化，单元数据被破坏。与现有的因α线引起的软错误相比，由于因反应产生的电荷较多，故其对策较为困难。
与此不同，日本TI的Robert Baumann等(R.Baumann et al.IRPSProceedings p.297,1995)预期了即使在中子能量低的区域内由于器件的金属布线形成前的平坦化膜中包含的10B与热中子(能量在约0.05eV附近)反应而产生软错误的情况。具体的反应式如下。
因上述的反应产生的α线或锂与硅反应，产生电荷，在存储节点中产生数据破坏。再有，在图11中示意性地示出因上述的2种反应引起的电荷产生的情况。在图11中，示出了在硅衬底16上形成了BPSG(硼-磷硅酸盐玻璃)层17作为包含10B的平坦化膜的情况。
如上所述，报告了2种因中子引起的软错误，但实际上并不知道各种能量的中子以怎样的程度引起软错误。因此，本申请的发明者制造了在平坦化膜中包含10B的SRAM和不包含10B的SRAM，进行了以下那样的2个实验。
在第1个实验中，使用252Cf(锎)作为中子线源，通过用石蜡球将其包起来而变换成热中子，照射到SRAM上。此时，根据包含10B的器件的软错误率超过不包含10B的器件的软错误率这一点，可知由于热中子与10B反应而产生软错误。由该实验的结果、即在软错误率方面产生30倍以上的差别，可知由于热中子与10B反应而产生软错误。
其次，作为第2个实验，检验了热中子对于自然界的中子的能量分布有怎样的影响。具体地说，进行高空飞行中的中子加速实验，评价了各反应的影响。已报告了，在高空飞行中存在地面上的100倍以上的中子(T.Nakamura,1987,“Altitude variation of cosmic ray neutron(宇宙线中子的高度分布)”,Health Phys.53,509)，故可在短时间内进行评价，可忽略因通常的α线引起的软错误来进行评价。根据该实验的结果，可知因热中子引起的软错误占因中子引起的软错误的约一半。根据这一点，本申请的发明者作出下述的判断：不但对于以往一般所说的高速中子的对策是重要的，而且对于热中子的对策也是重要的。
本发明是鉴于上述内容而进行的。本发明的目的在于抑制因热中子引起的软错误。
在与本发明有关的半导体装置的一个方面中，具备封装体和热中子吸收片。封装体容纳其内部形成存储元件的半导体芯片。热中子吸收片被粘贴到封装体的表面上，它包含热中子吸收材料。在此，所谓热中子吸收材料，是10B等的热中子的吸收截面大的物质。
通过以这种方式将热中子吸收片粘贴到封装体的表面上，可在片的内部使热中子吸收材料与热中子发生反应。由此，可抑制热中子入射到半导体芯片内，可抑制硅衬底内的电荷产生。此外，通过将热中子吸收体作成片状，不但可添加较多的热中子吸收材料，而且还可增加厚度。此时，不但热中子吸收性能提高，而且对于高速中子也是有效的。
最好将上述热中子吸收片通过粘接材料粘贴到封装体的表面上。粘接材料最好包含热中子吸收材料。
通过以这种方式在粘接材料中添加热中子吸收材料，能更有效地抑制因硅衬底内的热中子引起的电荷产生。
在与本发明有关的半导体装置的另一个方面中，具备封装体和热中子吸收层。封装体容纳其内部形成存储元件的半导体芯片。热中子吸收层被设置在封装体的内部，它包含热中子吸收材料。
在以这种方式设置热中子吸收层的情况下，也可抑制热中子入射到半导体芯片内。由此可抑制硅衬底内的电荷产生。
在与本发明有关的半导体装置的再一个方面中，具备半导体芯片和具有热中子吸收部的α线吸收层。在半导体芯片的内部形成存储元件。α线吸收层被形成在半导体芯片的表面上，热中子吸收部包含热中子吸收材料。
通过以这种方式在α线吸收层中设置热中子吸收部，可在α线吸收层内部与热中子发生反应而产生α线等。由于在α线吸收层内使该α线等的能量丧失，故可阻止α线等入射到硅衬底内。由此，可抑制硅衬底内的电荷产生。
上述α线吸收层最好在半导体芯片的上表面上和背面上形成。
