JP5843045B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、機能素子が形成された半導体基板上に再配線層を備える半導体装置に関する。
半導体装置の一つとしてESD(Electro-Static-Discharge)保護デバイスがある。ESD保護デバイスは半導体IC等を静電気等から保護する。移動体通信端末、デジタルカメラ、ノート型PCをはじめとする各種電子機器には、ロジック回路やメモリー回路等を構成する半導体集積回路が備えられている。このような半導体集積回路は、半導体基板上に形成された微細配線パターンで構成された低電圧駆動回路であるため、一般に、サージのような静電気放電に対しては脆弱である。そこで、このような半導体集積回路をサージから保護するため、ESD保護デバイスが用いられる。
ESD保護デバイスを高周波回路中に設けた場合に、ダイオードの寄生容量の影響を受けるという問題がある。すなわち、ESDデバイスが信号線路に挿入されることにより、ダイオードの寄生容量の影響でインピーダンスがずれてしまい、その結果、信号のロスが生じることがある。特に高周波回路に用いられるESD保護デバイスには、接続される信号線路や保護対象である集積回路の高周波特性を低下させないため、寄生容量の小さいことが要求される。そこで、特許文献1には、ダイオードの寄生容量による影響を軽減して回路特性の劣化を抑制したESD保護デバイスが開示されている。
特許文献1では、半導体基板のESD保護回路が形成されている面には、保護膜としてSiO2からなる無機絶縁層が設けられていて、この無機絶縁層にはCuからなる面内配線が設けられている。このため、特許文献1では、ダイオードの寄生容量による影響を軽減できても、面内配線と半導体基板との間に生じる寄生容量を抑制できず、ESD保護デバイス自体の容量の増加を防止できないといった問題がある。また、寄生容量が発生すると、高周波数帯域が制限されるため、ESD保護回路を高周波数帯域で使用できなくなるといった問題もある。
そこで、本発明の目的は、寄生容量の発生を軽減でき、より高周波帯域まで適用できる半導体装置を提供することにある。
本発明に係る半導体装置は、機能素子が形成された半導体基板と、前記半導体基板の表面と対向している第1配線電極および第2配線電極と、前記機能素子および前記第1配線電極の一部を導通させる第1コンタクトホールと、前記機能素子および前記第2配線電極の一部を導通させる第2コンタクトホールと、を含む再配線層と、を備え、前記機能素子は、前記表面に形成され、前記第1コンタクトホールを介して前記第1配線電極に導通する第1入出力電極と、前記表面に形成され、前記第2コンタクトホールを介して前記第2配線電極に導通する第2入出力電極と、前記表面に形成され、前記第1入出力電極および前記第2入出力電極から隔離した中間配線電極と、前記第1入出力電極と前記中間配線電極との間に形成された第1ダイオード形成領域と、前記第2入出力電極と前記中間配線電極との間に形成された第2ダイオード形成領域と、を有し、前記第1配線電極は、平面視で、前記第2ダイオード形成領域と重ならず、前記第2配線電極は、平面視で、前記第1ダイオード形成領域と重ならないことを特徴とする。
この構成では、第1配線電極と2ダイオード形成領域との間、および、第2配線電極と第1ダイオード形成領域との間に不要な寄生容量の発生を防止できる。寄生容量を抑制することで、より高周波帯域まで適用できる。
前記機能素子はESD保護回路であり、前記第1配線電極および前記第2配線電極はESD電流の電流路であることが好ましい。
この構成では、寄生容量の発生を抑制することで、ESD保護回路である高周波回路のインピーダンスのずれを軽減でき、高周波回路の信号ロスを軽減できる。
前記第1ダイオード形成領域には、前記第1入出力電極に導通する第1櫛歯状電極、および前記中間配線電極に導通する第2櫛歯状電極が設けられ、前記第2ダイオード形成領域には、前記中間配線電極に導通する第3櫛歯状電極、および前記第2入出力電極に導通する第4櫛歯状電極が設けられていることが好ましい。
この構成では、限られた占有面積で、ESLが小さく電流容量の大きなダイオードを構成できる。
