JP2023082869A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、埋込電極を有する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having embedded electrodes.
従来より、埋込電極を有する半導体装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。具体的には、この半導体装置では、一面および他面を有する半導体基板を備えている。半導体基板には、一面側にベース層やソース領域等が形成され、他面側にドレイン層等を有するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略)等の半導体素子が形成されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor devices having embedded electrodes have been proposed (see
そして、半導体装置には、半導体基板の一面側にベース層やソース領域と接続される第1電極が備えられ、半導体基板の他面側にドレイン層と接続される第2電極が備えられている。 A semiconductor device includes a first electrode connected to a base layer and a source region on one side of a semiconductor substrate, and a second electrode connected to a drain layer on the other side of the semiconductor substrate. .
より詳しくは、半導体基板の一面側には、層間絶縁膜が形成されており、層間絶縁膜には、ベース層およびソース領域を露出させるコンタクトホールが形成されている。そして、上部電極は、コンタクトホールに埋め込まれた埋込電極と、層間絶縁膜上に配置されて埋込電極と接続される配線電極とを有している。なお、配線電極は、アルミニウム等を主成分とする材料で構成され、埋込電極は、コンタクトホールへの埋込性が配線電極よりも高い材料であるタングステンで構成される。但し、タングステンは、配線電極よりも熱応力が大きくなる材料である。 More specifically, an interlayer insulating film is formed on one surface side of the semiconductor substrate, and contact holes are formed in the interlayer insulating film to expose the base layer and the source region. The upper electrode has an embedded electrode embedded in the contact hole and a wiring electrode arranged on the interlayer insulating film and connected to the embedded electrode. The wiring electrodes are made of a material containing aluminum or the like as a main component, and the buried electrodes are made of tungsten, which is a material having a higher embedding property in contact holes than the wiring electrodes. However, tungsten is a material that causes greater thermal stress than the wiring electrode.
このような半導体装置では、埋込電極を構成するタングステンが配線電極よりも熱応力が大きい材料であるため、半導体基板の他面側が凸となるように反った状態とできる。したがって、半導体基板の他面側が凹となるように反っている場合と比較して、半導体基板の他面側(すなわち、第2電極)を被実装部材にはんだを介して実装する際、他面側の中央部に気泡が巻き込まれることを抑制でき、実装性の向上を図ることができる。 In such a semiconductor device, tungsten forming the embedded electrodes is a material having a larger thermal stress than the wiring electrodes, so that the other surface side of the semiconductor substrate can be warped to be convex. Therefore, compared to the case where the other surface side of the semiconductor substrate is warped to be concave, when the other surface side (that is, the second electrode) of the semiconductor substrate is mounted on the mounted member via solder, the other surface It is possible to suppress air bubbles from being caught in the central portion of the side, and to improve mountability.
しかしながら、本発明者らの検討によれば、上記のような半導体装置では、埋込電極を構成するタングステンの量が多すぎると、半導体基板の他面側に凸となり過ぎる可能性があることが確認された。この場合、半導体基板の他面側を被実装部材にはんだを介して実装すると、他面側の外縁部がはんだと適切に接続されず、信頼性が低下する可能性がある。 However, according to studies by the present inventors, in the semiconductor device as described above, if the amount of tungsten forming the embedded electrode is too large, there is a possibility that the other surface of the semiconductor substrate may become too convex. confirmed. In this case, if the other surface of the semiconductor substrate is mounted on the mounted member via solder, the outer edge of the other surface may not be properly connected with the solder, resulting in a decrease in reliability.
本発明は上記点に鑑み、信頼性が低下することを抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing deterioration in reliability.
上記目的を達成するための請求項1では、埋込電極(191)を有する半導体装置であって、一面(10a)および一面と反対側の他面(10b)を有し、半導体素子が形成された半導体基板(10)と、半導体基板の一面上に形成され、半導体素子の一部を露出させるコンタクトホール(18a)が形成された層間絶縁膜(18)と、コンタクトホール内に配置されて半導体素子と電気的に接続される埋込電極(191)と、層間絶縁膜上に配置されて埋込電極と接続される配線電極(192)と、を有する電極(19)と、を備え、半導体基板は、シリコン、またはシリコンよりも剛性の高い材料で構成され、厚さ(t1)が100μm以上とされており、埋込電極は、タングステンで構成され、コンタクトホール内のみに埋め込まれており、厚さ(t2)が1.2μm以下とされている。
In
これによれば、半導体基板は、シリコンまたはシリコンよりも剛性の高い材料で構成され、埋込電極は、厚さが1.2μm以下とされている。このため、半導体基板が他面側を凸とする状態で反り過ぎることを抑制できる。したがって、半導体基板の他面側を被実装部材にはんだを介して接続する際、他面側の外縁部がはんだと適切に接続されなくなることを抑制でき、信頼性が低下することを抑制できる。 According to this, the semiconductor substrate is made of silicon or a material having higher rigidity than silicon, and the embedded electrode has a thickness of 1.2 μm or less. Therefore, it is possible to prevent the semiconductor substrate from being excessively warped in a state where the other surface is convex. Therefore, when connecting the other surface side of the semiconductor substrate to the mounted member via solder, it is possible to prevent the outer edge portion of the other surface from being properly connected to the solder, thereby suppressing a decrease in reliability.
