JPH03224267A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 半導体装置、特に、構成要素間の信号伝達手段として電
気配線層を用いずに縦波弾性波を利用した集積回路に関
し、 送信側から受信側までの間における縦波弾性波の減衰を
低減させることを目的とし、 半導体基板上に、圧電体を第１電極及び第２電極で挟み
その外側が層間絶縁膜に接する構成をなして、該層間絶
縁膜に縦波弾性波を送信するかまたは核層間絶縁膜から
の縦波弾性波を受信する複数の圧電素子を備え、前記圧
電素子の中の少なくとも１個は、前記第１電極の物質の
音速と密度をＶ、とＰｌ、前記圧電体の物質の音速と密
度をＶ０とＰ０、前記層間絶縁膜の物質の音速と密度を
υとρ、として、ｖ、ｘｐ、が（ＶＯＸＰＯＸ　（Ｊ　
Ｘ　ｐ＞”Ｊ：等シイ力またはそれに近いものであるよ
うに構成し、また、前記Ｖ１×Ｐ１が（ｖｏｘｐｏｘ　
ｕ　ｘ　ρ）””ニ等しイカマたはそれに近いものであ
る２個の圧電素子が、共通の層間絶縁膜を介し且つそれ
ぞれの第１電極を該層間絶縁膜に接して対向しているよ
うに構成し、また、前記圧電体の物質は酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）、前記層間絶縁膜の物質はシリコンガラス、前記第
１電極の物質は鉛（Ｐｂ）または錫（Ｓｎ）またはチタ
ン（Ｔ１）或いはこれらの中の少なくとも１つを含む合
金、であるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体装置に係り、特に、構成要素間の信号
伝達手段として電気配線層を用いずに縦波弾性波を利用
した集積回路に関する。

近年、集積回路の高集積化が進むに伴い、配線数が飛躍
的に増大している。

例えば、ニューロコンピュータをＩＣ化するためには、
各ニューロン間をすべて接続する必要があり、高機能化
のためにニューロン数を増やすと配線数が急激に増大す
る。

また、２次元的なＩＣを積み重ねる３次元的（立体的）
な構造にしようとする場合も配線数の増大を免れない。

配線数の増大に対して従来は電気配線層の多層化で対応
している。しかしその多層化は、配線層表面の凹凸を激
しくして断線を起こし易くさせ、凹凸に対する平坦化を
行うとコンタクト・ホールのアスペクト比が大きくなっ
てその部分での断線の可能性が増大するので、現状の技
術では層数に限界がある。

縦波弾性波を利用した信号伝達手段を電気配線層の代わ
りに用いる上記集積回路は、この問題を克服するものと
して、本発明者等が先に特願平１７２３８９１号や特願
平１−７６９２３５号などにより提案したものである。

［従来の技術］ 第４図は構成要素間の信号伝達手段として縦波弾性波を
利用した集積回路の一従来例の構成図である。

同図において、この従来例は縦波弾性波がＭＯＳＦＥＴ
間の信号伝達を行うものであり、３０１はＳｉ基板、３
０２はフィールド酸化膜、３０３はソース領域、３０４
はドレイン領域、３０５はポリＳｉゲート、３０６ａ、
３０６ｂは圧電体、３０７は層間絶縁膜、３０８ａ。

３０８ｂは第１電極、３０９ａ、　３０９ｂは第２電極
、３１０は配線、３１１は表面保護膜、３１２は送信用
ＭＯ３ＦＥＴ、３１３は送信用圧電素子、３１４は受信
用圧電素子、３１５は受信用ＭＯ３ＦＥＴ、３１６は縦
波弾性波、である。

ここで、圧電体３０６ａ　、　３０６ｂはＺｎ０（酸化
亜鉛）、層間絶縁膜３０７はＰＳＧ、第１電極３０８ａ
　、　３０８ｂ及び第２電極３０９ａ　、　３０９ｂ及
び配線３１０はＡｌ、である。

送信用ＭＯ３ＦＥＴ３１２から受信用ＭＯ３ＦＥＴ３１
５への信号伝達は次のようになされる。

■　送信用ＭＯ３ＦＥＴ３１２がＯＮするとドレイン電
流が流れて、送信用圧電素子３１３の第２電極３０９ａ
に電圧が入力する。

■　送信用圧電素子３１３は、第１電極３０８ａと第２
電極３０９ａとの間に生じた電位差により圧電体３０６
ａに横方向の応力を生じ、層間絶縁膜３０７に横方向の
縦波弾性波３１６を送信する。

