JP7360974B2 - 半導体コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体コンデンサおよびその製造方法に関する。

半導体基板の表面に薄膜コンデンサを形成した構成が知られている。薄膜コンデンサは、半導体基板の表面に溝を設け誘電膜を挟みながら複数の導電膜を溝の側面に積層して形成される（特許文献１）。

特表２０１０－５３０１２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された半導体に形成された薄膜コンデンサでは、高電圧を印加させた状態で使用する場合、絶縁膜が薄膜であるため、何らかの原因で薄膜コンデンサの絶縁膜が絶縁破壊をしてしまうと薄膜コンデンサを介して短絡電流が電力の供給源である電源に流れてしまう。

本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、薄膜コンデンサに接続されている電源に短絡電流が流れることを抑制することができる半導体コンデンサおよびその製造方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、分離領域内に形成された第１領域と、第１絶縁膜を介して半導体基板、分離領域および第１領域と対向する第２領域と、第１領域および分離領域と接続する第１電極と、第２領域と接続する第２電極を備える半導体コンデンサが提供される。第１電極は、分離領域の第１絶縁膜と接する領域に形成される反転層と第１領域を介して半導体基板と接続する。

本発明の他の態様によれば、分離領域及び第１領域を形成した半導体基板に第１領域まで達する溝を形成する工程と、溝の内壁面に第１絶縁膜を形成し、溝の内側で第１絶縁膜が接する第２領域を形成する工程とを含む半導体コンデンサの製造方法が提供される。第１絶縁膜の膜厚が、第１電極および第２電極の間に所定の電圧が印加されることにより、分離領域の第１絶縁膜が接する領域において半導体基板と第１領域を接続する反転層が形成される厚さである。

本発明によれば、薄膜コンデンサに接続されている電源に短絡電流が流れることを抑制された半導体コンデンサおよびその製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体コンデンサの構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体コンデンサの構成を示す等価回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その１）。 本発明の第１の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その２）。 本発明の第１の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その３）。 本発明の第１の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その４）。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサの構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その１）。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その２）。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その３）。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その４）。 本発明の第２の実施形態に係る半導体コンデンサの構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その１）。 本発明の第２の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その２）。 本発明の第２の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その３）。 本発明の第２の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その４）。 本発明の第２の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その５）。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサの構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体コンデンサの構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その１）。 本発明の第３の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その２）。 本発明の第３の実施形態に係る半導体コンデンサの製造方法を説明するための模式的な断面図である（その３）。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。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、厚みと平行寸法との関係、各層の厚みの比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お互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

更に、以下に示す第１、第２及び第３の実施形態は、本発明の技術的思想を具現化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質や、それらの形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（第１実施形態）
＜第１の実施形態の半導体コンデンサ１００の構成＞
本発明の第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００は、図１に示すように、導電性の半導体基板１に形成された分離領域２と、分離領域２内に形成された第１領域３と、第１絶縁膜４を介して半導体基板１、分離領域２および第１領域３と対向する第２領域５と、第１領域３および分離領域２と接続する第１電極７と、第２領域５と接続する第２電極６を備える。

半導体基板１は、図１に示すように、半導体基板１の第１主面２０から半導体基板１の深さ方向に延伸する溝９を備え、溝９の内壁面に第１絶縁膜４が形成されている。

第２領域５は、溝９の内部に埋設され第１絶縁膜４に接し、溝９は、分離領域２を貫通し、第１領域３に達している。図１は、第１主面２０に形成された溝９の短手方向に沿った断面図である。

図１に示すように、第２領域５と半導体基板１との間は、第１絶縁膜４によって、電気的に絶縁されている。即ち、第２領域５、第１絶縁膜４および半導体基板１の積層によって、薄膜コンデンサ（以下において、「第１薄膜コンデンサ３０」という。）が構成される。

また、第２領域５と第１領域３との間は、第１絶縁膜４によって、電気的に絶縁されている。即ち、第２領域５、第１絶縁膜４および第１領域３の積層によって、薄膜コンデンサ（以下において、「第２薄膜コンデンサ３２」という。）が構成される。

図１で示した半導体コンデンサ１００では、第２領域５の第１絶縁膜４が接する面と対向する面（以下において、「上面２２」という。）に、第２電極６が配置されている。

また、分離領域２の半導体基板１が接する面と対向する面（以下において、「下面２３」という。）に露出する第１領域３および分離領域２に、第１電極７が配置されている。

図１に示した半導体コンデンサ１００では、第２電極６と第１電極７との間に所定の電圧が印加されると、第２領域５、第１絶縁膜４および分離領域２の積層によって形成された薄膜コンデンサの分離領域２の第１絶縁膜４が接する領域に反転層３１が形成される。即ち、分離領域２の第１絶縁膜４が接する領域の第１絶縁膜４の膜厚は、第２電極６と第１電極７との間に電圧が印可されることで反転層３１が形成される厚さである。

