JP4869546B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造を有する半導体装置において、放熱を効率的に行うための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＳＯＩ構造を有する半導体装置（ＳＯＩデバイス）は、支持基板上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）を介して形成されたシリコン層（ＳＯＩ層）を有している。そのため、当該ＳＯＩ層に形成される例えばトランジスタ等の半導体素子は、その周囲をシリコン酸化膜で覆われた構造となる。シリコン酸化膜は、支持基板を構成するシリコン（Ｓｉ）や、配線に使用されるアルミニウム（Ａｌ）などに比べて熱伝導度が極めて低い。よって、ＳＯＩデバイスでは、ＳＯＩ層に形成されたトランジスタで発生する熱が外部に逃げ難く、当該トランジスタの温度が上昇して流れる電流が減少する現象（セルフヒート効果）が起こる。セルフヒート効果により、トランジスタを流れる電流が低下すると、ＳＯＩデバイスの動作が不安定になったり、誤動作が生じることが考えられる。そのため従来より、ＳＯＩデバイスの放熱効果を高めるための技術が、提案されている。
【０００３】
例えば、ＳＯＩ層と支持基板と接する放熱用の絶縁トレンチやコンタクトを形成することで、ＳＯＩ層で発生した熱を支持基板に逃す技術が提案されている（例えば、特許文献１−５）。また、ＳＯＩ基板における支持基板を除去し、ＳＯＩ層の下の酸化膜を直接放熱フィン上に接合する技術もある（例えば、特許文献６）。支持基板に金属を拡散させて合金層を形成することで放熱効果を高める技術も提案されている（例えば、特許文献７）。また、支持基板を研磨により薄く加工し、その下に金属膜を形成することで放熱効果を高める技術もある。（例えば、特許文献８）。
【０００４】
さらに、支持基板側から酸化膜を貫通してＳＯＩ層の下面に達する金属膜を形成し、ＳＯＩ層で発生した熱を当該金属膜へ逃す技術もある（例えば特許文献９）。この手法によれば、ＳＩＯ層で発生した熱が、酸化膜や支持基板を介することなく金属膜へ直接放熱されるので、特に高い放熱効果が期待できる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−５０９９９号公報（第３−５頁、第１−２図）
【特許文献２】
特開平１１−３５４８０７号公報（第４−７頁、第１図）
【特許文献３】
特開２００２−１２４５６４号公報（第３−４頁、第２図）
【特許文献４】
特開２００２−１９８４９３号公報（第３−４頁、第１−７図）
【特許文献５】
特開平５−２６７４４３号公報（第３−４頁、第１−２０図）
【特許文献６】
特開平６−３１０６３３号公報（第４頁、第２図）
【特許文献７】
特開平２−３０３１４１号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献８】
特開平４−３５６９６７号公報（第３頁、第１−６図）
【特許文献９】
特開平６−２９３７６号公報（第４−６頁、第１−７図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献９のように、ＳＯＩ層の下面に直接接する金属膜を形成することにより、高い放熱効果が期待できる。しかし、近年の高速動作を目的としたＳＯＩデバイス（高速ＳＯＩデバイス）では、ＳＯＩ層のトランジスタにおけるソースドレイン拡散層は、ＳＯＩ層の下面にまで達する構造を有している。それにより、ソースドレイン拡散層における接合容量が低く抑えられるため、高速動作が可能になるのである。そのような構造を有するＳＯＩ層の下面に接する金属層を形成すると、トランジスタのソースおよびドレインが当該金属層を介して短絡してしまう。
【０００７】
本発明は以上のような問題を解決するためになされたものであり、高速ＳＯＩデバイスにも対応可能であり、高い放熱効果を得ることができる半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、第１および第２の半導体チップを備える半導体装置であって、前記第１の半導体チップは、第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上に形成され、ＭＯＳトランジスタが作り込まれたシリコン層と、前記シリコン層の上に形成された第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜の上に形成された第１の配線と、前記シリコン層の前記ＭＯＳトランジスタのソースと前記第１の配線とを接続する第１のプラグと、前記第１の絶縁膜の下に形成された支持基板と、前記支持基板の下に形成された裏面金属膜と、前記第１の配線と前記裏面金属膜とを接続する第２のプラグとを備え、前記第１および第２のプラグ、前記第１の配線並びに前記裏面金属膜は、前記第１の絶縁膜よりも高い熱伝導度を有し、前記第１の半導体チップの前記裏面金属膜は、前記第１の半導体チップより消費電力の少ない前記第２の半導体チップに接続されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る半導体装置であるＳＯＩデバイスの構成を示す図である。