JP7172375B2 - 半導体デバイス、半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

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。

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。

特開平７－３２１２５１号公報

従来の半導体デバイスにおいては、Ｎ_２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。

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を提供することを目的とする。

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、該半導体素子は該半導体基板の上に電極を有し、該多孔質部分の熱伝導率は該電極の熱伝導率より大きいことを特徴とする。

本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

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。

実施の形態１に係る半導体デバイスの断面図である。 半導体チップの断面図である。 半導体チップの平面図である。 金属パターンを形成した半導体チップの平面図である。 図４の断面図である。 金属パターンに電圧印加することを示す図である。 図６の断面図である。 金属析出を示す図である。 図８の断面図である。 実施の形態２に係る半導体デバイスの平面図である。 多孔質部分の別の構成例を示す図である。 実施の形態３に係る半導体デバイスの断面図である。 実施の形態４に係る半導体デバイスの断面図である。 別の例に係る半導体デバイスの断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 (7)

1. 半導体基板と、
   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、
   前記半導体素子は前記半導体基板の上に電極を有し、
   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半導体デバイス。
2. 前記多孔質部分は、平面視で前記半導体素子を囲むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
3. 前記多孔質部分は、平面視で前記半導体素子の周りに複数形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
4. 前記多孔質部分は、平面視で前記半導体素子の横に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
5. 前記多孔質部分の材料はＡｕ又はＡｌであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
6. 前記電極の材料はＡｕ又はＡｌであり、前記多孔質部分の材料はＡｇ又はＣｕであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
7. 前記半導体素子は前記半導体基板の上に複数の電極を有し、
   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から５のいずれか１項に記載の半導体デバイス。

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