JP2011146474A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発熱に対して効率的に冷却を行うことができる、半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体層の表面に形成された活性領域5,6と、N型の不純物を有する半導体から成るN型ゲート7Nと、P型の不純物を有する半導体から成るP型ゲート7Pと、N型ゲート7N及びP型ゲート7P及び活性領域5,6に接続された第1の金属配線13と、P型ゲート7P及びN型ゲート7Nに接続された第2の金属配線と15、第2の金属配線15に接続され、熱を外部に放出するための放熱部19とを含む冷却機構素子を備えた半導体装置を構成する。
【選択図】図1
【解決手段】半導体層の表面に形成された活性領域5,6と、N型の不純物を有する半導体から成るN型ゲート7Nと、P型の不純物を有する半導体から成るP型ゲート7Pと、N型ゲート7N及びP型ゲート7P及び活性領域5,6に接続された第1の金属配線13と、P型ゲート7P及びN型ゲート7Nに接続された第2の金属配線と15、第2の金属配線15に接続され、熱を外部に放出するための放熱部19とを含む冷却機構素子を備えた半導体装置を構成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、トランジスタ等の能動素子を有する半導体装置及びその製造方法に係わる。
近年のCMOS技術の進展により、トランジスタの駆動能力が高まり、トランジスタから発生する熱が問題になっている。
MOSトランジスタにおいて、1℃温度が上がると閾値電圧Vthが2mV下がるので、サブスレッシュホールド電流は、125℃の状態では室温の状態と比較して2桁増えることになる。それため、半導体デバイスにおいて、温度の管理が非常に重要になる。
従来、CPU等の高速ロジックデバイスでは、ヒートシンクやファン等を外装することによって、チップを冷却してきた(例えば、特許文献1を参照)。
この方式は、チップ外から冷却する方式であり、微細化が進むことにより、さらに発熱量が増加すると、スタンバイ電流の増加やTDDB(経時的絶縁膜破壊)やエレクトロマイグレーション等を生じて、素子の信頼性等に重大な支障を来たす虞がある。
この方式は、チップ外から冷却する方式であり、微細化が進むことにより、さらに発熱量が増加すると、スタンバイ電流の増加やTDDB(経時的絶縁膜破壊)やエレクトロマイグレーション等を生じて、素子の信頼性等に重大な支障を来たす虞がある。
一方、CMP(化学的機械的研磨)法による平坦化を行って形成される半導体デバイスにおいて、層間絶縁膜の平坦性の理由から、半導体基板表面にダミーを配置するようになっている(例えば、特許文献2を参照)。
ダミーを配置するレイヤーは、活性領域、ゲート、メタルダミー等、CMP法による平坦化に関わるレイヤーである。従来は、ダミーを能動素子として利用することは考えられてこなかった。
ダミーを配置するレイヤーは、活性領域、ゲート、メタルダミー等、CMP法による平坦化に関わるレイヤーである。従来は、ダミーを能動素子として利用することは考えられてこなかった。
そこで、半導体デバイスを作りこむ基板そのものに、冷却機能素子を有する構造が考案されてきた(例えば、特許文献3を参照)。
しかし、この方法では、冷却機能素子を形成するための工程を追加する必要があり、コスト対効果の許容を満たさなくなる可能性がある。
しかし、この方法では、冷却機能素子を形成するための工程を追加する必要があり、コスト対効果の許容を満たさなくなる可能性がある。
これに対して、能動素子として用いられていなかったゲートダミーを冷却機能素子の一部として用い、積極的に工程を増加させなくても冷却機能素子を作製する試みが提案されている(例えば、特許文献4を参照)。
しかしながら、前記特許文献4には、吸熱部と発熱部の詳細な構成についての言及が無いため、具体性・実用性に乏しいものであった。
このため、基板表面から効率的な冷却を行うことを可能にする、冷却装置付半導体装置及び冷却装置付半導体装置の製造方法を提供することが、強く望まれている。
このため、基板表面から効率的な冷却を行うことを可能にする、冷却装置付半導体装置及び冷却装置付半導体装置の製造方法を提供することが、強く望まれている。
上述した問題の解決のために、本発明においては、発熱に対して効率的に冷却を行うことができる、半導体装置及びその製造方法を提供するものである。
本発明の半導体装置は、冷却機構素子を備えたものである。
そして、この冷却機構素子は、不純物領域から成り、半導体層の表面に形成された活性領域と、N型の不純物を有する半導体から成るN型ゲートと、P型の不純物を有する半導体から成るP型ゲートとを含む。さらに、N型ゲート及びP型ゲート及び活性領域に接続された第1の金属配線と、P型ゲート及びN型ゲートに接続された第2の金属配線と、第2の金属配線に接続され、熱を外部に放出するための放熱部とを含む。
そして、この冷却機構素子は、不純物領域から成り、半導体層の表面に形成された活性領域と、N型の不純物を有する半導体から成るN型ゲートと、P型の不純物を有する半導体から成るP型ゲートとを含む。さらに、N型ゲート及びP型ゲート及び活性領域に接続された第1の金属配線と、P型ゲート及びN型ゲートに接続された第2の金属配線と、第2の金属配線に接続され、熱を外部に放出するための放熱部とを含む。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体層上に、ゲートとなる半導体膜を形成する工程と、半導体膜の一部にN型の不純物を注入し、半導体膜の他の一部にP型の不純物を注入する工程とを含む。さらに、半導体膜をパターニングして、N型ゲートとP型ゲートをそれぞれ形成する工程と、半導体層の表面に、不純物領域から成る活性領域を形成する工程とを含む。そして、N型ゲート及びP型ゲート及び活性領域に接続して第1の金属配線を形成し、P型ゲート及びN型ゲートに接続して第2の金属配線を形成する工程と、第2の金属配線に接続して、熱を外部に放出するための放熱部を形成する工程とを含む。
上述の本発明の半導体装置の構成によれば、冷却機能素子が、N型ゲート及びP型ゲート及び活性領域に接続された第1の金属配線と、P型ゲート及びN型ゲートに接続された第2の金属配線とを含んでいる。これにより、N型ゲート→第1の金属配線→P型ゲート→第2の金属配線→N型ゲートの順序で電流が流れるように、電圧を供給すれば、第1の金属配線で吸熱作用を生じ、第2の金属配線で発熱作用を生じる。
吸熱作用を生じる第1の金属配線が、半導体層の表面に形成された活性領域に接続されているので、発熱した半導体層を効率良く冷却することができる。
また、発熱作用を生じる第2の金属配線に、熱を外部に放出するための放熱部が接続されているので、熱を外部に放出して、効率良く冷却を行うことができる。
吸熱作用を生じる第1の金属配線が、半導体層の表面に形成された活性領域に接続されているので、発熱した半導体層を効率良く冷却することができる。
また、発熱作用を生じる第2の金属配線に、熱を外部に放出するための放熱部が接続されているので、熱を外部に放出して、効率良く冷却を行うことができる。
上述の本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体膜にN型並びにP型の不純物をそれぞれ注入した後に、半導体膜をパターニングして、N型ゲートとP型ゲートを形成し、半導体層の表面に、不純物領域から成る活性領域を形成する。そして、N型ゲート及びP型ゲート及び活性領域に接続して第1の金属配線を形成し、P型ゲート及びN型ゲートに接続して第2の金属配線を形成し、第2の金属配線に接続して、熱を外部に放出するための放熱部を形成する。
これにより、前述した、冷却機構素子を備えた本発明の半導体装置を、従来から知られている、通常の半導体装置の製造方法を適用して、容易に製造することができる。
