JP2020053595A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体デバイスと半導体デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device.
特許文献1には、電子素子を封止するパッケージ内部領域に吸湿手段を存在させることで、外部から侵入してきた水分がこの吸湿手段に吸収され、パッケージ内の露結を防止する技術が開示されている。 Patent Literature 1 discloses a technique for preventing moisture from entering the package by preventing moisture from entering from outside by absorbing moisture from the outside by providing a moisture absorbing means in an internal region of a package for sealing an electronic element. ing.
従来の半導体デバイスにおいては、N2置換又は真空にしたパッケージ内部に半導体素子を封止し、水分から半導体素子を保護する構造としていた。この場合、パッケージに外力又は温度等の外的ストレスが及ぼされると、パッケージにクラック等が生じてリークパスが発生することがある。パッケージ内部に水蒸気が侵入し、パッケージ温度が低下するとパッケージ内部が結露し、イオンマイグレーションにより半導体素子に悪影響が及ぶ。 In conventional semiconductor devices, sealing a semiconductor element inside the package, which was N 2 substitution or vacuum, had a structure to protect the semiconductor element from moisture. In this case, when an external force such as an external force or temperature is applied to the package, a crack or the like may be generated in the package and a leak path may be generated. When water vapor enters the inside of the package and the temperature of the package is reduced, the inside of the package is dewed and the semiconductor elements are adversely affected by ion migration.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、パッケージにリークパスが発生し内部に水蒸気が侵入した場合にも、半導体素子に結露が生じることを抑制できる半導体デバイスと半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has a semiconductor device and a semiconductor device capable of suppressing the occurrence of dew condensation on a semiconductor element even when a leak path occurs in a package and water vapor enters the inside. It is an object of the present invention to provide a method for producing the same.
本願の発明に係る半導体デバイスは、半導体基板と、該半導体基板に形成された半導体素子と、該半導体基板に固定された、10nm以下の孔径の孔を複数有する多孔質部分と、該半導体基板を覆うパッケージと、を備えたことを特徴とする。 A semiconductor device according to the invention of the present application includes a semiconductor substrate, a semiconductor element formed on the semiconductor substrate, a porous portion fixed to the semiconductor substrate and having a plurality of holes having a diameter of 10 nm or less, and a semiconductor substrate. And a covering package.
本願の発明に係る他の半導体デバイスは、半導体基板と、該半導体基板に形成された半導体素子と、該半導体基板に10nm以下の間隔で設けられた複数の凸部を有する凹凸構造と、該半導体基板を覆うパッケージと、を備えたことを特徴とする。 Another semiconductor device according to the invention of the present application includes a semiconductor substrate, a semiconductor element formed on the semiconductor substrate, a concavo-convex structure having a plurality of convex portions provided on the semiconductor substrate at intervals of 10 nm or less, and And a package for covering the substrate.
本願の発明に係る半導体デバイスの製造方法は、一部に半導体素子が形成された半導体基板に、該半導体基板の予め定められた部分を囲む2つの金属パターンを形成することと、該2つの金属パターンで囲まれた領域に水を提供し、該2つの金属パターンに電圧を印加することで、該2つの金属パターンのうち負電圧が印加された方から金属を析出させ、10nm以下の孔径の孔を複数有する多孔質部分を形成することと、を備えたことを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes forming two metal patterns surrounding a predetermined portion of a semiconductor substrate on a semiconductor substrate in which a semiconductor element is partially formed; By providing water to a region surrounded by the pattern and applying a voltage to the two metal patterns, a metal is precipitated from a side of the two metal patterns to which a negative voltage is applied, and a pore having a pore diameter of 10 nm or less is formed. Forming a porous portion having a plurality of holes.
本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。 Other features of the present invention will be clarified below.
本発明によれば、半導体素子よりも結露が生じやすい部分を、半導体素子と同じ基板に設けることで、パッケージにリークパスが発生し内部に水蒸気が侵入した場合にも、半導体素子に結露が生じることを抑制できる。 According to the present invention, by providing a portion where dew condensation is more likely to occur than a semiconductor element on the same substrate as the semiconductor element, dew condensation occurs on the semiconductor element even when a leak path occurs in the package and water vapor invades inside. Can be suppressed.
