JP2017041598A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology that enables improvement of characteristics of an inductor element formed on a semiconductor substrate.SOLUTION: In a semiconductor device 10, a semiconductor substrate 12 has a first region E1 in which an impurity diffusion layer 13 is formed on a major surface 12a and a second region E2 in which a high resistance layer 50 having higher resistivity than the impurity diffusion layer 13 is formed on the major surface 12a. A lower wiring layer 37 is formed on the major surface 12a and includes at least one layer of an interlayer insulating film. An upper wiring layer 38 is formed on the lower wiring layer 37 and includes at least one layer of an interlayer insulating film. The inductor element 40 is formed at the upper wiring layer 38 on the second region E2 and has a wiring width a larger than a thickness of the lower wiring layer 37. The high resistance layer 50 may be formed by ion irradiation being performed to the semiconductor substrate.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

半導体集積回路は、シリコンウェハ等の基板に様々な微細加工を施すことで製造される。このような基板に求められる性能は、用途や製造工程によって種々ある。例えば、デジタル回路からアナログ回路へ基板を介して伝わるノイズを遮断する手段や、オンチップインダクタの特性を向上させる手段として高抵抗基板が用いられる。高抵抗基板上にインダクタを形成することで、低抵抗基板を用いる場合よりも高いQ値のインダクタが得られる(例えば、特許文献1参照)。   A semiconductor integrated circuit is manufactured by performing various fine processing on a substrate such as a silicon wafer. There are various performances required for such a substrate depending on applications and manufacturing processes. For example, a high resistance substrate is used as means for blocking noise transmitted from a digital circuit to an analog circuit through the substrate, or as means for improving the characteristics of an on-chip inductor. By forming an inductor on a high-resistance substrate, an inductor having a higher Q value than that obtained when a low-resistance substrate is used can be obtained (see, for example, Patent Document 1).

特表2007−536759号公報Special table 2007-536759 gazette

半導体基板上に形成されるインダクタは、所定の動作周波数におけるインダクタンスやQ値が所望の値となるように、配線のループ形状や、その内径、巻数といった各種パラメータが最適化される。低抵抗基板用に最適化されたインダクタと高抵抗基板を組み合わせることでQ値を向上させることができるが、Q値のさらなる向上のためにはインダクタに関する各種パラメータを高抵抗基板用に最適化することが望ましい。   The inductor formed on the semiconductor substrate is optimized for various parameters such as the loop shape of the wiring, its inner diameter, and the number of turns so that the inductance and Q value at a predetermined operating frequency become desired values. The Q value can be improved by combining an inductor optimized for a low resistance substrate and a high resistance substrate. However, in order to further improve the Q value, various parameters relating to the inductor are optimized for the high resistance substrate. It is desirable.

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、半導体基板上に形成されるインダクタ素子の特性を向上させる技術を提供することにある。   One exemplary object of an aspect of the present invention is to provide a technique for improving the characteristics of an inductor element formed on a semiconductor substrate.

本発明のある態様の半導体装置は、主面に不純物拡散層が形成される第1領域と、主面に不純物拡散層よりも抵抗率の高い高抵抗層が形成される第2領域とを有する半導体基板と、主面上に形成され、少なくとも一層の層間絶縁膜を含む下部配線層と、下部配線層上に形成され、少なくとも一層の層間絶縁膜を含む上部配線層と、第2領域の上の上部配線層に形成され、下部配線層の厚さよりも配線幅の大きいインダクタ素子と、を備える。   A semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a first region in which an impurity diffusion layer is formed on a main surface, and a second region in which a high resistance layer having a higher resistivity than the impurity diffusion layer is formed on the main surface. A semiconductor substrate, a lower wiring layer formed on the main surface and including at least one interlayer insulating film, an upper wiring layer formed on the lower wiring layer and including at least one interlayer insulating film, and a second region And an inductor element having a wiring width larger than the thickness of the lower wiring layer.

本発明の別の態様は、半導体装置の製造方法である。この方法は、主面に不純物拡散層が形成される第1領域と、主面において第1領域と異なる第2領域とを有する半導体基板を用意することと、主面上に少なくとも一層の層間絶縁膜を含む下部配線層を形成することと、下部配線層上に少なくとも一層の層間絶縁膜を含む上部配線層を形成することと、第2領域の上の上部配線層に下部配線層の厚さよりも配線幅の大きいインダクタ素子を形成することと、第2領域にイオン照射して半導体基板中にイオン照射前よりも抵抗率の高い高抵抗層を形成することと、を備える。   Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device. In this method, a semiconductor substrate having a first region in which an impurity diffusion layer is formed on a main surface and a second region different from the first region on the main surface is prepared, and at least one layer of interlayer insulation is formed on the main surface. Forming a lower wiring layer including a film; forming an upper wiring layer including at least one interlayer insulating film on the lower wiring layer; and forming a thickness of the lower wiring layer on the upper wiring layer above the second region. Forming an inductor element having a large wiring width, and irradiating the second region with ions to form a high resistance layer having a higher resistivity in the semiconductor substrate than before the ion irradiation.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.

本発明によれば、半導体基板上に形成されるインダクタ素子の特性を向上させることができる。   According to the present invention, the characteristics of the inductor element formed on the semiconductor substrate can be improved.

実施の形態に係る半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the semiconductor device which concerns on embodiment. インダクタ素子の形状を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the shape of an inductor element. 比較例に係る半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the semiconductor device which concerns on a comparative example. 比較例に係るインダクタ素子の等価回路図である。It is the equivalent circuit schematic of the inductor element which concerns on a comparative example. (a)は、低抵抗基板上のインダクタ素子のQ値を示すグラフであり、(b)は、インダクタンスを示すグラフである。(A) is a graph which shows the Q value of the inductor element on a low resistance board | substrate, (b) is a graph which shows an inductance. 実施の形態に係るインダクタ素子の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the inductor element according to the embodiment. (a)は、低抵抗基板上および高抵抗基板上のインダクタ素子のQ値を示すグラフであり、(b)は、インダクタンスを示すグラフである。(A) is a graph which shows the Q value of the inductor element on a low resistance board | substrate and a high resistance board | substrate, (b) is a graph which shows an inductance. (a)は、高抵抗基板上の配線幅の大きいインダクタ素子のQ値を示すグラフであり、(b)は、インダクタンスを示すグラフである。(A) is a graph which shows the Q value of an inductor element with a large wiring width on a high resistance substrate, and (b) is a graph which shows an inductance. 半導体装置の製造工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of a semiconductor device typically. 半導体装置の製造工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of a semiconductor device typically. イオン照射後の半導体基板の抵抗率分布の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the resistivity distribution of the semiconductor substrate after ion irradiation. イオン照射後の半導体基板の抵抗率分布の一例を示すグラフである。例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the resistivity distribution of the semiconductor substrate after ion irradiation. It is a graph which shows an example.

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照する各断面図において、半導体基板やその他の層の厚みや大きさは説明の便宜上のものであり、必ずしも実際の寸法や比率を示すものではない。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail. In addition, the structure described below is an illustration and does not limit the scope of the present invention at all. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. In each cross-sectional view referred to in the following description, the thickness and size of the semiconductor substrate and other layers are for convenience of description, and do not necessarily indicate actual dimensions and ratios.