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 It should be noted that the reference numerals in parentheses attached to each component etc. indicate an example of the correspondence relationship between the component etc. and specific components etc. described in the embodiments described later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each of the following embodiments, portions that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態の半導体装置は、例えば、自動車等の車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための装置として適用されると好適である。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to the drawings. The semiconductor device of the present embodiment is preferably mounted on a vehicle such as an automobile and applied as a device for driving various electronic devices for the vehicle.
図1に示されるように、本実施形態の半導体装置は、平面矩形状とされており、セル領域1およびセル領域1を囲む外周領域2を有している。そして、本実施形態では、セル領域1に半導体素子としてのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistorの略)が形成されている。外周領域2には、後述するゲート電極15等と接続されるパッド部3が形成されている。なお、本実施形態では、2つのセル領域1が備えられており、各セル領域1の構成は同じとされている。また、図1では、理解をし易くするため、後述する埋込電極191を実線で示している。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device of this embodiment has a rectangular plane shape, and has a
半導体装置は、図2に示されるように、半導体基板10を用いて構成されている。本実施形態の半導体基板10は、シリコン基板で構成され、厚さt1が100μm以上とされている。半導体基板10は、N-型のドリフト層11を有しており、ドリフト層11上に、比較的不純物濃度が低く設定されたP型のベース層12が配置されている。以下、半導体基板10のうちのベース層12側の面を半導体基板10の一面10aとし、半導体基板10のうちのドリフト層11側の面を他面10bとして説明する。
The semiconductor device is constructed using a
半導体基板10には、一面10a側からベース層12を貫通してドリフト層11に達するように複数のトレンチ13が形成され、このトレンチ13によってベース層12が複数個に分離されている。なお、複数のトレンチ13は、半導体基板10の一面10aの面方向のうちの一方向(すなわち、図2紙面奥行き方向)を長手方向とし、各トレンチ13が等間隔にストライプ状となるように延設されている。
A plurality of
各トレンチ13内は、各トレンチ13の壁面を覆うように形成されたゲート絶縁膜14と、このゲート絶縁膜14の上に形成されたポリシリコン等により構成されるゲート電極15とにより埋め込まれている。これにより、トレンチゲート構造が構成されている。なお、ゲート電極15は、図示しないゲート配線を介して外周領域2に形成されたパッド部3と電気的に接続される。また、本実施形態では、トレンチ13の壁面のうちのベース層12を露出させる部分が、後述するエミッタ領域16とドリフト層11との間に配置されたベース層12の表面に相当する。
Each
ベース層12の表層部には、図2および図3に示されるように、N+型のエミッタ領域16およびP+型のコンタクト領域17が形成されている。具体的には、エミッタ領域16は、ドリフト層11よりも高不純物濃度で構成され、コンタクト領域17は、ベース層12よりも高不純物濃度で構成されている。そして、本実施形態では、エミッタ領域16およびコンタクト領域17は、トレンチ13の長手方向に沿って交互に形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, an N + -
なお、図3では、後述する層間絶縁膜18を省略して示し、後述する埋込電極191およびコンタクトホール18aを点線で示している。また、図3は、平面図ではないが、理解をし易くするため、ゲート絶縁膜14およびゲート電極15にハッチングを施してある。そして、本実施形態では、エミッタ領域16およびコンタクト領域17が不純物領域ともいえる。
In FIG. 3, an
ベース層12(すなわち、半導体基板10の一面10a)上にはBPSG(Borophosphosilicate Glassの略)等で構成される層間絶縁膜18が形成されている。そして、層間絶縁膜18には、エミッタ領域16およびコンタクト領域17を露出させるコンタクトホール18aが形成されている。本実施形態では、コンタクトホール18aは、一面10aに対する法線方向(以下では、単に法線方向ともいう)において、隣合うトレンチ13の間に位置する部分に形成されている。また、コンタクトホール18aは、法線方向において、半導体基板10の面方向における一方向に沿って連続的に延設されている。詳しくは、コンタクトホール18aは、トレンチ13の長手方向に沿って連続的に延設されている。なお、一面10aに対する法線方向においてとは、ドリフト層11とベース層12との積層方向に沿った方向においてということもできる。また、一面10aに対する法線方向とは、一面10aに対する法線方向から視たときということもできる。
An
層間絶縁膜18上には上部電極19が形成されている。具体的には、本実施形態の上部電極19は、コンタクトホール18aに配置された埋込電極191と、層間絶縁膜18上に配置されて埋込電極191と接続される配線電極192とを有している。配線電極192は、アルミニウムやアルミニウムを主成分とするAl-Si等で構成され、埋込電極191は、配線電極192よりもコンタクトホール18aへの埋込性が高い材料であるタングステンで構成されている。なお、タングステンは、配線電極192よりも熱応力が大きい材料である。また、本実施形態の埋込電極191は、上記のコンタクトホール18aに配置されているため、半導体基板10の面方向における一方向に沿って連続的に形成されている。言い換えると、埋込電極191は、トレンチ13の長手方向に沿って連続的に延設されている。
