JP3894620B2

JP3894620B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP3894620B2
Application number: JP16996497A
Authority: JP
Inventors: 晋也井元
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: JPH1117072A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大電力集積回路や発熱を伴う集積回路などの半導体装置に関する。さらに詳しくは、回路素子部分などで発生する熱を効率的に放出することができる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のたとえば高耐圧ＮＭＯＳトランジスタからなる半導体装置は、図４に断面図が示されるように、ｐ形の半導体基板１１表面の中心部にｎ⁺領域からなるドレイン１５ａおよびｎ^-領域からなるドリフトドレイン１５ｂが形成され、その周囲にチャネルを介してｎ⁺領域からなるソース１５ｃが形成されており、その周囲が素子分離用の厚い熱酸化膜１２ａで囲まれて形成されている。チャネルの表面には、薄いゲート酸化膜１３を介してゲート電極１４が形成されており、ドレイン１５ａおよびソース１５ｃには、層間絶縁膜１６上に設けられたドレイン配線１７ａおよびソース配線１７ｂからなるメタル配線が、層間絶縁膜１６に設けられるコンタクトホールを介してそれぞれ接続されている。そしてメタル配線の表面に保護膜１８が設けられている。なお、１２ｂはゲート電極１４の端部での電界を緩和するために厚く形成された絶縁膜である。
【０００３】
このような半導体装置では、通常大電流が流れる部分や、電流、電界が集中する部分（たとえば図のＡで示す部分）で発熱が起こる。したがって、半導体装置の面積中のごく限られた部分のみで温度が上昇する。これらの回路素子部分で発生した熱は、図４に波線で示されるように、半導体基板１１の裏面側に進むと共に、表面側の層間絶縁膜１６や保護膜１８を経て外部に放散される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の層間絶縁膜や保護膜を介して放散される熱は、層間絶縁膜や保護膜などの絶縁物はその熱伝導率が金属の１／１００〜１／１０００程度と非常に小さく、放熱効率が低い。とくにピンスポットで発熱が起るような場合は、横方向への熱伝導も悪く、発生した熱を分散しにくい。一方、半導体基板の裏面に熱が向かう場合、絶縁膜よりは半導体基板の熱伝導率は良いが、半導体基板の熱伝導率も金属に比べると１／２程度であり、また基板の厚さは２００〜５００μｍ程度と厚い。そのため、半導体基板を介しても基板の表面側で発生する熱を充分に放散することができない。その結果、ピンスポットで急激な発熱が発生すると、回路素子を破壊する場合があるという問題がある。
【０００５】
このような熱放散を改良するため、たとえば特開平６−１７７２８７号公報には、半導体装置全体の保護膜の表面に金属膜を設けることにより、表面側からの放熱効果を高める手段が開示されている。しかし、半導体基板の発熱する部分と表面に設けられる金属膜との間には、メタル配線が設けられる層間絶縁膜や保護膜などの絶縁膜が数層介在されている。この絶縁膜は前述のように、熱伝導率が非常に小さいため、発熱する部分から最表面の金属膜までの熱伝導が悪く、回路素子部分で発生する熱を充分に放散することができない。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、集積回路の部分的な回路素子部分またはピンスポットで発生する熱を効率よく放熱し、素子を劣化させない半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置は、回路素子が形成される半導体基板と、該半導体基板上に設けられる絶縁膜と、該絶縁膜上に設けられ、前記半導体基板に形成される回路素子と直接接続されるメタル配線と、該メタル配線上の表面に設けられる保護膜とを有する半導体装置であって、前記回路素子が形成される領域上の前記メタル配線が設けられる前記絶縁膜の表面に、前記メタル配線と同じ材料からなる放熱膜が前記メタル配線と電気的に接続され、かつ、前記メタル配線の幅より広い幅に形成されている。
【０００８】
前記放熱膜上にさらに別の絶縁膜が設けられ、該別の絶縁膜上に別の放熱膜が設けられることにより、絶縁膜が多い半導体装置においても、絶縁膜を伝わって放熱膜に達した熱は、その放熱膜を伝わって横の方に広がりながら、さらに絶縁膜を上方に伝導し、効率よく放熱することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体装置について説明をする。なお、各図は説明図として示されており、絶縁膜部分が半導体基板の部分より拡大して厚く書かれている。
【００１０】
本発明の半導体装置は、その一実施形態の断面説明図および平面説明図が図１に示されるように、たとえば半導体基板１に回路素子が形成されるデバイス活性領域２が設けられている。そして、その半導体基板１上に絶縁膜３が設けられ、その絶縁膜３上にメタル配線４が設けられている。このメタル配線４は、絶縁膜３に設けられたコンタクトホール３ａを介してデバイス活性領域２の回路素子と電気的に接続されている。デバイス活性領域２の上に当たる絶縁膜３の表面上には、メタル配線４と同じ材料により形成された放熱膜５が設けられている。そしてその上にシリコンチッ化膜（以下、ＳｉＮ膜という）などの絶縁膜からなる保護膜６が設けられている。
【００１１】
デバイス活性領域２は、たとえば前述の従来例でＮＭＯＳＦＥＴが形成された領域のように回路素子が形成され得る領域を示している。絶縁膜３は通常の絶縁膜で、熱酸化またはＣＶＤ法により成膜されるシリコン酸化膜（以下、ＳｉＯ膜という）またはＳｉＮ膜などからなり、０.３〜３μｍ程度の厚さに形成されている。ここに絶縁膜とは、メタル配線が設けられ得る絶縁膜を指しており、複数層設けられる場合もある。