由此，不但可抑制来自半导体芯片的上表面的热中子的入射，还可抑制来自半导体芯片的背面的热中子的入射，可有效地抑制硅衬底内的电荷产生。
上述α线吸收层最好具有第1和第2α线吸收部。第1α线吸收部位于半导体芯片一侧，不包含热中子吸收材料。第2α线吸收部在第1α线吸收部上形成，包含热中子吸收材料。再有，第1和第2α线吸收部可在1层内形成，也可在不同的层内形成。
通过以这种方式在第1α线吸收部上形成第2α线吸收部，可在第2α线吸收部使热中子发生反应，使由此产生的α线等的能量在第1α线吸收部内受到衰减。由此，可有效地抑制硅衬底内的电荷产生。
在与本发明有关的半导体装置的再一个方面中，具备封装体和具有热中子吸收部的散热器。封装体容纳其内部形成存储元件的半导体芯片。散热器在封装体的表面上突出，热中子吸收部包含热中子吸收材料。
在这种情况下，由于在热中子吸收部中热中子发生反应，故也可抑制热中子入射到半导体芯片内。由此，可抑制硅衬底内的电荷产生。
上述散热器最好通过粘接材料安装在封装体的表面上。热中子吸收部也可由添加了热中子吸收材料的上述粘接材料来构成。
在以这种方式在粘接材料中添加了热中子吸收材料的情况下，也可抑制热中子入射到半导体芯片内。此外，由于只将热中子吸收材料混合到粘接材料中即可，故操作也变得容易。
上述热中子吸收部包含在散热器表面上形成的热中子吸收层。
在以这种方式设置了热中子吸收层的情况下，也可有效地抑制热中子入射到半导体芯片内。此外，通过采用例如氮化硼那样的传热特性良好的材料作为热中子吸收层，可抑制热中子的入射而不会使散热器的散热性下降。
也可将上述热中子吸收材料添加在散热器中。此时，热中子吸收部由散热器的至少一部分构成。
此时，也可有效地抑制热中子入射到半导体芯片内。
在与本发明有关的半导体装置的再一个方面中，具备封装体和包含热中子吸收材料的滑脂(grease)。封装体容纳其内部形成存储元件的半导体芯片。将滑脂涂敷在封装体的表面上。
在以这种方式将滑脂涂敷在封装体的表面上的情况下，与上述各情况相同，也可有效地抑制热中子入射到半导体芯片内。此外，通过使用滑脂作为热中子吸收体，不但其涂敷操作变得容易，而且在滑脂脱落时也可简单地重涂。再者，也可容易地按照器件的抗软错误的性能及使用场所来变更膜厚。
在与本发明有关的半导体装置的再一个方面中，具备基板、容器和热中子吸收片。在基板中安装其内部形成存储元件的半导体芯片。容器容纳基板。将热中子吸收片粘贴到容器的表面上或基板上，它包含热中子吸收材料。
通过以上述方式将热中子吸收片粘贴到容纳安装了半导体芯片的基板的容器的表面上，可抑制热中子入射到容器内。由此，可抑制热中子入射到被容纳在容器内的半导体芯片内，可抑制在硅衬底内因热中子而产生电荷。此外，在基板上粘贴热中子吸收片的情况下也可预期同样的效果。
上述热中子吸收材料最好由从氮化硼、锂和镉中选出的至少1种材料构成。
通过选择上述氮化硼等的热中子的吸收截面大的材料作为热中子吸收材料，可有效地抑制热中子入射到半导体芯片内。特别是在使用氮化硼作为热中子吸收材料的情况下，由于氮化硼在传热性和绝缘性方面的性能良好，故可使包含该氮化硼的层的传热性和绝缘性提高。
最好在上述半导体装置的表面上形成高速中子吸收体，使其覆盖热中子吸收体。
此时，不但可抑制热中子入射到半导体芯片内，也可抑制高速中子的入射。高速中子在高速中子吸收体内丧失能量，达到热中子的水平，其后在热中子吸收体内与热中子吸收体发生反应。
图1是示出本发明的实施例1中的半导体装置的剖面图。
图2是示出本发明的实施例2中的半导体装置的剖面图。
图3是示出本发明的实施例3中的半导体装置的剖面图。
图4是示出图3中示出的半导体装置的变形例的剖面图。
图5是示出本发明的实施例4中的半导体装置的剖面图。
图6是示出本发明的实施例5中的半导体装置的剖面图。
图7是示出图6中示出的半导体装置的变形例的剖面图。
图8是示出本发明的实施例6中的半导体装置的剖面图。
