JP4839685B2

JP4839685B2 - 半導体装置

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Inventors: 明田井
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Description

本発明は、局部加熱によって、高温加速試験の実施や一定温度での使用が可能な半導体装置に関する。

局部加熱によって、一定温度での使用可能な半導体装置が、例えば、Microelectronics Reliability 44 (2004) 1251-1262（非特許文献１）に開示されている。

図４（ａ），（ｂ）は、非特許文献１に開示された半導体装置で、図４（ａ）は、半導体装置９０の模式的な上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＡ−Ａ’での模式的な断面図である。

図４（ａ），（ｂ）に示す半導体装置９０では、シリコン基板１上に、厚い酸化膜２を介して、多結晶シリコン膜からなるヒータ３が配置されている。この多結晶シリコン膜３に電流を流して発熱させることで、シリコン基板１の表層部に形成されたＭＯＳトランジスタ９を局部加熱し、ＭＯＳトランジスタ９の一定温度での使用が可能となっている。尚、図４（ａ），（ｂ）の半導体装置９０においては、誘電体膜４を介して形成された金属抵抗５を温度センサとして機能させ、ヒータ３の発熱（ＭＯＳトランジスタ９の温度）を制御している。
Microelectronics Reliability 44 (2004) 1251-1262

半導体装置９０におけるＭＯＳトランジスタ９は、ヒータ３で加熱されて温度制御されるため、一定温度での使用が可能である。しかしながら、多結晶シリコン膜からなるヒータ３は、厚い酸化膜２上に形成されており、外部への放熱ロスも大きい。このため、図４（ａ），（ｂ）の半導体装置９０においては、ヒータ３を最大５４０℃まで発熱させても、シリコン基板１の表層部に形成されたＭＯＳトランジスタ９を最大２５０℃までしか加熱することができない。一方、信頼性を評価するために、高温加速試験でシリコン基板１に形成されたＭＯＳトランジスタ９の特性を数時間程度で変動させるには、４００℃程度の高温が必要である。従って、図４（ａ），（ｂ）の半導体装置９０に設けられた加熱構造では、高温加速試験に必要な十分な温度が得られず、ＭＯＳトランジスタ９の信頼性評価には利用できない。

さらに、図４（ａ），（ｂ）の半導体装置９０では、ヒータ３上に形成された誘電体膜４を介して、温度センサである金属抵抗５が形成されている。このため、シリコン基板１の表層部に形成されたＭＯＳトランジスタ９と温度センサ５が離れてしまい、ＭＯＳトランジスタ９の温度を正確にモニターすることができない。

そこで本発明は、半導体基板の表層部に形成された半導体素子を、４００℃以上に局部加熱することができると共に、当該半導体素子の温度を正確にモニターすることができ、高温加速試験の実施や一定温度での使用が可能な半導体装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の半導体装置は、半導体基板の主面側の表層部に形成された第１絶縁分離領域と、前記第１絶縁分離領域に取り囲まれ、前記第１絶縁分離領域と絶縁分離された第２絶縁分離領域とを有してなり、前記第２絶縁分離領域内に半導体素子が形成され、前記第１絶縁分離領域に、当該第１絶縁分離領域を通電発熱させるための一対の電極が、前記第２絶縁分離領域を間に挟むようにして接続されてなる半導体装置であって、前記半導体基板が、埋め込み絶縁膜を有するＳＯＩ構造の半導体基板で、支持基板、前記埋め込み絶縁膜およびＳＯＩ層からなり、前記第１絶縁分離領域と第２絶縁分離領域が、前記埋め込み絶縁膜に達する絶縁分離トレンチで前記ＳＯＩ層が区切られて絶縁分離されることにより形成され、前記第１絶縁分離領域のＳＯＩ層を通電発熱させてヒータとして機能させ、前記第２絶縁分離領域のＳＯＩ層に形成された前記半導体素子を周囲から加熱することを特徴としている。