図1は、実施の形態に係る半導体装置10の構造を模式的に示す断面図である。半導体装置10は、システムLSIやシステム・オン・チップ(SoC;System on a Chip)といった集積回路(IC)である。半導体装置10は、半導体基板12の上に形成されるインダクタ素子40(いわゆるオンチップインダクタ)を含む。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a semiconductor device 10 according to an embodiment. The semiconductor device 10 is an integrated circuit (IC) such as a system LSI or a system on a chip (SoC). The semiconductor device 10 includes an inductor element 40 (so-called on-chip inductor) formed on the semiconductor substrate 12.

本実施の形態では、半導体基板12へのイオン照射によりインダクタ素子40の下に高抵抗層50が形成される。また、インダクタ素子を低抵抗基板上に形成する場合における配線幅の最適値と比べて配線幅aが大きくなるようにインダクタ素子40が形成される。これにより、インダクタ素子40のQ値を向上させる。   In the present embodiment, the high resistance layer 50 is formed under the inductor element 40 by irradiating the semiconductor substrate 12 with ions. Further, the inductor element 40 is formed so that the wiring width a is larger than the optimum value of the wiring width when the inductor element is formed on the low resistance substrate. Thereby, the Q value of the inductor element 40 is improved.

半導体装置10は、半導体基板12と、半導体基板12の主面12a上に形成される多層配線層30と、を備える。半導体基板12は、抵抗率が100Ω・cm以下の低抵抗の半導体基板であり、例えば、チョクラルスキー(CZ)法により作製されたシリコン(Si)ウェハである。CZ法により作製されたウェハは、フローティングゾーン(FZ)法等により作製された高抵抗ウェハと比較して抵抗率が低く、安価である。本実施の形態では、低抵抗基板にイオン照射することにより高抵抗層を形成するため、FZ法などで作製される高抵抗基板を用いる場合と比べてコストが抑えられる。   The semiconductor device 10 includes a semiconductor substrate 12 and a multilayer wiring layer 30 formed on the main surface 12 a of the semiconductor substrate 12. The semiconductor substrate 12 is a low-resistance semiconductor substrate having a resistivity of 100 Ω · cm or less, for example, a silicon (Si) wafer manufactured by the Czochralski (CZ) method. A wafer manufactured by the CZ method has a lower resistivity and is less expensive than a high resistance wafer manufactured by a floating zone (FZ) method or the like. In this embodiment, since the high resistance layer is formed by ion irradiation to the low resistance substrate, the cost can be reduced as compared with the case where the high resistance substrate manufactured by the FZ method or the like is used.

半導体基板12は、主面12aに不純物拡散層13が形成される第1領域E1と、主面12aに高抵抗層50が形成される第2領域E2とを有する。第1領域E1は、主にトランジスタ20やダイオードなどの半導体素子が形成される領域である。第2領域E2は、その上にインダクタ素子40が形成される領域である。なお、本明細書において、半導体基板12の主面12aに直交する方向を上下方向または厚さ方向といい、半導体基板12から見て主面12a側に向かう方向を上方向または上側、主面12aと反対の裏面12bに向かう方向を下方向または下側ということがある。また、主面12aに平行する方向を横方向または水平方向ということがある。   The semiconductor substrate 12 has a first region E1 in which the impurity diffusion layer 13 is formed on the main surface 12a, and a second region E2 in which the high resistance layer 50 is formed on the main surface 12a. The first region E1 is a region where semiconductor elements such as transistors 20 and diodes are mainly formed. The second region E2 is a region where the inductor element 40 is formed thereon. In this specification, a direction perpendicular to the main surface 12a of the semiconductor substrate 12 is referred to as a vertical direction or a thickness direction, and a direction toward the main surface 12a when viewed from the semiconductor substrate 12 is an upper direction or an upper side, and the main surface 12a. The direction toward the back surface 12b opposite to that may be referred to as a downward direction or a lower side. In addition, a direction parallel to the main surface 12a may be referred to as a horizontal direction or a horizontal direction.

トランジスタ20は、電界効果トランジスタ(FET)であり、ウェル領域14、ソース領域15、ドレイン領域16、ゲート電極17、ゲート絶縁膜18により形成される。ウェル領域14、ソース領域15、ドレイン領域16などの不純物拡散層13は、例えば、半導体基板12の主面12aにボロン(B)やリン(P)などの不純物元素をイオン注入などの手法により打ち込むことにより形成される。不純物拡散層13の上にはゲート絶縁膜18が形成され、その上にゲート電極17が設けられる。また、不純物拡散層13に隣接して半導体素子間を分離する素子分離領域22が設けられる。   The transistor 20 is a field effect transistor (FET), and is formed by a well region 14, a source region 15, a drain region 16, a gate electrode 17, and a gate insulating film 18. For example, the impurity diffusion layers 13 such as the well region 14, the source region 15, and the drain region 16 are implanted with an impurity element such as boron (B) or phosphorus (P) into the main surface 12 a of the semiconductor substrate 12 by a technique such as ion implantation. Is formed. A gate insulating film 18 is formed on the impurity diffusion layer 13, and a gate electrode 17 is provided thereon. An element isolation region 22 that isolates semiconductor elements is provided adjacent to the impurity diffusion layer 13.

本実施の形態では、トランジスタ20として、ソース領域15およびドレイン領域16が主面12aの近傍に形成される横型構造のトランジスタを示しているが、変形例においては異なる構造の半導体素子が形成されてもよい。例えば、ドレイン領域が半導体基板12の裏面12b側に設けられる縦型構造のトランジスタを設けることとしてもよい。トランジスタ20として、FETではなく、バイポーラトランジスタを設けてもよい。   In the present embodiment, a transistor having a lateral structure in which the source region 15 and the drain region 16 are formed in the vicinity of the main surface 12a is shown as the transistor 20, but a semiconductor element having a different structure is formed in the modification. Also good. For example, a transistor having a vertical structure in which the drain region is provided on the back surface 12b side of the semiconductor substrate 12 may be provided. As the transistor 20, a bipolar transistor may be provided instead of the FET.

半導体基板12の主面12aの上には多層配線層30が形成される。多層配線層30は、インダクタ素子40が設けられる上部配線層38と、上部配線層38の下に位置する下部配線層37とを有する。多層配線層30は、複数の層間絶縁膜により構成され、例えば、図示されるように三層の層間絶縁膜31〜33で構成される。   A multilayer wiring layer 30 is formed on the main surface 12 a of the semiconductor substrate 12. The multilayer wiring layer 30 includes an upper wiring layer 38 provided with the inductor element 40 and a lower wiring layer 37 positioned below the upper wiring layer 38. The multilayer wiring layer 30 includes a plurality of interlayer insulating films, and includes, for example, three layers of interlayer insulating films 31 to 33 as illustrated.

主面12aの直上に形成される第1絶縁膜31には、上下方向に延びてトランジスタ20のソース領域15やドレイン領域16に接続されるコンタクト25や、水平方向に延びてコンタクト25の間を接続する配線24が設けられる。第1絶縁膜31の直上に形成される第2絶縁膜32には、水平方向に延びる配線24や、異なる層に形成される配線24同士を接続するための上下方向に延びるビア26が設けられる。   The first insulating film 31 formed immediately above the main surface 12a has a contact 25 extending in the vertical direction and connected to the source region 15 and the drain region 16 of the transistor 20, and extending in the horizontal direction between the contacts 25. A wiring 24 to be connected is provided. The second insulating film 32 formed immediately above the first insulating film 31 is provided with wirings 24 extending in the horizontal direction and vias 26 extending in the vertical direction for connecting the wirings 24 formed in different layers. .

