特開 2022-176500 絶縁デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022176500

(43)【公開日】2022-11-30

(54)【発明の名称】絶縁デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/822 20060101AFI20221122BHJP

   H01F 17/00 20060101ALN20221122BHJP

   H01F 27/32 20060101ALN20221122BHJP

【ＦＩ】

H01L27/04 L

H01L27/04 C

H01F17/00 B

H01F27/32 130

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021082968

(22)【出願日】2021-05-17

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100157901

【弁理士】

【氏名又は名称】白井 達哲

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(74)【代理人】

【識別番号】100197538

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 功

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 和幸

(72)【発明者】

【氏名】阿久津 敏

(72)【発明者】

【氏名】菊地 拓雄

(72)【発明者】

【氏名】牧野 伸顕

(72)【発明者】

【氏名】大黒 達也

(72)【発明者】

【氏名】藤 慶彦

【テーマコード（参考）】

5E044

5E070

5F038

【Ｆターム（参考）】

5E044CA08

5E044CB10

5E044CC04

5E070AA11

5E070AB08

5E070CB04

5E070CB13

5F038AC05

5F038AC14

5F038AC15

5F038AZ02

5F038AZ04

5F038BE07

5F038CA10

5F038CD18

5F038EZ14

5F038EZ15

5F038EZ20

(57)【要約】

【課題】信頼性が高い絶縁デバイスを提供する。
【解決手段】絶縁デバイスは、第１電極と、前記第１電極から離隔した第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、窒素を含み、前記窒素の濃度が、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に単調増加する第１絶縁膜と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極と、
前記第１電極から離隔した第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、窒素を含み、前記窒素の濃度が、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向に単調増加する第１絶縁膜と、
を備える絶縁デバイス。

【請求項2】

前記第１電極が中に配置された第２絶縁膜と、
前記第２絶縁膜中に設けられ、前記第１方向と交差する方向において前記第１電極と並ぶ第１導電部材と、
前記第１絶縁膜中に設けられ、前記第１導電部材に接続された第２導電部材と、
を更に備える請求項１に記載の絶縁デバイス。

【請求項3】

前記第１絶縁膜において、前記第１電極と対向する面上の点を始点とし、
前記始点から前記第１方向において前記第１絶縁膜の厚みの５分の１となる位置における前記窒素の濃度が、１．７ａｔ％以上かつ２．８ａｔ％以下であり、
前記始点から前記第１方向において前記第１絶縁膜の前記厚みの５分の２となる位置における前記窒素の濃度が、６．２ａｔ％以上かつ７．４ａｔ％以下であり、
前記始点から前記第１方向において前記第１絶縁膜の前記厚みの５分の４となる位置における前記窒素の濃度が、８．５ａｔ％以上かつ９．６ａｔ％以下である、請求項１または２に記載の絶縁デバイス。

【請求項4】

前記第１絶縁膜において、
前記第１電極と対向する面における前記窒素の濃度が、１０．８ａｔ％以上かつ１２．０ａｔ％以下であり、
前記第２電極と対向する面における前記窒素の濃度が、０．７ａｔ％以下である請求項１～３のいずれか１つに記載の絶縁デバイス。

【請求項5】

前記第１絶縁膜は、酸化シリコンを更に含む請求項１～４のいずれか１つに記載の絶縁デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、絶縁デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

デジタルアイソレータ等の絶縁デバイスは、電流を遮断した状態で、磁界又は電界の変化を利用して信号又はエネルギーを伝達する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５８５５２８５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、信頼性が高い絶縁デバイスを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態に係る絶縁デバイスは、第１電極と、前記第１電極から離隔した第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、窒素を含み、前記第１電極から前記第２電極に向かう第１方向において、前記窒素の濃度が単調増加する第１絶縁膜と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態に係る絶縁デバイスを示す断面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ’線上の各位置における窒素の濃度を示すグラフである。

【図3】図３（ａ）は、図１のＡ－Ａ’線上の各位置における電界強度を示すグラフであり、図３（ｂ）は、図１のＡ－Ａ’線上の各位置における応力を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的又は概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0008】

また、以下では、説明をわかりやすくするために、ＸＹＺ直交座標系を用いる。また、Ｚ方向のうち、矢印の方向を「上方向」とし、その逆方向を「下方向」とするが、これらの方向は重力方向とは無関係である。また、Ｚ方向と直交する方向を「Ｘ方向」とする。また、Ｚ方向及びＸ方向と直交する方向を「Ｙ方向」とする。

