JP2018064059A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エレクトロマイグレーションに起因するパッド部間の短絡を抑制できる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置10は、SOI基板12、層間絶縁膜14、パッド部20、配線層16、及び、表面保護膜22を備えている。SOI基板12は、一面に形成された半導体素子30を有している。層間絶縁膜14は、SOI基板12の一面上に配置されている。配線層16は、層間絶縁膜14内に配置されている。硬質膜18は、層間絶縁膜14に対してSOI基板12と反対側に配置され、層間絶縁膜14よりも硬質にされている。パッド部20は、硬質膜18に対して層間絶縁膜14と反対側に配置されている。表面保護膜22は、少なくともパッド部20同士の対向領域Sbに配置されている。表面保護膜22は、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜とされている。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体素子を有する半導体基板、半導体素子と接続されたパッド部、及び、パッド部上に配置された表面保護膜を備える半導体装置に関する。
従来、特許文献1に記載のように、半導体基板と、層間絶縁膜と、第1硬質膜と、パッド部と、表面保護膜と、を備える半導体装置が知られている。半導体基板は、半導体素子を有している。層間絶縁膜は、半導体基板上に配置されている。第1硬質膜は、層間絶縁膜上に配置されている。パッド部は、第1硬質膜上に配置され、半導体装置の電極をなしている。パッド部においてボンディングされない領域には、ポリイミドからなる表面保護膜が配置されている。
特開2014−146785号公報
半導体素子の動作によって、パッド部の温度が上昇する場合がある。温度上昇によって、パッド部のエレクトロマイグレーションが促進される。半導体装置が複数のパッド部を有している場合には、エレクトロマイグレーションによって互いに別電位のパッド部が表面保護膜を突き破り、パッド部間で短絡が生じる虞がある。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、エレクトロマイグレーションに起因するパッド部間の短絡を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として下記の実施形態における具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。
本発明のひとつは、
一面に形成された半導体素子(30)を有する半導体基板(12)と、
半導体基板の一面上に配置された層間絶縁膜(14)と、
層間絶縁膜内に配置された配線層(16)と、
層間絶縁膜に対して半導体基板と反対側に配置され、層間絶縁膜よりも硬質な硬質膜(18)と、
硬質膜に対して層間絶縁膜と反対側に配置され、配線層を介して半導体素子と接続された外部接続用の複数のパッド部(20)と、
電気的な絶縁性を有し、少なくともパッド部同士の対向領域(Sb)に配置された表面保護膜(22)と、を備え、
表面保護膜は、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜とされている。
上記構成の表面保護膜は、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜とされているため、従来の表面保護膜に用いられていたポリイミドよりも硬質である。また、表面保護膜は、パッド部同士の対向領域に配置されている。これによれば、半導体素子の動作によってパッド部の温度が上昇した場合であっても、硬質な表面保護膜によって各パッド部は対向領域側に変形し難い。すなわち表面保護膜は、エレクトロマイグレーションによるパッド部の変形を抑制できる。そのため半導体装置では、エレクトロマイグレーションに起因するパッド部間の短絡を抑制できる。
他の本発明のひとつは、
一面に形成された半導体素子(30)を有する半導体基板(12)と、
半導体基板の一面上に配置された層間絶縁膜(14)と、
層間絶縁膜内に配置された配線層(16)と、
層間絶縁膜に対して半導体基板と反対側に配置され、層間絶縁膜よりも硬質な硬質膜(18)と、
硬質膜に対して層間絶縁膜と反対側に配置され、配線層を介して半導体素子と接続された外部接続用の複数のパッド部(20)と、
電気的な絶縁性を有し、少なくともパッド部同士の対向領域(Sb)に配置された表面保護膜(22)と、を備え、
表面保護膜は、内側膜(22a)と、内側膜に対してパッド部と反対側に配置された外側膜(22b)と、を有し、
内側膜は、外側膜よりも硬質にされている。