An
ここで、本実施形態の埋込電極191は、コンタクトホール18a内のみに配置されており、層間絶縁膜18上には配置されていない。つまり、埋込電極191の厚さt2は、層間絶縁膜18の厚さと等しくなっている。このような層間絶縁膜18および埋込電極191は、例えば、次のように形成される。まず、層間絶縁膜18を形成してコンタクトホール18aを形成する。次に、CVD(Chemical Vapor Depositionの略)法等により、コンタクトホール18aが埋め込まれるようにタングステンを成膜して埋込電極191を形成する。この際、層間絶縁膜18上にもタングステンが配置される。その後、CMP(Chemical Mechanical Polishingの略)法等により、層間絶縁膜18上に配置されたタングステンを除去することにより、コンタクトホール18a内のみに配置され、厚さt2が層間絶縁膜18と同じ厚さとされた埋込電極191が形成される。
Here, the buried
ドリフト層11のうちのベース層12側と反対側(すなわち、半導体基板10の他面10b側)には、N型のフィールドストップ層(以下では、単にFS層という)20が形成されている。このFS層20は、必ずしも必要なものではないが、空乏層の広がりを防ぐことで耐圧と定常損失の性能向上を図ると共に、半導体基板10の他面10b側から注入される正孔の注入量を制御するために備えてある。
An N-type field stop layer (hereinafter simply referred to as an FS layer) 20 is formed on the side of the
そして、FS層20を挟んでドリフト層11と反対側には、P型のコレクタ層21が形成されている。コレクタ層21上(すなわち、半導体基板10の他面10b)には下部電極22が形成されている。なお、本実施形態では、コレクタ層21が不純物領域に相当する。
A P-
以上が本実施形態における半導体装置の構成である。なお、本実施形態では、N型、N-型、N+型が第1導電型に相当し、P型、P+型が第2導電型に相当する。そして、このような半導体装置では、上記のように、コレクタ層21、FS層20、ドリフト層11、ベース層12、エミッタ領域16、コンタクト領域17等を含んで半導体基板10が構成されている。また、本実施形態では特に図示しないが、半導体装置が実装される際には、上部電極19上にニッケル等のメッキ膜が配置される。メッキ膜は、例えば、3~6μm程度の厚さとして配置される。
The above is the configuration of the semiconductor device according to the present embodiment. In this embodiment, N-type, N − type, and N + type correspond to the first conductivity type, and P-type and
続いて、埋込電極191の厚さt2について説明する。上記のような半導体装置では、本発明者らの検討によれば、埋込電極191の厚さt2が厚くなるほど埋込電極191で発生する熱応力が大きくなり、半導体装置が半導体基板10の他面10b側を凸とする状態で反り易いことが確認された。具体的には、図4に示されるように、半導体装置は、埋込電極191の厚さt2が1.2μmより厚くなると、反りが急峻に大きくなることが確認された。なお、図4は、半導体基板10をシリコン基板で構成すると共に半導体基板10の厚さを100μmとした場合の結果を示す図である。また、図4中の反り量は、周囲の温度を230℃とした場合の反り量である。
Next, the thickness t2 of the embedded
そして、半導体基板10は、半導体基板10の厚さt1が厚くなるほど剛性によって反り難くなる。したがって、本実施形態では、半導体基板10の厚さが100μm以上とされており、埋込電極191は厚さが1.2μm以下とされている。
As the thickness t1 of the
以上説明した本実施形態によれば、半導体基板10は、シリコン基板で構成されて厚さt1が100μm以上とされ、埋込電極191は、厚さt2が1.2μm以下とされている。このため、半導体基板10が他面10b側を凸とする状態で反り過ぎることを抑制できる。したがって、半導体基板10の他面10b側を被実装部材にはんだを介して接続する際、他面10b側の外縁部がはんだと適切に接続されなくなることを抑制でき、信頼性が低下することを抑制できる。
According to the present embodiment described above, the
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、埋込電極191の平面形状を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Second embodiment)
A second embodiment will be described. In this embodiment, the planar shape of the embedded
本実施形態の半導体装置では、図5に示されるように、コンタクトホール18aは、トレンチ13の長手方向において、複数に分断されて形成されている。そして、埋込電極191は、このコンタクトホール18aに配置されており、長手方向において、複数に分断されて配置されている。なお、図5は、図3に相当する平面図であり、理解をし易くするため、エミッタ領域16およびコンタクト領域17を省略して示してある。
In the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 5, the
以上説明した本実施形態によれば、半導体基板10がシリコン基板で構成されて厚さt1が100μm以上とされ、埋込電極191の厚さt2が1.2μm以下とされている。このため、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
According to the present embodiment described above, the
(1)本実施形態では、埋込電極191は、長手方向において、複数に分断されている。このため、埋込電極191が長手方向に連続的に延設されている場合と比較して、埋込電極191の熱応力の影響を小さくでき、半導体基板10が他面10b側を凸とする状態で反り過ぎることをさらに抑制できる。