当該ＳＯＩデバイスは、シリコンの支持基板１０上に第１の絶縁膜であるシリコン酸化膜１１を介してシリコン層（ＳＯＩ層）１２が形成されたＳＯＩ構造を有している。ＳＯＩ層１２にはトランジスタＴ１が形成されている。またＳＯＩ層１２には、それに形成される半導体素子同士を絶縁分離するためのシリコン酸化膜１３が形成される。さらに、ＳＯＩ層１２上には第２の絶縁膜であるシリコン酸化膜１４が形成され、当該シリコン酸化膜１４の上にはアルミニウム（Ａｌ）の配線１７ａ，１７ｂが形成される。第１の配線である配線１７ａは、タングステン（Ｗ）の第１のプラグであるコンタクトプラグ１５ａを介してトランジスタＴ１のソースに接続される。一方、配線１７ｂはタングステンのコンタクトプラグ１５ｂを介してトランジスタＴ１のドレインに接続される。本実施の形態では、トランジスタＴ１はｎＭＯＳトランジスタであり、配線１７ａはグラウンド（Ｇｎｄ）に接続される配線であるとする。
【００１２】
支持基板１０の下面（裏面）には裏面膜として金属の裏面メタル１８が形成される。当該裏面メタル１８は、タングステンの第２のプラグである放熱用プラグ１６を介して配線１７ａと接続している。一般的に、金属は高い熱伝導度を有していることが知られている。裏面メタル１８は、シリコン酸化膜１１，１３，１４および支持基板１０よりも熱伝導度が高い金属であり、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）や、それらの化合物等である。
【００１３】
また、本実施の形態では、コンタクトプラグ１５ａおよび放熱用プラグ１６の材料をタングステン、配線１７ａ，１７ｂの材料をアルミニウムとして説明するが、これらの材料も支持基板１０およびシリコン酸化膜１１，１３，１４よりも熱伝導度が高い材料であれば他のものであってもよい。
【００１４】
以上のような構成により、ＳＯＩ層１２に形成されたトランジスタＴ１で発生した熱は、コンタクトプラグ１５ａ、配線１７ａを介して放熱用プラグ１６に伝わり、さらに裏面メタル１８に放熱される。裏面メタル１８は支持基板１０よりも熱伝導度が高いため、トランジスタＴ１で発生した熱を支持基板１０に逃す場合よりも高い放熱効果を得ることができる。よって、ＳＯＩデバイスにおけるセルフヒート効果を抑制することができる。
【００１５】
また、図１から分かるように、裏面メタル１８はＳＯＩ層１２に形成されたトランジスタＴ１の下面に接するものではない（トランジスタＴ１と裏面メタル１８との間にシリコン酸化膜１１が存在する）。よって、トランジスタＴ１が、ＳＯＩ層１２の下面にまで達するソースドレイン拡散層を有する構造であっても、裏面メタル１８を介してソース−ドレイン間の短絡を発生させることはない。即ち、本発明は高速ＳＯＩデバイスに対しても適用可能である。
【００１６】
以下、図１に示した半導体装置の製造工程を説明する。まず、シリコンの支持基板１０上に、シリコン酸化膜１１、シリコン層（ＳＯＩ層）１２が形成されたＳＯＩウェハを準備する（図２）。当該ＳＯＩウェハにおける、シリコン酸化膜１１の厚さは１０〜３００ｎｍ程度、ＳＯＩ層１２の膜厚は５０〜５００ｎｍ程度である。
【００１７】
そして、ＳＯＩ層１２上面に５〜５０ｎｍ程度の熱酸化膜（シリコン酸化膜）２１、１００〜３００ｎｍ程度のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）２２を順に堆積する。次いで、素子分離膜であるシリコン酸化膜１３の形成領域を開口したフォトレジスト（不図示）をシリコン窒化膜２２上に形成し、それをマスクとして、ＳＯＩ層１２、シリコン酸化膜２１、シリコン窒化膜２２をエッチングする（図３）。その結果、ＳＯＩ層１２の活性領域がパターンニングされる。そしてシリコン酸化膜１３を１００〜５００ｎｍの堆積し、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により研磨を行う（図４）。
【００１８】
シリコン酸化膜２１およびシリコン窒化膜２２をウェットエッチングで除去し、ＳＯＩ層１２にチャネル注入を行う。トランジスタＴ１はｎＭＯＳトランジスタであるので、例えばｐ型ドーパントであるボロン（Ｂ）を、注入エネルギー数十ｋｅＶ、ドーズ量１０12〜１０13／ｃｍ2程度の条件でイオン注入する。その後、熱酸化によりＳＯＩ層１２の表面に数ｎｍのゲート酸化膜２３を形成し、その上にポリシリコン２４を５０〜２００ｎｍ堆積する（図５）。