上記構成の内側膜は、外側膜よりも硬質である。また、内側膜は、外側膜よりもパッド部側に配置されているとともにパッド部同士の対向領域に配置されている。これによれば、半導体素子の動作によってパッド部の温度が上昇した場合であっても、硬質な内側膜によって各パッド部は対向領域側に変形し難い。したがって半導体装置では、エレクトロマイグレーションに起因するパッド部間の短絡を抑制できる。
第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図1のII−II線に沿う断面図である。 半導体装置を評価するための回路を示す回路図である。 図3の回路を用いて半導体装置を評価した場合における、ドレイン電圧、ゲート電圧、及び、ドレイン電流を示すタイミングチャートである。 図3の回路を用いて半導体装置を評価した場合における、ドレイン電圧、ゲート電圧、順方向電圧、及び、ドレイン電流を示すタイミングチャートである。 図3の回路を用いて半導体装置を評価した場合における、半導体装置の評価結果を示す図である。 第2実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。
図面を参照して説明する。なお、複数の実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。半導体基板の厚さ方向をZ方向とする。また、Z方向と直交する特定の方向をX方向、Z方向及びX方向と直交する方向をY方向と示す。
(第1実施形態)
先ず、図1〜図3に基づき、半導体装置10の概略構成について説明する。
半導体装置10としては、例えばICチップを採用できる。図1及び図2に示すように、半導体装置10は、SOI基板12、層間絶縁膜14、配線層16、硬質膜18、パッド部20、及び、表面保護膜22を備えている。半導体装置10は、厚さ方向がZ方向に沿う平板形状をなしている。半導体装置10は、表面10aと、表面10aと反対の裏面10bと、を有している。
図3に示すように、本実施形態の半導体装置10は、誘導負荷100と電気的に接続され、誘導負荷100に流れる電流を制御する。誘導負荷100は、L負荷、又は、インダクタンスと称することもできる。半導体装置10における誘導負荷100の制御については、下記で詳細に説明する。
SOI基板12は、裏面10bをなしている。SOIは、Silicon On Insulatorの略称である。SOI基板12は、特許請求の範囲に記載の半導体基板に相当する。SOI基板12は、SOI層24、支持基板26、埋込酸化膜28、及び、半導体素子30を有している。SOI層24は、例えば、N型のシリコンを用いて形成されている。支持基板26は、例えば、P型のシリコンを用いて形成されている。SOI層24及び支持基板26は、埋込酸化膜28を介して接合されている。
半導体素子30は、SOI基板12における裏面10bと反対の一面に形成されている。半導体素子30は、例えば、LDMOS(横方向拡散MOSトランジスタ)やIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)とされている。SOI基板12には、複数の半導体素子30が形成されている。SOI基板12における裏面10bと反対の一面上には、層間絶縁膜14が配置されている。
層間絶縁膜14は、例えば、SOG(Spin On Glass)膜、ホウ素リン含有ケイ酸ガラス(BPSG)膜、又は、TEOS(テトラエトキシシラン)膜を用いて形成されている。層間絶縁膜14のヤング率は、例えば、70GPa程度とされている。層間絶縁膜14内には、配線層16が配置されている。
本実施形態の層間絶縁膜14内には、配線層16として、SOI層24側から順に、第1配線層16a、第2配線層16b、及び、第3配線層16cが配置されている。なお、配線層16の層数はこれに限定するものではない。配線層16は、例えば、アルミニウムを用いて形成されている。また、層間絶縁膜14内には、配線層16同士を接続するビア32が複数形成されている。Z方向において層間絶縁膜14のSOI基板12と反対側には、硬質膜18が形成されている。
硬質膜18は、層間絶縁膜14を構成する主要な部材よりも硬質なパッシベーション膜とされている。硬質膜18は、例えば、シリコン窒化膜を用いて形成されている。硬質膜18のヤング率は、例えば、240GPa程度とされている。硬質膜18は、例えば、プラズマCVD法によって形成される。硬質膜18の厚さは、例えば、1.0μm程度とされている。
硬質膜18は、半導体装置10の外部からの水分を通さず、配線層16及びSOI基板12を水分から保護する。Z方向において硬質膜18の層間絶縁膜14と反対側には、パッド部20が配置されている。
パッド部20は、外部接続用の電極である。パッド部20は、配線層16を介して半導体素子30と電気的に接続されている。パッド部20は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属を用いて形成されている。パッド部20のヤング率は、例えば、80GPa程度とされている。以上によれば、パッド部20は、硬質膜18を介して、SOI基板12、配線層16、及び、層間絶縁膜14上に配置されている。