これにより、前述した、冷却機構素子を備えた本発明の半導体装置を、従来から知られている、通常の半導体装置の製造方法を適用して、容易に製造することができる。
本発明の半導体装置によれば、冷却機構素子によって、半導体層を効率良く冷却して、外部に効率良く放熱することができるので、半導体装置を冷却して、半導体装置内の回路素子の特性を安定化させることができる。
従って、安定して動作する、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
従って、安定して動作する、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、冷却機構素子を備えた半導体装置を、通常の半導体装置の製造方法を適用して、容易に製造することができるので、回路素子の微細化等にも対応して、冷却機構素子を作製することが可能になる。
従って、本発明により、回路素子の微細化や、駆動能力の増大が進んでも、半導体装置を充分に冷却して、安定して動作させることが可能になる。
以下、発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態とする)について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態
2.第2の実施の形態
3.第3の実施の形態
4.第4の実施の形態
5.変形例
なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態
2.第2の実施の形態
3.第3の実施の形態
4.第4の実施の形態
5.変形例
<1.第1の実施の形態>
本発明の半導体装置の第1の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図1A及び図1Bに示す。図1Aは、シリコン基板1に形成された、P型半導体ウエル領域の部分の断面図であり、図1Bは、シリコン基板1に形成された、N型半導体ウエル領域の部分の断面図である。図1A及び図1Bは、いずれも、半導体装置のうちの本発明に係る冷却機構素子が形成された部分の断面図を示している。
本発明の半導体装置の第1の実施の形態の概略構成図(断面図)を、図1A及び図1Bに示す。図1Aは、シリコン基板1に形成された、P型半導体ウエル領域の部分の断面図であり、図1Bは、シリコン基板1に形成された、N型半導体ウエル領域の部分の断面図である。図1A及び図1Bは、いずれも、半導体装置のうちの本発明に係る冷却機構素子が形成された部分の断面図を示している。
図1A及び図1Bに示すように、シリコン基板1に形成された、P型半導体ウエル領域3及びN型半導体ウエル領域4に、それぞれ、素子を分離するためのSTI(shallow trench isolation)構造の素子分離層2が形成されている。この素子分離層2は、例えば、酸化シリコン層によって形成することができる。
そして、素子分離層2の上に、ポリシリコン等の半導体により、N型ゲートダミー7N及びP型ゲートダミー7Pが形成されている。
それぞれのゲートダミー7N,7Pの側壁には、絶縁層によりサイドウォール8が形成されている。
ゲートダミー7N,7P及びその側壁のサイドウォール8は、図示しない部分のシリコン基板1上に形成されている、NMOSトランジスタやPMOSトランジスタのゲート及びその側壁のサイドウォールと同じ材料で形成されている。
N型ゲートダミー7N及びP型ゲートダミー7Pは、MOSトランジスタのゲートと同じ材料により形成されているが、素子分離層2上に形成されているので、ゲートとしては動作しない。
それぞれのゲートダミー7N,7Pの側壁には、絶縁層によりサイドウォール8が形成されている。
ゲートダミー7N,7P及びその側壁のサイドウォール8は、図示しない部分のシリコン基板1上に形成されている、NMOSトランジスタやPMOSトランジスタのゲート及びその側壁のサイドウォールと同じ材料で形成されている。
N型ゲートダミー7N及びP型ゲートダミー7Pは、MOSトランジスタのゲートと同じ材料により形成されているが、素子分離層2上に形成されているので、ゲートとしては動作しない。
P型半導体ウエル領域3の素子分離層2の間の部分の表面には、N型の高濃度の不純物領域から成る、N+活性領域5が形成されている。N型半導体ウエル領域4の素子分離層2の間の部分の表面には、P型の高濃度の不純物領域から成る、P+活性領域6が形成されている。
また、これらN+活性領域5及びP+活性領域6の表面と、ゲートダミー7N,7Pの表面とには、W,Ti,Ni,Co等の金属元素及びシリコンから成るシリサイド9が形成されている。
ただし、ゲートダミー7N,7Pの表面の中央部には、絶縁層からなるシリサイドブロック10が形成されており、ゲートダミー7N,7Pの表面のうちのシリサイドブロック10が形成されていない部分にシリサイド9が形成されている。
また、これらN+活性領域5及びP+活性領域6の表面と、ゲートダミー7N,7Pの表面とには、W,Ti,Ni,Co等の金属元素及びシリコンから成るシリサイド9が形成されている。
ただし、ゲートダミー7N,7Pの表面の中央部には、絶縁層からなるシリサイドブロック10が形成されており、ゲートダミー7N,7Pの表面のうちのシリサイドブロック10が形成されていない部分にシリサイド9が形成されている。
N型ゲートダミー7NとP型ゲートダミー7Pには、シリサイド9を介して、第1のコンタクト層11と、第2のコンタクト層12とが、接続されている。
第1のコンタクト層11は、プラグ状に細く形成され、1つのゲートダミー7N,7Pの表面のシリサイド9に接続されている。
第2のコンタクト層12は、第1のコンタクト層11よりも太く形成され、活性領域5,6の表面のシリサイド9と、この活性領域5,6の左右にある2つのゲートダミー7N,7Pの表面のシリサイド9とに接続されている。
第1のコンタクト層11及び第2のコンタクト層12は、図示しないシリコン基板1の他の部分に形成されている、トランジスタ等の能動素子を構成するゲートや不純物領域等に電気的に接続されたコンタクト層と同一層の金属層によって形成されている。
第1のコンタクト層11及び第2のコンタクト層12の上には、第1層の金属配線層13が形成されている。この第1層の金属配線層13は、図示しないシリコン基板1の他の部分に形成されている、トランジスタ等の素子にコンタクト層を介して電気的に接続された、第1層の金属配線層と同じ層によって形成されている。
そして、第1層の金属配線層13は、同じ素子分離層2上で隣接する、N型ゲートダミー7NとP型ゲートダミー7Pにそれぞれ電気的に接続された、2つの第1のコンタクト層11を接続している。
これにより、シリサイド9を介して、N型ゲートダミー7N→第2のコンタクト層12→P型ゲートダミー7P→第1のコンタクト層11→第1層の金属配線層13→第1のコンタクト層11→N型ゲートダミー7Nの順で電気的に接続される。このようにして、N→P→N→P・・・の順でN型ゲートダミー7NとP型ゲートダミー7Pを交互に接続している。
第1のコンタクト層11は、プラグ状に細く形成され、1つのゲートダミー7N,7Pの表面のシリサイド9に接続されている。
第2のコンタクト層12は、第1のコンタクト層11よりも太く形成され、活性領域5,6の表面のシリサイド9と、この活性領域5,6の左右にある2つのゲートダミー7N,7Pの表面のシリサイド9とに接続されている。
第1のコンタクト層11及び第2のコンタクト層12は、図示しないシリコン基板1の他の部分に形成されている、トランジスタ等の能動素子を構成するゲートや不純物領域等に電気的に接続されたコンタクト層と同一層の金属層によって形成されている。
第1のコンタクト層11及び第2のコンタクト層12の上には、第1層の金属配線層13が形成されている。この第1層の金属配線層13は、図示しないシリコン基板1の他の部分に形成されている、トランジスタ等の素子にコンタクト層を介して電気的に接続された、第1層の金属配線層と同じ層によって形成されている。
