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JP2018148152A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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JP2018148152A JP2017044587A JP2017044587A JP2018148152A JP 2018148152 A JP2018148152 A JP 2018148152A JP 2017044587 A JP2017044587 A JP 2017044587A JP 2017044587 A JP2017044587 A JP 2017044587A JP 2018148152 A JP2018148152 A JP 2018148152A
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Abstract

【課題】回路領域において、素子分離用の溝よりも深い溝内に形成され、配線と半導体基板とを電気的に接続する基板コンタクトプラグを形成する場合に、基板コンタクト開口率の不足に起因する基板コンタクトプラグの抵抗値の増大を防ぐ。【解決手段】配線M1と半導体基板SBとに接続され、回路を構成しない基板コンタクトプラグSP2を、半導体チップ領域の周縁部のシールリング領域1Bに形成する。基板コンタクトプラグSP2は、素子分離用の溝D1よりも深い溝D2内に埋め込まれている。【選択図】図4

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、基板コンタクトプラグを含む半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。
溝部の幅に対する溝部の深さの比であるアスペクト比として1よりも高い高アスペクト比を有する溝部内に絶縁膜が形成された素子分離(Deep Trench Isolation;DTI)構造を半導体基板の主面に有する半導体装置がある。また、半導体基板の主面に形成されたこのような深い溝内に形成され、当該溝の底面において半導体基板に接続される基板コンタクトプラグが知られている。
また、半導体ウェハを切削して複数の半導体チップを得るために行うダイシング工程に起因して半導体チップの回路領域に水分が侵入すること、および、当該ダイシング工程に起因して当該回路領域が金属汚染されることなどを防ぐための構造として、半導体チップの外周部に形成される金属部材などからなるシールリングが知られている。
特許文献1(特開2011−66067号公報)および特許文献2(特開2011−151121号公報)には、深い溝を用いて素子分離を行うことが記載されている。
特許文献3(特開2015−37099号公報)には、深い溝内にプラグを形成し、当該プラグを半導体基板に接続することが記載されている。
特許文献4(特開平8−37289号公報)には、シールリングの構造が記載されている。
特開2011−66067号公報 特開2011−151121号公報 特開2015−37099号公報 特開平8−37289号公報
回路領域において、他の素子分離溝よりさらに深い溝内に基板コンタクトプラグを形成するために、半導体基板上の層間絶縁膜の上面から半導体基板の深い位置まで達する当該溝をドライエッチングにより形成することが考えられる。この場合、当該溝の底部に絶縁性を有する変質層が形成され、これにより基板コンタクトプラグと半導体基板との間で接続不良が起き、半導体装置が正常に動作しなくなる問題がある。
その他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態である半導体装置は、配線と半導体基板とに接続され、回路を構成しない基板コンタクトプラグを、シールリング領域に形成するものである。
本願において開示される一実施の形態によれば、半導体装置の信頼性を向上させることができる。特に、回路領域の基板コンタクトプラグの接続不良が発生することを防ぐことができる。
本発明の実施の形態1である半導体装置を説明する平面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置を説明する平面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置を説明する平面図である。 図2のA−A線における断面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造工程中の断面図である。 図5に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図6に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図7に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図8に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図9に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図10に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図11に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態1の変形例1である半導体装置を説明する平面図である。 本発明の実施の形態1の変形例2である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の実施の形態1の変形例3である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の実施の形態2である半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図16に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 図17に続く半導体装置の製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態2の変形例1である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の実施の形態2の変形例2である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の実施の形態2の変形例3である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の実施の形態2の変形例4である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の実施の形態2の変形例5である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の実施の形態3である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の実施の形態3の変形例1である半導体装置を説明する断面図である。 本発明の実施の形態3の変形例2である半導体装置を説明する平面図である。 本発明の実施の形態3の変形例3である半導体装置を説明する平面図である。 本発明の実施の形態3の変形例4である半導体装置を説明する平面図である。 本発明の実施の形態3の変形例5である半導体装置を説明する平面図である。 本発明の実施の形態3の変形例5である半導体装置を説明する断面図である。 比較例である半導体装置を説明する断面図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その言及した数に限定されるものではなく、言及した数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
本願の半導体装置は、主に半導体チップのシールリング領域の構造に関するものである。以下の実施の形態では、図1、図2および図4のように、ダイシングを行うことによる個片化前の半導体ウェハの構造を示す図を用いて説明を行う場合があるが、本実施の形態の半導体装置は半導体ウェハのみならず、ダイシング工程後の半導体チップ(図3参照)をも含むものである。
(実施の形態1)
<半導体装置の構造について>
以下に、図1〜図4を用いて、本実施の形態の半導体装置の構造について説明する。図1〜図3は、本発明の実施の形態1である半導体装置を説明する平面図である。図4は、本実施の形態の半導体装置を説明する断面図である。図4は、図2のA−A線における断面図である。図4では、左から回路領域1A、シールリング領域1B、スクライブ領域(スクライブライン)1Cおよびシールリング領域1Bを示している。
図1には、本実施の形態の半導体装置を含む半導体ウェハWFの平面図と、半導体ウェハWFの主面にアレイ状に並ぶ複数のチップ領域CHRのうちの1つを抜き出した拡大平面図とを示している。平面視において、各チップ領域CHRは矩形形状を有しており、回路領域1Aおよびシールリング領域1Bを有している。半導体基板SBは、単結晶シリコン(Si)からなるp型の基板であり、トランジスタなどの半導体素子が形成される側の第1面である主面と、その反対側の第2面である裏面(背面)とを有している。
なお、本願でいう半導体ウェハWFは、個片化される前の円板状の基板を意味する場合と、個片化される前の円板状の基板および当該基板上に形成された半導体素子および配線層などを含む積層構造を意味する場合とがある。対して、本願でいう半導体基板SB(図4参照)は、半導体ウェハWFを構成する基板を意味する場合と、個片化された半導体チップを構成する基板を意味する場合とがあり、いずれの場合も、基板(例えばシリコン基板)上の半導体素子および配線層などは含まない。
図1に示すように、平面視において円い形状を有する半導体ウェハWF(半導体基板SB)は、平面視における端部の一部に切り欠き(ノッチ)NTを有している。また、半導体ウェハWFの主面には、行列状に並ぶ複数のチップ領域CHRが存在している。平面視において、各チップ領域CHRは矩形形状を有しており、回路領域1Aおよびシールリング領域1Bを有している。回路領域1Aは、所望のアナログ、デジタル回路が形成されている領域であり、回路を構成する半導体素子、配線、コンタクトプラグ(導電性接続部)、基板コンタクトプラグ(基板接続部)、ビア(導電性接続部)などが形成されている領域である。平面視において、各チップ領域CHRの回路領域1Aは、環状のシールリング領域1Bの内側に位置している。
シールリング領域1Bは、半導体ウェハWFをダイシングブレードで切削する際に、シールリング領域1Bの内側にクラックが生じること、回路領域1Aに水分が侵入すること、および、回路領域1Aが金属汚染されることなどを防ぐため、金属配線および基板コンタクトプラグなどを配置する領域である。よって、シールリング領域1Bはチップ領域CHRの端部に環状に形成されており、チップ領域CHRの中心の回路領域1Aを保護している。1方向に延在するシールリング領域1Bの短手方向の幅は、例えば6μm程度である。
チップ領域CHRは、半導体ウェハWFの上面に沿う第1方向および第2方向に複数並んで配置されている。第1方向および第2方向は、互いに直交している。半導体ウェハWFの上面に並ぶ複数のチップ領域CHR同士の間は、互いに離間している。隣り合うチップ領域CHR同士の間の領域はスクライブ領域1Cである。言い換えれば、スクライブ領域1Cはシールリング領域1Bを境界として、回路領域1Aと反対側に位置する領域である。すなわち、各チップ領域CHRは、スクライブ領域1Cにより囲まれている。
