JP2012533887A - 背面放熱を伴う絶縁体上半導体 - Google Patents

背面放熱を伴う絶縁体上半導体 Download PDF

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    • H01L2224/16227—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the bump connector connecting to a bond pad of the item
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    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/83801—Soldering or alloying
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    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
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    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
    • H01L2224/921—Connecting a surface with connectors of different types
    • H01L2224/9212—Sequential connecting processes
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    • H01L2224/92—Specific sequence of method steps
    • H01L2224/921—Connecting a surface with connectors of different types
    • H01L2224/9212—Sequential connecting processes
    • H01L2224/92142—Sequential connecting processes the first connecting process involving a layer connector
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    • H01L2224/93—Batch processes
    • H01L2224/94—Batch processes at wafer-level, i.e. with connecting carried out on a wafer comprising a plurality of undiced individual devices
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/03—Manufacturing methods
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L24/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/07—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas after the connecting process
    • H01L24/08—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas after the connecting process of an individual bonding area
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Abstract

本発明の実施形態は、絶縁体上半導体（ＳＯＩ）構造からの熱の放散を提供する。一実施形態では、集積回路を製造する方法が開示される。第１のステップでは、アクティブ回路が、ＳＯＩウエハのアクティブ層内に形成される。第２のステップでは、基板材料が、ＳＯＩウエハの背面上に配置された基板層から除去される。第３のステップでは、絶縁材料が、ＳＯＩウエハの背面から除去されて掘られた絶縁体領域を形成する。第４のステップでは、放熱層が、前記掘られた絶縁層上に堆積される。放熱層は、熱的に伝導性があり、かつ電気的に絶縁する。

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、２００９年７月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／２２５，９１４号の利益を主張する。米国仮特許出願第６１／２２５，９１４号の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
記述される本発明は、一般に、絶縁体上半導体デバイスおよび処理に関し、より詳細には絶縁体上半導体デバイスにおける放熱に関する。
絶縁体上半導体（ＳＯＩ）技術は、１９９０年代後半に初めて商品化された。ＳＯＩ技術を定義付ける特徴は、回路が形成される半導体領域が電気絶縁層によりバルク基板から分離されていることである。この絶縁層は、通常二酸化ケイ素である。二酸化ケイ素が選択される理由は、二酸化ケイ素はウエハを酸化することによりシリコンウエハ上に形成することができ、したがって効率的な製造に適しているからである。ＳＯＩ技術の有利な態様は、アクティブ層をバルク基板から電気的に絶縁する絶縁層の能力に直接由来する。本明細書および添付の特許請求の範囲に使用される場合、信号処理回路がＳＯＩ構造上に形成された領域は、ＳＯＩ構造のアクティブ層と呼ばれる。
ＳＯＩ技術は、ＳＯＩ構造内のアクティブデバイスを絶縁する絶縁層の導入により、それらの電気特性を向上させるので、従来のバルク基板技術を超える改良を表す。たとえば、トランジスタの閾値電圧は望ましくは均一であり、トランジスタゲート下部の半導体材料の特性によって大部分が設定される。材料のこの領域が絶縁されている場合、さらなる処理がこの領域に影響を及ぼしてデバイスの閾値電圧を変える可能性は少ない。ＳＯＩ構造の使用に由来するさらなる電気特性の向上には、デバイスがスイッチとして作用する場合、短チャネル効果が少なくなり、より高速に対する静電容量が減少し、挿入損失が低下することが含まれる。さらに絶縁層は、有害な放射線からのアクティブデバイスへの影響を低減させるように作用することができる。これは、地球大気外の有害な電離放射線が蔓延していると想定される空間で使用される集積回路にとってとりわけ重要である。
ＳＯＩウエハ１００が図１に示される。ウエハは、基板層１０１、絶縁層１０２、およびアクティブ層１０３を含む。基板は、通常シリコンなどの半導体材料である。絶縁層１０２は、基板層１０１の酸化を通じて形成される二酸化ケイ素であることが多い誘電体である。アクティブ層１０３は、ドーパント、誘電体、ポリシリコン、金属層、不動態化、および回路１０４がその中に形成された後に存在する他の層との組合せを含む。回路１０４は、金属配線と、抵抗器、コンデンサ、およびインダクタなどのパッシブデバイスと、トランジスタなどのアクティブデバイスとを含んでもよい。本明細書および添付の特許請求の範囲に使用される場合、ＳＯＩウエハ１００の「上部」は、上面１０５を参照する一方で、ＳＯＩウエハ１００の「底部」は底面１０６を参照する。この配向構想は、他の基準枠へのＳＯＩウエハ１００の相対配向、およびＳＯＩウエハ１００からの層の除去、またはＳＯＩウエハ１００への層の追加に関わらず持続する。したがって、アクティブ層１０３は常に絶縁層１０２の「上方」にある。さらに、アクティブ層１０３の中央から発し底面１０６に向かって延在するベクトルは、他の基準枠へのＳＯＩウエハ１００の相対配向、およびＳＯＩウエハ１００からの層の除去、またはＳＯＩウエハ１００への層の追加に関わらず、ＳＯＩ構造の「背面」方向を常に指す。
ＳＯＩデバイスは、上述のようにそれらのアクティブデバイスの電気特性を高め、保持する能力が植えつけられている。しかし、絶縁層の導入によって、放熱するデバイスの能力に関して著しい問題が引き起こされる。集積回路におけるデバイスの小型化が増えることに起因して、より多くの熱を発生するデバイスがさらにより小さい面積に圧縮されなければならない。現代の集積回路では、回路１０４の発熱密度が極端になる可能性がある。絶縁層１０２の熱伝導率は、概して標準のバルク基板の熱伝導率よりかなり低いので、絶縁層１０２の導入によってこの問題が悪化する。先に述べたように、二酸化ケイ素は現代のＳＯＩ技術において遍在する絶縁層である。ケルビン温度（Ｋ）３００度で、二酸化ケイ素は約１．４ワット毎メートル毎ケルビン（Ｗ／ｍ*Ｋ）の熱伝導率を有する。バルクシリコン基板は同じ温度で、約１３０Ｗ／ｍ*Ｋの熱伝導率を有する。ＳＯＩ技術によって示される放熱性能のほぼ１００倍の減少は、非常に問題である。集積回路の高レベルの熱は、そのデバイスの電気特性を予期される範囲外に変化させて致命的な設計欠陥を引き起こす可能性がある。未確認のままにすると、デバイス内の過度の熱によってデバイスの回路内で材料が曲がった形または溶けた形で永久かつ致命的な故障を引き起こす可能性がある。