■　その縦波弾性波３１６は、受信用圧電素子３１４に
達して圧電体３０６ｂに横方向の応力を発生させ、第１
電極３０８ｂと第２電極３０９ｂとの間に電位差を生じ
させる。

■　その電位差は、第２電極３０９ｂから取り出され、
受信用ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ３１５のポリＳｔゲート３０５
０入力信号となる。

なお、弾性波は複数のものが交錯しても互いに独立して
伝播する特性を有することから、上述の縦波弾性波を利
用した信号伝達は、複数の伝達系の伝達経路が互いに交
錯する場合にも、その経路となる層間絶縁膜を共通の１
層で済ませることができる利点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが上述の従来例では、送信用圧電素子３１３の圧
電体３０６ａ中に発生した縦波弾性波３１６が、圧電体
３０６ａと第１電ｆｆ１３０８ａの界面、及び第１電極
３０８ａと層間絶縁膜３０７の界面、更にその先の層間
絶縁膜３０７と第１電極３０８ｂの界面、及び第１電極
３０８ｂと圧電体３０６ｂの界面における反射のために
、受信用圧電素子３１４を動作させるまでに大きく減衰
する問題がある。

この減衰は、受信側の動作マージンを狭めたり、送信側
の負担を大きくしたりする問題を招く。

そこで本発明は、上述の縦波弾性波を利用した信号伝達
において、送信側から受信側までの間における縦波弾性
波の減衰を低減させることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図である。

上記目的は、第１図を参照して、半導体基板１上に、圧
電体６を第１電極８及び第２電極９で挟みその外側が層
間絶縁膜７に接する構成をなして、層間絶縁膜７に縦波
弾性波１６を送信するかまたは層間絶縁膜７からの縦波
弾性波１６を受信する複数の圧電素子１３．１４を備え
、前記圧電素子１３．１４の中の少なくとも１個は、第
１電極８の物質の音速と密度を■１とＰｌ、圧電体６の
物質の音速と密度をＶ、とＰｏ、層間絶縁膜７の物質の
音速と密度をυとρ、として、ｖ、ｘｐ、が（Ｖ、ＸＰ
、Ｘ　ｕ　Ｘ　ρ）””ニ等しいかまたはそれに近いも
のである本発明の半導体装置によって達成される。

本発明によれば、前記Ｖｌ　ｘｐ、が（ＶＩ　Ｘ　ｐｏ
　ｘυ×ρ）１′２に等しいかまたはそれに近いもので
ある２個の圧電素子１３．１４が、共通の層間絶縁膜７
を介し且つそれぞれの第１電極８を該層間絶縁膜７に接
して対向していることが望ましく、また、圧電体６の物
質は酸化亜鉛（ＺｎＯ）、層間絶縁膜７の物質はシリコ
ンガラス、第１電極８の物質は鉛（Ｐｂ）または錫（Ｓ
ｎ）またはチタン（Ｔ１）或いはこれらの中の少な（と
も１つを含む合金、であることが望ましい。