また、スクライブ領域1Cは、第1方向または第2方向に延在している。スクライブ領域1Cは、その一部が、スクライブ領域1Cの延在方向に沿って切削される領域である。つまり、スクライブ領域1Cは、各チップ領域CHRを切り離すために一部が除去される領域である。当該切削により個片化された各チップ領域CHRは、半導体チップCHP(図3参照)となる。
図2に、第1方向に延在するスクライブ領域1Cおよび第2方向に延在するスクライブ領域1Cの交差する箇所を拡大して示す。図2は、図1の破線で囲まれた領域を拡大して示す平面図である。図2に示すように、スクライブ領域1Cは、第1方向または第2方向に延在しており、第1方向に延在するスクライブ領域1Cと第2方向に延在するスクライブ領域1Cとは、互いに直交している。1方向に延在するスクライブ領域1Cの短手方向の幅は、例えば100μm程度である。
上記の半導体ウェハWF(図1参照)をダイシング工程を行って個片化した結果得られる複数の半導体チップである半導体チップCHPの1つを図3に示す。ダイシング工程では、ダイシングブレードを用いて、半導体ウェハのスクライブ領域(スクライブライン)1Cを切削することにより、半導体ウェハを個々の半導体チップに分離する。図3に示すように、半導体チップCHPは、チップ領域CHR(図1参照)を主に含み、端部にスクライブ領域1Cの一部を含んでいる。
上記ダイシング工程で使用するダイシングブレードの幅は、スクライブ領域1Cの短手方向の幅よりも小さい。したがって、ダイシング工程で切削を行っても、スクライブ領域1Cの一部は半導体チップCHPの端部に残る。これは、切削が行われる範囲にばらつきがあり、シールリング領域1Bが切削されることを避ける必要があるためである。
シールリング領域1Bは半導体チップCHPの中央の回路領域1Aを保護するために設けられた領域であるため、平面視において回路領域1Aの周囲を囲むように環状に形成されている。言い換えれば、シールリング領域1Bは平面視で矩形形状を有する半導体チップCHPの外周である4辺に沿って、矩形に形成されている。つまり、平面視においてシールリング領域1Bは枠状に形成されており、図4を用いて後述するシールリング領域1Bに形成された配線およびビアも、シールリング領域1Bの延在方向に沿って環状に形成されている。ここで、図3に示すように、シールリング領域1Bに形成された基板コンタクトプラグSP2も、平面視で環状の矩形形状を有している。すなわち、基板コンタクトプラグSP2は4つの延在部を有し、これらの延在部を半導体チップCHPの角部近傍で直角に繋げた構造を有しており、回路領域1Aを囲むように連続的に形成されている。
図4に、本実施の形態の半導体装置の断面図であって、スクライブ領域1Cが切削されていない場合の断面図を示す。図4は、シールリング領域1Bおよびスクライブ領域1Cのそれぞれの短手方向に沿う断面図である。スクライブ領域1Cと回路領域1Aとの間には、シールリング領域1Bが存在している。
図4に示すように、本実施の形態の半導体装置は、半導体基板SBと、半導体基板SB上にエピタキシャル成長法で形成されたエピタキシャル層(半導体層)とからなる積層基板を有している。以下では、半導体基板SBおよび半導体基板SB上のエピタキシャル層を含む基板を、積層基板と呼ぶ。なお、半導体基板SBおよびエピタキシャル層は半導体からなるため、当該積層基板を半導体基板と呼ぶこともできる。当該エピタキシャル層は、半導体基板SB上に順に形成されたp型半導体領域PR1、n型埋込み領域NRおよびp型半導体領域PR2を有している。
回路領域1Aのp型半導体領域PR2の上部には、p型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2およびn型高耐圧トランジスタQ3が形成されている。p型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2およびn型高耐圧トランジスタQ3のそれぞれは、p型半導体領域PR2の上面、つまり、積層基板の上面をチャネル領域として有するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。p型低耐圧トランジスタQ1およびn型低耐圧トランジスタQ2は、n型高耐圧トランジスタQ3よりも低い電圧で駆動するMOS型の電界効果トランジスタである。n型高耐圧トランジスタQ3は、例えば45Vの耐圧を有するMOS型の電界効果トランジスタである。図4では、左側から順にp型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2およびn型高耐圧トランジスタQ3を示している。
p型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2およびn型高耐圧トランジスタQ3のそれぞれは、積層基板の上面に形成された溝(分離溝)D1内に埋め込まれた絶縁膜からなる素子分離領域EIにより互いに分離されている。素子分離領域EIは、例えば主に酸化シリコンからなる。素子分離領域EIは、回路領域1A、シールリング領域1Bおよびスクライブ領域1Cのいずれにも形成されている。スクライブ領域1Cでは、素子分離の用途に用いられない擬似的な素子分離領域EIが複数並べて形成されている。
p型半導体領域PR2の上面には、溝D1よりも深さが深いn型ウェルW1およびp型ウェルW2が隣り合って形成されており、p型低耐圧トランジスタQ1はn型ウェルW1上に形成され、n型低耐圧トランジスタQ2はp型ウェルW2上に形成されている。素子分離領域EIは、比較的浅い素子分離部であり、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)構造を有している。
p型低耐圧トランジスタQ1は、積層基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有しており、ゲート長方向におけるゲート電極の両側の側面は、絶縁膜からなるサイドウォールにより覆われている。また、p型低耐圧トランジスタQ1は、当該ゲート電極の直下のn型ウェルW1の上面を挟むように形成された一対のソース・ドレイン領域SD1を有している。ソース・ドレイン領域SD1はp型半導体領域であり、素子分離領域EIよりも浅い深さで形成されている。一対の当該ソース・ドレイン領域SD1のそれぞれは、互いに隣接するエクステンション領域および拡散領域からなる。当該ゲート絶縁膜は例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはその積層構造からなり、当該ゲート電極はポリシリコン膜からなる。
n型低耐圧トランジスタQ2は、積層基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有しており、ゲート長方向におけるゲート電極の両側の側面は、絶縁膜からなるサイドウォールにより覆われている。また、n型低耐圧トランジスタQ2は、当該ゲート電極の直下のp型ウェルW2の上面を挟むように形成された一対のソース・ドレイン領域SD2を有している。ソース・ドレイン領域SD2はn型半導体領域であり、素子分離領域EIよりも浅い深さで形成されている。一対の当該ソース・ドレイン領域SD2のそれぞれは、互いに隣接するエクステンション領域および拡散領域からなる。当該ゲート絶縁膜は例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはその積層構造からなり、当該ゲート電極はポリシリコン膜からなる。
n型高耐圧トランジスタQ3は、積層基板上に素子分離領域EIおよびゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極を有しており、ゲート長方向におけるゲート電極の両側の側面は、絶縁膜からなるサイドウォールにより覆われている。n型高耐圧トランジスタQ3のゲート電極のゲート長方向の長さは、p型低耐圧トランジスタQ1およびn型低耐圧トランジスタQ2のそれぞれのゲート長方向の長さよりも大きい。また、n型高耐圧トランジスタQ3のゲート絶縁膜の厚さは、p型低耐圧トランジスタQ1およびn型低耐圧トランジスタQ2のそれぞれのゲート絶縁膜の厚さと同等、または、より厚い。当該ゲート絶縁膜は例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはその積層構造からなり、当該ゲート電極はポリシリコン膜からなる。
n型高耐圧トランジスタQ3は当該ゲート電極の直下のp型半導体領域PR2の上面を挟むように形成されたソース領域SRおよびドレイン領域DRを有している。ソース領域SRおよびドレイン領域DRはn型半導体領域であり、素子分離領域EIよりも浅い深さで形成されている。ドレイン領域DRと上記ゲート電極の直下のp型半導体領域PR2の上面との間には、溝D1内に埋め込まれた素子分離領域EIが設けられており、当該溝D1の側面および底面に隣接するp型半導体領域PR2の表面には、n型オフセット領域OFが形成されている。
また、ソース領域SRは、p型半導体領域PR2の上面に形成されたp型ウェルW3の上面に形成されており、p型ウェルW3の上面には、ソース領域SRと隣接するp型拡散領域PDが形成されている。n型オフセット領域OFとp型ウェルW3とは、上記ゲート電極の直下において互いに離間している。また、n型高耐圧トランジスタQ3の直下のn型埋込み領域NRとp型半導体領域PR2との間には、p型埋込み領域PR3が形成されている。ソース領域SRは、互いに隣接するエクステンション領域および拡散領域からなる。
ソース・ドレイン領域SD1、SD2およびソース領域SRのそれぞれを構成する拡散領域は、当該拡散領域に隣接するエクステンション領域よりも不純物濃度が高い。このように、ソース・ドレイン領域SD1、SD2およびソース領域SRのそれぞれは、不純物濃度が高い拡散領域と、不純物濃度が低いエクステンション領域とを含むLDD(Lightly Doped Drain)構造を有している。
p型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2およびn型高耐圧トランジスタQ3のそれぞれのソース・ドレイン領域の上面であって、各ゲート電極およびサイドウォールから露出する上面は、シリサイド層S1により覆われている。また、各ゲート電極の上面は、シリサイド層S1により覆われている。シリサイド層S1は、例えばCo(コバルト)またはNi(ニッケル)などの金属とSi(シリコン)とを反応させて形成された導体層である。スクライブ領域1Cでは、素子分離領域EIから露出するp型半導体領域PR2の上面にp型拡散領域PDが形成されており、スクライブ領域1Cの素子分離領域EIおよびp型拡散領域PDのそれぞれの上面は、絶縁膜IF1により覆われている。絶縁膜IF1は例えば酸化シリコン膜または窒化シリコン膜からなり、p型拡散領域PDの上面にシリサイド層が形成されることを防ぐために設けられている。
積層基板上には、p型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2、n型高耐圧トランジスタQ3および絶縁膜IF1を覆うように、例えば主に酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜(コンタクト層間膜)CLが形成されている。層間絶縁膜CLの上面は平坦化されている。回路領域1Aでは、層間絶縁膜CLの上面から下面に亘って形成され、層間絶縁膜CLを貫通するコンタクトホール(接続孔)CHが複数形成されており、それらのコンタクトホールCH内に埋め込まれた導体膜からなるコンタクトプラグ(導電性接続部)CPが、積層基板上に複数形成されている。コンタクトプラグCPは、主にW(タングステン)膜からなる金属膜(導体膜)により構成されている。
