(57)【要約】  耐電圧性に優れた半導体コンデンサを提供する。  第1主面（上側の主面）および第２主面（下側の主面）を備えた半導体基板１と、半導体基板１の第１主面および第２主面にそれぞれ形成されたトレンチ２と、少なくともトレンチの内壁を含む第１主面、および、少なくともトレンチの内壁を含む第２主面に、それぞれ形成された誘電体膜と、第１主面に形成された誘電体膜上、および、第２主面に形成された誘電体膜上に、それぞれ形成された導電体膜と、を備えたものとした。半導体基板１には、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等を使用することができる。誘電体膜３は、たとえば、ＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４との２層構造とすることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1主面および第２主面を備えた半導体基板と、
前記第１主面および前記第２主面に、それぞれ形成されたトレンチと、
少なくとも前記トレンチの内壁を含む前記第１主面、および、少なくとも前記トレンチの内壁を含む前記第２主面に、それぞれ形成された誘電体膜と、
前記第１主面に形成された前記誘電体膜上、および、前記第２主面に形成された前記誘電体膜上に、それぞれ形成された導電体膜と、を備えた半導体コンデンサ。
【請求項２】
前記半導体基板がＳｉ、ＳｉＣおよびＧａＮのいずれかからなる、請求項１に記載された半導体コンデンサ。
【請求項３】
前記誘電体膜が複数の層からなる、請求項１または２に記載された半導体コンデンサ。
【請求項４】
前記誘電体膜の前記層が２層からなり、第１層がＳｉＯ２からなり、第２層がＳｉ３Ｎ４からなる、請求項３に記載された半導体コンデンサ。
【請求項５】
半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子と並列に接続されたコンデンサと、を備えた電源モジュールであって、
前記コンデンサが、請求項１ないし４のいずれか１項に記載された半導体コンデンサからなる電源モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体コンデンサに関し、さらに詳しくは、耐電圧性に優れた半導体コンデンサに関する。【０００２】
また、本発明は、上記本発明の半導体コンデンサを使用した電源モジュールに関する。
【背景技術】
【０００３】
耐電圧性および耐熱性の両方に優れたコンデンサとして、半導体基板を使用した半導体コンデンサが、車載機器、産業機器等に使用されている。【０００４】
そのような半導体コンデンサが、特許文献１（特開２００６-２６１４１６号公報）に開示されている。【０００５】
図６に、特許文献１に開示された半導体コンデンサ（キャパシタ）１０００を示す。【０００６】
半導体コンデンサ１０００は、半導体基板１０１を備える。半導体基板１０１は、たとえば、Ｓｉ（シリコン）からなる。【０００７】
半導体基板１０１の第１主面（上側の主面）には、複数のトレンチ１０２が形成されている。【０００８】
トレンチ１０２の内壁には、誘電体膜（絶縁膜）１０３が形成されている。誘電体膜１０３は、たとえば、酸化膜からなる。すなわち、誘電体膜１０３は、半導体基板１０１の表面を酸化させることにより形成された、たとえばシリコン酸化膜からなる。【０００９】
誘電体膜１０３上には、導電体膜（電極）１０４が形成されている。導電体膜１０４は、たとえば、金属、もしくは不純物がドーピングされたポリシリコン（Poly-Silicon）等からなる。【００１０】
特許文献１に開示された半導体コンデンサ１０００は、耐電圧性に優れた構造であり、かつ、使用されている材質も耐電圧性に優れているため、高い耐電圧性を備えている。【００１１】
また、特許文献１に開示された半導体コンデンサ１０００は、使用されている材質が熱に強いため、高い耐熱性を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６-２６１４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