【0009】

図１は、本実施形態に係る絶縁デバイスを示す断面図である。
本実施形態に係る絶縁デバイス１００は、例えば、第１回路と第２回路との間に配置され、電流を遮断した状態で第１回路から第２回路に信号又はエネルギーを伝達するデジタルアイソレータとして用いることができる。絶縁デバイス１００は、複数の絶縁膜１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、１１８、１１９と、第１電極１２１と、第２電極１２２と、複数の導電部材１３１、１３２、１３３と、を備える。以下、絶縁デバイス１００の各部について詳述する。

【0010】

絶縁膜１１１は、特に限定されないが、例えば、酸化シリコン等の絶縁材料からなる。絶縁膜１１１は、炭素を含んでもよい。絶縁膜１１１の上面及び下面は、略平坦面であり、Ｘ方向及びＹ方向に概ね平行である。

【0011】

絶縁膜１１１上には、絶縁膜１１２が設けられている。絶縁膜１１２は、特に限定されないが、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁材料からなる。絶縁膜１１２は、炭素を含んでもよい。

【0012】

絶縁膜１１２上には、絶縁膜１１３が設けられている。絶縁膜１１３は、特に限定されないが、例えば、絶縁膜１１１と同様の材料からなる。絶縁膜１１３中には、第１電極１２１及び導電部材１３１が設けられている。

【0013】

第１電極１２１は、本実施形態では、Ｚ方向に延びる軸を中心軸とするコイルである。第１電極１２１は、Ｚ方向に絶縁膜１１３を貫通している。第１電極１２１の上面は、絶縁膜１１３の上面と概ね面一であり、第１電極１２１の下面は、絶縁膜１１３の下面と概ね面一である。

【0014】

第１電極１２１は、本実施形態では、本体部１２１ａと、本体部１２１ａの側面及び下面を覆う導電層１２１ｂと、を有する。本体部１２１ａは、特に限定されないが、例えば、銅（Ｃｕ）等の金属材料からなる。導電層１２１ｂは、バリアメタルとして機能する。導電層１２１ｂは、特に限定されないが、例えば、タンタル（Ｔａ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）等の導電材料からなる。ただし、第１電極１２１に導電層１２１ｂは設けられていなくてもよい。

【0015】

導電部材１３１は、Ｚ方向に延びており、絶縁膜１１３を貫通している。また、導電部材１３１及び第１電極１２１は、Ｘ方向に並んでいる。導電部材１３１は、本実施形態では、絶縁膜１１３中で、第１電極１２１に電気的に接続されている。

【0016】

導電部材１３１は、本実施形態では、本体部１３１ａと、本体部１３１ａの側面及び下面を覆う導電層１３１ｂと、を有する。本体部１３１ａは、特に限定されないが、例えば、本体部１２１ａと同様の材料からなる。導電層１３１ｂは、特に限定されないが、例えば、導電層１２１ｂと同様の材料からなる。ただし、導電部材１３１に導電層１３１ｂは設けられていなくてもよい。

【0017】

絶縁膜１１３上には、絶縁膜１１４が設けられている。絶縁膜１１４は、特に限定されないが、例えば、絶縁膜１１２と同様の材料からなる。絶縁膜１１４は、第１電極１２１の上面を覆い、導電部材１３１の上面の少なくとも一部を露出している。

【0018】

絶縁膜１１４上には、単層の絶縁膜１１５が設けられている。絶縁膜１１５は、本実施形態では、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）と、窒素（Ｎ）と、を含む絶縁材料からなる。絶縁膜１１５は単層である。絶縁膜１１５中の窒素の濃度分布については、後述する。

【0019】

絶縁膜１１４、１１５中には、導電部材１３２が設けられている。導電部材１３２は、Ｚ方向に延びており、絶縁膜１１４、１１５を貫通している。したがって、導電部材１３２の上面は、絶縁膜１１５から露出し、導電部材１３２の下面は、絶縁膜１１４から露出ている。導電部材１３２は、導電部材１３１の上に位置する。導電部材１３２は、導電部材１３１に接することにより、導電部材１３１に電気的に接続されている。

