JP2010092894A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】大電流トランジスタにおいて、メッキ形成用マスクとして用いるレジスト層の剥離等の形成不良と表面電極の形成不良を防止する。
【解決手段】半導体基板10の表面上に形成した開口部22Aを有したレジスト層22をマスクとして用いたメッキ法により、表面電極23を開口部22A内に形成する工程と、前記表面電極23が形成された半導体基板10を薄くする工程と、その薄くされた前記半導体基板10の裏面上に裏面電極30を形成する工程と、を含むことを特徴とする
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体基板の両面に電極を有した半導体装置の製造方法に関する。
パワートランジスタは、電力供給用のスイッチング素子として広く用いられている。パワートランジスタの一種として、半導体基板の表面に垂直な方向にソース・ドレイン電流が流れる縦型MOSトランジスタが知られている。
縦型MOSトランジスタについて図面を参照して説明する。図13(A)は、縦型MOSトランジスタを表面側からみた場合の平面図であり、図13(B)は図13(A)のY−Y線に沿った断面図である。
半導体基板100の表面上には、該表面に形成された不図示のソース領域及びゲートに接続し、表面電極としてのソース電極101及びゲート電極104が形成されている。このソース電極101及びゲート電極104上には、ソース電極101及びゲート電極104と不図示の回路基板(例えば、プリント基板)との電気的接続を媒介するバンプ電極102,105が形成されている。そして、前記ソース電極101及びゲート電極104は、バンプ電極102,105を露出するようにして、保護膜103で覆われている。
一方、半導体基板100の裏面上には、半導体基板100のドレイン領域に接続し、裏面電極としてのドレイン電極106が形成されている。
このような縦型MOSトランジスタについては、特許文献1に記載されている。
特開2008−66694号公報
上述した縦型MOSトランジスタにおいて、電流駆動能力を向上させたいという市場の要求がある。電流駆動能力を向上させるためには、本発明者の検討によれば、表面電極の垂直方向の膜厚を大きくすることが有効である。これは、図13(A)に示すようにバンプ電極102,105が、半導体基板100の表面に広がった表面電極の一部上に形成され、表面電極を半導体基板100に対して水平方向に流れる電流成分が多いからである。また、前記裏面電極側の垂直方向の膜厚を大きくすることも同様に有効である。
このような理由から、表面電極及び裏面電極の垂直方向の膜厚を大きくしようとする場合、表面電極及び裏面電極の製法としては、メッキ法を用いることによって形成することが適当である。
具体的には、まず、半導体基板100の表面上に、表面電極の形成領域に開口部を有したレジスト層を形成し、そのレジスト層をメッキ形成用マスクとして用いたメッキ法によって、開口部内に表面電極を形成する。また、半導体基板100の裏面側には、その全面に裏面電極を形成する。
しかしながら、縦型MOSトランジスタの製造工程においては、半導体基板100を薄くした場合、裏面電極106の形成工程や熱処理工程との関係で、半導体基板100の反りが生じ、これによりレジスト層の剥離等の形成不良が生じる場合があった。このようなレジスト層の形成不良が生じると、当然であるが表面電極の形成不良を招くことになる。
そこで、本発明は、メッキ法により表面電極を厚く形成して、トランジスタの電流駆動能力を向上させると共に、半導体基板100の反りによるレジスト層の形成不良を防止することを目的としている。
本発明の半導体装置の製造方法は、上述の課題に鑑みなされたものであり、半導体基板の表面上に形成した開口部を有したレジスト層をマスクとして用いたメッキ法により、第1の電極を開口部内に形成する工程と、第1の電極が形成された半導体基板の裏面を薄くする工程と、薄くされた半導体基板の裏面上に第2の電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
また、前記レジスト層は70℃以上の温度下でベークされることを特徴とする。
さらに、前記半導体基板を薄くする前に、前記第1の電極側に保護膜を形成し、該保護膜をベークする工程を含むことを特徴とする。
また、前記保護膜は有機樹脂からなり、150℃以上の温度下でベークされることを特徴とする。
さらに、前記第1の電極は銅または銀を含むことを特徴とする。
また、前記メッキ法は電解メッキ法であることを特徴とする。
そして、前記半導体基板は、ドレインと、ゲートと、ソースを有する縦型トランジスタを有し、前記第1の電極は、前記ゲート及び前記ソースと電気的に接続され、前記第2の電極は、前記ドレインと電気的に接続されることを特徴とする。