実施の形態に係る半導体デバイスと半導体デバイスの製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。 A semiconductor device according to an embodiment and a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to the drawings. The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and description thereof may not be repeated.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体デバイスの断面図である。この半導体デバイスのパッケージは、例えば、フレーム10とキャップ12を封止材13で接着したものである。封止材13として例えばはんだを用いることができる。このようなパッケージには、クラック等が原因で、リークパス14が生じる場合がある。パッケージの中には、半導体チップ15が格納されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. The package of the semiconductor device is, for example, a package in which a
図2は、半導体チップ15の断面図である。半導体チップ15は半導体基板15Aを備えている。半導体基板15Aの材料は例えばGaAs又はSiCである。この半導体基板15Aの一部には半導体素子15Bが形成されている。半導体素子15Bは例えばFETなどのスイッチング素子とすることができる。半導体素子15Bは、半導体基板15Aの上にソース電極15C、ゲート電極15D及びドレイン電極15Eを備えている。別の電極を設けてもよい。
FIG. 2 is a sectional view of the
ゲート電極15Dとドレイン電極15Eの距離x2は例えば50nm以上である。ゲート電極15Dとソース電極15Cの距離x3は例えば50nm以上である。このように、複数の電極は、50nm以上離れて設けられている。いいかえれば、複数の電極のうちの1つの電極は、残りの電極から50nm以上離れているように電極を配置することができる。
The distance x2 between the
半導体基板15Aのうち、半導体素子15Bが形成された領域の横には、多孔質部分15Fが固定されている。多孔質部分15Fは、10nm以下の孔径の孔を複数有するものである。図2には、多孔質部分15Fの孔径x1が示されている。この孔径x1が10nm以下になっている。多孔質部分15Fの材料は例えばAuである。
On the
図3は、半導体チップ15の平面図である。多孔質部分15Fは、平面視で半導体素子15Bを囲んでいる。この例では、多孔質部分15Fは半導体基板15Aの外縁に沿って環状に設けられている。多孔質部分15Fには孔径x1、y1が10nm以下の孔が複数形成されている。このような半導体チップ15は、半導体基板15Aを覆う上述のパッケージによって理想的には気密封止される。
FIG. 3 is a plan view of the
次に上述した半導体デバイスの製造方法を説明する。まず、半導体素子15Bの周囲に蒸着、スパッタ又はメッキにより金属パターンを形成する。図4は金属パターン20A、20Bを形成した半導体チップの平面図である。図4に示されるように、一部に半導体素子15Bが形成された半導体基板15Aに、半導体基板15Aの予め定められた部分を囲む2つの金属パターン20A、20Bを形成する。
Next, a method for manufacturing the above-described semiconductor device will be described. First, a metal pattern is formed around the
図4の例では、半導体基板15Aの外縁に沿った部分が2つの金属パターン20A、20Bで囲まれている。2つの金属パターン20A、20Bは例えばどちらも四角形の枠である。金属パターン20A、20Bの材料は例えばAuであるが、任意の金属材料を用いることができる。図5は、図4の断面図である。金属パターン20A、20Bは、ある程度の厚みを有することで、これらに挟まれた領域に溝が形成されている。
In the example of FIG. 4, a portion along the outer edge of the
次いで、2つの金属パターン20A、20Bで囲まれた領域に水を提供し、この部分に水膜を設ける。この状態で、2つの金属パターン20A、20Bに電圧を印加する。図6は、金属パターン20A、20Bに電圧印加することを示す図である。図6には、電源30が金属パターン20Aに正電圧を印加し、金属パターン20Bに負電圧を印加することが図示されている。この例では、電源30によって、1.23〜100Vの電圧と0.1pA〜1Aの電流が提供される。
Next, water is provided to a region surrounded by the two
図7は、図6の断面図である。金属パターン20A、20Bによって挟まれた領域に水32が提供されている。水32の存在と電源30による電圧印加により、電気化学反応が起こり、正電圧が印加された金属パターン20Aから金属が溶解し、負電圧が印加された金属パターン20B側で金属が析出して、多孔質状に成長する。図8は、金属析出を示す図である。金属パターン20Aから溶解した金属が矢印方向に進み、負電圧が印加された金属パターン20B側で析出する。図8には析出した金属42が示されている。
FIG. 7 is a sectional view of FIG.
図9は、図8の断面図である。金属42の析出が進むと、10nm以下の孔径の孔を複数有する多孔質部分15Fができる。次いで、水32を乾燥させて、半導体素子15Bを囲む多孔質部分15Fを残す。こうして、図1−3に示される半導体デバイスが完成する。
FIG. 9 is a sectional view of FIG. As the deposition of the
多孔質状又は凹凸状の物質表面は、平面な物質の表面と比べて結露が生じ易い。この現象は毛管凝縮と呼ばれる。多孔物の孔径、又は凹凸の間隔が微小なほど、結露が生じ易くなる。例えば、「電子部品の信頼性試験」三根久監修、越川清重著の109頁には、10nmの直径の穴の表面では相対湿度90%で結露が発生することが記載されている。 Condensation is more likely to occur on a porous or uneven material surface than on a flat material surface. This phenomenon is called capillary condensation. The smaller the pore diameter of the porous material or the distance between the irregularities, the more easily dew condensation occurs. For example, "Reliability Test of Electronic Components", edited by Hisashi Mine and Kiyoshige Koshikawa, p. 109, describes that dew condensation occurs at a relative humidity of 90% on the surface of a 10-nm-diameter hole.
