JP2013108877A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。具体的には、半導体回路(LSI(Large Scale Integration)回路等)と化合物半導体回路(化合物半導体素子等)とを同一の基板上に形成し、さらに、被検出電流が流れる一次導体をもその同一の基板上に一体に構成することにより、小型かつ超高感度で高精度な電流検出用半導体装置、特に、電流センサの構造に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. Specifically, a semiconductor circuit (LSI (Large Scale Integration) circuit, etc.) and a compound semiconductor circuit (compound semiconductor element, etc.) are formed on the same substrate, and a primary conductor through which a detected current flows is also the same. The present invention relates to a small-sized, ultra-sensitive and highly accurate current detecting semiconductor device, particularly a current sensor structure.
電化製品を始めとする電気を動力源として駆動する電気機器では、電流量に応じた動作制御を行ったり、過剰な電力供給を抑え消費電力を低減することがなされている。そのため、電力配線付近に電流センサを配し、流れる電流量をモニタし、供給電流を最適に制御している。特に近年では、電気自動車、ハイブリッドカーを始めとする自動車、携帯電話を始めとするモバイル機器、さらには、送電線網の中継基盤や太陽光発電装置等に電流センサを配し、供給電力を正確にモニタしてその電流量を制御する事の重要性がますます高まっている。 In an electric device such as an electric appliance that uses electricity as a power source, operation control according to the amount of current is performed, and excessive power supply is suppressed to reduce power consumption. Therefore, a current sensor is provided near the power wiring, the amount of current flowing is monitored, and the supply current is optimally controlled. In particular, in recent years, current sensors have been placed on electric vehicles, automobiles such as hybrid cars, mobile devices such as mobile phones, and relay bases for power transmission networks, solar power generation devices, etc. to accurately supply power. The importance of monitoring and controlling the amount of current is increasing.
現在、電流センサとして用いられている主たる素子の1つにホール素子がある。このホール素子を大別すると、シリコンホール素子と、化合物半導体ホール素子との2種類が存在する。夫々に一長一短があり、具体的には、シリコンホール素子を用いた電流センサでは、ホール素子と演算回路を1チップ上に形成できるため小型化が可能であるが、シリコンホール素子の感度が低い。 One of the main elements currently used as a current sensor is a Hall element. The Hall elements are roughly classified into two types: silicon Hall elements and compound semiconductor Hall elements. Each current sensor has advantages and disadvantages. Specifically, in a current sensor using a silicon Hall element, the Hall element and the arithmetic circuit can be formed on one chip, so that the size can be reduced. However, the sensitivity of the silicon Hall element is low.
そのため、特許文献1では、被検出電流が流れる導線(一次導体)として、素子を封止固定するパッケージ内のリードフレームを代用し、この上にシリコンホール素子を配置することにより、被検出電流が流れる導線(一次導体)と、シリコンホール素子とを近接させ、電流が配線を流れる際に発する磁場をできるだけ近くで検出することにより、磁場検出感度を上げる事が試みられている。
Therefore, in
しかしながら、特許文献1に記載の構成では、組立て時に半導体チップをリードフレーム上配置する際の位置誤差が大きく、被検出電流が発する磁場が最も高密度に収集する場所に再現性良く正確に素子を配置することは難しい。そのため、製品毎に電流センサとしての電流検出感度がばらついてしまうという問題がある。
However, in the configuration described in
また、シリコンホール素子とリードフレームとの距離も、シリコン基板厚が律速となっており、現行の裏面研磨技術でも基板厚は50um以下にすることは困難であり、磁場検出感度をこれ以上増加させることはできない。 In addition, the distance between the silicon Hall element and the lead frame is also limited by the silicon substrate thickness, and it is difficult to reduce the substrate thickness to 50 μm or less even with the current backside polishing technology, which further increases the magnetic field detection sensitivity. It is not possible.