上記半導体装置では、埋め込み絶縁膜を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板で、支持基板、前記埋め込み絶縁膜およびＳＯＩ層からなる半導体基板が用いられている。また、上記埋め込み絶縁膜に達する絶縁分離トレンチにより、埋め込み絶縁膜上にあるＳＯＩ層を区切って第１絶縁分離領域と第２絶縁分離領域とし、これらを確実に絶縁分離するようにしている。そして、第１絶縁分離領域のＳＯＩ層を、第２絶縁分離領域を間に挟むようにして該ＳＯＩ層に接続されている一対の電極により通電発熱させてヒータとして機能させ、第２絶縁分離領域のＳＯＩ層に形成された半導体素子を、周囲から効率的に加熱するようにしている。
このように、上記半導体装置においては、第１絶縁分離領域を通電発熱させてヒータとして機能させ、第１絶縁分離領域内にある第２絶縁分離領域に形成された半導体素子を、局部加熱することができる。上記半導体装置の構造は、ヒータとして機能する第１絶縁分離領域が、加熱対象である半導体素子と同じ半導体基板の表層部に、半導体素子を取り囲むようにして形成されている。このため、外部への放熱ロスが小さく、加熱対象の半導体素子を、周囲から効率よく４００℃以上の高温に加熱することができる。従って、例えば、当該半導体素子の高温加速試験を４００℃以上で実施することができ、数時間程度で当該半導体素子の信頼性を評価することができる。尚、上記高温加速試験は、製造途中のチップ切り出し前のウエハ段階で行ってもよいし、当該半導体装置のチップ切り出し後に行ってもよい。また、言うまでもなく、上記半導体装置においては、半導体素子を一定温度に設定して動作させるようにして使用することも可能である。

以上のようにして、上記半導体装置は、半導体基板の表層部に形成された半導体素子を、４００℃以上に局部加熱することができると共に、高温加速試験の実施や高温での使用が可能な半導体装置となっている。

請求項２に記載のように、前記第１絶縁分離領域は、周囲に多重に形成された前記絶縁分離トレンチで絶縁分離されてなることが好ましい。これにより、第１絶縁分離領域のＳＯＩ層の発熱に伴う横方向への放熱ロスを、より抑制することができる。

また、請求項３に記載のように、前記第１絶縁分離領域に接続される電極は、半導体装置の配線材料と同じアルミニウム（Ａｌ）であってもよいし、高温で高い耐熱性を有するタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、高融点金属珪化物および多結晶シリコンのいずれかであってもよい。

上記半導体装置においては、請求項４に記載のように、前記埋め込み絶縁膜上のＳＯＩ層の不純物濃度を、深さ方向で一定とすることにより、第１絶縁分離領域のＳＯＩ層を均一に発熱させることができる。

また、請求項５に記載のように、前記埋め込み絶縁膜下の支持基板上に、当該支持基板を通電発熱させるための電極が接続されてなるように構成し、支持基板もヒータとして機能させることができる。これにより、第２絶縁分離領域のＳＯＩ層に形成された半導体素子を、周囲からだけでなく、下方からも加熱することができる。

請求項６に記載のように、前記支持基板に接続される電極は、半導体装置の配線材料と同じアルミニウム（Ａｌ）であってもよいし、高温で高い耐熱性を有するタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、高融点金属珪化物および多結晶シリコンのいずれかであってもよい。

請求項７に記載の発明は、前記半導体基板の主面側の表層部上に、層間絶縁膜が形成されている場合において、前記層間絶縁膜中に電界を形成するための電極が、前記半導体素子を覆って、層間絶縁膜上に配置されてなるように、上記半導体装置を構成することを特徴としている。

上記半導体装置においては、層間絶縁膜上に配置した電極に電圧を印加して層間絶縁膜中に電界を形成し、層間絶縁膜中に存在する可動電荷の移動を電圧（電界）で加速することができる。従って、上記した高温加速試験において、半導体素子の信頼性評価だけでなく、層間絶縁膜の絶縁耐久性についても、同時に評価することができる。