【００１２】
絶縁膜３上には配線メタル４が設けられると共に、放熱膜５が０.１〜２μｍ程度の厚さに設けられている。放熱膜５は、メタル配線４を形成するために全面に設けられたＡｌなどからなる金属膜をパターニングする際にデバイス活性領域２の上に相当する部分に残存させることにより形成されている。したがって、メタル配線４と同じ材料で、パターニングの際のマスクの形状を変えるだけで、何等の工数増を招くことなく簡単に形成される。メタル配線４および放熱膜５としては、Ａｌの他に、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ-Ｓｉ-Ｃｕ、Ａｌ-Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕなどの金属や、これらの金属とシリコンとのシリサイド膜が用いられる。放熱膜５は、後述するように、メタル配線４と電気的に接続されていてもよいが、メタル配線４の幅より広い幅を有しており、図１（ｂ）に示されるように、デバイス活性領域２の上の面積のうちできるだけ広い範囲に設けられる。そしてこれらの金属膜の上にＳｉＮなどからなる保護膜６が設けられることにより、本発明の半導体装置が形成されている。
【００１３】
本発明によれば、デバイス活性領域の上の絶縁膜３上に金属膜からなる放熱膜５が設けられているため、たとえば図１に示されるように、デバイス活性領域の一部Ａ点で発熱した場合、絶縁膜３を伝わって四方に伝達するが、絶縁膜３の上面に達すると、放熱膜５に伝達する。放熱膜５は金属材料からなっているため、熱伝導率が大きく横方向にも伝達して短い時間で放熱膜５の全面に広がる。放熱膜５の上面に達した熱は、その上の保護膜６に伝達し、その表面に達して放散される。すなわち、一点Ａで発生した熱は、熱伝導の悪い絶縁膜３ではあまり横方向に広がらないで上方に伝達するが、その厚さは薄く放熱膜５に達するや否や直ちに放熱膜５の全面に広がるため、温度が下がると共に、さらに広い面積で上方の保護膜６に伝達する。そのため、熱の逃げが非常に容易となる。その結果、ピンポイント的に温度が上昇しても有効に放熱することができる。なお、熱の伝導方向を図１に波線で示してある。
【００１４】
この放熱膜５は、図１に示されるように、メタル配線４と独立して設けられてもよいが、図２に示されるように、メタル配線４と電気的に接続して設けられていてもよい。この場合でも、図１に示される例と同様に、放熱膜５はデバイス活性領域２の上のできるだけ大きい面積に設けられることが好ましい。なお、熱の放散の過程は図１に示される例と同様であり、図１と同じ部分には同じ符号を付してある。
【００１５】
さらに、半導体装置によっては、絶縁膜が複数層からなり、複数層の絶縁膜にメタル配線が設けられることがある。この場合、上方に伝わった熱は何層もの絶縁膜を通過しなければ表面から放熱することができず、絶縁膜が多いほど熱の放散特性が悪くなる。この場合でも、図３（ａ）〜（ｂ）に示されるように、第２の絶縁膜７の上に第２の放熱膜８が設けられることにより、同様に熱をさらに横方向に広げながら熱伝導が早くなって、放熱をしやすい。この場合、第２の放熱膜８が、その下側に設けられる放熱膜５より大きい面積で設けられることにより、さらに熱を四方に広げて放散するのに都合がよい。しかし、メタル配線の配置により、第２の放熱膜８の面積を大きくすることができなくても、絶縁膜より放熱膜の熱伝導率が大きいため、第２の放熱膜８が設けられることにより、熱放散の効果が大きくなる。なお、図３において（ａ）は第２の放熱膜８も第２の絶縁膜７上の図示しないメタル配線と独立して設けられる例で、（ｂ）は第２の放熱膜８が第２のメタル配線９と電気的に接続して設けられる例を示している。なお、図１と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略すると共に、図１と同様に波線により熱の伝導方向が示されている。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の構造によれば、デバイス活性領域の上の絶縁膜上に配線メタルと同じ材料からなる放熱膜が設けられているため、熱放散特性が優れ、発熱により素子特性が劣化したり、破壊することが減少する。また、印加され得るストレスの上限が上がり、高特性で信頼性の高い半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一実施形態の構造を示す図である。
【図２】図１の変形例を示す図である。
【図３】本発明の半導体装置の他の実施形態の構造を示す図である。
【図４】従来の半導体装置の熱放散の様子を示す図である。
【符号の説明】
１半導体基板
２デバイス活性領域
３絶縁膜
４メタル配線
５放熱膜
６保護膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device such as a high-power integrated circuit or an integrated circuit that generates heat. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device that can efficiently release heat generated in a circuit element portion or the like.
[0002]
[Prior art]
