JP2008251845A - 半導体装置 - Google Patents

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大川　　誠
Ryuichiro Abe
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Abstract

【課題】腐食環境で使用されるものであって、体格を大きくすることなく、電極部の腐食を抑制することができる半導体装置を提供すること。
【解決手段】腐食環境に晒される半導体装置であって、半導体基板１０と、半導体基板１０に形成されるものであり、外部との電気的接続用の電極部３１を有する配線層３０と、電極部３１に対応する位置に開口部４１を有した状態で配線層３０を覆う保護層４０と、電極部３１を覆う導電性のアモルファス構造を有するブロック層５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、腐食環境で使用される半導体装置に関するものである。
従来、水分、イオン、腐食性ガス（例えば、酸性ガスやアルカリ性ガスなど）が含まれる雰囲気中（腐食環境）で使用される半導体装置があった。その一例として、車両におけるエンジンの燃料噴射圧計測や排気圧計測を行う圧力センサがある。この圧力センサは、腐食性ガスである排気ガスの雰囲気中に晒される。
ところで、このような圧力センサの配線を外部へ引き出すための接続部材（ボンディングワイヤ、バンプ）は、圧力センサの配線層に形成された電極部に接続されている。そのため、圧力センサを腐食性ガス雰囲気中で使用する際に、センサ本体が腐食性ガスに直接晒される場合には、電極部も腐食性ガスに直接晒されることから、電極部が腐食に耐え切れずに断線不良を起こす可能性がある。
そこで、特許文献１に開示される圧力センサが提案されている。この圧力センサは、測定圧力を受圧するメタルダイアフラムとケースとにより圧力検出室が区画形成されている。圧力検出室内には、感圧部を有するセンサチップが設けられると共に、メタルダイアフラムが受圧した測定圧力を感圧部に伝達する電気絶縁性の圧力伝達液体が封入されている。
また、特許文献２に開示される圧力センサが提案されている。この圧力センサは、ケースに配置された圧力検出素子を有するセンサチップと、センサチップに形成された電極部と、電極部とケースに形成された外部出力用の端子とを電気的に接続するフレキシブルプリント基板（熱可塑性樹脂と配線部とからなる）とを備える。そして、センサチップ上にフレキシブルプリント基板が配置され、電極部および端子の接合部がフレキシブルプリント基板の熱可塑性樹脂により気密に封止されている。
特開２００５−１８１０６６号公報 特開２００５−２２７０３９号公報
しかしながら、特許文献１に開示される圧力センサでは、圧力伝達液体が封入される圧力検出室を設ける分だけ体格が大きくなるという問題があった。また、特許文献２に開示される圧力センサでは、フレキシブルプリント基板（熱可塑性樹脂と配線部とからなる）を設ける分だけ体格が大きくなるという問題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、腐食環境で使用されるものであって、体格を大きくすることなく、電極部の腐食を抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために請求項１に記載の半導体装置は、腐食環境に晒される半導体装置であって、半導体基板と、半導体基板に形成されるものであり、外部との電気的接続用の電極部を有する配線層と、電極部に対応する位置に開口部を有した状態で配線層を覆う保護層と、電極部を覆う導電性のアモルファス構造を有するブロック層とを備えることを特徴とするものである。
このように、アモルファス構造を有するブロック層を備えることによって、腐食環境に晒されていても、腐食環境に含まれる水分、イオン、腐食性ガスが浸透して電極部に達することを抑制できる。したがって、体格を大きくすることなく、電極部の腐食を抑制できる。
また、請求項２に示すように、電極部は耐腐食性の材料からなる接続部材によって外部に引き出されるものであり、ブロック層上には、接続部材と同じ材料からなる接合層を備えるようにしてもよい。このようにすることによって、接続部材の接合信頼性を向上させることができる。
また、請求項３に示すように、ブロック層と接合層との間に耐腐食性の合金防止層を備えるようにしてもよい。
ブロック層上に接合層を設けた場合、高温で使用するとブロック層と接合層とが合金化する可能性がある。このようにブロック層と接合層が合金化すると、腐食環境に含まれる水分、イオン、腐食性ガスが電極部まで浸透する可能性がある。そこで、請求項３に示すようにすることによって、ブロック層と接合層との合金化を抑制することができ、電極部の腐食を抑制させつつ、接続部材の接合信頼性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体装置の電極部分を示す断面図である。本実施の形態における半導体装置は、水分、イオン、腐食性ガス（例えば、酸性ガスやアルカリ性ガスなど）が含まれる雰囲気中（腐食環境）で使用されるものであり、例えば、圧力センサ、エアーフローセンサ、ガスセンサなどである。なお、図１においては、これらのセンサのセンシング領域などは省略して、特徴部分である電極部分のみを図示している。