さらに、上記した半導体基板の主面側の表層部上に層間絶縁膜が形成されている場合においては、請求項８に記載のように、多結晶シリコン膜もしくはアルミニウム（Ａｌ）膜からなるヒータが、前記層間絶縁膜上に配置されてなるように、上記半導体装置を構成することもできる。

これによれば、第２絶縁分離領域に形成された半導体素子を、周囲からだけでなく、上方からも加熱することができる。

請求項９に記載したように、第１絶縁分離領域内にある前記第２絶縁分離領域は、１個に限らず、複数個であってもよい。また、請求項１０に記載のように、前記複数個の第２絶縁分離領域内にある半導体素子は、全て同じ半導体素子であってよい。

請求項１１に記載の発明は、上記した第１絶縁分離領域内に第２絶縁分離領域が複数個ある場合において、少なくとも一個の前記第２絶縁分離領域内に形成された半導体素子が、温度センサ素子として用いられ、前記第１絶縁分離領域の発熱温度が、前記温度センサ素子からの信号により制御されることを特徴としている。

これにより、前記第２絶縁分離領域内に形成された温度センサ素子からの信号を用いて、ヒータとして機能する第１絶縁分離領域の発熱温度をフィードバック制御し、別の第２絶縁分離領域内に形成された半導体素子の温度を、高温で一定になるように制御することができる。当該半導体装置においては、温度計測のための温度センサ素子と評価対象である半導体素子が、ヒータとして機能する同じ第１絶縁分離領域内に配設されている。このため、半導体素子の温度を正確にモニターできると共に、ヒータの発熱温度（従って半導体素子の温度）を精度良く制御することができる。

以上のようにして、上記半導体装置は、半導体基板の表層部に形成された半導体素子の温度を正確にモニターし、ヒータとして機能する第１絶縁分離領域により半導体素子を加熱して、所定の温度に精度良く制御することができる。これによって、上記半導体装置は、高い温度設定精度で、高温加速試験の実施や一定温度での使用が可能な半導体装置となっている。

請求項１２に記載のように、前記温度センサ素子が、複数個ある場合には、前記温度センサ素子が形成された各第２絶縁分離領域が、前記温度センサ素子以外の半導体素子が形成された第２絶縁分離領域を取り囲んで配置されてなるように構成することが好ましい。

例えば、温度センサ素子が形成された第２絶縁分離領域を、温度センサ素子以外の評価対象である半導体素子が形成された第２絶縁分離領域を取り囲んで、４方向全てに配置することで、評価対象である半導体素子の温度を、精度良く設定することができる。

請求項１３に記載のように、前記温度センサ素子として用いる半導体素子は、例えば、拡散抵抗、ダイオード、バイポーラトランジスタもしくはＭＯＳトランジスタのいずれかとすることができる。また、これ以外の半導体素子であってもよい。但し、温度センサ素子として用いる半導体素子は、評価対象の半導体素子と同じであることが好ましい。これにより、評価対象である半導体素子の温度を、より正確にモニターすることができる。

請求項１４に記載のように、上記半導体装置は、前記半導体素子が、一定温度での使用されることが望ましいガスセンサもしくは振動子型素子である場合に好適である。

さらに、請求項１５に記載のように、前記半導体装置は、ヒータとして機能する第１絶縁分離領域を備えており、半導体素子を加熱して、一定温度で安定して動作させることができる。このため、宇宙空間などの極低温環境等、室温以下の低温環境で用いられる場合にも好適である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の半導体装置の一例で、図１（ａ）は半導体装置１００の模式的な上面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一点鎖線Ｂ−Ｂ’における模式的な断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｃ’における模式的な断面図である。

図１（ａ）〜（ｃ）に示す半導体装置１００は、半導体基板１０の主面側の表層部に形成された第１絶縁分離領域Ｚ１と、第１絶縁分離領域Ｚ１に取り囲まれ、第１絶縁分離領域Ｚ１と絶縁分離された第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂとを有している。