A conventional semiconductor device comprising, for example, a high breakdown voltage NMOS transistor has a drain 15a comprising an n ⁺ region and a drift drain comprising an n ⁻ region at the center of the surface of the p-type semiconductor substrate 11, as shown in a sectional view in FIG. 15b is formed, and a source 15c made of an n ⁺ region is formed around the channel 15b. The source 15c is surrounded by a thick thermal oxide film 12a for element isolation. A gate electrode 14 is formed on the surface of the channel via a thin gate oxide film 13, and a metal made of a drain wiring 17 a and a source wiring 17 b provided on the interlayer insulating film 16 is formed on the drain 15 a and the source 15 c. The wirings are connected to each other through contact holes provided in the interlayer insulating film 16. A protective film 18 is provided on the surface of the metal wiring. Reference numeral 12b denotes an insulating film formed thick in order to relax the electric field at the end of the gate electrode.
[0003]
In such a semiconductor device, heat generation usually occurs in a portion where a large current flows or a portion where current and electric field concentrate (for example, a portion indicated by A in the figure). Therefore, the temperature rises only at a very limited portion in the area of the semiconductor device. The heat generated in these circuit element portions proceeds to the back surface side of the semiconductor substrate 11 and is dissipated to the outside through the interlayer insulating film 16 and the protective film 18 on the front surface side, as indicated by the wavy line in FIG.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The heat dissipated through the above-mentioned interlayer insulating film and protective film is such that the insulating material such as the interlayer insulating film and protective film has a very low thermal conductivity of about 1/100 to 1/1000 of that of metal, and the heat dissipation efficiency Is low. In particular, when heat is generated at a pin spot, the heat conduction in the lateral direction is poor and the generated heat is difficult to disperse. On the other hand, when the heat is directed to the back surface of the semiconductor substrate, the semiconductor substrate has a thermal conductivity better than that of the insulating film, but the semiconductor substrate has a thermal conductivity of about half that of the metal, and the thickness of the substrate is It is as thick as about 200 to 500 μm. Therefore, heat generated on the surface side of the substrate cannot be sufficiently dissipated through the semiconductor substrate. As a result, there is a problem that the circuit element may be destroyed when sudden heat generation occurs at the pin spot.