そして、第1層の金属配線層13は、同じ素子分離層2上で隣接する、N型ゲートダミー7NとP型ゲートダミー7Pにそれぞれ電気的に接続された、2つの第1のコンタクト層11を接続している。
これにより、シリサイド9を介して、N型ゲートダミー7N→第2のコンタクト層12→P型ゲートダミー7P→第1のコンタクト層11→第1層の金属配線層13→第1のコンタクト層11→N型ゲートダミー7Nの順で電気的に接続される。このようにして、N→P→N→P・・・の順でN型ゲートダミー7NとP型ゲートダミー7Pを交互に接続している。
さらに、第1のコンタクト層11上の第1層の金属配線層13には、ビアホール内に形成されたプラグ層14とその上の金属配線層15とが数層繰り返して形成されている。
そして、最上層の金属配線層15の上に、ビアホール内に形成されたコンタクト層16を介して、パッドダミー17が形成されている。パッドダミー17は、図示しない他の部分に形成され、ワイヤボンディング等により外部と接続するためのボンディング用パッドと、同じ金属層で形成されている。パッドダミー17は、図示しない絶縁層に形成された開口内を埋めて、さらに開口の外側の絶縁層上にわたって形成されている。
また、パッドダミー17の上には、熱伝導率の高い熱伝導材18を介して、ヒートシンク19が取り付けられている。
プラグ層14、金属配線層15、コンタクト層16、パッドダミー17、熱伝導材18、ヒートシンク19は、第1層の金属配線層13に熱的に接続されている。
そして、最上層の金属配線層15の上に、ビアホール内に形成されたコンタクト層16を介して、パッドダミー17が形成されている。パッドダミー17は、図示しない他の部分に形成され、ワイヤボンディング等により外部と接続するためのボンディング用パッドと、同じ金属層で形成されている。パッドダミー17は、図示しない絶縁層に形成された開口内を埋めて、さらに開口の外側の絶縁層上にわたって形成されている。
また、パッドダミー17の上には、熱伝導率の高い熱伝導材18を介して、ヒートシンク19が取り付けられている。
プラグ層14、金属配線層15、コンタクト層16、パッドダミー17、熱伝導材18、ヒートシンク19は、第1層の金属配線層13に熱的に接続されている。
そして、N型及びP型のゲートダミー7N,7P、活性領域5,6、第1のコンタクト層11、第2のコンタクト層12、第1層の金属配線層13、パッドダミー17、ヒートシンク19等の各部品により、冷却機構素子が構成されている。
そして、本実施の形態の半導体装置の冷却機構素子を動作させるには、電源等から電圧を供給することにより、図中矢印で示す方向に電流を流す。
矢印で示す方向に電流を流すと、ペルチェ効果により、電流の流れに沿って、N型ゲートダミー7NからP型ゲートダミー7Pへ電流が流れる第2のコンタクト層12では、吸熱作用が生じる。
一方、P型ゲートダミー7PからN型ゲートダミー7Nへ電流が流れる金属配線、即ち、第1のコンタクト層11及びその上の第1層の金属配線層13では、発熱作用が生じる。
矢印で示す方向に電流を流すと、ペルチェ効果により、電流の流れに沿って、N型ゲートダミー7NからP型ゲートダミー7Pへ電流が流れる第2のコンタクト層12では、吸熱作用が生じる。
一方、P型ゲートダミー7PからN型ゲートダミー7Nへ電流が流れる金属配線、即ち、第1のコンタクト層11及びその上の第1層の金属配線層13では、発熱作用が生じる。
LSIの発熱の大部分は、抵抗の高いトランジスタ等のシリコン基板上の能動素子から発生するため、シリコン基板1で発生した熱を吸収して、吸収した熱を外部に放熱するのが望ましい。
そして、N型ゲートダミー7NからP型ゲートダミー7Pを結ぶ第2のコンタクト層12が、シリコン基板1の半導体ウエル領域3,4の表面の活性領域5,6にシリサイド9を介して接続されている。
これにより、熱伝導性の良好なシリサイド9を通じて、シリコン基板1の熱を吸収することができ、シリコン基板1を効率的に冷却することができる。
これにより、熱伝導性の良好なシリサイド9を通じて、シリコン基板1の熱を吸収することができ、シリコン基板1を効率的に冷却することができる。
一方、P型ゲートダミー7PからN型ゲートダミー7Nを結ぶ、第1のコンタクト層11及びその上の第1層の金属配線層13を、熱伝導率の高い金属材料から成るプラグ層14及び金属配線層15のスタック構造でパッドダミー17まで引き上げている。
そして、パッドダミー17から、熱伝導率の高い熱伝導材18を介してヒートシンク19が取り付けられているので、ヒートシンク19から熱を放出することができる。
そして、パッドダミー17から、熱伝導率の高い熱伝導材18を介してヒートシンク19が取り付けられているので、ヒートシンク19から熱を放出することができる。
図1A及び図1Bに示した冷却機構素子を含む半導体装置は、例えば、以下に説明するようにして、製造することができる。
なお、製造工程図として図2A〜図4Nを参照するが、これらの製造工程図では、図示の都合上、図1A及び図1Bとは半導体装置の各部品の寸法や形状が一部異なっている。
なお、製造工程図として図2A〜図4Nを参照するが、これらの製造工程図では、図示の都合上、図1A及び図1Bとは半導体装置の各部品の寸法や形状が一部異なっている。
まず、通常のLSIの製造工程と同様に、図2Aに示すように、シリコン基板1にSTI構造の素子分離層2を形成する。
次に、図2Bに示すように、シリコン基板1に、P型不純物の注入によりP型半導体ウエル領域3を形成し、N型不純物の注入によりN型半導体ウエル領域4を形成する。なお、どちらの半導体ウエル領域を先に形成しても構わない。
次に、図2Cに示すように、シリコン基板1の上に、CVD(化学的気相成長)法等により、ゲートの材料であるポリシリコン膜31を成膜する。
次に、図2Bに示すように、シリコン基板1に、P型不純物の注入によりP型半導体ウエル領域3を形成し、N型不純物の注入によりN型半導体ウエル領域4を形成する。なお、どちらの半導体ウエル領域を先に形成しても構わない。
次に、図2Cに示すように、シリコン基板1の上に、CVD(化学的気相成長)法等により、ゲートの材料であるポリシリコン膜31を成膜する。
次に、ポリシリコン膜31の上に、レジスト32によるマスクを形成する。このレジスト32のパターンは、P型ゲートダミー7P及びトランジスタのP型ゲートとなる部分を少なくとも覆い、N型ゲートダミー7N及びトランジスタのN型ゲートとなる部分を覆わないように形成する。
そして、このレジスト32をマスクとして使用して、ポリシリコン膜31へのN型不純物のイオン注入により、図2Dに示すように、ポリシリコン膜31のレジスト32に覆われていない部分を、N型ドープポリシリコン33とする。
そして、このレジスト32をマスクとして使用して、ポリシリコン膜31へのN型不純物のイオン注入により、図2Dに示すように、ポリシリコン膜31のレジスト32に覆われていない部分を、N型ドープポリシリコン33とする。
その後、レジスト32を除去する。
次に、ポリシリコン膜31の上に、レジスト34によるマスクを形成する。このレジスト34のパターンは、N型ゲートダミー7N及びトランジスタのN型ゲートとなる部分を少なくとも覆い、P型ゲートダミー7P及びトランジスタのP型ゲートとなる部分を覆わないように形成する。図示の部分では、図2Eに示すように、図2Dのレジスト32とは逆のパターンとしている。
そして、このレジスト34をマスクとして使用して、ポリシリコン膜31へのP型不純物のイオン注入により、ポリシリコン膜31のレジスト34に覆われていない部分を、P型ドープポリシリコン35とする。
次に、ポリシリコン膜31の上に、レジスト34によるマスクを形成する。このレジスト34のパターンは、N型ゲートダミー7N及びトランジスタのN型ゲートとなる部分を少なくとも覆い、P型ゲートダミー7P及びトランジスタのP型ゲートとなる部分を覆わないように形成する。図示の部分では、図2Eに示すように、図2Dのレジスト32とは逆のパターンとしている。