一方、化合物半導体ホール素子は、シリコンホール素子に比べて高い磁場検出感度を有してはいるが、現行技術では化合物半導体ホール素子と演算回路(シリコンLSI)の2チップ別々に製造し、これらを1つのPKG内で組み立てて使用している。そのため、シリコンホール素子を用いた電流センサよりも、製品サイズが大きくなってしまう欠点を有している。つまり、既存電流センサ製品においては、小型、高感度、高精度の3要素すべて満足する製品は実現できていない。 On the other hand, the compound semiconductor Hall element has higher magnetic field detection sensitivity than the silicon Hall element, but in the current technology, two chips of the compound semiconductor Hall element and the arithmetic circuit (silicon LSI) are manufactured separately. They are assembled and used in one PKG. Therefore, there is a drawback that the product size becomes larger than the current sensor using the silicon Hall element. In other words, in the existing current sensor product, a product satisfying all three elements of small size, high sensitivity, and high accuracy cannot be realized.
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上の第1の領域に形成された半導体回路と、半導体基板上の第2の領域に形成された化合物半導体回路と、半導体回路の上部及び化合物半導体回路と対向する側面を含む前記第1の領域に形成された窒化シリコン膜と、半導体回路と化合物半導体回路とを電気的に接続する第一の電気配線部と、化合物半導体回路が形成された第2の領域の直上部において配線され、該直下の前記化合物半導体回路に対して磁束密度を増加させるための所定の形状を有する第2の電気配線部とを具えたことを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a semiconductor circuit formed in a first region on the semiconductor substrate, a compound semiconductor circuit formed in a second region on the semiconductor substrate, an upper portion of the semiconductor circuit, A silicon nitride film formed in the first region including the side surface facing the compound semiconductor circuit, a first electric wiring portion that electrically connects the semiconductor circuit and the compound semiconductor circuit, and a compound semiconductor circuit are formed. And a second electric wiring portion that is wired immediately above the second region and has a predetermined shape for increasing the magnetic flux density with respect to the compound semiconductor circuit immediately below the second region.
所定の形状を有する第2の電気配線部は、コ字型または馬蹄型を呈した金属配線としてもよい。 The second electrical wiring portion having a predetermined shape may be a metal wiring having a U shape or a horseshoe shape.
第2の電気配線部と化合物半導体回路との間に、空間をさらに設けてもよい。 A space may be further provided between the second electrical wiring portion and the compound semiconductor circuit.
空間は、真空またはガスが封入された密閉された空間としてもよい。 The space may be a sealed space filled with vacuum or gas.
半導体回路と化合物半導体回路とが、窒化シリコン膜に形成された孔を介して電気的に接続してもよい。 The semiconductor circuit and the compound semiconductor circuit may be electrically connected through a hole formed in the silicon nitride film.
第2の電気配線部が、化合物半導体回路の上部1um以上20um以下の高さに形成してもよい。 The second electrical wiring portion may be formed at a height of 1 um to 20 um in the upper part of the compound semiconductor circuit.
第2の電気配線部は、Al、Cu、Auのいずれかを含んでもよい。 The second electric wiring portion may include any of Al, Cu, and Au.
第2の電気配線部は、その厚みが1um以上20um以下、その幅が1um以上20um以下としてもよい。 The second electrical wiring portion may have a thickness of 1 μm to 20 μm and a width of 1 μm to 20 μm.
半導体基板は、シリコン基板としてもよい。 The semiconductor substrate may be a silicon substrate.
半導体回路は、LSI回路としてもよい。 The semiconductor circuit may be an LSI circuit.
化合物半導体回路は、化合物半導体素子としてもよい。 The compound semiconductor circuit may be a compound semiconductor element.