第2絶縁膜32の上には、第3絶縁膜33が形成される。第3絶縁膜33は、最上層の層間絶縁膜であり、第2領域E2の上にインダクタ素子40が形成される。第3絶縁膜33には、水平方向に延びる配線や上下方向に延びるビアが設けられてもよいし、半導体装置10の外部との接続端子となるパッドが設けられてもよい。   A third insulating film 33 is formed on the second insulating film 32. The third insulating film 33 is the uppermost interlayer insulating film, and the inductor element 40 is formed on the second region E2. The third insulating film 33 may be provided with a wiring extending in the horizontal direction and a via extending in the vertical direction, or may be provided with a pad serving as a connection terminal with the outside of the semiconductor device 10.

上部配線層38は、インダクタ素子40が形成される配線層のことをいい、図示されるように第3絶縁膜33により構成される。上部配線層38の厚さd3は、例えば、約3〜10μmである。下部配線層37は、上部配線層38の下に位置するインダクタ素子40が形成されない配線層のことをいい、第1絶縁膜31および第2絶縁膜32により構成される。下部配線層37の厚さd2は、例えば、約5〜10μmである。   The upper wiring layer 38 is a wiring layer in which the inductor element 40 is formed, and is constituted by the third insulating film 33 as shown in the figure. The thickness d3 of the upper wiring layer 38 is, for example, about 3 to 10 μm. The lower wiring layer 37 is a wiring layer in which the inductor element 40 located below the upper wiring layer 38 is not formed, and is constituted by the first insulating film 31 and the second insulating film 32. The thickness d2 of the lower wiring layer 37 is, for example, about 5 to 10 μm.

本実施の形態では、第1絶縁膜31、第2絶縁膜32、第3絶縁膜33がそれぞれ一層ずつ設けられる場合を図示しているが、下部配線層37および上部配線層38がさらに多くの層間絶縁膜により構成されてもよい。例えば、下部配線層37が複数の第2絶縁膜32を有してもよいし、上部配線層38が複数の第3絶縁膜33により構成されてもよい。   In the present embodiment, the case where the first insulating film 31, the second insulating film 32, and the third insulating film 33 are provided one by one is illustrated, but the lower wiring layer 37 and the upper wiring layer 38 are further increased. An interlayer insulating film may be used. For example, the lower wiring layer 37 may include a plurality of second insulating films 32, and the upper wiring layer 38 may be configured of a plurality of third insulating films 33.

半導体基板12の主面12aの第2領域E2には、高抵抗層50が設けられる。高抵抗層50は、半導体基板12のボディ領域12dや、不純物拡散層13よりも抵抗率の高い領域であり、100Ω・cm以上の抵抗率を有する。高抵抗層50の抵抗率は、例えば、500Ω・cm以上であり、好ましくは1kΩ・cm以上である。   A high resistance layer 50 is provided in the second region E <b> 2 of the main surface 12 a of the semiconductor substrate 12. The high resistance layer 50 is a region having a higher resistivity than the body region 12d of the semiconductor substrate 12 and the impurity diffusion layer 13, and has a resistivity of 100 Ω · cm or more. The resistivity of the high resistance layer 50 is, for example, 500 Ω · cm or more, and preferably 1 kΩ · cm or more.

高抵抗層50は、半導体基板12の主面12aから反対側の裏面12bに向けてある程度の厚みを持つように形成される。高抵抗層50の厚さd1は、下部配線層37の厚さd2や上部配線層38の厚さd3よりも大きくなるように形成される。高抵抗層50は、20μm以上の厚さを有し、好ましくは50μm〜200μm程度の厚さを有する。高抵抗層50の厚さd1を大きくすることで、高抵抗層50の上に形成されるインダクタ素子40のQ値をより高めることができる。   The high resistance layer 50 is formed to have a certain thickness from the main surface 12a of the semiconductor substrate 12 toward the opposite back surface 12b. The thickness d1 of the high resistance layer 50 is formed to be larger than the thickness d2 of the lower wiring layer 37 and the thickness d3 of the upper wiring layer 38. The high resistance layer 50 has a thickness of 20 μm or more, and preferably has a thickness of about 50 μm to 200 μm. By increasing the thickness d1 of the high resistance layer 50, the Q value of the inductor element 40 formed on the high resistance layer 50 can be further increased.

高抵抗層50は、低抵抗基板にイオンビームを照射することにより形成される。ウェハにイオン照射がなされると、イオンの加速エネルギーに応じた深さまでイオンが到達する。その際、到達した領域を含む近傍では格子欠陥が形成され、結晶の規則性(周期性)が乱れた状態となる。このような格子欠陥が多い領域では電子が散乱されやすくなり、電子の移動が阻害される。つまり、イオン照射により局所的な格子欠陥が生じた領域では、抵抗率が上昇することになる。このようにして、高抵抗層50を形成できる。   The high resistance layer 50 is formed by irradiating a low resistance substrate with an ion beam. When the wafer is irradiated with ions, the ions reach a depth corresponding to the acceleration energy of the ions. At that time, lattice defects are formed in the vicinity including the reached region, and the regularity (periodicity) of the crystal is disturbed. In such a region having many lattice defects, electrons are easily scattered, and movement of electrons is hindered. That is, the resistivity increases in a region where local lattice defects are generated by ion irradiation. In this way, the high resistance layer 50 can be formed.

なお、イオン照射によって抵抗率が上昇する厚さ方向の位置や範囲は、イオン照射の加速エネルギーやイオン種、照射量を適宜選択することで調整可能である。例えば、イオン照射をする際のイオンの加速エネルギーを調整することで高抵抗層が形成される厚さ方向の位置(深さ)を調整できる。また、イオン照射に用いられるイオン種を適宜選択することで、高抵抗層が形成される厚さ方向の範囲(半値幅)を調整できる。さらに、加速エネルギーを変化させながら複数回のイオン照射をすることで、より厚みの大きい高抵抗層を形成できる。   The position and range in the thickness direction where the resistivity is increased by ion irradiation can be adjusted by appropriately selecting the acceleration energy, ion species, and dose of ion irradiation. For example, the position (depth) in the thickness direction where the high resistance layer is formed can be adjusted by adjusting the acceleration energy of ions when ion irradiation is performed. Moreover, the range (half width) in the thickness direction in which the high resistance layer is formed can be adjusted by appropriately selecting the ion species used for ion irradiation. Furthermore, a thicker high-resistance layer can be formed by performing ion irradiation a plurality of times while changing the acceleration energy.

本実施の形態においては、例えば、水素(H)やヘリウム(He)などの軽いイオンを、5MeV以上、100MeV以下の加速エネルギーで照射する。このような加速エネルギーのイオンビームを照射する装置として、サイクロトロン方式やバンデグラフ方式の装置が用いられる。このような照射条件を用いることにより、シリコンウェハにおいて半導体基板12の主面12aの近傍から深さ100μm以上の位置にまでイオンを到達させることができる。   In this embodiment, for example, light ions such as hydrogen (H) and helium (He) are irradiated with acceleration energy of 5 MeV or more and 100 MeV or less. As an apparatus for irradiating an ion beam with such acceleration energy, a cyclotron system or a bandegraph system is used. By using such irradiation conditions, ions can reach the position of the depth of 100 μm or more from the vicinity of the main surface 12a of the semiconductor substrate 12 in the silicon wafer.