さらに、前記半導体基板は、ドレインと、ゲートと、ソースを有する縦型トランジスタを有し、前記第1の電極は、前記ドレイン、前記ゲート及び前記ソースのいずれかと電気的に接続されることを特徴とする。
本発明によれば、半導体基板を薄くする前に、メッキ法により第1の電極(表面電極)を厚く形成して、トランジスタの大電流化を図ると共に、メッキ工程を行う際のメッキ形成用レジスト層のベーク処理による熱によって半導体基板に反りが生じることを抑制する。これにより、半導体基板の反りによるレジスト層の剥離等の形成不良を抑制することができる。
以下に、本発明の実施形態による半導体装置について、図面を参照して説明する。
本実施形態の半導体装置は、半導体基板の表面に垂直な方向にソース・ドレイン電流が流れる縦型MOSトランジスタであるものとして説明する。図1(A)は、本実施形態による縦型MOSトランジスタの構成を示す断面図であり、半導体基板10のダイシングラインDLに沿って分割された2つの縦型MOSトランジスタを図示している。図1(B)は、図1(A)におけるソース電極接続部18からN−型半導体層までの詳細構造を示した部分拡大図である。
図1(A)は、図2(A)及び図2(B)に示した縦型MOSトランジスタの平面図におけるX−X線に沿った断面に対応している。図2(A)は、縦型MOSトランジスタを表面側からみた場合の表面電極23,32等の配置を示しており、図2(B)は該裏面側からみた場合の裏面電極30の配置を示している。
図示のように、N+型の半導体基板10の表面上に、エピタキシャル成長によりN−型半導体層11が形成されている。このN−型半導体層11の表面には、該表面に形成されたソース領域17と接続されたソース電極接続部18が形成されている。ソース電極接続部18は、例えばアルミニウムからなり、例えば、約2μm〜3μmで形成されている。
また、N−型半導体層11の表面には、ソース電極接続部18の端部を覆い、その一部を露出する開口部を有したシリコン窒化膜等のパッシベーション膜19が形成されている。この開口部によって露出されたソース電極接続部18の表面は、チタン等からなるバリア層20により覆われている。更に、バリア層20上には銅からなるシード層21が積層されている。
そして、このシード層21上には、メッキ法により銅または銀からなる表面電極23が形成されている。なお、前記表面電極23の厚さは、例えば約5μm以上、好ましくは10μm〜20μmである。また、表面電極23の上面は、複数のメッキ層、例えばニッケルメッキ層24及び金メッキ層25に覆われている。ソース電極接続部18、表面電極23、ニッケルメッキ層24及び金メッキ層25は、ソース電極として機能する。また、ソース電極と同様に、図1(B)及び図2(A)に示すように、ゲート電極15に接続された不図示のゲート電極接続部を有し、ゲート電極接続部上にバリア層20、シード層21を介して表面電極32が形成されている。そして、前記表面電極32上面は、例えばニッケルメッキ層24及び金メッキ層25に覆われている。
さらに、表面電極23,32の側面、ニッケルメッキ層24の側面、及び金メッキ層25は、有機樹脂からなる保護膜26によって覆われている。保護膜26には、金メッキ層25の表面を露出する開口部が設けられ、その開口部によって露出された金メッキ層25上には、表面電極23,32と不図示の回路基板(例えば、プリント基板)との電気的接続を媒介するバンプ電極31,33が形成されている。
一方、半導体基板10の裏面上には、図1(A)及び図2(B)に示すように、ドレイン領域を構成する半導体基板10に接続されるメッキ法により銅または銀からなる裏面電極30が形成されている。即ち、この場合、裏面電極30はドレイン電極として機能する。裏面電極30は、縦型MOSトランジスタの裏面全体に延在している。
なお、前記裏面電極30の厚さは、例えば約5μm以上、好ましくは10μm〜20μmとする。ここで、前記表面電極23,32と裏面電極30は、同じ線膨張係数を有した金属からなり、各厚さも互いに同じか略同じであることが好ましい。
これにより、縦型MOSトランジスタの使用状態において、表面電極23,32と裏面電極30が同一材料から成るため熱膨張量が等しく、あるいは略等しくなるため、半導体基板10と表面電極23,32との界面に生じる応力と、半導体基板10と裏面電極30との界面に生じる応力とが等しく、あるいは略等しくなる。従って、従来のように上記応力の差異により半導体基板10に反りが生じることが抑制される。即ち、周囲環境の温度変化が繰り返された場合においても、保護膜26やバンプ電極31,33の剥離、あるいは表面電極23,32や裏面電極30の剥離を抑制できる。結果として、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
