Полупроводниковое устройство и способ для его производства
Изобретение относится к полупроводниковой технике. Сущность: полупроводниковое устройство включает полупроводниковую подложку, композиционную металлическую пленку и вывод для измерения. Композиционная металлическая пленка нанесена на переднюю поверхность или на заднюю поверхность полупроводниковой подложки и содержит первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки, который соединяется с первым слоем металлической пленки и имеет разные коэффициенты термоЭДС с первым слоем металлической пленки. Вывод для измерения позволяет измерять разность электрических потенциалов между первым слоем металлической пленки и вторым слоем металлической пленки. Технический результат: повышение чувствительности и точности измерения температуры. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.
[0001] Изобретение, представленное настоящим описанием, относится к полупроводниковому устройству и способу его производства.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] В публикации заявки на патент Японии №10-41510 (JP-10-41510) (Патент 1) описано полупроводниковое устройство, в котором в качестве термочувствительного элемента используется PN-диод (полупроводниковый диод с электронно-дырочным переходом (PN-переход)), установленный на поверхности полупроводниковой подложки. Температура поверхности полупроводникового элемента измеряется с использованием зависимости между температурой и прямым напряжением PN-диода, установленного на поверхности полупроводниковой подложки.
Уровень техники
Патентная документация
[0003] Патент 1: Публикация заявки на патент Японии №10-41510 (JP-10-41510)
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблемы, которые будут решены данным изобретением
[0004] В известных термочувствительных элементах, в которых используется PN диод, а температура измеряется на основе зависимости между температурой и прямым напряжением при прохождении тока постоянной величины через термочувствительный элемент, при этом необходимо измерять изменение напряжения по отношению к прямому напряжению. Например, в случае, когда прямое напряжение составляет 1.5 В, а рост напряжения PN-диода по отношению к температуре составляет 3 мВ/°C, необходимо измерять изменение напряжения порядка нескольких мВ при помощи устройства измерения напряжения (например, вольтметра), диапазон измерения которого должен быть настроен на несколько вольт для обеспечения возможности измерения прямого напряжения. Трудно обеспечить точность при измерении незначительных изменений напряжения и поэтому трудно точно измерить температуру.
Средства решения проблемы
[0005] Известно использование одного металла в качестве материала основного электрода полупроводникового устройства (электрода, который расположен в зоне размещения элементов полупроводниковой подложки, такой как эмиттерный электрод и т.п.). Однако в последние годы с повышением мощности полупроводниковых устройств все более актуальной становится проблема улучшения отвода тепла от полупроводникового устройства, в связи с чем были разработаны технологии, использующие многослойный электрод, в котором основной электрод сформирован из тонких слоев различных металлов, наслаиваемых друг на друга, благодаря чему достигается лучшая теплоотдача. Автор изобретения принял за прототип многослойный электрод и создал изобретение на основе соединения тонких слоев различных металлов и использования их в качестве термочувствительного элемента полупроводникового устройства.
[0006] Настоящее изобретение представляет полупроводниковое устройство, которое включает в себя: полупроводниковую подложку; композиционную металлическую пленку, которая нанесена на лицевую поверхность или на тыльную поверхность полупроводниковой подложки и содержит первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки, который соединен с первым слоем металлической пленки и имеет коэффициент термоЭДС, отличный от аналогичного коэффициента первого слоя металлической пленки; а также вывод для измерения, который позволяет измерять разность электрических потенциалов между первым слоем металлической пленки и вторым слоем металлической пленки.
[0007] В вышеупомянутом полупроводниковом устройстве термоэлектродвижущая сила первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки может быть измерена выводом для измерения, и таким образом может быть измерена температура полупроводникового устройства. Термочувствительный элемент, в котором используется композиционная металлическая пленка, полученная путем соединения друг с другом первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки, измеряет термоэлектродвижущую силу, которая генерируется в зависимости от разности температур между контактной точкой измерения температуры и контрольной контактной точкой, что позволяет измерить температуру полупроводникового устройства. Таким образом, измерение может производиться при помощи устройства измерения напряжения с диапазоном измерения, который соответствует величине генерирования термоэлектродвижущей силы. Чувствительность температурных измерений может быть повышена по сравнению с традиционным термочувствительным элементом, в котором используется PN-диод.
[0008] Вывод для измерения может включать первый вывод для измерения, электрически соединенный с первым слоем металлической пленки, и второй вывод для измерения, электрически соединенный со вторым слоем металлической пленки. В таком случае первый вывод для измерения может быть изготовлен из того же материала, что и первый слой металлической пленки, а второй измерительный электрод может быть изготовлен из того же материала, что и второй слой металлической пленки.
[0009] Первый слой металлической пленки может контактировать с лицевой поверхностью или с тыльной поверхностью полупроводниковой подложки, а второй слой металлической пленки может быть нанесен непосредственно на поверхность первого слоя металлической пленки, которая расположена на другой стороне относительно полупроводниковой подложки. В этом случае первый слой металлической пленки может представлять собой металлическую пленку, содержащую 10 и более масс. % Al в качестве основного компонента, а второй слой металлической пленки может представлять собой металлическую пленку, которая содержит в качестве основного компонента 10 и более масс. % по меньшей мере одного вещества, выбранного из группы Ni, Ti, Mo, W, Ag, Cu или Zn. Кроме того, предпочтительно, чтобы первый слой металлической пленки (металлическая пленка, содержащая 10 и более масс. % Al в качестве основного компонента) имел толщину, равную и больше, чем 1 мкм. В случае, когда второй слой металлической пленки содержит 10 и более масс. % Ni в качестве основного компонента, предпочтительно, чтобы второй слой металлической пленки имел толщину, равную или больше чем 500 нм.