(1) In this embodiment, the embedded
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対し、埋込電極191の平面形状を変更したものである。その他に関しては、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
(Third embodiment)
A third embodiment will be described. In this embodiment, the planar shape of the embedded
本実施形態の半導体装置では、図6に示されるように、コンタクトホール18aは、トレンチ13の長手方向において、折り曲げられた折曲部を有するように形成されている。なお、この折曲部は、長手方向との成す角度が鋭角となるように形成されている。なお、図6は、図3に相当する平面図であり、理解をし易くするため、エミッタ領域16およびコンタクト領域17を省略して示してある。
In the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 6,
そして、埋込電極191は、このようなコンタクトホール18aに配置されている。このため、埋込電極191は、一方向を長手方向として延設された延設部191aと、延設部191aと繋がり、長手方向との成す角度θが鋭角とされた折曲部191bとを有する構成となる。言い換えると、埋込電極191は、トレンチ13の長手方向と交差する方向を交差方向とすると、同じ折曲部191bと接続される延設部191aが交差方向において重なる構成となる。なお、図6中では、交差方向は紙面左右方向となる。
The buried
以上説明した本実施形態によれば、半導体基板10は、シリコン基板で構成されて厚さt1が100μm以上とされ、埋込電極191は、厚さt2が1.2μm以下とされている。このため、半導体基板10が他面10b側を凸とする状態で反り過ぎることを抑制できる。
According to the present embodiment described above, the
(1)本実施形態では、埋込電極191は、延設部191aと折曲部191bとを有しており、延設部191aは、交差方向において重なる部分を有している。このため、交差方向において重なる部分では、互いの熱応力が相殺し易くなる。したがって、埋込電極191の熱応力の影響を低減でき、半導体基板10が他面10b側を凸とする状態で反り過ぎることをさらに抑制できる。
(1) In this embodiment, the embedded
(他の実施形態)
本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
(Other embodiments)
Although the present disclosure has been described with reference to embodiments, it is understood that the present disclosure is not limited to such embodiments or structures. The present disclosure also includes various modifications and modifications within the equivalent range. In addition, various combinations and configurations, as well as other combinations and configurations, including single elements, more, or less, are within the scope and spirit of this disclosure.
例えば、上記第1実施形態では、第1導電型をN型、第2導電型をP型としたNチャネルタイプのトレンチゲート構造のIGBTを例に挙げて説明した。しかしながら、半導体装置は、例えばNチャネルタイプに対して各構成要素の導電型を反転させたPチャネルタイプのトレンチゲート構造のIGBTが形成されて構成されていてもよい。さらに、半導体装置は、IGBT以外に、同様の構造のMOSFETが形成された構成とされていてもよい。MOSFETの場合、上記各実施形態におけるP+型のコレクタ層21をN+型のドレイン層に変更する以外は、上記第1実施形態で説明したIGBTと同様である。
For example, in the first embodiment, an N-channel type trench gate structure IGBT in which the first conductivity type is the N type and the second conductivity type is the P type has been described as an example. However, the semiconductor device may be configured by forming, for example, a P-channel type trench gate structure IGBT in which the conductivity type of each component is inverted with respect to the N-channel type. Furthermore, the semiconductor device may have a configuration in which a MOSFET having a similar structure is formed in addition to the IGBT. The MOSFET is the same as the IGBT described in the first embodiment, except that the P + -
また、上記各実施形態では、トレンチゲート構造を有するIGBTが形成された半導体装置を例に挙げて説明したが、半導体装置は、プレーナゲート構造を有する半導体装置が形成されて構成されていてもよい。 Further, in each of the above embodiments, the semiconductor device in which the IGBT having the trench gate structure is formed has been taken as an example, but the semiconductor device may be configured by forming a semiconductor device having a planar gate structure. .
