JP7021021B2 - Semiconductor devices and their manufacturing methods - Google Patents
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Description
本発明は、半導体コンデンサを有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a semiconductor capacitor and a method for manufacturing the same.
半導体コンデンサとして、半導体基板の表面に形成した溝の内部にコンデンサ構造体を形成した構成が用いられている。例えば、誘電層を間に挟みながら複数の導電層を溝の側面に積層してコンデンサ構造体を形成する方法が開示されている(非特許文献1参照。)。 As the semiconductor capacitor, a configuration in which a capacitor structure is formed inside a groove formed on the surface of a semiconductor substrate is used. For example, a method of laminating a plurality of conductive layers on the side surface of a groove while sandwiching a dielectric layer between them to form a capacitor structure is disclosed (see Non-Patent Document 1).
しかしながら、非特許文献1に記載された構造では、容量を発生させる主たる溝(wide trench)と、基板に配置する電極とコンタクトするための他の溝(narrow trench、medium trench)を同一の面に形成する。このため、主たる溝を形成できる面積が制限され、コンデンサ構造体の容量の増大が抑制される。また、非特許文献1では、溝の内部に形成した導電層を半導体基板の表面まで延設させ、半導体基板の表面で導電層に電極が配置される。即ち、半導体基板の表面に正の電極と負の電極のコンタクト領域が形成される。このため、半導体装置のサイズが増大する。
However, in the structure described in
本発明は、半導体基板の溝の内部に形成されるコンデンサ構造体の容量を増大させ、且つサイズの増大を抑制した半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device, which increases the capacity of a capacitor structure formed inside a groove of a semiconductor substrate and suppresses an increase in size.
本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体基板の第1主面に形成された溝の内部に誘電層を介して積層された第1導電層及び第2導電層と、第1導電層と電気的に接続する第1電極と、第2主面から延伸して溝の底部に達する埋め込み電極を介して第2導電層と接続する第2電極を備えることを要旨とする。 The semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a first conductive layer and a second conductive layer laminated inside a groove formed on a first main surface of a semiconductor substrate via a dielectric layer, and a first conductive layer. The gist is to include a first electrode that is electrically connected and a second electrode that is connected to the second conductive layer via an embedded electrode that extends from the second main surface and reaches the bottom of the groove.
本発明の他の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の第1主面に形成された溝の内部に、誘電層を介して第1導電層と第2導電層を積層する工程と、半導体基板の第2主面から溝の底部に達するようにコンタクトホールを形成し、溝の底部で第2導電層に接続する埋め込み電極をコンタクトホールの内部に形成する工程を含み、埋め込み電極とその埋め込み電極に接続する第2導電層を同時に形成することを要旨とする。 A method for manufacturing a semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a step of laminating a first conductive layer and a second conductive layer via a dielectric layer inside a groove formed on a first main surface of a semiconductor substrate. A step of forming a contact hole from the second main surface of the semiconductor substrate to reach the bottom of the groove and forming an embedded electrode connected to the second conductive layer at the bottom of the groove inside the contact hole is included. The gist is to simultaneously form a second conductive layer connected to the embedded electrode.
本発明によれば、半導体基板の溝の内部に形成されるコンデンサ構造体の容量を増大させ、且つサイズの増大を抑制した半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device in which the capacity of the capacitor structure formed inside the groove of the semiconductor substrate is increased and the increase in size is suppressed.