[0010] Кроме того, первый слой металлической пленки может представлять собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Ni в качестве основного компонента, а второй слой металлической пленки может представлять собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % по меньшей мере одного вещества, выбранного из группы Zn или Ti. В этом случае первый слой металлической пленки (металлическая пленка, содержащая 10 или более масс. % Ni в качестве основного компонента) может иметь толщину, равную или больше чем 500 нм.
[0011] Полупроводниковое устройство может также содержать: основной электрод, размещенный в зоне размещения элементов полупроводниковой подложки. В этом случае первый слой металлической пленки, второй слой металлической пленки и вывод для измерения могут быть электрически независимы от основного электрода. Кроме того, первый слой металлической пленки, второй слой металлической пленки и вывод для измерения могут быть подключены к токовой цепи основного электрода. В другом варианте композиционная металлическая пленка может быть, по крайней мере, частью основного электрода, установленного в зоне формирования элементов полупроводниковой подложки.
[0012] Кроме того, заявляемое техническое решение раскрывает способ изготовления вышеупомянутого полупроводникового устройства. Согласно способу изготовления вышеупомянутого полупроводникового устройства, предпочтительно, чтобы первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки наносились методом непрерывного напыления в вакуумной камере. Кроме того, предпочтительно, чтобы первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки наносились методом напыления при помощи мишени для распыления с чистотой, равной или более 99%, при условии, что уровень вакуума в режиме готовности камеры напыления равен или меньше чем 1×10-6 Па, что колебания давления в камере во время напыления равны или меньше 10%, и что чистота защитной газовой среды напыления равна или выше 99%.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] ФИГ. 1 представляет собой вид в плане полупроводникового устройства согласно первому варианту осуществления изобретения.
ФИГ. 2 представляет собой поперечное сечение по линии II-II ФИГ. 1.
ФИГ. 3 представляет собой поперечное сечение полупроводникового устройства в соответствии с примером исполнения.
ФИГ. 4 представляет собой поперечное сечение полупроводникового устройства в соответствии с другим примером исполнения.
ФИГ. 5 представляет собой поперечное сечение полупроводникового устройства в соответствии с еще одним примером исполнения.
ФИГ. 6 представляет собой вид в плане полупроводникового устройства согласно второму варианту осуществления изобретения.
ФИГ. 7 представляет собой поперечное сечение по линии VII-VII ФИГ. 6.
ФИГ. 8 представляет собой поперечное сечение полупроводникового устройства в соответствии с примером исполнения.
ФИГ. 9 представляет собой поперечное сечение полупроводникового устройства в соответствии с другим примером исполнения.
ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014] Полупроводниковое устройство, которое является предметом настоящего изобретения, включает полупроводниковую подложку и композиционную металлическую пленку, нанесенную на лицевую или на тыльную поверхности полупроводниковой подложки. Композиционная металлическая пленка содержит первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки, при этом первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки плотно соединены друг с другом. Первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки имеют отличающиеся друг от друга коэффициенты термоЭДС (коэффициент Зеебека). Полупроводниковое устройство, являющееся предметом настоящего изобретения, также содержит вывод для измерения, способный измерять разность электрических потенциалов между первым слоем металлической пленки и вторым слоем металлической пленки. Контактная поверхность первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки представляет собой контактную точку измерения температуры, и измерительный электрод измеряет температуру в этой контактной точке. ТермоЭДС, генерируюемая в зависимости от разности температур между контактной точкой измерения температуры и контрольной контактной точкой, может измеряться выводом для измерения. Таким образом может быть измерена температура полупроводникового устройства.
[0015] При использовании в качестве термочувствительного элемента композиционной металлической пленки, которая образуется путем соединения друг с другом первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки, имеющих различный коэффициент термоЭДС, данный термочувствительный элемент обладает превосходной чувствительностью к измеряемой температуре и способен производить измерение температуры с высокой точностью. В термочувствительном
элементе, образованном композиционной металлической пленкой, генерируемая термоЭДС прямо зависит от разности температур между контактной точкой измерения температуры и контрольной контактной точкой. Так, например, в случае, когда скорость роста термоэлектродвижущей силы в зависимости от температуры составляет 3 мВ/°C, изменение термоэлектродвижущей силы может измеряться при помощи устройства измерения напряжения (например, вольтметра) с диапазоном измерения, настроенным на мВ. Так как даже незначительные изменения температуры могут измеряться с хорошими параметрами чувствительности, достигается высокая точность измерений температуры. Кроме того, термоэлектродвижущая сила, которая возникает в термочувствительном элементе, образованном композиционной металлической пленкой, не зависит от изменений формы или размера композиционной металлической пленки. Таким образом, разброс значений параметров при измерении может быть снижен. Заметим в этой связи, что для измерения разности электрических потенциалов между первым слоем металлической пленки и вторым слоем металлической пленки при помощи вывода для измерения, может быть использовано традиционное устройство измерения напряжения (такое, как вольтметр и т.п.). Например, как первый вывод для измерения, электрически соединенный с первым слоем металлической пленки, так и второй вывод для измерения, электрически соединенный со вторым слоем металлической пленки, соединяются с устройством измерения напряжения, при этом измеряется разность электрических потенциалов между первым выводом для измерения и вторым выводом для измерения, что дает возможность измерить разность электрических потенциалов между первым слоем металлической пленки и вторым слоем металлической пленки.
[0016] Полупроводниковый элемент на полупроводниковой подложке не является единственно возможным вариантом осуществления изобретения. В качестве примера можно привести диод, полевой транзистор на основе перехода металл-оксид-полупроводник (MOSFET), биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), диодный биполярный транзистор с изолированным затвором, проводящий в обратном направлении (RC-IGBT), и биполярный транзистор с изолированным затвором на аналогичной полупроводниковой подложке или другое подобное устройство. Термочувствительный элемент, образованный композиционной металлической пленкой, является самым предпочтительным для полупроводникового устройства (например, мощного полупроводникового устройства), на котором установлен полупроводниковый элемент, который производит большое количество тепла во время работы и через который протекают токи большой силы.