前記中間配線電極は、第1方向に沿って対向して設けられ、前記第1方向を長手方向とする一対の第1中間配線電極および第2中間配線電極と、前記第1方向に直交する第2方向に沿って設けられ、前記第1中間配線電極および第2中間配線電極を導通する第3中間配線電極と、を有し、前記第1入出力電極および前記第2入出力電極は、前記第1中間配線電極および第2中間配線電極と前記第3中間配線電極とに囲まれた領域に設けられ、かつ、前記第3中間配線電極を介して対向するように設けられ、前記第1ダイオード形成領域は、前記第1入出力電極と前記第1中間配線電極との間に形成され、前記第2ダイオード形成領域は、前記第2入出力電極と前記第2中間配線電極との間に形成され、前記第1配線電極は、前記第1中間配線電極と、前記第1中間配線電極および前記第2入出力電極の間の領域と、前記第2入出力電極とに対向する形状を有し、前記第2配線電極は、前記第2中間配線電極と、前記第2中間配線電極および前記第1入出力電極の間の領域と、前記第1入出力電力とに対向する形状を有していることが好ましい。
この構成では、寄生容量の発生を抑制することで、ESD保護回路である高周波回路のインピーダンスのずれを軽減でき、高周波回路の信号ロスを軽減できる。
本発明によれば、不要な寄生容量の発生を防止でき、寄生容量を抑制することで、より高周波帯域まで適用できる。
以下では、本発明に係る半導体装置についてESD保護デバイスを例に挙げて説明する。
図1は本実施形態に係るESD保護デバイス1の正面断面図である。図2はESD保護デバイス1の各層の平面図である。ESD保護デバイス1は、CSP(Chip Size Package)タイプのデバイスであり、ダイオードおよびツェナーダイオードを含むESD保護回路10Aが構成されたSi基板10に、複数の樹脂層等を含む再配線層20が形成されている。Si基板10は、本発明に係る半導体基板に相当するが、本発明に係る半導体基板はSi基板には限定されず、GaAs基板などであってもよい。
図3はSi基板10に形成されたESD保護回路10Aを示す図である。図4は、ESD保護回路10Aの構造例を示す図である。
Si基板10には素子形成領域が形成されていて、それらに各領域にAl電極膜111,112,113,121,131が設けられている。Al電極膜111,112は、矩形状のSi基板10の長手方向に直交する方向(以下、短手方向という。)に沿って平行に設けられている。Al電極膜113は、Si基板10の長手方向に沿って形成され、Al電極膜111,112を導通している。これらAl電極膜111,112,113が設けられた領域のSi基板10の厚み方向にはツェナーダイオードDzが形成されている。Al電極膜111は本発明に係る第1中間電極に相当し、Al電極膜112は本発明に係る第2中間電極に相当し、Al電極膜113は本発明に係る第3中間電極に相当する。
Al電極膜121,131は、Al電極膜111,112,113に囲まれた領域に形成されている。より詳しくは、Al電極膜121,131は、Al電極膜111,112の間であって、かつ、Al電極膜113が間に介在するように、形成されている。Al電極膜121は本発明に係る第1入出力電極に相当し、Al電極膜131は本発明に係る第2入出力電極に相当する。Al電極膜121が設けられた領域のSi基板10の厚み方向には、ダイオードD2が形成され、Al電極膜131が設けられた領域のSi基板10の厚み方向には、ダイオードD4が形成されている。Al電極膜121,131はESD保護回路10Aの入出力端である。
Al電極膜111,121の間、Al電極膜112,121の間、Al電極膜111,131の間、および、Al電極膜112,131の間にはそれぞれ、ダイオード形成領域141,142,143,144が形成されている。ダイオード形成領域141は本発明に係る第1ダイオードの形成領域に相当し、ダイオード形成領域144は本発明に係る第2ダイオードの形成領域に相当する。なお、ダイオード形成領域142,143は形成されていなくてもよい。
