JP2016143692A - パワー半導体の耐圧評価用teg - Google Patents
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Abstract
Description
そして、パワー半導体の製造工程を評価するためには、テストチップであるTEGが必要であるが、高電圧を印加でき、高温状態にするTEGは存在していない。
また、材料メーカは、パワー半導体の製造工程に使用する材料開発を行なっているが、材料を評価するTEGが存在しないため、実際の組み立て工程で評価することができなかった。
パワー半導体の耐圧評価用TEG100は、図1及び図2(a)に示すように、n形基板1と、n形基板1の裏面上に形成される裏面電極2と、n形基板1の表面上に形成される絶縁層3と、絶縁層3上に形成され、ビア4aを介してn形基板1に接続される表面電極4と、n形基板1にp形不純物(例えば、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)など)を添加することによりビア4aの直下に形成され、表面電極4に接続されるp+形領域4bと、n形基板1にp形不純物(例えば、B、Al、Ga、Inなど)及びn形不純物(例えば、リン(P)、ヒ素(As)など)をそれぞれ添加することにより形成されるpn接合ダイオード(感熱ダイオード)5aからなる温度センサ5と、n形基板1にp形不純物(例えば、B、Al、Ga、Inなど)を添加することにより形成され、表面電極4に接続されるp+形領域4b及びpn接合ダイオードのn形領域5bを内包するp形ウェル領域6と、n形基板1の表面側に形成される発熱体(ヒータ)7と、を備える。
また、耐圧評価用TEG100は、発熱体7でn形基板1を加熱し、裏面電極2及び表面電極4間のn形基板1とp形ウェル領域6とによるpn接合に逆バイアスで高電圧を印加する。
すなわち、本実施形態に係る耐圧評価用TEG100は、裏面電極2及び表面電極4間のn形基板1とp形ウェル領域6とによるpn接合に順バイアスで高電圧を印加して大電流を流す(高温にする)のではなく、pn接合に逆バイアスで高電圧を印加して、別個に設けた昇温用の発熱体7を用いる。
また、本実施形態に係る裏面電極2は、材料にAlを使用し、n形基板1の裏面全面に形成され、高電圧(例えば、400V〜1000V)が印加される。
酸化膜3aは、高温の拡散炉にn形基板1を挿入し、酸素又は水蒸気をシリコンと反応させることでn形基板1の表面に成長させる。
また、絶縁膜3bは、耐圧の評価対象となる絶縁樹脂であり、絶縁膜3bの樹脂材料は、耐圧評価用TEG100の設計者(使用者)により適宜選択される。
なお、本実施形態に係る耐圧評価用TEG100は、表面を保護するパッシベーション膜8が、表面電極4、温度センサ5の電極5c及び発熱体7の電極7aを露出させて形成されている。
なお、配線5dは、高温に耐えることができる多結晶シリコンで形成することが好ましい。
また、温度センサ5は、電極5c及びpn接合ダイオード5a間のオーミックコンタクトを取るために、pn接合ダイオード5aのp形領域のp形不純物(例えば、B、Al、Ga、Inなど)の濃度を高くしたp+形領域5eと、pn接合ダイオード5aのn形領域のn形不純物(例えば、P、Asなど)の濃度を高くしたn+形領域5fと、を備える。
さらに、本実施形態に係るn形領域5bは、n形基板1にn形不純物(例えば、リン、ヒ素など)を添加することにより形成され、p+形領域5e及びn+形領域5fを内包するn形ウェル領域である。なお、pn接合ダイオード5aは、n+形領域5fを形成せずに、n形領域5bと一体的に形成してもよい。
なお、発熱体7に一般的なバルク抵抗を使用すると、高圧に耐えることができないため、多結晶シリコンを使用することが好ましい。
また、発熱体7は、図2(b)に示すように、拡散抵抗ヒータとして、n形基板1にn形不純物(例えば、P、Asなど)を添加することにより形成されるn形領域7cを発熱源8としてもよい。この場合に、発熱体7のn形領域7cは、p形ウェル領域6に内包される。
まず、裏面電極2が成膜されたn形基板1の表面を熱酸化し、酸化膜3aを形成する。
リソグラフィ工程(プラズマエッチング)によってp形ウェル領域6を形成すべき領域上の酸化膜3aを除去する。
その後、p形不純物(例えば、ホウ素(B))を熱拡散又はイオン注入により選択的に添加すると、p形ウェル領域6が選択的に形成される。
リソグラフィ工程(プラズマエッチング)によってn形領域5bを形成すべき領域上の酸化膜3aを除去する。
その後、n形不純物(例えば、リン(P))を熱拡散又はイオン注入により選択的に添加すると、n形領域5bが選択的に形成される。なお、n形不純物の導入(熱拡散、イオン注入)は、n形領域5bがp形ウェル領域6を突き抜けないように行う。