[0005]
In order to improve such heat dissipation, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-177287 discloses means for enhancing the heat dissipation effect from the surface side by providing a metal film on the surface of the protective film of the entire semiconductor device. Yes. However, several insulating films such as an interlayer insulating film and a protective film in which metal wiring is provided are interposed between the heat generating portion of the semiconductor substrate and the metal film provided on the surface. As described above, since this insulating film has a very low thermal conductivity, the heat conduction from the heat generating portion to the outermost metal film is poor, and the heat generated in the circuit element portion cannot be sufficiently dissipated.
[0006]
The present invention has been made to solve such a problem, and provides a semiconductor device that efficiently dissipates heat generated in a partial circuit element portion or pin spot of an integrated circuit and does not deteriorate the element. With the goal.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate on which a circuit element is formed, an insulating film provided on the semiconductor substrate, and provided on the insulating film and directly connected to the circuit element formed on the semiconductor substrate. A semiconductor device having a metal wiring and a protective film provided on a surface of the metal wiring, wherein the metal wiring is provided on a surface of the insulating film provided with the metal wiring on a region where the circuit element is formed. A heat dissipation film made of the same material as that is electrically connected to the metal wiring and is wider than the width of the metal wiring .
[0008]
Before Symbol radiation film still another insulating film on is provided by the different heat radiation film is provided on said another insulating film in the semiconductor device insulating film is large, reach the heat radiation film transferred to the insulating film The heat that has passed through the heat-dissipating film spreads in the horizontal direction and further conducts upward through the insulating film, so that heat can be efficiently dissipated.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, each figure is shown as explanatory drawing, and the insulating-film part is expanded and written thickly rather than the part of a semiconductor substrate.
[0010]
The semiconductor device of the present invention is provided with a device active region 2 in which circuit elements are formed on a semiconductor substrate 1, for example, as shown in FIG. An insulating film 3 is provided on the semiconductor substrate 1, and a metal wiring 4 is provided on the insulating film 3. The metal wiring 4 is electrically connected to circuit elements in the device active region 2 through contact holes 3 a provided in the insulating film 3. A heat dissipation film 5 made of the same material as the metal wiring 4 is provided on the surface of the insulating film 3 that hits the device active region 2. A protective film 6 made of an insulating film such as a silicon nitride film (hereinafter referred to as SiN film) is provided thereon.
[0011]
The device active region 2 indicates a region where a circuit element can be formed, such as a region where an NMOSFET is formed in the conventional example described above. The insulating film 3 is a normal insulating film, and is made of a silicon oxide film (hereinafter referred to as SiO film) or SiN film formed by thermal oxidation or CVD, and is formed to a thickness of about 0.3 to 3 μm. Yes. Here, the insulating film refers to an insulating film on which metal wiring can be provided, and a plurality of layers may be provided.
[0012]
A wiring metal 4 is provided on the insulating film 3, and a heat dissipation film 5 is provided with a thickness of about 0.1 to 2 μm. The heat dissipating film 5 is formed by remaining in a portion corresponding to the device active region 2 when patterning a metal film made of Al or the like provided on the entire surface in order to form the metal wiring 4. Therefore, the same material as that of the metal wiring 4 can be easily formed without causing any increase in man-hours by simply changing the shape of the mask during patterning. As the metal wiring 4 and the heat dissipation film 5, in addition to Al, metals such as Cu, W, Ti, TiN, Al—Si—Cu, Al—Cu, Pt, and Au, and silicide films of these metals and silicon are used. Is used. As will be described later, the heat dissipation film 5 may be electrically connected to the metal wiring 4, but has a width wider than the width of the metal wiring 4, and as shown in FIG. It is provided in the widest possible range of the area above the device active region 2. A protective film 6 made of SiN or the like is provided on these metal films, thereby forming the semiconductor device of the present invention.