【００１９】
ポリシリコン２４をリソグラフィ技術によりパターンニングすることでゲート電極２５を形成した後、イオン注入によりＬＤＤ（Lightly Doped Drain）領域２６を形成する。例えばｎ型ドーパントである砒素（Ａｓ）を注入エネルギー数ｋｅＶ、ドーズ量１０15〜１０16／ｃｍ2程度の条件でイオン注入する。そして、シリコン酸化膜を１０〜１００ｎｍ程度堆積してエッチバックすることにより、ゲート電極２５の側面にサイドウォール２７を形成する（図６）。
【００２０】
サイドウォール２７形成後、イオン注入によりソースドレイン領域２８を形成する。例えばｎ型ドーパントであるＡｓを注入エネルギー数十ｋｅＶ、ドーズ量１０15〜１０16／ｃｍ2程度の条件でイオン注入する。トランジスタＴ１が高速動作を目的とするトランジスタである場合は、ソースドレイン領域２８は、ＳＯＩ層１２の下面にまで達するように形成される。そして、ゲート電極２５およびソースドレイン領域２８上面をシリサイド化する。それによりＳＯＩ層１２に、ゲート酸化膜２３、ゲート電極２５、ＬＤＤ領域２６、サイドウォール２７、ソースドレイン領域２８およびシリサイド２９から成るトランジスタＴ１が形成される。その後、当該トランジスタＴ１上にシリコン酸化膜１４を５００〜１０００ｎｍ程度堆積し、上面をＣＭＰにより平坦化する（図７）。
【００２１】
次いで、リソグラフィ技術により、放熱用プラグ１６を形成する領域にシリコン酸化膜１１，１３，１４を通して支持基板１０にまで達する開口を形成すると共に、シリコン酸化膜１４のコンタクトプラグ１５ａ，１５ｂを形成する領域にトランジスタＴ１のソースおよびドレインに達するコンタクトホールを形成する。そして、当該開口およびコンタクトホールを埋めるようにタングステン３０を堆積する（図８）。
【００２２】
その後シリコン酸化膜１４上面のタングステン３０を除去し、コンタクトプラグ１５ａ，１５ｂが形成される。そして、シリコン酸化膜１４の上にアルミニウムを１００〜５００ｎｍ程度堆積してパターンニングし、コンタクトプラグ１５ａおよび放熱用プラグ１６に接続する配線１７ａ、並びに、コンタクトプラグ１５ｂに接する配線１７ｂをそれぞれ形成する（図９）。
【００２３】
そして、支持基板１０に、放熱用プラグ１６が露出するように開口部３１を形成する。開口部３１の形成は、支持基板１０の裏面にパターンニングしたフォトレジストを形成した上で、それをマスクとして支持基板１０をウェットエッチング或いはドライエッチングすることにより行われる（図１０）。
【００２４】
最後に、支持基板１０の裏面に、支持基板１０よりも熱伝導度の高い所定の金属（Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ等）を数１μｍ〜１０ｍｍ程度成膜して裏面メタル１８を形成する。以上の工程により、図１に示した半導体装置が形成される。
【００２５】
ところで、以上の説明においては、トランジスタＴ１をｎＭＯＳトランジスタとして説明したが、当該トランジスタＴ１がｐＭＯＳトランジスタであってもよい。その場合、トランジスタＴ１のソースがコンタクトプラグ１５ａを介して接続する配線１７ａは、電源（Ｖｄｄ）に接続される配線とすればよい。
【００２６】
また、トランジスタＴ１がｐＭＯＳトランジスタである場合は、上記製造工程において、以下のような変更を行えばよい。まず、図５で説明した工程において、ＳＯＩ層１２にチャネル注入を行う際に、例えばｎ型ドーパントである砒素を、注入エネルギー数十ｋｅＶ、ドーズ量１０12〜１０13／ｃｍ2程度の条件でイオン注入する。そして、図６で説明した工程において、ＬＤＤ領域２６を形成する際に、例えばｐ型ドーパントであるボロンを注入エネルギー数ｋｅＶ、ドーズ量１０15〜１０16／ｃｍ2程度の条件でイオン注入する。さらに、図７で説明した工程において、ソースドレイン領域２８を形成する際に、例えばｐ型ドーパントであるボロンを注入エネルギー数ｋｅＶ、ドーズ量１０15〜１０16／ｃｍ2程度の条件でイオン注入する。それにより、トランジスタＴ１はｐＭＯＳトランジスタとして形成される。
【００２７】
なお、配線１７ａは、Ｇｎｄ或いはＶｄｄに接続される配線であるとして説明したが、ＳＯＩ層１２に形成される半導体素子に接続するその他の配線（例えば信号線）であってもよい。その場合も、高い放熱効果を得ることができる。但し、配線１７ａがＧｎｄ或いはＶｄｄに接続される配線であれば、複数の素子で裏面メタル１８を共有させ、当該複数の素子における放熱効果を高めることが容易にできる。
【００２８】