また、第１電極７は、第１領域３および分離領域２と電気的に接続され、かつ、図１において反転層３１として示した領域と第１領域３とを介して、半導体基板１と電気的に接続される。第２電極６は、第２領域５と電気的に接続される。

なお、半導体基板１および第１領域３はn型であり、分離領域２はp型である場合、動作時は第２電極６が正極であり、第１電極７が負極である。

第１導電型と第２導電型とは互いに反対導電型である。即ち、第１導電型がｎ型であれば、第２導電型はｐ型であり、第１導電がｐ型であれば、第２導電型はｎ型である。以下では、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型の場合を例示的に説明する。

半導体コンデンサ１００では、図１で示した第２領域５は、半導体基板１、分離領域２および第１領域３と第１絶縁膜４を挟んで対向し、複数の薄膜コンデンサを構成する。図２（ａ）および図２（ｂ）に、半導体コンデンサ１００の等価回路を示す。

図２に示した等価回路の第１薄膜コンデンサ３０は、第２領域５、第１絶縁膜４および半導体基板１の積層によって形成された薄膜コンデンサである。反転層３１は、第２領域５、第１絶縁膜４および分離領域２の積層によって形成された薄膜コンデンサの第２電極６と第１電極７との間に所定の電圧が印加時に分離領域２の第１絶縁膜４が接する領域である（以下において、「反転層３１」という）。第２薄膜コンデンサ３２は、第２領域５、第１絶縁膜４および第１領域３の積層によって形成された薄膜コンデンサである。即ち、半導体コンデンサ１００は、図２で示す第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２が並列に接続した構成である。

図１で示した第２電極６に、図２で示す電源電圧（V_d）の正極が電気的に接続されている。即ち、図２の第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２は、図１の第２領域５と電気的に接続されている。

また、図１で示した第１電極７に図２で示す電源電圧（V_d）の負極が電気的に接続されている。第２電極６および第１電極７が電源電圧（V_d）に接続されることで、図１の反転層３１と第１領域３とを介して、第１電極７が半導体基板１と電気的に接続される。即ち、図２の第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２は、図１の半導体基板１、反転層３１および第１領域が同電位になり、電気的に接続されている。

＜第１の実施形態の半導体コンデンサ１００の動作＞
以下に、図１および図２で示した半導体コンデンサ１００の動作について説明する。半導体コンデンサ１００は電源と並列に接続し、例えば、電力変換器の平滑コンデンサ用途に使用する。

まず、通常時は、図１および図２（a）で示すように、電源電圧（V_d）の第２電極６に正極と同電位に繋ぎ、第１電極７は電源電圧（V_d）の負極と同電位に繋ぐ。負極を基準として、第２電極６は電源電圧（V_d）の正電圧が第２領域５に印加される。第１電極７に負の電圧を印加することで、第２領域５に正の電荷がチャージされる。また、第１領域３に負の電荷がチャージされる。

この時、第１絶縁膜４を介して半導体基板１、分離領域２および第１領域３に対向する第２領域５に正の電荷がチャージされることにより、第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２に正の電荷がチャージされる。

また、分離領域２が第１絶縁膜４と接する界面に、第２電極６と第１電極７との間の電位差で反転層３１が形成され、この反転層３１によって第１領域３と半導体基板１が同電位となる。即ち、半導体基板１、反転層３１および第１領域３がすべて電源の負の電位となる。

一方、半導体基板１と接する第１絶縁膜４が電気的に絶縁破壊した図２（b）で示す異常時には、第２領域５と半導体基板１の間に短絡電流が流れ、半導体基板１と第２領域５とが同電位となる。

更に、第２領域５から半導体基板１へ流れた短絡電流は、反転層３１と第１領域３を介して第１電極７へ流れる。即ち、第２電極６と第１電極７間には、短絡電流が流れる。

この時、反転層３１に流れる短絡電流は、第２電極６が飽和電圧以上であっても、ピンチオフし、飽和領域となり一定である。第２電極６と第１電極７に流れる電流は、反転層３１によって、飽和電流以上流れない。即ち、反転層３１に流れる短絡電流は、反転層３１のピンチオフによって抑制される。

＜第１の実施形態の半導体コンデンサ１００の効果＞
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コンデンサ１００によれば、通常時は、第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２によりコンデンサが構成される。即ち、第２電極６が第２領域５と同電位をとり、第１電極７が第１領域３、反転層３１および半導体基板１と同電位をとることにより、第２電極６および第１電極７の第２電極６によるコンデンサ動作を実現することができる。

また、半導体コンデンサ１００のコンデンサ容量は、第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２で形成される容量の合計となる。

更に、半導体基板１の第１主面２０に溝９を形成することで、半導体基板１と第１絶縁膜４の接する面積を大きくでき、単位面積でのコンデンサ容量を大きくすることができる。

なお、半導体コンデンサ１００は、溝９が半導体基板１に複数形成されていてもよい。半導体基板１に溝９を複数形成することにより、更に、コンデンサの容量を増大することができる。