第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂ内には、半導体素子Ｄａ，Ｄｂが形成されている。図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００における半導体素子Ｄａ，Ｄｂは、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタである。また、第１絶縁分離領域Ｚ１を通電発熱させるための電極Ｈａ，Ｈｂが、半導体基板１０上に形成された絶縁膜２０を介して、第１絶縁分離領域Ｚ１に接続されている。

半導体基板１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、埋め込み絶縁膜１ｂを有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板で、支持基板１ａ、埋め込み絶縁膜１ｂおよびＳＯＩ層１ｃ（Ｎ−）からなる。尚、半導体素子Ｄａ，Ｄｂの特性向上のため、ＳＯＩ層１ｃ中の埋め込み絶縁膜１ｂ上には、高濃度層１ｄ（Ｎ＋）が形成されている。

第１絶縁分離領域Ｚ１と第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂは、それぞれ、埋め込み絶縁膜１ｂに達する絶縁分離トレンチＴ１，Ｔ２ａ，Ｔ２ｂによって形成されている。この埋め込み絶縁膜１ｂに達する絶縁分離トレンチＴ１，Ｔ２ａ，Ｔ２ｂにより、埋め込み絶縁膜１ｂ上にあるＳＯＩ層１ｃを区切って第１絶縁分離領域Ｚ１と第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂとし、これらを確実に絶縁分離することができる。また、第１絶縁分離領域Ｚ１のＳＯＩ層１ｃを通電発熱させてヒータとして機能させ、第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂのＳＯＩ層１ｃに形成された半導体素子Ｄａ，Ｄｂを、周囲から効率的に加熱することができる。

以上のように、図１（ａ）〜（ｃ）に示す半導体装置１００においては、第１絶縁分離領域Ｚ１を通電発熱させてヒータとして機能させ、第１絶縁分離領域Ｚ１内にある第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂに形成された半導体素子Ｄａ，Ｄｂを、局部加熱することができる。図１（ａ）〜（ｃ）に示す半導体装置１００の構造は、図４（ａ），（ｂ）に示す従来の半導体装置９０の構造と異なり、ヒータとして機能する第１絶縁分離領域Ｚ１が、加熱対象である半導体素Ｄａ，Ｄｂと同じ半導体基板１０の表層部に、半導体素子Ｄａ，Ｄｂを取り囲むようにして形成されている。このため、外部への放熱ロスが小さく、加熱対象の半導体素子Ｄａ，Ｄｂを、周囲から効率よく４００℃以上の高温に加熱することができる。従って、例えば、半導体素子Ｄａ，Ｄｂの高温加速試験を４００℃以上で実施することができ、数時間程度で半導体素子Ｄａ，Ｄｂの信頼性を評価することができる。尚、高温加速試験は、製造途中のチップ切り出し前のウエハ段階で行ってもよいし、半導体装置１００のチップ切り出し後に行ってもよい。また、言うまでもなく、図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００においては、半導体素子Ｄａ，Ｄｂを一定温度に設定して動作させるようにして使用することも可能である。

以上のようにして、図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００は、半導体基板１０の表層部に形成された半導体素子Ｄａ，Ｄｂを、４００℃以上に局部加熱することができると共に、高温加速試験の実施や高温での使用が可能な半導体装置となっている。

尚、第１絶縁分離領域Ｚ１に接続される電極Ｈａ，Ｈｂは、半導体装置１００の配線材料と同じアルミニウム（Ａｌ）であってもよいし、高温で高い耐熱性を有するタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、高融点金属珪化物および多結晶シリコンのいずれかであってもよい。

図１（ａ）〜（ｃ）に示す半導体装置１００のように、ＳＯＩ構造半導体基板と絶縁分離トレンチを用いた半導体装置においては、図１（ａ）〜（ｃ）に示す第１絶縁分離領域Ｚ１を形成する絶縁分離トレンチＴ１を、２以上の多重の絶縁分離トレンチとすることができる。これにより、絶縁分離トレンチＴ１が１重である図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００に較べて、第１絶縁分離領域Ｚ１のＳＯＩ層１ｂの発熱に伴う横方向への放熱ロスを、より抑制することができる。