[0013]
According to the present invention, since the heat dissipation film 5 made of a metal film is provided on the insulating film 3 above the device active region, for example, as shown in FIG. 1, heat is generated at a part A of the device active region. In this case, the light is transmitted in all directions through the insulating film 3, but is transmitted to the heat dissipation film 5 when reaching the upper surface of the insulating film 3. Since the heat dissipating film 5 is made of a metal material, the heat conductivity is large and the heat dissipating film 5 is also transmitted in the lateral direction and spreads over the entire surface of the heat dissipating film 5 in a short time. The heat that has reached the upper surface of the heat dissipation film 5 is transferred to the protective film 6 thereon, and reaches the surface to be dissipated. That is, the heat generated at one point A is transmitted to the upper side without spreading in the lateral direction so much in the insulating film 3 having poor heat conduction, but the thickness is thin and as soon as the heat radiating film 5 is reached, the heat radiating film 5 is immediately spread over the entire surface. Since it spreads, the temperature lowers and it is transmitted to the upper protective film 6 in a wider area. Therefore, the heat escape becomes very easy. As a result, even if the temperature rises in a pinpoint manner, heat can be effectively radiated. Note that the heat conduction direction is indicated by a wavy line in FIG.
[0014]
The heat dissipation film 5 may be provided independently of the metal wiring 4 as shown in FIG. 1, but is provided in electrical connection with the metal wiring 4 as shown in FIG. Also good. Even in this case, similarly to the example shown in FIG. 1, it is preferable that the heat dissipation film 5 is provided in the largest possible area on the device active region 2. The process of heat dissipation is the same as in the example shown in FIG. 1, and the same parts as those in FIG.
[0015]
Further, depending on the semiconductor device, the insulating film may be formed of a plurality of layers, and metal wiring may be provided in the plurality of layers of the insulating film. In this case, the heat transmitted upward cannot be dissipated from the surface unless it passes through several layers of insulating films, and the more the insulating films, the worse the heat dissipation characteristics. Even in this case, as shown in FIGS. 3A to 3B, the second heat radiation film 8 is provided on the second insulating film 7, thereby similarly spreading the heat further in the lateral direction. Heat conduction is faster, and it is easier to dissipate heat. In this case, the second heat radiation film 8 is provided in an area larger than the heat radiation film 5 provided below the second heat radiation film 8, which is convenient for spreading heat further in all directions. However, even if the area of the second heat radiation film 8 cannot be increased due to the arrangement of the metal wiring, the heat conductivity of the heat radiation film is larger than that of the insulating film, so that the second heat radiation film 8 is provided. The effect of heat dissipation is increased. 3A is an example in which the second heat dissipation film 8 is also provided independently of a metal wiring (not shown) on the second insulating film 7, and FIG. 3B is an example in which the second heat dissipation film 8 is the second. In this example, the metal wiring 9 is provided in electrical connection. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and the direction of heat conduction is indicated by wavy lines as in FIG.
[0016]
【The invention's effect】
According to the structure of the present invention, since the heat dissipation film made of the same material as the wiring metal is provided on the insulating film on the device active region, the heat dissipation characteristics are excellent, and the element characteristics deteriorate or break down due to heat generation. To reduce. Further, the upper limit of the stress that can be applied is increased, and a semiconductor device having high characteristics and high reliability can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a structure of an embodiment of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a modification of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a structure of another embodiment of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a state of heat dissipation of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Device active region 3 Insulating film 4 Metal wiring 5 Heat radiation film 6 Protective film

Claims

A semiconductor substrate on which a circuit element is formed, an insulating film provided on the semiconductor substrate, a metal wiring provided on the insulating film and directly connected to the circuit element formed on the semiconductor substrate, and the metal wiring A heat dissipation film made of the same material as the metal wiring on the surface of the insulating film provided with the metal wiring on a region where the circuit element is formed, the semiconductor device having a protective film provided on the upper surface Is a semiconductor device which is electrically connected to the metal wiring and formed to have a width wider than the width of the metal wiring.

The heat radiation film on another insulating film is provided on the semiconductor device according to claim 1, further another heat dissipating layer on said another insulating film is provided.