JP3674429B2 - 高耐圧半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高信頼性を有する高耐圧半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来の高耐圧半導体装置の代表的な例としてＰＮ接合ダイオードを取り上げ、従来の高耐圧半導体装置について図３，図４を用いて説明する。図３は従来の高耐圧ＰＮ接合ダイオードの平面構造図であり、図４は図３中のＡ−Ａの断面構造を示す断面構造図であり、図４中の斜線部分は金属配線を示している。
【０００３】
図３及び図４において、１はＮ型の半導体基板、２ａ，２ｂはＰ型のアノード拡散領域、３はＮ型のカソード拡散領域、４は酸化膜、５〜８は電気的にフローティング状態にされたプレート電極、９は金属製のアノード電極、９ａは酸化膜４と層間絶縁膜１１の所定箇所に開けられた開口、１０は金属製のカソード電極、１０ａは酸化膜４と層間絶縁膜１１の所定箇所に開けられた開口、１０−１はカソード電極１０に接続された金属配線、１１は層間絶縁膜、１２は表面保護膜である。そして、カソード電極１０に接続された金属配線１０−１は、フローティング状態のプレート電極５〜８を横切るように、層間絶縁膜１１の上を配線されている。また、アノード拡散領域２ａ，２ｂは、カソード拡散領域３を包囲するように形成されている。そして、Ｎ型の半導体基板１とＰ型のアノード拡散領域２ａ，２ｂとのＰＮ接合によって、ＰＮ接合ダイオードを構成する。
【０００４】
上記構成に於て、アノード電極９に正電圧を与えるとともに、カソード電極１０に負電圧を与えると、このＰＮ接合ダイオードは順方向導通する。逆に、アノード電極９に負電圧を与えるとともに、カソード電極１０に正電圧を与えると、ＰＮ接合が逆バイアスされることになり、このＰＮ接合ダイオードは非導通になる。
【０００５】
図４に示す従来装置は、フローティング状態にされた複数個のプレート電極５〜８を金属配線１０−１の下層部に配列して、カソード電極１０から引き出された金属配線１０−１が下地の半導体基板１に悪影響を与えないようにするものであり、その原理を以下に説明する。
【０００６】
これらのプレート電極５〜８に印加される電位は、その上層に配線される金属配線１０−１との間の寄生容量と、その下層に在る半導体基板１との間の寄生容量との直列回路によって、金属配線１０−１の電位とプレート電極（５〜８）直下における半導体基板１部分の電位との差電圧を分圧して与えられる。例えば、対向面積をＡとし、絶縁物の厚さをｔとし、誘電率をεとすると、並行平板コンデンサの容量値Ｃは次式（１）で求められる。
【０００７】
Ｃ＝εＡ／ｔ ‥‥‥（１）
そして、下地の酸化膜４と層間絶縁膜１１の材料が同じで、膜厚が等しければ、容量値Ｃは対向面積Ａに比例する。今仮に、酸化膜４及び層間絶縁膜１１をＳｉＯ2で形成し、両方とも同じ膜厚で図３に示す平面構造のように構成し、各プレート電極５，６，７，８と金属配線１０−１との間の寄生容量（上層部の寄生容量）を順にＣｂ１，Ｃｂ２，Ｃｂ３，Ｃｂ４とし、各プレート電極５，６，７，８と半導体基板１との間の寄生容量（下層部の寄生容量）をＣａ１，Ｃａ２，Ｃａ３，Ｃａ４とすると、それらの比は対向面積の比で決まる。プレート電極５と半導体基板１との対向面積はプレート電極５の平面上の面積となり、もう一方の金属配線１０−１との対向面積は金属配線１０−１とプレート電極５が交差している面積となる。図３の例では、その面積比を４倍にしているため、次式（２）となる。
【０００８】
Ｃａ１／Ｃｂ１＝４ ‥‥（２）
そして、プレート電極５〜８は同じ大きさにしているので、他のプレート電極（６〜８）についても、下層部と上層部との寄生容量の比は同じく４倍になる。
【０００９】
次に、アノード電極９を接地して、カソード電極１０にカソード電圧Ｖｋを印加するものとし、その時のプレート電極５直下の電位をＶｄ１として、プレート電極５と半導体基板１との間の電位差をΔＶｐ１とすれば、プレート電極５の電位は、寄生容量の直列回路の分圧比は容量値に比で決定され、次式（３）のようになる。
【００１０】
ΔＶｐ１／（Ｖｋ−Ｖｄ１）＝Ｃｂ１／（Ｃｂ１＋Ｃａ１）‥‥（３）
この（３）式に（２）式を代入すると、次式（４）になる。
【００１１】
ΔＶｐ１＝（Ｖｋ−Ｖｄ１）／５ ‥‥（４）
そして、残りのプレート電極６〜８の分圧比についても、上記同様に考えれば良く、各プレート電極５〜８直下の半導体基板１部分の電位とカソード電圧との差電圧を１／５にした電位差が、各プレート電極６，７，８と半導体基板１の電位差となる。
【００１２】
ところで、各プレート電極５〜８における直下の半導体基板１電位は、カソード電圧Ｖｋの大きさに応じて、空乏層の広がりと共に変化する。今仮に、カソード電極１０にカソード電圧Ｖｋ＝４００（Ｖ）を印加すると、おおよそ図４のような電位分布になり、プレート電極５の直下の電位Ｖｄ１は３００（Ｖ）、プレート電極６の直下の電位Ｖｄ２は２００（Ｖ）、プレート電極７の直下の電位Ｖｄ３は１００（Ｖ）、プレート電極８の直下の電位Ｖｄ４は０（Ｖ）になる。Ｖｋ＝４００（Ｖ）でブレークダウン現象を起こすようなデバイス設計になっていれば、丁度このような電位分布になる。そこで、式（４）に上述の電位を代入して試算すると、プレート電極５直下の電位差ΔＶｐ１は２０（Ｖ）、プレート電極６直下の電位差ΔＶｐ２は４０（Ｖ）、プレート電極７直下の電位差ΔＶｐ３は６０（Ｖ）、プレート電極８直下の電位差ΔＶｐ４は８０（Ｖ）となる。そして、プレート電極５〜８までの各電位は、直下の半導体基板１の電位にそれぞれの電位差を加算したものであるから、プレート電極５の電位Ｖｐは３２０（Ｖ）、プレート電極６の電位Ｖｐ２は２４０（Ｖ）、プレート電極７の電位Ｖｐ３は１６０（Ｖ）、プレート電極８の電位Ｖｐ４は８０（Ｖ）となる。このことから、カソード拡散領域３から遠ざかるほど電位差が大きく、近いほど電位差が小さくなることが判る。そして、一番電位差の大きいプレート電極８直下の電位差ΔＶｐ４であっても１００（Ｖ）以下であり、プレート電極５〜８直下の半導体基板１や酸化膜４への悪影響は少ない。
【００１３】
この考えを反映して更に改善する平面構造を図５に示す。図５に示すように、プレート電極５，６，７を環状にすると、半導体基板１とプレート電極５，６，７との対向面積が金属配線１０−１との対向面積に比べて極めて大きくなり、図５の例ではその面積比が約１０倍、一番大きなプレート電極７では約２５倍になる。一番外側のプレート電極８はアノード拡散領域２ｂとコンタクトをとる必要があるため部分的なものにしているが、それでも約１０倍の面積比になっている。従って、プレート電極５〜８直下の半導体基板１との電位差が最大になるプレート電極８直下の電位差ΔＶｐ４でも約１０（Ｖ）となり、プレート電極５〜８の下層部への影響が殆ど無くなる。
【００１４】
ここでは、逆バイアスした時に非導通状態を維持することを耐圧と定義し、高いバイアス電圧で非導通状態を維持することを高耐圧と定義し、製造直後における半導体装置の耐圧を初期耐圧と定義している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高電圧の逆バイアスをＰＮ接合に印加したまま、高温状態（周囲温度１５０℃）で寿命試験する高温バイアス試験を行うと、従来の高耐圧半導体装置の耐圧が短時間に劣化することが判明した。