ダイオード形成領域141,142,143,144それぞれには、対向する一対の櫛歯状電極膜が形成されていて、各領域にダイオードD1a,D1b,D3a,D3bが形成されている。ダイオード形成領域141の櫛歯状電極膜は、一方がAl電極膜111に接続し、他方がAl電極膜121に接続している。ダイオード形成領域142の櫛歯状電極膜は、一方がAl電極膜121に接続し、他方がAl電極膜112に接続している。ダイオード形成領域143の櫛歯状電極膜は、一方がAl電極膜111に接続し、他方がAl電極膜131に接続している。ダイオード形成領域144の櫛歯状電極膜は、一方がAl電極膜131に接続し、他方がAl電極膜112に接続している。櫛歯状電極でダイオードを形成することで、限られた占有面積で、ESLが小さく電流容量の大きなダイオードを構成できる。
以下に、Si基板10の具体的構成について説明する。図5は、図4に示す構造のSi基板10の模式図である。
Si基板10はp+型基板であって、このp+型基板にSTI(ShallowTrench Isolation)法により素子分離膜110Aが形成されている。素子分離膜110Aで形成された領域それぞれには、ダイオードD1〜D4およびツェナーダイオードDzが形成されている。詳しくは、nエピタキシャル層が形成され、n+拡散層によって、Si基板10の厚み方向にダイオードD2,D4が形成されている。また、pウェルが形成され、n+拡散層によって、Si基板10の厚み方向にツェナーダイオードDzが形成されている。さらに、nエピタキシャル層内にnウェルが形成され、p+拡散層およびn+拡散層によって、Si基板10の表面にダイオードD1,D3が形成されている。
Si基板10の表面には、SiO2膜110Bが形成され、ダイオードD1のアノード,およびダイオードD2のカソードを接続するようにAl電極膜121が形成され、ダイオードD3のアノード,およびダイオードD4のカソードを接続するようにAl電極膜131が形成されている。さらに、ダイオードD1,D3およびAl電極膜121,131の形成領域以外のSi基板10の表面には、Al電極111,121,131が形成されている。
このように形成されることで、Si基板10のESD保護回路10Aは、図3に示す回路となる。なお、図3では、ダイオードD1a,D1bはダイオードD1とし、ダイオードD3a,D3bはダイオードD3としている。ダイオードD1aは、本発明に係る第1ダイオードに相当する。ダイオードD3aは、本発明に係る第2ダイオードに相当する。
ダイオードD1,D2は順方向が揃って直列接続され、ダイオードD3,D4は順方向が揃って直列接続されている。また、ダイオードD1,D2およびダイオードD3,D4それぞれは、順方向が揃ってツェナーダイオードDzに対し並列接続されている。さらに、ツェナーダイオードDzは、ダイオードD1,D4の形成領域の間およびダイオードD2,D3の形成領域の間に形成されている。
図1に戻り、Si基板10の表層に形成された再配線層20は、Si基板10の表面に形成された保護膜21および樹脂層22を含んでいる。この保護膜21は、SiNまたはSiO2である。保護膜21は、Si基板10の表面にスパッタリングされ、エッチングにより開口が形成されている。この開口は、Si基板10のAl電極膜121,131の一部を露出するように形成されている。樹脂層22は、エポキシ系(またはポリイミド系)ソルダージレストのスピンコーティングにより形成されている。樹脂層22には、Al電極膜121,131の一部を露出させるコンタクトホール22A,22Bが形成されている。
このコンタクトホール22A,22Bおよびこのコンタクトホール22A,22Bの周辺領域には、Ti/Cu/Ti電極24A,24Bが形成されている。Ti/Cu/Ti電極24A,24Bは、Si基板10の表面に対向する平面部分を有し、かつ、樹脂層22のコンタクトホール22A,22Bを通じてAl電極膜121,131に導通している。Ti/Cu/Ti電極24A,24Bは、ESD保護デバイス1のサージ電流(ESD電流)の電流経路である。
Ti/Cu/Ti電極24A,24Bの平面部分の一部には、Au/Niからなる外部電極23A,23Bが形成されている。外部電極23A,23Bが形成されるTi/Cu/Ti電極24A,24Bの部分は、エッチングされてCuが露出されていて、外部電極23A,23Bは、露出したCu部分に選択的めっきされている。この外部電極23A,23Bは、ESD保護デバイス1の入出力用の端子電極である。Ti/Cu/Ti電極24Aは本発明に係る第1配線電極に相当し、Ti/Cu/Ti電極24Bは本発明に係る第2配線電極に相当する。
