JP2002246514A

JP2002246514A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2002246514A
Application number: JP2001036351A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Teranishi; 秀明寺西
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-08-30

Abstract

(57)【要約】【課題】裏面の放熱効率を高めた半導体装置を提供する
こと。【解決手段】半導体基板１００の第１主面１０１の表面
層に活性領域２を形成し、第２主面の裏面１０２にトレ
ンチ溝３を形成し、裏面１０２を凹凸（トレンチ溝が形
成された箇所が凹、形成されない箇所が凸）にする。こ
の凹凸した裏面１０２に、半導体基板１００より熱伝導
率が大きい材質の放熱薄膜７（放熱用のための薄膜のこ
と）を凹凸面に沿うように形成する。前記のトレンチ溝
３の幅Ｗと深さＬの比、所謂、アスペクト比（Ｌ／Ｗ）
を１以上で、５０以下にする。また、トレンチ溝３の幅
Ｗとトレンチ溝３の間隔Ｄを、それぞれ、１μｍ以上で
１００μｍ以下にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高密度の熱を発
生するＩＣなどの半導体装置に関し、特に、放熱特性を
改善するための、半導体チップの裏面構造に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の動作時に、半導体チップで
発生する熱で半導体チップ自体が温度上昇することを防
ぐために、半導体チップの裏面に金属製の放熱フィンを
接触させ、この放熱フィンにより、半導体チップに発生
した熱を自然放散させたり、発生した熱量が大きい場合
には、放熱フィンを空冷したり、水冷したりすること
で、放熱効果を高めることが一般的に行われている。

【０００３】従って、この放熱フィンを取り付けない場
合には、半導体チップのみでは放熱効果が悪く、半導体
チップで発生する熱で、半導体チップ自体の温度上昇を
招き、動作異常や信頼性の低下を起こすことがある。一
方、放熱フィンを取り付けると、放熱効果を高めること
はできるが、放熱フィンが別部品であるため、部品点数
が増加し、半導体装置を用いた電子装置が大型化する。

【０００４】これらを解決するために、図８に示すよう
に、半導体チップ５１を構成する半導体基板２００の裏
面２０２の金属膜５４を凹凸にしたり、図９に示すよう
に、半導体基板２００の裏面２０２に凹凸の金属膜５４
を被覆させず、半導体基板２００自体に溝５３を形成し
て裏面２０２を凹凸にする方法により、半導体チップ５
１で発生する熱を放熱する方法が、特開平７−２２５４
６号公報に開示されている。

【０００５】尚、半導体基板２００の裏面２０２と反対
側の表面層には、ＩＣ（集積回路）などの活性領域５２
が形成され、この活性領域５２で熱が発生する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図８の方法で
は、半導体基板２００の裏面２０２は平坦であり、この
平坦な半導体基板２００に、凹凸の金属膜５４を被覆し
ているため、金属膜５４での放熱面積は大きいが、半導
体基板２００から金属膜５４への放熱面は平坦であるた
めに、半導体基板２００の放熱面積が小さく、そのた
め、全体の放熱効率は必ずしも大きくない。

【０００７】また、図９の方法では、半導体チップ５１
を構成する半導体基板２００の裏面２０２は凹凸である
が、半導体基板２００の裏面２０２から直接、周囲に放
熱するために放熱効率はよくない。この発明の目的は、
前記の課題を解決して、裏面の放熱効率を高めた半導体
装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、第１主面の表面層に活性領域を形成した半導体基
板の第２主面である裏面に溝を形成し、該裏面を凹凸に
し、該凹凸面に沿って、該凹凸した裏面に、前記半導体
基板より高い熱伝導率を有する材料の放熱薄膜を形成す
る。

【０００９】また、前記溝の露出表面を含む前記半導体
基板の裏面側の全面積が、該半導体基板の第１主面の表
面の全面積に比べて、２倍から５０倍あるとよい。ま
た、前記放熱薄膜の膜厚が、前記溝の開口部の対向する
側壁の最小距離の０．１倍から０．３倍であるとよい。
また、前記溝がトレンチ溝であり、該トレンチ溝のアス
ペクト比が１ないし５０であるとよい。