【００１６】
高温バイアス試験における耐圧の劣化については、メカニズムはまだ解明されていないが、Ｎ型の半導体基板１の表面近傍にＰ型反転層２０が生じて、Ｎ型のカソード拡散領域３端部で電界集中が生じているものと推測される。
【００１７】
以下、図６を用いてその推論を説明する。
【００１８】
一般的に半導体チップは、エポキシ樹脂１４で封止され、水分が樹脂パッケージの中に浸透しないように対策されている。しかし、エポキシ樹脂として一般的に用いられるノボラックエポキシ樹脂には、イオン性不純物が多く含まれており、例えば、ナトリウムＮａ+、カリウムＫ+、塩素Ｃｌ-、フッ素Ｆ-等が数十ｐｐｍのオーダーで含まれている。更に問題なのは水酸基ＯＨが０．９％〜１．６％も含まれている点である。そして、この水酸基ＯＨが高温時に活性化して、一般的には絶縁物として考えられているエポキシ樹脂１４の絶縁性が悪化し、半絶縁状態（高抵抗で導通する状態）になる。ノボラックエポキシ樹脂以外にも数々のエポキシ樹脂はあるが、程度の差はあっても同様の傾向を示す。
【００１９】
通常、高耐圧半導体装置は、半導体チップをエポキシ樹脂１４でモールドしており、複数の外部端子（図示せず）と半導体チップ上の複数のパッド（図示せず）との間をそれぞれ金属ワイヤ（図示せず）で接続している。これらの金属ワイヤには接地電位である０（Ｖ）、カソード電圧Ｖｋである４００（Ｖ）がそれぞれ印加されるから、上記の理由でエポキシ樹脂１４が半絶縁状態になれば、４００（Ｖ）と０（Ｖ）との中間電位がエポキシ樹脂１４を介して表面保護膜１２の表面に与えられることになる。
【００２０】
そこで、高温バイアス試験時に半導体チップの表面保護膜１２とエポキシ樹脂１４との界面が２００（Ｖ）の電位を持った場合を仮定し、その時の電位分布について図６を用いながら説明する。図６は、図５に示す平面形状の従来装置に対して、カソード電圧Ｖｋ＝４００（Ｖ）で高温バイアス試験をしている最中の電位分布を想定した図面であり、等電位線は破線で示している。
【００２１】
図６において、プレート電極５には前述した寄生容量Ｃａ１，Ｃｂ１が存在する他に、エポキシ樹脂１４との間に形成される寄生容量Ｃｃ１が存在する。又、プレート電極６，７，８に於いても同様に、エポキシ樹脂１４との間に形成される寄生容量Ｃｃ２，Ｃｃ３，Ｃｃ４が存在する。そして、寄生容量Ｃｂ１は、金属配線１０−１とプレート電極５との交差部分の容量であるので、寄生容量Ｃａ１に比べて十分小さいことは前述した。又、各プレート電極５〜８とエポキシ樹脂１４との間に形成される寄生容量Ｃｃ１〜Ｃｃ４は、層間絶縁膜１１と表面保護膜１２を合計した膜厚が下層にある酸化膜４の約２倍になることと、プレート電極５〜８のエポキシ樹脂１４と対向する面積が半導体基板１に対向する面積とほぼ等しくなる事により、寄生容量Ｃａ１〜Ｃａ４の各値の約１／２倍の値になる。
【００２２】
従って、高温バイアス試験中にエポキシ樹脂１４が半絶縁性になり、エポキシ樹脂１４の電位が２００（Ｖ）の中間電位になったとすると、室温では約３００（Ｖ）であったプレート電極５の電位が寄生容量Ｃｃ１の影響で約２７０（Ｖ）に低下する。一方、最低電位となるプレート電極８の電位は、室温では約１０（Ｖ）であったが、寄生容量Ｃｃ４の影響で約７０（Ｖ）に上昇する。その結果、半導体基板１と酸化膜４との界面を横切る等電位線は３００（Ｖ）以上の部分がカソード拡散領域３の方に傾き、その界面に於ける酸化膜４側の電位がＮ型の半導体基板１表面に対して負電位になる。
【００２３】
なお、半導体基板１と酸化膜４との界面において酸化膜４側が高温雰囲気中で負電位になると、その界面のＳｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨなどの結合が破壊され、正の固定電荷が発生することが報告されている（日科技連出版社発行の著書『半導体デバイスの信頼性技術』）。このような現象が起きて、半導体基板１と酸化膜４との界面に正の固定電荷が発生すると、同時に負の可動電荷も発生する。すると、負の可動電荷は、カソード拡散領域３の正の高電位に経時時間とともに引き寄せられ、酸化膜４中のカソード拡散領域３寄りに負電荷が多く分布する領域が生じる一方、負の可動電荷が発生した元々の箇所に、正の固定電荷が多く分布する領域が生じる。すなわち、カソード拡散領域３に近い酸化膜４中の界面には負電荷が多く存在する為、半導体基板１中の正孔が引き寄せられ、Ｎ型の半導体基板１の表面がＰ型に反転して、Ｐ型反転層２０になる。一方、正の固定電荷が残存した領域では、半導体基板１中の電子が引き寄せられ半導体基板１中の電子密度が局部的に高くなり、半導体基板１の表面にＮ型蓄積層２１が生じる。このようにして、図６で示されたＰ型反転層２０とＮ型蓄積層２１が半導体基板１の表面に形成されて、Ｐ型反転層２０のカソード拡散領域３に近い部分で電界集中が発生し、アノード・カソード間の耐圧を経時的に劣化させるものと考えられる。
【００２４】
本発明は、上記課題を解決するものであり、高温で使用しても耐圧が劣化しない高信頼性の高耐圧半導体装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の高耐圧半導体装置は、第１導電型の半導体基体に形成された第２導電型の第１の拡散領域と、前記半導体基体に前記第１の拡散領域とは離間して形成された第１導電型の第２の拡散領域と、前記半導体基体上に形成された第１の無機絶縁膜と、前記第１，第２の拡散領域間の前記第１の無機絶縁膜上にそれぞれ離間してフローティング状態で形成された複数のプレート電極と、前記第１の無機絶縁膜および前記複数のプレート電極の上を被覆する第２の無機絶縁膜と、前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第１の拡散領域との接続を行う第１の金属電極と、前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第２の拡散領域との接続を行う第２の金属電極と、前記複数のプレート電極の長手方向と交差し前記複数のプレート電極による配列に沿って前記第２の無機絶縁膜上を配線され、且つ前記第２の金属電極に接続される金属配線と、前記第１，第２の金属電極および前記第２の無機絶縁膜の上を被覆する第３の無機絶縁膜と、前記第３の無機絶縁膜を被覆するポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜と、前記有機絶縁膜の上を封止するエポキシ樹脂とを具備した構成である。
【００２６】
この構成により、半導体チップの最上層をポリベンゾオキサゾール系有機絶縁膜で被覆し、その上をエポキシ樹脂で封止する。これらの有機絶縁膜は、含有するイオン性不純物が少なく、高温においても絶縁性を保つ一方、比誘電率が小さいという性質を持っている。従って、金属配線上の絶縁膜の厚さ（第３の無機絶縁膜と有機絶縁膜を含めた厚さ）が従来に比べて厚くなり、加えて有機絶縁膜の比誘電率が小さいことによる相乗効果で、エポキシ樹脂とプレート電極間の寄生容量が小さくなるから、使用周囲温度が高温になり、エポキシ樹脂が導電性を持ったとしても、プレート電極の電位変動が小さく、耐圧の劣化が少なくなる。