ＳＯＩデバイスにおける放熱の問題は、様々な解決策を使用した手法がとられてきた。１つの手法は、熱チャネリングピラーを絶縁層１０２からアクティブ層１０３を貫通して堆積することを含む。場合によっては、これらの熱チャネリングピラーは、金属が概して二酸化ケイ素に比べて非常に高度の伝導率を有するので、金属で形成される。一部の手法では、これらのピラーは、これらのピラーが回路の電気性能を妨げない一方で、同時に絶縁層１０２から立ち上がり、かつ絶縁層１０２から離れるように熱経路を提供するように、ポリシリコンで形成される。他の手法では、孔が絶縁層１０２を貫通し、熱チャネリングピラーが孔内に堆積される。この構成の結果は、放熱チャネルをアクティブ層１０３から絶縁層１０２内の孔を通って基板１０１に提供することである。次にこの熱は、基板１０１を通って放散される。
ＳＯＩデバイスにおける放熱の問題への別の手法は、背面からウエハ上で作動することを含む。図１Ｂは、ＳＯＩウエハ１００を、ハンドル基板１０８から成るハンドルウエハ１０７およびハンドル絶縁層１０９に接合可能にする方法を示す。これは一般的なタイプのハンドルだが、絶縁層１０９は、特定の現代の工程で使用される半導体材料を含むハンドルウエハとしての絶縁材料、または絶縁層１０９の代わりの伝導材料である必要はない。ハンドルウエハに接合後、得られる構造は、次いで図１Ｂに示された構造と上下が逆になる可能性がある。この手法の下では、次いで基板１０１および絶縁層１０２は、ＳＯＩウエハ１００の背部から選択的に除去される。基板１０１の除去および絶縁層１０２の選択的除去に次いで、金属の層１１０は、エッチングされた領域に堆積されて絶縁層１０２を通したより多くの熱伝導が可能になる。この金属は、集積回路が動作可能であると、アクティブ層１０３内のデバイスに対して接地線または情報信号線として二次的に使用されることが多い。得られる構造は、背面放熱のないＳＯＩ構造の放熱より優れた放熱機能を示すが、絶縁層がアクティブ基板の下部から直接除去されることは、アクティブデバイスの電気特性を保持し高めることができるＳＯＩ構造の能力に関してその利点を減少させる。
本発明の一実施形態では、放熱層を有する集積回路が開示される。集積回路は、放熱層、放熱層の上方に位置するアクティブ層、およびアクティブ層の上方に位置するハンドル絶縁層を備える。放熱層は、高い熱伝導率を有し、かつ電気的に絶縁する。
本発明の別の実施形態では、絶縁体上半導体デバイスから放熱する方法が開示される。第１のステップでは、熱は、絶縁層の上面を横方向に横切るアクティブ層を通ってチャネリングされる。第２のステップでは、熱は、アクティブ層から放熱層を通って放散される。アクティブ層は、放熱層上に配置される。さらに、絶縁層がアクティブ層上に配置され、絶縁層は放熱層と少なくとも部分的に垂直に同じ広がりをもち、また絶縁層は掘られた絶縁体領域を備える。また、放熱層は高い熱伝導率を有し、かつ電気的に絶縁し、前記放熱層は前記掘られた絶縁体領域に配置される。
本発明の別の実施形態では、集積回路を製造する方法が開示される。１つのステップでは、アクティブ回路は、絶縁体上半導体ウエハのアクティブ層内に形成される。別のステップでは、基板材料は、絶縁体上半導体ウエハの背面上に配置された基板層から除去される。別のステップでは、絶縁材料は、前記絶縁体上半導体ウエハの背面から除去されて、掘られた絶縁体領域を形成する。別のステップでは、放熱層は、掘られた絶縁体領域上に配置される。放熱層は電気的に絶縁する。
先行技術に従う、ＳＯＩ構造における放熱のための処理および装置のブロック図である。 先行技術に従う、ＳＯＩ構造における放熱のための処理および装置のブロック図である。 本発明に従う、放熱層を有するＳＯＩ構造のブロック図である。 本発明に従う、放熱層およびパターン化した絶縁層を有するＳＯＩ構造のブロック図である。 放熱層、パターン化した絶縁層、および背面金属接触を有するＳＯＩ構造のブロック図である。 本発明に従う、取り付けられた背面放熱ハンドルウエハを有するＳＯＩ構造のブロック図である。 本発明に従う、取り付けられた背面放熱ハンドルウエハ、およびパターン化した絶縁層を有するＳＯＩ構造のブロック図である。 本発明に従う、放熱層を有する集積回路を製造する方法の工程流れ図である。 本発明に従う、仮ハンドルウエハを使用する放熱層を有する集積回路を製造する方法の工程流れ図である。 本発明に従う、パターン化した歪層を有するＳＯＩ構造のブロック図である。 本発明に従う、使用可能な様々な歪層パターンのブロック図である。 本発明に従う、パターン化した絶縁層および起歪層を有するＳＯＩ構造のブロック図である。 本発明に従う、起歪層を有する集積回路を製造する方法の工程流れ図である。
ここで、添付の図面に１つまたは複数の例を図示する、開示された本発明の実施形態を詳細に参照する。各例は、本技術の限定としてではなく、本技術の説明の手段として提供されたものである。事実、修正形態および変形形態を、その精神および範囲を逸脱することなく本技術に対して行うことができることは当業者には明白であろう。たとえば、一実施形態の一部として示された、または説明された特徴は、さらに別の実施形態を得るために別の実施形態と共に使用されてもよい。したがって、本発明の主題は、添付の特許請求の範囲およびそれらの同等物の範囲内として、かかる修正形態および変形形態を網羅することが意図されている。
本発明の実施形態は、放熱性能が改善された一方で、ＳＯＩ構造を伴う有利な電気的なデバイス特性を保持するＳＯＩデバイスの製造を提供する。さらに、上述の利点をもつデバイスを、半導体産業で最も多く使用される製造工程をほとんど修正せずに本発明に従って製造することができる。これは、新規の半導体のソリューションが直面する可能性がある、ほとんどの場合避けることができない固定した製造費用投資の必要を回避する、既存の製造工程に対する互換性を考慮すると大きな利点である。本発明の実施形態は、背面処理の利用、ＳＯＩの埋められた絶縁層の部分的な除去、および様々な構成の放熱層のＳＯＩ構造の背面上への堆積を通じてこの成果を到達する。
本発明に従うＳＯＩ構造は、図２を参照して説明することができる。図２に示されるように、アクティブ層１０３はハンドルウエハ１０７上に配置される。上述の規則に従って、ハンドルウエハ１０７はアクティブ層１０３の上方にある。さらに、アクティブ層１０３は放熱層２００の上方にある。放熱層２００は熱的に伝導性であり、かつ電気的に絶縁する。放熱層２００を形成するのに使用される可能性がある材料には、ダイアモンド、ダイアモンド状炭素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、窒化ベリリウム、グラフェン、およびカーボンナノチューブのようなある種の炭素形成物が含まれる。
電気的に絶縁し、かつ熱的に伝導性である放熱層２００の材料を選択することは、ＳＯＩ技術によって提供される有利な電気特性を保持する一方で、二酸化ケイ素の絶縁層を使用する従来のＳＯＩデバイスが直面する放熱の問題を大幅に減少させる。一例として、純粋合成ダイアモンドの３００Ｋにおける熱伝導率は約３，３００Ｗ／ｍ*Ｋであり、酸化ベリリウムの熱伝導率は約２６０Ｗ／ｍ*Ｋである。これは、１．４Ｗ／ｍ*Ｋの熱伝導率を有する従来のＳＯＩ構造（上で説明した）における非熱伝導性の二酸化ケイ素層との比較である。本発明および添付の特許請求の範囲に使用される場合、材料の層は、その熱伝導率が５０Ｗ／ｍ*Ｋを超える場合、高い熱伝導率を有する。ダイアモンドおよび酸化ベリリウムのどちらも、従来のＳＯＩ構造に対して１００倍を超える改善された放熱性能を提供する。本発明の特定の実施形態では、絶縁層１０２は少なくとも部分的に除去され、別の非常に薄い絶縁層が、熱伝導性材料の層が堆積される前に堆積されて、熱伝導性の層２００を形成する。絶縁層が著しく薄いと、構造の能力が高められて、熱をアクティブ層１０３から熱伝導材料層に放散する。たとえば、堆積された絶縁層は、元の絶縁層と同じ材料の薄い層を含むことができる。熱的に伝導性で、かつ電気的に非伝導性の材料の利点は、従来のＳＯＩ構造の放熱特性が乏しいことによって制限されることなく、アクティブ層１０３内のアクティブデバイスの電気特性を保持することによって実現される。
図２に表示された構造は、背面処理を使用して生成される。ＳＯＩ構造は、通常のＳＯＩ処理方法とは対照的に、背面から操作されるので、放熱層２００のために使用される材料を、安定性をアクティブ層１０３に提供する能力、またはアクティブ層１０３に回路を生成するための適切な基板として作用する能力のために選択する必要がない。この理由は、元の絶縁層（絶縁層１０２）が基層として働く一方で、回路が生成され、ハンドルウエハ１０７は、背面処理中に支援を提供するからである。絶縁層１０２の除去は、絶縁層１０２および基板１０１がアクティブ層１０３に機械的支持を提供するので、通常は望ましくないはずである。これらの層が定位置にない状態でアクティブ層１０３をさらに処理すると、回路１０４に対して恐らく致命的となる可能性があることになる。しかし、ハンドルウエハ１０７をこの段階で追加することによって、集積回路の追加処理が可能になる。この背面処理のために使用する方法は、以下により詳細に説明される。