さらに、表面電極23,32と裏面電極30の各厚さが互いに同じか略同じであれば、より確実に表面電極23,32と裏面電極30の熱膨張量を等しくすることができるため、上記効果をより確実に得ることができる。
以下に、縦型MOSトランジスタの本体部分の詳細構成について図1(B)を参照して説明する。N−型半導体層11の表面には、P型半導体層12が形成されている。P型半導体層12の表面からN−型半導体層11の一部にかけて、複数の溝13が形成されており、各溝13内には、シリコン酸化膜等のゲート絶縁膜14を介して、ポリシリコン等のゲート電極15が形成されている。P型半導体層12の表面であって溝13の両側には、N+層からなるソース領域17が形成されている。溝13のゲート電極15の上面は、ソース領域上に開口部を有した層間絶縁膜16に覆われている。この層間絶縁膜を覆って、ソース電極接続部18が形成されている、ソース電極接続部18は、層間絶縁膜16の開口部を通して、ソース領域17と接続されている。この縦型MOSトランジスタでは、溝13の側壁のP型半導体層12の部分にチャネル領域が形成され、N−型半導体層11及び半導体基板10がドレイン領域となる。
上述した構成において、ゲート電極15にしきい値以上の電圧が印加されると、縦型MOSトランジスタはオンする。そして、表面電極23と裏面電極30に印加された電圧(ソース・ドレイン間電圧)に応じて、ソース・ドレイン電流が流れる。
以下に、上述した縦型MOSトランジスタ製造方法について図3乃至図11を参照して説明する。図3乃至図11は、ダイシングラインDLを間に挟んで隣接する2つの縦型MOSトランジスタの形成領域を図示している。
先ず、図3に示すように、N+型の単結晶シリコンからなる半導体基板10を準備し、その表面に、エピタキシャル成長により、N−型半導体層11を形成する。この時点では、半導体基板10及びN−型半導体層11の全体の厚さは、例えば約500μm〜約700μmである。
N−型半導体層11の表面には、図1(B)に示したように、P型半導体層12が形成され、さらに、複数の溝13、ゲート絶縁膜14、ゲート電極15、層間絶縁膜16、ソース領域17が形成される。なお、図3乃至図11の説明では、説明の便宜上、P型半導体層12、複数の溝13、ゲート絶縁膜14、ゲート電極15、層間絶縁膜16、ソース領域17の図示は省略する。
その後、N−型半導体層11の表面に形成されたP型半導体層12上に、例えばアルミニウムからなるソース電極接続部18を形成する。同時に、ゲート電極接続部も形成される。これらのソース電極接続部18及びゲート電極接続部は、スパッタ法とフォトリソグラフィ法により形成することができる。その後、N−型半導体層11の上にシリコン窒化膜等からなるパッシベーション膜19をLPCVD法等により形成し、フォトリソグラフィ法により、ソース電極接続部18及びゲート電極接続部の表面の一部を露出させる。
次に、図4に示すように、ソース電極接続部18、ゲート電極接続部及びパッシベーション膜19を覆って、チタン等からなるバリア層20を形成する。バリア層20は、表面電極23,32からの銅の拡散に対するバリアとして機能する。バリア層20上には、後述するメッキ法に用いるために、銅からなるシード層21を形成する。
その後、図5に示すように、シード層21上に、メッキ形成用のレジスト層22を形成する。レジスト層22は、図2(A)に示した表面電極23,32の形成領域に対応したシード層21の領域を露出するように、開口部22Aを有している。このレジスト層22は、後述する表面電極23,32の形成工程、即ちメッキ工程のメッキ形成用マスクとして用いられる。
レジスト層22の形成工程では、最初にレジスト層22の材料をシード層21の全面に形成し、例えばフォトリソグラフィ工程により、開口部22Aを形成するようにパターニングを行う。その後、レジスト層22を固化するために、約70℃以上、好ましくは約90℃〜約130℃の温度下で、レジスト層22に対する熱処理、即ちベーク処理を行う。
その後、図6に示すように、このレジスト層22をメッキ形成用マスクとしたメッキ法により、開口部22A内のシード層21上に、銅からなるメッキ層、即ち表面電極23,32を形成する。この表面電極23,32は、メッキ法により形成されるため、スパッタ法等の他の方法に比して速く形成することができる。表面電極23,32を形成するメッキ法としては、電解メッキ工程、無電解メッキ工程のいずれを用いてもよいが、表面電極23,32の厚さを確実に確保するためには、電解メッキ工程を用いることが好ましい。表面電極23,32の厚さは、約5μm以上であり、好ましくは約10μm〜約20μmである。なお、表面電極23,32は銀からなるメッキ層でもよい。
さらに、表面電極23,32上には、必要に応じて、複数のメッキ層、例えばニッケルメッキ層24及び金メッキ層25が形成される。