[0017] В вышеупомянутом полупроводниковом устройстве композиционная металлическая пленка может быть нанесена на любой лицевой или тыльной поверхности полупроводниковой подложки. Кроме того, композиционная металлическая пленка может контактировать с полупроводниковой подложкой или с другой пленкой, такой как изоляционная пленка, которая может быть размещена между композиционной металлической пленкой и полупроводниковой подложкой. Понятие «композиционная металлическая пленка, нанесенная на лицевую поверхность или на тыльную поверхность полупроводниковой подложки», используемое в настоящем описании, подразумевает использование как композиционной металлической пленки, нанесенной непосредственно на полупроводниковую подложку и контактирующую с ней, так и композиционную металлическую пленку, нанесенную между полупроводниковыми подложками через другой слой, например, через изоляционное покрытие и т.п. Традиционный термочувствительный элемент, в котором применяется PN-диод, требует наличия изоляции от полупроводниковой подложки и не может наноситься непосредственно на поверхность полупроводниковой подложки. Напротив, термочувствительный элемент, в котором применяется композиционная металлическая пленка, согласно настоящему описанию изобретения, может электрически соединяться с полупроводниковой подложкой или может контактировать с поверхностью полупроводниковой подложки. В традиционном термочувствительном элементе, в котором используется PN-диод, ограничены места установки термочувствительного элемента в полупроводниковом устройстве, и необходимо предусмотреть пространство, достаточное для размещения термочувствительного элемента. Термочувствительный элемент, с использованием композиционной металлической пленки, согласно настоящему изобретению, решает проблему размещения, по сравнению с традиционными технологиями, и позволяет значительно уменьшить размеры полупроводникового устройства.
[0018] Достаточно, чтобы первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки были соединены друг с другом. Например, первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки могут наслаиваться друг на друга в направлении толщины полупроводниковой подложки. Первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки могут находиться рядом друг с другом в плоскости полупроводниковой подложки (в направлении, перпендикулярном направлению толщины). В другом варианте первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки могут соединяться друг с другом в составе композиционной структуры, состоящих из этих двух форм. Достаточно, чтобы вывод для измерения был способен измерять термоэлектродвижущую силу первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки. Например, возможна конфигурация, включающая первый вывод для измерения, электрически соединенный с первым слоем металлической пленки, и второй вывод для измерения, электрически соединенный со вторым слоем металлической пленки. Хотя возможны и другие варианты конфигурации, в качестве примеров выводов для измерения можно привести структуру с межслойным соединением, выводную структуру с межслойным соединением и структуру с контактами (электрод с плоской контактной поверхностью и т.п.). Исполнение, при котором каждый измерительный электрод изготовлен из того же материала, что и металлическая пленка, с которой он соединятся, является предпочтительным, потому что в этом случае упрощается техническое решение. В случае, когда приоритетной является стоимость материалов, материал, который отличается от материала каждой металлической пленки, с которой соединяется каждый соответствующий измерительный электрод, может быть использован и для изготовления соответствующих измерительных электродов. В этом случае термочувствительный элемент может быть использован с учетом термоэлектродвижущей силы зон контакта первого и второго слоев металлической пленки и выводов для измерений. На полупроводниковое устройство может быть нанесена только одна композиционная металлическая пленка или же несколько композиционных металлических пленок. В случае, когда наносятся несколько композиционных металлических пленок, предпочтительно чтобы каждой композиционной металлической пленке соответствовал отдельный вывод для измерений, электрически независимый от других выводов для измерений.
[0019] Композиционная металлическая пленка может представлять собой композиционную металлическую пленку со слоями, расположенными перпендикулярно поверхности полупроводникового устройства. Первый слой металлической пленки может контактировать с лицевой или с тыльной поверхностью полупроводниковой подложки, а второй слой металлической пленки может быть нанесен непосредственно на лицевую поверхность или на тыльную поверхность первого слоя металлической пленки (ее поверхность, расположенную на противоположной стороне относительно полупроводниковой подложки). В этом случае предпочтительно, чтобы разность между коэффициентом термоЭДС материала первого слоя металлической пленки и коэффициентом термоЭДС материала второго слоя металлической пленки была значительной, и чтобы эти материалы использовались и в качестве материалов для изготовления электродов полупроводникового устройства. В частности, предпочтительно, чтобы первый слой металлической пленки представлял собой металлическую пленку, содержащую 10 и более масс. % Al в качестве основного компонента, и чтобы второй слой металлической пленки представлял собой металлическую пленку, содержащую 10 и более масс. % по меньшей мере одного вещества, выбранного из группы Ni, Ti, Mo, W, Ag, Cu или Zn. Более предпочтительно, чтобы второй слой металлической пленки представлял собой металлическую пленку, содержащую 10 и более масс. % Ni в качестве основного компонента. Кроме того, предпочтительно чтобы первый слой металлической пленки (металлическая пленка, содержащая 10 и более масс. % Al в качестве основного компонента) имел толщину, равную или больше чем 1 мкм. В случае, когда второй слой металлической пленки представляет собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс % Ni в качестве основного компонента, предпочтительно, чтобы второй слой металлической пленки имел толщину, равную и больше чем 500 нм.
[0020] Кроме того, первый слой металлической пленки может представлять собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % в Ni в качестве основного компонента, а второй слой металлической пленки может представлять собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % по меньшей мере одного вещества, выбранного из группы Zn или Ti в качестве основного компонента. В этом случае предпочтительно, чтобы первый слой металлической пленки (металлическая пленка, содержащая 10 и более масс. % Ni в качестве основного компонента) имел толщину, равную или больше чем 500 нм.