半導体コンデンサは、上述したように、高い耐電圧性と、高い耐熱性とを備えている。しかしながら、半導体コンデンサが使用される機器側からは、半導体コンデンサの更なる高耐電圧化が求められている。【００１４】
すなわち、半導体コンデンサが使用される機器においては、可能な限り高電圧で駆動した方が、電力損失が小さくなり有利である。たとえば、半導体コンデンサは、車載機器等の電源モジュールのスナバコンデンサとして使用される場合があるが、車載機器等においては、少しでもバッテリーの消耗を抑制するために、可能な限り高電圧で駆動することが求められている。そして、機器の高電圧化に伴い、使用される半導体コンデンサにも、更なる高耐電圧化が求められている。【００１５】
半導体コンデンサの耐電圧性を高めるためる方法として、誘電体膜の厚みを大きくする方法がある。しかしながら、誘電体膜の厚みを大きくすると、それに伴って、誘電体膜上に形成された導電体膜（電極）の端部への電界集中強度も高まるため、あまり大きく耐電圧性は向上しない。たとえば、誘電体膜の厚みを２倍にしたとしても、耐電圧性は、最大でも１．５倍程度にしか向上しない。【００１６】
また、半導体コンデンサの誘電体膜の厚みを大きくするためには、半導体コンデンサの製造プロセスにおいて、誘電体膜を形成するのに要する時間が長くなる等の問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものであり、その手段として本発明の半導体コンデンサは、第1主面および第２主面を備えた半導体基板と、第１主面および第２主面に、それぞれ形成されたトレンチと、少なくともトレンチの内壁を含む第１主面、および、少なくともトレンチの内壁を含む第２主面に、それぞれ形成された誘電体膜と、第１主面に形成された誘電体膜上、および、第２主面に形成された誘電体膜上に、それぞれ形成された導電体膜と、を備えたものとした。【００１８】
半導体基板には、たとえば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等を使用することができる。【００１９】
誘電体膜は、複数の層によって構成されていても良い。その場合には、たとえば、第１層をＳｉＯ２、第２層をＳｉ３Ｎ４とすることができる。【００２０】
また、本発明の半導体コンデンサを、電源モジュールに使用することができる。具体的には、電源モジュールの半導体スイッチング素子と並列に、本発明の半導体コンデンサを接続し、スナバコンデンサとして機能させることができる。本発明の半導体コンデンサは耐電圧性が高いため、この場合には、電源モジュールの電圧を高くすることができ、電源モジュールの電力損失を低減させることができる。また、半導体コンデンサは、耐熱性が高いため、高熱を発生させる半導体スイッチング素子の直近に配置することができる。その結果、半導体コンデンサの配線を短くすることができるため、電源モジュールの低ＥＳＬ化をはかることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の半導体コンデンサは、半導体基板の第1主面および第２主面のそれぞれにトレンチが形成され、トレンチの内壁に誘電体膜と導電体膜とが形成されることにより、２つのコンデンサが直列に接続された等価回路を備えたものとなっているため、高い耐電圧性を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００を示す断面図である。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、半導体コンデンサ１００の製造方法の一例において施される工程を示す断面図である。
【図３】図３（Ｄ）〜（Ｆ）は、図２（Ｃ）の続きであり、それぞれ、半導体コンデンサ１００の製造方法の一例において施される工程を示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、比較例１にかかる半導体コンデンサ１１００を示す断面図である。図４（Ｂ）は、比較例２にかかる半導体コンデンサ１２００を示す断面図である。
【図５】第２実施形態にかかる電源モジュール２００を示す等価回路図である。
【図６】特許文献１（特開２００６-２６１４１６号公報）に開示された従来の半導体コンデンサ１０００を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面とともに、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２４】