【００２７】
また、別の発明は、第１導電型の半導体基体に形成された第２導電型の第１の拡散領域と、前記半導体基体に前記第１の拡散領域とは離間して形成された第１導電型の第２の拡散領域と、前記半導体基体上に形成された第１の無機絶縁膜と、前記第１，第２の拡散領域間の前記第１の無機絶縁膜上にそれぞれ離間してフローティング状態で形成された複数のプレート電極と、前記第１の無機絶縁膜および前記複数のプレート電極の上を被覆する第２の無機絶縁膜と、前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第１の拡散領域との接続を行う第１の金属電極と、前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第２の拡散領域との接続を行う第２の金属電極と、前記複数のプレート電極の長手方向と交差し前記複数のプレート電極による配列に沿って前記第２の無機絶縁膜上を配線され、且つ前記第２の金属電極に接続される金属配線と、前記第１，第２の金属電極および前記第２の無機絶縁膜の上を被覆するポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜と、前記有機絶縁膜の上を封止するエポキシ樹脂とを具備した構成である。
【００２８】
この構成により、半導体チップの最上層をポリベンゾオキサゾール系有機絶縁膜で被覆し、その上をエポキシ樹脂で封止する。高温時にも絶縁性を保つと共に比誘電率の小さい性質を有したこれらの有機樹脂は、膜厚を厚く形成することが容易であり、有機絶縁膜のみによる表面保護が可能であり、使用周囲温度が高温になっても、高い耐圧を維持できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る高耐圧半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
まず、第１の実施形態に係る高耐圧半導体装置について、図１及び図５を用いて説明する。図５は高耐圧半導体装置の平面構造を示す平面図であり、図１は図５中のＢ−Ｂ箇所の断面構造を示す断面図である。
【００３１】
図１及び図５において、１はＮ型の半導体基板（半導体基体）、２ａ，２ｂはＰ型のアノード拡散領域（第１の拡散領域）、３は高濃度Ｎ型のカソード拡散領域（第２の拡散領域）、４は酸化膜（第１の無機絶縁膜）、５，５ａ，５ｂ，６，６ａ，６ｂ，７，７ａ，７ｂ，８，８ｃはドープドポリシリコン製または金属製によるフローティング状態のプレート電極、９は金属製のアノード電極（第１の金属電極）、１０は金属製のカソード電極（第２の金属電極）、１０−１はカソード電極１０に接続された金属配線、１１は酸化膜または窒化膜による層間絶縁膜（第２の無機絶縁膜）、１２はＣＶＤ法で形成された窒化膜による表面保護膜（第３の無機絶縁膜）、１３はポリイミド系またはポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜、１４はモールドするためのエポキシ樹脂である。
【００３２】
半導体基板１は、Ｎ型不純物を導入したシリコン基板であっても良いし、Ｐ型のシリコン基板にＮ型ウエルを形成し、そのＮ型ウエルを半導体基板として扱っても良いし、ゲルマニウムや化合物半導体による基板であっても良い。
【００３３】
アノード拡散領域２ａ，２ｂは、カソード拡散領域３から離間した位置を包囲する環状の平面形状で形成され、半導体装置（ダイオード）の初期耐圧を高めるにはカソード拡散領域３からの離間距離を大きくすると良い。
【００３４】
初期耐圧を高くするには、カソード拡散領域３の平面形状を円形状にして、アノード拡散領域２ａ，２ｂの平面形状をカソード拡散領域３と同心円となる円環状にするのが理想的である。しかし、初期耐圧のレベルを妥協して、マスク設計のし易さを優先するのであれば、六角形や八角形のような角部が鈍角となる多角形にしても、初期耐圧が多少低くなる程度で実用上は問題無い。
【００３５】
プレート電極５ａ〜７ｂは、ドープドポリシリコン製または金属製のもので導電性を有し、それぞれが電気的に独立したフローティング状態で使用され、長手方向が金属配線１０−１と交差するように配置され、金属配線１０−１との間は層間絶縁膜１１で電気的に絶縁される。但し、短冊状のものを使用する場合は、金属配線１０−１の直下に沿って配列される。そして、カソード拡散領域３から離間してそれを包囲する円環状またはその類型のものを使用する場合は、カソード電極１０に接続する金属配線１０−１の引出方向を任意に選択することができ、この種のデバイスをマスク設計する際、またはマスク修正する際の設計自由度が大きくなる。
【００３６】
有機絶縁膜１３は、ポリイミド系またはポリベンゾオキサゾール系の有機樹脂で形成された絶縁膜のことであり、何れも含有するイオン性不純物（例えば、ナトリウムＮａ+、カリウムＫ+、塩素Ｃｌ-、フッ素Ｆ-等）は１ｐｐｍ以下の測定不能なレベル（測定器の測定誤差以下のレベル）であり、エポキシ樹脂で問題にした水酸基ＯＨも測定不能なレベルである。このため、高い絶縁性を有し、高温でもその絶縁性を維持する。また、これらの有機絶縁膜は、比誘電率が２〜４の範囲であり、シリコン窒化膜の比誘電率９に比べてかなり小さい。しかも、スピンコート法で塗布した後の加熱処理で焼結すれば、膜の形成を完成するため、保護膜としての加工性が良い。また、スピンコート法での塗布作業を数回行って、多層塗りしたものにすれば、膜厚２０μｍまでは容易に厚くできる。ただし、有機樹脂の膜厚１５μｍ以上にすると、塗布後のパターニングが困難になる。
【００３７】
そして、図１及び図５に示す高耐圧半導体装置は、Ｎ型の半導体基板１に高濃度Ｎ型のカソード拡散領域３を形成し、それから離間し且つそれを包囲するようにＰ型のアノード拡散領域２ａ，２ｂを形成している。従って、アノード拡散領域２ａと２ｂは電気的に接続された状態である。また、プレート電極５，６，７はアノード拡散領域２ａ，２ｂとカソード拡散領域３との間の酸化膜４上にそれぞれ離間して配置され、カソード電極１０に接続された金属配線１０−１はプレート電極５〜７と交差するように層間絶縁膜１１上を配線される。そして、層間絶縁膜１１上の金属配線および層間絶縁膜１１の上を約１．５μｍ厚の表面保護膜１２で被覆し、その上を有機絶縁膜１３で被覆して、更にその上をエポキシ樹脂１４で封止する。有機絶縁膜１３は、材料としてポリイミド系樹脂またはポリベンゾオキサゾール系樹脂を用い、約４μｍの膜厚で使用するものとする。なお、表面保護膜１２は、窒化膜のみで構成しても良いし、下層を酸化膜とし上層を窒化膜とする多層構造のものであっても良い。このようにすると、窒化膜の耐湿性が良好であるから、有機絶縁膜１３としてポリイミド系樹脂を使用した場合にも、半導体チップの耐湿性を確保できる。
【００３８】
