JP2012182336A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板を介したクロストークを抑制でき、放熱性が高い半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置1は、半導体基板10を備える。前記半導体基板の内部には空洞11が形成されている。また、前記半導体基板の内部には、前記空洞を前記半導体基板の上面に連通させる連通孔12も形成されている。前記半導体装置は、さらに、前記空洞及び前記連通孔の内面上に設けられた絶縁膜13と、前記空洞及び前記連通孔の内部に埋め込まれ、熱伝導率が前記絶縁膜の熱伝導率よりも高い伝熱部材14と、前記半導体基板における前記空洞の直上域に形成された素子21,22と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】実施形態に係る半導体装置1は、半導体基板10を備える。前記半導体基板の内部には空洞11が形成されている。また、前記半導体基板の内部には、前記空洞を前記半導体基板の上面に連通させる連通孔12も形成されている。前記半導体装置は、さらに、前記空洞及び前記連通孔の内面上に設けられた絶縁膜13と、前記空洞及び前記連通孔の内部に埋め込まれ、熱伝導率が前記絶縁膜の熱伝導率よりも高い伝熱部材14と、前記半導体基板における前記空洞の直上域に形成された素子21,22と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
アナログ回路とデジタル回路を混載させた半導体装置においては、デジタル回路で使用するクロック信号が基板を介してアナログ回路に到達し、ノイズとなってアナログ回路の動作に悪影響を与えるという問題がある。このような基板を介したクロストークを抑制する方法として、半導体基板における回路間の領域にコンタクトを接続し、このコンタクトを介して半導体基板を接地して、電位を安定させる方法がある。しかしながら、この方法では、回路間には依然として半導体基板が介在しているため、基板を介したクロストークを効果的には抑制できない。
また、半導体基板としてSOI(silicon on insulator)基板を使用する技術も提案されている。SOI基板とは、基材上にシリコン酸化物からなる埋込絶縁膜が設けられており、この埋込絶縁膜上に薄いシリコン層が設けられた基板である。SOI基板のシリコン層に素子を形成し、素子の周囲を素子分離絶縁膜によって囲むことにより、この素子を周囲から完全に絶縁することができ、基板を介したクロストークを効果的に抑制できる。しかしながら、このような半導体装置においては、素子がシリコン酸化物によって囲まれており、シリコン酸化物の熱伝導率はシリコンの熱伝導率よりも格段に低いため、放熱性が極めて低い。この結果、素子の自己発熱により温度が上昇し、駆動電流が減少してしまう。なお、シリコン(Si)の熱伝導率は1.56W/cm・Kであるのに対して、シリコン酸化物(SiO2)の熱伝導率は0.014W/cm・Kである。
SOI基板の放熱性を改善するために、SON(silicon on nothing)基板を用いることも考えられる。SON基板とは、内部に空洞が形成されたシリコン基板である。SON基板の空洞内にシリコン酸化物等の絶縁材料を埋め込めば、シリコン基板中に局所的に埋込絶縁膜を形成することができる。そして、この局所的に形成された埋込絶縁膜上に素子を形成すれば、クロストークをある程度抑制しつつ、放熱性もSOI基板よりは高くすることができる。しかしながら、SON基板においても、素子の下方には熱伝導率が低い埋込絶縁膜が存在するため、放熱性は不十分である。
本発明の目的は、基板を介したクロストークを抑制でき、放熱性が高い半導体装置を提供することである。
実施形態に係る半導体装置は、半導体基板を備える。前記半導体基板の内部には空洞が形成されている。また、前記半導体基板の内部には、前記空洞を前記半導体基板の上面に連通させる連通孔も形成されている。前記半導体装置は、さらに、前記空洞及び前記連通孔の内面上に設けられた絶縁膜と、前記空洞及び前記連通孔の内部に埋め込まれ、熱伝導率が前記絶縁膜の熱伝導率よりも高い伝熱部材と、前記半導体基板における前記空洞の直上域に形成された素子と、を備える。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1(a)は、本実施形態に係る半導体装置を例示する平面図であり、(b)は(a)に示すA−A’線による断面図である。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1(a)は、本実施形態に係る半導体装置を例示する平面図であり、(b)は(a)に示すA−A’線による断面図である。
図1(a)及び(b)に示すように、本実施形態に係る半導体装置1においては、シリコン基板10が設けられている。シリコン基板10は、シリコンの単結晶からなり、その上面は例えば(100)面である。シリコン基板10の内部には、空洞11が形成されている。空洞11の形状は、主面がシリコン基板10の上面に平行な略直方体である。また、シリコン基板10内における空洞11の長手方向両端部の直上域には、2本の連通孔12が形成されている。連通孔12の下端は空洞11に連通され、上端はシリコン基板10の上面に連通されている。これにより、連通孔12は空洞11をシリコン基板10の上面に連通させている。
