(57)【要約】      （修正有）【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
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２６６６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は、第１の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２】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体装置を例示する工程平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ’線による断面図である。
【図３】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体装置を例示する工程平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ’線による断面図である。
【図４】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体装置を例示する工程平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ’線による断面図である。
【図５】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体装置を例示する工程平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ’線による断面図である。
【図６】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体装置を例示する工程平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ’線による断面図である。
【図７】第２の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】第３の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【符号の説明】
【００４１】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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