上記の構成により、半導体チップの最上層をポリイミド系またはポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜で被覆するから、金属配線１０−１上の絶縁膜の厚さ（表面保護膜１２と有機絶縁膜１３を含めた厚さ）が従来に比べて厚くなることで、プレート電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂとエポキシ樹脂１４との間の寄生容量が小さくなり、加えて有機絶縁膜１３の比誘電率が小さいことによる相乗効果で、エポキシ樹脂１４とプレート電極５〜７との間の寄生容量が更に小さくなる。従って、高温時にエポキシ樹脂１４が絶縁性が悪化したとしても、プレート電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂの電位変動が小さくなるので、耐圧の劣化が少なくなり、高温バイアス試験でも長寿命の結果が得られる。
【００３９】
次に、第２の実施形態による高耐圧半導体装置について、図２を参照しながら説明する。
【００４０】
図２において、１はＮ型の半導体基板（半導体基体）、２ａ，２ｂはＰ型のアノード拡散領域（第１の拡散領域）、３は高濃度Ｎ型のカソード拡散領域（第２の拡散領域）、４は酸化膜（第１の無機絶縁膜）、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ及び８ｃはドープドポリシリコン製または金属製のプレート電極、９は金属製のアノード電極（第１の金属電極）、１０は金属製のカソード電極（第２の金属電極）、１０−１はカソード電極１０に接続された金属配線、１１はＣＶＤ法によって形成された酸化膜または窒化膜による層間絶縁膜（第２の無機絶縁膜）、１３はポリイミド系またはポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜、１４はモールドするためのエポキシ樹脂である。
【００４１】
そして、図２の実施形態は、第１の実施形態で用いた窒化膜による表面保護膜１２を使用せずに、有機絶縁膜１３のみで表面保護を行った点で異なり、以下その点を中心に説明する。プレート電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂはアノード拡散領域２ａ，２ｂとカソード拡散領域３との間の酸化膜４上にそれぞれ離間して配置され、カソード電極１０に接続された金属配線１０−１はプレート電極５ａ，６ａ，７ａと交差するように層間絶縁膜１１上を配線される。そして、層間絶縁膜１１上の金属配線１０−１および層間絶縁膜１１の上を有機絶縁膜１３で被覆し、更にその上をエポキシ樹脂１４で封止する。有機絶縁膜１３は、材料としてポリイミド系樹脂またはポリベンゾオキサゾール系樹脂を用い、厚い膜厚５〜１２μｍで使用するものとする。
【００４２】
このように構成すると、有機絶縁膜１３のみによる表面保護が可能であり、比誘電率が小さく且つ絶縁性の良好な有機絶縁膜１３によって、厚い膜厚で表面保護されるから、プレート電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂに付随する寄生容量を小さくできる。そして、高耐圧半導体装置の使用周囲温度が高くなり、エポキシ樹脂１４の絶縁性が悪化しても、高い耐圧を保つことができる。
【００４３】
なお、上述した第１，第２の実施形態では、ダイオードを例にとって説明したが、これに限らずＤＭＯＳトランジスタ等のパワーデバイス、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等の半導体装置に適用でき、それらにおいても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４４】
また、上述の説明は、高耐圧を如何に確保するかの観点で説明したが、ポリイミド系樹脂は吸湿性があり、パッケージングの状態が悪いと、金属配線が腐食することがある。しかし、ポリベンゾオキサゾール系樹脂は耐湿性が良好であり、総合的な信頼性を考えると、ポリベンゾオキサゾール系樹脂を有機絶縁膜として用いる方が有利である。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の高耐圧半導体装置は、半導体チップの最上層をポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜で被覆し、その上をエポキシ樹脂で封止するから、高温時にも絶縁性を保つと共に比誘電率の小さい性質を有したこれらの有機絶縁膜により、膜厚の厚い表面保護が可能となり、プレート電極に付随する寄生容量を小さくすることができる。そして、高温時にエポキシ樹脂の絶縁性が悪化しても、高い耐圧を維持できる。
【００４６】
また、有機絶縁膜のみによる表面保護も可能であり、弾力性のある膜厚の厚い有機絶縁膜によって、半導体チップに加わる応力を吸収することもでき、応力による抵抗値の変動や、トランジスタの電気的特性の変動を少なくすることができ、大集積の集積回路装置や高性能な集積回路装置への応用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における高耐圧半導体装置の断面構造を示すものであり、図５中のＢ−Ｂ箇所の断面構造を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施形態における高耐圧半導体装置の断面図
【図３】従来装置の平面構造を示す平面図
【図４】図３中のＡ−Ａ箇所の断面構造を示す断面図
【図５】高耐圧半導体装置の平面構造を示す平面図
【図６】従来装置の電位分布を説明するための断面図
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ａ，２ｂ アノード拡散領域
３ カソード拡散領域
４ 酸化膜
５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ プレート電極
８ｃ プレート電極
９ アノード電極
１０ カソード電極
１０−１ 金属配線
１１ 層間絶縁膜
１２ 表面保護膜
１３ 有機絶縁膜
１４ エポキシ樹脂
【発明の属する技術分野】
本発明は高信頼性を有する高耐圧半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来の高耐圧半導体装置の代表的な例としてＰＮ接合ダイオードを取り上げ、従来の高耐圧半導体装置について図３，図４を用いて説明する。図３は従来の高耐圧ＰＮ接合ダイオードの平面構造図であり、図４は図３中のＡ−Ａの断面構造を示す断面構造図であり、図４中の斜線部分は金属配線を示している。
【０００３】
図３及び図４において、１はＮ型の半導体基板、２ａ，２ｂはＰ型のアノード拡散領域、３はＮ型のカソード拡散領域、４は酸化膜、５〜８は電気的にフローティング状態にされたプレート電極、９は金属製のアノード電極、９ａは酸化膜４と層間絶縁膜１１の所定箇所に開けられた開口、１０は金属製のカソード電極、１０ａは酸化膜４と層間絶縁膜１１の所定箇所に開けられた開口、１０−１はカソード電極１０に接続された金属配線、１１は層間絶縁膜、１２は表面保護膜である。そして、カソード電極１０に接続された金属配線１０−１は、フローティング状態のプレート電極５〜８を横切るように、層間絶縁膜１１の上を配線されている。また、アノード拡散領域２ａ，２ｂは、カソード拡散領域３を包囲するように形成されている。そして、Ｎ型の半導体基板１とＰ型のアノード拡散領域２ａ，２ｂとのＰＮ接合によって、ＰＮ接合ダイオードを構成する。