図2は、インダクタ素子40の形状を模式的に示す上面図である。インダクタ素子40は、上部配線層38においてループ状に延びるアルミニウム(Al)や銅(Cu)などの帯状導電体により形成される。インダクタ素子40は、図示されるように、内側および外側の形状が四角形となるように形成され、コイルの巻数が1巻きとなるように形成される。したがって、インダクタ素子40の配線長lは、配線幅aおよび内径bを用いて、l≒4(a+b)と表される。   FIG. 2 is a top view schematically showing the shape of the inductor element 40. The inductor element 40 is formed of a strip-shaped conductor such as aluminum (Al) or copper (Cu) extending in a loop shape in the upper wiring layer 38. As shown in the figure, the inductor element 40 is formed so that the inner and outer shapes are square, and the number of turns of the coil is one. Therefore, the wiring length l of the inductor element 40 is expressed as 1≈4 (a + b) using the wiring width a and the inner diameter b.

なお、インダクタ素子40は、ループの外形が円形や八角形となるように形成されてもよいし、ループの巻数が複数となるように形成されてもよい。巻数を複数回とする場合には、ループを形成する帯状導電体が同じ層の層間絶縁膜に形成されてもよいし、異なる層の層間絶縁膜に形成されてもよい。また、帯状導電体は、渦巻き状に形成されてもよいし、弦巻バネのように形成されてもよい。インダクタ素子40は、所定の動作周波数において所望のインダクタンスLおよびQ値を有するように、外形状、配線幅a、内径b、巻数などの各種パラメータが最適化される。   The inductor element 40 may be formed so that the outer shape of the loop is circular or octagonal, or may be formed so that the number of turns of the loop is plural. When the number of turns is plural, the strip-like conductors forming the loop may be formed on the same interlayer insulating film or different interlayer insulating films. Further, the belt-like conductor may be formed in a spiral shape or may be formed like a string spring. Various parameters such as the outer shape, the wiring width a, the inner diameter b, and the number of turns are optimized so that the inductor element 40 has desired inductance L and Q values at a predetermined operating frequency.

本実施の形態に係るインダクタ素子40は、低抵抗基板上にインダクタ素子を形成する場合に最適化されるパラメータのうち配線幅aを大きくすることにより、高抵抗基板上での特性を向上させる。特に、インダクタ素子40が形成される上部配線層38と半導体基板12の間に位置する下部配線層37の厚さd2よりも配線幅aを大きくすることで、インダクタ素子40の所定の動作周波数におけるQ値を向上させる。   The inductor element 40 according to the present embodiment improves the characteristics on the high resistance substrate by increasing the wiring width a among the parameters optimized when the inductor element is formed on the low resistance substrate. In particular, by making the wiring width a larger than the thickness d2 of the lower wiring layer 37 located between the upper wiring layer 38 on which the inductor element 40 is formed and the semiconductor substrate 12, the inductor element 40 at a predetermined operating frequency. Improve the Q value.

以下、高抵抗基板上のインダクタ素子40の配線幅aを大きくすることによりQ値が高まる理由について述べる。まず、図3〜図5を参照しながら低抵抗基板上に形成されるインダクタ素子の周波数特性について述べる。つづいて、図6〜図8を参照しながら高抵抗基板上に形成されるインダクタ素子の周波数特性について述べる。   Hereinafter, the reason why the Q value is increased by increasing the wiring width a of the inductor element 40 on the high resistance substrate will be described. First, frequency characteristics of an inductor element formed on a low resistance substrate will be described with reference to FIGS. Next, frequency characteristics of the inductor element formed on the high resistance substrate will be described with reference to FIGS.

図3は、比較例に係る半導体装置110の構造を模式的に示す断面図である。比較例においては、インダクタ素子140の下の半導体基板112に高抵抗層が設けられておらず、低抵抗であるボディ領域112dの上の多層配線層130にインダクタ素子140が形成される。   FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the semiconductor device 110 according to the comparative example. In the comparative example, the high resistance layer is not provided on the semiconductor substrate 112 below the inductor element 140, and the inductor element 140 is formed in the multilayer wiring layer 130 on the body region 112d having a low resistance.

図4は、比較例に係るインダクタ素子140の等価回路図である。Rは、インダクタ素子140の抵抗成分、Lは、インダクタ素子140のインダクタンス成分を表す。COXは、半導体基板112とインダクタ素子140の間にある層間絶縁膜の容量成分、Csubは、インダクタ素子140の下に位置する半導体基板112の容量成分、Rsubは、半導体基板112の抵抗成分を表す。インダクタ素子140のQ値の周波数特性は、この等価回路を用いて下記の式(1)で表すことができる。式(1)に含まれるCは、式(2)で表される。 FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the inductor element 140 according to the comparative example. R L represents the resistance component of the inductor element 140, and L represents the inductance component of the inductor element 140. C OX is the capacitance component of the interlayer insulating film between the semiconductor substrate 112 and the inductor element 140, C sub is the capacitance component of the semiconductor substrate 112 located under the inductor element 140, and R sub is the resistance of the semiconductor substrate 112. Represents an ingredient. The frequency characteristic of the Q value of the inductor element 140 can be expressed by the following formula (1) using this equivalent circuit. C 0 in an expression (1) is represented by the formula (2).

Figure 2017041598
Figure 2017041598

図5は、低抵抗基板上のインダクタ素子140の周波数特性を示すグラフであり、(a)はQ値を示し、(b)はインダクタンスLを示す。本図は、低抵抗基板上に配置される図2の形状のインダクタ素子140について、配線幅aを6μm,9μm,15μm,30μmとした場合のシミュレーション結果である。本図に示すシミュレーションでは、所定の動作周波数として5GHzをターゲットとしてインダクタ素子140のパラメータを決定している。内径bは、100μm〜150μmであり、配線幅aの変化に対してインダクタンスLが一定となるように内径bを調整している。具体的には、配線幅aを大きくする場合に、内径bも大きくしている。   FIG. 5 is a graph showing frequency characteristics of the inductor element 140 on the low-resistance substrate, where (a) shows the Q value and (b) shows the inductance L. This figure shows the simulation results when the wiring width a is 6 μm, 9 μm, 15 μm, and 30 μm for the inductor element 140 having the shape of FIG. 2 arranged on the low resistance substrate. In the simulation shown in this figure, the parameters of the inductor element 140 are determined with a target of 5 GHz as the predetermined operating frequency. The inner diameter b is 100 μm to 150 μm, and the inner diameter b is adjusted so that the inductance L is constant with respect to the change in the wiring width a. Specifically, when the wiring width a is increased, the inner diameter b is also increased.

図5(a)に示されるように、インダクタ素子140のQ値が最大となる周波数ωは、配線幅aが大きくなるにつれて低下する。同様に、インダクタ素子140のQ値がゼロとなる自己共振周波数ωSPも配線幅aが大きくなるにつれて低下する。また、Q値が最大となる周波数ωと自己共振周波数ωSPの比は、ω/ωSP=0.1〜0.4となっている。これは、インダクタ素子140の特性を表す式(1)に半導体基板112に関する抵抗成分Rsubおよび容量成分Csubが含まれることに起因すると考えられる。 As shown in FIG. 5 (a), the frequency omega Q where Q value of the inductor element 140 is maximum decreases as the wire width a is increased. Similarly, the self-resonant frequency ω SP at which the Q value of the inductor element 140 becomes zero also decreases as the wiring width a increases. Further, the ratio of the frequency ω Q at which the Q value is maximized to the self-resonant frequency ω SP is ω Q / ω SP = 0.1 to 0.4. This is considered to be caused by the fact that the resistance component R sub and the capacitance component C sub related to the semiconductor substrate 112 are included in the expression (1) representing the characteristics of the inductor element 140.