複数のコンタクトプラグCPのそれぞれは、例えばp型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2およびn型高耐圧トランジスタQ3のそれぞれに接続されている。つまり、複数のコンタクトプラグCPのそれぞれは、p型低耐圧トランジスタQ1のゲート電極、n型低耐圧トランジスタQ2のゲート電極、n型高耐圧トランジスタQ3のゲート電極、ソース・ドレイン領域SD1、SD2、ソース領域SRまたはドレイン領域DRのそれぞれの上面に、シリサイド層S1を介して接続されている。シリサイド層S1は、各ゲート電極、ソース・ドレイン領域SD1、SD2、ソース領域SRまたはドレイン領域DRのそれぞれと、コンタクトプラグCPとの間の接続抵抗を低減する役割を有している。
コンタクトプラグCPは、例えば円柱状の形状を有しており、1つのコンタクトプラグCPの直径、すなわち、半導体基板SBの主面に沿う方向(横方向、水平方向)の幅の平均の値は、例えば0.1μm程度である。なお、図4では、p型低耐圧トランジスタQ1およびn型低耐圧トランジスタQ2のそれぞれのゲート電極に接続されたコンタクトプラグCPを図示していない。また、スクライブ領域1CにはコンタクトプラグCPは形成されておらず、本実施の形態では、シールリング領域1BにもコンタクトプラグCPは形成されていない。各コンタクトプラグCPの上面と層間絶縁膜CLの上面とは略同一面において平坦化されている。
層間絶縁膜CL上には、複数の配線M1と、各配線M1の側面および上面を覆う層間絶縁膜IL1とを含む第1配線層が形成されている。また、第1配線層は、層間絶縁膜IL1を貫通して配線M1の上面に接続されたビアV1を含んでいる。層間絶縁膜IL1は例えば酸化シリコン膜からなり、配線M1は例えば主にAl(アルミニウム)からなり、ビアV1は例えば主にW(タングステン)からなる。配線M1の下面の一部はコンタクトプラグCPの上面に接続されている。配線M1の横方向の幅は、コンタクトプラグCPおよびビアV1のそれぞれの横方向の幅よりも大きい。各ビアV1の上面と層間絶縁膜IL1の上面とは略同一面において平坦化されている。
第1配線層上には、第1配線層と同様の構成からなる第2配線層および第3配線層が順に積層されている。すなわち、第2配線層は、ビアV1の上面に接続された配線M2と、配線M2を覆う層間絶縁膜IL2と、層間絶縁膜IL2を貫通して配線M2の上面に接続されたビアV2とを含んでいる。また、第3配線層は、ビアV2の上面に接続された配線M3と、配線M3を覆う層間絶縁膜IL3と、層間絶縁膜IL3を貫通して配線M3の上面に接続されたビアV3とを含んでいる。第3配線層上には、ビアV3の上面に接続された配線M4が複数形成されている。配線M4は、主にAl(アルミニウム)からなる配線パターンである。
配線M4の上面および側面並びに層間絶縁膜IL3の上面は、層間絶縁膜IL3上に順に形成されたパッシベーション膜PFおよびポリイミド膜PIにより覆われている。ただし、スクライブ領域1Cの層間絶縁膜IL3の上面は、スクライブ領域1Cの端部を除き、パッシベーション膜PFから露出している。また、スクライブ領域1Cにポリイミド膜PIは形成されていない。なお、ボンディングパッド部(図示しない)では、パッシベーション膜PFおよびポリイミド膜PIは除去されており、配線M4の上面にボンディングワイヤなどを接続することができる。
回路領域1Aの配線M1〜M4、ビアV1〜V3およびコンタクトプラグCPは、互いに電気的にされている。すなわち、配線M4は、ビアV3、配線M3、ビアV2、配線M2、ビアV1、配線M1、コンタクトプラグCPおよびシリサイド層S1を介して、半導体素子に電気的に接続されており、回路を構成している。
ここで、一部の素子分離領域EIの上面には、素子分離領域EIの上面から半導体基板SBの途中深さまで達する溝D2が複数形成されている。すなわち、溝D2は、素子分離領域EI、p型半導体領域PR2、n型埋込み領域NRおよびp型半導体領域PR1を貫通している。溝D2は、積層基板の上面に形成されているということもできる。積層基板の最上面から溝D2の底面までの深さは、積層基板の最上面から溝D1の底面までの深さよりも深い。つまり、溝D2の深さは、溝D1の深さよりも大きい。各溝D2のそれぞれの内側の一部には、層間絶縁膜CLの一部が埋め込まれている。なお、スクライブ領域1Cでは、溝D1は形成されているが溝D2は形成されていない。
複数の溝D2のうち、素子分離部として用いられる溝D2の内側には、層間絶縁膜CLに囲まれた空隙(中空部)が形成されている。つまり、当該溝D2の底面および側面は、層間絶縁膜CLにより覆われている。以下では、素子分離部として用いられる溝D2をDTI(Deep Trench Isolation)構造と呼ぶ場合がある。DTI構造は、例えば、p型低耐圧トランジスタQ1およびn型低耐圧トランジスタQ2からなるCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)と、n型高耐圧トランジスタQ3とを電気的に分離するために形成されている。また、DTI構造は、例えば、半導体素子と下記の基板コンタクトプラグSP1とが、横方向において電気的に接続されることを防ぐために形成されている。DTI構造は、空隙を含む構造を有しているため、溝D2内を層間絶縁膜CLで完全に埋め込んだ構造に比べてより高い絶縁性を有している。
また、複数の溝D2のうち、一部の溝D2内には、基板コンタクトプラグ(基板接続部)SP1またはSP2が埋め込まれている。すなわち、一部の溝D2内には、層間絶縁膜CLの一部が埋め込まれており、当該溝D2内には、層間絶縁膜CLの上面から溝D2内を通って溝D2の底面に達するコンタクトホール(基板コンタクト溝、接続孔)である溝D3が形成されており、溝D3内には、半導体基板SBの上面に接続された導体膜からなる基板コンタクトプラグSP1またはSP2が埋め込まれている。つまり、溝(基板コンタクト溝、コンタクトホール、接続孔)D3は、溝D2と平面視において重なる範囲内に形成されており、溝D2の側面から離間して形成されている。溝D3の側面と溝D2の側面との間には、層間絶縁膜CLの一部が形成されている。基板コンタクトプラグSP1、SP2のそれぞれは、主にW(タングステン)膜からなる金属膜(導体膜)により構成されている。
溝D3の一部は、溝D2内の上記空隙により構成されている。基板コンタクトプラグSP1、SP2は、層間絶縁膜CLの上面の高さから、溝D2の底面に亘って形成され、溝D2内の上記空隙内に導体膜を充填することで形成されている。基板コンタクトプラグSP1、SP2は、溝D2の底面において半導体基板SBと電気的に接続されている。溝D3は溝D2より上方から溝D2の底面よりもさらに深い位置である半導体基板SBの途中深さに亘って形成されている。すなわち、積層基板の最上面から溝D3の底面までの深さは、積層基板の最上面から溝D2の底面までの深さよりも深い。つまり、溝D3の深さは、溝D2の深さよりも大きい。
回路領域1Aには、半導体基板SBに所定の電圧を印加するための導電性接続部として複数の基板コンタクトプラグSP1が複数設けられている。基板コンタクトプラグSP1の上面は、配線M1の下面に接続されている。すなわち、基板コンタクトプラグSP1は、半導体基板SBと配線M1とに電気的に接続されており、回路を構成している。
また、本実施の形態の主な特徴の1つとして、シールリング領域1Bには、基板コンタクトプラグSP2が形成されている。基板コンタクトプラグSP2は、回路領域1Aのp型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2およびn型高耐圧トランジスタQ3などの半導体素子、並びに、回路領域1Aの配線M1〜M4などに対し電気的に接続されていない。
また、シールリング領域1Bには、配線M1〜M4およびビアV1〜V3が形成されており、これらの導体膜は、配線M1の下面に接続された基板コンタクトプラグSP2に電気的に接続されている。ただし、シールリング領域1Bの配線M1〜M4およびビアV1〜V3は、回路領域1Aのp型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2およびn型高耐圧トランジスタQ3などの半導体素子、並びに、回路領域1Aの配線M1〜M4などに対し電気的に接続されていない。つまり、シールリング領域1Bの基板コンタクトプラグSP2、配線M1〜M4およびビアV1〜V3は回路を構成しておらず、基板コンタクトプラグSP2は、導電性を有する擬似的な基板接続部(ダミー基板コンタクトプラグ)と呼ぶことができる。
シールリング領域1Bおよびスクライブ領域1Cには基板コンタクトプラグSP1は形成されておらず、回路領域1Aおよびスクライブ領域1Cには、基板コンタクトプラグSP2は形成されていない。回路領域1Aおよびシールリング領域1Bのそれぞれの溝D2は、いずれも層間絶縁膜CLおよび素子分離領域EIを貫通して、半導体基板SBの途中深さまで達している。つまり、溝D2、D3のそれぞれは、溝D1と平面視で重なる位置に形成されている。
シールリング領域1Bの溝D2、D3および基板コンタクトプラグSP2は、図3に示すシールリング領域1Bの平面レイアウトに沿って延在しており、平面視において環状に形成された連続的なパターンを有している。すなわち、溝D2、D3および基板コンタクトプラグSP2は図4の奥行き方向に延在している。同様に、シールリング領域1Bの基板コンタクトプラグSP2、配線M1〜M4およびビアV1〜V3は、図3に示すシールリング領域1Bの平面レイアウトに沿って延在しており、平面視において環状に形成された連続的なパターンを有している。溝D2の短手方向の幅は、例えば0.8μmであり、溝D3および基板コンタクトプラグSP2の短手方向の幅は、例えば0.5μmである。すなわち、溝D3および基板コンタクトプラグSP2の短手方向の幅は、コンタクトプラグCPの直径よりも大きい。
基板コンタクトプラグSP1は、平面視にいて所定の方向に延在するレイアウトを有していることが考えられるが、平面視において延在していない円柱状の構造を有していてもよい。基板コンタクトプラグSP1が半導体基板SBの主面に沿う方向に延在するパターンである場合、基板コンタクトプラグSP1の短手方向の幅は、例えば、基板コンタクトプラグSP2の短手方向の幅と同一である。また、基板コンタクトプラグSP1が円柱状の構造を有している場合、基板コンタクトプラグSP1の直径の平均値は、例えば、基板コンタクトプラグSP2の短手方向の幅の大きさと同一である。
本実施の形態の半導体装置では、回路領域1Aのp型低耐圧トランジスタQ1、n型低耐圧トランジスタQ2、n型高耐圧トランジスタQ3および受動素子(図示していない)を、コンタクトプラグCP、配線M1〜M4およびビアV1〜V3などを用いて互いに電気的に接続し、これにより、回路領域1A内に所望のアナログ・デジタル回路を構成している。
なお、ここでは基板コンタクトプラグSP1、SP2の材料としてW(タングステン)を例示したが、溝D3内に埋め込まれ、基板コンタクトプラグSP1、SP2を構成する材料は、例えばCu(銅)またはポリシリコンなどであってもよい。また、基板コンタクトプラグSP2の直上の配線M1の上面には段差が生じる可能性があるため、シールリング領域1BのビアV1は、基板コンタクトプラグSP2の直上を避けて配置することが好ましい。
本実施の形態では、スクライブ領域1Cにシリサイド層S1を形成せず、配線などの金属膜も形成しない構成について説明した。ただし、ダイシング性に悪影響を及ぼさない限り、ゲート電極または金属配線などで形成したダミーパターン、半導体装置を作製する際に持ちるアライメントマーク、または、諸々の特性評価に用いるマークなどをスクライブ領域1Cに形成していてもよい。