【０００４】
上記構成に於て、アノード電極９に正電圧を与えるとともに、カソード電極１０に負電圧を与えると、このＰＮ接合ダイオードは順方向導通する。逆に、アノード電極９に負電圧を与えるとともに、カソード電極１０に正電圧を与えると、ＰＮ接合が逆バイアスされることになり、このＰＮ接合ダイオードは非導通になる。
【０００５】
図４に示す従来装置は、フローティング状態にされた複数個のプレート電極５〜８を金属配線１０−１の下層部に配列して、カソード電極１０から引き出された金属配線１０−１が下地の半導体基板１に悪影響を与えないようにするものであり、その原理を以下に説明する。
【０００６】
これらのプレート電極５〜８に印加される電位は、その上層に配線される金属配線１０−１との間の寄生容量と、その下層に在る半導体基板１との間の寄生容量との直列回路によって、金属配線１０−１の電位とプレート電極（５〜８）直下における半導体基板１部分の電位との差電圧を分圧して与えられる。例えば、対向面積をＡとし、絶縁物の厚さをｔとし、誘電率をεとすると、並行平板コンデンサの容量値Ｃは次式（１）で求められる。
【０００７】
Ｃ＝εＡ／ｔ ‥‥‥（１）
そして、下地の酸化膜４と層間絶縁膜１１の材料が同じで、膜厚が等しければ、容量値Ｃは対向面積Ａに比例する。今仮に、酸化膜４及び層間絶縁膜１１をＳｉＯ2で形成し、両方とも同じ膜厚で図３に示す平面構造のように構成し、各プレート電極５，６，７，８と金属配線１０−１との間の寄生容量（上層部の寄生容量）を順にＣｂ１，Ｃｂ２，Ｃｂ３，Ｃｂ４とし、各プレート電極５，６，７，８と半導体基板１との間の寄生容量（下層部の寄生容量）をＣａ１，Ｃａ２，Ｃａ３，Ｃａ４とすると、それらの比は対向面積の比で決まる。プレート電極５と半導体基板１との対向面積はプレート電極５の平面上の面積となり、もう一方の金属配線１０−１との対向面積は金属配線１０−１とプレート電極５が交差している面積となる。図３の例では、その面積比を４倍にしているため、次式（２）となる。
【０００８】
Ｃａ１／Ｃｂ１＝４ ‥‥（２）
そして、プレート電極５〜８は同じ大きさにしているので、他のプレート電極（６〜８）についても、下層部と上層部との寄生容量の比は同じく４倍になる。
【０００９】
次に、アノード電極９を接地して、カソード電極１０にカソード電圧Ｖｋを印加するものとし、その時のプレート電極５直下の電位をＶｄ１として、プレート電極５と半導体基板１との間の電位差をΔＶｐ１とすれば、プレート電極５の電位は、寄生容量の直列回路の分圧比は容量値に比で決定され、次式（３）のようになる。
【００１０】
ΔＶｐ１／（Ｖｋ−Ｖｄ１）＝Ｃｂ１／（Ｃｂ１＋Ｃａ１）‥‥（３）
この（３）式に（２）式を代入すると、次式（４）になる。
【００１１】
ΔＶｐ１＝（Ｖｋ−Ｖｄ１）／５ ‥‥（４）
そして、残りのプレート電極６〜８の分圧比についても、上記同様に考えれば良く、各プレート電極５〜８直下の半導体基板１部分の電位とカソード電圧との差電圧を１／５にした電位差が、各プレート電極６，７，８と半導体基板１の電位差となる。
【００１２】
ところで、各プレート電極５〜８における直下の半導体基板１電位は、カソード電圧Ｖｋの大きさに応じて、空乏層の広がりと共に変化する。今仮に、カソード電極１０にカソード電圧Ｖｋ＝４００（Ｖ）を印加すると、おおよそ図４のような電位分布になり、プレート電極５の直下の電位Ｖｄ１は３００（Ｖ）、プレート電極６の直下の電位Ｖｄ２は２００（Ｖ）、プレート電極７の直下の電位Ｖｄ３は１００（Ｖ）、プレート電極８の直下の電位Ｖｄ４は０（Ｖ）になる。Ｖｋ＝４００（Ｖ）でブレークダウン現象を起こすようなデバイス設計になっていれば、丁度このような電位分布になる。そこで、式（４）に上述の電位を代入して試算すると、プレート電極５直下の電位差ΔＶｐ１は２０（Ｖ）、プレート電極６直下の電位差ΔＶｐ２は４０（Ｖ）、プレート電極７直下の電位差ΔＶｐ３は６０（Ｖ）、プレート電極８直下の電位差ΔＶｐ４は８０（Ｖ）となる。そして、プレート電極５〜８までの各電位は、直下の半導体基板１の電位にそれぞれの電位差を加算したものであるから、プレート電極５の電位Ｖｐは３２０（Ｖ）、プレート電極６の電位Ｖｐ２は２４０（Ｖ）、プレート電極７の電位Ｖｐ３は１６０（Ｖ）、プレート電極８の電位Ｖｐ４は８０（Ｖ）となる。このことから、カソード拡散領域３から遠ざかるほど電位差が大きく、近いほど電位差が小さくなることが判る。そして、一番電位差の大きいプレート電極８直下の電位差ΔＶｐ４であっても１００（Ｖ）以下であり、プレート電極５〜８直下の半導体基板１や酸化膜４への悪影響は少ない。
【００１３】
この考えを反映して更に改善する平面構造を図５に示す。図５に示すように、プレート電極５，６，７を環状にすると、半導体基板１とプレート電極５，６，７との対向面積が金属配線１０−１との対向面積に比べて極めて大きくなり、図５の例ではその面積比が約１０倍、一番大きなプレート電極７では約２５倍になる。一番外側のプレート電極８はアノード拡散領域２ｂとコンタクトをとる必要があるため部分的なものにしているが、それでも約１０倍の面積比になっている。従って、プレート電極５〜８直下の半導体基板１との電位差が最大になるプレート電極８直下の電位差ΔＶｐ４でも約１０（Ｖ）となり、プレート電極５〜８の下層部への影響が殆ど無くなる。
【００１４】
ここでは、逆バイアスした時に非導通状態を維持することを耐圧と定義し、高いバイアス電圧で非導通状態を維持することを高耐圧と定義し、製造直後における半導体装置の耐圧を初期耐圧と定義している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高電圧の逆バイアスをＰＮ接合に印加したまま、高温状態（周囲温度１５０℃）で寿命試験する高温バイアス試験を行うと、従来の高耐圧半導体装置の耐圧が短時間に劣化することが判明した。
【００１６】
高温バイアス試験における耐圧の劣化については、メカニズムはまだ解明されていないが、Ｎ型の半導体基板１の表面近傍にＰ型反転層２０が生じて、Ｎ型のカソード拡散領域３端部で電界集中が生じているものと推測される。
【００１７】
以下、図６を用いてその推論を説明する。
【００１８】
一般的に半導体チップは、エポキシ樹脂１４で封止され、水分が樹脂パッケージの中に浸透しないように対策されている。しかし、エポキシ樹脂として一般的に用いられるノボラックエポキシ樹脂には、イオン性不純物が多く含まれており、例えば、ナトリウムＮａ+、カリウムＫ+、塩素Ｃｌ-、フッ素Ｆ-等が数十ｐｐｍのオーダーで含まれている。更に問題なのは水酸基ＯＨが０．９％〜１．６％も含まれている点である。そして、この水酸基ＯＨが高温時に活性化して、一般的には絶縁物として考えられているエポキシ樹脂１４の絶縁性が悪化し、半絶縁状態（高抵抗で導通する状態）になる。ノボラックエポキシ樹脂以外にも数々のエポキシ樹脂はあるが、程度の差はあっても同様の傾向を示す。
【００１９】
