JPH01245549A

JPH01245549A - 半導体装置およびその製法

Info

Publication number: JPH01245549A
Application number: JP63072777A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Saito; 宏斎藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1988-03-26
Filing date: 1988-03-26
Publication date: 1989-09-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、半導体装置およびその製法に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置は駆動に伴う発熱により温度が上昇する。温
度が上昇すると、半導体装置の特性は一般的に低下する
。そのため、強制的に冷却を行い、半導体装置の温度が
あまり上昇しないようにすることが行われている。

具体的な冷却方法としては、第４図にみるように、アル
ミ等からなる放熱フィン６１を半導体装置Ｔに外付けし
たり、第５図にみるように、小型モータ６２とファン６
３を備えた空冷式冷却器６４を外付けしたり、あるいは
、第６図にみるように、ノズルＮからの冷却水Ｗが半導
体装置Ｔに接触するように流される水冷式冷却器６５を
外付けするという方法がある。さらには、第７図にみる
ように、サーモモジュール６６と別置の電源装置６７、
あるいは、これに加えてフィン６８を組み合わせた電子
冷却装置を外付けするという方法もある。なお、サーモ
モジュール６６は、ペルチエ効果を利用しており、金属
板の間に、半導体片を挟むようにして設け、金属板の間
に電流を流すと、一方の金属板の側で冷却が、他方の金
属板の側で発熱がおこるというユニット体である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の冷却方法は、冷却装置（冷却器）
がかなり大きく、どうしても、相当な組み付は面積が必
要となるため、半導体装置を高密度に実装することが困
難であったり、半導体装置の小型化が無意味なものとな
ってしまったりして、結局、電子機器の小型を図ること
ができないという問題がある。

また、冷却装置は、半導体装置を機器に実装する際に個
々に取り付けられていることから、組み付はコストが高
くつくという問題もある。

この発明は、上記事情に鑑み、広い取り付は面積を必要
とせず、効果的に冷却され、しかも、組み付はコストも
少なくてすむ半導体装置およびその製法を提供すること
を課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決するため、請求頃１の発明は、所要の機
能を有する半導体素子部分を備え、ペルチエ効果による
冷却作用を発揮する電子冷却素子部分が前記半導体素子
部分と一体的に設けられている。

請求頃２の発明は、上に加えて、半導体素子と電子冷却
素子が、共通の駆動電源の導入用端子から電源供給を受
けるようになっており、かつ、前記電子冷却素子には電
流制限用のインピーダンス素子を介して電流が流れるよ
うになっている。

請求頃３の発明は、前記半導体装置を得るにあたり、別
々に作成された前記半導体素子部分と前記電子冷却素子
部分を用いるとともに、両素子部分の各表面がそれぞれ
予め絶縁材料で平坦化されており、これらの平坦表面が
互いに密着するようにして一体化する。

〔作　　　用〕

この発明では、半導体素子と電子冷却素子は一体化され
ていて、冷却が効果的になされるため、電子冷却素子を
ことさら大きなものとしなくてよい。しかも、半導体装
置を製造してから後、機器に実装する際に個々に冷却装
置を組み付けていた従来の場合と違って、装置の製造工
程のうちで電子冷却素子の組み付けがなされるので、組
み付けが効率的に行える。

請求頃２の発明では、半導体素子と電子冷却素子の駆動
電源の導入用端子が共用されているので、端子数が少な
くてすむ。電子冷却素子に流れる電流が制限されるため
、素子が過電流により破損することがない。

請求頃３の発明では、半導体素子部分と電子冷却素子部
分が別々に形成されているので、製造工程での干渉がな
く、半導体素子と電子冷却素子が正確に所望の機能を果
たせるようにすることができる。しかも、両素子部分は
、平坦表面を介してぴったりと密着していて、半導体素
子部分から電子冷却素子部分への熱伝達効率が良いため
に、半導体素子が十分に冷却される。