リソグラフィ工程(プラズマエッチング)によってpn接合ダイオード5aのn+形領域5fを形成すべき領域上の酸化膜3aを除去する。
その後、高濃度のn形不純物(例えば、リン(P))を熱拡散又はイオン注入により選択的に添加すると、pn接合ダイオード5aのn+形領域5fが選択的に形成される。なお、n形不純物の導入(熱拡散、イオン注入)は、pn接合ダイオード5aのn+形領域5fがn形領域5bを突き抜けないように行う。
リソグラフィ工程(プラズマエッチング)によって表面電極4のp+形領域4b及びpn接合ダイオード5aのp+形領域5eを形成すべき領域上の酸化膜3aを除去する。
その後、高濃度のp形不純物(例えば、ホウ素(B))を熱拡散又はイオン注入により選択的に添加すると、表面電極4のp+形領域4b及びpn接合ダイオード5aのp+形領域5eが選択的に形成される。なお、p形不純物の導入(熱拡散、イオン注入)は、表面電極4のp+形領域4b及びpn接合ダイオード5aのp+形領域5eがp形ウェル領域6及びn形領域5bを突き抜けないように行う。また、pn接合ダイオード5aのp+形領域5eは、先にn形領域5bが形成されている中に形成することになるので、既に導入されているn形不純物の量以上にp形不純物を添加する必要がある。
そして、酸化膜3a上に絶縁膜3bを形成するのであるが、まず、温度センサ5の配線5d及び発熱体7の多結晶シリコン層7b(発熱源)の下層となる絶縁膜3bを形成する。
下層の絶縁膜3bは、例えば、味の素ファインテクノ株式会社の層間絶縁材料「ABFフィルム」を用いるのであれば、酸化膜3a上にABFフィルムを真空状態でラミネートし、絶縁材料を熱硬化することで形成される。
上層の絶縁膜3bは、例えば、味の素ファインテクノ株式会社の層間絶縁材料「ABFフィルム」を用いるのであれば、下層の絶縁膜3b、温度センサ5の配線5d及び発熱体7の多結晶シリコン層7b上にABFフィルムを真空状態でラミネートし、絶縁材料を熱硬化することで形成される。
まず、表面電極4をGNDとし、裏面電極2に高電圧を印加した状態で、発熱体7の電極7aの一端を0Vとし、他端に0V〜400Vの電圧を印加して、発熱体7の多結晶シリコン層7b(PolySi抵抗)を発熱させ、耐圧評価用TEG100の温度を上昇させる。この場合に、4端子法を用いて温度センサ5にて耐圧評価用TEG100の温度を監視する。
例えば、図3に示すように、発熱体7の多結晶シリコン層7bが1kΩの電気抵抗Rであり、発熱体7の電極7aの他端に320Vの電圧が印加された場合は、発熱体7の多結晶シリコン層7bの電力Pは約100Wであり、発熱体7の多結晶シリコン層7bを流れる電流Iは0.32Aである。
なお、確認事項としては、耐圧評価用TEG100の構造及び耐圧、ダイオードの温度特性、並びに、発熱体7の発熱量である。
また、耐圧の確認箇所は、絶縁膜の耐圧として、多結晶シリコン膜及びアルミニウム膜間の絶縁膜3bの耐圧(PolySi−Al(“400V”−“0V”))と、多結晶シリコン膜及び多結晶シリコン膜間の絶縁膜3bの耐圧(PolySi−PolySi(“400V”−“0V”))と、アルミニウム膜及びアルミニウム膜間の絶縁膜3bの耐圧(Al−Al(“400V”−“0V”))と、多結晶シリコン膜及びp形ウェル領域6間の絶縁膜3bの耐圧(PolySi−PWELL(“400V”−“0V”))と、がある。
これにより、本実施形態に係るパワー半導体の耐圧評価用TEG100は、pn接合(p形ウェル領域6及びn形基板1のn形領域)の界面に高電圧が印加され、p形ウェル領域6内部の素子に高電圧が印加されることなく、温度センサ5及び発熱体7の破壊を防止することできると共に、パワー半導体の耐圧を評価することができ、実デバイスと同じ製造工程で材料を評価することができるという作用効果を奏する。
なお、パワー半導体の耐圧評価用TEG100は、高電圧を印加するダイオード内部に素子を形成しないプレーナ構造でダイオードを製造すると、高電圧によるラッチアップが生じ、温度センサ5及び発熱体7を破壊することになる。
図4(a)は第2の実施形態に係るパワー半導体の耐圧評価用TEGの概略構成を示す平面図であり、図4(b)は図4(a)に示すパワー半導体の耐圧評価用TEGの矢視B−B’線の断面図である。図4において、図1乃至図3と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
なお、本実施形態に係る絶縁膜耐圧評価用電極9は、材料にAlを使用し、表面電極4と同一層(工程)で形成される。
この場合に、酸化膜3aは、図4(b)に示すように、絶縁膜耐圧評価用電極9に対向する位置で開口され、p形ウェル領域6は、酸化膜3aの開口部10を重畳しない位置に配設される。
図5(a)は第3の実施形態に係るパワー半導体の耐圧評価用TEGの概略構成を示す平面図であり、図5(b)は図5(a)に示すパワー半導体の耐圧評価用TEGの矢視C−C’線の断面図である。図5において、図1乃至図4と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