背面処理の別の有利な態様は、放熱層２００の追加が半導体処理の後の段階で可能になり、これによって、そうでないと適用できない放熱層２００用の材料の使用が可能になることである。従来の手法とは対照的に、背面処理によってアクティブ層１０３の半導体処理の完了後に放熱層２００の追加が可能になる。半導体生産工程の特定の段階は、１０００℃を超える温度を必要とする。ある種の材料はこのような温度に耐えることができず、したがって概して放熱層２００の代わりに熱拡散層として使用することは不適当だと考えられている。しかし、背面処理の使用によって放熱層２００に対するより脆弱な材料の使用が可能になる。
本発明に従う集積回路は、図３を参照して説明することができる。図３では、アクティブ層１０３は、ＳＯＩデバイスでは一般的であるように、絶縁層１０２上に配置される。しかし、絶縁層１０２は、掘られた絶縁体領域３００によって画定されたパターンを形成するために一部が掘られてきた。掘られた絶縁体領域は連続的である必要はなく、むしろ絶縁層１０２は様々な方法でパターン化してアクティブ層１０３の異なる部分を露出することができる。図３では、放熱層２００は、掘られた絶縁体領域３００内を含む、集積回路の背面全体に塗布されている。本発明の特定の実施形態では、放熱層２００は掘られた絶縁体領域３００内のみに配置される。本発明の特定の実施形態では、放熱層２００は、パターン化され、かつ掘られた絶縁体領域３００の一部のみに配置される。図３では、掘られた絶縁体領域３００は、掘られた絶縁体領域内の全絶縁材料を完全に除去して示されている。しかし、本発明の特定の実施形態では、掘られた絶縁体領域３００は、残留の薄い絶縁層から成ってもよい。絶縁層の最初の厚さは、一般的に１００ナノメートル（ｎｍ）から１０００ｎｍの範囲である。薄い絶縁層は、５ｎｍから１００ｎｍの範囲とすることができる。しかし、いかなる程度の薄くすることも、結果的に薄い絶縁層をもたらすことになる。これは従来の方法を使用して達成させることは困難である可能性があるが、約１ｎｍ程度の単層の残余の絶縁層は十分である。いかなる程度の薄くすることも、放熱能力に関して最初の構造と比べて改善を構成することになる。図３に示された構造は、熱がアクティブ層１０３を横方向に通って流れ、次いで絶縁体が薄くなっている、または除去されている放熱層２００を通り貫けて放散されることが可能であるとき、アクティブ層１０３内の絶縁デバイスによって提供される向上した電気特性の利点を保持する場合がある一方で、同時に高められた放熱を提供する場合がある。
絶縁層１０２の除去の利点および欠点は、掘られた絶縁体領域３００の特定のパターンの形成によって釣り合う場合がある。たとえば、掘られた絶縁体領域３００は、アクティブ層１０３内の金属配線の最も低い層と同じ広がりをなす場合がある。図３に示されるように、掘られた絶縁体領域３００は、最も低い金属層３０１と横方向に同じ広がりをもつ。本発明の特定の実施形態では、掘られた絶縁体領域３００は、最も低い金属層３０１の特定の部分を露出する。本発明の特定の実施形態では、掘られた絶縁体領域３００は、最も低い金属層３０１のすべてを露出する。本発明の特定の実施形態では、最も低い金属層３０１は、アクティブ層１０３内に形成された回路に対する配線の最も低い層である。この構造は、金属線が絶縁体上に配置されていない場合は、金属線は概して変化した電気特性から悪影響を受けない釣合いの観点から高度に有利である。さらに、金属は熱伝導率が高く、金属配線は通常アクティブデバイスと連携してこれらの金属線を放熱のために高効率のチャネルにする。アクティブ層１０３内で生成される熱の大部分は、アクティブデバイスによって生成されるが、熱はこれらのアクティブデバイスから金属線に、次いでＳＯＩ構造の背部を通り貫けて放熱層２００を通って放散する。この手法は、金属線を通して熱をＳＯＩ構造の頂部の上から出して経路付けるのに概して優れているのは、現代の回路が多数の金属層を有して背面経路をより直接的な出口チャネルにするためである。
本発明に従う別の絶縁体上半導体構造は、図４を参照して説明することができる。図４に示された集積回路を使用して、有利な放熱能力をＳＯＩ構造に提供する掘られた絶縁体領域３００に対するパターンの追加の組を説明することができる。図４では、トランジスタゲート４０１を有するトランジスタのチャネル領域４００は、絶縁層１０２の横方向範囲内にある。しかし、掘られた絶縁体領域３００は、掘られた絶縁体領域３００がトランジスタドレーン４０２およびトランジスタソース４０３と横方向にともに広がりをもつ場合、トランジスタドレーン４０２およびトランジスタソース４０３を露出する。放熱層２００は、トランジスタドレーン４０２およびトランジスタソース４０３を露出する掘られた絶縁体領域３００の部分に配置される。金属接点４０４は、掘られた絶縁体領域３００の別の部分に配置される。本発明の特定の実施形態では、金属接触４０４は、電気的に活性ではないが、代わりに放熱経路を提供するために存在する。本発明の特定の実施形態では、金属接触４０４は、アクティブ層１０３内の回路に対して電気接点として機能することができる。たとえば、金属接点４０４は、情報信号を別のシステムによって使用するためにアクティブ層１０３内で回路外に運ぶための信号線とすることができる可能性がある。別の例では、金属接点４０４は、アクティブ層１０３内の回路に対して接地線または電力線とすることができる可能性がある。本発明の特定の実施形態では、バンプ金属処理は、金属接点４０４がＳＯＩ構造に対するバンプ金属コネクタであるように、バンプ金属接点を図４に表示されたＳＯＩ構造上に堆積する。金属接点４０４が電気的に活性でない上述の実施形態では、金属接点４０４は金属である必要はなく、代わりに良好な熱伝導率を有するあらゆる材料とすることができる。本発明の特定の実施形態では、これらの金属接点は金属ピラー接点である。金属ピラー接点は、金または銅からなることが可能である。これらの材料はハンダに比べてはるかに良好な熱伝導率なので、これらの金属はハンダバンプに比べて有利に機能することになる。本発明の特定の実施形態では、金属接点４０４は、回路基板に取り付けることができる。本発明の特定の実施形態では、金属接点は、低温共通焼成セラミック基板、モジュール基板、集積回路、バンプ金属、金バンプ金属、銅ピラー、金ピラー、および任意の金属連結部に取り付け可能にすることができる。
本発明の特定の実施形態では、掘られた絶縁体領域３００は、アクティブ層１０３内のアクティブデバイスの部分と横方向にともに広がりをもつ。図４に示されるように、これらの実施形態は、トランジスタドレーン４０２およびトランジスタソース４０３の露出を含む可能性がある一方で、絶縁層１０２によって包囲されたトランジスタチャネル４００を保持する可能性がある。このような実施形態は、絶縁されたチャネル領域を有する一方で、非常に近接した放熱チャネルが可能になる有利な態様を示すことになる。チャネル４００は絶縁層１０２によって包囲され続けるので、トランジスタの電気特性は保持される。トランジスタは、漏れ電流および基板容量がより少ないだけでなく、閾値電圧がより多く制御されることを示す。また、トランジスタのソースおよびドレーンがトランジスタチャネルに直接隣接するので、放熱層２００にまさに直接的なチャネルが存在する。本発明の他の特定の実施形態では、掘られた絶縁体領域３００は、ＳＯＩ構造内のアクティブデバイスの一部のみを露出する。本発明の他の特定の実施形態では、掘られた絶縁体領域３００は、ＳＯＩ構造の個々のアクティブデバイス領域の他の部分を露出する。
本発明の特定の実施形態では、金属接触４０４は、掘られた絶縁体領域３００の第１の部分に配置される。さらに、放熱層２００は、前記掘られた絶縁体領域３００の第２の部分に配置され、また金属接点４０４の一面上に配置される。このような構成は、図４において見ることができる。熱は、アクティブ層１０３から金属接点４０４を通って直接放散されることが可能になる。さらに、熱は、放熱層２００を通って次に金属接点４０４を通って横方向に流れることができることになる。図４は、この実施形態を、掘られた酸化物領域３００がアクティブ層１０３の領域と一致してパターン化された一実施形態と組み合わせて表示されているが、これらの実施形態は独立して機能することができる。
アクティブ層１０３の部分との、放熱層２００の位置合わせされ、パターン化するために、掘られた絶縁体領域３００の使用に関して上述したあらゆる実施形態は、独立してもまたは組み合わせても使用し得る。さらに、掘られた絶縁体領域３００を形成するために絶縁材料を除去するパターンは、放熱層２００のパターン化した堆積と組み合わせることが可能である。たとえば、放熱層２００は、ＳＯＩ構造の背面全体に配置される可能性があり、掘られた絶縁体領域３００のみに配置される可能性があり、または掘られた絶縁体領域３００の一部に配置される可能性がある。放熱層２００をパターン化する方法を以下に論じる。