なお、各実施形態は、本発明の実施の形態を例示的に示したものであり、本発明が実施形態の内容に限定されることはない。また、図面は、実施形態の理解を助けるためのものであり、必ずしも厳密に描画されていない場合がある。たとえば、描画された構成要素ないし構成要素間の寸法の比率が、明細書に記載されたそれらの寸法の比率と一致していない場合がある。また、明細書に記載されている構成要素が、図面において省略されている場合や、個数を省略して描画されている場合などがある。
【００２５】
［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００を示す。ただし、図１は、半導体コンデンサ１００の断面図である。
【００２６】
半導体コンデンサ１００は、半導体基板１を備える。
【００２７】
本実施形態においては、半導体基板１はＳｉからなる。ただし、半導体基板１の材質は任意であり、Ｓｉには限定されず、Ｓｉに代えて、ＳｉＣ、ＧａＮ等であっても良い。
【００２８】
半導体基板１は、第１主面（上側の主面）と第２主面（下側の主面）とを備えた平板状からなる。本実施形態においては、第１主面と第２主面とは、それぞれ矩形をしている。ただし、第１主面および第２主面の形状は任意であり、矩形には限定されず、矩形に代えて、たとえば円形であっても良い。
【００２９】
本実施形態においては、半導体基板１の厚みを６００μｍとした。また、平面方向の寸法を、縦５ｍｍ、横５ｍｍとした。ただし、これらの寸法はいずれも任意であり、後述するトレンチ２の数、深さ等によって、適宜変更することができる。
【００３０】
半導体基板１の導電性は、材質を選択することや、必要に応じてドーピングをおこなうことにより、所望の値に調整されている。
【００３１】
半導体基板１の第１主面および第２主面には、それぞれ、複数のトレンチ２が形成されている。本実施形態においては、第１主面および第２主面に、それぞれ２０万個のトレンチ２を形成した。また、本実施形態においては、トレンチ２の形状を、直径５μｍ、深さ２０μｍの円柱形状（円筒形状）とした。ただし、トレンチ２の個数、形状、寸法、間隔等は任意であり、要求される容量値等にしたがって、適宜変更することができる。たとえば、トレンチ２の形状は、４角柱形状、５角柱形状、６角柱形状などの多角柱形状であっても良い。
【００３２】
半導体基板１の第１主面、第２主面、および各主面に形成されたトレンチ２の内壁に、誘電体膜３が形成されている。見にくくなるため図には示していないが、本実施形態においては、誘電体膜３は２層構造に形成されている。
【００３３】
本実施形態においては、誘電体膜３の第１層をＳｉＯ２によって形成した。また、誘電体膜３の第１層の厚みは１００ｎｍとした。ＳｉＯ２からなる誘電体膜３の第１層は、半導体基板１の表面のＳｉを熱酸化させることにより形成されている。ＳｉＯ２からなる誘電体膜３の第１層は、Ｓｉからなる半導体基板１と、後述するＳｉ３Ｎ４からなる誘電体膜３の第２層との、接合強度を高める等のために設けられている。
【００３４】
本実施形態においては、誘電体膜３の第２層をＳｉ３Ｎ４によって形成した。また、誘電体膜３の第２層の厚みは１．１μｍとした。Ｓｉ３Ｎ４からなる第２層は、ＳｉＯ２からなる第１層とともに、半導体コンデンサ１００に容量を発現させる役割を果たしている。
【００３５】
なお、誘電体膜３の構造、材質、厚み等は任意であり、上述した内容には限定されない。たとえば、誘電体膜３を、１種類の材質により１層構造に形成しても良い。
【００３６】
半導体基板１のトレンチ２の内壁を含む第１主面、第２主面に形成された誘電体膜３上に、更に導電体膜４が形成されている。本実施形態においては、導電体膜４をポリシリコン（Poly Silicon）によって形成した。また、導電体膜４の厚みは５００ｎｍとした。ただし、導電体膜４の材質、厚み、形成領域等は任意であり、適宜変更することができる。
【００３７】
半導体基板１のトレンチ２の内壁を含む第１主面、第２主面に形成された導電体膜４上に、更に外部電極５が形成されている。本実施形態においては、外部電極５をＡｌによって形成した。また、外部電極５の厚みを６μｍとした。ただし、外部電極５の材質、厚み、形成領域等は任意であり、適宜変更することができる。