化合物半導体素子は、ホール素子としてもよい。 The compound semiconductor element may be a Hall element.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上の第1の領域に半導体回路を形成し、該半導体回路を含む全領域に絶縁膜を塗布する工程と、半導体基板上の前記絶縁膜の一部を除去して、化合物半導体回路を形成するための第2の領域を形成する工程と、半導体回路の上部及び化合物半導体回路と対向する側面を含む前記第1の領域に窒化シリコン膜を形成する工程と、絶縁膜が除去された前記半導体基板上の第2の領域に、化合物半導体回路を形成する工程と、半導体回路と化合物半導体回路とを、第一の電気配線部により電気的に接続する工程と、化合物半導体回路が形成された第2の領域の直上部に、該直下の前記化合物半導体回路に対して磁束密度を増加させるための所定の形状を有する第2の電気配線部を形成する工程とを具えたことを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a semiconductor circuit in a first region on a semiconductor substrate, applying an insulating film to the entire region including the semiconductor circuit, and forming the insulating film on the semiconductor substrate. A step of removing a part to form a second region for forming a compound semiconductor circuit, and forming a silicon nitride film in the first region including an upper portion of the semiconductor circuit and a side surface facing the compound semiconductor circuit Electrically connecting the semiconductor circuit and the compound semiconductor circuit to each other by the first electrical wiring portion, the step of forming the compound semiconductor circuit in the second region on the semiconductor substrate from which the insulating film has been removed And a second electric wiring portion having a predetermined shape for increasing the magnetic flux density with respect to the compound semiconductor circuit immediately below the second region where the compound semiconductor circuit is formed. And the process of And said that there were pictures.
本発明によれば、半導体回路(LSI回路等)と化合物半導体回路(ホール素子を有する化合物半導体素子等)とが形成された基板に、さらに、化合物半導体回路の直上に、該直下の化合物半導回路に対して磁束密度を増加させるための所定の形状の電気配線(例えば、コ字型または馬蹄型の形状を呈した金属配線等)を形成し、この配線に被検出電流を流すようにしたので、電流により発生する磁場を化合物半導体回路で集約して検出することができる小型で、高感度かつ高精度な電流センサを実現できる。 According to the present invention, a substrate on which a semiconductor circuit (such as an LSI circuit) and a compound semiconductor circuit (such as a compound semiconductor element having a Hall element) are formed, and further directly above the compound semiconductor circuit, the compound semiconductor directly below the semiconductor circuit. An electrical wiring having a predetermined shape (for example, a metal wiring having a U-shape or a horseshoe shape) for increasing the magnetic flux density with respect to the circuit is formed, and a current to be detected is caused to flow through the wiring. Therefore, it is possible to realize a small, highly sensitive and highly accurate current sensor that can collect and detect the magnetic field generated by the current with the compound semiconductor circuit.
〔第1の例〕
(装置構成)
本発明の第1の実施の形態を、図1ないし図3に基づいて説明する。
[First example]
(Device configuration)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1および図2は、本発明に係る半導体装置の構成例を示す。 1 and 2 show a configuration example of a semiconductor device according to the present invention.
半導体装置100は、半導体基板101と、半導体基板101上の第1の領域に形成された半導体回路113と、半導体基板101上の第2の領域に形成された化合物半導体回路102と、半導体回路113の上部及び化合物半導体回路102と対向する側面を含む第1の領域に形成された窒化シリコン膜107と、半導体回路113と化合物半導体回路102とを電気的に接続する第一の電気配線部109と、化合物半導回路102が形成された第2の領域の直上部において配線され、該直下の化合物半導回路102に対して磁束密度を増加させるための所定の形状を有する第2の電気配線部111とを備えて構成されている。