図示されるシミュレーション結果から、5GHzにおいてQ値が最大となるインダクタ素子140は、配線幅a=15μmであることがわかる。その一方で、5GHzにおけるQ値は、配線幅a=6μm,9μm,15μmのものを比較すると、それほど差がない。オンチップインダクタは、基板上での専有面積を減らすためにサイズを小さくすることが望ましい。そのため、Q値に大きな差がない場合には、Q値の最大化よりも専有面積の低減を優先させてインダクタ素子のパラメータが決定されることがある。したがって、5GHzの動作周波数に最適なインダクタ素子として、配線幅a=6μmを選択することが望ましいかもしれない。   From the simulation results shown in the figure, it can be seen that the inductor element 140 having the maximum Q value at 5 GHz has a wiring width a = 15 μm. On the other hand, the Q value at 5 GHz is not so different when the wiring widths a = 6 μm, 9 μm, and 15 μm are compared. It is desirable to reduce the size of the on-chip inductor in order to reduce the area occupied on the substrate. Therefore, when there is no significant difference in the Q value, the inductor element parameter may be determined by giving priority to the reduction of the occupied area over the maximization of the Q value. Therefore, it may be desirable to select the wiring width a = 6 μm as the optimum inductor element for the operating frequency of 5 GHz.

図6は、実施の形態に係るインダクタ素子40の等価回路図である。本実施の形態では、インダクタ素子40の下に高抵抗層50が形成されるため、半導体基板12の影響を無視することができる。したがって、本実施の形態では、図4の比較例に係る等価回路から基板に関する抵抗成分Rsubおよび容量成分Csubを除いた図6の等価回路によりインダクタ素子40を表すことができる。このとき、インダクタ素子40のQ値の周波数特性は、図6の等価回路を用いて下記の式(3)で表すことができる。なお、式(3)に含まれるCは、図6のCOXである。 FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the inductor element 40 according to the embodiment. In the present embodiment, since the high resistance layer 50 is formed under the inductor element 40, the influence of the semiconductor substrate 12 can be ignored. Therefore, in this embodiment, the inductor element 40 can be represented by the equivalent circuit of FIG. 6 in which the resistance component R sub and the capacitance component C sub related to the substrate are removed from the equivalent circuit according to the comparative example of FIG. At this time, the frequency characteristic of the Q value of the inductor element 40 can be expressed by the following equation (3) using the equivalent circuit of FIG. In addition, C contained in Formula (3) is COX of FIG.

Figure 2017041598
Figure 2017041598

図7は、低抵抗基板上および高抵抗基板上のインダクタ素子の周波数特性を示すグラフであり、配線幅a=6μmのインダクタ素子の周波数特性を示す。本図は、図5に示した配線幅a=6μmのものと同じ形状のインダクタ素子についてのシミュレーション結果を示す。図7(a)に示されるように、高抵抗基板を用いることでほとんど全ての周波数帯域においてQ値が大きくなることがわかる。また、図7(b)に示されるように、低抵抗基板を用いる場合と高抵抗基板を用いる場合の双方で、動作周波数におけるインダクタンスLが同じになることがわかる。このように、低抵抗基板から高抵抗基板に切り替えることで、インダクタ素子のインダクタンスLを一定にしながらQ値を向上させることができる。   FIG. 7 is a graph showing the frequency characteristics of the inductor elements on the low resistance substrate and the high resistance board, and shows the frequency characteristics of the inductor elements having a wiring width a = 6 μm. This figure shows a simulation result for an inductor element having the same shape as that of the wiring width a = 6 μm shown in FIG. As shown in FIG. 7A, it can be seen that the Q value increases in almost all frequency bands by using the high resistance substrate. Further, as shown in FIG. 7B, it can be seen that the inductance L at the operating frequency is the same both when the low resistance substrate is used and when the high resistance substrate is used. Thus, by switching from the low resistance substrate to the high resistance substrate, the Q value can be improved while the inductance L of the inductor element is kept constant.

一方で、図7(a)に示されるように、高抵抗基板を用いると自己共振周波数ωSPが同じとなる一方で、Q値が最大となる周波数が低抵抗基板のωQ1から高抵抗基板のωQ2に大きくなることがわかる。具体的には、低抵抗基板を用いる場合にはω/ωSP=0.1〜0.4となるのに対し、高抵抗基板を用いる場合にはω/ωSP=0.5〜0.7となる。その結果、配線幅aを同じとしたまま高抵抗基板を用いると、Q値が最大となる周波数がターゲットとする動作周波数(例えば、5GHz)からずれてしまう。Q値が最大となる周波数からずれた動作周波数にてインダクタ素子を用いると、高抵抗基板を用いることによるQ値向上の効果が限定されてしまうかもしれない。 On the other hand, as shown in FIG. 7A, when a high-resistance substrate is used, the self-resonant frequency ω SP becomes the same, while the frequency at which the Q value becomes maximum is changed from ω Q1 of the low-resistance substrate to the high-resistance substrate. It turns out that it becomes large at ω Q2 . Specifically, when a low resistance substrate is used, ω Q / ω SP = 0.1 to 0.4, whereas when a high resistance substrate is used, ω Q / ω SP = 0.5 to 0.7. As a result, when a high resistance substrate is used with the same wiring width a, the frequency at which the Q value is maximized deviates from the target operating frequency (for example, 5 GHz). If the inductor element is used at an operating frequency that deviates from the frequency at which the Q value is maximized, the effect of improving the Q value by using a high-resistance substrate may be limited.

図8は、高抵抗基板上に配線幅aの大きいインダクタ素子を形成したときの周波数特性を示すグラフであり、高抵抗基板上に形成される配線幅a=15μmのインダクタ素子40の周波数特性を示す。図8(b)に示されるように、配線幅a=15μmにおいても、動作周波数におけるインダクタンスLが同じとなるようにインダクタ素子40の形状が決められている。図8(a)に示されるように、配線幅a=15μmにおける自己共振周波数ωSP3は、配線幅a=6μmにおける自己共振周波数ωSPよりも小さくなっており、Q値が最大となる周波数ωQ3も周波数ωQ2よりも小さくなっている。その結果、Q値が最大となる周波数ωQ3をターゲットとする動作周波数(5GHz)に近づけることができ、動作周波数におけるQ値を大幅に向上させることができる。 FIG. 8 is a graph showing the frequency characteristics when an inductor element having a large wiring width a is formed on a high resistance substrate. The frequency characteristics of the inductor element 40 having a wiring width a = 15 μm formed on the high resistance substrate are shown. Show. As shown in FIG. 8B, the shape of the inductor element 40 is determined so that the inductance L at the operating frequency is the same even in the wiring width a = 15 μm. As shown in FIG. 8A, the self-resonant frequency ω SP3 at the wiring width a = 15 μm is smaller than the self-resonant frequency ω SP at the wiring width a = 6 μm, and the frequency ω at which the Q value becomes maximum. Q3 also is smaller than the frequency ω Q2. As a result, the frequency ω Q3 with the maximum Q value can be brought close to the target operating frequency (5 GHz), and the Q value at the operating frequency can be greatly improved.

このように、本実施の形態によれば、低抵抗基板上にインダクタ素子を形成する場合に最適化される配線幅(例えば、a=6μm)よりも大きな配線幅(例えば、2倍以上となるa=15μm)とすることで、高抵抗基板上での特性を向上させることができる。特に、インダクタ素子40が形成される上部配線層38と半導体基板12の間に位置する下部配線層37の厚さd2(例えば、5〜10μm)よりも大きな配線幅(例えば、a=15μm)にすることで、所定の動作周波数(例えば、5GHz)におけるインダクタ素子40のQ値を大幅に高めることができる。   Thus, according to the present embodiment, the wiring width (for example, twice or more) is larger than the wiring width (for example, a = 6 μm) optimized when the inductor element is formed on the low-resistance substrate. By setting a = 15 μm), the characteristics on the high resistance substrate can be improved. Particularly, the wiring width (for example, a = 15 μm) larger than the thickness d2 (for example, 5 to 10 μm) of the lower wiring layer 37 located between the upper wiring layer 38 in which the inductor element 40 is formed and the semiconductor substrate 12 is used. By doing so, the Q value of the inductor element 40 at a predetermined operating frequency (for example, 5 GHz) can be significantly increased.