このように、表面電極23,32を、半導体基板10に対して垂直方向に厚く形成できるため、表面電極23,32において、半導体基板10に対して水平方向に流れる電流成分を増加させることができる。即ち、縦型MOSトランジスタの電流駆動能力を向上させることができる。
その後、図7に示すように、レジスト層22は除去される。さらに、バリア層20及びシード層21の不要な領域、例えば表面電極23,32と重畳しない領域を、エッチング等により除去する。
次に、図8に示すように、表面電極23,32の側面、ニッケルメッキ層24の側面、及び金メッキ層25を覆って、ポリイミド等の有機樹脂からなる保護膜26を形成する。保護膜26には、金メッキ層25の一部を露出する開口部26Aが設けられる。この保護膜26への開口部26Aの形成は、エッチング法により開口部形成領域の保護膜を除去するものでもよく、例えば感光性の有機樹脂からなる保護膜を用いた場合には、現像処理により開口部26Aを形成すればよい。
ここで、前記保護膜26を固化するために、約150℃以上、好ましくは約200℃以上の温度下で、保護膜26に対する熱処理、即ちベーク処理が行われる。
なお、ダイシングラインDLに沿った保護膜26の領域を前記開口部26Aの形成と同時に除去しておくことが好ましい。これは、最後のダイシング工程においてダイシングブレードとの接触による保護膜26の剥離や損傷を極力避けるためである。
さらに言えば、本実施形態では、前記バリア層20、シード層21、表面電極23,32、ニッケルメッキ層24及び金メッキ層25に接するように保護膜26を形成しているが、各層に接することなく所望の間隔を存して形成するものでもよい。
次に、図9に示すように、半導体基板10の裏面に対してバックグラインドを行い、半導体基板10を薄くする。バックグラインド後の半導体基板10の厚さは、例えば約100μm〜約200μmであり、好ましくは約150μmである。なお、半導体基板10を薄くする工程は、上記研磨法に限らず、エッチング法を用いてもよい。
次に、図10に示すように、半導体基板10の裏面上の全面に、必要に応じて、チタン層27、ニッケル層28を形成する。なお、チタン膜27のみでもよい。そして、このチタン膜27、ニッケル層28上、またはチタン膜27上に、銅からなるシード層29を形成する。その後、シード層29上に、メッキ法によって、銅または銀からなる裏面電極30を形成する。このメッキ法では、好ましくは電解メッキ法であるが、無電解メッキ法を用いてもよい。
なお、裏面電極30は必ずしもメッキ法により形成される必要はなく、他の方法、例えばスパッタリングや真空蒸着等のPVD(Physical Vapor Deposition)法によって形成されてもよい。この場合、シード層29は形成する必要はない。
次に、図11に示すように、保護膜26の開口部26A内の金メッキ層25上に、表面電極23,32と不図示の回路基板(例えば、プリント基板)との電気的接続を媒介するバンプ電極31,33が形成される。前記バンプ電極31,33は、例えば半田のリフローにより形成される。その後、ダイシングラインDLに沿ったダイシングにより、半導体基板10及びそれに積層された各層を、複数の縦型MOSトランジスタに分離する。
上記工程によれば、メッキ法により、表面電極23,32を厚く形成することができるため、表面電極23,32において、半導体基板10に対して水平方向に流れる電流成分を増加させることができる。即ち、縦型MOSトランジスタの電流駆動能力を向上させることができる。
また、表面電極23,32の形成工程を、前記半導体基板10を薄くする前に行うことで、メッキ法により表面電極23,32を形成するためのメッキ形成用のレジスト層22のベーク処理時の熱によって半導体基板10に反りが生じることが抑制される。すなわち、半導体基板10を薄くし、厚い裏面電極30を形成した後に、表面電極23,32をメッキ法により形成すると、そのメッキ形成用マスクとして用いるレジスト層22のベーク処理によって、半導体基板10と裏面電極30との線膨張係数の差異に起因して、半導体基板10と裏面電極30の熱膨張量に差異が生じるため、半導体基板10に反りが生じてしまう。
また、保護膜26の形成工程についても、前記半導体基板10を薄くし、裏面電極30を形成する前に行っている。これにより、保護膜26のベーク処理によって、半導体基板10と裏面電極30との線膨張係数の差異に起因して半導体基板10に反りが生じることが抑制される。
さらに、これらの表面電極23,32及び保護膜26の形成工程は、半導体基板10を薄くする工程よりも前、即ち、半導体基板10が厚く機械的な強度が大きな状態において行われることから、半導体基板10の反りを、より確実に防止することができる。
また、図12の平面図に示すように、いわゆるアップドレイン構造として、半導体基板10の表面上には、縦型MOSトランジスタのドレイン領域を構成する半導体基板10と電気的に接続されたドレイン電極としての表面電極34が形成されてもよい。そして、前記表面電極34には、不図示の回路基板(例えば、プリント基板)との電気的接続を媒介するバンプ電極35が形成される。その他の構成については、図1乃至図11に示した構成と同様である。