掘られた絶縁体領域３００がパターン化されているか、またはさらに放熱層２００がパターン化されているかのいずれかの本発明の実施形態は、有利な特性を示す。放熱層２００は電気的に絶縁するが、元の絶縁材料が特定の領域に残されたことから生じる若干の利点がある。たとえば、放熱層２００は、元の酸化物より電気的に絶縁が少ない材料を含むことが可能である。その材料は、費用を最小化し、その電気的な絶縁性能を犠牲にして熱伝導率を最大化するように選択できる可能性がある。電気伝導性が重要であったアクティブ層１０３の一部では、元の絶縁体は残される可能性があり、掘られた絶縁体領域３００は他の場所に位置される可能性がある。このようにして、パターン化することによって、放熱層２００に対して最適な材料を選択する際の別の自由度が可能になる。
掘られた絶縁体領域３００をパターン化することは、アクティブ層１０３内で界面状態の生成を制限できるという別の利点を提供する。放熱層２００が良好な電気絶縁体であっても、元の絶縁体の除去によって、放熱層２００が塗布されると再接合されないダングリングボンドの生成を引き起こすので、元の絶縁体は概してアクティブ層１０３とより良い物理的接触をすることになる。これは、アクティブ層１０３の回路に問題を生じる可能性がある界面状態の生成を引き起こす。掘られた絶縁体領域３００をパターン化することは、元の絶縁体がアクティブ層１０３のキー領域と接触したままでいられることが可能になることによって、これらのキー領域にこれらの界面状態の生成を有利に制限することができる。
本発明に従う別のＳＯＩ構造は、図５を参照して説明することができる。前述の規則により、図５はハンドルウエハ１０７の下方のアクティブ層１０３を示す。本発明の他の実施形態を参照して説明したように、絶縁層１０２および基板１０１は、アクティブ層１０３の底部から背面処理を介して除去されている。本発明の特定の実施形態では、ハンドルウエハ１０７は仮接合を介してアクティブ層１０３に接合される。このことは、接合が半導体処理の後の段階の間に容易に外れる可能性があることを意味する。本発明の特定の実施形態では、永久的な第２ハンドルウエハ（永久的なハンドル放熱層５００および永久的なハンドル基板層５０１として示されている）は、背面処理中、アクティブ層１０３に直接接合される。本発明の特定の実施形態では、永久ハンドル基板層５０１は、永久ハンドル放熱層５００と同じ材料からなる。この構造によって、放熱機能のレベルを前述の実施形態の放熱機能のレベルに釣り合わせることが可能になるが、従来の技法を使用して、上面をアクティブ層１０３内の回路へ有利に接合することも可能になる。ハンドルウエハ１０７は仮接合を介して接合されるので、それが背面処理中に提供した支持がもはや必要なくなった後に除去することができる。その後、アクティブ層１０３は、上面接合および様々な他の適用を可能にするように、上面を露出させることになる。
本発明に従う別のＳＯＩ構造は、図６を参照して説明することができる。図６は、パターン化した絶縁層の態様を、図５を参照して記載された背面永久ハンドルと組み合わせて本発明の特定の実施形態を示す。本発明の特定の実施形態では、永久ハンドル基板層５０１および永久ハンドル放熱層５００は、放熱層２００が塗布された後、ＳＯＩ構造の背面に配置される。本発明の特定の実施形態では、永久ハンドル放熱層５００に対して使用される材料は、放熱層２００に対して使用される材料と同じであってもよい。放熱層２００および５００は、スパッタリングまたは何らかの他の方法を通して塗布される。先に記載されたように、放熱層２００は、絶縁層１０２をパターン化することによって形成された掘られた酸化物領域に配置される。図６に示された特定の実施形態は、先に記載された本発明の特定の実施形態に沿って最も低い金属層３０１を露出するようにパターン化された絶縁層１０２を表示する。実際、上述の、パターン化され、かつ放熱する層の変形のすべては、有利な放熱および電気特性を有する本発明のさらなる実施形態を作り出すために、図５を参照して記載された永久ハンドルの概念と組み合わせることができる。これらの実施形態は、アクティブ層１０３の回路と正面接合可能のさらなる有利な特性を有することになる。
本発明に従う集積回路を生産する方法は、図７を参照して説明できる。本発明の特定の実施形態では、集積回路を生産する方法は、処理のためのＳＯＩウエハの準備のステップ７００から始まる。このステップは、ＳＩＭＯＸまたは注入法および切除法を使用して生成される、二酸化ケイ素絶縁体の上方の活性シリコンの層からなるＳＯＩウエハの実際の生成を含むことが可能である。このステップはまた、作成済みのＳＯＩの購入およびさらなる処理のための準備を含む可能性がある。
本発明の特定の実施形態では、ステップ７００におけるＳＯＩウエハの準備の次に、アクティブ回路をＳＯＩウエハのアクティブ層に形成するステップ７０１が続く。このステップ中にこの層内に形成される回路としては、ＣＭＯＳ、ＢｉＣＭＯＳ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、およびＧａＮなどの技術を挙げることができるが、これに限定されない。この回路は、ダイオードおよびトランジスタなどの様々なアクティブデバイス、抵抗器、コンデンサ、およびインダクタなどの様々なパッシブデバイス、ならびに金属線およびビアなどの経路指定回路を含むことが可能である。様々なフォトリソグラフィおよび化学析出ステップは、この回路を策定するために行うことができる。
本発明の特定の実施形態では、ステップ７０１におけるアクティブ回路の形成の次に、ＳＯＩウエハの背面処理が続く。本発明の特定の実施形態では、背面処理は、ステップ７０２における第２のハンドルウエハのアクティブ層の上方のＳＯＩウエハへの取付けまたは永久接合から始まる。ハンドルウエハに永久接合を誘発するために使用される処理は、永久的な有機接着剤または無機接着剤、酸化物ガラス接合、ガルバニック接合、分子融合接合、あらゆる形態の電磁接合、および永久ウエハ接合を生成する他の公知の方法を含む。
ＳＯＩ構造へのハンドルウエハの永久接合に続いて、ＳＯＩウエハ基板はステップ７０３で除去されることが可能である。基板は、機械的手段および化学的手段を独立してまたは組み合わせて使用して除去される可能性がある。たとえば、機械的研磨を使用して、基板材料を元の厚さの約８００マイクロメータ（μｍ）から約２０μｍに薄くすることが可能である。基板がシリコンの場合は、基板材料の最終的な厚さは、ＫＯＨまたはＴＭＡＨなどのウェットエッチで除去されてもよい。基板材料の最終的な厚さはまた、ドライプラズマエッチを使用して除去されてもよい。基板は、高精度またはエッチング速度比で除去されることが可能である。エッチング速度比は、ウエハの背部から除去された望ましい基板材料の速度の、除去されるべきでなかった除去された追加の材料の速度に対する割合を指す。本発明の特定の実施形態では、絶縁層は、エッチング速度比が埋められた酸化物まで基板すべてを除去するほど著しく高いので、エッチング停止として作用する埋められた酸化物である。
本発明の特定の実施形態では、ステップ７０３におけるＳＯＩ基板の除去の次に、先に記載された構造のいずれかを形成可能な、さらなる背面処理が続く。本発明の特定の実施形態では、ＳＯＩ基板の除去の次に、ステップ７０４における掘られた絶縁体領域を形成するためのＳＯＩ絶縁層の除去が続く。先に記載されたように、絶縁層は、一緒に除去されてもよく、単に全体的に薄くされて元の厚さより薄いままにされてもよく、または掘られた絶縁層が前述のいくつかのパターンのいずれかを形成するような方法で除去されてもよい。これらのパターンは、標準のフォトリソグラフィ技法または選択的な化学蒸着を使用して形成されることが可能である。絶縁層を薄くすることは、アクティブ層の損傷を回避するために注意深くなされなければならない。約１ｎｍ程度の絶縁材料の単層のみが必要とされるが、薄くすることは元の絶縁体の均一性によって制限される場合がある。たとえば、絶縁体除去の従来の方法は、開始時に使用する最初の層がそもそも５ｎｍより大きい変化を有する場合は、５ｎｍ未満の最終層を残すことは不可能となることになる。さらに、これらのパターンは、アクティブ層の回路が遮蔽される程度と、得られるＳＯＩ構造が上記のように熱を効果的に放散する程度との有益なトレードオフを十分に利用するように構成されることが可能である。
本発明の特定の実施形態では、ステップ７０４におけるＳＯＩウエハの背面から絶縁材料の除去の次に、ステップ７０５における掘られた絶縁体領域のＳＯＩウエハの背面上への放熱層の堆積が続く。この放熱層の堆積は、先に記載した構造のいずれかを生成するように行うことができる。このステップは、基板材料の除去直後に同様に続く可能性がある。さらに、このステップは、たとえば金属接点が２つ以上のステップにおいて配置された金属接点の堆積中に行われる可能性があるか、または孔が放熱層内で後に開いて電気接続のために金属接点を露出した場合は、金属接点の堆積後に行われる可能性がある。ステップ７０５においてこの放熱層の追加が、化学蒸着、スパッタリング、または何らかの他の方法を介して達成される可能性がある。さらに、先に記載された構造による放熱層のパターン化した堆積は、標準的なフォトリソグラフィ処理または選択的な化学蒸着の使用を介して達成される可能性がある。上記のように、本発明の特定の実施形態では、このステップで堆積された放熱層は、電気的に絶縁し、かつ熱的に伝導性である。