<半導体装置の製造方法について>
以下に、図1、図3および図5〜図12を用いて、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。図5〜図12は、本実施の形態の半導体装置の製造工程中の断面図である。図5〜図12の各図では、左から順に回路領域1A、シールリング領域1B、スクライブ領域(スクライブライン)1Cおよびシールリング領域1Bを示している。スクライブ領域1Cは、半導体装置の製造工程で半導体ウェハを個片化する際に切削する領域であり、シールリング領域1Bは、ダイシング工程で得られる半導体チップとなる領域である半導体チップ領域の周縁部に位置する領域であり、回路領域1Aは、回路を構成する素子および配線などが形成される領域である。
半導体装置の製造工程では、まず、図1および図5に示すように、例えば単結晶シリコン(Si)からなるp型の半導体基板SB、つまり半導体ウェハWFを準備する。半導体基板SBは、後の工程においてフォトダイオードおよびトランジスタなどの半導体素子が形成される側の第1面である主面と、その反対側の第2面である裏面(背面)とを有している。半導体基板SB上には、半導体基板SBよりもp型不純物濃度が低いエピタキシャル層が形成されている。エピタキシャル層は、エピタキシャル成長法で形成されたp型の半導体層である。半導体基板SBおよびエピタキシャル層は、積層基板を構成する。
続いて、例えばイオン注入法によりエピタキシャル層にn型不純物を打ち込むことで、エピタキシャル層の途中深さにn型埋込み領域NRを形成する。n型埋込み領域NRより下のエピタキシャル層は、p型半導体領域PR1である。続いて、例えばイオン注入法によりエピタキシャル層にp型不純物を打ち込むことで、エピタキシャル層の上面からn型埋込み領域NRの上部に亘って、エピタキシャル層内にp型半導体領域PR2を形成する。これにより、半導体基板SB上に順にp型半導体領域PR1、n型埋込み領域NRおよびp型半導体領域PR2が形成される。p型半導体領域PR1、PR2のそれぞれの不純物濃度は、半導体基板SBの不純物濃度より低い。
次に、図6に示すように、p型半導体領域PR2の上面に、ハードマスク(図示しない)を用いたドライエッチング法により、複数の溝D1を形成する。続いて、各溝D1内を埋め込む絶縁膜からなる素子分離領域EIを形成する。素子分離領域EIは、例えば酸化シリコン膜からなり、STI構造を有する。ここでは、回路領域1A、シールリング領域1Bおよびスクライブ領域1Cのそれぞれに複数の素子分離領域EIを形成する。
続いて、例えばイオン注入法でn型不純物を回路領域1Aのp型半導体領域PR2の上面に打ち込むことで、p型半導体領域PR2の上面にn型ウェルW1を形成し、例えばイオン注入法でp型不純物を回路領域1Aのp型半導体領域PR2の上面に打ち込むことで、p型半導体領域PR2の上面にp型ウェルW2を形成する。また、例えばイオン注入法でp型不純物およびn型不純物を回路領域1Aのp型半導体領域PR2の上面に打ち込むことで、p型半導体領域PR2の上面にn型オフセット領域OFおよびp型ウェルW3をそれぞれ形成する。また、n型オフセット領域OFおよびp型ウェルW3を形成した領域、つまり高耐圧トランジスタ形成領域のn型埋込み領域NR上に、例えばイオン注入法を用いてp型不純物を打ち込み、これによりp型埋込み領域PR3を形成する。n型ウェルW1、n型オフセット領域OF、p型ウェルW2およびW3を形成するイオン注入工程のそれぞれを行った後には、例えば窒素雰囲気中での熱処理を毎度行う。
その後、n型ウェルW1上にp型低耐圧トランジスタQ1を形成し、p型ウェルW2上にn型低耐圧トランジスタQ2を形成し、n型オフセット領域OFおよびp型ウェルW3を形成したp型半導体領域PR2上にn型高耐圧トランジスタQ3を形成する。本実施の形態の主要な特徴はこれらのトランジスタには無いため、トランジスタの製造工程を以下に簡単に説明する。
これらのトランジスタの形成工程では、まず、シリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜、または、それらの積層膜で構成されるゲート絶縁膜を、例えば熱酸化法などで積層基板の上面に形成する。次に、ゲート絶縁膜上に、複数のゲート電極を形成する。ゲート電極は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法などによりポリシリコン膜を堆積した後、イオン注入法などにより当該ポリシリコン膜をn型またはp型に作り分ける。その後、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いて当該ポリシリコン膜およびゲート絶縁膜を所望のパターンに加工する。これにより、当該ポリシリコン膜からなる各種のゲート電極を形成する。
続いて、n型ウェルW1の上面に、p型不純物をイオン注入法などにより打ち込むことで、p型半導体領域からなる一対のソース・ドレイン領域SD1を形成する。また、p型ウェルW2の上面に、n型不純物をイオン注入法などにより打ち込むことで、n型半導体領域からなる一対のソース・ドレイン領域SD2を形成する。また、n型オフセット領域OFの上面に、n型不純物をイオン注入法などにより打ち込むことで、n型半導体領域からなるドレイン領域DRを形成し、p型ウェルW3の上面に、n型不純物をイオン注入法などにより打ち込むことで、n型半導体領域からなるソース領域SRを形成する。また、ソース領域SRと隣接するp型ウェルW3の上面に、p型不純物をイオン注入法などにより打ち込むことで、p型半導体領域からなるp型拡散領域PDを形成する。
また、シールリング領域1Bおよびスクライブ領域1Cにおいて素子分離領域EIから露出するp型半導体領域PR2の上面にも、p型半導体領域からなるp型拡散領域PDを形成する。ソース・ドレイン領域SD1、SD2、ソース領域SR、ドレイン領域DRおよびp型拡散領域PDを形成するために行うイオン注入工程のそれぞれの後には、窒素雰囲気中での熱処理を毎度行う。
ここでは、ソース・ドレイン領域SD1、SD2およびソース領域SRのそれぞれを、2段階の打ち込み工程により作り分けたエクステンション領域および拡散領域により形成している。エクステンション領域は拡散領域に比べ、不純物濃度が低く、トランジスタを構成するゲート電極側に位置し、浅い深さを有している。以上により、n型ウェルW1の上部のソース・ドレイン領域SD1およびゲート電極を含むp型低耐圧トランジスタQ1と、p型ウェルW2の上部のソース・ドレイン領域SD2およびゲート電極を含むn型低耐圧トランジスタQ2と、ソース領域SR、ドレイン領域DRおよびゲート電極を含むn型高耐圧トランジスタQ3とを形成することができる。なお、上記エクステンション領域を形成した後、上記拡散領域を形成する前に、各ゲート電極の側面を覆う絶縁膜からなるサイドウォールを形成する。
次に、図7に示すように、周知のサリサイドプロセスを行うことで、露出している各拡散領域および露出している各ゲート電極のそれぞれの表面を覆うシリサイド層S1を形成する。すなわち、まず、スクライブ領域1Cにシリサイド層S1が形成されることを防ぐため、スクライブ領域1Cにおいて露出するp型拡散領域PDの上面およびスクライブ領域1Cの素子分離領域EIの上面を絶縁膜IF1により覆う。絶縁膜IF1は例えばCVD法により形成され、例えば酸化シリコン膜または窒化シリコン膜からなるシリサイドプロテクション膜である。
続いて、半導体基板SB上の全面上に、例えばスパッタリング法を用いて、Co(コバルト)またはNi(ニッケル)などからなる金属膜を形成する。当該金属膜の膜厚は、例えば数十nm程度である。その後500℃程度に積層基板を加熱することで、シリコンと当該金属膜とを反応させ、これによりシリサイド層S1を形成する。続いて、硫酸と過酸化水素水との混合液などによるウェットエッチング法などを行うことで、絶縁膜IF1、素子分離領域EIおよびサイドウォール上に形成されたシリサイド層を除去する。その後、さらに800℃程度の熱処理を行うことで、所望のシリサイド層S1を各拡散領域および各ゲート電極のそれぞれの表面上にのみ形成する。
次に、図8に示すように、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜またはそれらの積層膜などで構成された層間絶縁膜(コンタクト層間膜)CL1を、例えばCVD法により形成する。その後、例えばMP(Chemical Mechanical Polishing)法による平坦化処理を行って、層間絶縁膜CL1の上面を平坦化する。続いて、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法などを用いたパターニング工程により、層間絶縁膜CL1、素子分離領域EI、エピタキシャル層および半導体基板SBを加工することにより、溝D2を形成する。ここでは、後にDTI構造を形成する箇所のみならず、基板コンタクトプラグの形成箇所にも溝D2を形成する。すなわち、複数の溝D2は、DTI構造形成用のものと、基板コンタクトプラグ形成用のものとを含んでいる。
溝D2は、層間絶縁膜CL1、素子分離領域EIおよびエピタキシャル層を貫通し、半導体基板SBの途中深さまで達する深い凹部である。ここでは溝D2をスクライブ領域1Cには形成せず、回路領域1Aおよびシールリング領域1Bに形成する。各溝D2の横方向の幅は、例えば0.8nmである。なお、溝D2を形成した後、分離耐圧の向上などを目的として、溝D2の底部にイオン注入法などでp型半導体領域を形成してもよい。
次に、図9に示すように、層間絶縁膜CL1上に、酸化シリコン膜などからなる絶縁膜(層間絶縁膜)をさらにCVD法などにより形成(堆積)する。これにより、層間絶縁膜CL1と、その上の当該絶縁膜とからなる層間絶縁膜CLを形成する。ここでは、当該絶縁膜を形成することで、当該絶縁膜により各溝D2を覆う。その後、CMP法などにより、層間絶縁膜CLの上面を平坦化する。図9では、層間絶縁膜CL1とその上の絶縁膜とを一体化して示しており、それらの境界を図示していない。
続いて、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いてパターニングを行うことにより、層間絶縁膜CLを貫通するコンタクトホール(接続孔)CHを複数形成する。上記絶縁膜の堆積工程では、溝D2の側面および底面に絶縁膜が堆積するが、溝D2内は絶縁膜により完全には埋め込まれず、一部中空となる。すなわち、溝D2内には、層間絶縁膜CLを介して空隙が形成される。後の工程で内部に基板コンタクトプラグが形成される溝D2とは異なる溝D2内の層間絶縁膜CLおよび空隙は、素子分離として用いられるDTI構造を構成している。
複数のコンタクトホールCHのそれぞれは、その底部において、例えばp型低耐圧トランジスタQ1のゲート電極、n型低耐圧トランジスタQ2のゲート電極、n型高耐圧トランジスタQ3のゲート電極、ソース・ドレイン領域SD1、SD2、ソース領域SRまたはドレイン領域DRのそれぞれの上面上のシリサイド層S1を露出するものである。各コンタクトホールCHは、平面視で例えば円形の形状を有する孔部であり、その直径の平均値は例えば0.1μmである。ここではコンタクトホールCHをスクライブ領域1Cおよびシールリング領域1Bには形成せず、回路領域1Aのみに形成する。
次に、図10に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いてパターニングを行うことにより、層間絶縁膜CLを貫通する溝(基板コンタクト溝)D3を形成する。すなわち、まず、コンタクトホールCH内を含む層間絶縁膜CL上に、レジストパターンであるフォトレジスト膜PRを形成する。すなわち、フォトレジスト膜PRは、全てのコンタクトホールCHの内部を完全に埋め込んでおり、層間絶縁膜CLの上面を覆っている。また、フォトレジスト膜PRは、一部の溝D2の直上の層間絶縁膜CLの上面を露出しているパターンである。つまり、フォトレジスト膜PRは基板コンタクトプラグを形成する箇所のみを開口しており、その開口の底部では層間絶縁膜CLの上面が露出している。