The
(製造方法)
図3は、半導体装置100の製造工程を示すフローチャートである。
(Production method)
FIG. 3 is a flowchart showing a manufacturing process of the
ステップS1では、半導体基板101上の第1の領域Aに半導体回路113を形成し、該半導体回路113を含む全領域に絶縁膜106を塗布する。
In step S <b> 1, the
ステップS2では、半導体基板101上の絶縁膜106の一部を除去して、化合物半導体回路102を形成するための第2の領域Bを形成する。
In step S2, a part of the
ステップS3では、半導体回路113の上部及び化合物半導体回路102と対向する側面を含む第1の領域Aに窒化シリコン膜(SiN)107を形成する。
In step S <b> 3, a silicon nitride film (SiN) 107 is formed in the first region A including the upper portion of the
ステップS4では、絶縁膜107が除去された半導体基板101上の第2の領域Bに、化合物半導体回路102を形成する。
In step S4, the
ステップS5では、半導体回路113と化合物半導体回路102とを、第一の電気配線部109により電気的に接続する。
In step S <b> 5, the
ステップS6では、化合物半導体回路102が形成された第2の領域Bの直上部に、該直下の化合物半導体回路102に対して磁束密度を増加させるための所定の形状を有する第2の電気配線部111を形成する。
In step S6, the second electric wiring portion having a predetermined shape for increasing the magnetic flux density with respect to the
<具体例>
以下、半導体装置100の製造方法を具体例を挙げて説明する。
<Specific example>
Hereinafter, a method for manufacturing the
まず、図1に示すように、Si単結晶基板(半導体基板)101上の所望のエリア(第1の領域A)に、シリコンLSI回路(半導体回路)113を最上層保護膜なしの状態で形成し、シリコンLSI回路113の全体をSiO2層(絶縁膜)106で覆う(ステップS1)。この場合、シリコンLSI回路(半導体回路)113は、Si半導体デバイス回路104と、金属配線105とを含む構成とされている。
First, as shown in FIG. 1, a silicon LSI circuit (semiconductor circuit) 113 is formed in a desired area (first region A) on a Si single crystal substrate (semiconductor substrate) 101 without a top layer protective film. Then, the entire
次に、所望のエリア(第2の領域B)における層間膜であるSiO2層106を除去し、該所望のエリアのSi単結晶基板101の基板表面のみを露出させる(ステップS2)。
Next, the SiO 2 layer 106 which is an interlayer film in a desired area (second region B) is removed, and only the substrate surface of the Si
次に、シリコンLSI回路113を保護する役目を担う窒化シリコン(SiN)膜107を、シリコンLSI回路113の上部及び側面を含むウエハ全面に形成する(ステップS3)。
Next, a silicon nitride (SiN)
そして、化合物半導体素子を形成するエリア(第2の領域B)のSiN膜107のみを除去してSi単結晶基板101の基板表面を露出させ、この露出しているSi単結晶基板101の基板表面を水素原子で終端せしめる。
Then, only the
次に、その基板表面が露出したSi単結晶基板101をMBE(Molecular Beam Epitaxy)装置へと導入する。そして、化合物半導体構成物質を、Si単結晶基板101上に照射することにより、その露出していたSi単結晶基板101上に極めて良質の化合物半導体膜を直接形成する。
Next, the Si
さらに、Si単結晶基板101上に化合物半導体膜が直接形成されたエリア(第2の領域B)において、化合物半導体膜を所望の形状に加工して化合物半導体素子(化合物半導体回路)102を作成する(ステップS4)。この場合、化合物半導体素子としては、特に、ホール素子を形作る。その後、化合物半導体素子の保護膜108を形成する。
Further, in the area (second region B) in which the compound semiconductor film is directly formed on the Si
次に、図2に示すように、シリコンLSI回路113と化合物半導体素子102とを電気的に接続するためのコンタクト穴112を設け、このコンタクト穴112を通して、金属配線(第一の電気配線部)109を設ける(ステップS5)。
Next, as shown in FIG. 2, a
これにより、同一のSi単結晶基板101上においてシリコンLSI回路113と化合物半導体素子102とを同時に形成すると同時に、化合物半導体素子102とシリコンLSI113とを電気的に接続することができる。
Thereby, the
次に、化合物半導体素子102と金属配線109とを保護するために、SiO2膜またはSiN膜からなる層間膜110を形成する。さらに、この層間膜110の上部にUBM(アンダーバンプメタル)膜を形成した後、メッキ技術を用いてAlまたはCuまたはAuを主成分とする金属配線(第2の電気配線部)111を形成する(ステップS6)。
Next, in order to protect the
この金属配線111は、直下の化合物半導体素子102に対して磁束密度を増加させるための所定の形状を有する。例えば、図2に示すように、化合物半導体素子102であるホール素子の上部において、コ字型または馬蹄型を呈する形状とする。これにより、このAlまたはCuまたはAuを主成分とする金属配線111に電流が流れる際に発生する磁場が、コ字型または馬蹄型の形状により磁束密度が増加し、直下の化合物半導体ホール素子102が受感できる磁場強度を増加させる。
The