以下に、図面を参照して実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる部分を含む。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. However, the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimensions, the ratio of the thickness of each layer, etc. include parts that are different from the actual ones. In addition, there are parts where the relationships and ratios of the dimensions of the drawings are different from each other.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置1は、図1に示すように、互いに対向する第1主面11と第2主面12を有し、第1主面11に溝が形成されている半導体基板10と、溝の側面の面法線方向に沿って積層された複数の導電層20を備える。図1は、第1主面11に形成された溝の短手方向に沿った断面図である。
(First Embodiment)
As shown in FIG. 1, the
溝の内部に配置された導電層20のそれぞれは、第1導電層2Aと第2導電層2Bのいずれかである。半導体装置1では、導電層20のうち溝の側面に最近接の導電層を1番目の導電層として、導電層20のうちの奇数番目の導電層が第1導電層2Aである。即ち、導電層21及び導電層23が第1導電層2Aである。図1に示した構成では、導電層21は溝の側面と接している。また、導電層23が溝の側面から最も遠く配置された導電層である。一方、導電層20のうちの偶数番目の導電層が第2導電層2Bである。即ち、導電層22が第2導電層2Bである。
Each of the
図1に示すように、導電層20の相互間には誘電層31~32がそれぞれ配置されている。即ち、導電層21と導電層22との間に誘電層31が配置され、導電層22と導電層23との間に誘電層32が配置されている。以下において、溝の内部で導電層20の相互間に配置された誘電層を「誘電層30」と総称する。第1導電層2Aと第2導電層2Bとは、誘電層30によって電気的に絶縁されている。そして、第1導電層2A、誘電層30及び第2導電層2Bの積層によって、コンデンサが構成される。
As shown in FIG. 1, the
半導体装置1は、第2主面12から溝の底部に達するように形成されたコンタクトホールに埋め込まれた埋め込み電極40を更に備える。埋め込み電極40は、溝の底部で第2導電層2Bと電気的に接続している。なお、コンタクトホールの側面に絶縁分離膜60が配置され、半導体基板10と埋め込み電極40とは絶縁分離膜60によって電気的に絶縁されている。図1に示すように、溝の短手方向に沿った断面において、溝の幅よりもコンタクトホールの幅の方が狭い。
The
更に、半導体装置1は、第1導電層2Aと電気的に接続する第1電極51と、第2導電層2Bと電気的に接続する第2電極52を備える。第1電極51及び第2電極52は、溝の外部に配置されている。
Further, the
図1に示した半導体装置1では、半導体基板10の第1主面11に、第1絶縁膜71を介して第1電極51が配置されている。そして、第1絶縁膜71に設けた開口部において、溝の内部から第1主面11まで延設された第1導電層2Aと第1電極51とが電気的に接続されている。また、半導体基板10の第2主面12に、第2絶縁膜72を介して第2電極52が配置されている。そして、第2絶縁膜72に設けた開口部において、埋め込み電極40と第2電極52が電気的に接続されている。溝の側面に最近接の導電層21と溝の側面から最も遠く配置された導電層23は第1導電層2Aであり、第1主面11に配置された第1電極51と電気的に接続されている。導電層21は第2導電層2Bであり、埋め込み電極40を介して第2主面12に配置された第2電極52と電気的に接続されている。
In the
以下に、図1に示した半導体装置1の動作について説明する。第1電極51に正の電圧、第2電極52に負の電圧を引加することで、第1導電層2Aに正の電荷がチャージされ、第2導電層2Bに負の電荷がチャージされる。このとき、誘電層30の内部で分極が起こり、静電容量が発生する。溝の中に複数の誘電層30を積層し、それぞれの誘電層30で静電容量を発生できるので、基板面積あたりの容量密度を増大させることができる。
The operation of the
図1に示した半導体装置では、第1導電層2Aである導電層21と導電層23が第1電極51と電気的に接続され、第2導電層2Bである導電層22が第2電極52と電気的に接続されている。したがって、半導体装置1は、誘電層31及び誘電層32をそれぞれ有する2つのコンデンサを並列接続した構成である。このように、半導体装置1によれば、単位面積当たりの容量密度を大きく向上させたコンデンサ構造体を実現できる。
In the semiconductor device shown in FIG. 1, the
第1導電層2Aは、第1主面11に配置された第1電極51と電気的に接続されている。一方、第1導電層2Aと電気的に絶縁されている第2導電層2Bは、第2主面12に配置された第2電極52と電気的に接続されている。このように、溝の内部に形成されるコンデンサ構造体の正の電極と負の電極を第1主面11と第2主面12に分けて配置することにより、正負の電極間の短絡を抑制できる。
The first
上記では、溝の内部に積層する導電層20の層数の合計が3層である場合について例示的に説明した。しかし、導電層20の層数は3層に限られない。例えば、第1導電層2Aと第2導電層2Bが1層ずつであってもよい。これにより、製造工程を短縮することができる。一方、積層する導電層20の層数が多いほど、単位面積当たりの容量密度をより大きくすることができる。このため、導電層20の層数の合計が4層以上であってもよい。導電層20の相互間に配置される誘電層30の層数は、導電層20の層数よりも1層少ない。
In the above, the case where the total number of the
なお、図1に示した半導体装置1では、溝の側面に最近接の導電層を1番目の導電層として、奇数番目である第1導電層2Aを互いに電気的に接続し、偶数番目である第2導電層2Bを互いに電気的に接続している。このように第1導電層2Aと第2導電層2Bとを誘電層30を介して交互に積層することによって、単位面積当たりの容量密度を最も大きくすることができる。
In the