また、半導体コンデンサ１００は、上面２２と下面２３の両面に第２電極６と第１電極７が別々に形成され、面電極となる。このため、電極のパターンニングの不良による合わせ不良の低減と製造工程の低減ができる。

一方、半導体基板１と接する第１絶縁膜４が絶縁破壊した異常時は、分離領域２の不純物濃度や分離領域２の第１絶縁膜４と接する第１絶縁膜４の膜厚を第１電極と第２電極間に所定の電圧を印加したときに反転層が形成されるように設計することにより、反転層３１に流れる短絡電流を抑制できる。このため、半導体コンデンサ１００に接続された電源の端子間に流れる短絡電流を制御できる。

＜第１の実施形態の半導体コンデンサ１００の製造方法＞
以下に、図面を参照して、第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体コンデンサ１００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。

まず、図３に示すように、第１主面２０と第１主面２０と対向する第２主面２１を有する第１導電型の半導体基板１を準備する。第１導電型の半導体基板１は、例えば、ｎ型のシリコン基板を用いる。第１導電型の半導体基板１の厚さは、数百μｍ程度である。

次に、第１導電型の半導体基板１の第２主面２１に第２導電型の分離領域２および第1領域３を形成する。形成順番としては、先に、ｐ型の分離領域２を形成することが好適である。その後、ｎ型の第１領域３を形成する。第１領域３は、下面２３に表面の一部が露出し、かつ、半導体基板１と離間させて、分離領域２の内部に形成される。

分離領域２および第１領域３の形成方法は、例えば、イオン注入法を用いる。イオン注入領域をパターンニングするために、半導体基板１の上面２２にマスク材を形成する。マスク材として、例えば、シリコン酸化膜を用いることができ、堆積方法は、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法を用いる。

次に、マスク材の上方にレジストをパターンニングする。パターニング方法は、一般的なフォトリソグラフィ法を用いる。パターンニングされたレジストをマスクにして、マスク材をエッチングする。エッチング方法は、フッ酸を用いたウェットエッチングや、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いる。以下において、半導体基板１の第１主面２０に対し積層方向を「上方」とも称する。

更に、レジストを酸素プラズマや硫酸等で除去する。マスク材をマスクにして、ｐ型およびｎ型不純物をイオン注入し、ｐ型の分離領域２およびｎ型の第１領域３を形成する。ｐ型不純物としては、例えば、ボロンを用いる。また、ｎ型不純物としては、リンを用いる。

このイオン注入後、マスク材を例えば、フッ酸を用いたエッチングによって除去する。この方法で形成された分離領域２および第１領域３は、不純物濃度として1E16/cm³～1E21/cm³が好適である。注入後の断面図は、図３に示す。

次に、図４に示すように、半導体基板１の第１主面２０に溝９をエッチング法などにより形成する。溝９の形成方法の例を以下に説明する。

まず、半導体基板１にマスク材を形成する。具体的には、マスク材は、シリコン酸化膜（SiO₂膜）を用いる。堆積方法は、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法を用いる。

次に、マスク材の上にレジストをパターンニングする。パターニング方法は、一般的なフォトリソグラフィ法を用いる。パターンニングされたレジストをマスクにして、マスク材をエッチングする。エッチング方法は、フッ酸を用いたウェットエッチングや、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いる。

次に、レジストを酸素プラズマや硫酸等で除去する。マスク材をマスクにして、半導体基板１をエッチングして溝９を形成する。溝９の深さは、半導体基板１および分離領域２を貫通し、第１領域３に到達する深さである。

その後、図５に示すように、第１絶縁膜４を形成する。第１絶縁膜４は、例えば、シリコン酸化膜（SiO₂膜）を用いる。この工程は、熱酸化法が好適である。熱酸化の場合、半導体基板１を酸素雰囲気中に、温度を950℃程度で加熱することで、半導体基板１が酸素に触れるすべての部分において、第1絶縁膜４が形成される。第１絶縁膜４の膜厚は、高電圧を印加時に反転層３１が形成される１μｍ程度が好適である。

この時、第1絶縁膜４は、溝９の内壁面で半導体基板１、分離領域２および第１領域３と連続して接している。また、第１絶縁膜４の膜厚は、第１電極７および第２電極６の間に所定の電圧が印加時、分離領域２の第１絶縁膜４と接する領域において半導体基板１と第１領域３を電気的に接続される反転層３１が形成される厚さである。この方法で形成された断面は、図５に示す。

更に、図６に示すように、第２領域５を形成する。例えば、第２領域５となる材料は、ポリシリコンが好適である。この工程は、第２領域５の堆積方法として、減圧ＣＶＤ法を用いる。この方法で堆積された第２領域５は、第１絶縁膜４の上方および下面２３の両面に形成される。