そして、このレジスト34をマスクとして使用して、ポリシリコン膜31へのP型不純物のイオン注入により、ポリシリコン膜31のレジスト34に覆われていない部分を、P型ドープポリシリコン35とする。
その後、レジスト34を除去する。
次に、図2Fに示すように、N型ドープポリシリコン33及びP型ドープポリシリコン35の上に、ゲートダミー7N,7P及びトランジスタのゲートに対応するパターンで、レジスト36によるマスクを形成する。
次に、図2Fに示すように、N型ドープポリシリコン33及びP型ドープポリシリコン35の上に、ゲートダミー7N,7P及びトランジスタのゲートに対応するパターンで、レジスト36によるマスクを形成する。
さらに、レジスト36をマスクとして使用して、N型ドープポリシリコン33及びP型ドープポリシリコン35をパターニングして、ゲートダミー7N,7P及びトランジスタのゲートを形成する。
その後、レジスト36を除去する。この状態を、図3Gに示す。
その後、レジスト36を除去する。この状態を、図3Gに示す。
その後、図3Hに示すように、ゲートダミー7N,7P及びトランジスタのゲートにセルフアラインして、ゲートダミー7N,7P及びトランジスタのゲートの側壁に、絶縁層によるサイドウォール8を形成する。
また、図3Hに示すように、シリコン基板1の半導体ウエル領域3,4の表面に、イオン注入により、N+活性領域5とP+活性領域6とを順次形成する。
そして、図示しないが、シリコン基板1の半導体ウエル領域3,4に、イオン注入により、トランジスタのソース/ドレイン領域を形成する。
なお、N+活性領域5と、P+活性領域6と、トランジスタのソース/ドレイン領域とは、特に形成の順序は問わない。また、N+活性領域5とN型のソース/ドレイン領域や、P+活性領域6とP型のソース/ドレイン領域は、不純物濃度が同じでも構わないのであれば、同時に形成することが可能である。
また、図3Hに示すように、シリコン基板1の半導体ウエル領域3,4の表面に、イオン注入により、N+活性領域5とP+活性領域6とを順次形成する。
そして、図示しないが、シリコン基板1の半導体ウエル領域3,4に、イオン注入により、トランジスタのソース/ドレイン領域を形成する。
なお、N+活性領域5と、P+活性領域6と、トランジスタのソース/ドレイン領域とは、特に形成の順序は問わない。また、N+活性領域5とN型のソース/ドレイン領域や、P+活性領域6とP型のソース/ドレイン領域は、不純物濃度が同じでも構わないのであれば、同時に形成することが可能である。
その後、シリサイド9を形成する前に、ゲートダミー7N,7Pの表面の一部にリソグラフィーを用いたパターニングにより、例えば、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜を用いて、図3Iに示すように、シリサイドブロック10を形成する。
シリサイドブロック10を構成するシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の各膜厚は、シリサイド9の形成工程における自然酸化膜の除去処理を経ても充分に残る膜厚であれば良い。
シリサイドブロック10を構成するシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の各膜厚は、シリサイド9の形成工程における自然酸化膜の除去処理を経ても充分に残る膜厚であれば良い。
次に、シリコン基板1の表面の自然酸化膜を除去した後、図3Jに示すように、活性領域5,6及びゲートダミー7N,7Pのシリサイドブロック10により分離された2つの部分の表面に、シリサイド9を形成する。例えば、W(タングステン)等の金属膜を成膜した後に、ランプアニール等でシリコンと金属膜とによりシリサイド9を形成する。このシリサイドの形成は、図示しない他の部分のトランジスタ等へのシリサイドの形成工程と同時に行う。
次に、全体を覆って絶縁層37を形成した後に、活性領域5,6上のシリサイド9やゲートダミー7N,7P上のシリサイド9に達する開口を、絶縁層37に形成する。
続いて、開口を埋めて金属層を形成した後に、絶縁層37上の金属層を除去することにより、図3Kに示すように、絶縁層37の開口内に、シリサイド9に接続して、第1のコンタクト層11及び第2のコンタクト層12を形成する。第2のコンタクト層12は、ゲートダミー7N,7Pの表面のシリサイドブロック10により分離された2つの部分の一方の部分及び活性領域5,6の表面のシリサイド9に接続されている。第1のコンタクト層11は、ゲートダミー7N,7Pの表面のシリサイドブロック10により分離された2つの部分の他方の部分の表面のシリサイド9に接続されている。これら第1のコンタクト層11及び第2のコンタクト層12の形成は、図示しない部分における、トランジスタを構成する、シリコン基板1に形成された不純物領域やゲートとのコンタクト層を形成する工程と同時に行う。
なお、図3Kでは、N型ゲートダミー7N上のシリサイド9に接続された第2のコンタクト層12と、P型ゲートダミー7P上のシリサイド9に接続された第2のコンタクト層12とが、離れている。これらの第2のコンタクト層12は、図3Kでは示していない部分でつながっており、図1A及び図1Bに示したと同様に、N型ゲートダミー7N上からP型ゲートダミー7P上にわたって第2のコンタクト層12が形成されている。
続いて、開口を埋めて金属層を形成した後に、絶縁層37上の金属層を除去することにより、図3Kに示すように、絶縁層37の開口内に、シリサイド9に接続して、第1のコンタクト層11及び第2のコンタクト層12を形成する。第2のコンタクト層12は、ゲートダミー7N,7Pの表面のシリサイドブロック10により分離された2つの部分の一方の部分及び活性領域5,6の表面のシリサイド9に接続されている。第1のコンタクト層11は、ゲートダミー7N,7Pの表面のシリサイドブロック10により分離された2つの部分の他方の部分の表面のシリサイド9に接続されている。これら第1のコンタクト層11及び第2のコンタクト層12の形成は、図示しない部分における、トランジスタを構成する、シリコン基板1に形成された不純物領域やゲートとのコンタクト層を形成する工程と同時に行う。
なお、図3Kでは、N型ゲートダミー7N上のシリサイド9に接続された第2のコンタクト層12と、P型ゲートダミー7P上のシリサイド9に接続された第2のコンタクト層12とが、離れている。これらの第2のコンタクト層12は、図3Kでは示していない部分でつながっており、図1A及び図1Bに示したと同様に、N型ゲートダミー7N上からP型ゲートダミー7P上にわたって第2のコンタクト層12が形成されている。
次に、第1のコンタクト層11及び第2のコンタクト層12の上に接続して、第1層の金属配線層13を形成し、さらに、その上に、プラグ層14及び金属配線層15を必要な層数だけ繰り返して形成する。最上層の金属配線層15まで形成した状態を、図4Lに示す。
次に、図4Mに示すように、最上層の金属配線層15の上に、コンタクト層16と、パッドダミー17とを順次形成する。パッドダミー17は、他の部分に形成するボンディング用パッドと同時に形成する。パッドダミー17は、絶縁層に形成された開口17C内を埋めて、さらに開口17Cの外側の絶縁層上にわたって形成されている。
次に、図4Nに示すように、パッドダミー17の上に、熱伝導材18とヒートシンク19とを、順次形成する。
このようにして、図1A及び図1Bに示した半導体装置を製造することができる。
次に、図4Mに示すように、最上層の金属配線層15の上に、コンタクト層16と、パッドダミー17とを順次形成する。パッドダミー17は、他の部分に形成するボンディング用パッドと同時に形成する。パッドダミー17は、絶縁層に形成された開口17C内を埋めて、さらに開口17Cの外側の絶縁層上にわたって形成されている。