空洞11及び連通孔12の内面上には、絶縁膜13が設けられている。絶縁膜13は例えばシリコン酸化物からなる。空洞11及び連通孔12の内部には、伝熱部材14が埋め込まれている。伝熱部材14の熱伝導率は、絶縁膜13の熱伝導率よりも高い。伝熱部材14は例えば導電材料からなり、例えば、不純物が導入されたシリコン、又はタングステン等の金属によって形成されている。伝熱部材14は絶縁膜13によってシリコン基板10から絶縁されている。
シリコン基板10における空洞11の直上域であって、2本の連通孔12によって挟まれた領域には、例えばシリコン酸化物からなる素子分離絶縁膜16が設けられている。素子分離絶縁膜16の上面はシリコン基板10の上面において露出しており、素子分離絶縁膜16の下面は絶縁膜13に接している。また、上方から見て、素子分離絶縁膜16の形状は8字状である。これにより、素子分離絶縁膜16は2つの領域17及び18を区画している。なお、素子分離絶縁膜16は、空洞11の直上域から延出していてもよい。
領域17及び18にはシリコン基板10の一部が配置されており、それぞれ、素子21及び22が形成されている。従って、素子21及び22は素子分離絶縁膜16によって囲まれている。図1(a)及び(b)に示す例では、素子21及び22は、例えばアナログ回路を構成する素子であってもよく、CMOS(complementary metal oxide semiconductor:相補型金属酸化膜半導体素子)を構成するMOSFET(metal oxide semiconductor field-effect transistor:金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)であってもよい。図1(a)及び(b)に示す例では、素子21及び22には、それぞれ、ボディ領域23、ソース・ドレイン領域24、ゲート絶縁膜(図示せず)及びゲート電極25が設けられている。半導体装置1は、例えば、高周波信号を扱う半導体装置であり、例えば、通信用途の装置である。
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図2〜図6は、本実施形態に係る半導体装置を例示する工程図であり、各図の(a)は平面図であり、(b)は(a)に示すA−A’線による断面図である。
図2〜図6は、本実施形態に係る半導体装置を例示する工程図であり、各図の(a)は平面図であり、(b)は(a)に示すA−A’線による断面図である。
先ず、図2(a)及び(b)に示すように、シリコン基板10の上面に複数本のトレンチ(図示せず)を相互に平行に形成する。次に、熱処理を施す。この熱処理は、例えば、雰囲気を水素及びアルゴンを含む混合雰囲気とし、圧力を10Torr(2666Pa)とし、温度を1100℃とし、時間を3分間とする。これにより、シリコン基板10の上層部分を流動させて、シリコン基板10の内部に空洞11を形成する。空洞11の形状は、主面がシリコン基板10の上面に対して平行な略直方体となる。
次に、図3(a)及び(b)に示すように、空洞11の長手方向両端部に到達するように、シリコン基板10の上面から2本の連通孔12を形成する。これにより、空洞11がシリコン基板10の上面に連通される。
次に、図4(a)及び(b)に示すように、熱酸化処理又はLP−CVD(low pressure chemical vapor deposition:低圧化学気相成長)処理を施す。これにより、空洞11及び連通孔12の内面上に、シリコン酸化物からなる絶縁膜13を形成する。
次に、図5(a)及び(b)に示すように、例えばLP−CVD法によって伝熱材料を堆積させて、空洞11及び連通孔12の内部に伝熱部材14を埋め込む。伝熱部材14を形成する伝熱材料は、その熱伝導率が絶縁膜13の熱伝導率よりも高い材料とする。伝熱材料は例えば導電材料とし、例えば、不純物が導入されたシリコン、又はタングステン等の金属とする。
次に、図6(a)及び(b)に示すように、シリコン基板10における空洞11の直上域であって、2本の連通孔12に挟まれた領域に、素子分離絶縁膜16を形成する。素子分離絶縁膜16は、絶縁膜13における空洞11上に形成された部分に到達すると共に、1ヶ所以上の素子形成領域を区画するように形成する。例えば、素子分離絶縁膜16を上方から見て8字状に形成する。これにより、素子分離絶縁膜16によって、2ヶ所の領域17及び18が相互に且つ周囲から区画される。
次に、図1(a)及び(b)に示すように、ボディ領域23、ゲート絶縁膜(図示せず)、ゲート電極25及びソース・ドレイン領域24を形成することにより、領域17及び18に、それぞれ素子21及び22を形成する。これにより、半導体装置1が製造される。
