(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024135305
(43)【公開日】2024-10-04
(54)【発明の名称】コンデンサ
(51)【国際特許分類】
H01L 21/822 20060101AFI20240927BHJP
H01G 4/33 20060101ALI20240927BHJP
【FI】
H01L27/04 C
H01G4/33 102
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023045928
(22)【出願日】2023-03-22
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】317011920
【氏名又は名称】東芝デバイス&ストレージ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110004026
【氏名又は名称】弁理士法人iX
(72)【発明者】
【氏名】大黒 達也
【テーマコード(参考)】
5E082
5F038
【Fターム(参考)】
5E082EE05
5E082FF05
5E082FG03
5F038AC03
5F038AC05
5F038AC10
5F038AC15
5F038EZ20
(57)【要約】
【課題】小型化が可能であり、高周波応答性を向上させたコンデンサを提供する。
【解決手段】コンデンサは、半導体基板と、電極層と、誘電体膜と、第1端子と、第2端子と、を備える。前記電極層は、前記半導体基板の表面から前記半導体基板中に延在し、前記半導体基板中において、金属シリサイドを含む。前記誘電体膜は、前記電極層と前記半導体基板との間に設けられ、前記電極層を前記半導体基板から電気的に絶縁する。前記第1端子は、前記電極層に接続され、前記第2端子は、前記半導体基板に接続される。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面から前記半導体基板中に延在し、前記半導体基板中において、金属シリサイドを含む電極層と、
前記電極層と前記半導体基板との間に設けられ、前記電極層を前記半導体基板から電気的に絶縁する誘電体膜と、
前記電極層に接続される第1端子と、
前記半導体基板に接続される第2端子と、
を備えたコンデンサ。
【請求項2】
前記半導体基板の前記表面側において、前記電極層を覆う絶縁膜をさらに備え、
前記電極層は、前記半導体基板の前記表面側に位置する開口部と、前記開口部から前記半導体基板中の端部まで延在する空隙を含み、
前記絶縁膜は、前記電極層の前記開口部を塞ぐように設けられる請求項1記載のコンデンサ。
【請求項3】
前記第1端子は、前記絶縁膜上に設けられ、前記電極層に接続されるように、前記絶縁膜に設けられる第1コンタクトホール中に延在し、
前記第2端子は、前記絶縁膜上に設けられ、前記半導体基板に接続されるように、前記絶縁膜に設けられる第2コンタクトホール中に延在する請求項2記載のコンデンサ。
【請求項4】
前記絶縁膜は、前記半導体基板の前記表面側を覆い、
前記誘電体膜は、前記半導体基板と前記絶縁膜との間に延在し、
前記絶縁膜および前記誘電体膜を貫いて、前記半導体基板に連通する第2コンタクトホールが設けられ、
前記第2端子は、前記半導体基板に接続されるように、前記第2コンタクトホール中に延在する請求項3記載のコンデンサ。
【請求項5】
前記電極層は、前記誘電体膜と前記金属シリサイドとの間に設けられるポリシリコン層をさらに含む請求項1記載のコンデンサ。
【請求項6】
前記誘電体膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜および高誘電率膜の少なくともいずれか1つを含む請求項1記載のコンデンサ。
【請求項7】
前記半導体基板は、前記表面側に設けられるトレンチを有し、
前記誘電体膜は、前記トレンチの底面および側壁を覆い、
前記電極層は、前記トレンチの内面上において、前記誘電体膜を覆う、請求項1記載のコンデンサ。
【請求項8】
前記電極層は、導電性のポリシリコンをさらに含み、