次に、図4Nに示すように、パッドダミー17の上に、熱伝導材18とヒートシンク19とを、順次形成する。
このようにして、図1A及び図1Bに示した半導体装置を製造することができる。
上述した製造方法によれば、冷却機構素子を備えた半導体装置を、通常の半導体装置の製造方法を適用して、容易に製造することができる。
これにより、回路素子の微細化等にも対応して、冷却機構素子を作製することが可能になる。
また、冷却機構素子を構成する部品の形成工程を、シリコン基板1の他の部分に形成されたトランジスタを構成する各部品の形成工程と同時に行うことにより、工程の追加なしにトランジスタと冷却機構素子を作製することができる。これにより、安い製造コストで冷却機構素子を備えた半導体装置を製造することができる。
これにより、回路素子の微細化等にも対応して、冷却機構素子を作製することが可能になる。
また、冷却機構素子を構成する部品の形成工程を、シリコン基板1の他の部分に形成されたトランジスタを構成する各部品の形成工程と同時に行うことにより、工程の追加なしにトランジスタと冷却機構素子を作製することができる。これにより、安い製造コストで冷却機構素子を備えた半導体装置を製造することができる。
上述の本実施の形態の構成によれば、N型ゲートダミー7N及びP型ゲートダミー7P及び活性領域5,6に、シリサイド9を介して、第2のコンタクト層12が接続されている。また、P型ゲートダミー7P及びN型ゲートダミー7Nに、それぞれシリサイド9を介して、第1のコンタクト層11が接続され、2つの第1のコンタクト層11の上に接続して第1層の配線層13が形成されている。
これにより、N型ゲートダミー7N→第2のコンタクト層12→P型ゲートダミー7P→第1のコンタクト層11→第1層の金属配線層13→第1のコンタクト層11→N型ゲートダミー7Nの順に電流を流せば、第2のコンタクト層12で吸熱作用を生じる。また、第1のコンタクト層11及びその上の第1層の金属配線層13で発熱作用を生じる。
そして、吸熱作用を生じる第2のコンタクト層12が、シリコン基板1の表面の活性領域5,6に接続されているので、発熱したシリコン基板1を効率良く冷却することができる。
これにより、N型ゲートダミー7N→第2のコンタクト層12→P型ゲートダミー7P→第1のコンタクト層11→第1層の金属配線層13→第1のコンタクト層11→N型ゲートダミー7Nの順に電流を流せば、第2のコンタクト層12で吸熱作用を生じる。また、第1のコンタクト層11及びその上の第1層の金属配線層13で発熱作用を生じる。
そして、吸熱作用を生じる第2のコンタクト層12が、シリコン基板1の表面の活性領域5,6に接続されているので、発熱したシリコン基板1を効率良く冷却することができる。
また、発熱作用を生じる第1層の金属配線層13に、熱的に接続されて、熱を外部に放出するための放熱部となる、パッドダミー17と熱伝導材18とヒートシンク19が設けられている。これにより、ヒートシンク19から熱を外部に放出して、効率良く冷却を行うことができる。
そして、本実施の形態の構成によれば、冷却機構素子によって、シリコン基板1を効率良く冷却して、外部に効率良く放熱することができるので、半導体装置を冷却して、半導体装置内の回路素子(トランジスタ等)の特性を安定化させることができる。
例えば、トランジスタの閾値電圧の安定化、スタンバイリークの低減、特性の安定化による動作タイミングのばらつきの低減、等を図ることができる。そして、特性歩留まりの向上、ひいては、製造コストの低減も可能にする。
例えば、トランジスタの閾値電圧の安定化、スタンバイリークの低減、特性の安定化による動作タイミングのばらつきの低減、等を図ることができる。そして、特性歩留まりの向上、ひいては、製造コストの低減も可能にする。
本発明において、トランジスタ等の発熱する能動素子と、ゲートダミー及びダミーパッド等本発明の構成による冷却機能素子との組み合わせの配置は、様々な態様が考えられる。
ここで、本発明の半導体装置の他の実施の形態として、能動素子と冷却機能素子との平面配置の具体的な形態を、以下にいくつか示す。
ここで、本発明の半導体装置の他の実施の形態として、能動素子と冷却機能素子との平面配置の具体的な形態を、以下にいくつか示す。
<2.第2の実施の形態>
本発明の半導体装置の第2の実施の形態の概略平面図を、図5に示す。
本実施の形態は、N型半導体ウエル領域上の能動素子と、P型半導体ウエル領域上の能動素子とに、同一電流経路の冷却機能素子を設けた場合である。
本発明の半導体装置の第2の実施の形態の概略平面図を、図5に示す。
本実施の形態は、N型半導体ウエル領域上の能動素子と、P型半導体ウエル領域上の能動素子とに、同一電流経路の冷却機能素子を設けた場合である。
図5に示すように、P型半導体ウエル領域3に、能動素子として、ゲート21とN型のソース/ドレイン領域22を有する、N型のMOSトランジスタNMOSが形成されている。
また、N型半導体ウエル領域4に、能動素子として、ゲート21とP型のソース/ドレイン領域23とを有する、P型のMOSトランジスタPMOSが形成されている。
一般に、これらのトランジスタNMOS,PMOSから、主に熱が発生することが知られている。
また、N型半導体ウエル領域4に、能動素子として、ゲート21とP型のソース/ドレイン領域23とを有する、P型のMOSトランジスタPMOSが形成されている。
一般に、これらのトランジスタNMOS,PMOSから、主に熱が発生することが知られている。
図中左側のP型半導体ウエル領域3では、N型のMOSトランジスタNMOSの左右及び奥側を囲うように、N+活性領域5に接続された第2のコンタクト層12が形成されている。P型半導体ウエル領域3の左手前の部分にN型ゲートダミー7Nが形成され、右手前の部分にP型ゲートダミー7Pが形成されている。
図中右側のN型半導体ウエル領域4では、P型のMOSトランジスタPMOSの左右及び奥側を囲うように、P+活性領域6に接続された第2のコンタクト層12が形成されている。N型半導体ウエル領域4の左手前の部分にN型ゲートダミー7Nが形成され、右手前の部分にP型ゲートダミー7Pが形成されている。
図中右側のN型半導体ウエル領域4では、P型のMOSトランジスタPMOSの左右及び奥側を囲うように、P+活性領域6に接続された第2のコンタクト層12が形成されている。N型半導体ウエル領域4の左手前の部分にN型ゲートダミー7Nが形成され、右手前の部分にP型ゲートダミー7Pが形成されている。
なお、ゲートダミー7N,7Pの平面パターンと、活性領域5,6の平面パターンとは、少し間隔を置いて配置されている。これは、活性領域5,6を形成する際に逆導電型のゲートダミー7P,7Nに不純物が混入するのを防ぐためであり、さらにレイアウトを対称にして形成を容易にするために、同じ導電型の場合でも同様に間隔を置いている。
ゲートダミー7N,7Pの上には、左右方向に細長いパターンで、シリサイドブロック10が形成されている。ゲートダミー7N,7Pの表面のうち、シリサイドブロック10が形成されていない部分には、図示しないシリサイドが形成されている。
そして、P型半導体ウエル領域3のP型ゲートダミー7Pと、N型半導体ウエル領域4のN型ゲートダミー7Nとには、第1のコンタクト層11を介して、第1層の金属配線層13が接続されている。第1層の金属配線層13の中央部の上には、プラグ層14が形成され、その上に金属配線層15が形成されている。
さらに上方には、ダミーパッド17が形成されている。なお、図4Mに示したと同様のダミーパッド17用の開口17Cを、図中破線で示している。
そして、P型半導体ウエル領域3のP型ゲートダミー7Pと、N型半導体ウエル領域4のN型ゲートダミー7Nとには、第1のコンタクト層11を介して、第1層の金属配線層13が接続されている。第1層の金属配線層13の中央部の上には、プラグ層14が形成され、その上に金属配線層15が形成されている。