なお、本実施形態に係るヒューズ11は、図5に示すように、材料に多結晶シリコンを使用し、100Ω程度の小さな電気抵抗となる細い配線であり、温度センサ5の配線5d及び発熱体7の多結晶シリコン層7bと同一層(工程)で形成される。
また、本実施形態に係るヒューズ11は、図5(b)に示すように、ビア11aを介して表面電極4に接続され、ビア11bを介してn形基板1のp+形領域4bに接続される。
図6(a)は第4の実施形態に係るパワー半導体の耐圧評価用TEGの概略構成を示す平面図であり、図6(b)は図6(a)に示すパワー半導体の耐圧評価用TEGの矢視D−D’線の断面図である。図6において、図1乃至図5と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
2 裏面電極
3 絶縁層
3a 酸化膜
3b 絶縁膜
4 表面電極
4a ビア
4b p+形領域
5 温度センサ
5a pn接合ダイオード
5b n形領域
5c 電極
5d 配線
5e p+形領域
5f n+形領域
6 n形ウェル領域
7 発熱体
7a 電極
7b 多結晶シリコン層
7c n形領域
8 パッシベーション膜
9 絶縁膜耐圧評価用電極
10 開口部
11 ヒューズ
100 耐圧評価用TEG
Claims (5)
- n形基板と、
前記n形基板の裏面上に形成される裏面電極と、
前記n形基板の表面上に形成される絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、ビアを介して前記n形基板に接続される表面電極と、
前記n形基板にp形不純物を添加することにより前記ビアの直下に形成され、前記表面電極に接続されるp+形領域と、
前記n形基板にp形不純物及びn形不純物をそれぞれ添加することにより形成されるpn接合ダイオードからなる温度センサと、
前記n形基板にp形不純物を添加することにより形成され、前記表面電極に接続されるp+形領域及び前記pn接合ダイオードのn形領域を内包するp形ウェル領域と、
前記n形基板の表面側に形成される発熱体と、
を備え、
前記発熱体で前記n形基板を加熱し、前記裏面電極及び前記表面電極間の前記n形基板と前記p形ウェル領域とによるpn接合に逆バイアスで電圧を印加することを特徴とするパワー半導体の耐圧評価用TEG。 - 請求項1に記載のパワー半導体の耐圧評価用TEGにおいて、
前記発熱体が、前記絶縁層に形成される多結晶シリコン層を発熱源とすることを特徴とするパワー半導体の耐圧評価用TEG。 - 請求項1に記載のパワー半導体の耐圧評価用TEGにおいて、
前記発熱体が、前記n形基板にn形不純物を添加することにより形成されるn形領域を発熱源とし、
前記発熱体のn形領域が、前記p形ウェル領域に内包されることを特徴とするパワー半導体の耐圧評価用TEG。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載のパワー半導体の耐圧評価用TEGにおいて、
前記絶縁層上に形成される絶縁膜耐圧評価用電極を備え、
前記絶縁層が、n形基板上の酸化膜及び当該酸化膜上の絶縁膜からなり、
前記酸化膜が、前記絶縁膜耐圧評価用電極に対向する位置で開口され、
前記p形ウェル領域が、前記酸化膜の開口部に重畳しない位置に配設されることを特徴とするパワー半導体の耐圧評価用TEG。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載のパワー半導体の耐圧評価用TEGにおいて、
前記表面電極及び前記n形基板のp+形領域間に接続されるヒューズを備えることを特徴とするパワー半導体の耐圧評価用TEG。
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JPH09119870A (ja) * | 1995-10-26 | 1997-05-06 | Nec Corp | 温度検出方法、半導体装置及び温度検出回路 |
JP2000124279A (ja) * | 1998-10-19 | 2000-04-28 | Nkk Corp | ウエハバーンインに対応する半導体装置 |
JP2006324412A (ja) * | 2005-05-18 | 2006-11-30 | Renesas Technology Corp | 半導体装置 |
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- 2015-01-30 JP JP2015016470A patent/JP6496969B2/ja active Active
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