[0021] Композиционная металлическая пленка, включающая первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки указанного выше состава, может успешно использоваться в качестве основного электрода полупроводникового устройства (электрода, который соединятся с полупроводниковым элементом). Даже в том случае, когда композиционная металлическая пленка не используется в качестве основного электрода, имеется преимущество, которое заключается в том, что композиционная металлическая пленка может изготавливаться одновременно с основным электродом и в рамках того же технологического процесса, что и основной электрод. В случае, когда компоненты композиционной металлической пленки, основного электрода и вывода для измерения аналогичны, то композиционная металлическая пленка и основной электрод могут изготавливаться одновременно в рамках одного и того же процесса, за счет чего упрощается процесс изготовления.
[0022] Полупроводниковое устройство может дополнительно содержать основной электрод, расположенный в зоне формирования элементов полупроводниковой подложки. В этом случае первый слой металлической пленки, второй слой металлической пленки и вывод для измерения могут быть электрически независимы от основного электрода. Кроме того, первый слой металлической пленки, второй слой металлической пленки и выводы для измерения могут соединяться с токовой цепью основного электрода. С другой стороны, композиционная металлическая пленка может быть только частью основного электрода, расположенного в зоне формирования элементов полупроводниковой подложки.
[0023] Например, в случае, когда элемент IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) сформирован на полупроводниковой подложке, предпочтительно, чтобы композиционная металлическая пленка сообщалась с токовой цепью между эмиттерным электродом и коллекторным электродом. В частности, например, предпочтительно, чтобы композиционная металлическая пленка представляла собой часть проводки, по которой протекает электрический ток. Кроме того, более предпочтительно, чтобы композиционная металлическая пленка была нанесена в области полупроводниковой подложки, где формируется элемент IGBT. За счет этого экономится пространство, необходимое для нанесения композиционной металлической пленки, используемой в качестве термочувствительного элемента, а чувствительность температурных измерений повышается. В случае, когда композиционная металлическая пленка соединяется с токовой цепью между эмиттерным электродом и коллекторным электродом, предпочтительно, чтобы контактный эмиттерный электрод был электрически независим от других контактных электродов (контактного коллекторного электрода, вывода управляющего электрода и т.п.). В частности, например, является предпочтительным полупроводниковое устройство, включающее кластерную структуру элементов IGBT, в которой область эмиттерных контактов покрыта несвязным диффузионным слоем, а контактный эмиттерный электрод электрически независим от других контактных электродов.
[0024] Предпочтительно, чтобы первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки наносились методом непрерывного напыления в вакуумной камере. После нанесения первого слоя металлической пленки второй слой металлической пленки наносится без контакта с атмосферным воздухом, благодаря чему может быть снижена концентрация примесей на контактной поверхности первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки. Таким образом, контактная поверхность может быть однородной, и может быть создан термочувствительный элемент, отличающийся хорошими характеристиками. Более предпочтительно, чтобы первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки изготавливались методом напыления при условии, что уровень вакуума в камере напыления в режиме готовности должен быть равен или меньше чем 1×10-6 Па, при этом колебание давления в камере во время напыления должно быть равно или меньше 10%, что чистота защитной газовой среды напыления (например, газообразного аргона или криптона) должна быть равна или выше 99%, и чтобы чистота мишени для осаждения также должна быть равна или выше 99%. Здесь необходимо отметить, что чистота мишени для осаждения, равная или выше 99%, означает, что доля композиционных элементов первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки будет более 99%, и что оставшаяся доля будет представлять собой неизбежные, в данном случае, примеси. Заметим в данной связи, что способ нанесения первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки не ограничен методом напыления. Например, может применяться традиционный способ нанесения металлического покрытия, такой как гальванизация, или иной подобный метод. В случае, когда применяется способ нанесения гальванопокрытия, составы первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки должны быть строго выверены. В случае нанесения покрытия методом напыления контролировать составы первого слоя металлической пленки и второго слоя металлической пленки будет намного проще.
Первый вариант осуществления изобретения
[0025] (Полупроводниковое устройство)
Как показано на ФИГ. 1 и 2, полупроводниковое устройство 10 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения содержит полупроводниковую подложку 100, поверхностное изоляционное покрытие 110, основной электрод 120, композиционную металлическую пленку 130 и контактные площадки 141 и 142.
[0026] На полупроводниковой подложке 100 размещен биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), используемый в качестве полупроводникового элемента (не показан на чертежах). Поверхностное изоляционное покрытие 110 контактирует с поверхностью полупроводниковой подложки 100 за пределами зоны размещения элемента IGBT. Композиционная металлическая пленка 130 контактирует с поверхностным изоляционным покрытием 110. Основной электрод 120 контактирует с поверхностью полупроводниковой подложки 100 в зоне размещения элемента IGBT. Основной электрод 120 является эмиттером. При этом коллекторный электрод установлен на задней поверхности полупроводниковой подложки 100 и контактирует с ней (не показано на чертежах). Основной электрод 120 включает первый слой 121 электрода и второй слой 122 электрода, которые наслоены друг на друга в направлении толщины полупроводниковой подложки 100. Первый слой 121 электрода контактирует с поверхностью полупроводниковой подложки 100. Второй слой 122 электрода контактирует с поверхностью первого слоя 121 электрода. Первый слой 121 электрода и второй слой 122 электрода соединены друг с другом. Первый слой 121 электрода представляет собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Al в качестве основного компонента. Второй слой 122 электрода представляет собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Ni в качестве основного компонента.