前記ポリシリコンは、前記トレンチの前記底面上および前記側壁の前記底面側において、前記誘電体膜上に設けられ、
前記金属シリサイドは、前記トレンチの開口側において、前記誘電体膜上に設けられる請求項7記載のコンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
実施形態は、コンデンサに関する。
【背景技術】
【0002】
電子回路中に配置されるコンデンサには、小型化および高周波応答性が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開WO2019/021817号
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】東芝レビュー Vol.75, No.5, pp48-52 (2020年9月)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
実施形態は、小型化が可能であり、高周波応答性を向上させたコンデンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
実施形態に係るコンデンサは、半導体基板と、電極層と、誘電体膜と、第1端子と、第2端子と、を備える。前記電極層は、前記半導体基板の表面から前記半導体基板中に延在し、前記半導体基板中において、金属シリサイドを含む。前記誘電体膜は、前記電極層と前記半導体基板との間に設けられ、前記電極層を前記半導体基板から電気的に絶縁する。前記第1端子は、前記電極層に接続され、前記第2端子は、前記半導体基板に接続される。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【
図1】実施形態に係るコンデンサを表す模式断面図である。
【
図2】実施形態に係るコンデンサを表す模式平面図である。
【
図3】実施形態に係るコンデンサの特性を表す模式図である。
【
図4】実施形態に係るコンデンサの製造過程を表す模式断面図である。
【
図5】
図4に続く製造過程を表す模式断面図である。
【
図6】実施形態の第1変形例に係るコンデンサを表す模式断面図である。
【
図7】実施形態の第2変形例に係るコンデンサを表す模式断面図である。
【
図8】実施形態の第3変形例に係るコンデンサを表す模式平面図である。
【
図9】実施形態に係るコンデンサの誘電体膜を表す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【0009】
さらに、各図中に示すX軸、Y軸およびZ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。X軸、Y軸、Z軸は、相互に直交し、それぞれX方向、Y方向、Z方向を表す。また、Z方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
【0010】
図1は、実施形態に係るコンデンサ1を表す模式断面図である。コンデンサ1は、半導体基板10、例えば、シリコン基板に設けられる。コンデンサ1は、単体のデバイスであってもよいし、半導体基板10上の集積回路と共に設けられてもよい。
【0011】
図1に示すように、コンデンサ1は、半導体基板10と、誘電体膜20と、電極層30と、絶縁膜40と、第1端子53と、第2端子55と、を含む。半導体基板10は、例えば、低抵抗のn形シリコン基板である。半導体基板10のn形不純物濃度は、例えば、1×10
18~1×10
20cm
-3の範囲にある。
【0012】
半導体基板10は、その表面10F側に設けられる複数のトレンチTRを含む。以下、トレンチTRは、深さTDおよび幅TWを有するものとする。トレンチTRは、所定の静電容量が得られるサイズに設けられる。トレンチTRのアスペクト比TD/TWは、例えば、50以上であり、好ましくは、例えば、100である。
【0013】
誘電体膜20は、半導体基板10の表面10F側に設けられ、トレンチTRの内面を覆う。誘電体膜20は、例えば、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜の少なくとも一方を含む。また、誘電体膜20は、酸化アルミニウムもしくは酸化ハフニウムウなどの高誘電率膜、所謂、High-k膜であってもよい。