以上に説明したように、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置1では、第1導電層2Aと電気的に接続する第1電極51が半導体基板10の第1主面11に配置され、第2導電層2Bと電気的に接続する第2電極52が第2主面12に配置される。このため、正負の電極とそれぞれ接続させるためにコンデンサ構造体の複数の導電層を第1主面11に配置する場合と比較して、溝を形成する領域の面積を広くすることができる。その結果、基板面積あたりの容量密度が高い半導体装置1を提供できる。また、第1主面11に正負の電極を配置した構成と比較して、基板面積あたりの容量密度を同等とした場合に、半導体装置1のサイズの増大を抑制することができる。
As described above, in the
以下に、図面を参照して、第1の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体装置1の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能である。
Hereinafter, a method for manufacturing the
先ず、図2に示すように、半導体基板10の第1主面11に溝100を形成する。半導体基板10には、例えばシリコン基板を用いる。溝100は、以下のようにして形成することができる。即ち、CVD法などにより第1主面11の全面にシリコン酸化膜を形成した後、溝100を形成する領域が露出するように、フォトリソグラフィ技術を用いてシリコン酸化膜のパターニングを行う。そして、シリコン酸化膜をエッチングマスクに用いて、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより溝100を形成する。溝100を形成した後、エッチングマスクに用いたシリコン酸化膜を除去する。
First, as shown in FIG. 2, a
図3に示すように、溝100の内壁面及び第1主面11に、導電層21を形成する。なお、導電層20には、リンなどの不純物をドープした多結晶シリコン膜を使用できる。多結晶シリコン膜は、CVD法などを用いて形成される。
As shown in FIG. 3, the
次に、図4に示すように、半導体基板10の第2主面12に、溝100の底部に達するコンタクトホール120を形成する。例えば、第2主面の全面にシリコン窒化膜をCVD法などにより形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングを行ったシリコン酸化膜をエッチングマスクに用いて、ドライエッチング又はウェットエッチングによりコンタクトホール120を形成する。コンタクトホール120は溝100の底部の導電層21を貫通して形成され、コンタクトホール120と溝100は連結する。
Next, as shown in FIG. 4, a
その後、図5に示すように、導電層21を覆うように誘電層31を形成する。なお、誘電層30には、CVD法などを用いて形成されるシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜などを使用できる。このとき、誘電層31の形成と同時に、コンタクトホール120の内壁面に絶縁分離膜60が形成される。
After that, as shown in FIG. 5, the
更に、図6に示すように、誘電層31を覆うように導電層22を形成する。このとき、導電層22の形成と同時にコンタクトホール120が埋め込まれ、埋め込み電極40が形成される。この場合、導電層22と埋め込み電極40の材料は同一である。例えば、埋め込み電極40は、リンなどの不純物をドープした多結晶シリコン膜である。
Further, as shown in FIG. 6, the
次に、図7に示すように、溝100をフォトレジスト膜111によって埋め込む。例えば、スピンコート法やスプレー法でフォトレジスト膜111を第1主面11に塗布することにより、フォトレジスト膜111で溝100が埋め込まれる。
Next, as shown in FIG. 7, the
そして、反応性イオンエッチング(RIE)などの異方性エッチングによって、図8に示すように第1主面11上の導電層22を除去する。溝100の内部は、フォトレジスト膜111によって保護される。
Then, as shown in FIG. 8, the
更に、図9に示すように、RIEなどの異方性エッチングにより第1主面11上の誘電層31を除去する。このとき、溝100の開口部に近い導電層22の上端もエッチングされる。その後、図10に示すように、フォトレジスト膜111を除去する。フォトレジスト膜111は、例えばアセトンや硫酸を用いて除去される。
Further, as shown in FIG. 9, the
図11に示すように、導電層20を覆うように誘電層32を形成する。次いで、図12に示すように、溝100をフォトレジスト膜112によって埋め込む。フォトレジスト膜112は、フォトレジスト膜111と同様にスピンコート法やスプレー法を用いて塗布される。
As shown in FIG. 11, the
そして、溝100の内部をフォトレジスト膜112によって保護しながら、図13に示すように第1主面11上の誘電層32を除去する。例えば、ドライエッチングやウェットエッチングにより、誘電層32をエッチング除去する。その後、図14に示すように、アセトンや硫酸を用いてフォトレジスト膜112を除去する。
Then, as shown in FIG. 13, the
次に、図15に示すように、第1主面11上及び溝100の内部に、導電層23を形成する。例えばリンなどの不純物をドープした多結晶シリコン膜である導電層23によって、溝100が埋め込まれる。また、導電層21と導電層23とが、導電層23の第1主面11上に形成した領域において電気的に接続される。
Next, as shown in FIG. 15, the
その後、半導体基板10の第1主面11上に第1絶縁膜71を形成し、第2主面12上に第2絶縁膜72を形成する。第1絶縁膜71及び第2絶縁膜72の材料は誘電層30と同じでもよいし、異なる材料であってもよい。例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などが、第1絶縁膜71及び第2絶縁膜72に使用される。そして、第1絶縁膜71の所定の位置に開口部を設けた後に、この開口部を埋め込むように第1電極51を形成し、第1電極51と導電層23を電気的に接続する。また、第2絶縁膜72の所定の位置に開口部を設けた後に、この開口部を埋め込むように第2電極52を形成し、第2電極52と埋め込み電極40を電気的に接続する。以上により、図1に示した半導体装置1が完成する。
After that, the first insulating