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態に係る半導体装置1においては、シリコン基板10内に空洞11が形成されており、空洞11をシリコン基板10の上面まで連通させるように、連通孔12が形成されている。そして、空洞11及び連通孔12の内面上には絶縁膜13が形成されており、内部には伝熱部材14が埋め込まれている。これにより、素子21及び22が動作することによって発生した熱が、絶縁膜13を介して伝熱部材14に伝わり、伝熱部材14内を伝導してシリコン基板10の上面に達し、シリコン基板10の上面から排出される。このとき、伝熱部材14の熱伝導率は絶縁膜13の熱伝導率よりも高く、伝熱部材14は連通孔12を介してシリコン基板10の上面まで引き出されているため、素子21及び22において発生した熱を効果的に排出することができる。これにより、素子21及び22の温度上昇が抑制される。なお、伝熱部材14は絶縁膜13によって周囲から絶縁されているため、素子21及び22の動作に影響を及ぼすことはない。
本実施形態に係る半導体装置1においては、シリコン基板10内に空洞11が形成されており、空洞11をシリコン基板10の上面まで連通させるように、連通孔12が形成されている。そして、空洞11及び連通孔12の内面上には絶縁膜13が形成されており、内部には伝熱部材14が埋め込まれている。これにより、素子21及び22が動作することによって発生した熱が、絶縁膜13を介して伝熱部材14に伝わり、伝熱部材14内を伝導してシリコン基板10の上面に達し、シリコン基板10の上面から排出される。このとき、伝熱部材14の熱伝導率は絶縁膜13の熱伝導率よりも高く、伝熱部材14は連通孔12を介してシリコン基板10の上面まで引き出されているため、素子21及び22において発生した熱を効果的に排出することができる。これにより、素子21及び22の温度上昇が抑制される。なお、伝熱部材14は絶縁膜13によって周囲から絶縁されているため、素子21及び22の動作に影響を及ぼすことはない。
また、素子21及び22の直下域に絶縁膜13が設けられていることにより、素子21及び22とシリコン基板10におけるそれ以外の部分との間において、電気的ノイズの伝播を阻止することができ、基板を介したクロストークを抑制することができる。すなわち、シリコン基板10に形成された他の素子から発振された電気的ノイズが素子21及び22に流入することを抑制できると共に、素子21及び22から発振された電気的ノイズが他の素子に流入することを抑制できる。なお、絶縁膜13はSOI基板の埋込絶縁膜よりは薄いため、排熱性を阻害することが少ない。
更に、本実施形態においては、素子21及び22をそれぞれ囲む素子分離絶縁膜16が設けられているため、上述の基板を介したクロストークをより効果的に抑制できる。特に、素子分離絶縁膜16を絶縁膜13に接するように形成することにより、素子21及び22を絶縁膜13及び素子分離絶縁膜16によって3次元的に囲むことができ、基板を介したクロストークをより効果的に防止できる。
更にまた、本実施形態においては、伝熱部材14が導電材料によって形成されているため、伝熱部材14がシールドとなり、電気的ノイズの伝播をより確実に防止することができる。
次に、第2の実施形態について説明する。
図7は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図7に示すように、本実施形態に係る半導体装置2においては、前述の第1の実施形態に係る半導体装置1の構成に加えて、多層配線層30が設けられている。多層配線層30はシリコン基板10上に設けられている。
図7は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図7に示すように、本実施形態に係る半導体装置2においては、前述の第1の実施形態に係る半導体装置1の構成に加えて、多層配線層30が設けられている。多層配線層30はシリコン基板10上に設けられている。
多層配線層30においては、層間絶縁膜31が設けられている。層間絶縁膜31内においては、下方から順に、コンタクト32、配線33、ビア34、配線35、ビア36、配線37及びビア38が設けられている。これらの導電部材、すなわち、コンタクト32、配線33、ビア34、配線35、ビア36、配線37及びビア38は、相互に接続されており、上部伝熱部材40を構成している。上部伝熱部材40を構成する各導電部材は、例えばタングステン又はアルミニウム等の金属によって形成されており、層間絶縁膜31は、例えばシリコン酸化物等の絶縁材料によって形成されている。このため、上部伝熱部材40の熱伝導率は、層間絶縁膜31の熱伝導率よりも高い。上部伝熱部材40は2つ設けられており、各上部伝熱部材40の下端、すなわち、コンタクト32の下端は、伝熱部材14における各連通孔12の上端において露出した部分に接続されている。
また、多層配線層30における上部伝熱部材40よりも上方には、最上位配線41が設けられている。最上位配線41は、金属によって形成されており、2つの上部伝熱部材40の上端、すなわち、ビア38の上端に接続されている。最上位配線41は、多層配線層30における最も上段の配線層に形成された配線であり、例えば、電源電位又は接地電位等の基準電位が印加される配線である。最上位配線41の上面の一部は、層間絶縁膜31の上面において露出している。