通常、高耐圧半導体装置は、半導体チップをエポキシ樹脂１４でモールドしており、複数の外部端子（図示せず）と半導体チップ上の複数のパッド（図示せず）との間をそれぞれ金属ワイヤ（図示せず）で接続している。これらの金属ワイヤには接地電位である０（Ｖ）、カソード電圧Ｖｋである４００（Ｖ）がそれぞれ印加されるから、上記の理由でエポキシ樹脂１４が半絶縁状態になれば、４００（Ｖ）と０（Ｖ）との中間電位がエポキシ樹脂１４を介して表面保護膜１２の表面に与えられることになる。
【００２０】
そこで、高温バイアス試験時に半導体チップの表面保護膜１２とエポキシ樹脂１４との界面が２００（Ｖ）の電位を持った場合を仮定し、その時の電位分布について図６を用いながら説明する。図６は、図５に示す平面形状の従来装置に対して、カソード電圧Ｖｋ＝４００（Ｖ）で高温バイアス試験をしている最中の電位分布を想定した図面であり、等電位線は破線で示している。
【００２１】
図６において、プレート電極５には前述した寄生容量Ｃａ１，Ｃｂ１が存在する他に、エポキシ樹脂１４との間に形成される寄生容量Ｃｃ１が存在する。又、プレート電極６，７，８に於いても同様に、エポキシ樹脂１４との間に形成される寄生容量Ｃｃ２，Ｃｃ３，Ｃｃ４が存在する。そして、寄生容量Ｃｂ１は、金属配線１０−１とプレート電極５との交差部分の容量であるので、寄生容量Ｃａ１に比べて十分小さいことは前述した。又、各プレート電極５〜８とエポキシ樹脂１４との間に形成される寄生容量Ｃｃ１〜Ｃｃ４は、層間絶縁膜１１と表面保護膜１２を合計した膜厚が下層にある酸化膜４の約２倍になることと、プレート電極５〜８のエポキシ樹脂１４と対向する面積が半導体基板１に対向する面積とほぼ等しくなる事により、寄生容量Ｃａ１〜Ｃａ４の各値の約１／２倍の値になる。
【００２２】
従って、高温バイアス試験中にエポキシ樹脂１４が半絶縁性になり、エポキシ樹脂１４の電位が２００（Ｖ）の中間電位になったとすると、室温では約３００（Ｖ）であったプレート電極５の電位が寄生容量Ｃｃ１の影響で約２７０（Ｖ）に低下する。一方、最低電位となるプレート電極８の電位は、室温では約１０（Ｖ）であったが、寄生容量Ｃｃ４の影響で約７０（Ｖ）に上昇する。その結果、半導体基板１と酸化膜４との界面を横切る等電位線は３００（Ｖ）以上の部分がカソード拡散領域３の方に傾き、その界面に於ける酸化膜４側の電位がＮ型の半導体基板１表面に対して負電位になる。
【００２３】
なお、半導体基板１と酸化膜４との界面において酸化膜４側が高温雰囲気中で負電位になると、その界面のＳｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨなどの結合が破壊され、正の固定電荷が発生することが報告されている（日科技連出版社発行の著書『半導体デバイスの信頼性技術』）。このような現象が起きて、半導体基板１と酸化膜４との界面に正の固定電荷が発生すると、同時に負の可動電荷も発生する。すると、負の可動電荷は、カソード拡散領域３の正の高電位に経時時間とともに引き寄せられ、酸化膜４中のカソード拡散領域３寄りに負電荷が多く分布する領域が生じる一方、負の可動電荷が発生した元々の箇所に、正の固定電荷が多く分布する領域が生じる。すなわち、カソード拡散領域３に近い酸化膜４中の界面には負電荷が多く存在する為、半導体基板１中の正孔が引き寄せられ、Ｎ型の半導体基板１の表面がＰ型に反転して、Ｐ型反転層２０になる。一方、正の固定電荷が残存した領域では、半導体基板１中の電子が引き寄せられ半導体基板１中の電子密度が局部的に高くなり、半導体基板１の表面にＮ型蓄積層２１が生じる。このようにして、図６で示されたＰ型反転層２０とＮ型蓄積層２１が半導体基板１の表面に形成されて、Ｐ型反転層２０のカソード拡散領域３に近い部分で電界集中が発生し、アノード・カソード間の耐圧を経時的に劣化させるものと考えられる。
【００２４】
本発明は、上記課題を解決するものであり、高温で使用しても耐圧が劣化しない高信頼性の高耐圧半導体装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の高耐圧半導体装置は、第１導電型の半導体基体に形成された第２導電型の第１の拡散領域と、前記半導体基体に前記第１の拡散領域とは離間して形成された第１導電型の第２の拡散領域と、前記半導体基体上に形成された第１の無機絶縁膜と、前記第１，第２の拡散領域間の前記第１の無機絶縁膜上にそれぞれ離間してフローティング状態で形成された複数のプレート電極と、前記第１の無機絶縁膜および前記複数のプレート電極の上を被覆する第２の無機絶縁膜と、前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第１の拡散領域との接続を行う第１の金属電極と、前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第２の拡散領域との接続を行う第２の金属電極と、前記複数のプレート電極の長手方向と交差し前記複数のプレート電極による配列に沿って前記第２の無機絶縁膜上を配線され、且つ前記第２の金属電極に接続される金属配線と、前記第１，第２の金属電極および前記第２の無機絶縁膜の上を被覆する第３の無機絶縁膜と、前記第３の無機絶縁膜を被覆するポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜と、前記有機絶縁膜の上を封止するエポキシ樹脂とを具備した構成である。
【００２６】
この構成により、半導体チップの最上層をポリベンゾオキサゾール系有機絶縁膜で被覆し、その上をエポキシ樹脂で封止する。これらの有機絶縁膜は、含有するイオン性不純物が少なく、高温においても絶縁性を保つ一方、比誘電率が小さいという性質を持っている。従って、金属配線上の絶縁膜の厚さ（第３の無機絶縁膜と有機絶縁膜を含めた厚さ）が従来に比べて厚くなり、加えて有機絶縁膜の比誘電率が小さいことによる相乗効果で、エポキシ樹脂とプレート電極間の寄生容量が小さくなるから、使用周囲温度が高温になり、エポキシ樹脂が導電性を持ったとしても、プレート電極の電位変動が小さく、耐圧の劣化が少なくなる。
【００２７】
また、別の発明は、第１導電型の半導体基体に形成された第２導電型の第１の拡散領域と、前記半導体基体に前記第１の拡散領域とは離間して形成された第１導電型の第２の拡散領域と、前記半導体基体上に形成された第１の無機絶縁膜と、前記第１，第２の拡散領域間の前記第１の無機絶縁膜上にそれぞれ離間してフローティング状態で形成された複数のプレート電極と、前記第１の無機絶縁膜および前記複数のプレート電極の上を被覆する第２の無機絶縁膜と、前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第１の拡散領域との接続を行う第１の金属電極と、前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第２の拡散領域との接続を行う第２の金属電極と、前記複数のプレート電極の長手方向と交差し前記複数のプレート電極による配列に沿って前記第２の無機絶縁膜上を配線され、且つ前記第２の金属電極に接続される金属配線と、前記第１，第２の金属電極および前記第２の無機絶縁膜の上を被覆するポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜と、前記有機絶縁膜の上を封止するエポキシ樹脂とを具備した構成である。