本発明の特定の実施形態では、ステップ７０５における放熱層のＳＯＩウエハの背面上への堆積の次に、ＳＯＩウエハの背面上の界面状態の不動態化が続く。ステップ７０４において絶縁体全体が除去される本発明の実施形態では、ステップ７０５において堆積された放熱層が高い界面状態密度を有する可能性があるので、これは非常に有利な可能性がある。堆積した膜は、膜を約８００℃を超す高温で焼きなましをしない限り、非常に高い界面状態密度を有する傾向がある。この温度は、アクティブ回路が開発された後に標準ウエハが取り扱えるより高いので、高温の焼きなましはこの接合の選択肢にはない。しかし、界面状態は、低温焼きなましを使用して不動態化が可能である。本発明の特定の実施形態では、この低温焼きなましは、４００〜４５０℃の温度範囲で行われ、純粋水素ガスまたはフォーミングガスのいずれかの水素含有雰囲気内で実現される。フォーミングガスは、非爆発性のＮ２およびＨ２の混合物である。この不動態化ステップは、別の方法で達成できる可能性があるよりもはるかに薄い放熱層を生じ得る。たとえば、この層は、５ｎｍ〜２０ｎｍの厚さにできる可能性があり、従来の化学蒸着機器またはスパッタリング機器を使用して約＋／−５％の均一性を有することができる可能性がある。このステップによって、したがって非常に薄い絶縁層の堆積が可能になり、したがってアクティブ層からの非常に効率的な熱伝導が可能になる。これらの実施形態では、放熱層は、ＳＯＩ構造の放熱性能を高めた、効果的に配置された絶縁材料の層を含むことになる。本発明の特定の実施形態では、高い熱伝導材料の層は、絶縁材料のこの薄い層の背部に配置され、放熱層は薄い絶縁材料層と熱伝導材料層の両方を含む。
本発明の特定の実施形態では、ステップ７０４における絶縁層全体の除去の次に、前段落に記載された低温焼きなましの不動態化ステップが後続するステップ７０４で除去されたのと同じ絶縁材料の薄層の堆積が続くことができる。たとえば、除去された絶縁材料は、二酸化ケイ素である可能性があり、堆積された低温焼きなまし材料も二酸化ケイ素である可能性がある。二酸化ケイ素は、低界面状態位特性を有するので、使用に有利な材料である。二酸化ケイ素が除去され、次いで堆積することになる理由は、堆積および低温焼きなましの工程が、上に開示された方法を使用する元の層の部分的なエッチバックを通して達成できるより均一でより薄い絶縁材料の層を生成する可能性があることである。
本発明の特定の実施形態では、ステップ７０５におけるＳＯＩウエハの背面上への放熱層の堆積の次に、アクティブ層内のアクティブ回路への電気接触を後続工程中に可能にする、選択された領域の放熱層の除去が続く。一実施形態では、放熱層の部分を掘ることは、金属の最も低いレベルの領域が電気接触に対して金属を露出するように存在するところに位置する場合がある。あるいは、放熱層は、アクティブ構造に直接接触が可能になるように、アクティブシリコン領域の下で選択的に除去されてもよい。放熱層に加えて、他の誘電層は、電気接触のために様々な導体を露出するように除去されることを要求される場合がある。熱伝導層の除去は、フォトリソグラフィおよび適切な化学を使用するドライエッチングまたはウェットエッチングの周知の手段を使用して選択的に実現されてもよい。
本発明の特定の実施形態では、ＳＯＩウエハの背面からの放熱層の領域の除去の次に、ステップ７０６における金属接点の堆積が続く。これらの金属接点は、ステップ７０４またはステップ７０５において形成された掘られた絶縁体領域の第１の部分に堆積される。金属接点は、熱をアクティブ回路から迅速に放散することができる。本発明の特定の実施形態では、金属接点は、アクティブ回路から放熱のための熱チャネル、ならびに外部デバイスへの信号または電力接続のための接点の両方を提供し得る。これらの金属接点は、ボールボンド、はんだバンプ、銅ポスト、または他のダイ接点材料を含んでもよい。金属接点は、回路基板または低温共通焼成セラミック基板に取り付けるようにさらに構成できる可能性がある。このステップで生成される構造は、それによって構造の底面上のＳＯＩ構造のアクティブ層に接触を有することになり、これは標準ＳＯＩデバイスの反対方向である。
本発明に従う集積回路の生産方法は、図８を参照して説明することができる。本発明の特定の実施形態では、集積回路の生産方法は、処理のためのＳＯＩウエハの準備のステップ８００に始まり、ＳＯＩウエハのアクティブ層内に回路を形成するステップ８０１に続く。ステップ８００および８０１は、ステップ７００および７０１のそれぞれを参照して先に記載されたように実行可能である。ステップ８０２は、ハンドルウエハをＳＯＩウエハのアクティブ層の上面に接合することを含むことが可能である。ハンドルウエハは、アクティブ層に仮接合できる可能性がある。仮接合をハンドルウエハに誘発するために使用される処理には、Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＨＴ １０．１０、３ＭのＷＳＳ（Ｗａｆｅｒ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ（ウェーハサポートシステム））、ＨＤ Ｍｉｃｒｏ ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ（マイクロ・ポリイミド）、およびＴＭＡＴなどの接着剤が含まれる。このハンドルウエハは、アクティブシリコンと接合され、基板上に配置されることになる絶縁層を含む可能性がある。この時点で、アクティブ回路は、したがって２つの絶縁層の間に挟まれることになる。あるいは、ハンドルウエハは、導体材料または半導体材料を含む可能性がある。ステップ８０２におけるハンドルウエハの仮接合に続いて、ステップ８０３、８０４、および８０５は、先に記載されたステップ７０３、７０４、および７０５のそれぞれのようにすべて実行することができる。
本発明の特定の実施形態では、ステップ８０５における放熱層の堆積の次に、ステップ８０６における第２の永久ハンドルウエハをアクティブ層の下のＳＯＩ構造に取付けまたは永久接合することが続くことが可能である。この背面処理ステップの成果は、方向を接点を作成することができる方向からＳＯＩ構造内のアクティブ回路に変更することである。一旦この第２のハンドルウエハがＳＯＩウエハの背面に永久接合されると、元のハンドルウエハは、ハンドルウエハが一時的で容易に元に戻せる処理を使用して接合されたことにより、ステップ８０７において容易に除去することができる。上面ハンドルウエハに永久接合を誘発するために使用された処理としては、永久の有機接着剤、酸化物ガラス接合、ガルバニック接合、分子融合接合、任意の電磁接合方法、および永久ウエハ接合を生成する他の公知の方法が挙げられる。分子融合接合などの一部の接合方法は、接合される両面に高度の平坦性が要求される場合がある。絶縁材料が選択的に除去された場合、このことがウエハの表面に非平面性を導入する場合があり、これは接合をより困難にする。この場合、接合ステップの前にウエハの表面を平坦にして、接合効果を向上させるために化学機械研磨を使用してもよい。
ステップ８０６において生成された構造は、ＳＯＩ構造の上面に露出されたその構造のアクティブ層を有することになり、さらに処理によって上面からアクティブ回路に直接連結可能になる。ステップ８０６において接合される第２の永久ハンドルウエハは、全体が電気的に絶縁するが熱を伝導する材料からなることが可能である。さらに、第２のハンドルウエハは、基板材料上に配置された材料からなる可能性がある。この第２の構成は、基板材料が必要な安定性を最終的なＳＯＩデバイスに提供する一方で、非常に高額の熱伝導材料である場合があるものをあまり使用しないので、費用を抑えることができる可能性がある。第２の永久ハンドルウエハ上の熱伝導材料は、ステップ８０５において放熱層を形成するために堆積されたのと同じ材料からなることが可能である。あるいは、ステップ８０６において接合された永久ハンドルウエハは、シリコンまたは高抵抗シリコンなどの導体材料または半導体材料からなることが可能である。
背面起歪層
本発明の実施形態は、アクティブデバイスの生成をそのチャネルに密着する起歪材料を有するＳＯＩ構造に提供する。本発明の実施形態によって、起歪層が塗布される通常の段階よりデバイス製造工程の後の段階でこのような起歪材料の導入が可能になる。これによって、間欠的に製造する段階中に起歪層の有効性が増加する一方で、同時にＳＯＩ構造に損傷を与える危険性を低減することが可能になる。さらに、前述の利益を有するデバイスは、半導体産業において最も多く使用される製造工程に対する修正をほとんどなしで本発明によって製造可能である。これは、新規の半導体ソリューションが直面する可能性があるほとんどの場合避けることができない固定した生産費用投資の必要を回避する既存の製造工程に対する互換可能性を想定すると大きな利点である。本発明の実施形態は、背面処理の利用、ＳＯＩ絶縁層の部分の可能な除去、およびＳＯＩ構造の背面上への様々な構成における起歪層の堆積を通じてこの成果を達成する。