続いて、フォトレジスト膜PRをエッチングマスクとして用いて、ドライエッチング法により、層間絶縁膜CL、素子分離領域EI、エピタキシャル層を貫通し、溝D2の底面より下の半導体基板SBの途中深さまで達する溝D3を形成する。ここでは、最初に層間絶縁膜CLを上面から下方に向かって徐々にエッチングにより除去し、溝D3は溝D2内の空隙に達する。これにより溝D2内の空隙は、溝D3の一部となる。その後、ドライエッチング法などにより、溝D2の底部の層間絶縁膜CL、当該底部に残る酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を除去することで、溝D3の底部に半導体基板SBの上面を露出させる。これにより、層間絶縁膜CLの上面から半導体基板SBに達する溝D3が形成される。なお、溝D3を開口した後は、抵抗低減のためp型不純物を溝D3の底部に注入してもよい。
ここでは、溝D3をスクライブ領域1Cには形成せず、回路領域1Aおよびシールリング領域1Bに形成する。溝D3は、例えば半導体基板SBの主面に沿う水平方向に延在するパターンであり、溝D3の短手方向の幅は、例えば0.5μmである。また、シールリング領域1Bの溝D2、D3は、平面視で矩形のチップ形成領域の4辺に沿って延在する長い環状パターンを有している。よって、回路領域1Aの溝D3のみならず、シールリング領域1Bに環状パターンである溝D3を形成することにより、図11を用いて説明した加工工程により溝D3を形成した際の半導体ウェハ全体の溝D3の開口率は、シールリング領域1Bに溝D3を形成しない場合に比べて顕著に大きくなる。
次に、図11に示すように、フォトレジスト膜PRを除去した後、コンタクトホールCH内にコンタクトプラグ(導電性接続部)CPを形成し、溝D3内に基板コンタクトプラグ(基板接続部)SP1またはSP2を形成する。すなわち、半導体基板SBの主面全面上に、例えばTi(チタン)膜若しくはTiN(窒化チタン)膜またはそれらの積層膜などで構成されたバリアメタル膜をスパッタリング法などで堆積する。その後、CVD法などにより、例えばW(タングステン)を主成分とする膜(主導体膜)を形成することで、コンタクトホールCH内および溝D3内を完全に埋め込む。続いて、CMP法により、層間絶縁膜CL上の余分な金属膜を除去することで層間絶縁膜CLの上面を露出させる。
これにより、コンタクトホールCH内には、バリアメタル膜および主導体膜からなるコンタクトプラグCPが形成され、溝D3内には、バリアメタル膜および主導体膜からなる基板コンタクトプラグSP1またはSP2が形成される。基板コンタクトプラグSP1は、回路領域1Aの溝D3内に形成される導体膜であり、基板コンタクトプラグSP2は、シールリング領域1Bの溝D3内に形成される導体膜である。基板コンタクトプラグSP1、SP2はいずれも、下面は半導体基板SBに接続され、上面は層間絶縁膜CLの上面と略同一面で平坦化されている。なお、スクライブ領域1Cには、コンタクトプラグCP、基板コンタクトプラグSP1、およびSP2は形成されていない。また、シールリング領域1Bには、コンタクトプラグCPは形成されていない。
次に、図12に示すように、層間絶縁膜CL、コンタクトプラグCP、基板コンタクトプラグSP1およびSP2のそれぞれの上に、例えばTi(チタン)膜若しくはTiN(窒化チタン)膜またはそれらの積層膜などで構成されたバリアメタル膜とアルミニウム膜からなる主導体膜とを積層する。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、当該バリアメタル膜および当該主導体膜からなる配線M1を複数形成する。配線M1の下面の一部は、コンタクトプラグCP、基板コンタクトプラグSP1またはSP2のそれぞれの上面に接続されている。ただし、回路領域1Aに形成された配線M1は、シールリング領域1Bの基板コンタクトプラグSP2には接続されていない。
続いて、層間絶縁膜CL上に、配線M1を覆うように、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜またはそれらの積層膜などで構成される層間絶縁膜IL1を形成する。その後、例えばCMP法を用いて、層間絶縁膜IL1の上面を平坦化する。
続いて、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いて、配線M1の上面を露出し、層間絶縁膜IL1を貫通するビアホールを形成する。その後、例えばTi(チタン)膜若しくはTiN(窒化チタン)膜またはそれらの積層膜などで構成されたバリアメタル膜などで構成されたバリアメタル膜をスパッタ法などで堆積し、その後、CVD法などでW(タングステン)を主成分とする膜(主導体膜)を形成することで、ビアホール内を埋め込む。その後、CMP法などにより層間絶縁膜IL1上の余分なバリアメタル膜および主導体膜を除去し、層間絶縁膜IL1の上面を露出させることで、ビアホール内のバリアメタル膜および主導体膜からなるビアV1を形成する。これにより、配線M1、層間絶縁膜IL1およびビアV1を含む第1配線層を形成する。
続いて、第1配線層上に、第1配線層と同様の工程を行って第2配線層、第3配線層を順に形成する。その後、第3配線層上に、配線M1の形成方法と同様の方法により配線M4を形成する。回路領域1Aに形成された配線M1〜M4、ビアV1〜V3およびコンタクトプラグCPは、積層基板の上部に形成された半導体素子に電気的に接続されている。また、シールリング領域1Bに形成された配線M1〜M4およびビアV1〜V3は、基板コンタクトプラグSP2を介して半導体基板SBに電気的に接続されている。
ただし、回路領域1Aに形成された配線M1〜M4、ビアV1〜V3およびコンタクトプラグCPは、シールリング領域1Bに形成された配線M1〜M4、ビアV1〜V3および基板コンタクトプラグSP2に対して電気的に接続されていない。つまり、シールリング領域1Bに形成された配線M1〜M4、ビアV1〜V3および基板コンタクトプラグSP2は、回路を構成していない。
続いて、配線M4を覆うパッシベーション膜PFおよびポリイミド膜PIを順に形成し、その後、パターニングを行うことで、スクライブ領域1Cのパッシベーション膜PFおよびポリイミド膜PIを除去する。これにより、スクライブ領域1Cの層間絶縁膜IL3の上面が露出する。これにより、本実施の形態の半導体装置が略完成する。
その後は、ダイシング工程を行って半導体ウェハWF(図1参照)を個片化し、これにより、チップ体領域CHR(図1参照)からなる半導体チップCHP(図3参照)を複数得ることができる。ダイシング工程では、ダイシングブレードによりスクライブ領域1Cを切削する。このとき、シールリング領域1Bに形成された配線M1〜M4、ビアV1〜V3および基板コンタクトプラグSP2からなるシールリングは、半導体ウェハが割れること(チッピング)を防止する役割を有する。また、シールリングは、ダイシング工程により得られた半導体チップCHPの側面側から回路領域1Aに水分が浸入すること、および、回路領域1Aが金属汚染されることを防ぐ役割を有する。
したがって、シールリングにより回路領域1Aを保護するため、シールリングを構成する各配線、各ビアおよび基板コンタクトプラグSP2は、半導体チップCHPの外周に沿って環状に形成されている(図3参照)。また、シールリングにより回路領域1Aを保護するため、シールリング領域1Bの配線M1〜M4、ビアV1〜V3および基板コンタクトプラグSP2は、極力半導体基板SBの主面に対して垂直な方向(上下方向)において重なるように形成する。なお、基板コンタクトプラグSP2の直上の配線M1の上面に凹凸が形成されている場合には、当該配線M1の上面に接続するビアV1を、基板コンタクトプラグSP2の直上から横方向にずらした位置に形成してもよい。
<本実施の形態の効果>
以下に、比較例として示す図31を用いて、本実施の形態の効果について説明する。図31は、比較例である半導体装置の断面図であり、図31には図4と対応して回路領域1A、シールリング領域1Bおよびスクライブ領域1Cが示されている。
比較例の半導体装置は、シールリング領域1Bに基板コンタクトプラグが形成されておらず、シールリング領域1Bの配線M1の下に形成されたコンタクトプラグCPが、エピタキシャル層の上面、シリサイド層S1の上面または素子分離領域EIの上面などに接続されている点で、本実施の形態とは異なる。図31では、当該コンタクトプラグCPはエピタキシャル層の上面上に形成されたシリサイド層S1の上面に接続されており、積層基板の上面を彫り込んだ溝内には埋め込まれていない。また、比較例の当該コンタクトプラグCPは、基板コンタクトプラグの形成工程(図10参照)で形成した開口部に導電膜を埋め込んで形成するものではなく、この点で、図10を用いて説明した加工工程で形成した開口部である溝D3内に形成する基板接続部をシールリング領域1Bに形成する本実施の形態とは異なる。
半導体装置において、半導体ウェハの高い歩留まりを確保するためには、半導体装置を構成するトランジスタの特性、並びに、抵抗および容量などの受動素子の特性を、一定の規格範囲内に収めることが必須である。一方、半導体装置の回路領域内に配置する基板コンタクトプラグの数は、各半導体装置の要求や必要性により変化する。このため、個片チップ(半導体チップ)内に形成する基板コンタクトプラグを埋め込むための溝が占める面積、および、個片チップの面積に対する当該溝の平面視の面積が占める割合を示す開口率も、半導体装置ごとに変化する。
ここで、本発明者らは、複数の半導体装置における基板コンタクトプラグの抵抗値を調べたところ、当該抵抗値には基板コンタクトプラグ用溝の上記開口率(以下、基板コンタクト開口率と呼ぶ場合がある)に対する依存性があり、開口率が小さくなる半導体ウェハの中央近傍で当該抵抗値が上昇し、規格上限を超える問題が生じることを見出した。これは、例えば基板コンタクトプラグ用溝の開口時のドライエッチング工程において、基板コンタクト開口率が小さい場合、基板コンタクトプラグ用溝の底部に、ドライエッチングにより生じたポリマーに起因した変質層が形成されることが原因であると考えられる。
すなわち、半導体装置において形成される基板コンタクトプラグの数および面積が少なく、基板コンタクト開口率が小さい場合、開口率が大きい場合からポリマーの形成具合または除去性などが変化し、一部の基板コンタクトプラグ用溝の底部に絶縁性を有する変質層が集中的に形成される虞が高くなる。その場合、当該溝内に埋め込まれた基板コンタクトプラグと半導体基板との間に形成された当該変質層が介在するため、基板コンタクトプラグの抵抗値が上昇する問題が起きる。図31に示す比較例では、基板コンタクトプラグSP1は回路領域1Aのみに形成されているため、溝D3を形成する際の基板コンタクト開口率は小さい、このため、一部の溝D3の底部に変質層ARが形成されており、変質層ARが基板コンタクトプラグSP1と半導体基板SBとの間の電気的接続の妨げとなっている。
本課題を解決する1つの手法として、半導体装置毎の基板コンタクト開口率を一定以上にする改善策が考えられるが、一方で、半導体装置毎に必要とされる基板コンタクトプラグの数は異なる。そのため、基板コンタクトプラグを殆ど必要としない半導体装置では、回路領域内に基板コンタクトプラグのダミーパターンを追加配置するなどの対策が必要になる。しかし、ダミーパターンを追加で配置する場合、配置するための面積を確保することが必要であり、かつ、基板コンタクトプラグ上に配線を配置することも必要になるため、チップ面積が余分に拡大する問題、および、メタル配線レイアウトの自由度が減少する問題が生じる。