【００２８】
この構成により、半導体チップの最上層をポリベンゾオキサゾール系有機絶縁膜で被覆し、その上をエポキシ樹脂で封止する。高温時にも絶縁性を保つと共に比誘電率の小さい性質を有したこれらの有機樹脂は、膜厚を厚く形成することが容易であり、有機絶縁膜のみによる表面保護が可能であり、使用周囲温度が高温になっても、高い耐圧を維持できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る高耐圧半導体装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
まず、第１の実施形態に係る高耐圧半導体装置について、図１及び図５を用いて説明する。図５は高耐圧半導体装置の平面構造を示す平面図であり、図１は図５中のＢ−Ｂ箇所の断面構造を示す断面図である。
【００３１】
図１及び図５において、１はＮ型の半導体基板（半導体基体）、２ａ，２ｂはＰ型のアノード拡散領域（第１の拡散領域）、３は高濃度Ｎ型のカソード拡散領域（第２の拡散領域）、４は酸化膜（第１の無機絶縁膜）、５，５ａ，５ｂ，６，６ａ，６ｂ，７，７ａ，７ｂ，８，８ｃはドープドポリシリコン製または金属製によるフローティング状態のプレート電極、９は金属製のアノード電極（第１の金属電極）、１０は金属製のカソード電極（第２の金属電極）、１０−１はカソード電極１０に接続された金属配線、１１は酸化膜または窒化膜による層間絶縁膜（第２の無機絶縁膜）、１２はＣＶＤ法で形成された窒化膜による表面保護膜（第３の無機絶縁膜）、１３はポリイミド系またはポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜、１４はモールドするためのエポキシ樹脂である。
【００３２】
半導体基板１は、Ｎ型不純物を導入したシリコン基板であっても良いし、Ｐ型のシリコン基板にＮ型ウエルを形成し、そのＮ型ウエルを半導体基板として扱っても良いし、ゲルマニウムや化合物半導体による基板であっても良い。
【００３３】
アノード拡散領域２ａ，２ｂは、カソード拡散領域３から離間した位置を包囲する環状の平面形状で形成され、半導体装置（ダイオード）の初期耐圧を高めるにはカソード拡散領域３からの離間距離を大きくすると良い。
【００３４】
初期耐圧を高くするには、カソード拡散領域３の平面形状を円形状にして、アノード拡散領域２ａ，２ｂの平面形状をカソード拡散領域３と同心円となる円環状にするのが理想的である。しかし、初期耐圧のレベルを妥協して、マスク設計のし易さを優先するのであれば、六角形や八角形のような角部が鈍角となる多角形にしても、初期耐圧が多少低くなる程度で実用上は問題無い。
【００３５】
プレート電極５ａ〜７ｂは、ドープドポリシリコン製または金属製のもので導電性を有し、それぞれが電気的に独立したフローティング状態で使用され、長手方向が金属配線１０−１と交差するように配置され、金属配線１０−１との間は層間絶縁膜１１で電気的に絶縁される。但し、短冊状のものを使用する場合は、金属配線１０−１の直下に沿って配列される。そして、カソード拡散領域３から離間してそれを包囲する円環状またはその類型のものを使用する場合は、カソード電極１０に接続する金属配線１０−１の引出方向を任意に選択することができ、この種のデバイスをマスク設計する際、またはマスク修正する際の設計自由度が大きくなる。
【００３６】
有機絶縁膜１３は、ポリイミド系またはポリベンゾオキサゾール系の有機樹脂で形成された絶縁膜のことであり、何れも含有するイオン性不純物（例えば、ナトリウムＮａ+、カリウムＫ+、塩素Ｃｌ-、フッ素Ｆ-等）は１ｐｐｍ以下の測定不能なレベル（測定器の測定誤差以下のレベル）であり、エポキシ樹脂で問題にした水酸基ＯＨも測定不能なレベルである。このため、高い絶縁性を有し、高温でもその絶縁性を維持する。また、これらの有機絶縁膜は、比誘電率が２〜４の範囲であり、シリコン窒化膜の比誘電率９に比べてかなり小さい。しかも、スピンコート法で塗布した後の加熱処理で焼結すれば、膜の形成を完成するため、保護膜としての加工性が良い。また、スピンコート法での塗布作業を数回行って、多層塗りしたものにすれば、膜厚２０μｍまでは容易に厚くできる。ただし、有機樹脂の膜厚１５μｍ以上にすると、塗布後のパターニングが困難になる。
【００３７】
そして、図１及び図５に示す高耐圧半導体装置は、Ｎ型の半導体基板１に高濃度Ｎ型のカソード拡散領域３を形成し、それから離間し且つそれを包囲するようにＰ型のアノード拡散領域２ａ，２ｂを形成している。従って、アノード拡散領域２ａと２ｂは電気的に接続された状態である。また、プレート電極５，６，７はアノード拡散領域２ａ，２ｂとカソード拡散領域３との間の酸化膜４上にそれぞれ離間して配置され、カソード電極１０に接続された金属配線１０−１はプレート電極５〜７と交差するように層間絶縁膜１１上を配線される。そして、層間絶縁膜１１上の金属配線および層間絶縁膜１１の上を約１．５μｍ厚の表面保護膜１２で被覆し、その上を有機絶縁膜１３で被覆して、更にその上をエポキシ樹脂１４で封止する。有機絶縁膜１３は、材料としてポリイミド系樹脂またはポリベンゾオキサゾール系樹脂を用い、約４μｍの膜厚で使用するものとする。なお、表面保護膜１２は、窒化膜のみで構成しても良いし、下層を酸化膜とし上層を窒化膜とする多層構造のものであっても良い。このようにすると、窒化膜の耐湿性が良好であるから、有機絶縁膜１３としてポリイミド系樹脂を使用した場合にも、半導体チップの耐湿性を確保できる。
【００３８】
上記の構成により、半導体チップの最上層をポリイミド系またはポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜で被覆するから、金属配線１０−１上の絶縁膜の厚さ（表面保護膜１２と有機絶縁膜１３を含めた厚さ）が従来に比べて厚くなることで、プレート電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂとエポキシ樹脂１４との間の寄生容量が小さくなり、加えて有機絶縁膜１３の比誘電率が小さいことによる相乗効果で、エポキシ樹脂１４とプレート電極５〜７との間の寄生容量が更に小さくなる。従って、高温時にエポキシ樹脂１４が絶縁性が悪化したとしても、プレート電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂの電位変動が小さくなるので、耐圧の劣化が少なくなり、高温バイアス試験でも長寿命の結果が得られる。
【００３９】
次に、第２の実施形態による高耐圧半導体装置について、図２を参照しながら説明する。
【００４０】
図２において、１はＮ型の半導体基板（半導体基体）、２ａ，２ｂはＰ型のアノード拡散領域（第１の拡散領域）、３は高濃度Ｎ型のカソード拡散領域（第２の拡散領域）、４は酸化膜（第１の無機絶縁膜）、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ及び８ｃはドープドポリシリコン製または金属製のプレート電極、９は金属製のアノード電極（第１の金属電極）、１０は金属製のカソード電極（第２の金属電極）、１０−１はカソード電極１０に接続された金属配線、１１はＣＶＤ法によって形成された酸化膜または窒化膜による層間絶縁膜（第２の無機絶縁膜）、１３はポリイミド系またはポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜、１４はモールドするためのエポキシ樹脂である。