【0014】
電極層30は、誘電体膜20上に設けられ、トレンチTRの内面を覆う。電極層30は、トレンチTRの内部に空隙AGが残るように設けられる。電極層30は、例えば、半導体基板10の表面10F側に開口部を有する。空隙AGは、電極層30の開口部からトレンチTRの底面側の下端近傍まで延在する。誘電体膜20および電極層30は、トレンチTRの底面上に積層され、空隙AGの下端には、電極層30が露出される。
【0015】
電極層30は、例えば、第1導電層33と、第2導電層35と、を含む。第1導電層33は、例えば、導電性のポリシリコンである。第2導電層35は、金属シリサイドである。第2導電層35は、例えば、ニッケルシリサイド(NiSi)である。第2導電層35は、空隙AGの内面に露出される。
【0016】
電極層30は、トレンチTR内において、誘電体膜20を介して、半導体基板10に向き合う。第1導電層33は、誘電体膜20と第2導電層35との間に設けられる。第1導電層33は、誘電体膜20を介して、半導体基板10に向き合う。
【0017】
絶縁膜40は、半導体基板10の表面10F側において、電極層30上に設けられる。絶縁膜40は、例えば、シリコン窒化膜である。絶縁膜40は、電極層30の開口を塞ぎ、トレンチTRの内部には、空隙AGが設けられる。
【0018】
第1端子53は、絶縁膜40上に設けられる。第1端子53は、絶縁膜40を介して、電極層30上に設けられ、絶縁膜40に設けられるコンタクトホールCH1を介して、電極層30に接続される。第1端子53は、例えば、アルミニウムを含み、電極層30の第2導電層35に電気的に接続される。
【0019】
第2端子55は、例えば、アルミニウムを含み、絶縁膜40上に設けられる。絶縁膜40は、半導体基板10の表面10F側において、電極層30が設けられない部分も覆う。誘電体膜20は、例えば、半導体基板10と絶縁膜40との間に延在する。第2端子55は、誘電体膜20および絶縁膜40に設けられるコンタクトホールCH2を介して、半導体基板10に接続される。
【0020】
図2は、実施形態に係るコンデンサ1を表す模式平面図である。
図2中には、絶縁膜40上に設けられる第1端子53および第2端子55が表されている。第1端子53は、電極層30上に位置する。
【0021】
図2に示すように、複数のトレンチTRは、それぞれ、Y方向に延伸し、X方向に並ぶ。第1端子53および第2端子55は、それぞれ、Y方向に延在する。複数のトレンチTRは、平面視において、第1端子53と第2端子55との間に設けられる。
【0022】
図3(a)および(b)は、実施形態に係るコンデンサ1の特性を表す模式図である。
図3(a)は、コンデンサ1の等価回路である。
図3(b)は、コンデンサ1の高周波特性を示すグラフである。
【0023】
図3(a)に示すように、コンデンサ1は、基板抵抗Rsと、複数のトレンチTRの内部にそれぞれ設けられる容量Cと、電極層30の抵抗Reと、を含む。コンデンサ1では、複数のトレンチTRの内部にそれぞれ容量Cを設けることにより、半導体基板10の表面10F側における占有面積を拡大することなく、静電容量を大きくすることができる。言い換えれば、コンデンサ1は、トレンチTRを設けることにより、小型化できる。
【0024】
図3(b)は、第1端子53と第2端子55との間におけるカットオフ周波数と電極層30の抵抗率との関係を示すグラフである。横軸は、抵抗率であり、縦軸は、カットオフ周波数である。
図3(b)中には、トレンチTRのサイズが異なる2つのサンプルDTおよびSTの特性を表している。
【0025】
図3(b)では、基板抵抗Rsは一定としている。サンプルSTにおけるトレンチTRの深さTDは50マイクロメートル(μm)であり、トレンチ幅TWは2μmである。また、サンプルDTにおけるトレンチTRの深さTDは100マイクロメートル(μm)であり、トレンチ幅TWは1μmである。
【0026】
カットオフ周波数は、電極層30の抵抗率が大きくなるにつれて低下する。また、トレンチTRが深くなると、カットオフ周波数は低下する。電極層30がポリシリコンの単層である場合、抵抗率は、10mΩcmであり、カットオフ周波数は1GHz以下である。