第1電極51や第2電極52の材料としては金属が一般的である。例えば、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)などの金属材料や、チタン/ニッケル/銀(Ti/Ni/Ag)などの積層膜を第1電極51及び第2電極52に使用できる。
Metal is generally used as the material for the
半導体装置1では、溝100の幅よりも、埋め込み電極40が埋め込まれるコンタクトホール120の幅の方が狭い。このため、第1主面11よりも第2主面12の方が表面の凹凸が少ない。凹凸の少ない第2主面12に第2電極52を形成することにより、平坦化工程を実施することなくフォトリソグラフィ技術などのパターニングを行える。したがって、溝が形成される第1主面11に電極を形成する場合と比べて、製造工程の少ない半導体装置1を提供できる。
In the
また、埋め込み電極40を形成するためのコンタクトホール120は、第2主面12から溝100の底部まで達すればよい。即ち、第2導電層2Bと第2電極52を電気的に接続させるために深い溝を形成する必要がない。このため、図1に示した半導体装置1によれば、深い溝を形成する場合と比較して製造工程に要する時間を短縮できる。
Further, the
なお、溝100の短手方向に沿った断面において、コンタクトホール120の幅が、そのコンタクトホール120に埋め込まれた埋め込み電極40と接続する第2導電層2Bの膜厚の2倍よりも小さくしてもよい。即ち、溝100の側面の両側に形成される第2導電層2Bの膜厚の合計よりもコンタクトホール120の幅を小さくする。これにより、図6を参照して説明したように第2導電層2Bと埋め込み電極40を同時に形成する場合に、コンタクトホール120を埋め込み電極40によって空隙なく埋め込むことができる。このため、凹凸が第2主面12に生じることが抑制され、フォトリソグラフィ技術を用いた工程などの前処理としての平坦化工程を省略することができる。したがって、半導体装置1の製造工程の短縮が可能である。
In the cross section of the
更に、第2導電層2Bと埋め込み電極40を同時に形成することにより、これらの別々に形成する場合と比べて、製造工程を短縮できる。また、第2導電層2Bと埋め込み電極40を別々に形成して電気的に接続する工程を行う場合に比べて、製造工程での不具合による接続不良を抑制できる。したがって、製造歩留りを向上することができる。
Further, by forming the second
半導体基板10には、例えば単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板を使用できる。加工性が高い材料であるシリコン基板を使用することにより、微細加工により集積化が可能である。このため、容量密度の高い半導体装置1を製造できる。
For the
また、導電層20及び埋め込み電極40に多結晶シリコン膜を使用することにより、カバレッジのよい膜を形成する低圧化学蒸着法を用いることができる。このため、アスペクト比の高い溝100の内部に導電層20を形成することができ、容量密度の高い半導体装置1を製造できる。
Further, by using a polycrystalline silicon film for the
また、上記では、誘電層30にシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を使用した。絶縁破壊電界及び比誘電率の高い材料を用いることにより、耐圧及び誘電率の高い誘電層30を形成できる。このため、耐圧、容量密度の高い半導体装置1を実現できる。
Further, in the above, a silicon oxide film or a silicon nitride film was used for the
或いは、異なる材料からなる複数の誘電体膜を積層した構造の誘電層30を使用してもよい。例えば、相対的に誘電率は高いが膜応力が大きいシリコン窒化膜と、相対的に誘電率が低いが膜応力の小さいシリコン酸化膜を積層して誘電層30を形成する。これにより、所望の厚みを確保し且つ誘電率と応力のバランスのとれた、誘電率の高い誘電層30を形成できる。
Alternatively, a
また、図5を参照して説明したように、導電層21と導電層22との間に形成される誘電層31と、コンタクトホール120の内壁面を覆う絶縁分離膜60とを、同時に形成してもよい。このように、埋め込み電極40に接続する第2導電層2Bが表面に形成される誘電層30と、半導体基板10と埋め込み電極40との間に形成される絶縁分離膜60とを同時に形成することにより、製造工程を短縮することができる。これにより、半導体装置1の製造コストを低減できる。
Further, as described with reference to FIG. 5, the
以上に説明したように、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、第1電極51が半導体基板10の第1主面11に形成され、第2電極52が第2主面12に形成される。このため、基板面積あたりの容量密度が高く、サイズの小さい半導体装置1を提供できる。なお、上記では1つの溝100を図示したが、第1主面11に複数の溝100を形成してもよい。また、第1導電層2Aが2層であり、第2導電層2Bが1層である構成を例示的に説明したが、導電層20の構成はこれに限られない。
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the
なお、半導体基板10に導電性基板を使用してもよい。例えば、抵抗率が1E-4~1E-5Ωcm2程度の高不純物濃度のシリコン基板などが半導体基板10に使用される。半導体基板10はp型半導体基板でもn型半導体基板でもよい。半導体基板10が導電性を有し、図1に示すように溝の側面に最近接の導電層21が半導体基板10と溝の側面で接触していることにより、第1導電層2Aと第1電極51との間の等価直列抵抗(ESR)を低減できる。
A conductive substrate may be used for the
また、半導体基板10と埋め込み電極40の間に絶縁分離膜60が配置され、半導体基板10と埋め込み電極40とは電気的に絶縁されている。このため、半導体基板10の電位と埋め込み電極40の電位が異なる場合に、半導体基板10と埋め込み電極40との間での短絡やリーク電流の発生を抑制することができる。これにより、半導体装置1の短絡故障や、リーク電流による損失を防止できる。また、半導体基板10の電位と埋め込み電極40の電位が異なる場合、半導体基板10と埋め込み電極40との間で容量が形成されるため、半導体装置1の容量を増大できる。
Further, an insulating
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る半導体装置1は、第1電極51が、第2電極52と離間して第2主面12に配置された部分を有する点が、第1の実施形態と異なる。即ち、図16に示すように、半導体装置1が、半導体基板10の第1主面11に配置された第1電極51aと、第2主面12に配置された第1電極51b1、第1電極51b2を備える。