【0020】

導電部材１３２は、本実施形態では、本体部１３２ａと、本体部１３２ａの側面及び下面を覆う導電層１３２ｂと、を有する。本体部１３２ａは、特に限定されないが、例えば、本体部１２１ａと同様の材料からなる。導電層１３２ｂは、特に限定されないが、例えば、導電層１２１ｂと同様の材料からなる。ただし、導電部材１３２に導電層１３２ｂは設けられていなくてもよい。

【0021】

絶縁膜１１５上には、絶縁膜１１６が設けられている。絶縁膜１１６は、特に限定されないが、例えば、絶縁膜１１２と同様の材料からなる。絶縁膜１１６は、導電部材１３２の上面の少なくとも一部を露出している。

【0022】

絶縁膜１１６上には、絶縁膜１１７が設けられている。絶縁膜１１７は、特に限定されないが、例えば、絶縁膜１１１と同様の材料からなる。絶縁膜１１７中には、第２電極１２２が設けられている。

【0023】

第２電極１２２は、本実施形態では、第１電極１２１と同様に、Ｚ方向に延びる軸を中心軸とするコイルである。第２電極１２２は、Ｚ方向に絶縁膜１１７を貫通している。第２電極１２２の上面は、絶縁膜１１７の上面と概ね面一であり、第２電極１２２の下面は、絶縁膜１１７の下面と概ね面一である。第２電極１２２の少なくとも一部は、第１電極の少なくとも一部と、Ｚ方向において並んでいる。また、第２電極１２２は、導電部材１３２から離隔している。

【0024】

第２電極１２２は、本実施形態では、本体部１２２ａと、本体部１２２ａの側面及び下面を覆う導電層１２２ｂと、を有する。本体部１２２ａは、特に限定されないが、例えば、本体部１２１ａと同様の材料からなる。導電層１２２ｂは、特に限定されないが、例えば、導電層１２２ｂと同様の材料からなる。ただし、第２電極１２２に導電層１２２ｂは設けられていなくてもよい。

【0025】

このように、絶縁デバイス１００は、コイルによって構成された第１電極１２１及び第２電極１２２の間に、絶縁膜１１４、１１５、１１６が配置された磁気結合型のデジタルアイソレータである。ただし、第１電極１２１及び第２電極１２２は、コイルではなく板状であってもよい。つまり、絶縁デバイスは、容量結合型のデジタルアイソレータであってもよい。

【0026】

また、絶縁膜１１６、１１７中には、導電部材１３３が設けられている。導電部材１３３は、Ｚ方向に延びており、絶縁膜１１６、１１７を貫通している。導電部材１３３は、導電部材１３２上に位置する。導電部材１３３は、導電部材１３２に接することにより、導電部材１３２に電気的に接続されている。また、導電部材１３３と第２電極１２２は、Ｘ方向に並んでいる。導電部材１３３は、第２電極１２２から離隔しており、第２電極１２２に対して電気的に絶縁されている。

【0027】

導電部材１３３は、本実施形態では、本体部１３３ａと、本体部１３３ａの側面及び下面を覆う導電層１３３ｂと、を有する。本体部１３３ａは、特に限定されないが、例えば、本体部１２１ａと同様の材料からなる。導電層１３３ｂは、特に限定されないが、例えば、導電層１２１ｂと同様の材料からなる。ただし、導電部材１３３に導電層１３３ｂは設けられていなくてもよい。

【0028】

絶縁膜１１７上には、絶縁膜１１８が設けられている。絶縁膜１１８は、特に限定されないが、例えば、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）等の絶縁材料からなる。絶縁膜１１８は、導電部材１３３の上面の少なくとも一部、及び第２電極１２２の上面の少なくとも一部を露出している。

【0029】

絶縁膜１１８上には、パッド電極１４１、１４２が設けられている。パッド電極１４１、１４２は、特に限定されないが、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料からなる。

【0030】

パッド電極１４１は、導電部材１３３の上面に接している。パッド電極１４１は、ボンディングワイヤ等からなる配線部材１５１を介して、第１回路に電気的に接続される。これにより、第１電極１２１が第１回路に電気的に接続される。このように、導電部材１３１、１３２、１３３は、互いに電気的に接続されており、第１電極１２１の配線を上方に引き出すための導電体１３０を構成する。ただし、導電体は、第１電極に対して電気的に絶縁されており、他の用途に用いられてもよい。