【0027】
コンデンサ1のカットオフ周波数を改善するためには、電極層30の抵抗率を小さくすることが好ましい。また、トレンチTRの深さTDを深くして静電容量を大きくするためには、電極層30の抵抗率をより小さくすることが望ましい。電極層30は、金属シリサイドの第2導電層35を含むことにより低抵抗化される。これにより、コンデンサ1のカットオフ周波数を高くすることができる。
【0028】
次に、
図4(a)~
図5(c)を参照して、コンデンサ1の製造方法を説明する。
図4(a)~
図5(c)は、実施形態に係るコンデンサ1の製造過程を表す模式断面図である。
【0029】
図4(a)に示すように、半導体基板10の表面10F側に複数のトレンチTRを形成する。トレンチTRは、例えば、異方性RIE(Reactive Ion Etching)を用いて、半導体基板10を選択的に除去することにより設けられる。
【0030】
さらに、誘電体膜20を半導体基板10の表面10F側に形成する。誘電体膜20は、トレンチTRの内面を覆う。誘電体膜20は、例えば、半導体基板10を熱酸化もしくは熱窒化することにより設けられる。また、誘電体膜20は、CVD(Chemical Vapor Deposition)を用いて形成されてもよい。誘電体膜20は、トレンチTRの内部にスペースSPを残すように形成される。
【0031】
図4(b)に示すように、第1導電層33を誘電体膜20上に形成する。第1導電層33は、シリコンを含む半導体層、例えば、ポリシリコンである。第1導電層33は、例えば、n形不純物もしくはp形不純物を含む。第1導電層33は、例えば、CVDを用いて形成される。第1導電層33は、誘電体膜20を介して、半導体基板10の表面10Fを覆う。また、第1導電層33は、誘電体膜20を介して、トレンチTRの内面を覆う。第1導電層33は、トレンチTRの内部にスペースSPを残すように形成される。
【0032】
図4(c)に示すように、金属層37を第1導電層33上に形成する。金属層37は、半導体基板10の表面10F側およびトレンチTRの内部において、第1導電膜33を覆う。金属層37も、トレンチTRの内部にスペースSPを残すように形成される。
【0033】
金属層37は、例えば、貴金属触媒を用いるウェットプロセス、所謂、MacEtch(非特許文献1参照)により第1導電層33の表面を処理した後、非電界メッキ法を用いて形成される。MacEtchの過程において第1導電層33の表面に付着する金属原子により、メッキ層を均一に形成することが可能となる。これにより、金属層37、例えば、ニッケル層を、アスペクト比TD/TW(
図1参照)が大きいトレンチTRの内面上に均一に形成することができる。
【0034】
図5(a)に示すように、第2導電層35を第1導電層33の上に形成する。第2導電層35は、例えば、第1導電層33および金属層37を部分的に除去した後に形成される。すなわち、半導体基板10の表面10F上において、第1導電層33および金属層37のトレンチTRの周り(
図2参照)に形成された部分を除去する。第2導電層35は、第1導電層33と金属層37とを熱処理により反応させることにより形成される。すなわち、第2導電層35は、第1導電層33および金属層37が反応した金属シリサイドを含む。
【0035】
図5(b)に示すように、半導体基板10の表面10F側に絶縁膜40を形成する。絶縁膜40は、第2導電層35を覆い、トレンチTR内のスペースSPの開口を塞ぐように設けられる。これにより、トレンチTRの内部に空隙AGが残される。
【0036】
絶縁膜40は、例えば、PCVD(Plasma enhanced chemical Vapor Deposition)を用いて形成される。絶縁膜40は、例えば、シリコン窒化膜である。絶縁膜40は、半導体基板10の表面10F側において、トレンチTRの周り(
図2参照)の第1導電層33および金属層37を除去した領域上にも設けられる。
【0037】