【００１０】また、前記溝の開口部の形状が、ストライ
プもしくは四角であるとよい。また、前記溝の開口部の
最小幅が１μｍないし１０μｍであるとよい。また、前
記放熱薄膜の材質が、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａ
ｇ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、グラファイト
もしくはアモルファスカーボンの少なくとも一つである
とよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の第１実施例の
半導体装置の要部断面図である。半導体基板１００の第
１主面１０１の表面層に活性領域２を形成し、第２主面
の裏面１０２にトレンチ溝３を形成し、裏面１０２を凹
凸（トレンチ溝が形成された箇所が凹、形成されない箇
所が凸）にする。この凹凸した裏面１０２に、半導体基
板１００より熱伝導率が大きい材質の放熱薄膜７（放熱
用のための薄膜のこと）を凹凸面に沿うように形成す
る。尚、半導体基板１００の活性領域２が形成されてい
ない箇所が半導体層１であり、また、活性領域２上に
は、図示しない電極や配線などが形成されている。

【００１２】トレンチ溝３の幅Ｗと深さＬの比、所謂、
アスペクト比（Ｌ／Ｗ）を１以上で、５０以下にする。
また、トレンチ溝３の幅Ｗとトレンチ溝３の間隔Ｄを、
それぞれ、１μｍ以上で１００μｍ以下にする。アスペ
クト比は大きい程、裏面１０２の表面積が大きくなり、
そのため放熱面積が大きくなる。従って、放熱効率は、
アスペクト比が大きい程好ましい。しかし、大き過ぎる
と製造が困難となるため、前記のように５０以下が好ま
しい。

【００１３】また、アスペクト比を一定にした場合は、
幅Ｗおよび間隔Ｄが小さくなると、深さＬも小さくなる
ために、表面積が小さくなる。そのため、幅Ｗと間隔Ｄ
は１μｍ以上が好ましい。また、深さＬが一定の場合、
幅Ｗと間隔Ｄが大きくなると、表面積が小さくなるため
に、幅Ｗと間隔Ｄは１００μｍ以下が好ましい。尚、ト
レンチ溝３の底面６近傍のコーナーは、多少の丸みがあ
っても、また、トレンチ溝３の側面５は多少斜めであっ
ても構わない。

【００１４】また、放熱薄膜７の膜厚Ｇは、トレンチ溝
３の幅Ｗの０．１倍から０．３倍とした。この膜厚Ｇは
薄くなると放熱効率が小さくなるために、０．１倍以上
が好ましい。また、この膜厚Ｇが厚過ぎると、製造ばら
つきでトレンチ溝３の開口部４が塞がれて、放熱効率が
小さくなるために、０．３倍以下が好ましい。また、前
記の放熱薄膜７は、シリコンの熱伝導率λ＝１．４９
（Ｗ・ｃｍ^-1・℃^-1）よりも熱伝導率の高い材料とす
る。具体的には、金属の場合、Ａｌ（λ＝２．３７（Ｗ
・ｃｍ^-1・℃^-1））、Ａｕ（λ＝３．１８（Ｗ・ｃｍ^-1
・℃^-1））、Ａｇ（λ＝４．２９（Ｗ・ｃｍ^-1・
℃^-1））、Ｗ（λ＝１．７３（Ｗ・ｃｍ^-1・℃^-1））、
Ｃｕ（λ＝４．０１（Ｗ・ｃｍ^-1・℃^-1））等である。
また、金属以外の物質では、グラファイト（λ＝１９．
６（Ｗ・ｃｍ^-1・℃^-1）（結晶面に平行））やアモルフ
ァスカーボン等である。これらの熱電導率λの値は２５
℃付近の値である。

【００１５】このように、半導体基板１００の裏面１０
２にトレンチ溝３を形成し、裏面１０２の表面積を増大
させ、さらに、このトレンチ溝３により凹凸となった半
導体基板１００の裏面１０２に、半導体基板１００より
熱伝導率の高い放熱薄膜７を被覆することで、放熱薄膜
７の放熱面積ばかりでなく半導体基板１００から放熱薄
膜７への放熱面積も大きくできて、半導体チップの活性
領域２で発生した熱を効率よく放熱できる。

【００１６】また、この凹凸面に冷却媒体（空冷式の場
合の空気や水冷式の場合の、水など）が当たることで、
一層、放熱効率を向上させることができる。また、この
発明の半導体装置を用いると、従来の外部取り付けの冷
却フィンが不要となるために、電子装置の小型化を図る
ことができる。図２は、図１のトレンチ溝の平面形状で
あり、同図（ａ）はストライプ、同図（ｂ）は四角を示
す図である。ストライプの幅Ｗは、トレンチ溝３の対向
する側壁の最小間隔のことである。