【0031】

パッド電極１４２は、第２電極１２２の上面に接している。パッド電極１４２は、ボンディングワイヤ等からなる配線部材１５２を介して、第２回路に電気的に接続される。これにより、第２電極１２２が第２回路に電気的に接続される。

【0032】

絶縁膜１１８上には、絶縁膜１１９が設けられている。絶縁膜１１９は、特に限定されないが、例えば、酸化シリコン等の絶縁材料からなる。絶縁膜１１９は、配線部材１５１、１５２を露出している。

【0033】

次に、絶縁膜１１５中の窒素の濃度分布について説明する。
図２は、図１のＡ－Ａ’線上の各位置における窒素の濃度を示すグラフである。
図２の横軸は、Ｚ方向における位置を示し、縦軸は窒素の濃度を示す。また、点Ａは、絶縁膜１１５の下面上の点であり、点Ａ’は、点Ａの直上に位置する絶縁膜１１５の上面上の点である。

【0034】

絶縁膜１１５中の窒素の濃度は、第１電極１２１から第２電極１２２に向かう方向である上方向に、単調増加する。ここで、「絶縁膜１１５中の窒素の濃度が、上方向に単調増加する」とは、測定誤差等に起因する微小な濃度の測定値のばらつきを無視して、窒素の濃度が上方向に向かうにつれて増加する傾向にあることを意味する。この際、窒素の濃度の増加量は、図２のように一定であってもよいし、一定でなくてもよい。絶縁膜１１５中の窒素の濃度分布は、特に限定されないが、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）又はＸ線光電子分光法（ＸＰＳ：X-ray Photoelectron Spectroscopy）等により測定できる。

【0035】

以下、絶縁膜１１５において、点Ａを「始点Ａ」という。また、図１に示すように、絶縁膜１１５のＺ方向の寸法を「厚みΔＴ」という。絶縁膜１１５において、始点Ａから上方向において厚みΔＴの５分の１となる位置Ｐ１における窒素の濃度は、１．７ａｔ％以上かつ２．８ａｔ％以下であることが好ましい。また、絶縁膜１１５において、始点Ａから上方向において厚みΔＴの５分の２となる位置Ｐ２における窒素の濃度は、６．２ａｔ％以上かつ７．４ａｔ％以下であることが好ましい。また、絶縁膜１１５において、始点Ａから上方向において厚みΔＴの５分の４となる位置Ｐ４における窒素の濃度は、８．５ａｔ％以上かつ９．６ａｔ％以下であることが好ましい。ここで、「ａｔ％」は、原子百分率を意味する。原子百分率による濃度は、例えばＳＩＭＳの測定結果から算出できる。

【0036】

また、絶縁膜１１５の上面の窒素の濃度は、特に限定されないが、１０．８ａｔ％以上かつ１２．０ａｔ％以下であることが好ましい。絶縁膜１１５の下面の窒素の濃度は、特に限定されないが、０．７ａｔ％以下であることが好ましい。

【0037】

このような絶縁膜１１５は、特に限定されないが、例えば、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）により形成できる。ＰＥＣＶＤを用いて、絶縁膜１１５を形成する際は、成膜時に、ソースガスの組成を経時的に変化させればよい。例えば、成膜が進むにつれて、膜中の窒素の含有量が増加するように、窒素を含む化合物の流量を連続的に増加させてもよい。また、例えば、ある組成のソースガスで成膜した後、放電を止めて成膜を中断し、窒素を含む化合物の流量を増加させて成膜を再開させてもよい。この処理を繰り返すことにより、膜中の窒素の濃度は段階的に変化するが、成膜後の活性化熱処理等により、絶縁膜１１５中の窒素がある程度拡散するため、絶縁膜１１５中の窒素の濃度を上方向に単調増加させることができる。また、この際、絶縁膜１１５の成膜を開始してから完了するまで、絶縁膜１１５を暴露しないことが好ましい。これにより、単層の絶縁膜１１５を形成できる。

【0038】

次に、本実施形態に係る絶縁デバイス１００の使用例を説明する。
第１回路及び第２回路の一方は、送信回路として用いられる。第１回路及び第２回路の他方は、受信回路として用いられる。ここでは、第２回路が送信回路であり、第１回路が受信回路である場合について説明する。