Ti/Cu/Ti電極24Aは、ESD保護デバイス1の厚み方向において、Si基板10に形成されたAl電極膜112,121およびダイオード形成領域142に対向し、かつ、ダイオード形成領域144に対向しないように形成されている。Ti/Cu/Ti電極24Bは、ESD保護デバイス1の厚み方向において、Si基板10に形成されたAl電極膜111,131およびダイオード形成領域143に対向し、かつ、ダイオード形成領域141に対向しないように形成されている。
Ti/Cu/Ti電極24A,24BがSi基板10に形成されたツェナーダイオードDzを覆うようことにより、ツェナーダイオードからのノイズの輻射が防止される。また、Ti/Cu/Ti電極24Aがダイオード形成領域144に対向せず、Ti/Cu/Ti電極24Bがダイオード形成領域141に対向しないことで、不要な寄生容量が抑制され、インピーダンス整合がずれることなく、より高い周波数帯域まで使用可能となる。
再配線層20は、樹脂層22にさらに形成された樹脂層26を含んでいる。樹脂層26は、例えば低誘電率のエポキシ樹脂の層である。樹脂層26のうち、ESD保護デバイス1の入出力端とするTi/Cu/Ti電極24A,24Bの一部と対向する部分には、矩形状の開口26A,26Bが形成されている。
なお、本実施形態では、Si基板10にツェナーダイオードDzなど形成して、ESD保護回路10Aを構成した例を示したが、例えば、PNP型半導体、またはNPN型半導体をSi基板10に形成して、それを用いた回路を構成してもよい。
以下に、Ti/Cu/Ti電極24A,24Bがダイオード形成領域141,144に重ならないことで、寄生容量が抑制できる理由について説明する。
まず、本実施形態に係るESD保護デバイスの接続例および動作原理を説明する。
図6Aおよび図6Bは、本実施形態に係るESD保護デバイス1の接続例を示す図である。ESD保護デバイス1は電子機器に搭載される。電子機器の例として、ノートPC、タブレット型端末装置、携帯電話機、デジタルカメラ、携帯型音楽プレーヤなどが挙げられる。
図6Aでは、I/Oポート100と保護すべきIC101とを接続する信号ラインと、GNDとの間にESD保護デバイス1を接続した例を示す。I/Oポート100は、例えばアンテナが接続されるポートである。本実施形態に係るESD保護デバイス1は双方向型であって、第1入出力端および第2入出力端の何れが入力側であってもよい。例えば第1入出力端を入力側とした場合、信号ラインに第1入出力端が接続され、第2入出力端がGNDに接続される。
図6Bでは、コネクタ102とIC101とを接続する信号ラインと、GNDラインとの間にESD保護デバイス1を接続した例を示す。この例の信号ラインは、例えば、高速伝送線路(差動伝送線路)であって、複数の信号ラインそれぞれと、GNDラインとの間にESD保護デバイス1が接続されている。
図7および図8は、本実施形態に係るESD保護デバイスの動作原理を説明するための図である。
図7は、第1入出力端(外部電極23A)に繋がる入出力ポートP1(Al電極膜121)から、第2入出力端(外部電極23B)に繋がる入出力ポートP2(Al電極膜131)へ電流が流れる場合を説明するための図である。ツェナーダイオードDzのツェナー電圧を超えるサージ電圧が印加されると、図中破線で示すように、第1入力端から入ってきたサージ電流は、入出力ポートP1からダイオードD1、ツェナーダイオードDzおよびダイオードD4の経路を流れ、入出力ポートP2からグランドへ放電される。
図8は、第2入出力端(外部電極23B)に繋がる入出力ポートP2から、第1入出力端(外部電極23A)に繋がる入出力ポートP1へ電流が流れる場合を説明するための図である。この場合、図中破線で示すように、第2入力端から入ってきたサージ電流は、入出力ポートP2からダイオードD3、ツェナーダイオードDzおよびダイオードD2の経路を流れ、入出力ポートP1からグランドへ放電される。
次に、本実施の形態に係るESD保護デバイス1が寄生容量を抑制できる理由について説明する。