[0027] Композиционная металлическая пленка 130 содержит первый слой 131 металлической пленки и второй слой 132 металлической пленки, которые наслоены друг на друга в направлении толщины полупроводниковой подложки 100. Первый слой 131 металлической пленки контактирует с поверхностью изоляционного покрытия 110. Второй слой 132 металлической пленки контактирует с поверхностью первого 131 слоя металлической пленки. Первый слой 131 металлической пленки и второй слой 132 металлической пленки соединены друг с другом. Первый слой 131 металлической пленки представляет собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Al в качестве основного компонента и имеет толщину, равную или больше чем 1 µm. Второй слой 132 металлической пленки представляет собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Ni в качестве основного компонента и имеет толщину, равную или больше чем 500 nm. Коэффициент термоЭДС S1 первого слоя 131 металлической пленки и коэффициент термоЭДС S2 второго слоя 132 металлической пленки различаются друг от друга (S1≠S2). Первый слой 131 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 141 проволочным соединением 133, а второй слой 132 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 142 проволочным соединением 134. Проволочное соединение 133 и контактная площадка 141 формируют первый измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и первый слой 131 металлической пленки. Проволочное соединение 134 и контактная площадка 142 формируют второй измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и второй слой 132 металлической пленки.
[0028] Контактные площадки 141 и 142 соединены с устройством измерения напряжения (не показано на чертежах), таким как вольтметр и т.п., что позволяет измерять разность электрических потенциалов между первым слоем 131 металлической пленки и вторым слоем 132 металлической пленки. Поскольку коэффициент термоЭДС S1 (коэффициент Зеебека) первого слоя 131 металлической пленки и коэффициент термоЭДС S2 второго слоя 132 металлической пленки не равны между собой, разность электрических потенциалов создается за счет разности температур между контактной поверхностью первого 131 слоя металлической пленки и второго слоя 132 металлической пленки и контактными площадками 141 и 142. Посредством измерения разности электрических потенциалов при помощи устройства измерения напряжения может быть измерена температура полупроводникового устройства. Композиционная металлическая пленка 130, которая содержит первый слой 131 металлической пленки и второй слой 132 металлической пленки, контактные площадки 141 и 142 и проволочные соединения 133 и 134 могут использоваться как термочувствительный элемент полупроводникового устройства 10.
[0029] (Способ изготовления полупроводникового устройства)
В полупроводниковом устройстве 10 первый слой 131 металлической пленки и второй слой 132 металлической пленки наносятся методом непрерывного напыления в вакуумной камере. Например, после нанесения полупроводниковой подложки в камере напыления уровень вакуума в режиме готовности в камере напыления устанавливается на уровне, равном или меньше чем 1×10-6 Па, при этом нанесение покрытия методом напыления производится при условии, что колебание давления в камере во время напыления будет равен или меньше 10%, а чистота защитной газовой среды напыления будет равно или больше чем 99%; с использованием мишени для осаждения распыления, которая изготовлена из того же материала, что и первый слой 131 металлической пленки (в составе такой мишени композиционный компонент первого слоя 131 металлической пленки должен присутствовать в количестве, равном или больше, чем 99%). Впоследствии нанесение покрытия производится методом напыления при условии, что колебание давления в камере во время напыления должно быть равно или меньше чем 10%, и что чистота защитной газовой среды напыления должна быть равна или выше 99%; с использованием мишени для осаждения распыления, которая изготовлена из того же материала, что и второй слой 132 металлической пленки (в составе такой мишени композиционный компонент второго слоя 132 металлической пленки должен присутствовать в количестве, равном или больше чем 99%). Таким образом, обеспечиваются надлежащие условия для формирования контактной поверхности первого слоя 131 металлической пленки и второго слоя 132 металлической пленки. В случае, когда первый слой 131 металлической пленки и первый слой 121 электрода изготовлены из одного и того же материала, возможно одновременное нанесение этих покрытий. К тому же, в случае, когда второй слой 132 металлической пленки и второй слой 122 электрода изготовлены из одного и того же материала, возможно одновременное нанесение этих покрытий.
[0030] (Модифицированные примеры исполнения)
На ФИГ. с 3 по 5 представлен модифицированные варианты исполнения полупроводникового устройства 10, изображенного на ФИГ. 1 и 2. Полупроводниковое устройство 11, показанное на ФИГ. 3, включает композиционный пленочный электрод 150, нанесенный на поверхность полупроводниковой подложки 100 с использованием поверхностного изоляционного покрытия 110. Композиционная металлическая пленка 150 включает первый слой 151 металлической пленки и второй слой 152 металлической пленки, которые наслоены друг на друга по направлению толщины полупроводниковой подложки 100. Первый слой 151 металлической пленки контактирует с поверхностным изоляционным покрытием 110. Второй слой 152 металлической пленки контактирует с поверхностью первого слоя 151 металлической пленки. Первый слой 151 металлической пленки и второй слой 152 металлической пленки соединены друг с другом.
[0031] Первый слой 151 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 155 посредством выводного проволочного соединения 153, а второй слой 152 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 156 посредством выводного проволочного соединения 154. Первый слой 151 металлической пленки, второй слой 152 металлической пленки и выводные проволочные соединения 153 и 154 покрыты защитной пленкой 190, изготовленной из полиимида или аналогичного материала. Поверхности контактных площадок 155 и 156 выходят на поверхность защитной пленки 190. Контактная площадка 155 соединяется с контактной площадкой 141 проволочным соединением 157, а контактная площадка 156 соединяется с контактной площадкой 142 проволочным соединением 158. Выводное проволочное соединение 153, контактная площадка 155, проволочное соединение 157 и контактная площадка 141 формируют первый измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и первый слой металлической пленки 151. Выводное проволочное соединение 154, контактная площадка 156, проволочное соединение 158 и контактная площадка 142 формируют второй измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и первый слой 152 металлической пленки.