本例では、コ字型または馬蹄型を呈する形状を有する金属配線111と、化合物半導体素子102であるホール素子との距離は、約7umであったが、この距離はLSI配線数によるLSI部の高さが律速となっている。従って、LSI部の積層回路配線数を低減することも可能であり、1umまで低減できれば、より好ましい。
In this example, the distance between the
一方、シリコンLSI回路113内の積層配線数が増加すれば、コ字型または馬蹄型の金属配線111とホール素子102との距離が増加し、その結果、電流センサとしての検出感度とその精度が低下する傾向にあるが、最大20um程度の距離までに抑えることにより、現行技術における最も好ましい感度と検出精度は維持できる。
On the other hand, if the number of stacked wirings in the
以上の手順により、磁場検出する化合物半導体素子102と、被検出電流を流す一次導体としての金属配線111と、化合物半導体素子102から出力される信号を中継・演算処理するシリコンLSI回路113とを同一の半導体チップ内に一体に構成することができる。その結果、小型で、高感度、かつ、高精度な電流センサ用半導体チップが形成可能となる。
By the above procedure, the
この半導体チップをプラスチックPKGで組み立てる際には、コ字型または馬蹄型を呈する金属配線111の末端を、ワーヤーボンディング技術によりAuワイヤー等を用いてパッケージの端子と電気的に接続する。この端子に被検出電流を通電させることにより、被検出電流が、化合物半導体素子102としてのホール素子の直上に設けられたコ字型または馬蹄型を呈する金属配線111を流れることにより、その電流量に比例した磁場が発生し、この直下に設けられたホール素子で、この磁場を検出することになる。
When this semiconductor chip is assembled with plastic PKG, the end of the
さらに、コ字型または馬蹄型を呈する金属配線111と化合物半導体素子102であるホール素子との距離が近いため、極僅かな電流量の変化も精度良く検出することが可能となる。
Furthermore, since the distance between the
〔第2の例〕
次に、本発明の第2の実施の形態を、図4に基づいて説明する。なお、前述した第1の例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。
[Second example]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the same part as the 1st example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.
図4は、半導体装置100の構成例を示す。
FIG. 4 shows a configuration example of the
本例では、第2の電気配線部としての金属配線111と、化合物半導体回路としての化合物半導体素子102であるホール素子との間に、空間114をさらに設けたことを特徴とする。
This example is characterized in that a
以下、空間114の具体例について説明する。なお、半導体装置100の全体的な構成およびその製造方法は第1の例と同じであるため、ここでの説明は省略する。
Hereinafter, a specific example of the
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて、コ字型または馬蹄型形状の金属配線111と化合物半導体素子102であるホール素子との間に、図4に示すような、高さが1um以上20um以下で、体積が1um3以上1,000,000um3以下の空間114を設ける。
The height between the U-shaped or horseshoe-shaped
さらに、PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)技術を用いて、空間114の上部にSiO2膜やSiN膜等の保護膜を形成することにより、金属配線111と化合物半導体素子102であるホール素子との間に設けた空間114を完全に密閉する。
Further, a protective film such as a SiO 2 film or a SiN film is formed on the
このようにして構成された空間114は、PCVD装置内でSiO2膜またはSiN膜形成時に密閉されることから、この空間114内は真空状態、または、保護形成時に用いた低圧のガスが封入された状態となっている。
Since the
このようにコ字型または馬蹄型の金属配線111と化合物半導体素子102であるホール素子との間に密閉された空間114を設けることにより、この空間114が緩衝領域となって、外的な応力がホール素子に印加されることを小さくすることが可能となる。その結果、ホール素子の磁気検出感度の応力による変動を抑制でき、より高精度に磁場を検出することが可能となる。
Thus, by providing the sealed
以上の手順により、空間114と、磁場検出する化合物半導体素子102であるホール素子と、被検出電流を流す一次導体である金属配線111と、化合物半導体素子102から出力される信号を中継・演算処理するシリコンLSI回路113とを同一の半導体チップ内に一体に構成させることができ、これにより、小型で、高感度、かつ、一段と高精度な電流センサ用の半導体チップを形成することが可能となる。
Through the above procedure, the
本発明は、高感度な化合物半導体素子であるホール素子と、このホール素子が出力する信号を演算するLSI回路と、さらに、被検出電流が流れる導体とを同一の半導体チップ内に一体に構成した、小型化で高感度かつ高精度な半導体装置、特に、電流センサの供給が可能となる。 In the present invention, a Hall element that is a highly sensitive compound semiconductor element, an LSI circuit that calculates a signal output from the Hall element, and a conductor through which a current to be detected flows are integrally formed in the same semiconductor chip. Therefore, it is possible to supply a small-sized, highly sensitive and highly accurate semiconductor device, particularly a current sensor.