次に、本実施形態における作用効果について説明する。
本実施形態に係る半導体装置2においては、伝熱部材14によってシリコン基板10の上面まで伝達された熱が、上部伝熱部材40を介して、最上位配線41まで伝わる。そして、最上位配線41を介して、半導体装置2の外部に排出される。このように、本実施形態においては、多層配線層30を用いて、伝熱部材14から最上層配線41までを金属で結線して熱回路を構成することにより、素子21及び22において発生した熱を、より効率的に排出することができる。
本実施形態に係る半導体装置2においては、伝熱部材14によってシリコン基板10の上面まで伝達された熱が、上部伝熱部材40を介して、最上位配線41まで伝わる。そして、最上位配線41を介して、半導体装置2の外部に排出される。このように、本実施形態においては、多層配線層30を用いて、伝熱部材14から最上層配線41までを金属で結線して熱回路を構成することにより、素子21及び22において発生した熱を、より効率的に排出することができる。
また、本実施形態においては、上部伝熱部材40及び最上位配線41が導電材料によって形成されていることにより、伝熱部材14、上部伝熱部材40及び最上位配線41によって、素子21及び22をより効果的にシールドすることができる。
更に、本実施形態においては、最上位配線41に印加された基準電位が、上部伝熱部材40を介して伝熱部材14に印加される。これにより、伝熱部材14の電位を固定し、伝熱部材14による電磁遮蔽効果をより一層増大させ、電気的ノイズの伝播をより効果的に阻止できる。この結果、基板を介したクロストークをより効果的に抑制することができる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
次に、第3の実施形態について説明する。
図8は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図8に示すように、本実施形態に係る半導体装置3においては、前述の第1の実施形態に係る半導体装置1の構成に加えて、多層配線層50が設けられている。多層配線層50はシリコン基板10上に設けられている。
図8は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図8に示すように、本実施形態に係る半導体装置3においては、前述の第1の実施形態に係る半導体装置1の構成に加えて、多層配線層50が設けられている。多層配線層50はシリコン基板10上に設けられている。
多層配線層50においては、層間絶縁膜51が設けられている。層間絶縁膜51内においては、上部伝熱部材としてのコンタクト52が設けられている。コンタクト52は、例えばタングステン又はアルミニウム等の金属によって形成されており、層間絶縁膜51は、例えばシリコン酸化物等の絶縁材料によって形成されている。このため、コンタクト52の熱伝導率は、層間絶縁膜51の熱伝導率よりも高い。コンタクト52は2つ設けられており、その下端は伝熱部材14における連通孔12の上端において露出した部分に接続されている。
また、多層配線層50におけるコンタクト52よりも上方には、配線部材53が設けられている。配線部材53は、例えば、不純物が導入されたポリシリコン又は金属等の導電材料によって形成されている。配線部材53は、2つのコンタクト52の上端に接続されており、従って、コンタクト52を介して伝熱部材14に接続されている。また、配線部材53は、素子21及び22の直上域を含む領域に配置されており、従って、上方から見て、素子21及び22を覆っている。更に、配線部材53には、最上層配線(図示せず)を介して基準電位が印加されている。
次に、本実施形態における作用効果について説明する。
本実施形態に係る半導体装置3においては、配線部材53が素子21及び22の直上域に配置されている。これにより、配線部材53、コンタクト52及び伝熱部材14により、素子21及び22を3次元的にほぼ囲むことができる。この結果、配線部材53、コンタクト52及び伝熱部材14からなる構造体が素子21及び22のシールドとなり、シリコン基板10を介した電気的ノイズだけでなく、上方からの電気的ノイズに対しても、素子21及び22を保護することができる。同様に、素子21及び22から発生した電気的ノイズが半導体装置2の上部に向けて漏洩することも効果的に防止できる。
本実施形態に係る半導体装置3においては、配線部材53が素子21及び22の直上域に配置されている。これにより、配線部材53、コンタクト52及び伝熱部材14により、素子21及び22を3次元的にほぼ囲むことができる。この結果、配線部材53、コンタクト52及び伝熱部材14からなる構造体が素子21及び22のシールドとなり、シリコン基板10を介した電気的ノイズだけでなく、上方からの電気的ノイズに対しても、素子21及び22を保護することができる。同様に、素子21及び22から発生した電気的ノイズが半導体装置2の上部に向けて漏洩することも効果的に防止できる。