これに対し、本実施の形態では図4に示すように基板コンタクトプラグSP2をシールリング領域1Bに形成することで、基板コンタクトプラグSP1、SP2を埋め込む溝D3を形成するドライエッチング工程(図10参照)における基板コンタクト開口率を高めることができる。よって、上記変質層発生の原因であるポリマーの形成具合または除去性などを改善でき、これにより回路領域1Aの溝D3の底部に変質層が生じることを防ぐことができる。また、回路領域1Aの溝D3の底部に変質層が生じたとしても、形成される変質層の量を低減することができるため、基板コンタクトプラグSP1の抵抗値の増大を抑えることができる。よって、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
また、本実施の形態では、チッピング防止、防湿または金属汚染防止などの目的で設けるシールリングの下部に基板コンタクトプラグSP2を形成しているため、半導体装置の面積が増大することはない。すなわち、回路領域1Aに回路を構成しない基板コンタクトプラグSP1のダミーパターンを配置する必要がないため、チップ面積の余分な拡大、および、メタル配線レイアウトの自由度の減少を防ぐことができる。したがって、半導体装置の性能を向上させることができる。
また、基板コンタクトプラグSP2の数が多い方が、基板コンタクト開口率が高くなるため、より顕著に上記効果を得ることができる。ただし、シールリング領域1Bは半導体チップの周縁部に亘って存在する比較的面積の大きい領域であるため、シールリング領域1Bに沿って基板コンタクトプラグSP2を1つ環状に形成するだけで、概ね高抵抗不良が発生しない目安の開口率を得ることができる。すなわち、図3および図4に示すように、シールリング領域1Bに形成する基板コンタクトプラグSP2が1つだけであっても、上記効果を得ることができる。
<変形例1>
図13に、本実施の形態1の半導体装置の変形例1である半導体装置を説明する平面図を示す。図13に示すように、シールリング領域1Bは平面視における角部は直角である必要はなく、当該角部を面取りした形状を有していてもよい。すなわち、基板コンタクトプラグSP2並びに図4に示すシールリング領域1Bの配線M1〜M4およびビアV1〜V3が、平面視において例えば多角形の環状構造を有していてもよい。
<変形例2>
図14に、本実施の形態1の半導体装置の変形例2である半導体装置を説明する断面図を示す。図14に示すように、本実施の形態の半導体装置は、SOI(Silicon On Insulator)基板上に形成されていてもよい。ここでは、半導体基板SB上にBOX(Buried Oxide)層BXが形成されており、BOX層BX上には半導体層(SOI層)SLが形成されており、半導体層SL上にエピタキシャル層が形成されている。溝D2は、例えばBOX層BXの上面まで達しいて半導体基板SBまで達しておらず、溝D3はBOX層BXを貫通して半導体基板SBの途中深さまで達している。半導体層SLと基板コンタクトプラグSP1、SP2との間には層間絶縁膜CLが介在しており、基板コンタクトプラグSP1、SP2は、半導体基板SBに接続されている。
このようなSOI構造を有する半導体装置でも、上述した本実施の形態の効果を得ることができる。
<変形例3>
図15に、本実施の形態1の半導体装置の変形例3である半導体装置を説明する断面図を示す。図15に示すように、本実施の形態の半導体装置の各配線は、いわゆるダマシン法により形成してもよい。
ここでは、第1配線層は、層間絶縁膜CL上の層間絶縁膜IL1と、層間絶縁膜IL1を貫通する配線溝内に形成された配線M1とからなる。配線M1は、いわゆるシングルダマシン法により形成することができる。すなわち、図11を用いて説明した工程の後、層間絶縁膜CL上に層間絶縁膜IL1を形成し、続いて、層間絶縁膜IL1を加工して配線溝を形成し、配線溝の底部においてコンタクトプラグCP、基板コンタクトプラグSP1またはSP2を露出させる。続いて、配線溝内に主にCu(銅)膜からなる配線M1を埋め込んだ後、層間絶縁膜IL1の上面をCMP法などにより平坦化することで、第1配線層を形成することができる。
次に、第1配線層上に、層間絶縁膜IL2、配線M2およびビアV1を含む第2配線層を形成する。第2配線層は、例えば、いわゆるデュアルダマシン法を用いて形成する。すなわち、第1配線層上にCVD法などを用いて層間絶縁膜IL2を形成した後、層間絶縁膜IL2の上面に配線溝を形成し、当該配線溝の底面から配線M1の上面まで達するビアホールを形成する。その後、当該配線溝内およびビアホール内を、主に銅膜からなる金属膜により埋め込むことで、配線溝内の配線M2と、ビアホール内のビアV1とを形成する。
その後、第2配線層の形成工程と同様の工程を行って、第2配線層上の第3配線層を形成する。続いて、第3配線層上に、接続層を形成する。接続層は、例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜IL4と、層間絶縁膜IL4を貫通するビアV3とを有している。ビアV3は、層間絶縁膜IL4を加工して形成したビアホール内に、主に銅膜からなる金属膜を埋め込むことで形成する。ビアV3は、接続層上に形成する配線M4の底面に接続する。
このようにダマシン法を用いて配線などを形成する半導体装置でも、上述した本実施の形態の効果を得ることができる。また、ダマシン法により配線M1を形成する時に、配線M1の上面をCMP法により平坦化することができる。そのため、基板コンタクトプラグSP2の直上にビアV1を形成することもできる。これにより、シールリング領域1Bの領域幅も縮小することができる。
(実施の形態2)
以下に、図16〜図18を用いて、本実施の形態の半導体装置の製造方法および構造について説明する。図16〜図18は、本発明の実施の形態2である半導体装置の製造工程を説明する断面図である。図16〜図18では、図4と同様に回路領域1A、シールリング領域1Bおよびスクライブ領域1Cを示している。
本実施の形態の半導体装置の製造工程では、まず、図6〜図8を用いて説明した工程を行う。ただし、ここではシールリング領域1Bのエピタキシャル層の上面の全面を覆う素子分離領域EIを形成し、かつ、シールリング領域1Bには溝D2を形成しない。
次に、図16に示すように、図9を用いて説明した工程と同様にして、層間絶縁膜CLと、溝D2内の空隙を含むDTI構造を形成する。ただし、ここではシールリング領域1Bに溝D2がないため、シールリング領域1Bに空隙は形成されない。
次に、図17に示すように、図10を用いて説明した工程と同様にしてフォトレジスト膜PRおよび溝D3を形成する。本実施の形態ではシールリング領域1Bに溝D2および空隙を形成していないが、ここではシールリング領域1Bに溝D3を形成する。シールリング領域1Bの溝D3は、層間絶縁膜CLおよび素子分離領域EIを貫通して形成され、素子分離領域EI用の溝D1の底面まで達する。当該溝D3の短手方向の幅は、例えば0.5μmであり、コンタクトホールCHの直径より大きい。その後の工程は、図11および図12を用いて説明した工程と同様に行うことで、図18に示すように、本実施の形態の半導体装置が略完成する。
これにより、シールリング領域1Bの溝D3内には、基板コンタクトプラグSP3が形成される。基板コンタクトプラグSP3は、短手方向の幅が例えば0.5μmであり、溝D1の底面においてp型半導体領域PR2の上面に接続された基板接続部である。なお、本願では、図10および図17などに示す溝D3の形成工程で形成される溝D3内に形成され、コンタクトプラグCPの直径よりも大きい短手方向の幅を有する導電性接続部を、半導体基板SBに接続されていなくても基板コンタクトプラグ(基板接続部)と呼ぶ。
本実施の形態では、基板コンタクトプラグSP3はp型半導体領域PR2、PR1、n型埋込み領域NRを貫通しておらず、半導体基板SBにも接続されていない。ただし、図16を用いて説明した溝D3の形成工程において、シールリング領域1Bに溝D3を開口することで、図31に示す比較例に比べ、基板コンタクトプラグ用溝の開口時における開口率は確保できるため、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
<変形例1、変形例2>
図19に、本実施の形態2の半導体装置の変形例1である半導体装置を説明する断面図を示す。図19に示すように、本実施の形態の半導体装置のシールリング領域1Bの基板コンタクトプラグSP3は、溝D1の底面よりもさらに深い位置、つまり、当該底面の下のp型半導体領域PR2の途中深さに達して形成されていてもよい。また、図20に、本実施の形態2の半導体装置の変形例2である半導体装置を説明する断面図を示す。図20に示すように、本実施の形態の半導体装置のシールリング領域1Bの基板コンタクトプラグSP3の底部は、素子分離領域EIの途中深さで終端し、積層基板に達していなくてもよい。
本変形例1、2の半導体装置の製造方法は、図16〜図18を用いて説明した方法と同様である。すなわち、図16を用いて説明した工程でシールリング領域1Bに形成した溝D3が、溝D1の底面を掘り下げて形成された場合に、図19に示す構造を得ることができる。また、当該エッチング量が比較的小さく、これにより溝D3が溝D1の底面に達しない場合に、図20に示す構造を得ることができる。このような場合でも、図16を用いて説明した溝D3の形成工程において、シールリング領域1Bに溝D3を開口することで、図31に示す比較例に比べ、基板コンタクトプラグ用溝の開口時における開口率は確保できるため、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
ただし、半導体チップの回路領域への水分侵入、および、金属汚染を防ぐための構造としては、図19で示すように基板コンタクトプラグSP3が溝D1の底面に達していることが好ましい。
<変形例3>
図21に、本実施の形態2の半導体装置の変形例3である半導体装置を説明する断面図を示す。図21に示すように、本実施の形態の半導体装置のシールリング領域1Bの積層基板の上部に素子分離領域EIが形成されず、基板コンタクトプラグSP3が積層基板の上面のp型拡散領域PDの上面に接続されていてもよい。
本変形例の半導体装置の製造方法では、図6を用いて説明した工程でシールリング領域1Bの積層基板の上部に溝D1および素子分離領域EIを形成せず、積層基板の上面にp型拡散領域PDを形成するものであり、かつ、図7を用いて説明した工程で、絶縁膜IF1をシールリング領域1Bのp型半導体領域PR2の上面を覆うように形成する。その他の工程は、図16〜図18を用いて説明した上記半導体装置の製造方法と同様である。
すなわち、図16を用いて説明した工程では、シールリング領域1Bに溝D3を形成する際、溝D3は絶縁膜IF1を貫通して形成され、溝D3の底部はp型拡散領域PDの上面で終端する。
この結果、シールリング領域1Bに形成される溝D3内の基板コンタクトプラグSP3の底部は、積層基板の上面の凹部内に埋め込まれはしない。このような場合でも、図16を用いて説明した溝D3の形成工程において、シールリング領域1Bに溝D3を開口することで、図31に示す比較例に比べ、基板コンタクトプラグ用溝の開口時における開口率は確保できるため、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
<変形例4>
図22に、本実施の形態2の半導体装置の変形例4である半導体装置を説明する断面図を示す。図22に示すように、本実施の形態の半導体装置のシールリング領域1Bの積層基板の上部に素子分離領域EIが形成されず、基板コンタクトプラグSP3が積層基板の上面のp型拡散領域PD上のシリサイド層S1の上面に接続されていてもよい。