この時、第２領域５の堆積の厚さは、限定しないが、溝９を埋める厚さが好適である。例えば、溝９の幅をXμmとした場合、第２領域５の堆積の厚さはX/2以上にする。堆積した第２領域５は、第１絶縁膜４を介して半導体基板１、分離領域２および第１領域３と対向し、溝９の内側で第１絶縁膜４と接している。この堆積後の構造を図６に示す。

また、第２領域５の堆積後に、例えば、温度が950℃程度の加熱された塩化ホスホリル（POCｌ3)中でアニールすることでｎ型のポリシリコンが形成され、第２領域５に導電性を持たせる。

その後に、図１に示すように、上面２２に第２電極６の形成および下面２３の第２領域５をエッチングし、第１電極７を形成する。下面２３のエッチングは、マスクパターンを使用しない全面にエッチングをする。エッチング方法は、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いる。

なお、電極材料は、メタル配線が一般的であり、例えば、チタン（Ti）、ニッケル（Ni）、アルミニウム（Al）および銀（Ag)でもよい。

また、複数の材料を積層してもよい。例として、Ti/Ni/Agの積層メタルでもよい。ここでは、アルミニウム（Al)を積層する。積層方法は、例としてスパッタ法が好適である。具体的には、まず、上面２２の全面にアルミニウムを堆積する。

次に、下面２３の第２領域５をエッチングし、下面２３にアルミニウムを全面に堆積する。第１電極７は、第１領域３および分離領域２と接して電気的に接続される。また、第２電極６は、第２領域５と接して電気的に接続される。

その後、レジストマスクによるメタル選択エッチングする。以上により、図１に示した半導体コンデンサ１００が完成する。

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コンデンサ１００の製造方法では、半導体基板１に分離領域２および第１領域３を形成し、第１主面２０に分離領域２を貫通し第１領域３まで達する溝９を形成する。

溝９が第１領域３まで到達することで、分離領域２、第１領域３および半導体基板１は、容易に溝９の内壁面において第１絶縁膜４と連続して接することができ、コンデンサが作りやすくなり、製造工数の低減できる。

［第１実施形態の変形例］
第１の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサ１００は、図７に示すように、溝９の内壁面に形成された分離領域２および第１領域３に接する第１絶縁膜４の膜厚が、半導体基板１と接する第１絶縁膜４の膜厚より、厚いことが図１に示した構造と異なる。

第１の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサ１００によれば、溝９の内壁面に形成された分離領域２および第１領域３に接する第１絶縁膜４の膜厚が、半導体基板１と接する第１絶縁膜４の膜厚より厚いことにより、分離領域２および第１領域３に接する第１絶縁膜４の絶縁破壊確率が半導体基板１に接する第１絶縁膜４の絶縁破壊確率より低くなる。

このため、分離領域２および第１領域３と接する第１絶縁膜４の領域で第２電極６と第１電極７間での短絡電流の発生確率を低下させることができる。即ち、図１、２に示す、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２で発生する短絡電流の発生確率を低下させることにより、絶縁破壊による第２電極６と第１電極７間に短絡電流が流れるのを抑制できる。

第１の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサ１００の製造方法としては、図５に示すように、第１絶縁膜４を形成する工程で、熱酸化法を用いてもよい。

この理由は、イオン注入工程で形成された分離領域２および第１領域３では、表面の結晶状態が悪く、このため熱酸化の酸化レートが基板レートより早い。即ち、同じ酸化時間では、分離領域２および第１領域３の露出面に形成された第１絶縁膜４の厚さは、半導体基板１の露出面に形成された第１絶縁膜４より厚く形成される。

なお、図４に示すように、半導体基板１の第１主面２０に溝９を形成し、その後、図８に示すように、第１主面２０の全面に保護膜１０を形成してもよい。具体的には、保護膜１０は、例えば、シリコン窒化膜（SiN膜）でもよい。

次に、図９に示すように、半導体基板１の第１主面２０の全面にシリコン窒化膜（SiN膜）を形成し、溝９の底面のシリコン窒化膜（SiN膜）をエッチングする。エッチング方法は、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いる。イオン性エッチングなどの異方性エッチングすることで、溝９の底面のシリコン窒化膜（SiN膜）をエッチングする。

更に、図１０に示すように、溝９の底面に露出した分離領域２をエッチングする。エッチング方法は、例えば、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いる。その後に、溝９の底面に露出した分離領域２と第１領域３を酸化することで、溝９の内側の保護膜１０の膜厚より厚い第１絶縁膜４を形成することができる。

（第２実施形態）
＜第２の実施形態の半導体コンデンサ１００の構成＞
本発明の第２の実施形態に係る半導体コンデンサ１００は、図１２に示すように、溝９が第１領域３を貫通する点が第１の実施形態と異なる。即ち、溝９は、第１主面２０から半導体基板１の深さ方向に延伸し、半導体基板１、分離領域２および第１領域３を貫通している。