さらに上方には、ダミーパッド17が形成されている。なお、図4Mに示したと同様のダミーパッド17用の開口17Cを、図中破線で示している。
第1のコンタクト層11と第2のコンタクト層12とは、ゲートダミー7N,7Pのシリサイドブロック10で隔てられた異なる領域に接続されている。
これにより、第1のコンタクト層11と第2のコンタクト層12とがシリサイドで短絡することなく、ゲートダミー7N,7Pを経由して電流が流れる。
これにより、第1のコンタクト層11と第2のコンタクト層12とがシリサイドで短絡することなく、ゲートダミー7N,7Pを経由して電流が流れる。
本実施の形態の半導体装置では、それぞれ2個のN型ゲートダミー7N及びP型ゲートダミー7Pが、交互に電気的に接続されている。
また、本実施の形態の半導体装置において、電流を流す経路を、図中矢印で示す。
N型ゲートダミー7Nから、第2のコンタクト層12と活性領域5,6を経て、P型ゲートダミー7P、第1のコンタクト層11、第1層の金属配線層13、第1のコンタクト層11、右隣のウエル領域のN型のゲートダミー7N、の順に電流を流す。
これにより、第1の実施の形態と同様に、活性領域5,6及び第2のコンタクト層12で吸熱作用を生じ、第1のコンタクト層11及びその上の第1層の金属配線層13で発熱作用を生じる。
また、本実施の形態の半導体装置において、電流を流す経路を、図中矢印で示す。
N型ゲートダミー7Nから、第2のコンタクト層12と活性領域5,6を経て、P型ゲートダミー7P、第1のコンタクト層11、第1層の金属配線層13、第1のコンタクト層11、右隣のウエル領域のN型のゲートダミー7N、の順に電流を流す。
これにより、第1の実施の形態と同様に、活性領域5,6及び第2のコンタクト層12で吸熱作用を生じ、第1のコンタクト層11及びその上の第1層の金属配線層13で発熱作用を生じる。
吸熱作用を生じる、活性領域5,6及び第2のコンタクト層12は、それぞれの冷却対象のトランジスタNMOS,PMOSと、同一の半導体ウエル領域3,4に形成されている。また、トランジスタNMOS,PMOSのソース/ドレイン領域22,23は、半導体ウエル領域3,4とは反対導電型になっている。これにより、活性領域5,6及びソース/ドレイン領域22,23において、接合リークを生じない。
また、吸熱作用を生じる、活性領域5,6及び第2のコンタクト層12を、トランジスタNMOS,PMOSの近傍に配置していることにより、トランジスタNMOS,PMOSからの熱を吸収しやすくなる。
また、吸熱作用を生じる、活性領域5,6及び第2のコンタクト層12を、トランジスタNMOS,PMOSの近傍に配置していることにより、トランジスタNMOS,PMOSからの熱を吸収しやすくなる。
発熱作用を生じる金属配線に接続されたパッドダミー17は、ゲートダミー7N,7Pや金属配線層15と比較して、充分に広い面積に形成されている。これにより、効率良く放熱することができる。
上述の本実施の形態の構成によれば、先の第1の実施の形態と同様に、N型ゲートダミー7N及びP型ゲートダミー7P及び活性領域5,6に、第2のコンタクト層12が接続されている。また、P型ゲートダミー7P及びN型ゲートダミー7Nに、それぞれ第1のコンタクト層11が接続され、2つの第1のコンタクト層11の上に接続して第1層の配線層13が形成されている。
これにより、N型ゲートダミー7N→第2のコンタクト層12→P型ゲートダミー7P→第1のコンタクト層11→第1層の金属配線層13→第1のコンタクト層11→N型ゲートダミー7Nの順に電流を流せば、第2のコンタクト層12で吸熱作用を生じる。また、第1のコンタクト層11及びその上の第1層の金属配線層13で発熱作用を生じる。
そして、吸熱作用を生じる第2のコンタクト層12が、シリコン基板の表面の活性領域5,6に接続されているので、発熱したシリコン基板を効率良く冷却することができる。
これにより、N型ゲートダミー7N→第2のコンタクト層12→P型ゲートダミー7P→第1のコンタクト層11→第1層の金属配線層13→第1のコンタクト層11→N型ゲートダミー7Nの順に電流を流せば、第2のコンタクト層12で吸熱作用を生じる。また、第1のコンタクト層11及びその上の第1層の金属配線層13で発熱作用を生じる。
そして、吸熱作用を生じる第2のコンタクト層12が、シリコン基板の表面の活性領域5,6に接続されているので、発熱したシリコン基板を効率良く冷却することができる。
また、発熱作用を生じる第1層の金属配線層13の上に、熱を外部に放出するための放熱部となる、パッドダミー17等が設けられているので、ヒートシンク19から熱を外部に放出して、効率良く冷却を行うことができる。
そして、本実施の形態の構成によれば、冷却機構素子によって、シリコン基板を効率良く冷却して、外部に効率良く放熱することができるので、半導体装置を冷却して、半導体装置内の回路素子(トランジスタ等)の特性を安定化させることができる。
例えば、トランジスタの閾値電圧の安定化、スタンバイリークの低減、特性の安定化による動作タイミングのばらつきの低減、等を図ることができる。そして、特性歩留まりの向上、ひいては、製造コストの低減も可能にする。
例えば、トランジスタの閾値電圧の安定化、スタンバイリークの低減、特性の安定化による動作タイミングのばらつきの低減、等を図ることができる。そして、特性歩留まりの向上、ひいては、製造コストの低減も可能にする。
<3.第3の実施の形態>
本発明の半導体装置の第3の実施の形態の概略平面図を、図6に示す。
本実施の形態は、同一の半導体ウエル領域内に、能動素子と吸熱部である活性領域及びコンタクト層との組を複数組設けた場合である。
本発明の半導体装置の第3の実施の形態の概略平面図を、図6に示す。
本実施の形態は、同一の半導体ウエル領域内に、能動素子と吸熱部である活性領域及びコンタクト層との組を複数組設けた場合である。
図6に示すように、同一のP型半導体ウエル領域3に、能動素子として、ゲート21とN型のソース/ドレイン領域22を有する、N型のMOSトランジスタNMOSが、2個形成されている。2個のN型のMOSトランジスタNMOSは、P型の半導体ウエル領域3の左の部分と右の部分とに離れて配置されている。
そして、それぞれのN型のMOSトランジスタNMOSの左右及び奥側を囲うように、N+活性領域5に接続された第2のコンタクト層12が形成されている。それぞれのN型のMOSトランジスタNMOSの左手前にN型ゲートダミー7Nが形成され、右手前にP型ゲートダミー7Pが形成されている。
そして、それぞれのN型のMOSトランジスタNMOSの左右及び奥側を囲うように、N+活性領域5に接続された第2のコンタクト層12が形成されている。それぞれのN型のMOSトランジスタNMOSの左手前にN型ゲートダミー7Nが形成され、右手前にP型ゲートダミー7Pが形成されている。
左のMOSトランジスタNMOSの右手前のP型ゲートダミー7Pと、右のMOSトランジスタNMOSの左手前のN型ゲートダミー7Nとには、第1のコンタクト層11を介して、第1層の金属配線層13が接続されている。
また、左のMOSトランジスタNMOSの左手前のN型ゲートダミー7Nや右のMOSトランジスタNMOSの右手前のP型ゲートダミー7Pは、図示しない隣の半導体ウエル領域のゲートダミーと、同様に接続されている。
第1層の金属配線層13の中央部の上には、プラグ層14が形成され、その上に金属配線層15が形成されている。さらに上方には、ダミーパッド17が形成されている。
また、左のMOSトランジスタNMOSの左手前のN型ゲートダミー7Nや右のMOSトランジスタNMOSの右手前のP型ゲートダミー7Pは、図示しない隣の半導体ウエル領域のゲートダミーと、同様に接続されている。
第1層の金属配線層13の中央部の上には、プラグ層14が形成され、その上に金属配線層15が形成されている。さらに上方には、ダミーパッド17が形成されている。
その他の構成は、図5に示した第2の実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