(Second embodiment)
The
第1電極51aは、第1主面11に配置された第1絶縁膜71の開口部において、導電層23と電気的に接続されている。
The
第1電極51b1は、第2主面12に配置された第2絶縁膜72に設けた開口部において、溝の底部で導電層21と電気的に接続する埋め込み電極40と電気的に接続されている。第1電極51b2は、第2絶縁膜72に設けた開口部において、溝の底部で導電層23と電気的に接続する埋め込み電極40と電気的に接続されている。
The first electrode 51b1 is electrically connected to the embedded
また、第2主面12には、第1電極51b1及び第1電極51b2と離間して、第2電極52b1と第2電極52b2が配置されている。第2電極52b1は、第2絶縁膜72に設けた開口部において、溝の底部で導電層22と電気的に接続する埋め込み電極40と電気的に接続されている。第2電極52b2は、第2絶縁膜72に設けた開口部において、導電性の半導体基板10と接続している。
Further, on the second
第1電極51b1と第1電極51b2とは電気的に接続される。例えば、第2絶縁膜72の表面に形成した金属配線によって第1電極51b1と第1電極51b2を接続する。同様に、第2電極52b1と第2電極52b2とは電気的に接続される。
The first electrode 51b1 and the first electrode 51b2 are electrically connected to each other. For example, the first electrode 51b1 and the first electrode 51b2 are connected by a metal wiring formed on the surface of the second insulating
溝の内部では、誘電層30を介して導電層20が積層されている。即ち、導電性の半導体基板10と導電層21の間に誘電層31が配置され、導電層21と導電層22の間に誘電層32が配置され、導電層22と導電層23の間に誘電層33が配置されている。このように、導電層20の各層は、誘電層30によって相互と電気的に絶縁されている。
Inside the groove, the
図16に示した半導体装置1の基本的な動作を説明する。第1電極51b1と第1電極51b2に正の電圧Hを印加し、第2電極52b1と第2電極52b2に負の電圧Lを引加する。これにより、導電層21及び導電層23に正の電荷がチャージされ、半導体基板10及び導電層22に負の電荷がチャージされる。このとき、誘電層30の内部で分極が起こり、静電容量が発生する。溝の中に複数の誘電層30を積層し、それぞれの誘電層30で静電容量を発生するので、基板面積あたりの容量密度を向上することができる。
The basic operation of the
更に、図16に示した半導体装置1によれば、第1導電層2A及び第2導電層2Bとそれぞれ電気的に接続する電極を第2主面12に形成することにより、第1主面11に形成する溝の面積を最大化することができる。このため、基板面積あたりの容量密度を更に向上することができる。また、第2主面12に正負の電極が配置されるため、第1主面11の電極を回路に接続することなく、容量素子として半導体装置1を使用することができる。これにより、実装形態の制限の少ない半導体装置1を提供できる。
Further, according to the
以下に、図面を参照して第2の実施形態に係る半導体装置1の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体装置1の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能である。
Hereinafter, a method for manufacturing the
先ず、図17に示すように、半導体基板10の第1主面11に溝100a~100c(以下、溝100と総称する。)を形成する。また、第2主面12に、溝100aの底部に達するコンタクトホール120を形成する。溝100及びコンタクトホール120の形成は、例えばフォトリソグラフィ技術などを用いてパターニングを行ったシリコン酸化膜をエッチングマスクに用いたドライエッチングやウェットエッチングにより行う(以下において同様。)。
First, as shown in FIG. 17,
次いで、図18に示すように、溝100の側面、第1主面11及び第2主面12に誘電層31を形成する。このとき、コンタクトホール120の内壁面に絶縁分離膜60が同時に形成される。次に、図19に示すように、溝100の側面及び第1主面11で誘電層31を覆うように導電層21を形成する。同時に、コンタクトホール120の内部に埋め込み電極40が形成される。
Next, as shown in FIG. 18, the
その後、図20に示すように、第2主面12に、溝100bの底部に達して溝100bと連結するようにコンタクトホール120を形成する。そして、図21に示すように、導電層21を覆うように誘電層32を形成する。このとき、コンタクトホール120の内壁面に絶縁分離膜60が同時に形成される。
Then, as shown in FIG. 20, a
次に、図22に示すように、誘電層32を覆うように導電層22を形成する。同時に、コンタクトホール120の内部に埋め込み電極40が形成される。
Next, as shown in FIG. 22, the
次いで、図23に示すように、第2主面12に、溝100cの底部に達して溝100cと連結するようにコンタクトホール120を形成する。そして、図24に示すように、導電層22を覆うように誘電層33を形成する。このとき、コンタクトホール120の内壁面に絶縁分離膜60が同時に形成される。更に、図25に示すように、誘電層33を覆うように溝100を埋め込んで導電層23を形成する。同時に、コンタクトホール120の内部に埋め込み電極40が形成される。
Next, as shown in FIG. 23, a
その後、半導体基板10の第1主面11上に第1絶縁膜71を形成する。なお、誘電層31~33が形成されるのと同時に第2主面12に第2絶縁膜72が形成されている。そして、第1絶縁膜71の所定の位置に開口部を設けた後に、この開口部を埋め込むように第1電極51aを形成し、第1電極51aと導電層23を電気的に接続する。また、埋め込み電極40が形成された位置で第2絶縁膜72に開口部を設け、埋め込み電極40を電気的に接続するように第1電極51b1、第1電極51b2及び第2電極52b1を形成する。また、第2絶縁膜72の所定の位置に半導体基板10の一部を露出させた開口部を設けて、半導体基板10と接続するように第2電極52b2を形成する。以上により、図16に示した半導体装置1が完成する。