〔実　施　例〕

以下、まず、請求頃１．２の発明にかかる半導体装置を
、その−例をあられす図面を参照しながら詳しく説明す
る。

第１図は請求頃１．２の発明の一例の半導体装置をあら
れす。半導体装置１は、所要の機能を有する半導体素子
部分２の上にペルチエ効果による冷却作用を発揮する電
子冷却素子部分３が一体的に設けられている。半導体素
子部分２は表面に平坦化用ポリイミド樹脂膜２１を備え
、電子冷却素子部分３は裏面に平坦化用ポリイミド樹脂
膜３１を備えていて、画部分２．３は、両ポリイミド樹
脂膜２１．３１をぴったりと合わせるようにして積ね合
わされて一体化され、電気的絶縁と同時に熱の伝導が良
好になされるようになっている。

このように、この半導体装置１では、半導体素子部分２
と電子冷却素子部分３が一体的に設けられているため、
前述のごとき、電子冷却素子がことさら大きなものでな
くとも、’Ｊノ果的に冷却され、しかも、電子冷却素子
の組み付けが効率的に行える。

半導体素子部分２は、静電誘導サイリスクが形成されて
おり、スイッチング機能を有している。

静電誘導サイリスクは、半導体基板２２の表側にカソー
ド領域（Ｎ”領域）２３およびゲート領域（Ｐ”領域）
２４を備え、かつ、裏側にアノード領域（Ｐ”領域）２
５を備えていて、カソード・アノードの間にＮ−高比抵
抗領域（不純物低濃度領域ないし真性半導体領域）２６
を備えている。

このサイリスクは、ゲート領域２４の電圧を制御するこ
とにより、カソード・アノード間電流をオン・オフする
。２３′はカソード電極、２４′はゲート電極、２５′
はアノード電極である。なお、２７は絶縁層である。

一方、電子冷却素子部分３に形成されている冷却素子は
、誘電体３２によって別々に絶縁分離された複−数のＮ
型半導体領域３３とＰ型半導体領域３４がオーミック接
触する金属領域３５を介して直列接続された構成となっ
ている。この電子冷却素子はペルチェ効果による冷却作
用を発揮する。

すなわち、第１図の実線Ｉの向きに電流を流すと、各半
導体領域３３．３４と下側の金属領域（アルミニウムか
らなる領域）３５の接合個所では吸熱が起こり、各半導
体領域３３．３４と上側の金属領域３５の接合個所では
放熱が起こって、そのため、半導体素子部分２が冷却さ
れる。なお、３６は絶縁層（ＳｉＯ□膜）である。

この半導体装置１では、駆動電源の導入用端子Ｖが設け
られており、半導体素子と電子冷却素子が、このひとつ
の導入用端子■から電源供給を受けるようになっている
。そのため、駆動電源の導入端子がひとつで済む。駆動
電源は直流であっても交流であってもよい。

直流の場合は、端子Ｖ側が共通（アース）端子Ｅ側に対
し十となるように電圧が印加される。そうすると、抵抗
Ｒ１ショットキーダイオードＤおよび、電子冷却素子の
直列回路に電流が流れ、冷却作用が発揮される。

交流の場合は、ダイオードＤがあるため、プラス側の半
波のみ、抵抗Ｒ、ショットキーダイオードＤおよび、電
子冷却素子の直列回路に電流が流れる。抵抗Ｒとダイオ
ードＤ（インピーダンス素子）は、電子冷却素子に流れ
る電流を制限し、電子冷却素子が過電流で破壊されるの
を阻止する。

ショットキーダイオードＤは、電子冷却素子に逆向きの
電流が流れるのを阻止する。なお、コンデンサＣは、電
源ラインに重畳する雑音除去等の（つＪきをする。

続いて、半導体装置の他の実施例を説明する。

第２図は、請求頃１．２の発明にかかる半導体装置の他
の実施例をあられす。

第１図の半導体装置１は、電子冷却素子部分３が一層構
成であったが、第２図の半導体装置１′は、ふたつの電
子冷却素子部分３．３′が積まれており、それ以外の点
は、先の実施例と基本的には同じ構成である。ただ、電
子冷却素子部分３′は、その表側にも平坦化用のポリイ
ミド樹脂膜３１′が設けられている。電子冷却素子が積
層されているため、下の半導体素子の熱はより離れたと
ころに素早く移され、より効果的に冷却される。