【００３８】
半導体基板１の第１主面、第２主面に形成された外部電極５の周囲に、絶縁体膜６が形成されている。絶縁体膜６には、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂等が使用されている。絶縁体膜６は、外部電極５の縁部を被覆することによって、外部電極５の縁部を介して予期せぬ放電が発生することを抑制する等の目的で形成されている。
【００３９】
以上の構造からなる第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００は、１対の外部電極５間に、コンデンサと、抵抗（半導体基板１の抵抗成分による抵抗）と、コンデンサとが、直列に接続された等価回路を有する。半導体コンデンサ１００は、２個のコンデンサが直列に接続されているため、高い耐電圧性を備えている。
【００４０】
以上の構造からなる第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００は、たとえば、図２（Ａ）〜図３（Ｆ）に示す方法によって製造される。
【００４１】
まず、図２（Ａ）に示すように、半導体基板１を用意する。通常、半導体基板１は、複数の半導体基板１を含む基板ウエハー（図示せず）として用意され、製造工程の所定の段階で、個々の製品に分割される。ただし、図２（Ａ）〜図３（Ｆ）においては、見やすくするために、１個の半導体基板１のみを示している。
【００４２】
次に、図２（Ｂ）に示すように、半導体基板１の第１主面および第２主面に、トレンチ２を形成する。具体的には、たとえばリソグラフィー技術を用いて、トレンチ２を形成する。
【００４３】
次に、図２（Ｃ）に示すように、トレンチ２を含む半導体基板１の第１主面および第２主面に、誘電体膜３を形成する。上述したとおり、本実施形態においては、誘電体膜３は、ＳｉＯ２からなる第１層と、Ｓｉ３Ｎ４からなる第２層との２層構造に形成される。まず、ＳｉＯ２からなる第１層を、半導体基板１の表面のＳｉを熱酸化させることにより形成する。続いて、Ｓｉ３Ｎ４からなる第２層を、たとえば、ＣＶＤ（化学気相成長法；Chemical Vapor Deposition）により形成する。
【００４４】
なお、熱酸化によるＳｉＯ２からなる第１層の形成、および、ＣＶＤによるＳｉ３Ｎ４からなる第２層の形成は、いずれも、半導体基板１の第１主面および第２主面において同時におこなうことができる。上述した、耐電圧性を向上させるために、誘電体膜の厚みを大きくする従来の方法においては、誘電体膜の厚みを大きくした分だけ、誘電体膜を形成するために要する時間が長くなってしまうという問題があった。これに対して、本実施形態の製造方法においては、第１主面の誘電体膜３と、第２主面の誘電体膜３とを同時に形成することができるため、製造時間を長くすることなく、半導体コンデンサ１００の耐電圧性を向上させることができる。
【００４５】
次に、図３（Ｄ）に示すように、半導体基板１のトレンチ２の内壁を含む第１主面、第２主面に形成された誘電体膜３上に、導電体膜４を形成する。具体的には、導電体膜４を、たとえば、ＣＶＤにより形成する。なお、ＣＶＤは所定の領域にマスクを被覆しておこない、半導体基板１の第１主面および第２主面のそれぞれの外縁近傍には導電体膜４を形成しない。
【００４６】
次に、図３（Ｅ）に示すように、半導体基板１のトレンチ２の内壁を含む第１主面、第２主面に形成された導電体膜４上に、更に外部電極５を形成する。具体的には、外部電極５を、たとえば、Ａｌにより形成する。
【００４７】
次に、図３（Ｆ）に示すように、半導体基板１の第１主面、第２主面に形成された外部電極５の周囲に、絶縁体膜６を形成する。具体的には、絶縁体膜６を、たとえば、ポリイミド樹脂により形成する。
【００４８】
ここまでの工程は、複数の半導体基板１を含む基板ウエハーの状態でおこなうが、最後に、図示しないが、基板ウエハーを個々の製品に分割して、第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００を完成させる。
【００４９】
［耐電圧性の比較］