図6では、P型半導体ウエル領域3とN型のMOSトランジスタNMOSについて図示しているが、N型半導体ウエル領域においても、P型のMOSトランジスタPMOSと活性領域6及び第2のコンタクト層12との組を複数形成してもよい。
<4.第4の実施の形態>
本発明の半導体装置の第4の実施の形態の概略平面図を、図7に示す。
本実施の形態は、複数個の能動素子に対して、吸熱部を1つ設けた場合である。
本発明の半導体装置の第4の実施の形態の概略平面図を、図7に示す。
本実施の形態は、複数個の能動素子に対して、吸熱部を1つ設けた場合である。
図7に示すように、P型半導体ウエル領域3に、能動素子として、ゲート21とN型のソース/ドレイン領域22を有する、N型のMOSトランジスタNMOSが2個形成されている。2個のN型のMOSトランジスタNMOSは、ソース/ドレイン領域22のうちの一方を共有している。
その他の構成は、図5に示した第2の実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。
図7では、P型半導体ウエル領域3とN型のMOSトランジスタNMOSについて図示しているが、N型半導体ウエル領域においても同様に、複数個のP型のMOSトランジスタPMOSに対して、活性領域6及び第2のコンタクト層12を1個配置してもよい。
この第4の実施の形態では、2個のN型のMOSトランジスタNMOSに対して、共通の1つの冷却機能素子を形成しているので、図6に示した第3の実施の形態と比較して、全体の面積を低減することができる。
図5〜図7に示した平面図では、冷却機能素子の最小単位を示している。
なお、本発明において、能動素子と冷却機能素子との配置は、図5〜図7に示した配置に限定されるものではなく、他の配置も可能である。
例えば、N型の半導体ウエル領域上とP型の半導体ウエル領域上とには関係なく、複数個の冷却機能素子が直列に連結された配置としてもよい。
なお、本発明において、能動素子と冷却機能素子との配置は、図5〜図7に示した配置に限定されるものではなく、他の配置も可能である。
例えば、N型の半導体ウエル領域上とP型の半導体ウエル領域上とには関係なく、複数個の冷却機能素子が直列に連結された配置としてもよい。
冷却機能素子は、必ずしも半導体チップの基板表面に広く分布するように形成する必要はない。必要性に応じて、半導体チップ内に、もしくは、半導体チップ内の回路ブロックに、1個以上の冷却機能素子があればよい。
<5.変形例>
ところで、近年の半導体チップでは、図8A及び図8Bに回路構成図を示すような、パワーゲートと呼ばれる、回路ブロックの電源もしくは接地電位を動的に制御することで消費電力を抑制する機構が備わっている。
図8Aでは、ロジック回路ブロック42に電源41が接続され、ロジック回路ブロック2と接地電位43との間に、パワーゲート44が接続されている。
図8Bでは、ロジック回路ブロック42に接地電位43が接続され、ロジック回路ブロック42と電源41との間にパワーゲート44が接続されている。
ところで、近年の半導体チップでは、図8A及び図8Bに回路構成図を示すような、パワーゲートと呼ばれる、回路ブロックの電源もしくは接地電位を動的に制御することで消費電力を抑制する機構が備わっている。
図8Aでは、ロジック回路ブロック42に電源41が接続され、ロジック回路ブロック2と接地電位43との間に、パワーゲート44が接続されている。
図8Bでは、ロジック回路ブロック42に接地電位43が接続され、ロジック回路ブロック42と電源41との間にパワーゲート44が接続されている。
本発明の半導体装置においては、さらに、パワーゲートを冷却機能素子に接続することにより、チップ冷却に必要な消費電力を抑制することが可能になる。
その場合の構成の一例を、本発明の変形例として、以下に示す。
その場合の構成の一例を、本発明の変形例として、以下に示す。
本発明の半導体装置にパワーゲートを設けた場合の一形態の回路構成図を、図9Aに示す。図9Aに示す形態は、図8Aに示した、ロジック回路ブロック42の接地電位43側にパワーゲート44が接続された構成に、本発明の構成を適用している。
図9Aにおいては、パワーゲート44が接地電位43側に接続されたロジック回路ブロック42と、本発明による冷却機能素子45の回路とで、電源41を共有している。そして、冷却機能素子45の一端を電源41に接続して、冷却機能素子45の他端をパワーゲート44に接続している。これにより、ロジック回路ブロック42の電源供給の動的制御に連動して、冷却機能素子45の電源が制御される。
図9Aにおいては、パワーゲート44が接地電位43側に接続されたロジック回路ブロック42と、本発明による冷却機能素子45の回路とで、電源41を共有している。そして、冷却機能素子45の一端を電源41に接続して、冷却機能素子45の他端をパワーゲート44に接続している。これにより、ロジック回路ブロック42の電源供給の動的制御に連動して、冷却機能素子45の電源が制御される。
また、本発明の半導体装置にパワーゲートを設けた場合の他の形態の回路構成図を、図9Bに示す。図9Bに示す形態は、図8Bに示した、ロジック回路ブロック42の電源41側にパワーゲート44が接続された構成に、本発明の構成を適用している。
図9Bにおいては、ロジック回路ブロック42と本発明による冷却機能素子45の回路とで、接地電位43を共有している。そして、冷却機能素子45の一端をパワーゲート44に接続して、冷却機能素子45の他端を接地電位43に接続している。これにより、ロジック回路ブロック42の接地電位制御と連動して、冷却機能素子45の接地電位が制御される。
図9Bにおいては、ロジック回路ブロック42と本発明による冷却機能素子45の回路とで、接地電位43を共有している。そして、冷却機能素子45の一端をパワーゲート44に接続して、冷却機能素子45の他端を接地電位43に接続している。これにより、ロジック回路ブロック42の接地電位制御と連動して、冷却機能素子45の接地電位が制御される。
上述の各実施の形態では、素子分離層2及び活性領域5,6を、シリコン基板1に形成していた。
本発明では、活性領域やトランジスタのソース/ドレイン領域を形成する半導体層は、シリコン基板に限定されない。
例えば、シリコン基板上のシリコンエピタキシャル層や、他の半導体を使用した半導体基板や半導体エピタキシャル層としてもよい。
また、例えば、絶縁基板上の半導体層としてもよい。
本発明では、活性領域やトランジスタのソース/ドレイン領域を形成する半導体層は、シリコン基板に限定されない。
例えば、シリコン基板上のシリコンエピタキシャル層や、他の半導体を使用した半導体基板や半導体エピタキシャル層としてもよい。
また、例えば、絶縁基板上の半導体層としてもよい。
上述の各実施の形態では、冷却機能素子が形成されているシリコン基板1の他の部分に、能動素子として、MOSトランジスタ(NMOS,PMOS)が形成されている構成としていた。
本発明は、半導体基体に、冷却機能素子とMOSトランジスタ以外の構成の能動素子(ダイオードやバイポーラトランジスタ等)とが形成されている構成としてもよい。
また、本発明は、能動素子がなく受動素子のみが半導体基体に形成されている構成とすることも可能である。この構成でも、冷却機能素子によって、効率的に半導体基体を冷却することができる。
本発明は、半導体基体に、冷却機能素子とMOSトランジスタ以外の構成の能動素子(ダイオードやバイポーラトランジスタ等)とが形成されている構成としてもよい。
また、本発明は、能動素子がなく受動素子のみが半導体基体に形成されている構成とすることも可能である。この構成でも、冷却機能素子によって、効率的に半導体基体を冷却することができる。
冷却機能素子のゲートダミー7N,7Pを形成する場所は、上述した各実施の形態のSTI構造の素子分離層2上に限定されるものではなく、他の場所も可能である。例えば、シリコン基板等の半導体層上に、ゲート絶縁膜を介して、もしくは、素子分離層以外の絶縁層を介して、ゲートダミーを形成することも可能である。