図5(c)に示すように、第1端子53および第2端子55を絶縁膜40上に形成する。第1端子53は、半導体基板10の表面10F上において、第2導電層35に連通するコンタクトホールCH1を絶縁膜40に形成した後に形成される。また、第2端子55は、半導体基板10の表面10F上において、半導体基板10に連通するコンタクトホールCH2を誘電体膜20および絶縁膜40に形成した後に形成される。
【0038】
第1端子53および第2端子55は、絶縁膜40上に形成された金属層、例えば、アルミニウム層をパターニングすることにより形成される。第1端子53は、コンタクトホールCH1内に延びて第2導電層35に接するように設けられ、第2導電層35に電気的に接続される。第2端子55は、コンタクトホールCH2内に延びて半導体基板10に接するように設けられ、半導体基板10に電気的に接続される。
【0039】
実施形態に係るコンデンサ1の製造方法では、トレンチTRの内部にスペースSPを残すことにより、誘電体膜20、第1導電膜33および第2導電膜35を形成する過程における応力を緩和し、半導体基板10の反りを防ぐことができる。これにより、製造歩留りを向上させることができる。
【0040】
図6は、実施形態の第1変形例に係るコンデンサ2を表す模式断面図である。コンデンサ2は、半導体基板10と、誘電体膜20と、第2導電層35と、絶縁膜40と、第1端子53と、第2端子55と、を含む。
【0041】
コンデンサ2では、電極層30(
図1参照)は、単層の第2導電層35に置き換えられている。すなわち、第1導電層33が薄い場合には、全体が金属層37と反応し、電極層30は、金属シリサイドを含む第2導電層35になる。金属シリサイドを含む第2導電層35は、誘電体膜20を介して、半導体基板10に向き合う。これにより、電極層の抵抗Re(
図3参照)をより小さくすることが可能となり、カットオフ周波数を高くすることができる。
【0042】
コンデンサ2は、例えば、金属層37を厚くすることにより形成される。金属層37は、例えば、非電界メッキ法と電界メッキ法とを組合わせることにより、所望の厚さに形成することができる。この例でも、空隙AGは、第2導電層35における半導体基板10の表面10F側の開口部からトレンチTRの底面側の下端の近傍まで延在する。
【0043】
図7は、実施形態の第2変形例に係るコンデンサ3を表す模式断面図である。コンデンサ3は、半導体基板10と、誘電体膜20と、電極層30と、絶縁膜40と、第1端子53と、第2端子55と、を含む。
【0044】
図7に示すように、電極層30は、第1導電層33と、第2導電層35と、を含む。第1導電層33は、例えば、導電性のポリシリコンであり、トレンチTRの底部において、底面上および側壁上に設けられる。第2導電層35は、トレンチTRの上部に設けられ、第1導電層33につながるように設けられる。第2導電層35は、金属シリサイドを含む。
【0045】
例えば、
図4(c)に示す製造過程において、金属層37がトレンチTRの底部まで形成されず、トレンチTRの上部を覆うように設けられる場合には、第2導電層35は、トレンチTRの底部には形成されず、第1導電層33がトレンチTRの底部に残る。なお、第1導電層33が厚い場合には、誘電体膜20と第2導電層35との間に、第1導電層33が残る場合がある(
図1参照)
【0046】
このような構造でも、電極層30の抵抗Re(
図3参照)は、第2導電層35により低減される。これにより、コンデンサ3のカットオフ周波数を高くすることができる。空隙AGは、第2導電層35の開口部から第1導電層33の下端の近傍まで延在する。これにより、半導体基板10中の応力を低減することができる。
【0047】
図8は、実施形態の第3変形例に係るコンデンサ4を表す模式平面図である。
図2中には、絶縁膜40上に設けられる第1端子53および第2端子55が表されている。第1端子53は、電極層30上に位置する。
【0048】
図8に示すように、複数のトレンチTRは、それぞれ、Y方向に延伸し、X方向に並ぶ。第1端子53および第2端子55は、Y方向に並ぶ。第1端子53および第2端子55と、複数のトレンチTRは、X方向に並ぶ。これにより、第1端子53および第2端子55に接続されるリードを同じ方向に引き出すことができる。
【0049】