＜第２の実施形態の半導体コンデンサ１００の動作＞
図１２に示した半導体コンデンサ１００の基本的な動作は、図１および図２で示した第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００と同様である。即ち、通常時は、第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２に正の電荷がチャージされ、コンデンサの動作をする。また、異常時は、半導体基板１と接する第１絶縁膜４から流れる短絡電流を反転層３１でピンチオフすることで短絡電流を抑制する。

＜第２の実施形態の半導体コンデンサ１００の効果＞
以上に説明したように、本発明の第２の実施形態に係る半導体コンデンサ１００によれば、第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００と同様のコンデンサ動作を実現することができる。ただし、図１で示した半導体コンデンサ１００よりも第１絶縁膜４が半導体基板１、分離領域２および第１領域３を貫通しているため、溝９の深さのばらつきによって発生するコンデンサ容量ばらつきを抑制することができる。

また、図１２に示す半導体コンデンサ１００は、溝９を第１領域３に達するまで深く形成することにより、単位面積でのコンデンサ容量を最大限にすることができる。

＜第２の実施形態の半導体コンデンサ１００の製造方法＞
図１２に示した半導体コンデンサ１００の製造方法は、図１３～図１７を参照して説明する。なお、以下に述べる半導体コンデンサ１００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。

まず、第１導電型の半導体基板１の第２主面２１に第２導電型の分離領域２および第1領域３を形成する製造方法は、図３に示す第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００と同様である。即ち、イオン注入法を用いて、分離領域２および第１領域３を形成する。

次に、図１３に示すように、第１主面２０から半導体基板１の深さ方向に延伸する溝９を形成する。具体的には、半導体基板１をエッチングする。このエッチング後の断面図は、図１３ に示す。

この時、溝９の形成方法は、第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００と同様である。ただし、溝９は、イオン性エッチングなどの異方性エッチングを用いて形成され、半導体基板１、分離領域２および第１領域３を貫通している。

その後、図１４に示すように、第１絶縁膜４を形成する。第１絶縁膜４は、例えば、シリコン酸化膜（SiO₂膜）を用いる。この工程は、熱酸化法が好適である。

この時、熱酸化の場合、半導体基板１を酸素雰囲気中に、温度を950℃程度で加熱することで、半導体基板１が酸素に触れるすべての部分において、第1絶縁膜４が形成される。第１絶縁膜４の膜厚は、高電圧を印加時に反転層３１が形成される１μｍ程度が好適である。

また、第1絶縁膜４は、溝９の内壁面で半導体基板１、分離領域２および第１領域３と連続して接している。更に、第１絶縁膜４の膜厚は、第１電極７および第２電極６の間に所定の電圧が印加時、分離領域２の第１絶縁膜４と接する領域において半導体基板１と第１領域３を電気的に接続する反転層３１が形成される厚さである。この方法で形成された断面は、図１４に示す。

更に、図１５に示すように、第２領域５を形成する。具体的には、例えば、第２領域５となる材料は、ポリシリコンが好適である。第２領域５の堆積方法として、減圧ＣＶＤ法を用いる。

減圧ＣＶＤ法で堆積された第２領域５は、第１絶縁膜４の第１主面２０の積層方向および第２主面２１の積層方向の両面に形成される。

第２領域５の堆積の厚さは、限定しないが、溝９を埋める厚さが好適である。例えば、溝９の幅をXμmとした場合、第２領域５の堆積の厚さはX/2以上にする。第２領域５は、第１絶縁膜４を介して半導体基板１、分離領域２および第１領域３と対向し、溝９の内側で第１絶縁膜４と接している。この堆積後の構造を図１５に示す。

また、第２領域５の堆積後に、例えば、温度が950℃程度の加熱された塩化ホスホリル（POCｌ3)中でアニールすることでｎ型のポリシリコンが形成され、第２領域５に導電性を持たせる。

次に、図１６に示すように、分離領域２の半導体基板１が接する面と対向する面に積層された前記第２領域５を酸化して第２絶縁膜１１を形成する。具体的には、まず、上面２２の第２領域５の上面２２に保護膜１０を形成する。保護膜１０は、例えば、シリコン窒化膜（SiN膜）を用いる。堆積方法は、減圧ＣＶＤを用いる。

その後、第２領域５を酸化させて第２絶縁膜１１を形成する。酸化方法は、熱酸化が適用される。この酸化する工程は、溝９の底面にある第２領域５が酸化されるように酸化時間を設定する。第２領域５の酸化後の断面図を図１６に示す。以下において、溝９の底面にある第２領域５が酸化させた絶縁膜を「第２絶縁膜１１」とも称する。