图9是示出本发明的实施例7中的半导体装置的剖面图。
图10是示出本发明的实施例8中的半导体装置的剖面图。
图11是示出中子的反应的示意图。
以下使用图1～图10，说明本发明的实施例。
(实施例1)
首先，使用图1，说明本发明的实施例1。图1是示出本发明的实施例1中的半导体装置1的剖面图。
如图1中所示，半导体装置1具备：内部形成存储元件的半导体芯片2；容纳半导体芯片2的模塑封装体4；引脚(引线)7；以及含有氮化硼的片6。
在半导体芯片2的表面上形成聚酰亚胺层3。该聚酰亚胺层3起到α线吸收层的功能。在模塑封装体4的表面上通过粘接材料5粘贴含有氮化硼的片6。
本申请的发明者进行了在用厚度为0.3mm的含有氮化硼的片(将氮化硼含有量为65％的硅酮树脂浸渍涂敷在玻璃片上得到的片)覆盖和不覆盖IC卡的情况下的热中子线照射实验。对于镉片(厚度：0.5mm，吸收截面：2.08×10-20cm2)也进行了同样的实验。其结果在下述的表1中示出。
【表1】
    片材料 不良比特数/片 热中子线照射时间(小时)
含有氮化硼的片(2片重叠)     24     54.5
含有镉的片     4     54.5
    没有片     60     54.5
如上述表1中所示可知，通过使用含有氮化硼的片或含有镉的片，可降低不良比特数。即，可知能有效地抑制因热中子引起的软错误。一般认为，这是因为在上述片内通过10B等热中子吸收材料与热中子反应发生的α线及Li等在到达半导体芯片2之前丧失能量的缘故。
其次，说明含有氮化硼的片6的厚度。假定使用下述那样的BPSG层作为半导体芯片2中的平坦化膜，则由该BPSG层的厚度来考虑含有氮化硼的片6a的必要的厚度。
如果将B2O3的浓度设为8.0mol％，则10B的原子数(将全部硼中的20％设为10B)为6.3×1020个/cm3。热中子对于10B的吸收截面a为3837barns(10-24cm2)。于是，BPSG层的厚度为1cm时的反应概率如下式所示。
6.3×1020(个/cm3)×3837×10-24(cm2)=2.4/cm
将与热中子反应的BPSG层的厚度设为Zcm，将通过Zcm的BPSG层的中子的比例设为Y，则Y=e-a*n*z的关系成立。
如果作为解决软错误的对策，将反应概率下降约一个数量级定为目标，则由于Y=0.1，故Z=0.96cm。
由于通常至多只能在半导体芯片上形成厚度约为1.0×10-4cm的BPSG层，故必须使用上述那样的含有氮化硼的片6等的10B的含有量多的膜。具体地说，必须使用包含6.3×1020×2.4×104=1.5×1025(个)的10B的膜。
在此，由于在含有氮化硼的片6中能使硼的含有量多达65％(在BPSG层中约10％以下)，而且能作成橡胶片状，故可作成mm数量级的膜厚。
按照这样的硼含有量的关系，一般认为与BPSG层相比，在含有氮化硼的片6中厚度可下降约一个数量级。具体地说，以约1mm的厚度可使软错误率下降一个数量级。再有，可任意地设定含有氮化硼的片6的厚度及硼的含有量，一般认为，通过增大含有氮化硼的片6的厚度及硼的含有量可提高热中子吸收性能。
此外，由于上述含有氮化硼的片6在热传导性和电绝缘性方面性能良好，故也可改善半导体装置1的散热特性和电绝缘性。
再者，也可在粘接材料5中添加氮化硼，此时，可进一步提高隔断热中子的效果。
(实施例2)
其次，使用图2，说明本发明的实施例2。图2是示出本发明的实施例2中的半导体装置的剖面图。
参照图2，在本实施例2中，在模塑封装体4的内部形成了氮化硼层8。更详细地说，用氮化硼层8覆盖晶片工艺结束后的半导体芯片2，利用模塑封装体4来覆盖该氮化硼层8。氮化硼层8可在用添加了氮化硼的热硬化性树脂覆盖了半导体芯片2后，通过使热硬化性树脂硬化来形成。其后，用众所周知的方法来形成模塑封装体4。
通过如上述那样形成氮化硼层8，可使该氮化硼层中的10B与热中子反应。由此，可抑制热中子入射到半导体芯片内。