After that, the first insulating
なお、同一の溝の内部に形成された導電層20の各層とそれぞれ電気的に接続する複数の埋め込み電極40を形成してもよい。即ち、同一の溝の底部に沿って互いに離間して配置された複数の埋め込み電極40を形成する。そして、溝の内部で誘電層30を介して空間的に離間して配置された導電層20のそれぞれを、異なる埋め込み電極40に接続させてもよい。
It should be noted that a plurality of embedded
例えば、図26に示すように、溝100に対して複数の埋め込み電極40を配置する。図26において、半導体基板10を透過して埋め込み電極40を破線で表示している。図27(a)~図27(c)に、図26のI-I方向、II-II方向及びIII-III方向に沿った断面図をそれぞれ示す。
For example, as shown in FIG. 26, a plurality of embedded
図27(a)に示す埋め込み電極40は、導電層21と電気的に接続されている。図27(b)に示す埋め込み電極40は、導電層22と電気的に接続されている。そして、図27(c)に示す埋め込み電極40は、導電層23と電気的に接続されている。
The embedded
上記の構成を適用することにより、溝の内部で電気的に絶縁されている導電層20の相互の電気的な接続を、第2主面12に配置した金属配線などによって行うことができる。このため、第1主面11における溝の面積を拡張できる。したがって、基板面積あたりの容量密度が高い半導体装置1を提供できる。例えば、図16に示すように複数の溝の内部に形成された導電層21~23について、異なる溝に形成された導電層21と導電層21、導電層22と導電層22、導電層23と導電層23を、電気的に接続することができる。
By applying the above configuration, the
図16では、第1主面11に形成する溝を3つのみ示しているが、4つ以上の溝を形成してもよい。また、導電層20が3層である例を示したが、導電層20が4層以上でもよい。なお、誘電層30の層数は導電層20と同数となる。また、埋め込み電極40の数は3つで示しているが、4つ以上でもよい。
Although FIG. 16 shows only three grooves formed on the first
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係る半導体装置1は、図28に示すように、紙面の上下方向に互いに平行に延伸するストライプ状の複数の溝100が第1主面11に形成されている。それぞれの溝100の内部には、導電層20が積層されている。そして、溝100の延伸方向と交差して紙面の左右方向に延伸するように複数のコンタクトホール120が形成され、コンタクトホール120のそれぞれに埋め込み電極40が配置されている。したがって、埋め込み電極40のそれぞれが、複数の溝100と交差する。図28では、半導体基板10を透過して埋め込み電極40を破線で表示している。
(Third embodiment)
As shown in FIG. 28, in the
埋め込み電極40は、溝100の内部に配置される導電層20のいずれかと電気的に接続する。図28のIV-IV方向、V-V方向及びVI-VI方向に沿った断面図を、図29(a)~図29(c)にそれぞれ示す。図29(a)に示す位置では、埋め込み電極40は導電層21と電気的に接続する。図29(b)に示す位置では、埋め込み電極40は導電層22と電気的に接続する。図29(c)に示す位置では、埋め込み電極40は導電層23と電気的に接続する。
The embedded
図28に示した半導体装置1の基本的な動作は、図16に示した第2の実施形態に係る半導体装置1と同様である。ただし、図16に示した半導体装置1よりも絶縁分離膜60の表面積が大きいため、容量密度を向上することができる。
The basic operation of the
図28に示した半導体装置1の製造方法は、図17~図25を参照して説明した図16に示した半導体装置1の製造方法と同様である。ただし、溝100と交差する方向に延伸するコンタクトホール120のいずれかの位置で溝100とコンタクトホール120が重なればよいため、コンタクトホール120の位置についてアライメント精度を下げることができる。したがって、半導体装置1の製造が容易になる。
The manufacturing method of the
なお、図28では、第1主面11に形成される溝と埋め込み電極40が直交している例を示したが、溝と埋め込み電極40が一定の角度で斜めに交差するようにしてもよい。
Although FIG. 28 shows an example in which the groove formed on the first
(第4の実施形態)
図1に示した半導体装置1では、半導体基板10の第1主面11にのみ第1電極51を配置し、第2主面12にのみ第2電極52を配置した構成である。しかし、第1電極51と第2電極52のそれぞれが、第1主面11に配置された部分と第2主面12に配置された部分を有するようにしてもよい。
(Fourth Embodiment)
In the
例えば、図30に示すように、半導体基板10の第1主面11に第1電極51aと第2電極52aを互いに離間して配置し、第2主面12に第1電極51bと第2電極52bを互いに離間して配置する。第1電極51a及び第1電極51bは、第1導電層2Aと電気的に接続する第1電極51のそれぞれ一部である。第2電極52a及び第2電極52bは、第2導電層2Bと電気的に接続する第2電極52のそれぞれ一部である。この構成の半導体装置1を図30に示すように積層することにより、半導体装置1に形成されるコンデンサ構造体を並列接続することができる。
For example, as shown in FIG. 30, the
上記のように、第4の実施形態に係る半導体装置1では、半導体基板10の第1主面11と第2主面12のそれぞれに正負の電極を配置する。このため、半導体装置1を積層してコンデンサ構造体を並列接続する実装形態が可能になる。即ち、実装形態の制限の少ない半導体装置1を提供できる。
As described above, in the
(その他の実施形態)
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, embodiments of the invention have been described, but the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. This disclosure will reveal to those skilled in the art various alternative embodiments, examples and operational techniques.