なお、図8に示す高抵抗基板上に配線幅a=15μmで形成されるインダクタ素子40は、10GHz程度の周波数をターゲットとするインダクタとして用いてもよい。例えば、Q値が最大となる周波数ωQ3(約9GHz)よりも高い周波数をターゲットとするインダクタとして用いてもよい。このような周波数帯域においても、より大きい配線幅と高抵抗基板を組み合わせることによって、性能の高いインダクタ素子を提供することができる。 Note that the inductor element 40 formed with the wiring width a = 15 μm on the high resistance substrate shown in FIG. 8 may be used as an inductor targeting a frequency of about 10 GHz. For example, it may be used as an inductor that targets a frequency higher than the frequency ω Q3 (about 9 GHz) at which the Q value is maximum. Even in such a frequency band, an inductor element with high performance can be provided by combining a larger wiring width and a high resistance substrate.

つづいて、本実施の形態に係る半導体装置10の製造方法について述べる。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device 10 according to the present embodiment will be described.

図9は、半導体装置10の製造工程を模式的に示す図であり、高抵抗層を形成する前の状態を示す。半導体基板12の主面12aのうち第1領域E1には、ウェル領域14、ソース領域15、ドレイン領域16、ゲート電極17、ゲート絶縁膜18、素子分離領域22が形成され、トランジスタ20などの半導体素子が形成される。   FIG. 9 is a diagram schematically showing the manufacturing process of the semiconductor device 10 and shows a state before the high resistance layer is formed. A well region 14, a source region 15, a drain region 16, a gate electrode 17, a gate insulating film 18, and an element isolation region 22 are formed in the first region E1 of the main surface 12a of the semiconductor substrate 12, and a semiconductor such as a transistor 20 is formed. An element is formed.

次に、主面12aの上に第1絶縁膜31が積層され、配線24やコンタクト25が形成される箇所の絶縁膜が除去され、配線24やコンタクト25を形成する金属層が設けられる。つづいて、第1絶縁膜31の上に第2絶縁膜32が積層され、配線24やビア26が形成される箇所の絶縁膜が除去され、配線24やビア26を形成する金属層が設けられる。これにより、下部配線層37ができあがる。   Next, the first insulating film 31 is laminated on the main surface 12 a, the insulating film where the wiring 24 and the contact 25 are formed is removed, and a metal layer that forms the wiring 24 and the contact 25 is provided. Subsequently, the second insulating film 32 is laminated on the first insulating film 31, the insulating film where the wiring 24 and the via 26 are formed is removed, and a metal layer that forms the wiring 24 and the via 26 is provided. . Thereby, the lower wiring layer 37 is completed.

さらに、第2絶縁膜32の上に第3絶縁膜33が積層され、第2領域E2においてインダクタ素子40が形成される箇所の絶縁膜が除去され、インダクタ素子40を形成する金属層が設けられる。インダクタ素子40は、配線幅aが下部配線層37の厚さd2よりも大きくなるように形成される。これにより、上部配線層38ができあがる。   Further, the third insulating film 33 is laminated on the second insulating film 32, the insulating film at the portion where the inductor element 40 is formed in the second region E2 is removed, and a metal layer for forming the inductor element 40 is provided. . The inductor element 40 is formed such that the wiring width a is larger than the thickness d2 of the lower wiring layer 37. Thereby, the upper wiring layer 38 is completed.

図10は、半導体装置10の製造工程を模式的に示す図であり、イオン照射により高抵抗層50を形成する様子を示す。図9に示す工程により形成された多層配線層30の上にマスク60を配置し、マスク60の上からイオンビームIBを半導体基板12に向けて照射する。マスク60は、第2領域E2に対応する領域に開口62が設けられており、第2領域E2に向かうイオンビームIBを通過させ、第1領域E1に向かうイオンビームIBを遮蔽する。第1領域E1に向かうイオンビームIBを遮蔽することにより、トランジスタ20を形成するウェル領域14、ソース領域15、ドレイン領域16などの不純物拡散層13の抵抗率がイオン照射により高くなることを防ぐ。不純物拡散層13の抵抗率を低く保つことで、トランジスタ20などの半導体素子の特性が低下するのを防ぐことができる。   FIG. 10 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the semiconductor device 10 and shows a state in which the high resistance layer 50 is formed by ion irradiation. A mask 60 is disposed on the multilayer wiring layer 30 formed by the process shown in FIG. 9, and the ion beam IB is irradiated from above the mask 60 toward the semiconductor substrate 12. The mask 60 has an opening 62 in a region corresponding to the second region E2, and allows the ion beam IB toward the second region E2 to pass therethrough and shields the ion beam IB toward the first region E1. By shielding the ion beam IB toward the first region E1, the resistivity of the impurity diffusion layer 13 such as the well region 14, the source region 15, and the drain region 16 forming the transistor 20 is prevented from being increased by ion irradiation. By keeping the resistivity of the impurity diffusion layer 13 low, it is possible to prevent the characteristics of the semiconductor element such as the transistor 20 from being deteriorated.

半導体基板12のうちイオンビームIBが照射される第2領域E2には、高抵抗層50が形成される。高抵抗層50は、図示されるように、複数の高抵抗領域51〜53により構成される。主面12aの近傍に形成される第1高抵抗領域51は、加速エネルギーの低いイオンビームIBを照射することにより形成される。主面12aから厚さ方向に離れた第3高抵抗領域53は、加速エネルギーの高いイオンビームIBを照射することにより形成される。第1高抵抗領域51と第3高抵抗領域53の間に形成される第2高抵抗領域52は、加速エネルギーが中程度のイオンビームIBを照射することにより形成される。このように、加速エネルギーを変化させながら複数回イオンビームIBを照射することにより、高抵抗層50の厚さd1を大きくできる。また、半導体基板12の主面12a側からイオン照射することにより、主面12aの近傍、つまり、多層配線層30の直下に高抵抗領域を形成することができる。   A high resistance layer 50 is formed in the second region E2 of the semiconductor substrate 12 irradiated with the ion beam IB. As illustrated, the high resistance layer 50 includes a plurality of high resistance regions 51 to 53. The first high resistance region 51 formed in the vicinity of the main surface 12a is formed by irradiating the ion beam IB having low acceleration energy. The third high resistance region 53 away from the main surface 12a in the thickness direction is formed by irradiating the ion beam IB having high acceleration energy. The second high resistance region 52 formed between the first high resistance region 51 and the third high resistance region 53 is formed by irradiating the ion beam IB having a medium acceleration energy. Thus, by irradiating the ion beam IB a plurality of times while changing the acceleration energy, the thickness d1 of the high resistance layer 50 can be increased. Further, by irradiating ions from the main surface 12 a side of the semiconductor substrate 12, a high resistance region can be formed in the vicinity of the main surface 12 a, that is, immediately below the multilayer wiring layer 30.