また、図１（ａ）〜（ｃ）に示す半導体装置１００においては、埋め込み絶縁膜１ｂ上に高濃度層１ｄが形成されているが、高濃度層１ｄを形成せず、埋め込み絶縁膜１ｂ上のＳＯＩ層１ｃの不純物濃度を、深さ方向で一定としてもよい。これにより、第１絶縁分離領域Ｚ１のＳＯＩ層１ｂを均一に発熱させることができる。

さらに、図１（ａ）〜（ｃ）に示す半導体装置１００において、半導体基板１０の裏面側、すなわち埋め込み絶縁膜１ｂ下の支持基板１ａ上に、主面側の電極Ｈａ，Ｈｂと同様にして、支持基板１ａを通電発熱させるための電極を接続してもよい。これにより、支持基板１ａもヒータとして機能させることができ、第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂのＳＯＩ層１ｃに形成された半導体素子Ｄａ，Ｄｂを、周囲からだけでなく、下方からも加熱することができる。尚、上記支持基板１ａに接続される電極についても、主面側の電極Ｈａ，Ｈｂと同様に、半導体装置１００の配線材料と同じアルミニウム（Ａｌ）であってもよいし、高温で高い耐熱性を有するタングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、高融点金属珪化物および多結晶シリコンのいずれかであってもよい。

図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００では、第１絶縁分離領Ｚ１内に、２個の第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂ（従って、２個の半導体素子Ｄａ，Ｄｂ）がある。しかしながら、本発明の半導体装置はこれに限らず、第１絶縁分離領域内にある第２絶縁分離領域（従って、半導体素子）は、１個であってもよいし、３個以上の任意の複数個であってもよい。また、図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００では、２個の第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂには、半導体素子Ｄａ，Ｄｂとして、同じＮＰＮ型バイポーラトランジスタが形成されている。このように、複数個の第２絶縁分離領域内の半導体素子が、全て同じ半導体素子であってよいし、これに限らず、複数個の第２絶縁分離領域内にそれぞれ異なる半導体素子が形成されていてもよい。

図１（ａ）〜（ｃ）に示す半導体装置１００のように、第１絶縁分離領域Ｚ１内に第２絶縁分離領域Ｚ２ａ，Ｚ２ｂ（従って、半導体素子Ｄａ，Ｄｂ）が複数個ある場合には、少なくとも一個の第２絶縁分離領域内に形成された半導体素子（例えば、第２絶縁分離領域Ｚ２ｂ内に形成された半導体素子Ｄｂ）を、温度センサ素子として用いることができる。従って、この温度センサ素子Ｄｂからの信号により、第１絶縁分離領域Ｚ１の発熱温度を制御することができる。

このように、図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００では、一つの第２絶縁分離領域Ｚ２ｂ内に形成された温度センサ素子Ｄｂからの信号を用いて、ヒータとして機能する第１絶縁分離領域Ｚ１に流す電流に随時フィードバックし、第１絶縁分離領域Ｚ１の発熱温度をフィードバック制御する。これによって、第１絶縁分離領域Ｚ１の発熱温度、ひいては別の第２絶縁分離領域Ｚ２ａ内に形成された半導体素子Ｄａの温度を、高温で一定になるように制御することができる。図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００では、図４（ａ），（ｂ）の半導体装置９０と異なり、温度計測のための温度センサ素子Ｄｂと評価対象である半導体素子Ｄａが、ヒータとして機能する同じ第１絶縁分離領域Ｚ１内に配設されている。このため、半導体素子Ｄａの温度を正確にモニターできると共に、ヒータの発熱温度（従って半導体素子の温度）を精度良く制御することができる。