次に、図１７に示すように、分離領域２および第１領域３が下面２３に露出するまで第２絶縁膜１１の一部をエッチングする。エッチング方法として、イオン性エッチングなどのドライエッチングを用いる。エッチング量として、分離領域２および第１領域３が露出される量が好適である。

この時、第２絶縁膜１１をエッチングする工程では、溝９の底面に形成される第２領域５も酸化されており、分離領域２および第１領域３を露出させても溝９の第２領域５は露出されていない。第２絶縁膜１１を除去した後の断面図は、図１７に示す。

その後、保護膜１０をエッチングし、電極を形成する。まず、保護膜１０のエッチングは、マスクパターンを使用しない全面エッチングする。エッチング方法は、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングを用いる。

なお、電極材料は、メタル配線が一般的であり、例えば、チタン（Ti）、ニッケル（Ni）、アルミニウム（Al）および銀（Ag)でもよい。

また、複数の材料を積層してもよい。例として、Ti/Ni/Agの積層メタルでもよい。ここでは、アルミニウム（Al)を積層する。積層方法は、例としてスパッタ法が好適である。まず、上面２２の第２領域５の上に全面にアルミニウムを堆積する。

次に、下面２３にアルミニウムを全面に堆積する。第１電極７は、第１領域３および分離領域２と接して電気的に接続される。また、第２電極６は、第２領域５と接して電気的に接続される。その後、レジストマスクによるメタル選択エッチングする。以上により、図８に示した半導体コンデンサ１００が完成する。

以上に説明したように、本発明の第２の実施形態に係る半導体コンデンサ１００の製造方法では、半導体基板１に分離領域２および第１領域３を形成し、第１主面２０から延伸して半導体基板１、分離領域２および第１領域３を貫通する溝９を形成する。溝９が第１領域３を貫通することで、個々の溝９のエッチングによる深さのばらつきの考慮が不要となり、半導体コンデンサ１００のコンデンサ間のコンデンサ容量ばらつきが低くでき、歩留まりが向上する。

また、下面２３の第２領域５を溝９の底面にまで酸化させることで、下面２３の第２領域５は完全に酸化される。このため、一般のエッチング法と比べ、第２領域５のエッチング残渣は抑制され、第２領域５のエッチング残渣による不良を抑制することで信頼性が向上することができる。

［第２実施形態の変形例］
第２の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサ１００は、図１８に示すように、溝９の内壁面に形成された分離領域２および第１領域３に接する第１絶縁膜４の膜厚が半導体基板１と接する第１絶縁膜４の膜厚より厚いことを更に備える点が図８に示した構造と異なる。

第２の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサ１００によれば、効果および動作は、第１の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサ１００と同様である。即ち、通常時は、第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２に正の電荷がチャージされ、コンデンサの動作をする。また、異常時は、半導体基板１と接する第１絶縁膜４から流れる短絡電流を反転層３１でピンチオフすることで短絡電流を抑制する。

第２の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサ１００の製造方法としては、図１４に示すように、第１絶縁膜４を形成する工程で、熱酸化法を用いてもよい。

この理由は、イオン注入工程で形成された分離領域２および第１領域３では、表面の結晶状態が悪く、このため熱酸化の酸化レートが基板レートより早い。即ち、同じ酸化時間では、分離領域２および第１領域３の露出面に形成された第１絶縁膜４の厚さは、半導体基板１の露出面に形成された第１絶縁膜４より厚く形成される。

なお、図４に示すように、半導体基板１の第１主面２０に溝９を形成し、その後、図８に示すように、第１主面２０の全面に保護膜１０を形成してもよい。具体的には、保護膜１０は、例えば、シリコン窒化膜（SiN膜）でもよい。

次に、図９に示すように、溝９の底面に露出した分離領域２をエッチングする際に、第１領域３を貫通するまでエッチングし、露出した分離領域２及び第１領域３を酸化する。

その後、エッチング後の工程は、第２の実施形態に係る半導体コンデンサ１００の第２領域５を形成する工程以降と同様である。

（第３実施形態）
＜第３の実施形態の半導体コンデンサ１００の構成＞
本発明の第３の実施形態に係る半導体コンデンサ１００は、図１９に示すように、導電性の半導体基板１に形成された分離領域２と、分離領域２内に形成された第１領域３と、第１絶縁膜４を介して半導体基板１、分離領域２および第１領域３と対向する第２領域５と、第１領域３および分離領域２と接続する第１電極７と、第２領域５と接続する第２電極６を備える。

第１電極７は、第１絶縁膜４に形成したコンタクト８を介して分離領域２および第１領域３と電気的に接続されている。ここで、「コンタクト８」は、第１絶縁膜４の開口部であり、第１電極７が分離領域２および第１領域３と接する領域である。