図9Aは、ESD保護デバイスの要部平面図であり、図9Bは、図9AのA−A線における断面図である。また、本実施形態に係るESD保護デバイス1との対比するため、不適切な例として図10を示す。図10AはTi/Cu/Ti電極24A,24Bがダイオード形成領域141,144を覆う構成とした場合の平面図であり、図10Bは、図10AのB−B線における断面図、図10Cは、図10AのC−C線における断面図である。
本実施形態では、図10Bに示すように、Si基板10のAl電極膜111とTi/Cu/Ti電極24Aとの間に寄生容量Cf1が生じ、Al電極膜112とTi/Cu/Ti電極24Bとの間に寄生容量Cf2が生じる。これに対し、図10Aに示す構成では、さらに、Al電極膜121に接続する櫛歯状電極とTi/Cu/Ti電極24Aとの間に寄生容量Cf3が生じ(図10B参照)、Al電極膜131に接続する櫛歯状電極とTi/Cu/Ti電極24Bとの間に寄生容量Cf4が生じる(図10C参照)。
図11は、寄生容量を考慮したSi基板10に形成されたESD保護回路10Aを示す図である。本実施形態に係るESD保護デバイス1の場合、寄生容量Cf3,Cf4が生じないため、寄生容量Cf1,Cf2の直列回路のみが形成される。一方で、寄生容量Cf3,Cf4が生じた場合、寄生容量Cf1,Cf2の直列回路に、寄生容量Cf3,Cf4が並列接続された構成となる。この結果、ESD保護デバイス1のインピーダンスが低くなる。そのため、寄生容量Cf3,Cf4が生じた場合では、高周波帯域での使用ができなくなる。これに対し、本実施形態に係るESD保護デバイス1は、寄生容量の発生を軽減できるため、高周波帯域での使用が可能となる。
図12は、Ti/Cu/Ti電極24A,24Bがダイオード形成領域141,144を覆わない構成であるが、不適切な例を示す図である。この例では、Ti/Cu/Ti電極24Aは、Al電極膜113と対向し、ダイオード形成領域143,144と対向していない。また、Ti/Cu/Ti電極24Bは、Al電極膜113と対向し、ダイオード形成領域141,142と対向していない。この場合、Ti/Cu/Ti電極24A,24BとAl電極膜113との対向面積が大きいため、その間に生じる寄生容量は大きくなる。また、Ti/Cu/Ti電極24A,24Bの距離は、本実施形態の図9の場合と比べて近くなるため、その間に生じる寄生容量も大きくなる。したがって、図12に示す場合も、ESD保護デバイス1のインピーダンスが低くなる。
以下に、ESD保護デバイスの製造工程について説明する。
図13はESD保護デバイス1の製造工程を示す図である。ESD保護デバイス1は次の工程で製造される。
(A)まず、ESD保護回路10Aが形成されたSi基板10に絶縁膜が形成され、この絶縁膜の所定箇所が開口されて、Al電極膜111,1112,113,121,131が蒸着により形成される。また、Si基板10表面には保護膜21がスパッタリングされ、エッチングにより開口21A,21Bが形成される。
(B)次に、Si基板10にエポキシ系ソルダージレストがスピンコーティングされて、樹脂層22が形成され、コンタクトホール22A,22Bが形成される。この樹脂層22を形成することにより、Ti/Cu/Ti電極24A,24Bを形成する表面をレベリングすることができる。
(C)樹脂層22の表面にTi/Cu/Tiが約0.1μm/1.0μm/0.1μmの厚みでスパッタリングにより成膜された後、ウエットエッチングされて、電極24A,24Bが形成される。
(D)Ti/Cu/Ti電極24A,24Bの表面の一部をエッチングして、Cuを露出させ、その露出したCu部分にはAu/Niの外部電極23A,23Bが約0.1μm/3.0μmの厚みで電解めっき(電気めっき)により成膜される。この外部電極23A,23Bは、露出されたCu表面にのみ選択めっきされる。選択めっきにより外部電極23A,23Bを成膜することで、レジスト膜を形成することなく、また、マスキングを必要としないため、製造が容易となる。
(E)その後、樹脂層22の表面に、エポキシ系ソルダージレストのスピンコーティングにより樹脂層26が形成される。この樹脂層26には、開口26A,26Bが形成される。
なお、上述の実施形態では、ツェナーダイオードを有するESD保護デバイスについて説明したが、これに限定されず、ESD保護デバイスは、例えばPNP型半導体、またはNPN型半導体を有したものであってもよい。