［作　用］ 縦波弾性波即ち音波の反射は、媒体物質の固有音響イン
ピーダンスＺ　（＝音速×密度）に依存する。

ここで、Ｚ＝Ｚｉの物質からＺ＝Ｚｊの物質に音波が垂
直入射する時、反射率Ｒｐと透過率Ｔｐ（＝１−Ｒｐ）
は、Ｚｉ＜Ｚｊとして吸収を無視すると次のようになる
。

Ｒｐ＝　（Ｚｊ−Ｚ１）　／　（Ｚｊ＋Ｚ１）Ｔρ＝２
Ｚｉ／　（Ｚｊ＋Ｚ１） さて、上記圧電体６、層間絶縁膜７、第１電極８の物質
の音響インピーダンスを、それぞれＺｏ（＝ＶｅＸＰＪ
　、Ｚ＋　（＝Ｖ１×Ｐ１）　、Ｌ　（−Ｕ　Ｘ　９　
）とすると、 ■　圧電体６から層間絶縁膜７に音波が直接入射する場
合の透過率Ｔｐ＋　は、 Ｔｐ＋　−２Ｚｔ／　（Ｚｚ＋Ｚｏ） ■　圧電体６から第１電極８を介して層間絶縁膜７に音
波が入射する場合の透過率Ｔｐ！は、２回以上反射した
ものの透過分を無視して、Ｔｐｚ　＝Ｔｌ）ｏｚＴｐｔ
＋ −４Ｚ＋Ｚｚ／　（Ｚｚ＋Ｚｏ）　（Ｚ！＋Ｚｌ）但し
、Ｔｐｏｚは圧電体６→第１電極８の透過率ＴＰｚｔは
第１電極８→絶縁膜７の透過率Ｔ　Ｐ　！　＞　Ｔ　ｐ
　＋を解（と、ｚ２が２０と２．）間の値であれば、圧
電体６から層間絶縁膜７に音波が直接入射する場合より
、第１電極８を介して入射する場合の方が減衰が少ない
ことが判る。また、減衰が最も少ない条件即ちＴｐｇが
最大になる条件は、Ｚ２を変数にすると　Ｚｚ＝　（Ｚ
ｏＺｔ）　””の時である。

そして、この条件を厳密に実現しなくともＴＰｚが連続
関数であることから、これに近い条件例えば（ＺＪＩ）
””／Ｚ！が０．９〜１．１程度の範囲に収まる条件を
満たせば、圧電体６から第１電極８を介して層間絶縁膜
７に音波が入射する場合の減衰を十分に低減させること
ができる。言うまでもなく、これとは逆に層間絶縁膜７
から第１電８ｉ８を介して圧電体６に音波が入射する場
合も同様である。

従って、前記圧電素子１４．１５の中の少なくとも１個
のＶ＋　ＸＰ＋が（ＶＩＩＸＰＯＸυ×ρ）１′２に等
しいかまたはそれに近いものであることにより、圧電素
子１４．１５相互間における縦波弾性波の減衰が低減し
、両者のｖ、ｘｐ、が（ＶｏＸＰ６Ｘυ×ρ）１″に等
しいかまたはそれに近いものであることにより前記減衰
がより一層低減する。

そして、圧電体６の物質をＺｎＯ１層間絶縁膜７の物質
をシリコンガラス（例えばＰＳＧ）にした場合、（ＺＯ
２１）””が２０．１〜２６．３　［ｘｔｏｈＫｇ　ｒ
ａ−”ｓ　−１］　であるのに対して、Ｐｂ、　Ｓｎ、
　Ｔｉの音響インピーダンスがそれぞれ２２．２．２４
．２３．２７．４３［Ｘ１０’　Ｋｇ　ｍ−ｔ　ｓ−１
］　であることから、第１電極８の物質をｐｂまたはＳ
ｎまたはＴｉ或いはこれらの中の少なくとも１つを含む
合金にすることにより、上記の条件を満たすことができ
る。ちなみにＡｌの音響インピーダンスは１７．３　［
ＸＬＯ’　Ｋｇ　ｍ−”　ｓ−’］　である。

〔実施例〕

以下本発明の実施例について第２図及び第３図を用いて
説明する。第２図は第１実施例の構成図、第３図は第２
実施例の構成図、であり、全図を通し符号の下２桁数字
（及び添英字）が同一のものは同一機能対象物を示す。

第１実施例を示す第２図において、この実施例は従来例
と同様の構造をなして同様の信号伝達を行うものであり
、１０１はＳｉ基板、１０２はフィールド酸化膜、１０
３はソース領域、１０４はドレイン領域、１０５はポリ
Ｓｉゲート、１０６ａ、　１０６ｂは圧電体、１０７は
層間絶縁膜、１０８ａ、　１０８ｂは第１電極、１０９
ａ　。

１０９ｂは第２電極、１１０は配線、１１１は表面保護
膜、１１２は送信用ＭＯ３ＦＥＴ、１１３は送信用圧電
素子、１１４は受信用圧電素子、１１５は受信用ＭＯ３
ＦＥＴ、１１６は縦波弾性波、である。