第３の実施形態に係る半導体コンデンサ１００は、半導体基板１に溝９はなく、プレーナ型構造を有している。図１９は、半導体基板１の短手方向に沿った断面図である。

＜第３の実施形態の半導体コンデンサ１００の動作＞
図１５に示した半導体コンデンサ１００の基本的な動作は、図１および図２で示した第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００と同様である。即ち、通常時は、第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２に正の電荷がチャージされ、コンデンサの動作をする。また、異常時は、半導体基板１と接する第１絶縁膜４から流れる短絡電流を反転層３１でピンチオフすることで短絡電流を抑制する。

＜第３の実施形態の半導体コンデンサ１００の製造方法＞
以下に、第３の実施形態に係る半導体コンデンサ１００の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体コンデンサ１００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。

まず、図２０に示すように、第１主面２０と第２主面２１を有する第１導電型の半導体基板１を準備する。第１導電型の半導体基板１は、例えば、ｎ型のシリコン基板を用いる。第１導電型の半導体基板１の厚さは、数百μｍ程度である。

次に、図２０に示すように、第１導電型の半導体基板１の第１主面２０に第２導電型の分離領域２および第1領域３を形成する。形成順番としては、先に、ｐ型の分離領域２を形成することが好適である。その後、ｎ型の第１領域３を形成する。第１領域３は、第１主面２０に表面の一部が露出し、かつ、半導体基板１と離間させて、分離領域２の内部に形成される。

分離領域２および第１領域３の形成方法は、第１、第２の実施形態と同様である。即ち、イオン注入法を用いて、分離領域２および第１領域３を形成する。

その後、図２１に示すように、半導体基板１の第１主面２０に第１絶縁膜４を形成する。なお、第１絶縁膜４を形成方法は、第１、第２の実施形態に係る半導体コンデンサ１００と同様である。即ち、熱酸化法を用いて、第１絶縁膜４を形成する。

更に、第２領域５を形成する。具体的な第２領域５となる材料、堆積方法および第２領域５の堆積後の第２領域５の導電性の持たせ方は、第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００と同様である。即ち、減圧ＣＶＤ法を用いて、第２領域５を形成する。

また、第２領域５は、第１絶縁膜４を介して半導体基板１、分離領域２および第１領域３と対向し、第１主面２０に積層された第１絶縁膜４と接している。

次に、第２領域５の一部をエッチングする。なお、第２領域５のエッチング方法は、等方性エッチングでも、異方性の選択エッチングでもよい。また、エッチング用のマスクは、レジストでもよい。具体的には、第２領域５の表面にレジストを塗布し、パターンニングする。パターニング方法は、一般的なフォトリソグラフィ法を用いる。パターンニング後、レジストを酸素プラズマや硫酸等で除去する。このエッチング後の構造を図２１に示す。

更に、第１絶縁膜４をエッチングしてコンタクト８を形成する。まず、第２領域５および第１絶縁膜４の上にレジストを塗布しパターンニングをする。パターニング方法は、一般的なフォトリソグラフィ法を用いる。パターンニングされたレジストをマスクして、第１絶縁膜４をエッチングする。第１絶縁膜４をエッチング後、レジストを酸素プラズマや硫酸等で除去する。このエッチング後の構造を図２２に示す。

次に、図１９に示すように、第１電極７および第２電極６を形成する。電極材料および積層方法は、第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００と同様である。即ち、第１主面２０の上方から電極材料であるアルミニウムを堆積する。その後、レジストマスクによるメタル選択エッチングして、図１９に示す第３の実施形態に係る半導体コンデンサ１００が完成する。

以上に説明したように、本発明の第３の実施形態に係る半導体コンデンサ１００の製造方法では、半導体基板１の第１主面２０に分離領域２および第１領域３を形成し、溝９を形成しない。このため、図１５に示す第３の実施形態に係る半導体コンデンサ１００は、プレーナ型構造にすることで、溝９を形成する工程を省略することができ製造が容易になり、製造工程を低減することができる。

［第３実施形態の変形例］
第３の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサ１００は、分離領域２および第１領域３と接する第１絶縁膜４の厚さを、半導体基板１と接する第１絶縁膜４の厚さよりも厚くしてもよい。

これにより、第１および第２の実施形態の変形例で説明したように、分離領域２および第１領域３と接する第１絶縁膜４の領域で第２電極６と第１電極７間での短絡電流の発生確率を低下させることができる。即ち、反転層３１を形成する薄膜コンデンサおよび第２薄膜コンデンサ３２で発生する短絡電流の発生確率を低下させることにより、絶縁破壊による第２電極６と第１電極７間に短絡電流が流れるのを抑制できる。

第３の実施形態の変形例に係る半導体コンデンサ１００によれば、動作および効果は、第１および第２の実施形態の変形例と同様である。即ち、通常時は、第１薄膜コンデンサ３０、反転層３１および第２薄膜コンデンサ３２に正の電荷がチャージされ、コンデンサの動作をする。また、異常時は、半導体基板１と接する第１絶縁膜４から流れる短絡電流を反転層３１でピンチオフすることで短絡電流を抑制する。