また、STI構造の素子分離層は、シリコン基板等の半導体層に完全に埋め込まれた構成に限らず、素子分離層の一部がシリコン基板等の半導体層の表面よりも上に形成されていてもよい。上述した各実施の形態のように、STI構造の素子分離層2をシリコン基板1等に完全に埋め込んで形成すると、ほぼ平坦な表面上にゲートダミーの半導体層を形成することができるので、この半導体層を良好な膜質で容易に形成できる。
また、STI構造の素子分離層は、シリコン基板等の半導体層に完全に埋め込まれた構成に限らず、素子分離層の一部がシリコン基板等の半導体層の表面よりも上に形成されていてもよい。上述した各実施の形態のように、STI構造の素子分離層2をシリコン基板1等に完全に埋め込んで形成すると、ほぼ平坦な表面上にゲートダミーの半導体層を形成することができるので、この半導体層を良好な膜質で容易に形成できる。
上述の各実施の形態では、MOSトランジスタのゲートとは構成が異なり、ゲートとしては動作しない、ゲートダミー7N,7Pを冷却機能素子に使用していた。
本発明では、ゲートダミーに限らず、例えば、MOSトランジスタのゲートと同様の構成のN型ゲート及びP型ゲートを作製して、このゲートを冷却機能素子に使用することも可能である。
本発明では、ゲートダミーに限らず、例えば、MOSトランジスタのゲートと同様の構成のN型ゲート及びP型ゲートを作製して、このゲートを冷却機能素子に使用することも可能である。
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
1 シリコン基板、2 素子分離層、3 P型半導体ウエル領域、4 N型半導体ウエル領域、5 N+活性領域、6 P+活性領域、7N N型ゲートダミー、7P P型ゲートダミー、8 サイドウォール、9 シリサイド、10 シリサイドブロック、11 第1のコンタクト層、12 第2のコンタクト層、13 第1層の金属配線層、14 プラグ層、15 金属配線層、16 コンタクト層、17 パッドダミー、18 熱伝導材、19 ヒートシンク、21 ゲート、22,23 ソース/ドレイン領域、31 ポリシリコン膜、41 電源、42 ロジック回路ブロック、43 接地電位、44 パワーゲート、45 冷却機能素子、NMOS N型のMOSトランジスタ、PMOS P型のMOSトランジスタ
Claims (15)
- 不純物領域から成り、半導体層の表面に形成された活性領域と、
N型の不純物を有する半導体から成るN型ゲートと、
P型の不純物を有する半導体から成るP型ゲートと、
前記N型ゲート及び前記P型ゲート及び前記活性領域に接続された第1の金属配線と、
前記P型ゲート及び前記N型ゲートに接続された第2の金属配線と、
前記第2の金属配線に接続され、熱を外部に放出するための放熱部とを含む冷却機構素子を備えた
半導体装置。 - 前記放熱部は、前記第2の金属配線に熱的に接続され、ボンディング用パッドと同じ金属層をさらに含む、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記放熱部は、前記金属層に熱的に接続された、ヒートシンクをさらに含む、請求項2に記載の半導体装置。
- 複数個の前記N型ゲート及び前記P型ゲートが交互に電気的に接続されている、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記冷却機構素子と、能動素子とが、同一の前記半導体層に形成されている、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記半導体層に形成され、前記能動素子を構成する第2の不純物領域と、前記第2の不純物領域に電気的に接続されたコンタクト層とをさらに含み、前記第1の金属配線及び前記第2の金属配線は、前記コンタクト層と同一層の金属層を含む、請求項5に記載の半導体装置。
- 前記能動素子と、前記冷却機構素子の前記活性領域とが、前記半導体層の同一の半導体ウエル領域内に形成されている、請求項5に記載の半導体装置。
- 前記半導体層、前記N型ゲート、前記P型ゲートがシリコンで形成され、
前記N型ゲート及び前記P型ゲートの表面の一部に形成された、絶縁体から成るシリサイドブロックと、
前記N型ゲート及び前記P型ゲートの表面の前記シリサイドブロックにより分離された2つの部分、並びに、前記活性領域の表面に、それぞれ形成された、金属元素とシリコンから成るシリサイドと、
前記2つの部分の一方の部分及び前記活性領域の表面の前記シリサイドに接続された、前記第1の金属配線と、
前記2つの部分の他方の部分の前記シリサイドに接続された、前記第2の金属配線とをさらに含む、請求項1に記載の半導体装置。 - 回路ブロックの電源又は接地電位と、前記冷却機構素子の電源又は接地電位とが、共通に接続されており、共通に接続された前記電源又は前記接地電位を動的に制御する制御回路をさらに含む、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記N型ゲート及び前記P型ゲートは、それぞれ前記半導体層に形成された素子分離層上に形成されている、請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体層上に、ゲートとなる半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜の一部にN型の不純物を注入し、前記半導体膜の他の一部にP型の不純物を注入する工程と、
前記半導体膜をパターニングして、N型ゲートとP型ゲートをそれぞれ形成する工程と、
前記半導体層の表面に、不純物領域から成る活性領域を形成する工程と、
前記N型ゲート及び前記P型ゲート及び前記活性領域に接続して第1の金属配線を形成し、前記P型ゲート及び前記N型ゲートに接続して第2の金属配線を形成する工程と、
前記第2の金属配線に接続して、熱を外部に放出するための放熱部を形成する工程とを含む
半導体装置の製造方法。 - 前記半導体膜をパターニングして、前記N型ゲートと前記P型ゲートをそれぞれ形成する工程を、前記半導体層上にトランジスタのゲートを形成する工程と同時に行う、請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記活性領域を形成する工程と、前記半導体層に能動素子を構成する第2の不純物領域を形成する工程とを行った後に、前記第2の不純物領域に電気的に接続してコンタクト層を形成すると同時に、前記第1の金属配線及び第2の金属配線を構成する、前記コンタクト層と同一層の金属層を形成する工程を行う、請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体層、前記N型ゲート、前記P型ゲートを、シリコンで形成し、
前記活性領域を形成する工程の後に、前記N型ゲート及び前記P型ゲートの表面の一部に、絶縁体によってシリサイドブロックを形成する工程と、前記N型ゲート及び前記P型ゲートの表面の前記シリサイドブロックにより分離された2つの部分、並びに、前記活性領域の表面に、金属元素とシリコンから成るシリサイドを形成する工程とをさらに含み、
前記2つの部分の一方の部分及び前記活性領域の表面の前記シリサイドに接続して、前記第1の金属配線を形成し、前記2つの部分の他方の部分の前記シリサイドに接続して、前記第2の金属配線を形成する
請求項11に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記N型ゲート及び前記P型ゲートを、それぞれ前記半導体層に形成された素子分離層上に形成する請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
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