以上のようにして、第２絶縁分離領域Ｚ２ｂ内に形成された半導体素子Ｄｂを温度センサ素子として用いる図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００は、半導体基板１０の表層部に形成された半導体素子Ｄａの温度を正確にモニターし、ヒータとして機能する第１絶縁分離領域Ｚ１により半導体素子Ｄａを加熱して、所定の温度に精度良く制御することができる。これによって、半導体装置１００は、高い温度設定精度で、高温加速試験の実施や一定温度での使用が可能な半導体装置となっている。

尚、上記した図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００においては温度センサ素子Ｄｂが１個であるが、温度センサ素子が複数個ある場合には、温度センサ素子が形成された各第２絶縁分離領域が、温度センサ素子以外の評価対象である半導体素子が形成された第２絶縁分離領域を取り囲んで配置されてなるように構成することが好ましい。例えば、温度センサ素子が形成された第２絶縁分離領域を、温度センサ素子以外の評価対象である半導体素子が形成された第２絶縁分離領域を取り囲んで、４方向全てに配置することで、評価対象である半導体素子の温度を、精度良く設定することができる。

以上のように、温度センサ素子として用いる半導体素子は、例えば、拡散抵抗、ダイオード、バイポーラトランジスタもしくはＭＯＳトランジスタのいずれかとすることができる。拡散抵抗は、抵抗−温度特性で、温度をモニターすることができる。ダイオード、バイポーラトランジスタもしくはＭＯＳトランジスタのようなＰＮ接合が形成された半導体素子は、ＰＮ接合の順方向電圧（Ｖｆ）で、温度をモニターすることができる。また、上記以外の半導体素子であってもよい。但し、温度センサ素子として用いる半導体素子は、評価対象の半導体素子と同じであることが好ましい。これにより、評価対象である半導体素子の温度を、より正確にモニターすることができる。

尚、第２絶縁分離領域に形成された半導体素子温度センサ素子として利用しない場合には、図４（ａ），（ｂ）に示す従来の半導体装置９０と同様にして、半導体基板１０上に、絶縁膜を介して金属抵抗からなる温度センサを配置してもよい。

図２（ａ），（ｂ）は、本発明における別の半導体装置の例で、図２（ａ）は半導体装置１０１の模式的な上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の一点鎖線Ｄ−Ｄ’における模式的な断面図である。尚、図２（ａ），（ｂ）の半導体装置１０１において、図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００と同様の部分については、同じ符号を付した。

図２（ａ），（ｂ）に示す半導体装置１０１では、図１（ａ）〜（ｃ）の半導体装置１００に加えて、半導体基板１０の主面側の表層部上に、層間絶縁膜２１が形成されている。また、層間絶縁膜２１中に電界を形成するための電極Ｅａが、半導体素子Ｄａを覆って、層間絶縁膜２１上に配置されている。

図２（ａ），（ｂ）の半導体装置１０１においては、層間絶縁膜２１上に配置した電極Ｅａに電圧を印加して層間絶縁膜２１中に電界を形成し、層間絶縁膜２１中に存在する可動電荷の移動を電圧（電界）で加速することができる。従って、上記した高温加速試験において、半導体素子Ｄａの信頼性評価だけでなく、層間絶縁膜２１の絶縁耐久性についても、同時に評価することができる。

また、図２（ａ），（ｂ）に示す半導体装置１０１のように、半導体基板１０の主面側の表層部上に層間絶縁膜２１が形成されている場合においては、多結晶シリコン膜もしくはアルミニウム（Ａｌ）膜からなるヒータを、層間絶縁膜２１上に配置することもできる。これによれば、第２絶縁分離領域に形成された半導体素子を、周囲からだけでなく、図４（ａ），（ｂ）に示す従来の半導体装置９０と同様にして、上方からも加熱することができる。

図３（ａ），（ｂ）は、本発明ではないが参考とする半導体装置の例で、図３（ａ）は半導体装置１１０の模式的な上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の一点鎖線Ｅ−Ｅ’における模式的な断面図である。