例えば、半導体基板10が導電性を有する場合に、図31に示すように、溝の側面に最近接の導電層21と溝の側面との間に誘電層31を配置する。そして、導電層20のうち導電層21と電気的に絶縁された導電層を、半導体基板10と電気的に接続する。これにより、半導体基板10と導電層21との間で容量が形成されるため、半導体装置1の容量を増大させることができる。
For example, when the
また、上記では第1導電層2Aと第2導電層2Bが交互に配置された例を示したが、導電層20の配置はこの構成に限られない。例えば、誘電層30を介して第1導電層2Aと第1導電層2Aを隣接させた部分があってもよいし、誘電層30を介して第2導電層2Bと第2導電層2Bを隣接させた部分があってもよい。
Further, although the example in which the first
なお、上記では導電層20が多結晶シリコン膜である場合を説明したが、導電層20が他の導電性の半導体膜や金属膜であってもよい。例えば、導電層20の材料に導電性の多結晶炭化珪素やシリコンゲルマニウム(SiGe)、アルミニウムなどを使用してもよい。
Although the case where the
1…半導体装置
10…半導体基板
11…第1主面
12…第2主面
21~23…導電層
2A…第1導電層
2B…第2導電層
31~33…誘電層
40…埋め込み電極
51…第1電極
52…第2電極
60…絶縁分離膜
71…第1絶縁膜
72…第2絶縁膜
100…溝
120…コンタクトホール
1 ...
Claims (17)
前記溝の側面の面法線方向に沿って積層された、それぞれが第1導電層と第2導電層のいずれかである複数の導電層と、
前記複数の導電層の相互間にそれぞれ配置された誘電層と、
前記第2主面から前記溝の底部に達するように形成されたコンタクトホールに埋め込まれ、前記溝の底部で前記第2導電層と電気的に接続する埋め込み電極と、
前記溝の外部で前記半導体基板に配置され、前記第1導電層と電気的に接続する第1電極と、
前記第2主面に配置され、前記埋め込み電極を介して前記第2導電層と電気的に接続する第2電極と
を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface facing each other and having a groove formed on the first main surface,
A plurality of conductive layers, each of which is either a first conductive layer or a second conductive layer, laminated along the surface normal direction of the side surface of the groove.
Dielectric layers arranged between the plurality of conductive layers, and
An embedded electrode embedded in a contact hole formed so as to reach the bottom of the groove from the second main surface and electrically connected to the second conductive layer at the bottom of the groove.
A first electrode arranged on the semiconductor substrate outside the groove and electrically connected to the first conductive layer,
A semiconductor device which is arranged on the second main surface and includes a second electrode which is electrically connected to the second conductive layer via the embedded electrode.
前記複数の導電層の奇数番目の導電層が互いに電気的に接続され、
前記複数の導電層の偶数番目の導電層が互いに電気的に接続され、
前記誘電層によって、前記奇数番目の導電層と前記偶数番目の導電層とが電気的に絶縁されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 Of the plurality of conductive layers, the conductive layer closest to the side surface of the groove is used as the first conductive layer.
The odd-numbered conductive layers of the plurality of conductive layers are electrically connected to each other, and the conductive layers are electrically connected to each other.
The even-numbered conductive layers of the plurality of conductive layers are electrically connected to each other, and the conductive layers are electrically connected to each other.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the odd-numbered conductive layer and the even-numbered conductive layer are electrically insulated by the dielectric layer.
前記複数の導電層のうち前記溝の側面から最も遠く配置された導電層が前記第1電極と電気的に接続され、
前記第1導電層と電気的に絶縁された前記第2導電層が、前記第2主面に配置された前記第2電極と電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 The first electrode is arranged on the first main surface, and the first electrode is arranged on the first main surface.
Of the plurality of conductive layers, the conductive layer arranged farthest from the side surface of the groove is electrically connected to the first electrode.
Claim 1 or 2 characterized in that the second conductive layer electrically insulated from the first conductive layer is electrically connected to the second electrode arranged on the second main surface. The semiconductor device described in.