本変形例の半導体装置の製造方法では、図6を用いて説明した工程でシールリング領域1Bの積層基板の上部に溝D1および素子分離領域EIを形成せず、積層基板の上面にp型拡散領域PDを形成するものであり、その他の工程は、図16〜図18を用いて説明した上記半導体装置の製造方法と同様である。すなわち、図7を用いて説明したシリサイド層S1の形成工程では、絶縁膜IF1に覆われていないシールリング領域1Bのp型拡散領域PDの上面にもシリサイド層S1が形成される。その後、図16を用いて説明した工程では、シールリング領域1Bに溝D3を形成する際、シリサイド層S1はエッチングに対する耐性が強く、加工が困難な層であるためエッチングストッパ膜として働く。よって、溝D3の底部はシリサイド層S1の上面で終端する。
この結果、シールリング領域1Bに形成される溝D3内の基板コンタクトプラグSP3の底面は、シリサイド層S1の上面に接続され、基板コンタクトプラグSP3の下端は積層基板の上面の凹部内に埋め込まれはしない。このような場合でも、図16を用いて説明した溝D3の形成工程において、シールリング領域1Bに溝D3を開口することで、図31に示す比較例に比べ、基板コンタクトプラグ用溝の開口時における開口率は確保できるため、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
<変形例5>
図23に、本実施の形態2の半導体装置の変形例5である半導体装置を説明する断面図を示す。図23に示すように、前記実施の形態1の変形例2であるSOI構造を、本実施の形態に適用してもよい。
本変形例の半導体装置は、図14に示す半導体装置と同様にSOI基板を有しており、図18に示す半導体装置と同様に、シールリング領域1Bにおいて溝D1の底面に下端が接続された基板コンタクトプラグSP3を有している。このような場合でも、図16を用いて説明した溝D3の形成工程において、シールリング領域1Bに溝D3を開口することで、図31に示す比較例に比べ、基板コンタクトプラグ用溝の開口時における開口率は確保できるため、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
(実施の形態3)
以下に、図24を用いて、本実施の形態3の半導体装置について説明する。本実施の形態は、シールリング領域に基板コンタクトプラグを複数形成するものである。図24は、本発明の実施の形態3である半導体装置を説明する断面図である。図24は図4に対応する回路領域1A、シールリング領域1Bおよびスクライブ領域1Cの断面図である。
図24に示すように、半導体チップCHP(図3参照)の4辺のそれぞれに沿って延在するシールリング領域1Bには、シールリング領域1Bの短手方向に並ぶ基板コンタクトプラグSP4、SP5およびSP6が形成されている。すなわち、平面視において、半導体チップCHPの中央の回路領域1A側から半導体チップCHPの端部側に向かって、順に基板コンタクトプラグSP4、SP5およびSP6が並んで配置されている。ここでは、基板コンタクトプラグSP4、SP5およびSP6のそれぞれは平面視で環状の構造を有している。
すなわち、平面視において回路領域1Aを囲む環状の基板コンタクトプラグSP4の外側に、基板コンタクトプラグSP4を囲む環状の基板コンタクトプラグSP5が形成されており、さらに、基板コンタクトプラグSP5を囲む環状の基板コンタクトプラグSP6が形成されている。言い換えれば、本実施の形態のシールリング領域1Bには、三重の基板コンタクトプラグが形成されている。つまり、シールリング領域1Bには、複数列の基板コンタクトプラグが並んで配置されている。
基板コンタクトプラグSP4、SP5およびSP6のそれぞれは、図4を用いて説明した基板コンタクトプラグSP2と同様の構造を有している。本実施の形態では、シールリング領域1Bに溝D3が開口されるため、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、シールリング領域1Bにおける基板コンタクト用の溝D3の数を増やすことで、溝D3の形成時の基板コンタクト開口率を高めることができる。すなわち、図31を用いて説明した変質層の発生に起因する回路領域1Aでの基板コンタクトプラグSP1の抵抗値の増大をより効果的に防ぐことができる。
また、溝D3および基板コンタクトプラグの数を増やすことで、半導体チップの外部から進入する水分および汚染金属などを防止するシールリングの効果を強化することもできる。
<変形例1>
図25に、本実施の形態3の半導体装置の変形例1である半導体装置を説明する断面図を示す。図25に示すように、シールリング領域1Bには2つの基板コンタクトプラグSP4、SP6が形成されており、基板コンタクトプラグSP4、SP6のそれぞれの間にはコンタクトプラグCPが形成されている。当該コンタクトプラグCPは、エピタキシャル層の上面に形成されたp型拡散領域PD上のシリサイド層S1の上面に接続されている。つまり、シールリング領域1Bには、直径(幅)が比較的小さいコンタクトプラグCPと、コンタクトプラグCPの当該直径よりも短手方向の幅が大きい基板コンタクトプラグSP4、SP6が形成されている。
本変形例では、前記実施の形態1に比べ、シールリング領域1Bにおける基板コンタクト用の溝D3を追加形成しているため、溝D3の形成時の基板コンタクト開口率を高めることができる。よって、図31を用いて説明した変質層の発生に起因する回路領域1Aでの基板コンタクトプラグSP1の抵抗値の増大をより効果的に防ぐことができる。
また、溝D3および基板コンタクトプラグの数を増やすこと、および、コンタクトプラグCPをシールリング領域1Bに形成することで、半導体チップの外部から進入する水分および汚染金属などを防止するシールリングの効果を強化することもできる。
<変形例2>
図26に、本実施の形態3の半導体装置の変形例2である半導体装置を説明する平面図を示す。
図26に示すように、半導体チップCHPの4辺のそれぞれに沿って延在するシールリング領域1Bには、短手方向に並ぶ基板コンタクトプラグSP4、SP5が形成されている。すなわち、平面視において、半導体チップCHPの中央の回路領域1A側から半導体チップCHPの端部側に向かって、順に基板コンタクトプラグSP4、SP5が並んで配置されている。ここで、平面視において、基板コンタクトプラグSP5は環状の構造を有しているが、基板コンタクトプラグSP4は環状構造を有していない。
すなわち、1つの基板コンタクトプラグSP4は半導体チップCHPの端部である4辺のいずれかに沿って1方向に延在するパターンのみからなり、4つの基板コンタクトプラグSP4が、平面視で矩形形状を有する回路領域1Aの端部の4辺のそれぞれに沿って形成されている。基板コンタクトプラグSP4同士は、平面視における半導体チップCHPの角部近傍で互いに接続されていない。
このように不連続な基板コンタクトプラグSP4を形成したとしても、本変形例では、前記実施の形態1に比べ、シールリング領域1Bにおける基板コンタクト用の溝D3(図4参照)を追加形成しているため、溝D3の形成時の基板コンタクト開口率を高めることができる。よって、基板コンタクトプラグSP1の抵抗値の増大をより効果的に防ぐことができる。
また、基板コンタクトプラグSP5は環状構造を有しているため、半導体チップの外部から進入する水分および汚染金属などを防止するシールリングの効果を確保することもできる。なお、基板コンタクトプラグSP5を、図25のシールリング領域1Bに示すコンタクトプラグCPと同様に、直径が細いコンタクトプラグCPとして形成したとしても、上記シールリングの効果を確保することができる。ただしその場合、シールリング領域1Bに形成する溝D3は、基板コンタクトプラグSP4を埋め込むために形成するもののみとなるため、基板コンタクト開口率を増大させて基板コンタクトプラグSP1の抵抗値の増大を防ぐ効果的は、前記実施の形態1と同等となる。
また、基板コンタクトプラグ用の溝D3の平面レイアウトを変えることで、所望の基板コンタクト開口率に近づけることなどが容易となり、設計の自由度が向上する。
<変形例3>
図27に、本実施の形態3の半導体装置の変形例3である半導体装置を説明する平面図を示す。図27に示す構造は、図26を用いて説明したレイアウトと異なり、基板コンタクトプラグSP4がより細分化されたものである。すなわち、平面視において、半導体チップCHPの1辺に沿って延在する基板コンタクトプラグSP4が、回路領域1Aを囲むように等間隔に並んで複数形成されている。つまり、複数の基板コンタクトプラグSP4は、回路領域1Aを囲むように離散的に並んで配置されている。
ここでは、基板コンタクトプラグSP5が平面視で連続した環状構造を有しているのに対し、基板コンタクトプラグSP4は離散的に半導体チップCHPの4辺のそれぞれに沿って並んでいる。このように破線状に基板コンタクトプラグSP4を形成したとしても、シールリング領域1Bにおいて基板コンタクト用の溝D3を形成しているため、図31に示す比較例に比べ、溝D3の形成時の基板コンタクト開口率を高めることができる。よって、基板コンタクトプラグSP1の抵抗値の増大を防ぐことができる。
また、溝D3および基板コンタクトプラグの数を増やすこと、および、環状の基板コンタクトプラグSP5をシールリング領域1Bに形成することで、半導体チップの外部から進入する水分および汚染金属などを防止するシールリングの効果を強化することもできる。なお、図26を用いて説明した変形例2と同様に、本変形例の基板コンタクトプラグSP5を、直径が基板コンタクトプラグSP4の短手方向の幅に比べて小さいコンタクトプラグCP(図25参照)として形成してもよい。また、基板コンタクトプラグ用の溝D3の平面レイアウトを変えることで、所望の基板コンタクト開口率に近づけることなどが容易となり、設計の自由度が向上する。
<変形例4>
図28に、本実施の形態3の半導体装置の変形例4である半導体装置を説明する平面図を示す。図28に示す構造は、図27を用いて説明したレイアウトと異なり、基板コンタクトプラグSP4を円筒形の基板接続部として形成したものである。つまり、基板コンタクトプラグ用の溝D3(図4参照)は、平面視において円形のホール形状を有している。この場合、溝D3の直径および基板コンタクトプラグSP4の直径のそれぞれは、例えば0.5μmであり、コンタクトプラグCP(図4参照)の直径よりも大きい。
本変形例でも、図27を用いて説明した変形例3と同様の効果を得ることができる。なお、図26を用いて説明した変形例2と同様に、本変形例の基板コンタクトプラグSP5を、直径が基板コンタクトプラグSP4の短手方向の幅に比べて小さいコンタクトプラグCPとして形成してもよい。
<変形例5>
以下に、図29および図30を用いて、本実施の形態3の半導体装置の変形例5について説明する。本変形例は、シールリング領域に基板コンタクトプラグまたはコンタクトプラグを含めて複数の導電性接続部を形成するものである。図29は、本発明の実施の形態3の変形例5である半導体装置を説明する平面図であり、図30は、本発明の実施の形態3の変形例5である半導体装置を説明する断面図である。図29は図3に対応する半導体チップの平面図であり、図30は図4に対応する回路領域1A、シールリング領域1Bおよびスクライブ領域1Cの断面図である。
図29では、第1配線層を構成する2つの配線M1を示しており、図を分かり易くするため、配線M1にハッチングを付している。図29では、配線M1の直下の基板コンタクトプラグSP4およびコンタクトプラグCPを透過して示しており、それらの基板コンタクトプラグSP4およびコンタクトプラグCPにはハッチングを付していない。