[0032] Кроме того, полупроводниковое устройство 12, показанное на ФИГ. 4, содержит композиционную металлическую пленку 160, которая нанесена на поверхность полупроводниковой подложки 100 с использованием поверхностного изоляционного покрытия 110. Композиционная металлическая пленка 160 содержит первый слой 161 металлической пленки и второй слой 162 металлической пленки, которые наслоены друг на друга по направлению толщины полупроводниковой подложки 100. Первый слой 161 металлической пленки контактирует с поверхностью изоляционного покрытия 110. Второй слой 162 металлической пленки контактирует с поверхностью первого слоя 161 металлической пленки. Первый слой 161 металлической пленки и второй слой 162 металлической пленки соединены друг с другом.
[0033] Первый слой 161 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 165 выводным проволочным соединением 163. Первый слой 151 металлической пленки и выводное проволочное соединение 163 покрыты защитной пленкой 190, изготовленной из полиимида или аналогичного материала. Поверхности контактной площадки 165 и второго слоя металлической пленки 162 покрыты поверхностью защитной пленкой 190. Контактная площадка 165 соединяется с контактной площадкой 141 проволочным соединением 167, а второй слой 162 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 142 проволочным соединением 168. Выводное проволочное соединение 163, контактная площадка 165, проволочное соединение 167 и контактная площадка 141 формируют первый измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и первый слой 161 металлической пленки. Проволочное соединение 168 и контактная площадка 142 формируют второй измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и второй слой 162 металлической пленки.
[0034] Кроме того, полупроводниковое устройство 13, показанное на ФИГ. 5, содержит композиционную металлическую пленку 170, которая нанесена на поверхность полупроводниковой подложки 100 с использованием поверхностного изоляционного покрытия 110. Композиционная металлическая пленка 170 содержит первый слой 171 металлической пленки и второй слой 172 металлической пленки, которые находятся рядом друг с другом в направлении плоскости полупроводниковой подложки 100 (в направлении, перпендикулярном направлению толщины). Первый слой 171 металлической пленки и второй слой 172 металлической пленки контактируют с поверхностью изоляционного покрытия 110. Первый слой 171 металлической пленки и второй слой 172 металлической пленки соединены друг с другом своими боковыми поверхностями.
[0035] Первый слой 171 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 141 проволочным соединением 173, а второй слой 172 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 142 проволочным соединением 174. Проволочное соединение 173 и контактная площадка 141 формируют первый измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и первый слой 171 металлической пленки. Проволочное соединение 174 и контактная площадка 142 формируют второй измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и второй слой 172 металлической пленки. Как показано на ФИГ. 5, в случае, когда первый слой 171 металлической пленки и второй слой 172 металлической пленки находятся рядом друг с другом в направлении плоскости полупроводниковой подложки (в направлении, перпендикулярном направлению толщины), легко сформировать проволочные соединения измерительных электродов. В случае, когда композиционная металлическая пленка наносится на заднюю поверхность полупроводниковой подложки с относительно небольшой свободой трассировки проволочных соединений, предпочтительно остановить выбор на композиционной металлической пленке, в которой первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки стыкуются друг с другом в направлении плоскости полупроводниковой подложки.
[0036] Каждый из первых слоев 151, 161 и 171 металлических пленок представляет собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Al в качестве основного компонента и имеет толщину, равную или больше чем 1 µm. Каждый из вторых слоев 152, 162 и 172 металлических пленок представляет собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Ni в качестве основного компонента и имеет толщину, равную или больше чем 500 nm. Каждый из первых слоев 151, 161 и 171 металлических пленок имеет коэффициент термоЭДС, отличающийся от коэффициента термоЭДС, соответствующего одного из вторых слоев 152, 162 и 172 металлических пленок. Поскольку с точки зрения других особенностей конфигурации полупроводниковые устройства 11, 12 и 13 идентичны полупроводниковому устройству 10, то его описание здесь не будет приведено.
[0037] В каждом из полупроводниковых устройств 11, 12 и 13 устройство измерения напряжения также соединяется с контактными площадками 141 и 142, что позволяет измерять разность электрических потенциалов между первым слоем (151, 161, 171) металлической пленки и вторым слоем (152, 162, 172) металлической пленки. Композиционная металлическая пленка (150, 160, 170), соединенная с ней выводным проволочным соединением (153, 154, 163) контактная площадка (155, 156, 165), проволочные соединения (157, 158, 167, 168, 173, 174), контактные площадки (141, 142) и т.п.могут использоваться как термочувствительный элемент полупроводникового устройства (11,12,13).
Второй пример осуществления изобретения
[0038] (Полупроводниковое устройство)
Как показано на ФИГ. 6 и 7, полупроводниковое устройство 20 согласно второму варианту осуществления изобретения включает полупроводниковую подложку 200, поверхностное изоляционное покрытие 210, композиционную металлическую пленку 220 и контактные площадки 241 и 242. Композиционная металлическая пленка 220 включает основную часть 225 и измерительную часть 230. Не показанный на чертежах биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), используемый в качестве полупроводникового элемента, установлен на полупроводниковой подложке 200. Основная часть 225 контактирует с поверхностью полупроводниковой подложки 200 в зоне, где установлен элемент IGBT. Поверхностное изоляционное покрытие 210 контактирует с поверхностью полупроводниковой подложки 200 в зоне, где элемент IGBT не установлен. Измерительная часть 230 контактирует с поверхностным изоляционным покрытием 210. Основная часть 225 функционирует как эмиттерный электрод. Хотя это не показано на чертежах, коллекторный электрод расположен на задней поверхности полупроводниковой подложки 210 и контактирует с ней.
