JP2004152783A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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silicon
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玲司 小野
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Toshiba Development and Engineering Corp
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Toshiba Corp
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    • H01L2924/1305Bipolar Junction Transistor [BJT]
    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device that can obtain excellent characteristics while the size of a platform is compacted, and to provide a method of manufacturing the device. <P>SOLUTION: This semiconductor device is provided with electric circuits including semiconductor elements (3, 4, and 6) on silicon substrates (1 and 11). In the semiconductor device, cavities (V) are formed in the substrates (1 and 11), and embedded wiring layers (10) provided on the internal wall surfaces of the cavities (V) are connected to the electric circuits. The embedded wiring layers (10) can be formed by utilizing the surface migration of silicon. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、シリコン基板の上に半導体素子などが実際されてなる半導体装置及びその製造方法に関する。
【従来の技術】
シリコン基板の上に発光素子やトランジスタ、ダイオードなどの半導体素子などが実装された半導体装置は、いわゆる「半導体モジュール」として各種の用途に用いられている。
【0002】
例えば、光加入者系システムの本格的導入に伴い伝送装置のコストダウンが必要とされており、中でも光モジュールの低価格化と高速伝送が大きな課題となっている。これを解決する半導体装置の構造として、平坦なシリコン基板に光ファイバ、光デバイス、電子部品をハイブリッドに配置し、半導体と同様のパッケージング技術を適用した、「ハイブリッド実装型光モジュール」がある。このようなハイブリッド実装型光モジュールは、例えば、非特許文献1に開示されている。
【0003】
【非特許文献1】
信学技報 EMD2000−41,CPM2000−56, OPE2000−53, LQE2000−47 (2000−08)
pp.1−6
【0004】
図10は、本発明者が本発明に至る過程で検討したハイブリッド実装型光モジュールの要部を表す模式図である。すなわち、同図は、ハイブリッド実装型光モジュールのパッケージ内部に収容される要部を表し、(a)はその平面図、(b)は正面図、(c)は側面図である。
【0005】
本具体例は、光送信モジュールであり、半導体レーザなどの発光素子3は、チップ抵抗7を介して駆動用IC6に接続され、駆動される。発光素子3からの光出力は光ファイバ8に結合されて送出される。また、発光素子3の後方にはモニター用受光素子4が設けられ、発光素子3の光出力をモニタしてフィードバック制御を可能としている。
【0006】
これら光ファイバ8、発光素子3や受光素子4などの光デバイス、電子部品などを搭載する基板1は、「プラットフォーム」と呼ばれ、シリコン(Si)などにより形成される。
【0007】
シリコン・プラットフォーム1には、光ファイバ8を固定・保持するための溝2が形成されている。発光素子3は、溝2に固定・保持された光ファイバ8に対して光学的に結合されるようにプラットフォーム1の上に配置される。また、プラットフォーム1の上には、発光素子3の駆動用の高周波回路パターン9が設けられている。そして、この高周波回路パターン9にチップ抵抗7が接続され、発光素子駆動用IC6とワイヤで結線されている。また、発光素子駆動用IC6は、外部回路と接続するための高周波回路パターン5とも、ワイヤで結線されている。また、発光素子3の光パワーをモニターするための受光素子4は、バイアス電圧印加回路パターン10とワイアにより結線されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
高周波回路パターン5、9は、伝送する信号波形が劣化しないように伝送速度に対応したマイクロストリップラインを形成する必要がある。しかし、限られたプラットフォーム上に高周波回路を形成する場合、他の部品や回路を迂回させる必要が生ずる。その結果として、回路パターンの回路長が長くなったり、クランクなどの「折れ曲がり」が生じてしまう。