図１に示すように、本実施の形態における半導体装置は、基板１０、絶縁層２０、配線層３０、電極部３１、保護層４０、ブロック層５０などを備える。
基板１０は、シリコンなどからなる半導体基板である。基板１０の表面上には、絶縁層２０が形成される。なお、絶縁層２０は、例えば、熱酸化によって形成された酸化シリコンや、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって形成された酸化シリコン、窒化シリコン、ＰＳＧ（Phosphor Silicate Glass）、ＢＳＧ（Boron Silicate Glass）、ＢＰＳＧ（Boron Phosphor Silicate Glass）や、ＳＯＧ（Spin On Glass），ポリイミド，メチルシロキサン系ポリマーなどの塗布絶縁膜などからなる。
絶縁層２０の表面上には、外部との電気的接続用の電極部３１を有する配線層３０（厚さ約５００ｎｍ〜５μｍ）が形成される。なお、この配線層３０は、電極部３１とは異なる部分で図示を省略するセンシング領域の電極と電気的に接続されるものである。この配線層３０は、例えば単層のアルミニウム系膜からなる。そのアルミニウム系膜の形成材料としては、例えば、アルミニウム単体、アルミニウムにシリコンを添加したシリコンアルミニウム合金などがあり、その形成方法にはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法が用いられる。
配線層３０の表面上には、電極部３１に対応する位置に開口部４１を有した状態で耐腐食性の絶縁性部材（例えば、ＳｉＮなど）からなる保護層４０が形成される。
そして、この保護層４０から露出した電極部３１の表面上には、導電性のアモルファス構造を有するブロック層５０（厚さ約５０ｎｍ〜２μｍ）が形成される。また、ブロック層５０は、電極部３１の表面のみではなく、図１に示すように、保護層４０上にかかるように形成するようにしてもよい。このブロック層５０としては、例えば、アモルファスシリコン、アモルファス金属などの耐腐食性の強い導電性の材料を採用することができる。アモルファスシリコンやアモルファス金属は、粒界がないため、耐腐食性が強く、水分、イオン、腐食性ガスが浸透するのを抑制することができる。なお、このブロック層５０の表面には、電極部３１（配線層３０）を外部に引き出すためのボンディングワイヤー（接続部材）８０が接合される。
また、本実施の形態における半導体装置は、周知の手法によって基板１０上に絶縁層形成工程、配線層形成工程、保護層形成工程まで完了させた後、ＣＶＤ法やスパッタリングによってアモルファスシリコンもしくはアモルファス金属を成膜して、フォトエッチングによって所望の形状にすることによってブロック層５０を形成する。
このように、電極部３１を覆うように、アモルファス構造のブロック層５０（アモルファスシリコン、アモルファス金属）を備えることによって、半導体装置が腐食環境に晒されていても、腐食環境に含まれる水分、イオン、腐食性ガスが浸透して電極部３１に達することを抑制できる。つまり、比較的薄い層（ブロック層５０）を設けるだけで腐食環境に含まれる水分、イオン、腐食性ガスが浸透して電極部３１に達することを抑制できる。したがって、体格を大きくすることなく、電極部の腐食を抑制できる。また、本実施の形態における半導体装置においては、電極部３１の腐食を抑制するために圧力伝達液体が封入された圧力検出室などを設ける必要がないので、応答性を低下することなく電極部の腐食を抑制することもできる。さらに、本実施の形態における半導体装置は、腐食環境から電極部３１を保護するために部品（例えば、メタルダイアフラム、熱可塑性樹脂と配線部とからなるフレキシブルプリント基板など）の数が増加することを抑制できるので、この部品点数の増加に伴うコストアップを抑制しつつ、電極部３１の腐食を抑制することもできる。
（変形例１）
また、変形例１として、ブロック層５０上に接合層７０を設けるようにしてもよい。図２は、本発明の変形例１における半導体装置の電極部分を示す断面図である。
図２に示すように、ブロック層５０上に、ボンディングワイヤー８０（接続部材）と同じ材料からなる接合層７０（厚さ約１００ｎｍ〜５μｍ）を設けると好ましい。このようにすることによって、ボンディングワイヤー８０の接合信頼性を向上させることができる。
なお、腐食環境に晒される（で使用される）半導体装置においては、耐腐食性を有する金からなるボンディングワイヤー８０を用いることが多い。したがって、接合層７０として金を用いると、ボンディングワイヤー８０の接合信頼性を向上させることができるので好ましい。
（変形例２）
また、変形例２として、ブロック層５０と接合層７０との間に合金防止層６０を設けるようにしてもよい。図３は、本発明の変形例２における半導体装置の電極部分を示す断面図である。
ブロック層５０上に接合層７０（金）を設けた場合、半導体装置を高温で使用するとブロック層５０と接合層７０とが合金化する可能性がある。このようにブロック層５０と接合層７０とが合金化すると、その合金層に粒界が形成されて、腐食環境に含まれる水分、イオン、腐食性ガスが電極部３１まで浸透する可能性がある。