【００１７】図３から図７は、図１の半導体装置の製造
方法であり、工程順に示した要部製造工程断面図であ
る。まず、第１主面１０１の表面層にＩＣなどの活性領
域２を形成し、半導体基板１００の第２主面である裏面
１０２に、第１主面１０１の表面と同時に、熱酸化によ
るマスク酸化膜１１を形成した半導体基板１００を準備
する（図３）。

【００１８】つぎに、マスク酸化膜１１上にフォトレジ
スト１２を塗布し、プレベーク後、マスク露光でトレン
チ溝を形成する箇所を露光する。その後、現像、ポスト
ベークおよび紫外線硬化で、フォトレジスト１２をパタ
ーニングし、このフォトレジストをマスクにマスク酸化
膜１２をリアクティブイオンエッチング装置にＣＦ₄＋
Ｈ₂ガスを用いてドライエッチングする（図４）。

【００１９】つぎに、リアクティブイオンエッチング装
置を用い、ドライエッチングを行ってトレンチ溝３を形
成する。このとき用いるエッチングガスはＨＢｒ₄、Ｈ
Ｆ₃、Ｈｅ／Ｏ₂混合ガスである。その後、フォトレジ
スト１２を灰化し、その後に、硫酸／過酸化水素水溶液
を用いてフォトレジスト１２を除去する（図５）。つぎ
に、ＣＦ₄＋Ｈ₂ガスを用いてマスク酸化膜１１を除去
する（図６）。

【００２０】つぎに、蒸着、メッキ、スパッタもしくは
プラズマＣＶＤ等を用いて、トレンチ溝３が形成された
半導体基板１００の裏面１０２全面に放熱薄膜７を形成
する。放熱薄膜７の材質は、図１で説明した通りである
（図７）。

【００２１】

【発明の効果】この発明は、活性領域が形成されていな
い半導体基板の裏面に溝を形成し、その上に半導体基板
よりも熱伝導率の高い材料による放熱薄膜を、溝に沿っ
て形成することにより、裏面の放熱面積が増え、半導体
チップで発生する熱の放熱効率を高めることができる。

【００２２】また、半導体基板に放熱フィンに相当する
放熱薄膜を形成した本発明の半導体チップを電子装置に
用いることで、従来の別付けの放熱フィンが不要とな
り、部品点数が少なくなり、電子装置を小型化すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の半導体装置の要部断面
図

【図２】図１のトレンチ溝の平面形状であり、（ａ）は
ストライプ、（ｂ）は四角を示す図

【図３】図１の半導体装置の要部製造工程断面図

【図４】図３につづく、図１の半導体装置の要部製造工
程断面図

【図５】図４につづく、図１の半導体装置の要部製造工
程断面図

【図６】図５につづく、図１の半導体装置の要部製造工
程断面図

【図７】図６につづく、図１の半導体装置の要部製造工
程断面図

【図８】従来の半導体装置の要部断面図

【図９】別の従来の半導体装置の要部断面図

【符号の説明】

１半導体層２活性領域３トレンチ溝４開口部５側面６底部７放熱薄膜１１マスク酸化膜１２フォトレジスト１００半導体基板１０１第１主面１０２裏面Ｗトレンチ溝の幅Ｌトレンチ溝の深さＤトレンチ溝の間隔Ｇ放熱薄膜の膜厚

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１主面の表面層に活性領域を形成した半
導体基板の第２主面である裏面に溝を形成し、該裏面を
凹凸にし、該凹凸面に沿って、該凹凸した裏面に、前記
半導体基板より高い熱伝導率を有する材料の放熱薄膜を
形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記溝の露出表面を含む前記半導体基板の
裏面側の全面積が、該半導体基板の第１主面の表面の全
面積に比べて、２倍から５０倍あることを特徴とする請
求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】前記放熱薄膜の膜厚が、前記溝の開口部の
対向する側壁の最小距離の０．１倍から０．３倍である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】前記溝が、トレンチ溝であり、該トレンチ
溝のアスペクト比が１ないし５０であることを特徴とす
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】前記溝の開口部の形状が、ストライプもし
くは四角であることを特徴とする請求項１に記載の半導
体装置。
【請求項６】前記溝の開口部の最小幅が、１μｍないし
１００μｍであることを特徴とする請求項１、２、４お
よび５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】前記放熱薄膜の材質が、アルミニウム、
銀、タングステン、銅、グラファイトもしくはアモルフ
ァスカーボンの少なくとも一つであることを特徴とする
請求項１または３に記載の半導体装置。