本实施例2中的氮化硼层8也与上述的含有氮化硼的片6的情况相同，可增大硼含有量和厚度。由此，可更有效地隔断热中子。
此外，由于氮化硼层8被模塑封装体4所覆盖，故也可利用模塑封装体4来保护氮化硼层8。
(实施例3)
其次，使用图3和图4，说明本发明的实施例3及其变形例。图3是示出实施例3中的半导体装置的剖面图。
参照图3，在本实施例3中，在半导体芯片2的表面上形成了含有氮化硼的聚酰亚胺层3a。利用该含有氮化硼的聚酰亚胺层3a可抑制热中子到达芯片内的层间绝缘膜，或α线到达硅衬底。
其次，使用图4，说明图3中示出的半导体装置1的变形例。如图4中所示，在本实施例中，在半导体芯片2的上下表面上形成了含有氮化硼的聚酰亚胺层3a。由此，也可抑制来自半导体芯片2的下表面的热中子的入射，可更有效地抑制软错误。再有，也可这样来形成含有氮化硼的聚酰亚胺层3a，使其延伸到半导体芯片2的侧面上。
(实施例4)
其次，使用图5，说明本发明的实施例4。如图5中所示，在本实施例4中，在不含有氮化硼的聚酰亚胺层3上形成了含有氮化硼的聚酰亚胺层3a。由此，可在含有氮化硼的聚酰亚胺层3a中使热中子与10B反应，可使由该反应产生的a线和Li在聚酰亚胺层3中受到衰减。由此，可抑制硅衬底中的电荷产生，还可更抑制软错误。
再有，在图5中，由不同的层构成了含有氮化硼的聚酰亚胺层3a和聚酰亚胺层3，但也可使其一体化。即，也可只在聚酰亚胺层3的表层部分添加氮化硼。此时也可预期同样的效果。此外，也可使聚酰亚胺层3和含有氮化硼的聚酰亚胺层3a延伸到半导体芯片2的侧面上及背面上。
(实施例5)
其次，使用图6和图7，说明本发明的实施例5及其变形例。
参照图6，在本实施例5中，半导体装置1具备散热器10。将该散热器10通过含有氮化硼的粘接材料9安装在模塑封装体4的表面上。
通过以这种方式使用含有氮化硼的粘接材料9，与上述的各实施例的情况相同，可隔断热中子。
其次，使用图7，说明本实施例5的变形例。如图7中所示，在本变形例中，在散热器10的表面上形成了氮化硼层8a。作为该氮化硼层8a的形成方法，可举出与上述的实施例2相同的方法。通过设置该氮化硼层8a，可更有效地隔断热中子。
此外，也可在散热器10本身中添加氮化硼。此时，可将散热器10的至少一部分作为热中子吸收体来使用，可更有效地隔断热中子。
(实施例6)
其次，使用图8，说明本发明的实施例6。如图8中所示，在本实施例6中，在模塑封装体4的表面上涂敷含有氮化硼的滑脂11。此时，也与上述的各实施例的情况相同，可隔断热中子。
此外，由于只是在模塑封装体4的表面上涂敷滑脂，故其操作是容易的。此外，也可将较多的量的氮化硼添加到滑脂中，也可容易地增大氮化硼的含有量。再者，即使因某种原因滑脂脱落，也可简单地重涂。再者，可容易地按照器件的抗软错误的性能及使用场所来变更滑脂的膜厚。
(实施例7)
其次，使用图9，说明本发明的实施例7。如图9中所示，在本实施例7中，设置了高速中子(具有高能量的中子)吸收体，使其覆盖含有氮化硼的片6(热中子吸收体)。
更具体地说，在含有氮化硼的片6的表面上设置了石蜡层15。高速中子在通过石蜡层15时因碰撞而丧失能量，最终达到热中子的水平。然后，该热中子被含有氮化硼的片6所吸收。因此，在本实施例7中，不但可隔断热中子，还可隔断高速中子。
再有，本实施例7的思想也可适用于上述的实施例1～6及后述的实施例8。此外，只要是具有隔断高速中子的功能的材料，也可使用除石蜡层15之外的高速中子吸收体。
(实施例8)
其次，使用图10，说明本发明的实施例8。如图10中所示，本发明的思想也可适用于IC卡。
如图10中所示，IC卡12具备外框13和安装在安装基板14上并容纳于模塑封装体中的半导体芯片2a。而且，在容纳安装基板14的容器、即外框13的表面上粘贴了含有氮化硼的片6。此时，也与上述的各实施例的情况相同，可隔断热中子。