以上説明したように本発明によれば、半導体基板10の表面側の大部分の領域に膜厚の表面電極23,32,34を形成し、裏面全面に膜厚の裏面電極30を形成する際に、両面に形成される電極の厚さを略同じになるようにすることで半導体基板10の反りの発生が抑制される。そして、半導体基板10の表面側に膜厚の表面電極23,32,34、保護膜26を形成した後に、半導体基板の裏面側を薄くするため、半導体基板10の表面側にガラス基板等のサポート板を貼り付ける必要がなく、製造工程が簡略化される。
なお、本実施形態では、表面電極23,32,34と裏面電極30の厚さを同じか略同じにしているが、これは表面電極23,32または表面電極23,32,34の合計面積と裏面電極30の面積が略同じであるため、両電極の厚さを同じか略同じにすることで、各面の厚みを揃えて半導体基板10の反り発生を抑制するものである。しかし、上述した熱膨張量を揃えるという観点からすれば、各面の体積が同じか略同じになるように設定すればよい。
さらに言えば、熱膨張量を揃えられれば、各面の電極の材質が同じものである必要はなく、各種設定することも可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能なことは言うまでもない。例えば、実施形態はNチャネル型の縦型MOSトランジスタを例として説明したが、Pチャネル型の縦型MOSトランジスタに変更してもよい。
本発明の実施形態による半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す平面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置及びその製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による半導体装置を示す平面図である。 従来例による半導体装置を示す断面図である。
符号の説明
10,100 半導体基板 11 N−型半導体層
12 P型半導体層 13 溝
14 ゲート絶縁膜 15 ゲート電極
16 層間絶縁膜 17 ソース領域
18 ソース電極接続部 19 パッシベーション膜
20 バリア層 21,29 シード層
22 レジスト層 23,32,34 表面電極
24 ニッケルメッキ層 25 金メッキ層
26,103 保護膜 27 チタン層
28 ニッケル層 30 裏面電極
31,33,35,102,105 バンプ電極
101 ソース電極 104 ゲート電極
106 ドレイン電極

Claims (8)

  1. 半導体基板の表面上に形成した開口部を有したレジスト層をマスクとして用いたメッキ法により、第1の電極を前記開口部内に形成する工程と、
    前記第1の電極が形成された半導体基板の裏面を薄くする工程と、
    薄くされた前記半導体基板の裏面上に第2の電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記レジスト層は70℃以上の温度下でベークされることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記半導体基板を薄くする前に、前記第1の電極側に保護膜を形成し、該保護膜をベークする工程を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記保護膜は有機樹脂からなり、150℃以上の温度下でベークされることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1の電極は銅または銀を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記メッキ法は電解メッキ法であることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記半導体基板は、ドレインと、ゲートと、ソースを有する縦型トランジスタを有し、前記第1の電極は、前記ゲート及び前記ソースと電気的に接続され、前記第2の電極は、前記ドレインと電気的に接続されることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記半導体基板は、ドレインと、ゲートと、ソースを有する縦型トランジスタを有し、前記第1の電極は、前記ドレイン、前記ゲート及び前記ソースのいずれかと電気的に接続されることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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