ここで、圧電体１０６ａ、　１０６ｂはＺｎＯ１層間絶
縁膜１０７はＰＳＧ、第１電極１０８ａ、　１０８ｂは
ｐｂ、第２電極１０９ａ、　１０９ｂ及び配線１０８は
ｌ、である。

この実施例の製造では、第１第２電極及び配線の形成は
、従来例の場合共通のＡｌ膜からパターニングできたの
に対し、ｐｂ膜のパターニングとへ２膜のパターニング
に分ければ良い。そして、Ｐｂ膜形成の後はすべてのプ
ロセスを３００°Ｃ以下で行う。

送信用ＭＯ３ＦＥＴ１１２から受信用ＭＯ３ＦＥＴ１１
５への信号伝達は、従来例の場合と同様である。そして
その際、圧電体１０６ａ、　１０６ｂと層間絶縁膜１０
７と第１電極１０８ａ、　１０８ｂの物質の組合せから
、先に述べた原理によって縦波弾性波１１６の減衰が従
来例の場合より低減する。

本発明者の確認によれば、この実施例と従来例とを同一
デイメンジョンにした場合、実施例は同じ入力を与えて
出力が約７％向上した。

第２実施例を示す第３図において、この実施例はＩＣを
３次元的（立体的）構造にした場合の一例であり、２０
１はＳｉ基板、２０２はフィールド酸化膜、２０３はソ
ース領域、２０４はドレイン領域、２０５はポリＳｉゲ
ート、２０６ａ、２０６ｂはＺｎＯ圧電体、２０７はＰ
ＳＧ層間絶縁膜、２０８ａ、　２０８ｂはｐｂ第１電極
、２０９ａはへｌ第２電極、２０９ｂはポリＳｉゲート
２０５と一体のポリＳｉ第２電極、２１０はＡ１配線、
２１１は表面保護膜、２１２は送信用ＭＯ３ＦＥＴ、２
１３は送信用圧電素子、２１４は受信用圧電素子、２１
５は受信用ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ、　２１６は縦波弾性波、
２１７はＳｉ層、である。

ここでは、Ｓｉ層２１７を設けて２層構成にした３次元
的構造の上層部分と下層部分が層間絶縁膜２０７で分離
されており、その上層部分に送信用ＭＯ３ＦＥＴ２１２
と送信用圧電素子２１３を、下層部分に受信用ＭＯ３Ｆ
ＥＴ２１５と受信用圧電素子２１４を有して、送信用Ｍ
Ｏ３ＦＥＴ２１２から受信用ＭＯ３ＦＥＴ２１５へ信号
伝達する配線を有しない。

そして、送信用ＭＯ３ＦＥＴ２１２から受信用ＭＯ３Ｆ
ＥＴ２１５への信号伝達は次のようになされる。

■　送信用ＭＯ３ＦＥＴ２１２がＯＮするとドレイン電
流が流れて、送信用圧電素子２１３の第２電極２０９ａ
に電圧が入力する。

■　送信用圧電素子２１３は、第１電極２０８ａと第２
電極２０９ａとの間に生じた電位差により圧電体２０６
ａに縦方向の応力を生じ、層間絶縁膜３０７に縦方向の
縦波弾性波２１６を送信する。

■　その縦波弾性波２１６は、受信用圧電素子２１４に
達して圧電体２０６ｂに縦方向の応力を発生させ、第１
電極２０８ｂと第２電極２０９ｂとの間に電位差を生じ
させる。