さらに、図１０で説明した工程においては、支持基板１０の一部を除去して開口部３１を形成したが、支持基板１０の全部を除去してもよい。その結果構造は、図１１に示すように、シリコン酸化膜１１の下全面が裏面メタル１８に接する構造となる。その場合、支持基板１０除去の際にフォトレジストを形成する必要が無く、製造工程の簡略化を図れる。また、裏面メタル１８は支持基板１０よりも熱伝導度が高いので、より高い放熱効果を得ることができる。
【００２９】
＜実施の形態２＞
実施の形態１で図１１に示したように、支持基板１０の全部を除去することで、製造工程が簡略化されると共に高い放熱効果を得ることができる。しかし、当該ＳＯＩデバイスが、トランジスタや、インダクタ、抵抗、バラクタ等の素子を有する回路領域を有する場合、当該回路領域の下方の支持基板１０を除去してシリコン酸化膜１１の下面に直接裏面メタル１８を形成すると、静電誘導により当該回路領域の素子での信号損失が大きくなる（即ちＱ値が低下する）ことが考えられる。
【００３０】
図１２は、実施の形態２に係る半導体装置であるＳＩＯデバイスの構成を示す図である。この図において、図１と同様の要素には同一符号を付してあるので、ここでの詳細な説明は省略する。当該ＳＯＩデバイスは、トランジスタＴ１の他に、抵抗素子Ｒ１や、インダクタＬ１、バラクタ（不図示）等の素子が形成された回路領域を有し、その下方には支持基板１０を有している。支持基板１０はシリコンであり、裏面メタル１８よりも高抵抗である。従って、本発明に係る当該ＳＯＩデバイスにおいて、トランジスタＴ１、抵抗素子Ｒ１、インダクタＬ１、バラクタ等の素子等における信号損失は抑制される。
【００３１】
また支持基板１０は、当該放熱用プラグ１６と裏面メタル１８とが接するように、少なくとも放熱用プラグ１６の下方において除去されている。つまり、実施の形態１と同様に、トランジスタＴ１は、コンタクトプラグ１５ａ、配線１７ａ、放熱用プラグ１６を介して裏面メタル１８に接続している。また、裏面メタル１８はＳＯＩ層１２に形成されたトランジスタＴ１の下面に接するものではない。よって、実施の形態１と同様に高い放熱効果を得ることができ、且つ、高速ＳＯＩデバイスに対しても適用可能である。
【００３２】
＜実施の形態３＞
図１３は、実施の形態３に係る半導体装置であるＳＯＩデバイスの構成を示す図である。この図において、図１と同様の要素には同一符号を付してある。同図に示すように、当該ＳＯＩデバイスは、実施の形態１あるいは実施の形態２に係るＳＯＩデバイスにおける裏面メタル１８に代えて、冷却素子４０を備える。図１３での図示は省略しているが、所定個所（例えば、実施の形態２のようにトランジスタや、インダクタ、抵抗、バラクタ等の素子の下方）に支持基板１０を備えるものであってもよい。
【００３３】
冷却素子４０としては、ペルチェ冷却素子が挙げられる。例えば図１４の如く、銅４１、コンスタンタン４２とを接合して電流を流すとその接合点で熱の吸収が起こる。この効果を冷却作用に利用したものがペルチェ冷却素子である。図１５は、冷却素子４０としてペルチェ冷却素子を用いた場合における当該ペルチェ冷却素子の配設方法の一例であり、本実施の形態に係るＳＯＩデバイスの裏面の平面図である。同図に示すように、各冷却素子４０において、銅４１が低電位側（Ｇｎｄ側）に、コンスタンタン４２が高電位側（Ｖｄｄ側）に接続されるように配設する。なお、冷却素子４０にペルチェ冷却素子を用いる場合、当該冷却素子４０に流す電流がＳＯＩデバイスの動作に影響を与えないように、放熱用プラグ１６と銅４１およびコンスタンタン４２とは互いに絶縁することが望ましい。
【００３４】
本実施の形態によれば、実施の形態１および実施の形態２よりもさらに高い放熱効果を得ることができる。
【００３５】
＜実施の形態４＞
実施の形態１〜３においては例えば図１のように、ＳＯＩデバイスの動作に必要なコンタクトプラグ１５ａ（第１のプラグ）とは個別に、放熱性向上のための放熱用プラグ１６（第２のプラグ）を備える構成を示した。しかし、コンタクトプラグ１５ａと放熱用プラグ１６とは共に同じ配線１７ａに接続するものであるので、両者を一体化して同一のプラグとして形成してもデバイスの動作には問題は生じない。
【００３６】
図１６は、実施の形態４に係る半導体装置であるＳＯＩデバイスの構成を示す図である。この図において、図１と同様の要素には同一符号を付してある。同図に示すように、当該ＳＯＩデバイスは、上記の各実施の形態におけるコンタクトプラグ１５ａおよび配線１７ａに代えて、両者を一体化したコンタクトプラグ５０（以下「放熱コンタクトプラグ５０」）を備える。即ち、放熱コンタクトプラグ５０は、トランジスタＴ１、配線１７ａ並びに裏面メタル１８（実施の形態２に適用した場合は冷却素子４０）の３つを相互に接続するものであり、コンタクトプラグ１５ａと配線１７ａの両方の機能を有している。
【００３７】