（その他の実施形態）
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述およ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、実施例および運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記の第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００の構成では、半導体基板１および第１領域３は、ｎ型であり、分離領域２は、ｐ型である場合を説明したが、半導体基板１および第１領域３はｐ型であり、分離領域２はｎ型であってもよい。

なお、半導体基板１および第１領域３はｐ型であり、分離領域２はｎ型である場合、動作時は第２電極６が負の電極であり、第１電極７が正の電極にする。

また、上記の第１の実施形態に係る半導体コンデンサ１００の製造方法では、半導体基板１がシリコン基板である例について説明したが、半導体基板１は、炭化ケイ素（SiC）、ヒ化ガリウム（GaAs）および窒化ガリウム（GaN）などの他の半導体基板１も適用してもよい。

なお、第１絶縁膜４は、シリコン酸化膜（SiO₂膜）である例について説明したが、第１絶縁膜４は、窒化ケイ素（SiN）も適用してもよい。

なお、第２領域５は、第２電極として用いてもよい。

このように、本発明はここまで記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明事項によってのみ定められるものである。

１ 半導体基板
２ 分離領域
３ 第１領域
４ 第１絶縁膜
５ 第２領域
６ 第２電極
７ 第１電極
９ 溝

Claims (10)

1. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板に形成された第２導電型の分離領域と、
   前記分離領域内に形成された第１導電型の第１領域と、
   前記半導体基板、前記分離領域および前記第１領域に連続して接する第１絶縁膜と、
   前記第１絶縁膜を介して前記半導体基板、前記分離領域および前記第１領域と対向する第２領域と、
   前記第１領域および前記分離領域と電気的に接続し、かつ、前記分離領域の前記第１絶縁膜が接する領域に形成される反転層と前記第１領域とを介して前記半導体基板と電気的に接続する第１電極と、
   前記第２領域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コンデンサ。
2. 前記第１絶縁膜の膜厚が、前記第１電極および前記第２電極の間に所定の電圧が印加されることにより前記分離領域の前記第１絶縁膜が接する領域に前記反転層が形成される厚さであることを特徴とする請求項１に記載の半導体コンデンサ。
3. 前記分離領域および前記第１領域に接する前記第１絶縁膜の厚さが前記半導体基板に接する前記第１絶縁膜の厚さより厚いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体コンデンサ。
4. 前記半導体基板の一つの主面から前記半導体基板の深さ方向に延伸する溝を更に備え、
   前記溝の内壁面に前記第１絶縁膜が形成され、前記第２領域は前記溝の内部に埋設され前記第１絶縁膜に接し、前記溝は前記分離領域を貫通し、前記第１領域に達する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体コンデンサ。
5. 前記溝が前記半導体基板に複数形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体コンデンサ。
6. 前記溝が前記第１領域を貫通することを特徴とする請求項４または５に記載の半導体コンデンサ。
7. 前記半導体基板の一つの主面の前記第２領域の上に前記第２電極が配置され、前記分離領域の前記半導体基板が接する面と対向する面に露出する前記第１領域および前記分離領域に前記第１電極が配置されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の半導体コンデンサ。
8. 第１主面と前記第１主面と対向する第２主面を有する第１導電型の半導体基板の前記第２主面に第２導電型の分離領域を形成する工程と、
   前記分離領域の前記半導体基板が接する面と対向する面に表面の一部が露出し、かつ、前記半導体基板と離間させて、前記分離領域の内部に第１導電型の第１領域を形成する工程と、
   前記第１主面から延伸し、前記半導体基板および前記分離領域を貫通して前記第１領域に達する溝を形成する工程と、
   前記溝の内壁面に前記半導体基板、前記分離領域および前記第１領域と連続して接する第１絶縁膜を形成する工程と、
   前記第１絶縁膜を介して前記半導体基板、前記分離領域および前記第１領域と対向し、前記溝の内側で前記第１絶縁膜が接する第２領域を形成する工程と、
   前記第１領域および前記分離領域と接続する第１電極を形成する工程と、
   前記第２領域と接続する第２電極を形成する工程と
   を含み、
   前記第１絶縁膜の膜厚が、前記第１電極および前記第２電極の間に所定の電圧が印加されることにより、前記分離領域の前記第１絶縁膜が接する領域において前記半導体基板と前記第１領域を電気的に接続する反転層が形成される厚さであることを特徴とする半導体コンデンサの製造方法。
9. 前記溝を形成する工程において、異方性エッチングを用い、前記第１領域を貫通する前記溝を形成することを特徴とする請求項８記載の半導体コンデンサの製造方法。
10. 前記分離領域の前記半導体基板が接する面と対向する面に積層された前記第２領域を酸化して、前記溝の底面に第２絶縁膜を形成する工程を更に含むことが特徴とする請求項９に記載の半導体コンデンサの製造方法。

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