図9(a)および(b)は、実施形態に係るコンデンサ1乃至3の誘電体膜20を表す模式断面図である。誘電体膜20は、単層膜に限定される訳ではなく、複数の膜を含む積層構造を有しても良い。
【0050】
図9(a)に示すように、誘電体膜20は、第1膜20aと、第2膜20bと、第3膜20cと、を含む。半導体基板10と第1導電膜33との間において、第3膜20cは、第1膜20aと第2膜20bとの間に設けられる。第1膜20aは、半導体基板10と第3膜20cとの間に設けられる。第2膜20bは、第1導電膜33と第3膜20cとの間に設けられる。
【0051】
第1膜20aおよび第2膜20bは、例えば、シリコン酸化膜である。第3膜20cは、例えば、シリコン窒化膜である。また、第3膜20cは、酸化アルミニウムもしくは酸化ハフニウムなどの高誘電率膜であっても良い。
【0052】
図9(b)に示すように、誘電体膜20は、第1膜20aと、第2膜20bと、を含む。第1膜20aは、半導体基板10と第2膜20bとの間に設けられる。第2膜20bは、第1導電膜33と第1膜20aとの間に設けられる。
【0053】
第1膜20aは、例えば、シリコン酸化膜である。第2膜20bは、例えば、シリコン窒化膜である。また、第2膜20bは、酸化アルミニウムもしくは酸化ハフニウムなどの高誘電率膜であっても良い。
【0054】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【0055】
(付記1)
半導体基板と、
前記半導体基板の表面から前記半導体基板中に延在し、前記半導体基板中において、金属シリサイドを含む電極層と、
前記電極層と前記半導体基板との間に設けられ、前記電極層を前記半導体基板から電気的に絶縁する誘電体膜と、
前記電極層に接続される第1端子と、
前記半導体基板に接続される第2端子と、
を備えたコンデンサ。
(付記2)
前記半導体基板の前記表面側において、前記電極層を覆う絶縁膜をさらに備え、
前記電極層は、前記半導体基板の前記表面側に位置する開口部と、前記開口部から前記半導体基板中の端部まで延在する空隙を含み、
前記絶縁膜は、前記電極層の前記開口部を塞ぐように設けられる、付記1記載のコンデンサ。
(付記3)
前記第1端子は、前記絶縁膜上に設けられ、前記電極層に接続されるように、前記絶縁膜に設けられる第1コンタクトホール中に延在し、
前記第2端子は、前記絶縁膜上に設けられ、前記半導体基板に接続されるように、前記絶縁膜に設けられる第2コンタクトホール中に延在する、付記2記載のコンデンサ。
(付記4)
前記絶縁膜は、前記半導体基板の前記表面側を覆い、
前記誘電体膜は、前記半導体基板と前記絶縁膜との間に延在し、
前記絶縁膜および前記誘電体膜を貫いて、前記半導体基板に連通する第2コンタクトホールが設けられ、
前記第2端子は、前記半導体基板に接続されるように、前記第2コンタクトホール中に延在する、付記3記載のコンデンサ。
(付記5)
前記電極層は、前記誘電体膜と前記金属シリサイドとの間に設けられるポリシリコン層をさらに含む付記1乃至4のいずれか1つに記載のコンデンサ。
(付記6)
前記誘電体膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜および高誘電率膜の少なくともいずれか1つを含む付記1乃至5のいずれか1つに記載のコンデンサ。
(付記7)
前記半導体基板は、前記表面側に設けられるトレンチを有し、
前記誘電体膜は、前記トレンチの底面および側壁を覆い、
前記電極層は、前記トレンチの内面上において、前記誘電体膜を覆う、請求項1乃至6のいずれか1つに記載のコンデンサ。
(付記8)
前記電極層は、導電性のポリシリコンをさらに含み、
前記ポリシリコンは、前記トレンチの前記底面上および前記側壁の前記底面側において、前記誘電体膜上に設けられ、
前記金属シリサイドは、前記トレンチの開口側において、前記誘電体膜上に設けられる付記7記載のコンデンサ。
【符号の説明】
【0056】
1、2、3、4…コンデンサ、10…半導体基板、10F…表面、20…誘電体膜、30…電極層、33…第1導電層、35…第2導電層、37…金属層、40…絶縁膜、AG…空隙、CH1…第1コンタクトホール、CH2…第2コンタクトホール、Re…電極抵抗、Rs…基板抵抗、SP…スペース、TR…トレンチ