本実施の形態によれば、実施の形態１〜３のようにコンタクトプラグ１５ａと放熱用プラグ１６とを個別に設ける必要が無いので、本発明に係るＳＯＩデバイスの縮小化を図ることができる。また、実施の形態１〜３では、トランジスタＴ１で発生した熱は裏面メタル１８（或いは冷却素子４０）に、コンタクトプラグ１５ａ、配線１７ａおよび放熱用プラグ１６の３つを介して伝導されていたが、本実施の形態では放熱コンタクトプラグ５０のみを介して伝導される。つまり、トランジスタＴ１で発生した熱が、裏面メタル１８（冷却素子４０）に達するまでの経路が短縮されるので、より高い放熱効果を得ることができる。
【００３８】
＜実施の形態５＞
本実施の形態においては、放熱用プラグ１６あるいは放熱コンタクトプラグ５０を、一つのトランジスタＴ１に対して複数個設ける。図１７〜図１９は、実施の形態５に係る半導体装置であるＳＯＩデバイスの構成を示す図である。これらの図において、図１および図１６と同様の要素には同一符号を付してある。
【００３９】
図１８は、図１７におけるＣ１−Ｃ２線に沿った上断面である。トランジスタＴ１に接続する放熱コンタクトプラグ５０が複数個形成されている。先の図１７は、図１８におけるＣ３−Ｃ４線に沿った断面図に相当する。さらに図１９に、図１８におけるＣ５−Ｃ６線に沿った断面図を示す。それぞれの放熱コンタクトプラグ５０は、トランジスタＴ１、配線１７ａ、裏面メタル１８（或いは冷却素子４０）の３つを相互に接続している。
【００４０】
本実施の形態によれば、トランジスタＴ１で発生した熱が、裏面メタル１８（冷却素子４０）にするまでの経路が増えるので、より高い放熱効果を得ることができる。なお、図１７〜図１９においては、放熱用プラグ１６は図示しなかったが、それを複数個備える構造でもよい。また、コンタクトプラグ１５ａの数も複数個に増やしてもよい。
【００４１】
＜実施の形態６＞
実施の形態１では、裏面メタル１８が電気的に接続する配線１７ａは、主にグラウンド（Ｇｎｄ）あるいは電源（Ｖｄｄ）に接続されるものとして説明した。例えば裏面メタル１８をＳＯＩデバイスの裏面全面に形成した場合、裏面メタル１８をＧｎｄとＶｄｄとで共有させることはできない。裏面メタル１８を介してＶｄｄとＧｎｄとが短絡してしまうからである。そのため、ＳＯＩデバイスがｎＭＯＳトランジスタ、ｐＭＯＳトランジスタの両方を有している場合であっても、そのうちいずれか片方の種類のトランジスタにしか本発明を適用することができない。
【００４２】
本実施の形態では、裏面メタル１８は、Ｇｎｄに電気的に接続した部分とＶｄｄに接続する部分とに分割して配設される。図２０は、実施の形態６に係る半導体装置であるＳＯＩデバイスの構成を示す図である。この図において、図１および図１６と同様の要素には同一符号を付してある。
【００４３】
ＳＯＩデバイスは、ｎＭＯＳトランジスタであるトランジスタＴ１と、ｐＭＯＳトランジスタであるトランジスタＴ２とを有している。ｎＭＯＳトランジスタＴ１のソースは、放熱コンタクトプラグ５０ａを介してＧｎｄに接続した配線１７ａおよび裏面メタル１８ａに接続される。一方、ｐＭＯＳトランジスタＴ２のソースは、放熱コンタクトプラグ５０ｃを介してＶｄｄに接続した配線１７ｃおよび裏面メタル１８ｃに接続される。裏面メタル１８ａと裏面メタル１８ｃとは互いに分割されており、電気的に接続していない。即ち、本実施の形態に係るＳＯＩデバイスは、Ｇｎｄ電位の裏面メタル１８ａと、Ｖｄｄ電位の裏面メタル１８ｃとを備えるものである。
【００４４】
裏面メタル１８ａ，１８ｃの形成は、実施の形態１において説明した製造工程に従って裏面メタル１８を形成し（図１）、その後、当該裏面メタル１８をパターンニングして裏面メタル１８ａ，１８ｃに分割することにより行う。なお、図２０においては支持基板１０の一部を除去した構成を示したが、支持基板１０の全部を除去した構成としてもよい。
【００４５】
本実施の形態によれば、裏面メタル１８ａ，１８ｃとは電気的に接続していないので、それらを介してＶｄｄとＧｎｄとが短絡してしまうことは無い。よって、ｎＭＯＳトランジスタＴ１、ｐＭＯＳトランジスタＴ２の両方に対して本発明を適用し、実施の形態１と同様に放熱効果を高めることができる。
【００４６】
なお、以上の説明においては、Ｇｎｄ用の裏面メタル１８ａと、Ｖｄｄ用の裏面メタル１８ｃとの２種類の裏面メタルを有する構成を示したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。裏面メタル１８ａおよび裏面メタル１８ｃから分離した、所定の信号線用の裏面メタルなどをさらに設けてもよい。それによっても同様に高い放熱効果を得ることができる。
【００４７】
＜実施の形態７＞