そこで、図３に示すように、ブロック層５０と接合層７０との間に耐腐食性の合金防止層６０（厚さ約５０ｎｍ〜２μｍ）を設けると好ましい。この合金防止層６０としては、例えば、Ｔａ、ＴｉＷ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｒｅ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｏ等を採用することができる。このようにすることによって、半導体装置を高温で使用した場合であっても、ブロック層５０と接合層７０との合金化を抑制することができ、電極部３１の腐食を抑制させつつ、ボンディングワイヤー８０の接合信頼性を向上させることができる。
（変形例３）
また、図４に示すように、変形例３として、ブロック層５１は、電極部３１上だけでなく、配線層３０の表面全体に設けるようにしてもよい。換言すると、配線層を二層構造（例えば、アルミニウムとアモルファスシリコン）の配線としてもよい。図４は、本発明の変形例３における半導体装置の電極部分を示す断面図である。
（変形例４）
また、図５に示すように、変形例４として、ブロック層５１及び合金防止層６１は、電極部３１上だけでなく、配線層３０の表面全体に設けるようにしてもよい。換言すると、配線層を三層構造（例えば、アルミニウムとアモルファスシリコンとＴｉＷ）の配線としてもよい。図５は、本発明の変形例４における半導体装置の電極部分を示す断面図である。
（変形例５）
また、図６に示すように、変形例５として、ブロック層５１及び合金防止層６１及び接合層７１は、電極部３１上だけでなく、配線層３０の表面全体に設けるようにしてもよい。換言すると、配線層を四層構造（例えば、アルミニウムとアモルファスシリコンとＴｉＷとＡｕ）の配線としてもよい。図６は、本発明の変形例５における半導体装置の電極部分を示す断面図である。
（変形例６）
また、図７に示すように、接続部材であるボンディングワイヤー８０のかわりに導電性のボール８１（例えば、金からなるボール）にて電極部３１（配線層３０）を外部に引き出すようにしてもよい。そして、半導体装置は、実装基板２００の表面に形成された基板電極２１０とボール８１とを電気的に接続することによって実装基板２００に実装される。図７は、本発明の変形例６における半導体装置の電極部分を示す断面図である。
（変形例７）
また、図８に示すように、半導体装置の接合相手は、実装基板に限定されるものではなく、半導体チップでもよい。例えば、半導体チップの電極部分は、本発明の半導体装置と同様に基板１０ａ、絶縁層２０ａ、配線層３０ａ、電極部３１ａ、保護層４０ａ、開口部４１ａ、ブロック層５０ａ、合金防止層６０ａ、接合層７０ａ、ボール（接続部材）８１ａなどを備える。そして、半導体装置は、半導体チップに形成されたボール８１ａとボール８１とを電気的に接続することによって半導体チップと接合される。図８は、本発明の変形例７における半導体装置の電極部分を示す断面図である。
本発明の実施の形態における半導体装置の特徴部分を示す断面図である。 本発明の変形例１における半導体装置の特徴部分を示す断面図である。 本発明の変形例２における半導体装置の特徴部分を示す断面図である。 本発明の変形例３における半導体装置の特徴部分を示す断面図である。 本発明の変形例４における半導体装置の特徴部分を示す断面図である。 本発明の変形例５における半導体装置の特徴部分を示す断面図である。 本発明の変形例６における半導体装置の特徴部分を示す断面図である。 本発明の変形例７における半導体装置の特徴部分を示す断面図である。
符号の説明
１０，１０ａ 基板、２０，２０ａ 絶縁層、３０，３０ａ 配線層、３１，３１ａ 電極部、４０，４０ａ 保護層、４１，４１ａ 開口部、５０，５０ａ ブロック層、６０，６０ａ 合金防止層、７０，７０ａ 接合層、８０ ボンディングワイヤー（接続部材）、８１，８１ａ ボール（接続部材）、２００ 実装基板、２１０ 基板電極

Claims (3)

  1. 腐食環境に晒される半導体装置であって、
    半導体基板と、
    前記半導体基板に形成されるものであり、外部との電気的接続用の電極部を有する配線層と、
    前記電極部に対応する位置に開口部を有した状態で前記配線層を覆う保護層と、
    前記電極部を覆う導電性のアモルファス構造を有するブロック層と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記電極部は耐腐食性の材料からなる接続部材によって外部に引き出されるものであり、前記ブロック層上には、前記接続部材と同じ材料からなる接合層を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ブロック層と前記接合層との間に耐腐食性の合金防止層を備えることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016020523A (ja) * 2014-07-14 2016-02-04 有限会社コンタミネーション・コントロール・サービス 腐食防止方法

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