101 Si単結晶基板
102 化合物半導体素子(ホール素子)
104 シリコンLSI回路内におけるSi半導体デバイス
105 シリコンLSI回路内における金属配線
106 SiO2層間膜
107 SiN保護膜
108 保護膜
109 金属配線
110 層間膜
111 ホール素子直上でコ字型を呈するCu配線
112 コンタクト穴
113 シリコンLSI回路
114 一次導体配線とホール素子との間に設けられた空間
101 Si
104 Si Semiconductor Device in
Claims (20)
半導体基板と、
前記半導体基板上の第1の領域に形成された半導体回路と、
前記半導体基板上の第2の領域に形成された化合物半導体回路と、
前記半導体回路の上部及び前記化合物半導体回路と対向する側面を含む前記第1の領域に形成された窒化シリコン膜と、
前記半導体回路と前記化合物半導体回路とを電気的に接続する第一の電気配線部と、
前記化合物半導体回路が形成された前記第2の領域の直上部において配線され、該直下の前記化合物半導体回路に対して磁束密度を増加させるための所定の形状を有する第2の電気配線部と
を具えたことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device,
A semiconductor substrate;
A semiconductor circuit formed in a first region on the semiconductor substrate;
A compound semiconductor circuit formed in a second region on the semiconductor substrate;
A silicon nitride film formed in the first region including an upper portion of the semiconductor circuit and a side surface facing the compound semiconductor circuit;
A first electrical wiring portion for electrically connecting the semiconductor circuit and the compound semiconductor circuit;
A second electrical wiring portion that is wired immediately above the second region where the compound semiconductor circuit is formed and has a predetermined shape for increasing a magnetic flux density with respect to the compound semiconductor circuit immediately below the second region. A semiconductor device characterized by comprising.
半導体基板上の第1の領域に半導体回路を形成し、該半導体回路を含む全領域に絶縁膜を塗布する工程と、
前記半導体基板上の前記絶縁膜の一部を除去して、化合物半導体回路を形成するための第2の領域を形成する工程と、
前記半導体回路の上部及び前記化合物半導体回路と対向する側面を含む前記第1の領域に窒化シリコン膜を形成する工程と、
前記絶縁膜が除去された前記半導体基板上の前記第2の領域に、前記化合物半導体回路を形成する工程と、
前記半導体回路と前記化合物半導体回路とを、第一の電気配線部により電気的に接続する工程と、
前記化合物半導体回路が形成された前記第2の領域の直上部に、該直下の前記化合物半導体回路に対して磁束密度を増加させるための所定の形状を有する第2の電気配線部を形成する工程と
を具えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Forming a semiconductor circuit in a first region on the semiconductor substrate and applying an insulating film to the entire region including the semiconductor circuit;
Removing a portion of the insulating film on the semiconductor substrate to form a second region for forming a compound semiconductor circuit;
Forming a silicon nitride film in the first region including an upper portion of the semiconductor circuit and a side surface facing the compound semiconductor circuit;
Forming the compound semiconductor circuit in the second region on the semiconductor substrate from which the insulating film has been removed;
Electrically connecting the semiconductor circuit and the compound semiconductor circuit by a first electrical wiring portion;
Forming a second electric wiring portion having a predetermined shape for increasing a magnetic flux density with respect to the compound semiconductor circuit immediately below the second region where the compound semiconductor circuit is formed; A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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