図２１は、実施の形態７に係る半導体装置であるＳＯＩデバイスの構成を示す図である。この図において、図２０と同様の要素には同一符号を付してある。当該ＳＯＩデバイスは、実施の形態６に係るＳＯＩデバイスにおける裏面メタル１８ａ，１８ｃに代えて、支持基板１０（シリコン）よりも熱伝導度が高く、且つ、絶縁体あるいは高抵抗の半導体の（即ち、導電体以外の）放熱体５１を備える。当該放熱体５１の材料としては、例えば、絶縁体としては窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、半導体としては高濃度ポリシリコンなどが挙げられる。
【００４８】
放熱体５１は熱伝導度が高いため、ｎＭＯＳトランジスタＴ１およびｐＭＯＳトランジスタＴ２は、実施の形態１と同様に放熱効果を高めることができる。また、放熱体５１は導電体以外の材料から成るので、例えば放熱体５１をＳＯＩデバイスの裏面全面に形成し、当該放熱体５１をＧｎｄとＶｄｄとで共有させても、ＧｎｄとＶｄｄとは短絡しない。従って、実施の形態６と同様にｎＭＯＳトランジスタＴ１、ｐＭＯＳトランジスタＴ２の両方に対して本発明を適用して放熱効果を高めることができる。
【００４９】
放熱体５１には、例えばＧｎｄとＶｄｄ以外の信号線を接続させてもよい。それによりさらに放熱効果を高めることができる。その場合でも、信号線間の短絡が生じないことは言うまでも無い。
【００５０】
上で説明したように実施の形態６においては、Ｇｎｄに接続する裏面メタル１８ａとＶｄｄに接続する裏面メタル１８ｃとが分離するように、一旦裏面メタル１８を形成した後でそれをパターンニングする工程が必要であった。しかし、本実施の形態における放熱体５１は、絶縁体あるいは高抵抗の半導体であるので、それをパターンニングすることなく上記効果を得ることができる。
【００５１】
さらに、図２１においては支持基板１０の一部を除去した構成を示しているが、支持基板１０の全部を除去した構成としてもよい。上述したように、トランジスタやインダクタ、抵抗、バラクタ等の素子の下方の支持基板１０を除去してシリコン酸化膜１１の下面に直接裏面メタル１８を形成する場合、静電誘導によりそれらの素子における信号の損失が大きくなることが懸念された。しかし、本実施の形態では、支持基板１０を全面除去しても、シリコン酸化膜１１の下方に形成されるのは導電体以外の放熱体５１であるので、そのような問題は伴わない。
【００５２】
＜実施の形態８＞
図２２および図２３は、実施の形態８に係る半導体装置の構成を示す図である。本実施の形態においては、図２２の如く、本発明に係るチップ６０に裏面メタル１８を介して他のチップ６１を張り合わせて接続する。例えば、発熱量が大きい本発明に係るチップ６０を、例えばＳＲＡＭやフラッシュメモリ等のような消費電力が小さく発熱量が小さいチップ６１に接続することにより、チップ６０で発生した熱をチップ６１に放熱することができ、半導体装置全体としての温度上昇は抑制される。
【００５３】
図２３は、図２２に示した領域Ｄの拡大断面図である。この図において、図２０と同様の要素には同一符号を付してある。この例において、トランジスタＴ１，Ｔ３はｎＭＯＳトランジスタであり、トランジスタＴ２，Ｔ４はｐＭＯＳトランジスタである。
【００５４】
チップ６０において、配線１７ａ、放熱コンタクトプラグ５０ａ、裏面メタル１８ａは、ｎＭＯＳトランジスタＴ１のソースおよびＧｎｄに接続される。また、配線１７ｃ、放熱コンタクトプラグ５０ｃ、裏面メタル１８ｃは、ｐＭＯＳトランジスタＴ２のソースおよびＶｄｄに接続される。一方、チップ６１におけるパッド６２ａはｎＭＯＳトランジスタＴ３のソースおよびＶｄｄに接続されるものである。また、パッド６２ｃはｐＭＯＳトランジスタＴ４のソースおよびＶｄｄに接続されるものである。従って、２つのチップ６０，６１との間でＧｎｄとＶｄｄとが短絡しないように、図２３の如く、共にＧｎｄに接続される裏面メタル１８ａとパッド６２ａとを接続し、共にＶｄｄに接続される裏面メタル１８ｃとパッド６２ｃとを接続する。
【００５５】
但し、チップ６０が、実施の形態７のように裏面メタル１８ａ，１８ｃに代えて、導電体以外の材料による放熱体５１を有するものである場合は、チップ６１のＧｎｄ（パッド６２ａ）とＶｄｄ（パッド６２ｃ）とで当該放熱体５１を共有させてもよいことは明らかである。また、図２３においてはチップ６０として、支持基板１０の一部を除去した構成のものを示しているが、支持基板１０の全部を除去したものであってもよい。
【００５６】
＜実施の形態９＞
図２４，図２５は、実施の形態９に係る半導体装置であるＳＯＩデバイスの構造を示す図である。これら図において、図１と同様の要素には同一符号を付してある。図２４において、トランジスタＴ１はｎＭＯＳトランジスタであり、コンタクトプラグ１５ａ，７１、放熱用プラグ１６、配線１７ａ、裏面メタル１８、配線７２はトランジスタＴ１のソースおよびＧｎｄに接続される。
【００５７】