第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００の耐電圧性と、従来の構造からなる比較例１にかかる半導体コンデンサ１１００の耐電圧性と、同じく従来の構造からなる比較例２にかかる半導体コンデンサ１２００の耐電圧性とを比較する。
【００５０】
図４（Ａ）に、比較例１の半導体コンデンサ１１００を示す。また、図４（Ｂ）に、比較例２の半導体コンデンサ１２００を示す。なお、図４（Ａ）は半導体コンデンサ１１００の断面図であり、図４（Ｂ）は半導体コンデンサ１２００の断面図である。
【００５１】
比較例１の半導体コンデンサ１１００は、第１主面（上側の主面）にのみ、トレンチ１２、誘電体膜１３、導電体膜１４、外部電極１５、絶縁体膜１６が形成されている。半導体コンデンサ１１００のトレンチ１２、誘電体膜１３、導電体膜１４、外部電極１５、絶縁体膜１６は、第１実施形態の半導体コンデンサ１００のトレンチ２、誘電体膜３、導電体膜４、外部電極５、絶縁体膜６と同じ条件で形成されている。すなわち、半導体コンデンサ１１００の誘電体膜１３は、半導体コンデンサ１００の誘電体膜３と、構造、材質および厚みが同一である。半導体コンデンサ１１００の第２主面（下側の主面）には、実装用の外部電極１７が形成されている。
【００５２】
比較例２の半導体コンデンサ１２００も、第１主面（上側の主面）にのみ、トレンチ２２、誘電体膜２３、導電体膜２４、外部電極２５、絶縁体膜２６が形成されている。半導体コンデンサ１２００の誘電体膜２３の構造および材質は、第１実施形態の半導体コンデンサ１００の誘電体膜３の構造および材質と同一である。すなわち、半導体コンデンサ１２００の誘電体膜２３は、第１層がＳｉＯ２、第２層がＳｉ３Ｎ４からなる２層構造に形成されている。しかしながら、半導体コンデンサ１２００の誘電体膜２３の第１層の厚みおよび第２層の厚みは、それぞれ、半導体コンデンサ１００の誘電体膜３の第１層の厚みおよび第２層の厚みの２倍の大きさに形成されている。半導体コンデンサ１２００の他の構成要素、すなわち、トレンチ２２、導電体膜２４、外部電極２５、絶縁体膜２６は、半導体コンデンサ１００のトレンチ２、誘電体膜３、導電体膜４、外部電極５、絶縁体膜６と同じ条件で形成されている。半導体コンデンサ１２００の第２主面（下側の主面）には、実装用の外部電極２７が形成されている。
【００５３】
第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００の耐電圧と、比較例１にかかる半導体コンデンサ１１００の耐電圧と、比較例２にかかる半導体コンデンサ１２００の耐電圧とを、表１に比較して示す。ただし、各耐電圧は、理論上の値である。
【００５４】
【表１】
2017145515.tif 000003
【００５５】
第１実施形態の半導体コンデンサ１００の誘電体膜３の厚み、および、比較例１の半導体コンデンサ１１００の誘電体膜１３の厚みをａ（μｍ）とした場合、比較例２の半導体コンデンサ１２００の誘電体膜２３の厚みはａ×２（μｍ）になる。
【００５６】
比較例１の半導体コンデンサ１１００の耐電圧を仮に１００（Ｖ）とした場合、第１実施形態の半導体コンデンサ１００の耐電圧は１００×２＝２００（Ｖ）になる。半導体コンデンサ１００は、２個の半導体コンデンサ１１００を直列に接続したのと等価であるからである。
【００５７】
これに対し、比較例２の半導体コンデンサ１２００は、誘電体膜２３の厚みが、比較例１の半導体コンデンサ１１００の誘電体膜１３の厚みの２倍になっているにもかかわらず、耐電圧は比較例１の半導体コンデンサ１１００の２倍にはならず、１４０〜１５０（Ｖ）程度にしか向上しない。すなわち、最大でも、比較例２の半導体コンデンサ１２００の耐電圧は、比較例１の半導体コンデンサ１１００の耐電圧の１．５倍程度にしか向上しない。これは、誘電体膜２３の厚み大きくしたことにより、図４（Ｂ）に符号Ｘで示す導電体膜２４の端部への電界集中強度が高まり、結果として耐電圧性の向上を妨げてしまうからである。
【００５８】
以上のように、第１実施形態の半導体コンデンサ１００によれば、効果的に耐電圧性を向上させることができる。また、半導体コンデンサ１００においては、上述したように、第１主面の誘電体膜３と第２主面の誘電体膜３とを同時に形成することができるため、耐電圧性を向上させるために、半導体コンデンサ１００の製造時間が長くなってしまうこともない。
【００５９】
［第２実施形態］