また、硬質膜18及び層間絶縁膜14には、パッド部20と第3配線層16cとを電気的に接続するためのコンタクトホール34が形成されている。コンタクトホール34は、硬質膜18をZ方向に貫通しつつ、層間絶縁膜14においてZ方向に所定深さを有して第3配線層16cへ到達するように形成されている。パッド部20は、硬質膜18における層間絶縁膜14と反対側の面に加えて、コンタクトホール34内にも配置されている。
半導体装置10には、複数のパッド部20が配置されている。例えば、互いに異なる箇所に配置されたパッド部20には、互いに異なる電圧が印加される。図1では、パッド部20として、グランドに接続される第1パッド部20aと、誘導負荷100に接続される第2パッド部20bと、を示している。
第1パッド部20a及び第2パッド部20bは、互いに接触しないように配置されている。すなわち、硬質膜18上には、パッド部20の形成されていない領域が設けられている。本実施形態において第1パッド部20a及び第2パッド部20bは、X方向において互いに対向している。よって、第1パッド部20a及び第2パッド部20bの間には、対向領域Sbが形成されている。図1に示すように、対向領域Sbは、Y方向に延びて形成されている。Z方向においてパッド部20の硬質膜18と反対側には、表面保護膜22が形成されている。
表面保護膜22は、表面10aに異物が付着した場合に、パッド部20同士がショートするのを抑制するものである。表面保護膜22は、パッド部20の一部を覆っており、表面10aの一部をなしている。表面保護膜22は、電気的な絶縁性に優れた材料を用いて形成されている。各パッド部20は、表面保護膜22に覆われた部分と、表面保護膜22から露出して表面10aの一部をなす部分と、を有している。パッド部20において表面保護膜22から露出する部分は、ボンディングにより、誘導負荷100やグランドと接続される。以下、パッド部20において表面保護膜22から露出する領域をボンディング領域Saと示す。
Z方向の投影視において、ボンディング領域Saは、SOI基板12のうちの半導体素子30が形成された領域の少なくとも一部と重なっている。すなわち、パッド部20は、素子上パッドである。
素子上パッドとされた構成では、ボンディングによる応力が半導体素子30に伝達され易い。パッド部20にボンディングする際、パッド部20と層間絶縁膜14との間に硬質膜18が配置されていることによって、ボンディングによる応力が層間絶縁膜14側へ伝達されるのを抑制できる。すなわち、硬質膜18によって、ボンディングによる応力が半導体素子30に伝達されることを抑制でき、半導体素子30に対するボンディングダメージを緩和できる。さらには、半導体装置10にクラックが生じるのを抑制できる。
表面保護膜22は、対向領域Sbにも配置されている。表面保護膜22の一部は、対向領域Sbの全体に配置され、パッド部20及び硬質膜18と接触している。表面保護膜22は、パッド部20に接触配置された内側膜22aと、Z方向において内側膜22aのパッド部20と反対側に配置された外側膜22bと、を有している。
内側膜22aは、外側膜22bよりも硬質なパッシベーション膜とされている。内側膜22aのヤング率は、例えば50GPa以上とされている。本実施形態の内側膜22aのヤング率は、例えば、240GPa程度とされている。内側膜22aは、シリコン酸化膜(SiO,SiO)、又は、シリコン窒化膜(SiN)を用いて形成されている。言い換えると、内側膜22aの主成分は、シリコン酸化膜、又は、シリコン窒化膜とされている。
硬質膜18は、パッド部20と層間絶縁膜14との間に配置されることでボンディングの応力を緩和できるが、パッド部20上に配置されていないためパッド部20のエレクトロマイグレーションを抑制できない。これに対し、内側膜22aが硬質膜とされていることで、パッド部20にエレクトロマイグレーションが生じるのを抑制できる。エレクトロマイグレーションとは、イオンの移動により金属が変形する現象である。本実施形態において内側膜22aの膜厚は、1.0μm以上とされている。
外側膜22bは、内側膜22aよりも柔軟性に優れた材料を用いて形成されている。外側膜22bは、例えば、ポリイミドを用いて形成されている。外側膜22bは、表面10aの一部をなしている。外側膜22bのヤング率は、例えば数GPaとされている。
次に、半導体装置10の製造方法について説明する。
まず、複数の半導体素子30が一面に形成されたSOI基板を準備する。半導体素子30は、公知の方法によって形成できる。そして、半導体素子30上に、配線層16及び層間絶縁膜14を形成する。例えば、スパッタ法等を用いてアルミニウムを堆積させることで各配線層16を形成する。また、例えば、CVD法等を用いて層間絶縁膜14を形成する。
次に、層間絶縁膜14上に、プラズマCVD法等を用いてシリコン窒化膜を堆積させて、硬質膜18を形成する。そして、硬質膜18及び層間絶縁膜14のうちの、Z方向の投影視においてボンディング領域Saと重ならない領域に、コンタクトホール34を形成する。