また、図２５は、図２４に示したＳＩＯデバイスの上面図である。なお図２４は、図２５に示すＣ７−Ｃ８線に沿った断面図に相当している。第２の配線である配線７２は、トランジスタＴ１上方を覆うように形成されており、裏面メタル１８はトランジスタＴ１の下方全面に形成されている。また、配線７２と裏面メタル１８とは、それぞれ複数個のコンタクトプラグ７１、配線１７ａ、放熱用プラグ１６を介して互いに接続されている。つまり、当該ＳＯＩデバイスは、トランジスタＴ１の上下をメタルで覆った構造（いわゆる“マイクロストリップ構造”）を有している。従って、トランジスタＴ１において生じる電磁波ノイズの放射を抑制することができる。また、実施の形態１と同様に高い放熱効果が得られることは言うまでも無い。
【００５８】
＜実施の形態１０＞
上述したように、支持基板に達する放熱用の絶縁トレンチやコンタクトを形成することで、ＳＯＩ層で発生した熱をシリコンの支持基板に逃す技術が提案されている。本実施の形態では、本発明をその技術に応用すると共に、さらに高い放熱効果を得るためのＳＩＯデバイス構造を説明する。
【００５９】
図２６は、実施の形態１０に係る半導体装置であるＳＯＩデバイスの構造を示す図である。この図において、図１と同様の要素には同一符号を付してある。同図のように、本実施の形態に係るＳＯＩデバイスが有する放熱用プラグ１６は、シリコン酸化膜１１を突き抜け下方に突出し、支持基板１０に数十〜数百ｎｍ程度入り込んでいる。それにより、放熱用プラグ１６と支持基板１０との接触面積が大きくなるので、トランジスタＴ１で発生した熱を効率的に支持基板に放熱することができる。支持基板１０を形成しているシリコンは、シリコン酸化膜１１よりも熱導電度が高いので、高い放熱効果が得られる。
【００６０】
図２６においては、コンタクトプラグ１５ａとは個別の放熱用プラグ１６が支持基板１０に突出した構成を示したが、本実施の形態の適用を構成に限定するものではない。例えば、コンタクトプラグ１５ａと放熱用プラグ１６ａを一体化させたプラグ、即ち実施の形態４に示した放熱コンタクトプラグ５０が支持基板１０に入り込んだ構成であってもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る半導体装置によれば、シリコン層（ＳＯＩ層）の半導体素子で発生した熱は、熱伝導度の高い第１および第２のプラグ並びに配線を介して、同じく熱伝導度の高い裏面膜に放熱される。よって、高い放熱効果を有するＳＯＩデバイスを得ることができ、ＳＯＩデバイスにおけるセルフヒート効果を抑制することができる。裏面膜は、第１および第２のプラグを介してＳＯＩ層の半導体素子に接続するものであり、ＳＯＩ層の下面に接するものではない。よって、例えば、ＳＯＩ層の半導体素子が、ＳＯＩ層の下面にまで達するソースドレイン拡散層を有するトランジスタであっても、裏面膜を介してソース−ドレイン間の短絡を発生させることはない。即ち、高速ＳＯＩデバイスに対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図３】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図４】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図６】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図８】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図９】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１０】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１１】 実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図１２】 実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１３】 実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１４】 実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１５】 実施の形態３に係る半導体装置における冷却素子の配設方法の一例を示す図である。