【0009】
回路長が長くなり、伝送周波数に対して整合が取れなくなると応答周波数の位相遅れによって伝送信号が劣化するという問題が生ずる。また、高周波回路に「折れ曲がり」があると、その部分で伝送信号が反射し、やはり伝送信号が劣化するという問題が生ずる。
【0010】
このような問題は、光送信モジュールに限らずシリコン基板の上に半導体素子や回路パターンなどを実装した各種の半導体装置において同様に生ずる。すなわち、半導体装置のサイズをコンパクトにしつつ、所定の部品をシリコン基板上に配置することは容易でなく、電気的または光学的な性能と、サイズとのトレードオフが生ずる場合が殆どであった。
【0011】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、プラットフォームのサイズをコンパクトにしつつ、優れた特性が得られる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の半導体装置は、シリコン基板の上に、半導体素子を含む電気回路が設けられた半導体装置であって、前記シリコン基板の内部に空洞が形成され、前記空洞の内壁面に設けられた埋め込み配線層が前記電気回路に接続されてなることを特徴とする。
【0013】
上記構成によれば、埋め込み配線層を設けることにより、シリコン基板のサイズをコンパクトにしつつ、優れた特性が得られる。また、シリコン基板の表面にマイクロストリップラインなどを設ける場合、その下に空洞を設けることにより、その部分の誘電率を上げることができるため、マイクロストリップラインを微細化することができ、半導体装置のサイズをさらにコンパクトにすることも可能となる。
【0014】
また、本発明の第2の半導体装置は、シリコン基板の上に、半導体素子を含む電気回路が設けられた半導体装置であって、前記シリコン基板に溝を形成してその溝の底に配線層を形成した後に加熱して前記溝の周囲のシリコンを流動させることにより前記シリコン基板の内部に形成された埋め込み配線層を備えたことを特徴とする。
【0015】
上記構成によれば、シリコンの「表面マイグレーション」を利用することにより、シリコン基板の内部に配線層が埋め込まれた構造が得られれる。このような埋め込み配線層を設けることにより、シリコン基板のサイズをコンパクトにしつつ、優れた特性が得られる。
【0016】
また、本発明の第3の半導体装置は、シリコン基板と、前記シリコン基板の上に実装された半導体素子と、前記シリコン基板の上に形成された表面配線層と、前記シリコン基板の内部に形成された空洞と、前記空洞の内壁面に設けられた埋め込み配線層と、を備えたことを特徴とする。
【0017】
上記構成によっても、埋め込み配線層を設けることにより、シリコン基板のサイズをコンパクトにしつつ、優れた特性が得られる。また、シリコン基板の表面にマイクロストリップラインなどを設ける場合、その下に空洞を設けることにより、その部分の誘電率を上げることができるため、マイクロストリップラインを微細化することができ、半導体装置のサイズをさらにコンパクトにすることも可能となる。
【0018】
また、本発明の第4の半導体装置は、シリコン基板と、前記シリコン基板の上に実装された半導体発光素子と、前記シリコン基板の上に形成された表面配線層と、前記シリコン基板の上に設けられた光ファイバと、前記シリコン基板の内部に形成された空洞と、前記空洞の内壁面に設けられた埋め込み配線層と、を備えたことを特徴とする。
【0019】
上記構成によっても、埋め込み配線層を設けることにより、シリコン基板のサイズをコンパクトにしつつ、優れた特性が得られる。また、シリコン基板の表面にマイクロストリップラインなどを設ける場合、その下に空洞を設けることにより、その部分の誘電率を上げることができるため、マイクロストリップラインを微細化することができ、半導体装置のサイズをさらにコンパクトにすることも可能となる。
【0020】
上記第3及び第4の半導体装置において、前記空洞の少なくとも一部は、前記表面配線層の少なくとも一部の下に形成されてなるものとすると、表面配線層としてマイクロストリップラインなどを設ける場合、その下に空洞を設けることにより、その部分の誘電率を上げることができるため、マイクロストリップラインを微細化することができ、半導体装置のサイズをさらにコンパクトにすることも可能となる。
【0021】
また、上記いずれの半導体装置においても、前記埋め込み配線層の一部が、前記シリコン基板に形成された開口の底に露出してなるものとすれば、接続を確実且つ容易に確保できる。
【0022】
一方、本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の上に、半導体素子を含む電気回路が設けられた半導体装置の製造方法であって、シリコン基板に溝を形成する工程と、前記溝の底に配線層を形成する工程と、前記シリコン基板を加熱してシリコンを流動させることにより前記溝を塞いで前記配線層を前記シリコン基板の内部に埋め込む工程と、を備えたことを特徴とする。
【0023】
上記構成によれば、シリコン基板の中に埋め込配線層を形成することができる。
【0024】
また。前記埋め込む工程において、前記シリコンの流動によって前記溝の開口が塞がり、前記溝の下方は前記配線層を含む空洞として前記シリコン基板の内部に残留するものすることもできる。
【0025】
また、前記埋め込む工程において、前記配線層の上面が前記流動したシリコンに接触した状態とすることもできる。
【0026】
また、前記埋め込む工程の後に、前記空洞の上の前記シリコン基板の上に少なくとも一部が重なるように配線層を形成する工程をさらに備えたものとすることもできる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【0028】