【００４１】
そして、図２の実施形態は、第１の実施形態で用いた窒化膜による表面保護膜１２を使用せずに、有機絶縁膜１３のみで表面保護を行った点で異なり、以下その点を中心に説明する。プレート電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂはアノード拡散領域２ａ，２ｂとカソード拡散領域３との間の酸化膜４上にそれぞれ離間して配置され、カソード電極１０に接続された金属配線１０−１はプレート電極５ａ，６ａ，７ａと交差するように層間絶縁膜１１上を配線される。そして、層間絶縁膜１１上の金属配線１０−１および層間絶縁膜１１の上を有機絶縁膜１３で被覆し、更にその上をエポキシ樹脂１４で封止する。有機絶縁膜１３は、材料としてポリイミド系樹脂またはポリベンゾオキサゾール系樹脂を用い、厚い膜厚５〜１２μｍで使用するものとする。
【００４２】
このように構成すると、有機絶縁膜１３のみによる表面保護が可能であり、比誘電率が小さく且つ絶縁性の良好な有機絶縁膜１３によって、厚い膜厚で表面保護されるから、プレート電極５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂに付随する寄生容量を小さくできる。そして、高耐圧半導体装置の使用周囲温度が高くなり、エポキシ樹脂１４の絶縁性が悪化しても、高い耐圧を保つことができる。
【００４３】
なお、上述した第１，第２の実施形態では、ダイオードを例にとって説明したが、これに限らずＤＭＯＳトランジスタ等のパワーデバイス、バイポーラトランジスタ、サイリスタ等の半導体装置に適用でき、それらにおいても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４４】
また、上述の説明は、高耐圧を如何に確保するかの観点で説明したが、ポリイミド系樹脂は吸湿性があり、パッケージングの状態が悪いと、金属配線が腐食することがある。しかし、ポリベンゾオキサゾール系樹脂は耐湿性が良好であり、総合的な信頼性を考えると、ポリベンゾオキサゾール系樹脂を有機絶縁膜として用いる方が有利である。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の高耐圧半導体装置は、半導体チップの最上層をポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜で被覆し、その上をエポキシ樹脂で封止するから、高温時にも絶縁性を保つと共に比誘電率の小さい性質を有したこれらの有機絶縁膜により、膜厚の厚い表面保護が可能となり、プレート電極に付随する寄生容量を小さくすることができる。そして、高温時にエポキシ樹脂の絶縁性が悪化しても、高い耐圧を維持できる。
【００４６】
また、有機絶縁膜のみによる表面保護も可能であり、弾力性のある膜厚の厚い有機絶縁膜によって、半導体チップに加わる応力を吸収することもでき、応力による抵抗値の変動や、トランジスタの電気的特性の変動を少なくすることができ、大集積の集積回路装置や高性能な集積回路装置への応用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における高耐圧半導体装置の断面構造を示すものであり、図５中のＢ−Ｂ箇所の断面構造を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施形態における高耐圧半導体装置の断面図
【図３】従来装置の平面構造を示す平面図
【図４】図３中のＡ−Ａ箇所の断面構造を示す断面図
【図５】高耐圧半導体装置の平面構造を示す平面図
【図６】従来装置の電位分布を説明するための断面図
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ａ，２ｂ アノード拡散領域
３ カソード拡散領域
４ 酸化膜
５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ プレート電極
８ｃ プレート電極
９ アノード電極
１０ カソード電極
１０−１ 金属配線
１１ 層間絶縁膜
１２ 表面保護膜
１３ 有機絶縁膜
１４ エポキシ樹脂
Claims (2)
- 第１導電型の半導体基体に形成された第２導電型の第１の拡散領域と、
前記半導体基体に前記第１の拡散領域とは離間して形成された第１導電型の第２の拡散領域と、
前記半導体基体上に形成された第１の無機絶縁膜と、
前記第１，第２の拡散領域間の前記第１の無機絶縁膜上にそれぞれ離間してフローティング状態で形成された複数のプレート電極と、
前記第１の無機絶縁膜および前記複数のプレート電極の上を被覆する第２の無機絶縁膜と、
前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第１の拡散領域との接続を行う第１の金属電極と、
前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第２の拡散領域との接続を行う第２の金属電極と、
前記複数のプレート電極の長手方向と交差し前記複数のプレート電極による配列に沿って前記第２の無機絶縁膜上を配線され、且つ前記第２の金属電極に接続される金属配線と、
前記第１，第２の金属電極および前記第２の無機絶縁膜の上を被覆する第３の無機絶縁膜と、
前記第３の無機絶縁膜を被覆するポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜と、
前記有機絶縁膜の上を封止するエポキシ樹脂とを具備した高耐圧半導体装置。 - 第１導電型の半導体基体に形成された第２導電型の第１の拡散領域と、
前記半導体基体に前記第１の拡散領域とは離間して形成された第１導電型の第２の拡散領域と、
前記半導体基体上に形成された第１の無機絶縁膜と、
前記第１，第２の拡散領域間の前記第１の無機絶縁膜上にそれぞれ離間してフローティング状態で形成された複数のプレート電極と、
前記第１の無機絶縁膜および前記複数のプレート電極の上を被覆する第２の無機絶縁膜と、
前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第１の拡散領域との接続を行う第１の金属電極と、
前記第１，第２の無機絶縁膜の所定領域に形成された開口を通じて前記第２の拡散領域との接続を行う第２の金属電極と、
前記複数のプレート電極の長手方向と交差し前記複数のプレート電極による配列に沿って前記第２の無機絶縁膜上を配線され、且つ前記第２の金属電極に接続される金属配線と、
前記第１，第２の金属電極および前記第２の無機絶縁膜の上を被覆するポリベンゾオキサゾール系の有機絶縁膜と、
前記有機絶縁膜の上を封止するエポキシ樹脂とを具備した高耐圧半導体装置。
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