前記第1電極の少なくとも1つが、前記第2電極と離間して前記第2主面に配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 A plurality of the first electrodes are provided.
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of the first electrodes is arranged on the second main surface apart from the second electrode.
前記溝の内部で前記誘電層を介して離間して配置されたそれぞれの導電層が、異なる前記埋め込み電極に接続していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。 It has a plurality of the embedded electrodes arranged apart from each other along the bottom of the groove.
The invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the respective conductive layers arranged apart from each other via the dielectric layer inside the groove are connected to different embedded electrodes. Semiconductor device.
前記第1電極の少なくとも1つが前記第1主面に配置され、他の少なくとも1つが前記第2主面に配置され、
前記第2電極の少なくとも1つが前記第1主面に前記第1電極と離間して配置され、他の少なくとも1つが前記第2主面に前記第1電極と離間して配置されている
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。 A plurality of the first electrodes and a plurality of the second electrodes are provided.
At least one of the first electrodes is placed on the first main surface and the other at least one is placed on the second main surface.
At least one of the second electrodes is arranged on the first main surface at a distance from the first electrode, and at least one of the other electrodes is arranged on the second main surface at a distance from the first electrode. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5.
前記複数の導電層のうち前記溝の側面に最近接の導電層が前記半導体基板と前記溝の側面で接触していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor substrate has conductivity and
The semiconductor according to any one of claims 1 to 6, wherein the conductive layer closest to the side surface of the groove of the plurality of conductive layers is in contact with the semiconductor substrate on the side surface of the groove. Device.
前記複数の導電層のうち前記溝の側面に最近接の導電層と前記溝の側面との間に前記誘電層が配置され、
前記複数の導電層のうち前記最近接の導電層と電気的に絶縁された導電層が前記半導体基板と電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor substrate has conductivity and
Among the plurality of conductive layers, the dielectric layer is arranged between the conductive layer closest to the side surface of the groove and the side surface of the groove.
The present invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the conductive layer electrically insulated from the closest conductive layer among the plurality of conductive layers is electrically connected to the semiconductor substrate. The semiconductor device described.
前記半導体基板と前記埋め込み電極の間に絶縁分離膜が配置され、前記半導体基板と前記埋め込み電極とが電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。 The semiconductor substrate has conductivity and
The invention according to any one of claims 1 to 8, wherein an insulating separation membrane is arranged between the semiconductor substrate and the embedded electrode, and the semiconductor substrate and the embedded electrode are electrically insulated from each other. Semiconductor equipment.
前記コンタクトホールが前記溝の延伸方向と交差する方向に沿って形成され、
前記埋め込み電極が、複数の前記溝の内部にそれぞれ配置された前記複数の導電層のいずれかと複数の前記溝の底部で電気的に接続する
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置。 A plurality of the grooves extending in parallel with each other are formed on the first main surface, and the grooves are formed.
The contact hole is formed along a direction intersecting the extending direction of the groove.
One of claims 1 to 9, wherein the embedded electrode is electrically connected to any one of the plurality of conductive layers arranged inside the plurality of grooves, respectively, at the bottom of the plurality of grooves. The semiconductor device described in the section.
それぞれが第1導電層と第2導電層のいずれかである複数の導電層を、前記複数の導電層の相互間に誘電層を形成しながら、前記溝の側面の面法線方向に沿って積層する工程と、
前記第1主面に対向する前記半導体基板の第2主面から前記溝の底部に達するコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールの内部に、前記溝の底部で前記第2導電層に接続するように埋め込み電極を形成する工程と、
前記第1導電層と電気的に接続する第1電極を前記溝の外部に形成する工程と、
前記埋め込み電極を介して前記第2導電層と電気的に接続する第2電極を前記第2主面に形成する工程と
を含み、
前記埋め込み電極と該前記埋め込み電極に接続する前記第2導電層とを同時に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The process of forming a groove on the first main surface of the semiconductor substrate,
A plurality of conductive layers, each of which is either a first conductive layer or a second conductive layer, are formed along the surface normal direction of the side surface of the groove while forming a dielectric layer between the plurality of conductive layers. The process of laminating and
A step of forming a contact hole reaching the bottom of the groove from the second main surface of the semiconductor substrate facing the first main surface.
A step of forming an embedded electrode inside the contact hole so as to connect to the second conductive layer at the bottom of the groove.
A step of forming a first electrode electrically connected to the first conductive layer on the outside of the groove, and a step of forming the first electrode.
A step of forming a second electrode electrically connected to the second conductive layer via the embedded electrode on the second main surface is included.
A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises simultaneously forming the embedded electrode and the second conductive layer connected to the embedded electrode.
前記埋め込み電極に接続する前記第2導電層が表面に形成される前記誘電層と、前記絶縁分離膜とを同時に形成することを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。 Further including a step of forming an insulating separation film between the semiconductor substrate and the embedded electrode
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein the dielectric layer having the second conductive layer connected to the embedded electrode formed on the surface thereof and the insulating separation membrane are simultaneously formed.
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