また、本実施形態においては、配線部材53に印加された基準電位が、コンタクト52を介して伝熱部材14に印加される。これにより、素子21及び22を囲むシールド部分の電位を固定し、電磁遮蔽効果をより一層高めることができる。この結果、基板を介したクロストークをより効果的に抑制することができる。
更に、伝熱部材14によってシリコン基板10の上面まで伝達された熱が、コンタクト52及び配線部材53を介して、多層配線層50の上部まで伝わることにより、素子21及び22において発生した熱を、より効率的に排出することができる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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。これらの新規な実施形態は、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、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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及びその等価物の範囲に含まれる。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。
例えば、前述の各実施形態においては、伝熱部材14が導電材料によって形成されている例を示したが、本発明はこれに限定されず、伝熱部材14は、熱伝導率が絶縁膜13の熱伝導率よりも高い材料によって形成されていればよい。例えば、伝熱部材14を不純物を導入していないシリコンによって形成することもできる。この場合も、前述の各実施形態と同様に、素子21及び22において発生した熱を排出する効果を得ることができる。また、この場合は、電気的には伝熱部材14が厚い絶縁膜として機能するため、基板を介したクロストークも抑制することができる。
また、連通孔12の本数は2本には限定されず、1本でもよく、3本以上でもよい。また、連通孔12の形成位置も、空洞11の長手方向両端部の直上域には限定されない。但し、図3及び図4に示す工程において、シリコン基板10における空洞11の直上域に配置された部分を支持できる程度に、シリコン部分を残す必要がある。
更に、前述の各実施形態においては、上部伝熱部材が上下方向に延びている例を示したが、本発明はこれに限定されず、上下方向と共に水平方向にも延びていてもよい。
更に、前述の各実施形態においては、上部伝熱部材が上下方向に延びている例を示したが、本発明はこれに限定されず、上下方向と共に水平方向にも延びていてもよい。
以上説明した実施形態によれば、基板を介したクロストークを抑制でき、放熱性が高い半導体装置を実現することができる。
1、2、3:半導体装置、10:シリコン基板、11:空洞、12:連通孔、13:絶縁膜、14:伝熱部材、16:素子分離絶縁膜、17、18:領域、21、22:素子、23:ボディ領域、24:ソース・ドレイン領域、25:ゲート電極、30:多層配線層、31:層間絶縁膜、32:コンタクト、33:配線、34:ビア、35:配線、36:ビア、37:配線、38:ビア、40:上部伝熱部材、41:最上位配線、50:多層配線層、51:層間絶縁膜、52:コンタクト、53:配線部材
Claims (6)
- 内部に空洞及び前記空洞を上面に連通させる連通孔が形成された半導体基板と、
前記空洞及び前記連通孔の内面上に設けられた絶縁膜と、
前記空洞及び前記連通孔の内部に埋め込まれ、熱伝導率が前記絶縁膜の熱伝導率よりも高い伝熱部材と、
前記半導体基板における前記空洞の直上域に形成された素子と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体基板上に設けられた層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜内に設けられ、前記伝熱部材に接続され、熱伝導率が前記層間絶縁膜の熱伝導率よりも高い上部伝熱部材と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記層間絶縁膜中に設けられ、導電材料によって形成され、前記伝熱部材に接続された配線部材をさらに備え、
前記伝熱部材及び前記上部伝熱部材は導電材料によって形成されていることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 - 前記配線部材のうち最上層の配線部材の一部は前記層間絶縁膜から露出していることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
- 前記配線部材には基準電位が印加されることを特徴とする請求項3または4に記載の半導体装置。
- 前記配線部材は前記素子の直上域を含む領域に配置されていることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つに記載の半導体装置。
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