さらに、上記各実施形態では、半導体基板10がシリコン基板で構成される例について説明した。しかしながら、半導体基板10は、シリコン基板よりも剛性が高い材料で構成されるのであれば、反り難くなるため、埋込電極191の厚さt2を1.2μm以下とすることで半導体装置が反り過ぎることを抑制できる。
Furthermore, in each of the above-described embodiments, an example in which the
また、上記各実施形態では、2つのセル領域1を備え、各セル領域1の構成が同じとされている半導体装置について説明した。しかしながら、セル領域1の個数、および各セル領域1の構成は、適宜変更可能である。例えば、図7に示されるように、半導体装置は、4つのセル領域1を備えるようにしてもよい。また、各セル領域1は、半導体基板10の所定の基準位置RPを中心として周方向に配置されるようにしてもよい。具体的には、4つのセル領域1は、基準位置RPを挟んで2つのセル領域1がそれぞれ対向するように配置されるようにしてもよい。そして、4つのセル領域1は、2つのセル領域1における埋込電極191の長手方向と、残りの2つのセル領域1における埋込電極191の長手方向とが交差するように形成されていてもよい。例えば、図7に示されるように、基準位置RPを挟んで対向する一方の2つのセル領域1と、他方の2つのセル領域1とにおいて、埋込電極191の長手方向が交差するように形成されていてもよい。なお、各セル領域1に形成されるトレンチ13は、各セル領域1の埋込電極191の長手方向に沿って延設されている。これによれば、埋込電極191の長手方向が異なると反り易い方向が変化するため、埋込電極191の長手方向が異なるセル領域1を備えることにより、半導体装置が全体として反り過ぎることを抑制できる。
Further, in each of the above embodiments, the semiconductor device provided with two
10 半導体基板
10a 一面
10b 他面
18 層間絶縁膜
19 電極
191 埋込電極
192 配線電極
t1、t2 厚さ
REFERENCE SIGNS
Claims (3)
一面(10a)および前記一面と反対側の他面(10b)を有し、半導体素子が形成された半導体基板(10)と、
前記半導体基板の一面上に形成され、前記半導体素子の一部を露出させるコンタクトホール(18a)が形成された層間絶縁膜(18)と、
前記コンタクトホール内に配置されて前記半導体素子と電気的に接続される前記埋込電極と、前記層間絶縁膜上に配置されて前記埋込電極と接続される配線電極(192)と、を有する電極(19)と、を備え、
前記半導体基板は、シリコン、またはシリコンよりも剛性の高い材料で構成され、厚さ(t1)が100μm以上とされており、
前記埋込電極は、タングステンで構成され、前記コンタクトホール内のみに埋め込まれており、厚さ(t2)が1.2μm以下とされている半導体装置。 A semiconductor device having a buried electrode (191),
a semiconductor substrate (10) having one surface (10a) and the other surface (10b) opposite to the one surface and having a semiconductor element formed thereon;
an interlayer insulating film (18) formed on one surface of the semiconductor substrate and having a contact hole (18a) exposing a portion of the semiconductor element;
The embedded electrode arranged in the contact hole and electrically connected to the semiconductor element, and a wiring electrode (192) arranged on the interlayer insulating film and connected to the embedded electrode. an electrode (19);
The semiconductor substrate is made of silicon or a material having higher rigidity than silicon, and has a thickness (t1) of 100 μm or more,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the embedded electrode is made of tungsten, is embedded only in the contact hole, and has a thickness (t2) of 1.2 μm or less.
前記長手方向と交差する交差方向において、同じ前記折曲部と接続される前記延設部が重なっている請求項1に記載の半導体装置。
The embedded electrode is connected to an extension portion (191a) extending with one direction in the surface direction of the semiconductor substrate as a longitudinal direction, and is connected to the extension portion, and forms an acute angle (θ) with the longitudinal direction. and a bent portion (191b) that is bent in a state of
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the extending portions connected to the same bent portion are overlapped in a crossing direction crossing the longitudinal direction.
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