次に、硬質膜18上に、スパッタ法等を用いてアルミニウムを堆積させることでパッド部20を形成する。そして、パッド部20上に、プラズマCVD法等を用いて内側膜22aを堆積させる。次に、パッド部20のボンディング領域Saが内側膜22aから露出するように、マスクを用いて内側膜22aの不要部分を除去する。そして、内側膜22a上に外側膜22bを形成する。以上により、半導体装置10を製造できる。
次に、図3〜図6に基づき、誘導負荷100の制御により半導体装置10に作用する熱的なストレスについて説明する。なお、図4及び図5では、複数の信号について同一の縦軸で示しているが、各信号の原点及びスケールは互いに異なっている。図3に示す回路を用いて、半導体装置10により誘導負荷100を駆動した場合に、半導体装置10に作用する熱的なストレスを評価した。
この回路では、誘導負荷100の一端が電源102の正極と接続され、誘導負荷100の他端が半導体装置10と接続されている。詳しくは、誘導負荷100の他端が、第2パッド部20bを介して半導体素子30のドレインと接続されている。また、半導体素子30のソースは、第1パッド部20aを介して電源102の負極と接続されている。なお、電源102の負極は、グランドと接続されている。
誘導負荷100及び半導体装置10の接続点は、抵抗104を介して双方向ツェナーダイオード106の一端と接続されている。双方向ツェナーダイオード106の抵抗104と反対側の他端は、半導体素子30のゲートと接続されている。双方向ツェナーダイオード106及び半導体素子30の接続点は、抵抗108を介してパルス電源110と接続されている。パルス電源110は、抵抗108を介して半導体素子30のゲートと接続され、半導体素子30をオンオフ動作させるものである。パルス電源110は、High又はLowをなすパルス信号により、半導体素子30のゲート電圧Vgを制御する。
図4に示すように、期間T1において、ゲートに印加されるパルス信号がLowにされており、ゲートがオフにされている。図4において、Vdは半導体素子30に印加されるドレイン電圧、Vgはゲート電圧、Idはドレイン電流を示す。期間T1において、ドレイン電圧Vdは、Vddに固定されている。また、ドレイン電流Idは、0とされている。すなわち半導体素子30に電流は流れていない。
そして、期間T1が終了して期間T2が開始すると、パルス信号がHighとなる。よって、ゲート電圧Vgが期間T1のときよりも高い値である電圧Vghにされて、ゲートがオンになる。これにより、ドレイン電流Idは、時間経過とともに上昇する。期間T2において、ドレイン電圧Vdは、半導体素子30に流れるドレイン電流Idで決まるオン電圧となる。
次に、期間T2が終了して期間T3が開始すると、パルス信号がLowとなり、ゲートがオフにされる。このときドレイン電流Idは、誘導負荷100によってすぐに遮断されず、時間経過とともに減少する。期間T3において、ドレイン電圧Vdは、双方向ツェナーダイオード106の耐圧で決まる固定電圧Vcに固定される。期間T3では、ドレイン電圧Vd及びドレイン電流Idの積に相当する誘導負荷100の熱的なエネルギーに応じて半導体素子30が発熱する。
期間T1、期間T2、及び、期間T3の順に半導体装置10を動作させることを、回転数1回と定義する。そして、半導体装置10の評価では、図5に示すように、回転数が複数回となるように、半導体装置10を動作させている。
図5では、ドレイン電圧Vd、ゲート電圧Vg、及び、ドレイン電流Idに加えて、半導体素子30の近くに設置した感温用のダイオードの順方向電圧Vfを示している。順方向電圧Vfの値は、半導体素子30の温度を示している。ゲートがオフにされる前において順方向電圧Vfは、一定値となっている。ゲートがオフにされると、半導体素子30の温度が上昇し、順方向電圧Vfが減少する。そして、ゲートがオフされてから所定時間が経過すると、順方向電圧Vfは、ゲートがオフにされる前の一定値に戻る。
図6では、内側膜22aの膜厚を変化させて、半導体装置10に作用する熱的なストレスを評価した場合の評価結果を示している。図6の四角マーカは、パッド部20同士がショートした場合の値を示している。図6の三角マーカは、パッド部20同士がショートしなかった場合の値を示している。内側膜22aが0μmの場合、すなわち内側膜22aが形成されていない場合には、回転数が10回程度でパッド部20同士がショートしている。また、内側膜22aが0.2μmの場合においても、回転数が10〜10回の間でパッド部20同士がショートしている。これに対して、内側膜22aが1.4μmの場合には、回転数が10回でもパッド部20同士がショートしていない。
次に、上記した半導体装置10の効果について説明する。