図29に示すように、半導体チップCHPの4辺のそれぞれに沿って延在するシールリング領域1Bには、短手方向に並ぶ基板コンタクトプラグSP4およびコンタクトプラグCPが形成されている。すなわち、平面視において、半導体チップCHPの中央の回路領域1A側から半導体チップCHPの端部側に向かって、順に基板コンタクトプラグSP4およびコンタクトプラグCPが並んで配置されている。ここで、コンタクトプラグCPは環状の構造を有しているが、基板コンタクトプラグSP4は環状構造を有していない。基板コンタクトプラグSP4のレイアウトは、図26を用いて説明した基板コンタクトプラグSP4のレイアウトと同様である。
図29および図30に示すように、基板コンタクトプラグSP4の上面に接続された配線M1と、シールリング領域1BのコンタクトプラグCPの上面に接続された配線M1とは、互いに離間している。すなわち、シールリング領域1Bの基板コンタクトプラグSP4とコンタクトプラグCPとは、別々の配線M1に接続されている。
図30に示すように、基板コンタクトプラグSP4は半導体基板SBに接続されており、コンタクトプラグCPは、シールリング領域1Bのp型半導体領域PR2の上面に形成されたp型拡散領域PD上のシリサイド層S1の上面に接続されている。コンタクトプラグCPの上面に接続された配線M1は、ビアV1〜V3、配線M2およびM3を介して、配線M4に接続されている。つまり、シールリング領域1BのコンタクトプラグCPと、当該コンタクトプラグCPに電気的に接続された配線M1〜M4およびビアV1〜V3は、半導体チップCHP(図29参照)を水分、汚染金属またはチッピングなどから保護するシールリングとしての役割を有している。
シールリング領域1Bにおいて基板コンタクトプラグSP4の上面に接続された配線M1と、シールリング領域1BのコンタクトプラグCPの上面に接続された配線M1とは、いずれも回路を構成していない。本変形例のように、シールリング領域1Bにおいて基板コンタクトプラグSP4の上面に接続された配線M1と、シールリング領域1BのコンタクトプラグCPの上面に接続された配線M1とを別々に形成しても、図26を用いて説明した変形例2において、基板コンタクトプラグSP5をコンタクトプラグCPに置き換えた場合の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
また、図29および図30に示すコンタクトプラグCPは、図22のシールリング領域1Bに示すような基板コンタクトプラグSP3であってもよい。
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
その他、実施の形態に記載された内容の一部を以下に記載する。
(1)(a)第1領域と、前記第1領域を平面視で囲む第2領域とを備えた半導体基板を準備する工程、
(b)前記第1領域の前記半導体基板の上面に形成された第1溝に埋め込まれた素子分離部を形成する工程、
(c)前記第1領域の前記半導体基板の前記上面近傍に複数の素子を形成する工程、
(d)前記(c)工程および前記(b)工程の後、前記半導体基板上に第1層間絶縁膜を形成する工程、
(e)前記第1領域および前記第2領域のそれぞれの前記半導体基板の前記上面に、前記第1層間絶縁膜を貫通し、前記第1溝よりも深さが深い第2溝を形成する工程、
(f)前記半導体基板上に、前記第2溝を覆う第2層間絶縁膜を形成することで、前記第1層間絶縁膜および前記第2層間絶縁膜からなる第3層間絶縁膜を形成する工程、
(g)ドライエッチングを行うことで、前記第1領域の前記第3層間絶縁膜を貫通し、前記第2溝内を通る第3溝と、前記第2領域の前記第3層間絶縁膜を貫通する第4溝とを形成する工程、
(h)前記第3溝に埋め込まれ、第1回路を構成する第2導電性接続部と、前記第4溝に埋め込まれ、回路を構成しない第3導電性接続部とを形成する工程、
を有し、
前記第3導電性接続部は、平面視において前記第1溝および前記第2溝と重なっていない、半導体装置の製造方法。
1A 回路領域
1B シールリング領域
1C スクライブ領域
D1〜D3 溝
EI 素子分離領域
M1〜M4 配線
SB 半導体基板
SP1〜SP6 基板コンタクトプラグ

Claims (15)

  1. 第1領域および平面視で前記第1領域を囲む第2領域を有する半導体基板と、
    前記第1領域の半導体基板の上面近傍に形成され、第1回路を構成する複数の素子と、
    前記半導体基板の前記上面に形成された第1溝内に埋め込まれ、前記複数の素子同士を互いに分離する素子分離部と、
    前記第1領域および前記第2領域のそれぞれの前記半導体基板の前記上面に形成され、前記第1溝より深さが深い第2溝と、
    前記第1領域の前記半導体基板上に層間絶縁膜を介して形成され、前記第1回路を構成する第1配線と、
    前記第2領域の前記半導体基板上に前記層間絶縁膜を介して形成され、回路を構成しない第2配線と、
    前記層間絶縁膜を貫通し、前記素子に接続された第1導電性接続部と、
    前記第1領域の前記第2溝内に埋め込まれ、前記第2溝の底部で前記半導体基板に接続された第2導電性接続部と、
    前記第2領域の前記第2溝内に埋め込まれ、回路を構成しない第3導電性接続部と、
    を有し、
    前記第2導電性接続部の上面は、前記第1配線に接続されており、
    前記第3導電性接続部の上面は、前記第2配線に接続されている、半導体装置。
  2. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記半導体基板の前記上面に沿う方向において、前記第2導電性接続部および前記第3導電性接続部のそれぞれの幅は、前記第1導電性接続部の幅よりも大きい、半導体装置。
  3. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第3導電性接続部および前記第2配線は、平面視で前記第1領域を囲むように環状に形成されている、半導体装置。
  4. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第2領域では、前記第3導電性接続部が複数並んで形成されている、半導体装置。
  5. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記半導体基板は、
    基板と、
    前記基板上に順に形成された絶縁膜および半導体層と、
    を備えており、
    前記第2導電性接続部および前記第3導電性接続部は、前記絶縁膜を貫通している、半導体装置。
  6. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第2領域において、前記第2溝と平面視において重ならない位置に形成され、前記層間絶縁膜を貫通する第4導電性接続部をさらに有し、
    前記第4導電性接続部は、回路を構成しておらず、
    前記半導体基板の前記上面に沿う方向において、前記第4導電性接続部の幅は、前記第1導電性接続部の幅よりも大きい、半導体装置。
  7. 請求項4記載の半導体装置において、
    複数の前記第3導電性接続部うち、一部の前記第3導電性接続部は、平面視で前記第1領域を囲むように環状に形成されており、
    複数の前記第3導電性接続部うち、他の一部である複数の前記第3導電性接続部は、平面視で前記第1領域を囲むように離散的に並んで配置されている、半導体装置。
  8. 第1領域および平面視で前記第1領域を囲む第2領域を有する半導体基板と、
    前記第1領域の半導体基板の上面近傍に形成され、第1回路を構成する複数の素子と、
    前記半導体基板の前記上面に形成された第1溝内に埋め込まれ、前記複数の素子同士を互いに分離する素子分離部と、
    前記第1領域および前記第2領域のそれぞれの前記半導体基板の前記上面に形成され、前記第1溝より深さが深い第2溝と、
    前記第1領域の前記半導体基板上に層間絶縁膜を介して形成され、前記第1回路を構成する第1配線と、
    前記第2領域の前記半導体基板上に前記層間絶縁膜を介して形成され、回路を構成しない第2配線と、
    前記層間絶縁膜を貫通し、前記素子に接続された第1導電性接続部と、
    前記第1領域の前記第2溝内に埋め込まれ、前記第2溝の底部で前記半導体基板に接続された第2導電性接続部と、
    前記第2溝と平面視で重ならない位置に形成され、前記第2領域において前記層間絶縁膜を貫通する第3導電性接続部と、
    を有し、
    前記第2導電性接続部の上面は、前記第1配線に接続されており、
    前記第3導電性接続部の上面は、前記第2配線に接続されており、
    前記半導体基板の前記上面に沿う方向において、前記第2導電性接続部および前記第3導電性接続部のそれぞれの幅は、前記第1導電性接続部の幅よりも大きい、半導体装置。
  9. 請求項8記載の半導体装置において、
    前記第3導電性接続部は、前記素子分離部を貫通している、半導体装置。
  10. 請求項8記載の半導体装置において、
    前記第3導電性接続部の底部は、前記素子分離部の途中深さで終端している、半導体装置。
  11. (a)第1領域と、前記第1領域を平面視で囲む第2領域とを備えた半導体基板を準備する工程、
    (b)前記第1領域の前記半導体基板の上面に形成された第1溝に埋め込まれた素子分離部を形成する工程、
    (c)前記第1領域の前記半導体基板の前記上面近傍に複数の素子を形成する工程、
    (d)前記(c)工程および前記(b)工程の後、前記半導体基板上に第1層間絶縁膜を形成する工程、
    (e)前記第1領域および前記第2領域のそれぞれの前記半導体基板の前記上面に、前記第1層間絶縁膜を貫通し、前記第1溝よりも深さが深い第2溝を形成する工程、
    (f)前記半導体基板上に、前記第2溝を覆う第2層間絶縁膜を形成することで、前記第1層間絶縁膜および前記第2層間絶縁膜からなる第3層間絶縁膜を形成する工程、
    (g)ドライエッチングを行うことで、前記第1領域の前記第3層間絶縁膜を貫通し、前記第2溝内を通る第3溝と、前記第2領域の前記第3層間絶縁膜を貫通する第4溝とを形成する工程、
    (h)前記第3溝に埋め込まれ、第1回路を構成する第2導電性接続部と、前記第4溝に埋め込まれ、回路を構成しない第3導電性接続部とを形成する工程、
    を有する、半導体装置の製造方法。
  12. 請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第2導電性接続部および前記第3導電性接続部は、前記第2溝の底部で前記半導体基板に接続されている、半導体装置の製造方法。
  13. 請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(b)工程では、前記第1領域および前記第2領域のそれぞれに前記第1溝および前記第1溝内の前記素子分離部を形成し、
    前記(h)工程では、前記第2導電性接続部と、前記素子分離部を貫通する前記第3導電性接続部とを形成し、
    前記第3導電性接続部は、平面視において前記第2溝と重なっていない、半導体装置の製造方法。
  14. 請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(g)工程では、前記第3溝と、前記第2領域に複数並んで配置された前記第4溝とを形成し、
    前記(h)工程では、前記第2導電性接続部と、前記第2領域に複数並んで配置された前記第3導電性接続部とを形成する、半導体装置の製造方法。
  15. 請求項14記載の半導体装置の製造方法において、
    複数の前記第3導電性接続部のうち、一部の前記第3導電性接続部は、前記第2溝内を通って前記半導体基板に接続され、他の一部の前記第3導電性接続部は、平面視において前記第2溝と重っていない、半導体装置の製造方法。
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