[0039] Композиционная металлическая пленка 220 содержит первый слой 221 металлической пленки и второй слой 222 металлической пленки, которые наслоены друг на друга в направлении толщины полупроводниковой подложки 200. Первый слой 221 металлической пленки контактирует с поверхностью полупроводниковой подложки 200. Второй слой 222 металлической пленки контактирует с поверхностью первого слоя 221 металлической пленки. Первый слой 221 металлической пленки и второй слой 222 металлической пленки соединены друг с другом. Первый слой 221 металлической пленки представляет собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Al в качестве основного компонента и имеет толщину равную или больше чем 1 µm. Второй слой 222 металлической пленки представляет собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Ni в качестве основного компонента и имеет толщину, равную или больше чем 500 nm. Коэффициент термоЭДС S21 первого слоя 221 металлической пленки и коэффициент термоЭДС S22 второго слоя 222 металлической пленки не равны между собой (S21≠S22). Проволочное соединение 234 соединяется с поверхностью измерительной части 230 первого слоя металлической пленки 221. Проволочное соединение 234 соединяется с контактной площадкой 241. Проволочное соединение 224 соединяется с поверхностью второго слоя 222 металлической пленки. Проволочное соединение 224 соединяется с контактной площадкой 242. Проволочное соединение 234 и контактная площадка 241 формируют первый измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и первый слой 221 металлической пленки. Проволочное соединение 224 и контактная площадка 242 формируют второй измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и второй слой 222 металлической пленки.
[0040] Контактные площадки 241 и 242 соединены с устройством измерения напряжения (не показано на чертежах), что позволяет измерять разность электрических потенциалов между первым слоем 221 металлической пленки и вторым слоем 222 металлической пленки. Поскольку коэффициент термоЭДС S21 первого слоя 221 металлической пленки и коэффициент термоЭДС S22 второго слоя 222 металлической пленки не равны между собой (S21≠S22), разность электрических потенциалов генерируется за счет разности температур между контактной поверхностью первого слоя 221 металлической пленки и второго слоя 222 металлической пленки и контактными площадками 241 и 242. Эта разность электрических потенциалов измеряется устройством измерения напряжения, что позволяет измерять температуру полупроводникового устройства 20. Композиционная металлическая пленка 220, которая содержит первый слой 221 металлической пленки и второй слой 222 металлической пленки, контактные площадки 241 и 242 и проволочные соединения 224 и 234, может использоваться как термочувствительный элемент полупроводникового устройства 20. Кроме того, композиционная металлическая пленка 220 также может использоваться в качестве эмиттерного электрода элемента IGBT. Токовая цепь при измерении температуры и токовая цепь элемента IGBT могут быть объединены. Таким образом, экономится пространство, необходимое для установки композиционной металлической пленки 220, которая используется как термочувствительный элемент, и в результате чувствительность температурных измерений может быть повышена. Отметим, что первый слой 221 металлической пленки и второй слой 222 металлической пленки могут быть изготовлены в соответствии со способом, который описан в первом варианте осуществления изобретения.
[0041] (Модифицированный пример осуществления)
На ФИГ. 8 и 9 представлен пример осуществления полупроводникового устройства 20, изображенного на ФИГ. 6 и 7. Полупроводниковое устройство 21, показанное на ФИГ. 8, содержит композиционную металлическую пленку 250, которая нанесена на поверхность полупроводниковой подложки 200 в зоне, где установлен элемент IGBT. Композиционная металлическая пленка 250 содержит первый слой 251 металлической пленки и второй слой 252 металлической пленки, которые наслоены друг на друга в направлении толщины полупроводниковой подложки 200. Первый слой 251 металлической пленки контактирует с поверхностью полупроводниковой подложки 200 в зоне, где установлен элемент IGBT. Второй слой 252 металлической пленки контактирует с поверхностью первого слоя 251 металлической пленки. Первый слой 251 металлической пленки и второй слой 252 металлической пленки соединяются друг с другом.
[0042] Первый слой 251 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 262 проводкой маршрутизации 261, а второй слой 252 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 264 проводкой маршрутизации 263. Первый слой 251 металлической пленки покрыт вторым слоем 252 металлической пленки, и защитная пленка 290 изготовлена из полиимида или аналогичного материала. Проводка маршрутизации 261 и 263 покрыта защитной пленкой 290. Поверхности второго слоя металлической пленки 252 и контактные площадки 262 и 264 размещены на поверхностной защитной пленке 290. Контактная площадка 262 соединяется с контактной площадкой 241 проволочным соединением 265, а контактная площадка 264 соединяется с контактной площадкой 242 проволочным соединением 266. Проводка маршрутизации 261, контактная площадка 262, проволочное соединение 265 и контактная площадка 241 формируют первый измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и первый слой 251 металлической пленки. Проводка маршрутизации 263, контактная площадка 264, проволочное соединение 266 и контактная площадка 242 формируют второй измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и второй слой 252 металлической пленки.
[0043] Кроме того, полупроводниковое устройство 22, показанное на ФИГ. 9, содержит композиционную металлическую пленку 270, которая нанесена на поверхность полупроводниковой подложки 200 в зоне, где установлен элемент IGBT. Композиционная металлическая пленка 270 содержит первый слой 271 металлической пленки и второй слой 272 металлической пленки, которые нанесены друг на друга в направлении толщины полупроводниковой подложки 200. Первый слой 271 металлической пленки контактирует с поверхностью полупроводниковой подложки 200 в зоне, где установлен элемент IGBT. Второй слой 272 металлической пленки контактирует с поверхностью первого слоя 271 металлической пленки. Первый слой 271 металлической пленки и второй слой 272 металлической пленки соединены друг с другом.
[0044] Первый слой 271 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 282 проводкой маршрутизации 281. Первый слой 271 металлической пленки покрыт вторым слоем 272 металлической пленки и защитной пленкой 290, изготовленной из полиимида или аналогичного материала. Проводка маршрутизации 281 покрыта защитной пленкой 290. Поверхности контактной площадки 282 и второго слоя металлической пленки 272 размещены на поверхностной защитной пленке 290. Контактная площадка 282 соединяется с контактной площадкой 241 проволочным соединением 284, а второй слой 272 металлической пленки соединяется с контактной площадкой 242 проволочным соединением 274. Проводка маршрутизации 281, контактная площадка 282, проволочное соединение 284 и контактная площадка 241 формируют первый измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и первый слой 271 металлической пленки. Проволочное соединение 274 и контактная площадка 242 формируют второй измерительный электрод и изготовлены из того же материала, что и второй слой 272 металлической пленки.