図10に示す工程により高抵抗層50の形成した後、半導体基板12に熱処理を加えてもよい。熱処理の温度は、半導体装置の使用時に想定される動作上限温度であり、例えば100℃や200℃である。熱処理により高抵抗層50の一部領域において抵抗率に変化が生じ、場所によっては抵抗率が低下する。予め熱処理を施すことで、動作上限温度の範囲内で半導体装置10を用いる場合に、事後的に高抵抗層の抵抗率が低下してしまう影響を低減できる。これにより、事後的な抵抗率の変化を抑制でき、半導体装置10の信頼性を高めることができる。   After the high resistance layer 50 is formed by the process shown in FIG. 10, the semiconductor substrate 12 may be subjected to heat treatment. The temperature of the heat treatment is an operation upper limit temperature assumed when the semiconductor device is used, and is, for example, 100 ° C. or 200 ° C. The heat resistance causes a change in resistivity in a partial region of the high resistance layer 50, and the resistivity decreases depending on the location. By performing the heat treatment in advance, when the semiconductor device 10 is used within the range of the operation upper limit temperature, it is possible to reduce the influence that the resistivity of the high resistance layer is subsequently lowered. Thereby, a subsequent change in resistivity can be suppressed, and the reliability of the semiconductor device 10 can be improved.

このような熱処理は、ウェハをダイシングして個片化する工程や、個片化されたチップと実装基板とをワイヤボンドで結線する工程や、チップを樹脂で封止する工程が含まれる、いわゆる「後工程」において行われてもよい。例えば、チップを樹脂で封止する工程において、樹脂硬化に必要な温度までチップを加熱することにより、封止処理を兼ねつつ熱処理を施すことができる。なお、樹脂封止工程とは別の工程として、熱処理を施してもよい。   Such heat treatment includes a step of dicing the wafer into individual pieces, a step of connecting the separated chips and the mounting substrate with wire bonds, and a step of sealing the chips with a resin, so-called. You may perform in a "post process." For example, in the step of sealing the chip with a resin, the chip can be heated to a temperature necessary for resin curing to perform heat treatment while also serving as a sealing process. In addition, you may heat-process as a process different from a resin sealing process.

図11は、イオン照射後の半導体基板の抵抗率分布の一例を示すグラフである。本図は、半導体基板の主面から13μm,28μm,48μmの深さ位置にHe2+のイオンを1013/cmのドーズ量で照射した場合の結果を示す。図示されるように、主面から約60μmの深さまでの範囲において、基板の抵抗率が約30Ω・cmから約3kΩ・cmに増大していることがわかる。また、イオン照射後に熱処理を加えた場合であっても、約2kΩ・cm以上の高抵抗層が約60μmの厚さで形成されていることがわかる。このように、加速エネルギーを変えて異なる深さ位置にイオンビームを照射することにより、厚い高抵抗層を形成することができる。 FIG. 11 is a graph showing an example of the resistivity distribution of the semiconductor substrate after ion irradiation. This figure shows the result when 3 He 2+ ions are irradiated at a dose of 10 13 / cm 2 at depths of 13 μm, 28 μm, and 48 μm from the main surface of the semiconductor substrate. As shown, the resistivity of the substrate increases from about 30 Ω · cm to about 3 kΩ · cm in the range from the main surface to a depth of about 60 μm. It can also be seen that a high resistance layer of about 2 kΩ · cm or more is formed with a thickness of about 60 μm even when heat treatment is applied after ion irradiation. In this way, a thick high resistance layer can be formed by irradiating the ion beam at different depth positions while changing the acceleration energy.

なお、さらに厚い高抵抗層を形成するために、裏面からのイオンビーム照射を組み合わせてもよい。図12は、イオン照射後の半導体基板の抵抗率分布の一例を示すグラフであり、主面からのイオン照射と裏面からのイオン照射を組み合わせた場合の結果を示す。本図では、半導体基板の主面側から深さ40μm,140μmの位置にHe2+のイオンを1013/cmのドーズ量で照射するとともに、半導体基板の裏面側から深さ60μmの位置にHe2+のイオンを1013/cmのドーズ量で照射した場合の結果を示す。図示されるように、主面から約150μmの深さまでの範囲において、基板の抵抗率が約3Ω・cmから約1kΩ・cm以上に増大していることがわかる。また、熱処理後においても、主面から約150μmの深さまでのほとんどの領域において、基板の抵抗率が約1kΩ・cmの高抵抗層となっていることがわかる。このように、加速エネルギーを変えて異なる深さ位置にイオンビームを照射するとともに、裏面からのイオンビームの照射を組み合わせることで、さらに厚い高抵抗層を形成することができる。 In order to form a thicker high-resistance layer, ion beam irradiation from the back surface may be combined. FIG. 12 is a graph showing an example of the resistivity distribution of the semiconductor substrate after ion irradiation, and shows the result when combining ion irradiation from the main surface and ion irradiation from the back surface. In this figure, ions of 3 He 2+ are irradiated at a dose of 10 13 / cm 2 at positions 40 μm and 140 μm deep from the main surface side of the semiconductor substrate, and at a position 60 μm deep from the back surface side of the semiconductor substrate. The result at the time of irradiating the ion of 3 He <2+ > by the dose amount of 10 < 13 > / cm < 2 > is shown. As shown, the resistivity of the substrate increases from about 3 Ω · cm to about 1 kΩ · cm or more in the range from the main surface to a depth of about 150 μm. In addition, even after the heat treatment, it can be seen that the substrate has a high resistance layer having a resistivity of about 1 kΩ · cm in most regions from the main surface to a depth of about 150 μm. In this way, a thicker high resistance layer can be formed by irradiating the ion beam at different depth positions by changing the acceleration energy and combining the ion beam irradiation from the back surface.

裏面からイオンビームを照射する場合には、図9に示すようなマスク60を裏面12bに配置し、第2領域E2に選択的にイオン照射されるようにしてもよいし、マスク60を設けずにイオン照射してもよい。裏面からイオンビームを照射する場合には、トランジスタ20などの半導体素子が形成される第1領域E1の主面12aの近傍までイオンが到達しにくい。そのため、マスクを設けずにイオン照射する場合であっても、トランジスタ20などの半導体素子に与える影響を小さくして高抵抗層を形成することができる。   When the ion beam is irradiated from the back surface, a mask 60 as shown in FIG. 9 may be arranged on the back surface 12b so that the second region E2 is selectively irradiated with ions, or the mask 60 is not provided. May be irradiated with ions. When the ion beam is irradiated from the back surface, ions hardly reach the vicinity of the main surface 12a of the first region E1 where the semiconductor element such as the transistor 20 is formed. Therefore, even when ion irradiation is performed without providing a mask, the high resistance layer can be formed with less influence on a semiconductor element such as the transistor 20.

なお、加速エネルギーを変えて異なる深さ位置にイオンビームを照射する場合には、リン(P)やヒ素(As)などのn型ドーパントが拡散されたn型基板よりも、ボロン(B)やアルミニウム(Al)などのp型ドーパントが拡散されたp型基板の方が高抵抗層を形成しやすい。いいかえれば、p型基板は、n型基板と比べて抵抗率の増加量が大きくなりやすい。したがって、p型基板を用いることで、より厚い高抵抗層を形成することができる。   Note that when irradiating an ion beam to different depth positions by changing acceleration energy, boron (B) or more than an n-type substrate in which an n-type dopant such as phosphorus (P) or arsenic (As) is diffused. A p-type substrate in which a p-type dopant such as aluminum (Al) is diffused is easier to form a high resistance layer. In other words, the amount of increase in resistivity is likely to be greater in a p-type substrate than in an n-type substrate. Therefore, a thicker high resistance layer can be formed by using a p-type substrate.