■　その電位差は、第２電極２０９ｂから取り出され、
受信用ＭＯ３ＦＥＴ２１５のポリＳｉゲート２０５の入
力信号となる。

即ちこの信号伝達のメカニズムは、伝達方向のみを異に
して第１実施例の場合と全く同じである。

従って、圧電体２０６ａ、２０６ｂと層間絶縁膜２０７
と第１電極２０８ａ　、　２０８ｂの物質の組合せから
、縦波弾性波２１６の減衰が極めて少ない。

なお、第２実施例において、受信用ＭＯ３ＦＥＴ２１５
のチャネル形成領域を圧電体２０６ｂの直下に位置させ
た場合には、ポリＳｉゲート２０５と第２電極２０９ｂ
を省略して、圧電体２０６ｂでもってポリＳｉゲート２
０５に代わるゲート電極とすることも可能である。その
際は、圧電体２０６ｂの下面が第２電極２０９ｂ及びポ
リＳｉゲート２０５の機能を果たす。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の構成によれば、構成要素間
の信号伝達手段として電気配線層を用いずに縦波弾性波
を利用した集積回路に関し、送信側から受信側までの間
における縦波弾性波の減衰を低減させることができて、
送信側の負担軽減や受信側の動作マージン拡大を可能に
させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図は第１実施例の構成図、 第３図は第２実施例の構成図、 第４図は一従来例の構成図、 である。 図において、 １は半導体基板、 １０１．２０１．３０１はＳｉ基板、 ６は圧電体、 １０６ａ、　１０６ｂ、　２０６ａ、　２０６ｂ、　３
０６ａ、　３０６ｂはＺｎＯ圧電体、 ７は層間絶縁膜、 １０７．２０７．３０７はＰＳＧ層間絶縁膜、８は第１
電極、 １０８ａ、１０８ｂ、２０８ａ、　２０８ｂはｐｂ第１
電極、３０８ａ、３０８ｂはＡｌ第１電極、 ９は第２電極、 １０９ａ、１０９ｂ、２０９ａ、３０９ａ、３０９ｂは
Ａ１第２電極、２０９ｂはポリＳｉ第２電極、 １１２．２１２．３１２は送信用ＭＯ３ＦＥＴ。 １３．１４は圧電素子、 １１３．２１３．３１３は送信用圧電素子、１１４．２
１４．３１４は受信用圧電素子、１５ １５ １５ は受信用ＭＯ３ＦＥＴ。 １６、 １６ １６ １６ は縦波弾性波、 である。 本鉋明の原理説明図 第１実導例の準へ図 第 図 ２０１＋Ｓｉ基本及 ２０３：ソース嘴■或 ２０５：ポリＳ（ゲート ２０２：フィールド紀嶋膜 ２０４ニドレイン噸ｆ成 ２０６α５ｂ：Ｚｈｏ圧電体 ２１０：Ａβ配碌 ２１２：送信用量Ｏ３Ｆ［Ｔ ２１４：受信用圧電索子 ２１ら：令従し皮弾栢じ皮 ２１１：表面保謂原 ２１３：咲信用圧電素子 ２１５：弓５≦イ名用（へＯＳＳココ １２１フＳｉ層 りψ５２実力〒吃イ列の１−１１デ之図第 図 促采伊ｊの禅１４図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 〔１〕半導体基板（１）上に、圧電体（６）を第１電極
   （８）及び第２電極（９）で挟みその外側が層間絶縁膜
   （７）に接する構成をなして、該層間絶縁膜（７）に縦
   波弾性波（１６）を送信するかまたは該層間絶縁膜（７
   ）からの縦波弾性波（１６）を受信する複数の圧電素子
   （１３、１４）を備え、 前記圧電素子（１３、１４）の中の少なくとも１個は、
   前記第１電極（８）の物質の音速と密度をＶ＿１とＰ＿
   １、前記圧電体（６）の物質の音速と密度をＶ＿０とＰ
   ＿０、前記層間絶縁膜（７）の物質の音速と密度をυと
   ρ、として、Ｖ＿１×Ｐ＿１が（Ｖ＿０×Ｐ＿０×υ×
   ρ）＾１＾／＾２に等しいかまたはそれに近いものであ
   ることを特徴とする半導体装置。 〔２〕前記Ｖ＿１×Ｐ＿１が（Ｖ＿０×Ｐ＿０×υ×ρ
   ）＾１＾／＾２に等しいかまたはそれに近いものである
   ２個の圧電素子（１３、１４）が、共通の層間絶縁膜（
   ７）を介し且つそれぞれの第１電極（８）を該層間絶縁
   膜（７）に接して対向していることを特徴とする請求項
   １記載の半導体装置。 〔３〕前記圧電体（６）の物質は酸化亜鉛（ＺｎＯ）、
   前記層間絶縁膜（７）の物質はシリコンガラス、前記第
   １電極（８）の物質は鉛（Ｐｂ）または錫（Ｓｎ）また
   はチタン（Ｔｉ）或いはこれらの中の少なくとも１つを
   含む合金、であることを特徴とする請求項１または２記
   載の半導体装置。