つぎに、請求頃３の発明である半導体装置の製法を、そ
の−例の要部を説明する図面を参照しながら詳しく説明
する。

電子冷却素子部分と半導体素子部分は、それぞれ別々に
作成される。

電子冷却素子部分は、以下のようにして作られる。

第３図（ａｌにみるように１．サファイア基板４１の上
にポリシリコンＮ４２積層し、さらに、その上にＳｉＯ
□膜４３全４３した構成のウェハ４０を作る。５ｉ（ｈ
膜４３に窓を明け、アルカリによる異方性エツチングを
施し、第３図（ｂｌにみるように、ポリシリコン層４２
を複数の分離島領域４２′・・・に分断する。表面に残
された５ｉｏ２１１９４３をエッヂング除去し、第３図
（Ｃ１にみるように、分離島領域４２′・・・を、ひと
つおきにＳｉＯ□膜４４で覆っておいて、５ｉｏｆｆｉ
ｌｌ臭４４で覆われていない分離島領域４２′・・・に
Ｐ型用不純物を拡散し、Ｐ型半導体領域３４を形成する
。続いて、第３図（ｄｌにみるように、ＳｉＯ２膜４４
全４４するとともにＰ型半導体領域３４の表面を５ｉ０
２膜４５で覆っておいて、５ｉＯｚ映４５で覆われてい
ない方の分離島領域４２′・・・にＮ型用不純物を拡散
し、Ｎ型半導体領域３３を形成する。

Ｎ型、Ｐ型半導体領域３３．３４形成後、第３図＋ｅ＞
にみるように、ＳｉｎｇをＣＶＤ法等により蒸着して、
各半導体領域３３．３４の間を埋めるようにして５ｉＯ
ｚｌｌ臭４７を形成するとともに、間膜４７には、金属
領域とのコンタクトをとる所に窓４６を開ける。この窓
４６を利用して、第３図ｆｆｌにみるように、アルミニ
ウムを蒸着して、金属領域３５を半分形成し、その後、
その上から、第３図ｆｇ）にみるように、ＣＶＤ法等に
より５ｉｎｓ膜４８を積層形成する。

この５ｉＯｚ膜４８の上に、第３図０））にみるように
、ポリイミド樹脂膜３１を積層形成して、５ｉＯｚ映４
８表面を平坦化する。その後、第３図（ｉｌにみるよう
に、サファイア基板４１を研暦除去し、その跡へＳｉＯ
□膜４９膜形９するとともに、第３図（Ｊｌにみるよう
に、間膜４９に、金属領域とのコンタクトをとる所に窓
５０を開ける。この窓５０を利用して、第３図（ｋ＋に
みるように、アルミニウムを蒸着して、金属領域３５の
残り半分を形成し、その上へ、第３図（１１にみるよう
に、ＣＶＤ法により、ＳｉＯ□膜３６を積層形成する。

もちろん、端にくる半導体領域３３．３４には、第３図
＋ｍｌにみるように、接続用の金属領域３５′をＳｉＯ
□膜（絶縁膜）３６から露出させる。なお、ＳｉＯ□膜
４７．４８．４９は、Ｐ型半導体領域とＮ型半導体領域
を絶縁分離する誘電体３２に相当する。

上記の方法は、通常の半導体製造のマイクロ加工技術を
利用しており、ひとつのウェハに多数の電子冷却素子を
形成するという大量生産方式を採用することができるた
め、電子冷却素子部分の製造コストが低くなる。

一方、半導体素子部分の方は、半導体基板を用いて通常
の半導体素子の作り方によって、例えば、第１図にみる
ような静電誘導サイリスタを作り、その表面をポリイミ
ド樹脂で平坦化するようにして作成する。

製造された電子冷却素子部分と半導体素子部分は、ポリ
イミド樹脂で平坦化された面が互いに密着するようにし
て一体化する。その際、両ポリイミド膜は、例えば、エ
ポキシ樹脂系等の接着剤を用いて接合したり、少なくと
も一方のポリイミド樹脂膜自体に接着性をもたせておい
て、重ね合わされた際に接着させるようにしてもよい。