図３（ａ），（ｂ）に示す半導体装置１１０は、半導体基板１１の主面側の表層部に形成された第１絶縁分離領域Ｚ３と、第１絶縁分離領域Ｚ３に取り囲まれ、第１絶縁分離領域Ｚ３と絶縁分離された第２絶縁分離領域Ｚ４とを有している。

第２絶縁分離領域Ｚ４内には、半導体素子Ｄｃが形成されている。また、第１絶縁分離領域Ｚ３を通電発熱させるための電極Ｈｃ，Ｈｄが、半導体基板１１上に形成された絶縁膜２０を介して、第１絶縁分離領域Ｚ３に接続されている。

図３（ａ），（ｂ）に示す半導体装置１１０では、通常のシリコン（Ｓｉ）や、それ以外の任意の半導体基板１１にトレンチを形成して、ヒータとして機能させる第１絶縁分離領域Ｚ３が、側壁絶縁膜６を介してトレンチ内に埋め込まれた多結晶シリコンからなるようにしている。

図３（ａ），（ｂ）の半導体装置１１０においても、多結晶シリコンからなる第１絶縁分離領域Ｚ３に側壁絶縁膜６を介して取り囲まれた第２絶縁分離領域Ｚ４内の半導体素子Ｄｃを、周囲から効率よく局部加熱することができる。半導体装置１１０においては、ヒータとして機能させる第１絶縁分離領域Ｚ３が、トレンチ内に埋め込まれた多結晶シリコンであり、占有面積が小さくて済む。このため、図３（ａ），（ｂ）の半導体装置１１０は、図１（ａ）〜（ｃ）の第１絶縁分離領域Ｚ１がＳＯＩ層１ｃである半導体装置１００に較べて、小型化が可能である。

尚、埋め込み絶縁膜を有するＳＯＩ構造の半導体基板を用いて、埋め込み絶縁膜に達するトレンチを形成し、トレンチ内に埋め込まれた多結晶シリコンを第１絶縁分離領域とする半導体装置を形成してもよい。この場合には、トレンチ内に埋め込まれた多結晶シリコンからなる第１絶縁分離領域に取り囲まれたＳＯＩ層に、図１（ａ）〜（ｃ）と同様にして、絶縁分離された複数個の第２絶縁分離領域（従って、複数個の半導体素子）を形成することができる。

図３（ａ），（ｂ）の半導体装置１１０のように、任意の半導体基板１１を用いる場合には、半導体基板１１の裏面側に、絶縁膜を介して、多結晶シリコン膜もしくはアルミニウム（Ａｌ）膜からなるヒータを配置してもよい。これによっても、第２絶縁分離領域Ｚ４に形成された半導体素子Ｄｃを、周囲からだけでなく、下方からも加熱することができる。

図１〜図３に示した半導体装置１００，１０１，１１０は、半導体素子Ｄａ〜Ｄｃが、一定温度での使用されることが望ましいガスセンサもしくは振動子型素子である場合に好適である。

また、上記した半導体装置１００，１０１，１１０は、同じウエハ上の別位置に形成される半導体素子Ｄａ〜Ｄｃのモニター用として、高温加速試験に、好適に用いることができる。

さらに、上記した半導体装置１００，１０１，１１０は、ヒータとして機能する第１絶縁分離領域Ｚ１，Ｚ３を備えており、半導体素子Ｄａ〜Ｄｃを加熱して、一定温度で安定して動作させることができる。このため、宇宙空間などの極低温環境等、室温以下の低温環境で用いられる場合にも好適である。

以上のようにして、本発明の半導体装置は、半導体基板の表層部に形成された半導体素子を、４００℃以上に局部加熱することができると共に、当該半導体素子の温度を正確にモニターすることができ、高温加速試験の実施や一定温度での使用が可能な半導体装置となっている。