【図１６】 実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１７】 実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１８】 実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図１９】 実施の形態５に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２０】 実施の形態６に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２１】 実施の形態７に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２２】 実施の形態８に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２３】 実施の形態８に係る半導体装置の構成を示す図である。
【図２４】 実施の形態９に係る半導体装置の構造を示す図である。
【図２５】 実施の形態９に係る半導体装置の構造を示す図である。
【図２６】 実施の形態１０に係る半導体装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
１０ 支持基板、１１，１３，１４ シリコン酸化膜、１２ ＳＯＩ層、１５ａ，１５ｂ コンタクトプラグ、１６ 放熱用プラグ、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ配線、１８，１８ａ，１８ｃ 裏面メタル、２３ ゲート酸化膜、２５ ゲート電極、２６ ＬＤＤ領域、２７ サイドウォール、２８ ソースドレイン領域、２９ シリサイド、３１ 開口部、４０ 冷却素子、５０，５０ａ，５０ｃ 放熱コンタクトプラグ、５１ 放熱体、Ｔ１〜Ｔ４ トランジスタ、Ｒ１ 抵抗素子、Ｌ１ インダクタ。

Claims (8)

  1. 第１および第２の半導体チップを備える半導体装置であって、
    前記第１の半導体チップは、
    第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜の上に形成され、ＭＯＳトランジスタが作り込まれたシリコン層と、
    前記シリコン層の上に形成された第２の絶縁膜と、
    前記第２の絶縁膜の上に形成された第１の配線と、
    前記シリコン層の前記ＭＯＳトランジスタのソースと前記第１の配線とを接続する第１のプラグと、
    前記第１の絶縁膜の下に形成された支持基板と、
    前記支持基板の下に形成された裏面金属膜と、
    前記第１の配線と前記裏面金属膜とを接続する第２のプラグとを備え、
    前記第１および第２のプラグ、前記第１の配線並びに前記裏面金属膜は、前記第１の絶縁膜よりも高い熱伝導度を有し、
    前記第１の半導体チップの前記裏面金属膜は、前記第１の半導体チップより消費電力の少ない前記第２の半導体チップに接続されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置であって、
    前記ＭＯＳトランジスタのドレインは、前記裏面金属膜と接続されていない
    ことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項２に記載の半導体装置であって、
    前記裏面金属膜は、グラウンドに接続されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項２に記載の半導体装置であって、
    前記裏面金属膜は、複数個に分割されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項２から請求項４のいずれかに記載の半導体装置であって、
    前記裏面金属膜と接続し、前記ＭＯＳトランジスタの上方を覆う第２の配線をさらに備え、
    前記裏面金属膜は、前記ＭＯＳトランジスタの下方を覆う
    ことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項２から請求項５のいずれかに記載の半導体装置であって、
    所定の位置に、前記裏面金属膜よりも高抵抗の材料からなる前記支持基板を備える
    ことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項６に記載の半導体装置であって、
    前記半導体装置は、トランジスタ、インダクタ、バラクタ、抵抗のうち少なくともいずれかを含む回路領域を有し、
    前記支持基板の前記所定の位置は、前記回路領域の下方である
    ことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体装置であって、
    前記第１の半導体チップの前記裏面金属膜は、前記第２の半導体チップの突出したパッドに接続されている
    ことを特徴とする半導体装置。
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