【0039】

第２回路は、第２電極１２２へ、伝達に適した波形の信号（電流）を送る。電流が第２電極１２２を流れると、コイルである第２電極１２２の内側を通る磁界が発生する。第２電極１２２の少なくとも一部は、Ｚ方向において、第１電極１２１の少なくとも一部と並んでいる。そのため、発生した磁力線の一部は、第１電極１２１の内側を通る。第１電極１２１の内側における磁界の変化により、第１電極１２１に誘導起電力が生じ、第１電極１２１を電流が流れる。第１回路は、第１電極１２１を流れる電流を検出し、検出結果に応じた信号を生成する。これにより、第１電極１２１と第２電極１２２との間で、電流を遮断（絶縁）した状態で、信号又はエネルギーが伝達される。

【0040】

次に、本実施形態の効果について説明する。
図３（ａ）は、図１のＡ－Ａ’線上の各位置における電界強度を示すグラフである。
図３（ｂ）は、図１のＡ－Ａ’線上の各位置における応力を示すグラフである。
図３（ａ）の横軸は、Ｚ方向における位置を示し、横軸は電界強度を示す。図３（ｂ）の横軸は、Ｚ方向における位置を示し、横軸は応力を示す。

【0041】

絶縁膜１１５の上部は、送信回路である第２回路に接続される第２電極１２２に近い。そのため、図３（ａ）に示すように、絶縁膜１１５の上部には、電界が集中する。電界が集中する絶縁膜１１５の上部において、生じる応力も大きい場合、絶縁膜１１５が劣化し易い。窒素の濃度が高いほど、応力は小さくなる。そのため、絶縁膜１１５の上部では、窒素の濃度が高いことが好ましい。

【0042】

一方、導電部材１３２等を形成するために絶縁膜１１５をエッチングしてトレンチを形成する場合、絶縁膜１１５の下に位置する導電部材１３１までエッチングしないように、絶縁膜１１５の下部のエッチングレートは低いことが好ましい。窒素の濃度が低いほど、絶縁膜１１５のエッチングレートは低くなる。そのため、絶縁膜１１５の下部では、窒素の濃度が低いことが好ましい。

【0043】

本実施形態に係る絶縁デバイス１００においては、絶縁膜１１５中の窒素の濃度が上方向に単調増加する。そのため、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜１１５に生じる応力は、上方向に単調減少する。これにより、絶縁膜１１５の上部に生じる応力を抑制しつつ、絶縁膜１１５の下部のエッチングレートを低くできる。なお、絶縁膜１１５に生じる応力は、必ずしも図３（ｂ）に示すように、上方向に線形に減少しなくてもよい。

【0044】

また、第１電極１２１と第２電極１２２との間に、窒素の濃度が異なる複数の絶縁膜を積層した場合、隣り合う絶縁膜の間に不純物が付着することがある。このような場合、不純物が隣り合う絶縁膜の界面を移動して、電流のリーク源となる可能性がある。また、このような場合、隣り合う絶縁膜の界面には、応力が集中するため、クラックが生じ易い。これに対して、本実施形態に係る絶縁デバイス１００においては、絶縁膜１１５は単層であり、絶縁膜１１５中に界面が存在しない。そのため、本実施形態に係る絶縁デバイス１００においては、電流のリーク及びクラックの発生を抑制できる。

【0045】

以上のように、実施形態によれば、信頼性が高い絶縁デバイスが提供される。

【0046】

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0047】

１００ ：絶縁デバイス
１１１ ：絶縁膜
１１２ ：絶縁膜
１１３ ：絶縁膜
１１４ ：絶縁膜
１１５ ：絶縁膜
１１６ ：絶縁膜
１１７ ：絶縁膜
１１８ ：絶縁膜
１１９ ：絶縁膜
１２１ ：第１電極
１２１ａ ：本体部
１２１ｂ ：導電層
１２２ ：第２電極
１２２ａ ：本体部
１２２ｂ ：導電層
１３０ ：導電体
１３１ ：導電部材
１３１ａ ：本体部
１３１ｂ ：導電層
１３２ ：導電部材
１３２ａ ：本体部
１３２ｂ ：導電層
１３３ ：導電部材
１３３ａ ：本体部
１３３ｂ ：導電層
１４１ ：パッド電極
１４２ ：パッド電極
１５１ ：配線部材
１５２ ：配線部材
Ａ ：点（始点）
Ａ’ ：点
ΔＴ ：厚み
Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４：位置

【図1】

【図2】

【図3】