本発明の半導体装置の一例で、（ａ）は半導体装置１００の模式的な上面図である。また、（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線Ｂ−Ｂ’における模式的な断面図であり、（ｃ）は、（ａ）の一点鎖線Ｃ−Ｃ’における模式的な断面図である。本発明における別の半導体装置の例で、（ａ）は半導体装置１０１の模式的な上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線Ｄ−Ｄ’における模式的な断面図である。本発明ではないが参考とする半導体装置の例で、（ａ）は半導体装置１１０の模式的な上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線Ｅ−Ｅ’における模式的な断面図である。従来の半導体装置で、（ａ）は、半導体装置９０の模式的な上面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ’での模式的な断面図である。

符号の説明

９０，１００，１０１，１１０半導体装置
１，１０半導体基板
Ｚ１，Ｚ３第１絶縁分離領域
Ｚ２ａ，Ｚ２ｂ，Ｚ４第２絶縁分離領域
Ｄａ〜Ｄｃ半導体素子
Ｈａ〜Ｈｄ電極
１ａ支持基板
１ｂ埋め込み絶縁膜
１ｃＳＯＩ層
Ｔ１，Ｔ２ａ，Ｔ２ｂ絶縁分離トレンチ
２１層間絶縁膜
Ｅａ電極
６側壁絶縁膜

Claims

半導体基板の主面側の表層部に形成された第１絶縁分離領域と、前記第１絶縁分離領域に取り囲まれ、前記第１絶縁分離領域と絶縁分離された第２絶縁分離領域とを有してなり、
前記第２絶縁分離領域内に半導体素子が形成され、
前記第１絶縁分離領域に、当該第１絶縁分離領域を通電発熱させるための一対の電極が、前記第２絶縁分離領域を間に挟むようにして接続されてなる半導体装置であって、
前記半導体基板が、埋め込み絶縁膜を有するＳＯＩ構造の半導体基板で、支持基板、前記埋め込み絶縁膜およびＳＯＩ層からなり、
前記第１絶縁分離領域と第２絶縁分離領域が、前記埋め込み絶縁膜に達する絶縁分離トレンチで前記ＳＯＩ層が区切られて絶縁分離されることにより形成され、
前記第１絶縁分離領域のＳＯＩ層を通電発熱させてヒータとして機能させ、前記第２絶縁分離領域のＳＯＩ層に形成された前記半導体素子を周囲から加熱することを特徴とする半導体装置。
前記第１絶縁分離領域が、周囲に多重に形成された前記絶縁分離トレンチで絶縁分離されてなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第１絶縁分離領域に接続される電極が、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、高融点金属珪化物および多結晶シリコンのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記埋め込み絶縁膜上のＳＯＩ層の不純物濃度が、深さ方向で、一定であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記埋め込み絶縁膜下の支持基板上に、当該支持基板を通電発熱させるための電極が接続されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記支持基板に接続される電極が、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、高融点金属珪化物および多結晶シリコンのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
前記半導体基板の主面側の表層部上に、層間絶縁膜が形成されてなり、
前記層間絶縁膜中に電界を形成するための電極が、前記半導体素子を覆って、層間絶縁膜上に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記半導体基板の主面側の表層部上に、層間絶縁膜が形成されてなり、
多結晶シリコン膜もしくはアルミニウム（Ａｌ）膜からなるヒータが、前記層間絶縁膜上に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記第２絶縁分離領域が、複数個あることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記複数個の第２絶縁分離領域内にある半導体素子が、全て同じ半導体素子であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
少なくとも一個の前記第２絶縁分離領域内に形成された半導体素子が、温度センサ素子として用いられ、
前記第１絶縁分離領域の発熱温度が、前記温度センサ素子からの信号により制御されることを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体装置。
前記温度センサ素子が、複数個あり、
前記温度センサ素子が形成された各第２絶縁分離領域が、前記温度センサ素子以外の半導体素子が形成された第２絶縁分離領域を取り囲んで配置されてなることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
前記温度センサ素子が、拡散抵抗、ダイオード、バイポーラトランジスタもしくはＭＯＳトランジスタのいずれかであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体装置。
前記半導体素子が、ガスセンサもしくは振動子型素子であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記半導体装置が、室温以下の低温環境で用いられることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の半導体装置。