[0045] Первые слои 251 и 271 металлических пленок представляют собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Al в качестве основного компонента и имеет толщину, равную или больше чем 1 µm. Вторые слои 252 и 272 металлических пленок представляют собой металлическую пленку, которая содержит 10 и более масс. % Ni в качестве основного компонента и имеет толщину, равную или больше чем 500 nm. Первые слои 251 и 271 металлических пленок имеют коэффициент термоЭДС, отличающийся от коэффициента соответствующих вторых слоев 252 и 272 металлических пленок. Поскольку с точки зрения других особенностей конфигурации полупроводниковые устройства 21 и 22 идентичны полупроводниковому устройству 20, то их описание повторяться не будет.
[0046] В каждом из полупроводниковых устройств 21 и 22 устройство измерения напряжения также соединяется с контактными площадками 241 и 242, что позволяет измерять разность электрических потенциалов между первым слоем (251, 271) металлической пленки и вторым слоем (252, 272) металлической пленки. Композиционная металлическая пленка 250 и 270, соединенная с ней проводка маршрутизации (261, 263, 281), контактная площадка (262, 264, 282), проволочное соединение (265, 266, 274, 284), контактная площадка (241, 242) и т.п. могут использоваться как термочувствительный элемент полупроводникового устройства (21, 22). Кроме того, как и в случае с композиционной металлической пленкой 220, любая из композиционных металлических пленок 250 и 270 может использоваться как эмиттерный электрод элемента IGBT.
[0047] Варианты осуществления изобретения, подробно описанные выше, приводятся здесь в качестве примера и не ограничивают сущность изобретения. Способ, который является предметом данной заявки на изобретение, допускает множество модификаций и усовершенствований перечисленных выше вариантов осуществления изобретения.
[0048] Технические элементы, представленные в настоящем описании или изображенные на чертежах, могут использоваться как по отдельности, так и в различных сочетаниях; они также не ограничиваются сочетаниями, изложенными в формуле изобретения в момент подачи заявки на изобретение. Кроме того, способ, представленный в настоящем описании изобретения или представленный на чертежах, способен решать сразу несколько задач одновременно и является технически полезным при условии решения хотя бы одной из поставленных задач.
1. Полупроводниковое устройство, включающее:
полупроводниковую подложку;
основной электрод, который содержит первый слой металлической пленки, нанесенный на поверхность зоны формирования элементов полупроводниковой подложки, и второй слой металлической пленки, соединенный с поверхностью первого слоя металлической пленки, противоположной той поверхности первого слоя, которая контактирует с полупроводниковой подложкой, и имеющий иной коэффициент термоЭДС, чем первый слой металлической пленки; и
вывод для измерения, способный измерять разность электрических потенциалов между первым слоем металлической пленки и вторым слоем металлической пленки.
2. Полупроводниковое устройство по п. 1, в котором
вывод для измерения включает первый вывод для измерения, электрически соединенный с первым слоем металлической пленки, и второй вывод для измерения, электрически соединенный со вторым слоем металлической пленки,
первый вывод для измерения изготовлен из того же материала, что и первый слой металлической пленки, и
второй вывод для измерения изготовлен из того же материала, что и второй слой металлической пленки.
3. Полупроводниковое устройство по п. 1, в котором
первый слой металлической пленки представляет собой металлическую пленку, содержащую 10 и более мас.% Al в качестве основного компонента, и второй слой металлической пленки представляет собой металлическую пленку, содержащую 10 и более мас.% по меньшей мере одного вещества, выбранного из группы Ni, Ti, Mo, W, Ag, Cu или Zn в качестве основного компонента.
4. Полупроводниковое устройство по п. 3, в котором
первый слой металлической пленки имеет толщину, равную или больше чем 1 µm.
5. Полупроводниковое устройство по п. 3 или 4, в котором
второй слой металлической пленки представляет собой металлическую пленку, содержащую 10 и более мас.% Ni в качестве основного компонента, и
второй слой металлической пленки имеет толщину равную или больше чем 500 nm.
6. Полупроводниковое устройство по п. 1, в котором
первый слой металлической пленки представляет собой металлическую пленку, содержащую 10 и более мас.% Ni в качестве основного компонента, и
второй слой металлической пленки представляет собой металлическую пленку, содержащую 10 и более мас.% по меньшей мере одного вещества, выбранного из группы Zn или Ti.
7. Полупроводниковое устройство по п. 6, в котором
первый слой металлической пленки имеет толщину, равную или больше чем 500 nm.
8. Способ производства полупроводникового устройства, имеющего:
полупроводниковую подложку;
основной электрод, содержащий первый слой металлической пленки, нанесенной на поверхность зоны формирования элементов полупроводниковой подложки, и второй слой металлической пленки, соединенный с поверхностью первого слоя металлической пленки, противоположной той поверхности первого слоя, которая контактирует с полупроводниковой подложкой, и имеющий иной коэффициент термоЭДС, чем первый слой металлической пленки; и
вывод для измерения, который позволяет измерять разность электрических потенциалов между первым слоем металлической пленки и вторым слоем металлической пленки, характеризующийся тем, что:
первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки наносят непрерывно в вакуумной камере.
9. Способ производства полупроводникового устройства по п. 8, в котором
первый слой металлической пленки и второй слой металлической пленки наносят методом напыления с использованием мишени для осаждения с чистотой, равной или больше чем 99%, при условии, что уровень вакуума в режиме готовности камеры равен или меньше чем 1×10-6 Па, при этом колебания давления в камере во время напыления равны или меньше чем 10%, и что чистота защитной газовой среды напыления равна или выше 99%.