本実施形態の内側膜22aは、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜とされているため、従来の内側膜22aに用いられていたポリイミドよりも硬質である。また、内側膜22aは、パッド部20同士の対向領域Sbに配置されている。これによれば、半導体素子30の動作によってパッド部20の温度が上昇した場合であっても、硬質な内側膜22aによって各パッド部20は対向領域Sb側に変形し難い。すなわち、内側膜22aは、エレクトロマイグレーションによるパッド部20の変形を抑制できる。したがって半導体装置10では、エレクトロマイグレーションに起因するパッド部20間の短絡を抑制できる。
(第2実施形態)
本実施形態において、第1実施形態に示した半導体装置10と共通する部分についての説明は第1実施形態の説明を参照する。
本実施形態では、図7に示すように、表面保護膜22が一層とされている。表面保護膜22は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を用いて形成されている。本実施形態では、表面保護膜22が、柔軟性に優れた外側膜22bを有していない。よって、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜が、パッド部20上に形成され、表面10aの一部をなしている。
(その他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
上記実施形態において、半導体装置10が誘導負荷100を制御する例を示したが、これに限定するものではない。半導体装置10は、例えば、抵抗負荷に流れる電流を制御するものであってもよい。
上記実施形態において、半導体装置10が半導体基板としてSOI基板12を有する例を示したが、これに限定するものではない。半導体装置10が半導体基板としてバルクシリコン基板を有する例を採用することもできる。
10…半導体装置、10a…表面、10b…裏面、12…SOI基板、14…層間絶縁膜、16…配線層、16a…第1配線層、16b…第2配線層、16c…第3配線層、18…硬質膜、20…パッド部、20a…第1パッド部、20b…第2パッド部、22…表面保護膜、22a…内側膜、22b…外側膜、24…SOI層、26…支持基板、28…埋込酸化膜、30…半導体素子、32…ビア、34…コンタクトホール、100…誘導負荷、102…電源、104…抵抗、106…双方向ツェナーダイオード、108…抵抗、110…パルス電源

Claims (5)

  1. 一面に形成された半導体素子(30)を有する半導体基板(12)と、
    前記半導体基板の前記一面上に配置された層間絶縁膜(14)と、
    前記層間絶縁膜内に配置された配線層(16)と、
    前記層間絶縁膜に対して前記半導体基板と反対側に配置され、前記層間絶縁膜よりも硬質な硬質膜(18)と、
    前記硬質膜に対して前記層間絶縁膜と反対側に配置され、前記配線層を介して前記半導体素子と接続された外部接続用の複数のパッド部(20)と、
    電気的な絶縁性を有し、少なくとも前記パッド部同士の対向領域(Sb)に配置された表面保護膜(22)と、を備え、
    前記表面保護膜は、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜とされている半導体装置。
  2. 一面に形成された半導体素子(30)を有する半導体基板(12)と、
    前記半導体基板の前記一面上に配置された層間絶縁膜(14)と、
    前記層間絶縁膜内に配置された配線層(16)と、
    前記層間絶縁膜に対して前記半導体基板と反対側に配置され、前記層間絶縁膜よりも硬質な硬質膜(18)と、
    前記硬質膜に対して前記層間絶縁膜と反対側に配置され、前記配線層を介して前記半導体素子と接続された外部接続用の複数のパッド部(20)と、
    電気的な絶縁性を有し、少なくとも前記パッド部同士の対向領域(Sb)に配置された表面保護膜(22)と、を備え、
    前記表面保護膜は、内側膜(22a)と、前記内側膜に対して前記パッド部と反対側に配置された外側膜(22b)と、を有し、
    前記内側膜は、前記外側膜よりも硬質にされている半導体装置。
  3. 前記内側膜は、シリコン窒化膜又はシリコン酸化膜とされている請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体基板の厚さ方向の投影視において、前記パッド部の前記表面保護膜から露出する領域は、前記半導体素子が形成された領域の少なくとも一部と重なっている請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記パッド部は、誘導負荷(100)と電気的に接続され、
    前記半導体素子は、オンオフ動作することによって、前記誘導負荷に流れる電流を制御する請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
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