このような技術的背景を考慮して、実施の形態1に係る半導体デバイスは、10nm以下の孔径の孔を複数有する多孔質部分15Fを備える。例えばリークパス14を経由した水分の侵入によって、半導体素子15Bの周囲の湿度が高くなった場合には、相対湿度が100%となる前に、多孔質部分15Fに水蒸気が結露する。半導体素子15Bより先に多孔質部分15Fに水蒸気が結露し吸着するため、半導体素子15Bへの結露を抑制することができる。さらに、複数の電極を50nm以上離して設けたことで、半導体素子15Bにおいて毛管凝縮による結露が発生することを抑制できる。
In consideration of such technical background, the semiconductor device according to the first embodiment includes a
さらに、本実施形態では、半導体基板15Aに半導体素子15Bと多孔質部分15Fを集約して形成するため、半導体基板とは離れた位置に吸湿手段を設けた場合と比べて高さ寸法を小さくできる。したがって、本実施形態の半導体デバイスは内部容量の小さい小型パッケージに好適である。しかも、半導体基板15Aに半導体素子15Bと多孔質部分15Fを集約して形成することは、半導体素子15Bと多孔質部分15Fを近接させることを可能とするので、半導体素子15Bの周囲の水分を多孔質部分15Fで効率的に吸収することができる。多孔質部分15Fは半導体素子15Bの周囲に設けたので、多孔質部分15Fによる半導体素子15Bの電気特性又は高周波電気特性への影響はない。
Further, in the present embodiment, since the
実施の形態1に係る半導体デバイスと半導体デバイスの製造方法は、その特徴を失わない範囲で様々な変形が可能である。例えば、多孔質部分15Fの材料はAuに代えて、Al又は他の金属材料としてもよい。実施の形態1で説明した変形例は以下の実施の形態にかかる半導体デバイスと半導体デバイスの製造方法に応用することができる。なお、以下に実施の形態にかかる半導体デバイスと半導体デバイスの製造方法は実施の形態1との共通点が多いので実施の形態1との相違点を中心に説明する。
Various modifications can be made to the semiconductor device and the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment without departing from the characteristics thereof. For example, the material of the
実施の形態2.
図10は、実施の形態2に係る半導体デバイスの平面図である。多孔質部分15Fは、平面視で半導体素子15Bの周りに複数形成されている。この例では、4つの多孔質部分15Fが半導体素子15Bの周りに設けられている。図11は、多孔質部分15Fの別の構成例を示す図である。この例では、多孔質部分15Fは、平面視で半導体素子15Bの横に1つ形成されている。このように多孔質部分15Fは半導体基板15Aの任意の場所に設けることができる。多孔質部分を複数設けたり、島状の1つの多孔質部としたりすることは、設計自由度を向上させる。
Embodiment 2 FIG.
FIG. 10 is a plan view of the semiconductor device according to the second embodiment. The plurality of
島状であり非環状の多孔質部分を形成する場合、多孔質部分を形成する際に水を保持でき、しかも電圧印加が可能な環状のパターンが必要である。2つの金属パターンとそれらを絶縁する絶縁体とで、そのような環状パターンを提供することができる。環状パターンで半導体基板15Aの予め定められた部分を囲み、上述のとおりに金属を析出させることで多孔質部分を形成することができる。
When an island-shaped and non-cyclic porous portion is formed, a circular pattern that can hold water when forming the porous portion and that can apply a voltage is required. Two metal patterns and an insulator that insulates them can provide such an annular pattern. A porous portion can be formed by surrounding a predetermined portion of the
実施の形態3.
図12は、実施の形態3に係る半導体デバイスの断面図である。多孔質部分50の熱伝導率は、ソース電極15C、ゲート電極15D及びドレイン電極15Eの熱伝導率より大きい。例えば、電極の材料をAu又はAlとした場合であれば、多孔質部分50の材料はAg又はCuとすることができる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 12 is a sectional view of the semiconductor device according to the third embodiment. The thermal conductivity of the
実施の形態3に係る半導体デバイスによれば、パッケージの温度が低下した場合、熱伝導率が高い多孔質部分50は、半導体素子15Bの電極より早く温度が低下する。そのため、多孔質部分50に半導体素子15Bよりも先に結露が発生し易くなる。多孔質部分50における毛管凝縮による水分の結露及び吸着の効果と、この熱伝導率の調整による効果を組み合わせることで、多孔質部分50に更に結露を集中させることができる。この結果、半導体素子15Bの周囲の水蒸気量が減少するため、半導体素子15Bへの結露を抑制することができる。
According to the semiconductor device of the third embodiment, when the temperature of the package decreases, the temperature of the
なお、多孔質部分50は、図3の多孔質部分15Fのように環状に設けてもよいし、実施の形態2で説明したように島状に1つ又は複数設けてもよい。
The
実施の形態4.