そして、電気配線を済ませてから、全体をエポキシ樹脂
等の熱硬化性樹脂でモールドすると、半導体装置が完成
する。

電子冷却素子部分と半導体素子部分は、別々に作られて
おり、その製造過程での干渉がない。例えば、半導体素
子部分を作ってから、その上に電子冷却素子部分を順次
積み重ねながら製造する場合には、後の冷却素子部分の
製造工程で、先に製造されている半導体素子の不純物の
拡散状態が乱されたりする等の干渉が起こり、好ましく
ないのである。

この発明は上記実施例に限らない。例えば、両素子部分
には、ポリイミド樹脂膜を設けないようにしておいて、
両素子部分を所定の距離隔てた状態に保持しておいて、
その隙間に、例えば、ポリイミド樹脂を注入するように
して、画部分を接着一体化するようにしてもよい。

ポリイミド樹脂の代わりに他の種類の樹脂を用いて平坦
化するようにしてもよい。半導体素子部分に形成される
素子も、静電誘導サイリスク以外に、例えば、ＭＯ５型
半導体素子、バイポーラトランジスタ等でもよい。誘電
体の材料や金属領域の材料が上記例示以外の材料であっ
てもよい。

〔発明の効果〕

請求頃１の発明は、半導体素子と電子冷却素子が一体化
されていて、電子冷却素子がことさら人きくなくとも、
冷却が効果的になされるので、冷却素子があっても広い
面積は必要ない。そのため、半導体装置の実装密度をあ
げることができる。

しかも、装置の製造工程のうちで電子冷却素子の組み付
けがなされるので、組み付けが効率的に行え、コストが
安い。

請求頃２の発明では、上に加えて、半導体素子と電子冷
却素子の駆動電源の導入用端子が共用されているので、
端子数が少なくてすみ、高密度化や、これを取りつける
側の基板の配線を簡略化できる。しかも、電子冷却素子
に過電流が流れるのが防止されており、故障せず信頼性
が高い。

請求頃３の発明で得られた半導体装置は、請求頃１の発
明が有する効果に加えて、つぎのような効果を奏する。

すなわち、半導体素子部分と電子冷却素子部分が別々に
形成されているので、製造工程での干渉がなく、半導体
素子と電子冷却素子が正確に所望の機能が果たせるよう
になっており、しかも、両素子部分は、平坦表面を介し
てぴったりと密着していて、半導体素子部分から電子冷
却素子部分への熱伝達効率が良いために、半導体素子が
十分に冷却されるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明にかかる半導体装置の一実施例をあ
られす断面図、第２図は、この発明にかかる半導体装置
の他の実施例をあられす断面図、第３図（ａ）〜（ｍ）
は、この半導体装置の製法の一例における電子冷却素子
部分の作成の様子を順を追ってあられす説明図、第４〜
７図は、それぞれ、半導体装置に使われる従来の冷却装
置をあられず説明図である。１１’・・・半導体装置　　２・・・半導体素子部分３
．３′・・・電子冷却素子部分　２１．３１・・・ポリ
イミド樹脂膜（絶縁材料）代理人　弁理士　　松　本　武　彦＄３図１３図第４図　　　　　　　　第５図第６図 ■ 第７図

Claims

【特許請求の範囲】１　所要の機能を有する半導体素子部分を備え、ペルチ
エ効果による冷却作用を発揮する電子冷却素子部分が前
記半導体素子部分と一体的に設けられている半導体装置
。２　半導体素子と電子冷却素子が、半導体装置に設けら
れた共通の駆動電源の導入用端子から電源供給を受ける
ようになっているとともに、前記電子冷却素子には電流
制限用のインピーダンス素子を介して電流が流れるよう
になっている請求頃１記載の半導体装置。３　所要の機能を有する半導体素子部分を備え、ペルチ
エ効果による冷却作用を発揮する電子冷却素子部分が前
記半導体素子部分と一体的に設けられている半導体装置
を得るにあたり、前記半導体素子部分と前記電子冷却素
子部分とは別々に作成されていて、両素子部分の各表面
がそれぞれ予め絶縁材料で平坦化されており、これらの
平坦表面が互いに密着するようにして一体化することに
より前記半導体装置を得るようにすることを特徴とする
半導体装置の製法。