以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。   The present invention has been described based on the embodiments. It is understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, and various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. It is a place.

上述の実施の形態においては、照射するイオンの加速エネルギーを変えて、イオン照射を3回行う場合について示した。変形例においては、加速エネルギーを変えずに1回だけイオン照射してもよいし、照射条件を変えて2回や4回以上イオン照射してもよい。加速エネルギーを変えて照射回数を増やすことでより厚い高抵抗層を形成して、インダクタ素子の特性を向上させることができる。一方、照射回数を減らすことによりイオン照射にかかるコストを低減させることができる。したがって、イオン照射回数は、インダクタ素子に必要となる高抵抗層の厚さに応じて適宜調整されることが望ましい。具体的には、2回〜7回程度の範囲でイオン照射回数を調整することが望ましい。   In the above-described embodiment, the case where the ion irradiation is performed three times while changing the acceleration energy of the irradiated ions has been described. In a modification, ion irradiation may be performed only once without changing acceleration energy, or ion irradiation may be performed twice or four times or more by changing irradiation conditions. By changing the acceleration energy and increasing the number of irradiations, a thicker high resistance layer can be formed and the characteristics of the inductor element can be improved. On the other hand, by reducing the number of irradiations, the cost for ion irradiation can be reduced. Therefore, it is desirable that the number of ion irradiations is appropriately adjusted according to the thickness of the high resistance layer required for the inductor element. Specifically, it is desirable to adjust the number of ion irradiations in the range of about 2 to 7 times.

上述の実施の形態においては、低抵抗基板にイオン照射することで高抵抗層を形成することとした。変形例においては、半導体基板として高抵抗基板を用いることとしてもよいし、インダクタ素子が形成される領域の下に埋め込み酸化膜(BOX;Buried Oxide)などを形成することで高抵抗層を形成してもよい。このような高抵抗層を用いる場合においても、インダクタ素子の配線幅を大きくすることでQ値を向上させることができる。   In the above embodiment, the high resistance layer is formed by irradiating the low resistance substrate with ions. In the modification, a high resistance substrate may be used as the semiconductor substrate, or a high resistance layer is formed by forming a buried oxide film (BOX) under the region where the inductor element is formed. May be. Even when such a high resistance layer is used, the Q value can be improved by increasing the wiring width of the inductor element.

E1…第1領域、E2…第2領域、10…半導体装置、12…半導体基板、12a…主面、12b…裏面、13…不純物拡散層、24…配線、30a…主面、37…下部配線層、38…上部配線層、40…インダクタ素子、50…高抵抗層、a…配線幅。   E1 ... first region, E2 ... second region, 10 ... semiconductor device, 12 ... semiconductor substrate, 12a ... main surface, 12b ... back surface, 13 ... impurity diffusion layer, 24 ... wiring, 30a ... main surface, 37 ... lower wiring Layer, 38 ... upper wiring layer, 40 ... inductor element, 50 ... high resistance layer, a ... wiring width.

Claims (12)

主面に不純物拡散層が形成される第1領域と、前記主面に前記不純物拡散層よりも抵抗率の高い高抵抗層が形成される第2領域とを有する半導体基板と、
前記主面上に形成され、少なくとも一層の層間絶縁膜を含む下部配線層と、
前記下部配線層上に形成され、少なくとも一層の層間絶縁膜を含む上部配線層と、
前記第2領域の上の前記上部配線層に形成され、前記下部配線層の厚さよりも配線幅の大きいインダクタ素子と、を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate having a first region in which an impurity diffusion layer is formed on a main surface and a second region in which a high-resistance layer having a higher resistivity than the impurity diffusion layer is formed on the main surface;
A lower wiring layer formed on the main surface and including at least one interlayer insulating film;
An upper wiring layer formed on the lower wiring layer and including at least one interlayer insulating film; and
A semiconductor device comprising: an inductor element formed in the upper wiring layer on the second region and having a wiring width larger than a thickness of the lower wiring layer.
前記高抵抗層は、前記半導体基板へのイオン照射により形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the high resistance layer is formed by ion irradiation on the semiconductor substrate. 前記高抵抗層の厚さは、前記配線層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the high resistance layer is larger than a thickness of the wiring layer. 前記インダクタ素子は、前記インダクタ素子のQ値が最大となる周波数が前記インダクタ素子の自己共振周波数の0.5〜0.7倍となることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。   4. The inductor element according to claim 1, wherein a frequency at which a Q value of the inductor element is maximum is 0.5 to 0.7 times a self-resonance frequency of the inductor element. 5. A semiconductor device according to 1. 前記インダクタ素子の配線幅は、100Ω・cm以下の低抵抗基板上にインダクタ素子を形成する場合に最適化される配線幅よりも大きいことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体装置。   The wiring width of the inductor element is larger than a wiring width optimized when the inductor element is formed on a low resistance substrate of 100 Ω · cm or less. The semiconductor device described. 主面に不純物拡散層が形成される第1領域と、前記主面において前記第1領域と異なる第2領域とを有する半導体基板を用意することと、
前記主面上に少なくとも一層の層間絶縁膜を含む下部配線層を形成することと、
前記下部配線層上に少なくとも一層の層間絶縁膜を含む上部配線層を形成することと、
前記第2領域の上の前記上部配線層に前記下部配線層の厚さよりも配線幅の大きいインダクタ素子を形成することと、
前記第2領域にイオン照射して前記半導体基板中にイオン照射前よりも抵抗率の高い高抵抗層を形成することと、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Providing a semiconductor substrate having a first region where an impurity diffusion layer is formed on a main surface and a second region different from the first region on the main surface;
Forming a lower wiring layer including at least one interlayer insulating film on the main surface;
Forming an upper wiring layer including at least one interlayer insulating film on the lower wiring layer;
Forming an inductor element having a wiring width larger than the thickness of the lower wiring layer in the upper wiring layer on the second region;
And irradiating the second region with ions to form a high resistance layer having a higher resistivity than before ion irradiation in the semiconductor substrate.
前記高抵抗層を形成することは、前記主面側から前記半導体基板へ向けてイオン照射することを含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein forming the high resistance layer includes irradiating ions from the main surface side toward the semiconductor substrate. 前記高抵抗層を形成することは、前記主面側から前記半導体基板へ向けて加速エネルギーを変えて複数回イオン照射することを含むことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein forming the high resistance layer includes irradiating ions a plurality of times while changing acceleration energy from the main surface side toward the semiconductor substrate. . 前記高抵抗層を形成することは、前記主面の反対側にある前記半導体基板の裏面側からイオン照射することをさらに含むことを特徴とする請求項7または8に記載の半導体装置の製造方法。   9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein forming the high resistance layer further includes irradiating ions from a back surface side of the semiconductor substrate on the opposite side of the main surface. . 前記高抵抗層を形成することは、前記インダクタ素子を形成した後に前記上部配線層の上からイオン照射することを含むことを特徴とする請求項8から9のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The semiconductor device according to claim 8, wherein forming the high resistance layer includes irradiating ions from above the upper wiring layer after forming the inductor element. Manufacturing method. 前記高抵抗層を形成した後に、前記半導体基板への熱処理を行うことをさらに備えることを特徴とする請求項6から10のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, further comprising performing a heat treatment on the semiconductor substrate after forming the high-resistance layer. 前記半導体基板は、チョクラルスキー(CZ)法により形成されるp型基板を用いて形成されることを特徴とする請求項6から11のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the semiconductor substrate is formed using a p-type substrate formed by a Czochralski (CZ) method.
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