アクティブデバイスのチャネルをなす材料における機械的な引張歪または圧縮歪の導入は、このようなアクティブデバイスにおける電荷担体の移動度を増加させることが可能である。一般に、引張歪を誘発すると電子移動度が増加し、圧縮歪を誘発すると正孔移動度が増加する。したがって、ｎ型金属酸化物半導体（ＮＭＯＳ）などのｎ型アクティブデバイスは、ＮＭＯＳデバイスにおける電荷担体が電子なので引張歪がそのチャネル内で誘発される場合、より高い周波数で作動することが可能になる。同様に、ｐ型金属酸化物半導体（ＰＭＯＳ）などのｐ型アクティブデバイスは、ＰＭＯＳデバイスにおける電荷担体が電子なので圧縮歪がそのチャネル内で誘発される場合、より高い周波数で作動することが可能になる。
本発明に従うＳＯＩ構造は、図９を参照して説明することができる。図９は、アクティブ層１０３、絶縁層１０２、および基板を含む元のＳＯＩウエハが、ハンドルウエハ１０７に取り付けられており、その基盤を除去する背面処理を受けたＳＯＩ構造を示す。回路は、ＮＭＯＳ９００などのｎ型アクティブデバイス、およびＰＭＯＳ９０１などのｐ型アクティブデバイスを含むアクティブ層１０３内ですでに生成されている。さらに、起歪層９０２は、絶縁層１０２の背部に存在する。
図９に示された構成は、半導体デバイスにおいて歪を誘発するための通常の手法に比べて特定の有利な特性を有する。デバイス内の応力は、ウエハの反りなどの問題をそれが生成する利益とともに引き起こす可能性があるので、半導体構造で誘発される応力の全体量をできるだけ具体的に限定し的を絞って保持することが望ましい。起歪層の有効性は、歪を受けるべき領域と歪を受けている領域との距離が減少すると増加するので、半導体の誘発される歪全体は制限される一方で、起歪層をアクティブデバイスのチャネルにできる限り接近して設置することにより同じ有益なチャネル歪を達成する。このことは、最も低い層が概して最初に堆積されなければならないので、上面処理の製造手法の観点から問題がある。したがって、起歪層は通常ＦＥＴデバイスのゲートの上方に堆積され、したがってチャネルからある程度の距離をおいて位置される。また歪層の非平面性は、ゲートのパターン化を通して導入され、ＦＥＴデバイスの長さおよび幅などの形状効果に依存して起歪層を有効化させる。さらに、半導体デバイスは、６００〜１０５０℃の範囲の極めて高温を含む歪層の堆積後、処理ステップをさらに受ける。この必要性は、半導体デバイスに２つの弱める効果を有する。最初は、起歪層によって誘発された歪は、起歪層の全体的な目的とは対照的に高温焼きなまし中に低減される場合がある。次に、起歪層は、アクティブ層およびウエハ反りの塑性変形を引き起こす場合があり、これは電気性能および得られるデバイスの生産収量を著しく低減することになる滑りおよび転位発生などのシリコン結晶欠陥を引き起こす場合がある。対照的に、本発明に従う背面処理を使用する起歪層の堆積によって、アクティブ層が完全に処理され、したがって初期の段階で応力の導入に関連した問題を回避した後、アクティブデバイスのチャネルに近接して起歪層を堆積することが可能になる。
本発明の特定の実施形態では、起歪層は、リソグラフィ処理または他の製造方法（図１１を参照して以下で論じられるものなど）を使用して塗布され、それによって起歪層のパターン化した堆積が可能になる。図９は、起歪層９０２が引張歪層９０３および圧縮歪層９０４を含むようにパターン化された具体的な実施形態を示す。本発明の特定の実施形態では、起歪層９０２のこれらの２つの部分は、引張歪または圧縮歪のいずれかをアクティブ層１０３上に生成する傾向を有する異なる材料を使用して形成することができる。引張歪を誘発可能な材料としては、窒化ケイ素および窒化アルミニウムが挙げられる。圧縮歪を誘発可能な材料としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、およびダイアモンド状炭素が挙げられる。同じ材料は、材料が堆積される条件に依存して圧縮歪または引張歪のいずれかを誘発することが可能である。本発明の特定の実施形態では、起歪層９０２の２つの部分は、異なる条件下で同じ材料を堆積することによって形成することができる。材料の起歪特性が堆積条件を調節することで制御することができるいくつかの材料は塗布することができる。たとえば、異なる条件下で化学蒸着を使用して堆積された窒化ケイ素または窒化アルミニウムは、引張歪または圧縮歪のいずれかを生成することができる。本発明の特定の実施形態では、引張歪層９０３は、ＮＭＯＳ９００などのｎ型アクティブデバイスを有するＳＯＩ構造の領域にわたって堆積可能であり、圧縮歪層９０４は、ＰＭＯＳ９０１などのｐ型アクティブデバイスを有するＳＯＩ構造の領域にわたって堆積可能である。それによって、両方のデバイスの担体移動度を効率的に高めることが可能である。
本発明の特定の実施形態では、均一な起歪層は、ＳＯＩ構造の底部に背面処理中に塗布される。これらの実施形態は、特定キャリア型アクティブデバイスがアクティブ層１０３内の回路の優位に立つ状況を特に利用する。たとえば、アクティブ回路層１０３内のアクティブデバイスが主にＮＭＯＳトランジスタであった場合、均一の引張歪層は、ＳＯＩ構造の背面に塗布できる可能性がある。それによって、ＮＭＯＳトランジスタは高められることになり、より多数のＮＭＯＳトランジスタの強化によって提供される利点が、任意のＰＭＯＳトランジスタ内の担体の移動度の変更を潜在的に弱めることより勝ることになる。
本発明の特定の実施形態では、（単数または複数の）起歪層は、アクティブ層１０３の背部に直接塗布される。これは、起歪層９０２が堆積される前に、絶縁層１０２を除去するさらなる背面処理ステップによって達成される。これらの実施形態は、起歪層の堆積が半導体デバイス処理順序のより後の段階で可能になる有利な特性を共有する。しかし、これらの実施形態では、起歪層はアクティブ層１０３により近接している。したがって、電気特性および得られる半導体デバイスの生産量を高める一方で、依然としてそのアクティブデバイスのチャネル内の電荷担体の移動度を高めることが可能な全応力は、あまり必要とされない。本発明の特定の実施形態では、起歪層９０２がアクティブ層１０３上に直接堆積されると、起歪層９０２は、ＳＯＩ構造の有利な特性を保持するための電気絶縁材料からなる。歪を誘発することと、電気絶縁体として作用可能なことの両方をともなう材料としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、およびダイアモンド状炭素が挙げられる。
本発明の特定の実施形態では、異なるパターンがアクティブ層１０３内に歪を誘発するように適用される。これらのパターンは、２軸歪または１軸歪を電荷担体の流れに平行方向または垂直方向に生成することが可能である。これらのパターンは、上記のように複数の少なくとも部分的に垂直に同じ広がりをもつ起歪層の適用によって形成することができる。同様に、これらのパターンを、上記のように掘られた絶縁体領域に堆積された起歪層の適用によって形成することができる。引張歪または圧縮歪を誘発可能な様々なパターンは、図１０を参照して説明することができる。ゲート１０００は、起歪層１００１によって包囲されている。起歪層１００１が引張応力誘発層である場合、このパターンは、２軸引張歪をゲート１０００の下のチャネルに生成する。起歪層１００１が圧縮起歪層である場合、このパターンは、２軸圧縮歪をゲート１０００の下のチャネルに生成する。ゲート１０１０は、起歪層１０１１によって包囲されている。ゲート１０１０は、幅に対する長さの大きい比率を有する。したがって、起歪層１０１１の適用は、主に１軸歪を、チャネルを通って電荷担体の流れに平行であり、起歪層１０１１が圧縮に対応するか引張に対応するかに基づいて、圧縮または引張のいずれかであるゲート１０１０の下のチャネルに誘発する。ゲート１０２０は、起歪層１０２１の上にわたる。このパターンは、主に１軸歪を、チャネルを通る電荷担体の流れに垂直であり、起歪層１０２１が圧縮または引張のそれぞれに対応するように、圧縮または引張のいずれかであるゲート１０２０の下のチャネル内に誘発する。最後に、ゲート１０３０は、起歪層１０３１によって包囲されている。このパターンの効果は、同じタイプの材料が起歪層１０３１および１０１１に使用された場合、層１０１１によって誘発されることになる反対の歪を生成する。たとえば、起歪層１０３１が引張誘発である場合、圧縮歪がゲート１０３０の下のチャネルに誘発されることになる。同様に起歪層１０３１が圧縮である場合、引張歪がゲート１０３０の下のチャネルに誘発されることになる。