図13は、実施の形態4に係る半導体デバイスの断面図である。半導体基板15Aに10nm以下の間隔で設けられた複数の凸部60がある。この複数の凸部60は半導体基板15Aの上に形成された酸化膜又は窒化膜とすることができる。酸化膜の例はSiOであり、窒化膜の例はSiNである。複数の凸部60と、半導体基板15Aの上面15aによって、凹凸構造62が提供されている。複数の凸部60の距離x4を10nm以下とすることで、凹凸構造62に水蒸気が結露しやすくなる。図13の凹凸構造62は、例えば酸化膜又は窒化膜を形成した後に、これをフッ素系ガスのドライエッチングによってパターニングすることで得ることができる。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 13 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the fourth embodiment. There are a plurality of
図14は、別の例に係る半導体デバイスの断面図である。凹凸構造72は、半導体基板15Aに複数の溝72bを形成することで提供されている。溝72bによって、凸部72aが生じ、この凸部72aと溝72bが凹凸構造72を構成している。複数の凸部72aの距離x4は10nm以下とする。図14の凹凸構造72は、例えばGaAsの半導体基板15Aをクエン酸又はフッ硝酸によりウェットエッチングすることで得ることができる。
FIG. 14 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to another example. The
図13の凹凸構造62と図14の凹凸構造72には、前述の多孔質部分と同様に毛管凝縮が起こるため結露が発生し易くなる。半導体素子15Bの周囲の湿度が高くなった場合、半導体素子15Bより先に凹凸構造62、72に水蒸気が結露するため、半導体素子15Bへの結露を抑制することができる。
In the concavo-
なお、凹凸構造62、72は、図3の多孔質部分15Fのように環状に設けてもよいし、実施の形態2で説明したように島状に1つ又は複数設けてもよい。
In addition, the
10 フレーム、 12 キャップ、 13 封止材、 14 リークパス、 15 半導体チップ、 15A 半導体基板、 15B 半導体素子、 15C ソース電極、 15D ゲート電極、 15E ドレイン電極、 15F 多孔質部分、 20A,20B 金属パターン、 50 多孔質部分、 62,72 凹凸構造
Claims (14)
前記半導体基板に形成された半導体素子と、
前記半導体基板に固定された、10nm以下の孔径の孔を複数有する多孔質部分と、
前記半導体基板を覆うパッケージと、を備えたことを特徴とする半導体デバイス。 A semiconductor substrate;
A semiconductor element formed on the semiconductor substrate;
A porous portion fixed to the semiconductor substrate and having a plurality of pores having a pore size of 10 nm or less,
A package covering the semiconductor substrate.
前記多孔質部分の熱伝導率は前記電極の熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体デバイス。 The semiconductor element has an electrode on the semiconductor substrate,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a thermal conductivity of the porous portion is larger than a thermal conductivity of the electrode.
前記半導体基板に形成された半導体素子と、
前記半導体基板に10nm以下の間隔で設けられた複数の凸部を有する凹凸構造と、
前記半導体基板を覆うパッケージと、を備えたことを特徴とする半導体デバイス。 A semiconductor substrate;
A semiconductor element formed on the semiconductor substrate;
A concavo-convex structure having a plurality of convex portions provided on the semiconductor substrate at intervals of 10 nm or less;
A package covering the semiconductor substrate.
前記複数の電極は、50nm以上離れて設けられたことを特徴とする請求項1−5、8−10のいずれか1項に記載の半導体デバイス。 The semiconductor element has a plurality of electrodes on the semiconductor substrate,
11. The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of electrodes are provided at a distance of 50 nm or more. 12.
前記2つの金属パターンで囲まれた領域に水を提供し、前記2つの金属パターンに電圧を印加することで、前記2つの金属パターンのうち負電圧が印加された方から金属を析出させ、10nm以下の孔径の孔を複数有する多孔質部分を形成することと、を備えたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 Forming two metal patterns surrounding a predetermined portion of the semiconductor substrate on a semiconductor substrate on which a semiconductor element is partially formed;
By providing water to a region surrounded by the two metal patterns and applying a voltage to the two metal patterns, a metal is deposited from a side of the two metal patterns to which a negative voltage is applied, and 10 nm is deposited. Forming a porous portion having a plurality of holes having the following hole diameters.
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