図５に、本発明の第２実施形態にかかる電源モジュール２００を示す。ただし、図５は、電源モジュール２００の等価回路図である。
【００６０】
電源モジュール２００は、第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００を使用して作製されている。
【００６１】
電源モジュール２００は、Ｐ側端子Ｐと、Ｎ側端子Ｎと、中間端子Ｕとを備える。そして、Ｐ側端子ＰとＮ側端子Ｎとの間に、２個の半導体スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が直列に接続されている。更に、半導体スイッチング素子Ｓ１と半導体スイッチング素子Ｓ２との接続点が、中間端子Ｕに接続されている。
【００６２】
また、電源モジュール２００においては、半導体スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、それぞれと並列に、第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００が接続されている。半導体コンデンサ１００は、スナバコンデンサとして接続されたものであり、半導体スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のスイッチング時に、配線やワイヤーボンディング等におい発生する寄生インダクタンスや寄生抵抗を低減させ、低ノイズ化をはかることを役割としている。
【００６３】
なお、図５においては、半導体コンデンサ１００を、コンデンサと、抵抗と、コンデンサとが、直列に接続された等価回路で示している。２つのコンデンサは、半導体基板１の第１主面に形成されたコンデンサと、第２主面に形成されたコンデンサとを示している。抵抗は、半導体基板１の抵抗成分による抵抗を示している。
【００６４】
電源モジュール２００は、半導体スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が極めて高い温度の熱を発生させる。しかしながら、第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００は、高い耐熱性を備えているため、半導体スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の直近に配置することができる。この結果、半導体コンデンサ１００の配線は短くすることが可能であり、電源モジュール２００は低ＥＳＲ化がはかられている。
【００６５】
また、電源モジュール２００に使用した、第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００は、高耐電圧化がはかられているため、電源モジュール２００の電圧を高く設定することができる。この結果、電源モジュール２００は、電力損失が小さく、高効率なものになっている。
【００６６】
以上、第１実施形態にかかる半導体コンデンサ１００と、第２実施形態にかかる電源モジュール２００とについて説明した。しかしながら、本発明が上述した内容に限定されることはなく、発明の趣旨に沿って、種々の変更をなすことができる。
【００６７】
たとえば、半導体コンデンサにおいては、各構成要素の材質、形状、寸法、個数等は任意であり、上述した内容には限定されない。
【００６８】
また、電源モジュールにおいては、等価回路は任意であり、上述した内容には限定されない。
【符号の説明】
【００６９】
１・・・半導体基板
２・・・トレンチ
３・・・誘電体膜
４・・・導電体膜
５・・・外部電極
６・・・絶縁体膜
１００・・・半導体コンデンサ
Ｓ１、Ｓ２・・・半導体スイッチング素子
２００・・・電源モジュール
【図１】
2017145515.tif 000004
【図２】
2017145515.tif 000005
【図３】
2017145515.tif 000006
【図４】
2017145515.tif 000007
【図５】
2017145515.tif 000008
【図６】
2017145515.tif 000009
【国際調査報告】
2017145515.tif 000010
2017145515.tif 000011
2017145515.tif 000012
2017145515.tif 000013