1−ESD保護デバイス(半導体装置)
10−Si基板(半導体基板)
10A−ESD保護回路
20−再配線層
21−保護膜
22,26−樹脂層
22A−コンタクトホール(第1コンタクトホール)
22B−コンタクトホール(第2コンタクトホール)
23A,23B−外部電極
24A−Ti/Cu/Ti電極(第1配線電極)
24B−Ti/Cu/Ti電極(第2配線電極)
26A,26B−開口
111−Al電極膜(第1中間電極)
112−Al電極膜(第2中間電極)
113−Al電極膜(第3中間電極)
121−Al電極膜(第1入出力電極)
131−Al電極膜(第2入出力電極)
D1,D2,D3,D4−ダイオード
Dz−ツェナーダイオード
P1−ポート(金属膜)
P2−ポート(金属膜)
10−Si基板(半導体基板)
10A−ESD保護回路
20−再配線層
21−保護膜
22,26−樹脂層
22A−コンタクトホール(第1コンタクトホール)
22B−コンタクトホール(第2コンタクトホール)
23A,23B−外部電極
24A−Ti/Cu/Ti電極(第1配線電極)
24B−Ti/Cu/Ti電極(第2配線電極)
26A,26B−開口
111−Al電極膜(第1中間電極)
112−Al電極膜(第2中間電極)
113−Al電極膜(第3中間電極)
121−Al電極膜(第1入出力電極)
131−Al電極膜(第2入出力電極)
D1,D2,D3,D4−ダイオード
Dz−ツェナーダイオード
P1−ポート(金属膜)
P2−ポート(金属膜)
Claims (3)
- 半導体基板内に形成された第1ダイオードおよび第2ダイオードと、
前記半導体基板の表面にそれぞれ形成された、前記第1ダイオードの一端に接続された第1入出力電極、前記第2ダイオードの一端に接続された第2入出力電極、ならびに、前記第1ダイオードの他端および前記第2ダイオードの他端に接続された中間電極と、
前記半導体基板の表面に設けられた再配線層にそれぞれ形成され、前記第1入出力電極に第1コンタクトホールを介して接続された第1配線電極、ならびに、前記第2入出力電極に第2コンタクトホールを介して接続された第2配線電極と、
を備え、
前記第1配線電極は、平面視で、前記第1入出力電極および前記中間電極と重なり、前記第2ダイオードの形成領域と重ならない領域にて引回されており、
前記第2配線電極は、平面視で、前記第2入出力電極および前記中間電極と重なり、前記第1ダイオードの形成領域と重ならない領域にて引回されており、
前記中間電極は、
第1方向に沿って対向して設けられ、前記第1方向を長手方向とする一対の第1中間電極および第2中間電極と、前記第1方向に直交する第2方向に沿って設けられ、前記第1中間電極および第2中間電極を導通する第3中間電極と、
を有し、
前記第1入出力電極および前記第2入出力電極は、前記第1中間電極および第2中間電極と前記第3中間電極とに囲まれた領域に設けられ、かつ、前記第3中間電極を介して対向するように設けられ、
前記第1ダイオードは、前記第1入出力電極と前記第1中間電極との間の領域に形成され、
前記第2ダイオードは、前記第2入出力電極と前記第2中間電極との間の領域に形成され、
前記第1配線電極は、前記第1中間電極と、前記第1中間電極および前記第2入出力電極の間の領域と、前記第2入出力電極とに対向する形状を有し、
前記第2配線電極は、前記第2中間電極と、前記第2中間電極および前記第1入出力電極の間の領域と、前記第1入出力電極とに対向する形状を有している、
半導体装置。 - 前記第1および前記第2ダイオードはESD保護回路であり、前記第1配線電極および前記第2配線電極はESD電流の電流路である、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1ダイオードには、前記第1入出力電極に導通する第1櫛歯状電極、および前記中間電極に導通する第2櫛歯状電極がそれぞれ接続されており、
前記第2ダイオードには、前記中間電極に導通する第3櫛歯状電極、および前記第2入出力電極に導通する第4櫛歯状電極がそれぞれ接続されている、
請求項1または2に記載の半導体装置。
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