本発明によるＳＯＩ構造は、図１１を参照して説明することができる。図１１は、絶縁層１０２が掘られた絶縁体領域３００を形成する特定のパターンに従って除去され、歪力の所望の分配をアクティブ層１０３内に生成する、アクティブ層１０３を含むＳＯＩ構造を示す。本発明の特定の実施形態では、引張歪および圧縮歪のいずれも、起歪層９０２すべてに対して同じ材料を使用してアクティブ層１０３内に誘発することができる。図１０を参照して先に記載されたように、反対の型の歪をゲート１０１０および１０３０の下のチャネルに誘発するために、起歪層１０１１および１０３１に対して同じ材料を使用することができる。図１１に示されたように、掘られた絶縁体領域３００は、ＮＭＯＳ９００などのｎ型アクティブデバイスのチャネルを露出し、ＰＭＯＳ９０１などのｐ型アクティブデバイスのチャネルを中心にパターン化する可能性がある。この場合、起歪層９０２は、掘られた絶縁体領域３００のパターンと縦に並んで作用し、ＮＭＯＳ９００の電子とＰＭＯＳ９０１の正孔の両方の移動度を高めることになる、均一の引張起歪層である可能性がある。本発明の特定の実施形態では、前の実施形態と比較してパターンの極性および堆積された材料の歪の型が交換され、同じ二重の増進効果が得られることになる。
本発明の特定の実施形態では、掘られた絶縁体領域３００は、アクティブ層１０３内のアクティブデバイスの一部を露出させるためにのみ形成される可能性がある。たとえば、掘られた絶縁体領域３００は、ＮＭＯＳ９００などのｎ型アクティブデバイスのチャネルを露出させるのみのパターン内で除去され、次いで引張起歪層はＳＯＩ構造の背部に堆積される。同様に本発明の特定の実施形態では、前の実施形態と比較してパターンの極性および堆積された材料の歪の型が交換される可能性がある。本発明の特定の実施形態では、残りの絶縁領域の下部の起歪層は、エッチング手順を介して除去される可能性がある。これらの実施形態では唯一の型のデバイスが歪められるが、これは、特にある種の半導体材料においてより性能依存の高い設計では、依然として有利な性能をもたらす。
本発明の特定の実施形態では、歪をアクティブデバイス内で誘発するＳＯＩ構造の背面と接触する材料はまた、放熱層として機能することが可能である。したがって、この記載の第１の項における任意の放熱層は、さらに歪を誘発する層と交換される可能性がある。さらに起歪層がアクティブデバイスのチャネルなどの熱源と接触するようにパターン化されている実施形態をこの実施形態と組み合わせることによって、有利な結果をもたらす。特定の実施形態では、起歪層は、アクティブデバイスのチャネル上に堆積され、歪層および放熱層の両方として機能し、また標準の絶縁層がＳＯＩデバイスに対してなす方法でデバイスを絶縁する。電気絶縁、熱伝導、および起歪をすることにより、これらの有利な特性すべてを提供することができる材料としては、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、およびダイアモンド状炭素が挙げられる。本発明の特定の実施形態では、図１０を参照に記載されたように、絶縁層１０２を完全に除去することができ、かつ熱を放散する一方で、同時に起歪層に対するパターンを提供することができる、パターン化した熱拡散層と交換することができる。
本発明に従う集積回路を生成する方法は、図１２を参照して説明することができる。ステップ１２００では、基板が背面処理を使用してＳＯＩ構造の背部から除去される。本発明の特定の実施形態では、ＳＯＩ構造は、ＳＯＩ構造のアクティブ層内の回路がほぼ完全であるように、十分な処理をすでに受けている。ステップ１２００における基板除去の方法は、図７のステップ７０３を参照して述べたものと同じである。本発明の特定の実施形態では、ステップ１２００の次に、ステップ１２０３におけるＳＯＩ構造の背面上への起歪層の堆積が続く。堆積された起歪層は、スパッタリング、化学蒸着、または任意の他の方法を介してＳＯＩ層の背面全体にわたって堆積することができる。起歪層は圧縮歪または引張歪のいずれかを誘発可能である。また堆積された層は、ステップ１２０３において一部に第１の歪層を堆積し、次いでステップ１２０５において別の歪層を堆積するために、リソグラフィまたは何らかの他の方法を使用してパターン化することができる。この場合、引張誘発部分および圧縮誘発部分を有する可能性がある、多重部分起歪層が形成されることになる。本発明の特定の実施形態では、この多重部分起歪層は、ステップ１２０３およびステップ１２０５のそれぞれに対して異なる処理条件と組み合わせてこの２つのステップと同じ材料を使用して、実際に形成される可能性がある。上述のように、窒化ケイ素などの材料は、それらが塗布される条件に依存して引張または圧縮応力のいずれかを発揮する。
本発明の特定の実施形態では、ステップ１２００における基板材料の除去の次に、ステップ１２０１における絶縁材料の除去が続く。この除去は、図７のステップ７０４を参照して論じたあらゆる方法を含むことが可能である。本発明の特定の実施形態では、ステップ１２０１の次に、ステップ１２０２における放熱層の堆積が続くことが可能である。この堆積は、図７のステップ７０５および７０６を参照して論じたあらゆる方法を含むことが可能である。本発明の特定の実施形態では、ステップ１２０１の次に、ステップ１２０３における起歪層の堆積が代わりに続くことが可能である。起歪層および放熱層が全く同一である本発明の特定の実施形態では、これらの２つのステップ間に違いはない。本発明の特定の実施形態では、ステップ１２０１における絶縁層の除去は、絶縁材料をＳＯＩ構造の背部から完全に除去することが可能である。このステップの次に歪層の堆積１２０３が続く場合、得られるＳＯＩ構造は、アクティブ層の背部上に直接堆積された歪層を含む。
本発明の特定の実施形態では、ステップ１２０１における絶縁層の除去は、絶縁材料を上記のようにある種のパターンで除去することができる。このことの次に、歪層がステップ１２０１において形成された掘られた絶縁体領域に堆積されるように、ステップ１２０３における歪層の堆積が続くことが可能である。たとえば、絶縁材料は、歪がその上でｎ型デバイス下のみなどで誘発されることになっている回路のそれらの部分の下のみで除去される可能性がある。その場合、起歪層は引張であるはずであり、ｎ型デバイスのみが有利に歪むことになる一方で、ｐ型デバイスは名目上の状態のままである。別の例として、絶縁材料は、単一の起歪層が引張歪および圧縮歪の両方をアクティブ層上に必要に応じて生成する可能性があるように、ｎ型デバイスチャネルの下に、またｐ型デバイスチャネルの下の対応するネガティブパターン内に残される可能性がある。またステップ１２０１において絶縁材料のパターン化した除去の次に、異なる種類の起歪層を上述のように掘られた絶縁体領域の異なる部分に堆積するステップ１２０３と１２０５の順で続く可能性がある。
本発明の特定の実施形態では、ステップ１２０３におけるＳＯＩ構造の背面上の起歪層の堆積の次に、ステップ１２０４における堆積された起歪層の部分のパターン化した除去が続く。このステップはしたがって、掘られた歪層領域を形成する。ステップ１２０５では、第２の歪層はＳＯＩ構造の背面上に堆積される。結果として、この第２の歪層は、掘られた歪層領域を満たす。ステップ１２０６では、掘られた歪層領域を満たさなかった追加の歪層は、ＳＯＩ構造に対して背面さえも形成するために除去することができる。この手法は、ステップ１２０４における歪層の除去のみがパターン化される必要があるので、他の実施形態と比べて特定の有利な態様を有する。ステップ１２０６における第２の歪層の除去は、第１歪層および第２の歪層の化学成分の差によって支援された均一レベルまたは制御されたエッチングへの機械的研磨を含むことが可能である。さらに、起歪層の実際の堆積は、ステップ１２０３および１２０５の両方において均一とすることができる。化学蒸着などの堆積の一部の形式は、詳細なリソグラフィのパターニングに必ずしも適しているとは限らないという事実を考慮すれば、この手法はそれが詳細なパターニングをより効果的な方式で達成できるという点で有利である。
発明の実施形態は主にその特定の実施形態に関して論じられてきたが、他の変形形態も可能である。記載されたシステムの様々な構成が本明細書に示された構成の代わりに、または本明細書に示された構成に追加して使用され得る。たとえば、デバイスはしばしばシリコン基板および酸化物絶縁体層を参照して論じられたが、本発明は任意の形態の絶縁体上半導体ウエハ、構造、またはデバイスとともに機能するであろう。たとえば、本発明はシリコンオンサファイア構造とともに機能するであろう。さらに本発明は、ＣＭＯＳ、バイポーラ、ＢｉＣＭＯＳ、ＳｉＧｅ、Ｇａ、Ａｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、および任意の他の形態の半導体技術もしくは化合物半導体技術などのような任意の形態の技術を使用して回路上で機能または作動することが可能である。上述のように、絶縁層は完全に除去される必要はない。絶縁層はそのまま残すことができる可能性があり、次いで放熱層は絶縁層の表面上に配置される可能性がある。さらに絶縁層全体は完全に除去されるのではなく薄くされることが可能であり、または掘られた絶縁体領域が残余の薄くされた絶縁層を含んで形成されることが可能である。さらに本明細書に記載されたそれらの層の間に配置された材料の追加の層があってもよい。半導体処理は高度に詳細な分野であり、層は混乱を回避するように本発明を記載するために不可欠である場合のみ本明細書に記載されている。たとえば、回路がその環境と反応することを防止するためにアクティブ層上に配置された不動態化層があってもよい。さらに、１つのアクティブ層または１つの絶縁層を説明するときなどの語「層」の使用は、２つ以上の材料からなる層を除外するものではない。たとえば、ＳＯＩ構造のアクティブ層全体の下の二酸化ケイ素絶縁体に加えてアクティブ回路内の金属内張りの下にガラスまたは他の何らかの絶縁体の層があってもよい。しかし、絶縁層という用語は、ガラスおよび二酸化ケイ素絶縁体の構造全体を包含することが可能である。