再有，也可将含有氮化硼的片6粘贴在外框13的外表面上、封装体的表面上或安装基板14上。此外，也可在外框13内涂敷滑脂。
在以上的实施例中，作为热中子吸收体示出了包含氮化硼的物质，但也可使用除包含10B的氮化硼以外的物质。此外，也可使用热中子的吸收截面大的镉(Cd)或锂(Li)等，来代替氮化硼。最好将镉使用于宇宙探测用的IC中。关于锂的吸收截面，例如在G.F.Knoll等著的“辐射探测和测量”第2版，p.483、图14-1中有记载。此外，在该图14-1中，公开了从热中子区域(约0.03eV)到高速中子区域(约0.1MeV)能量越高吸收截面越小的情况，但一般认为，由于10B等本身的吸收截面较大，故通过增大10B等的含有量，对高速区域的中子也是有效的。
如上所述，对本发明的实施例进行了说明，但也可将上述的各实施例的特征组合起来。此外，应当认为，这次公开的实施例在所有方面都是例示，而不是限制性的。本发明的范围由权利要求的范围来示出，它包含在与权利要求的范围均等的意义和范围内的所有变更。
如上所说明的那样，按照本发明，由于在半导体芯片的表面上或其外部设置了热中子吸收体，故可抑制热中于入射到半导体芯片内。由此，可抑制因热中子引起的软错误。

Claims (14)

1．一种半导体装置，其特征在于，具备：
容纳半导体芯片的封装体，该半导体芯片在内部形成存储元件；以及
被粘贴到上述封装体的表面上并包含热中子吸收材料的热中子吸收片。
2．如权利要求1中所述的半导体装置，其特征在于：
将上述热中子吸收片通过粘接材料粘贴到上述封装体的表面上，
上述粘接材料包含上述热中子吸收材料。
3．一种半导体装置，其特征在于，具备：
容纳半导体芯片的封装体，该半导体芯片在内部形成存储元件；以及
被设置在上述封装体的内部并包含热中子吸收材料的热中子吸收层。
4．一种半导体装置，其特征在于，具备：
在内部形成存储元件的半导体芯片；以及
被形成在上述半导体芯片的表面上并具有包含热中子吸收材料的热中子吸收部的α线吸收层。
5．如权利要求4中所述的半导体装置，其特征在于：
上述α线吸收层在上述半导体芯片的上表面上和背面上形成。
6．如权利要求4中所述的半导体装置，其特征在于：
上述α线吸收层具有位于上述半导体芯片一侧的不包含上述热中子吸收材料的第1α线吸收部和在该第1α线吸收部上被形成并包含上述热中子吸收材料的第2α线吸收部。
7．一种半导体装置，其特征在于，具备：
容纳半导体芯片的封装体，该半导体芯片在内部形成存储元件；以及
在上述封装体的表面上突出并具有包含热中子吸收材料的热中子吸收部的散热器。
8．如权利要求7中所述的半导体装置，其特征在于：
通过粘接材料将上述散热器安装在上述封装体的表面上，
上述热中子吸收部是添加了上述热中子吸收材料的上述粘接材料。
9．如权利要求7中所述的半导体装置，其特征在于：
上述热中子吸收部包含在上述散热器表面上形成的热中子吸收层。
10．如权利要求7中所述的半导体装置，其特征在于：
将上述热中子吸收材料添加在上述散热器中，
上述热中子吸收部由上述散热器的至少一部分构成。
11．一种半导体装置，其特征在于，具备：
容纳半导体芯片的封装体，该半导体芯片在内部形成存储元件；以及
被涂敷在上述封装体的表面上并包含热中子吸收材料的滑脂。
12．一种半导体装置，其特征在于，具备：
安装半导体芯片的基板，该半导体芯片在内部形成存储元件；
容纳上述基板的容器；以及
被粘贴到上述容器的表面上或上述基板上并包含热中子吸收材料的热中子吸收片。
13．如权利要求1中所述的半导体装置，其特征在于：
上述热中子吸收材料由从氮化硼、锂和镉中选出的至少1种材料构成。
14．如权利要求1中所述的半导体装置，其特征在于：
在上述半导体装置的表面上形成了高速中子吸收体，使其覆盖热中子吸收体。
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