前述の説明は例示のみのためであり、本発明を制限することを意図しないことは、当業者は理解するであろう。本開示では、本発明が半導体処理または集積回路の特定の形態を必要とするシステムに限定されることを示すものはない。機能は、所望に応じてハードウェアまたはソフトウェアによって実行されてもよい。一般に、あらゆる示された図は可能な一構成を示すことを意図するだけであり、多くの変形形態が可能である。本発明と一致する方法およびシステムは、電子デバイスまたは光素子からの放熱に関連したあらゆることを包含する広範囲の用途で使用に適していることも当業者は理解するであろう。
本明細書は、本発明の特定の実施形態に関連して詳細に記載されているが、前述の理解を達成すれば、当業者はこれらの実施形態の代替形態、変形形態、および等価物を容易に考え出し得ることが理解されよう。本発明のこれらおよび他の修正形態ならびに変形形態は、添付の特許請求の範囲により具体的に説明されている、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって実施されてもよい。

Claims (25)

  1. 放熱層と、
    前記放熱層の上方に位置するアクティブ層と、
    前記アクティブ層の上方に位置するハンドルウエハと、を備え、
    前記放熱層は、高い熱伝導性を有し、かつ電気的に絶縁する、絶縁体上半導体構造。
  2. 前記放熱層の下に位置する第２のハンドルウエハであって、前記第２のハンドルウエハは、基板層の上に第２の放熱層を有する、第２のハンドルウエハをさらに備え、
    前記ハンドルウエハは、仮接合を介して前記アクティブ層に接合される、請求項１に記載の絶縁体上半導体構造。
  3. 前記放熱層と少なくとも部分的に垂直に同じ広がりをもつ絶縁層をさらに備え、
    前記アクティブ層は、前記絶縁層上に配置され、
    前記絶縁層は、掘られた絶縁体領域を備え、
    前記放熱層は、前記掘られた絶縁体領域に配置される、請求項２に記載の絶縁体上半導体構造。
  4. 前記掘られた絶縁体領域は、前記アクティブ層内の金属配線の最も低い層と横方向に同じ広がりをもつ、請求項３に記載の絶縁体上半導体構造。
  5. 前記放熱層と少なくとも部分的に垂直に同じ広がりをもつ絶縁層をさらに備え、
    前記アクティブ層は、前記絶縁層上に配置され、
    前記絶縁層は、掘られた絶縁体領域を備え、
    前記放熱層は、前記掘られた絶縁体領域に配置される、請求項１に記載の絶縁体上半導体構造。
  6. 前記掘られた絶縁体領域の第１の部分に配置された金属接点をさらに備え、
    前記放熱層は、前記掘られた絶縁体領域の第２の部分に配置され、前記放熱層は、前記金属接点の一面上に配置され、
    前記金属接点は、前記アクティブ層内の回路に対して電気接点として機能するように構成される、請求項５に記載の絶縁体上半導体構造。
  7. 前記掘られた絶縁体領域は、前記アクティブ層内の金属配線の最も低い層と横方向に同じ広がりをもつ、請求項５に記載の絶縁体上半導体構造。
  8. 前記掘られた絶縁体領域の第１の部分は、前記アクティブ層に位置するアクティブデバイスの一部と横方向に同じ広がりをもつ、請求項５に記載の絶縁体上半導体構造。
  9. 前記アクティブデバイスのチャネル領域は、前記掘られた絶縁体領域の横方向範囲外にある、請求項８に記載の絶縁体上半導体構造。
  10. 前記掘られた絶縁体領域の第２の部分に配置された金属接点をさらに備え、
    前記放熱層は、前記掘られた絶縁体領域の前記第１の部分に配置され、前記放熱層は、前記金属接点の一面上に配置され、
    前記金属接点は、前記アクティブ層内の回路に対して電気接点として機能するように構成される、請求項９に記載の絶縁体上半導体構造。
  11. 前記金属接点は、金属ピラー接点を備え、
    前記電気接点は、情報信号を前記回路から取り付けられた回路基板に送信するように構成された、請求項１０に記載の絶縁体上半導体構造。
  12. 熱を絶縁層の上面を横方向に横切るアクティブ層を通してチャネリングするステップと、
    熱を前記アクティブ層から放熱層を通して放散するステップと、を含む絶縁体上半導体デバイスから熱を放散する方法であって、
    前記アクティブ層は、前記放熱層の上方に位置し、
    前記絶縁層は、前記アクティブ層上に配置され、前記絶縁層は前記放熱層と少なくとも部分的に垂直に同じ広がりをもち、前記絶縁層は掘られた絶縁体領域を含み、
    前記放熱層は高い熱伝導率を有し、電気的に絶縁し、前記放熱層は前記掘られた絶縁体領域に配置される、方法。
  13. 前記掘られた絶縁体領域の第１の部分は、前記アクティブ層に位置するアクティブデバイスの一部と横方向に同じ広がりをもち、
    前記アクティブデバイスのチャネル領域は、前記掘られた絶縁体領域の横方向範囲外にある、請求項１２に記載の方法。
  14. 熱を前記放熱層を横方向に通って金属接点にチャネリングするステップと、
    熱を前記放熱層から前記金属接点を通って放散するステップと、をさらに含み、
    前記金属接点は、前記掘られた絶縁体領域の第２の部分に位置され、前記金属接点は、前記アクティブ層に位置する回路に対して電気接点として機能するように構成され、
    前記放熱層は、前記掘られた絶縁体領域の前記第１の部分に配置され、前記放熱層は、前記金属接点の一面上に配置された、請求項１３に記載の方法。
  15. 集積回路を製造する方法であって、
    アクティブ回路を絶縁体上半導体ウエハのアクティブ層に形成するステップと、
    基板材料を前記絶縁体上半導体ウエハの背面に配置された基板層から除去するステップと、
    絶縁材料を前記絶縁体上半導体ウエハの前記背面から除去して掘られた絶縁体領域を形成するステップと、
    放熱層を前記掘られた絶縁体領域上に堆積するステップと、をさらに含み、
    前記放熱層は電気的に絶縁する、方法。
  16. 低温の熱焼きなましを使用することにより界面状態の群を不動態化するステップであって、界面状態の前記群は、前記絶縁材料を前記除去する間に形成される、ステップをさらに含み、
    前記放熱層は前記絶縁材料の層からなる、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記放熱層は高い熱伝導性を有する、請求項１５に記載の方法。
  18. 前記掘られた絶縁体領域は、前記絶縁体上シリコンウエハの背面全体と横方向に同じ広がりをもつ、請求項１７に記載の方法。
  19. 金属接点を前記掘られた絶縁体領域の第１の部分に堆積するステップをさらに含み、
    前記放熱層は、前記掘られた絶縁体領域の第２の部分に配置され、前記放熱層は、前記金属接点の一面上に配置され、
    前記金属接点は、前記アクティブ回路に対して電気接点として機能するように構成された、請求項１７に記載の方法。
  20. 前記掘られた絶縁体領域は、前記アクティブ層内に位置する金属配線の最も低い層と横方向に同じ広がりをもつ、請求項１７に記載の方法。
  21. ハンドルウエハを前記アクティブ層の上面に仮接合するステップと、
    第２のハンドルウエハを前記アクティブ層の下の前記絶縁体上シリコンウエハに永久接合するステップと、をさらに含み、
    前記第２のハンドルウエハは、第２の放熱層を基板層の上方に有する、請求項１７に記載の方法。
  22. 前記掘られた絶縁体領域の第１の部分は、前記アクティブ層に位置するアクティブデバイスの一部と横方向に同じ広がりをもつ、請求項１７に記載の方法。
  23. 絶縁材料の残余部分は、前記アクティブデバイスのチャネル領域と横方向に同じ広がりをもつ、請求項２２に記載の方法。
  24. 金属接点を前記掘られた絶縁体領域の第２の部分に堆積するステップをさらに含み、
    前記放熱層は、前記掘られた絶縁体領域の第１の部分に配置され、前記放熱層は、前記金属接点の一面上に配置され、
    前記金属接点は、前記アクティブ回路に対して電気接点として機能するように構成される、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記集積回路を構成して回路基板に取り付けるステップをさらに含み、
    前記金属接点は、金属ピラー接点を含み、
    前記電気接点は、情報信号を前記アクティブ回路から前記回路基板に送信するように構成された、請求項２４に記載の方法。
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