図1は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の要部を表す模式図である。すなわち、同図は、半導体装置のパッケージ内部に収容される部分を表し、(a)はその平面図、(b)はその中心付近の断面図である。
【0029】
本具体例は、図10に表した光送信モジュールに本発明を適用して得られた半導体装置である。そして、本発明においては、プラットフォーム1の内部に空洞Vが形成され、その底に回路パターン10が設けられている。このように、回路パターンをプラットフォーム1の内部に形成することにより、プラットフォーム1の上における部品点数を減らすことができる。その結果として、プラットフォーム1のサイズをコンパクトにしつつ、部品配置あるいはそれらの形状を最適なものとすることが容易となる。
【0030】
図1の具体例の場合、回路パターン10をプラットフォーム1の中に埋め込むことにより、プラットフォーム1の表面の余裕ができるので、高周波回路パターン5及び9の回路長を最適な範囲とし、パターンの「折れ曲がり」なども防いで高周波特性を向上させることができる。
【0031】
またさらに、プラットフォーム1の内部に空洞Vを形成することにより、その上に設けるマイクロストリップラインを設計する際の基板の誘電率が大きくなり、マイクロストリップラインのサイズを微細化することも可能となる。
【0032】
本具体例の半導体装置の構造について説明すると以下の如くである。
【0033】
まず、半導体レーザなどの発光素子3は、チップ抵抗7を介して駆動用IC6に接続され、駆動される。発光素子3からの光出力は光ファイバ8に結合されて送出される。また、発光素子3の後方にはモニター用受光素子4が設けられ、発光素子3の光出力をモニタしてフィードバック制御を可能としている。
【0034】
シリコン基板を加工して形成されたプラットフォーム1には、光ファイバ8を固定・保持するための溝2が形成されている。発光素子3は、溝2に固定・保持された光ファイバ8に対して光学的に結合されるようにプラットフォーム1の上に配置される。また、プラットフォーム1の上には、発光素子3の駆動用の高周波回路パターン9が設けられている。そして、この高周波回路パターン9にチップ抵抗7が接続され、発光素子駆動用IC6とワイヤで結線されている。また、発光素子駆動用IC6は、外部回路と接続するための高周波回路パターン5とも、ワイヤで結線されている。
【0035】
一方、バイアス電圧印加用の回路パターン10は、プラットフォーム1の内部に埋め込まれ、その両端に設けられた開口H1、H2において露出している。回路パターン10の一端は、開口H1において受光素子4とワイアで接続されている。一方、回路パターン10の他端は、開口H2において露出し、図示しない外部回路と接続可能とされている。
【0036】
このように、回路パターン10をプラットフォーム1の内部に埋め込むことにより、プラットフォーム1の表面における他の部品の配置を適切にすることができる。つまり、高速変調が必要とされる発光素子3の駆動回路の回路パターン5及び9を形成する場合に、他の部品を迂回させる必要がなく、最適な回路長で、「折れ曲がり」を減らして形成することができる。その結果として、発光素子3の駆動回路において、高周波が劣化するという問題を回避でき、コンパクトで高速変調特性に優れた半導体装置を提供できる。
【0037】
次に、このようにプラットフォームの内部に回路パターンを埋め込む製造方法について説明する。このような埋め込み構造は、シリコンの「表面マイグレーション」を利用することにより形成できる。
【0038】
図2及び図3は、図1の半導体装置の要部製造工程を表した工程図である。すなわち、これらの図において(b)、(d)、(f)は、それぞれ工程中のプラットフォーム1の平面図であり、(a)、(c)、(e)は、それぞれ(d)、(d)、(f)における中心付近の断面図である。
【0039】
まず、図2(a)及び(b)に表したように、表面に段差を設けた絶縁性シリコン(Si)基板11の上に、窒化シリコン(SiNx)膜12を200nm程度の厚みに形成する。そして、回路パターン10を形成するための回路用溝13をドライエッチングなどの方法により形成する。
【0040】
次に、図2(c)及び(d)に表したように、回路用溝13の底に、真空蒸着法などにより回路用金属層14を形成する。
【0041】
次に、図2(e)及び(f)に表したように、回路用金属層14をシリコン基板11の中に埋め込む。ここで、「表面マイグレーション」を利用する。すなわち、シリコン基板11を水素雰囲気中におき、約1100℃の熱処理を施す。すると、この熱処理によりシリコン基板11の表面でシリコン原子の表面拡散が生じ、この表面拡散は表面エネルギーを極小にする方向への変形を引き起こす。従って、シリコンの表面拡散は、最も曲率半径の短い箇所で顕著となる。溝13が形成されている場合は、溝13の底部の角や、溝13の上部開口の角における曲率半径が最も短い。シリコンの表面拡散は、これらの部分の曲率半径が大きくなるように生ずる。溝13がある程度の深さを有する場合、溝低部と上部開口付近での表面拡散が独立して起きる。またさらに、溝13の底には金属層14が形成されているために、シリコン原子の表面マイグレーションが抑制される。
【0042】
その結果として、溝13の上部開口における表面マイグレーションが顕著となり、溝13の開口が塞がれて、孤立した空洞Vが形成される。このようなシリコンの「表面マイグレーション」を開示した文献としては、例えば、非特許文献2を挙げることができる。
【0043】
【非特許文献2】
応用物理 第69巻 第10号(2000)pp.1187−1191
【0044】
図4は、シリコンの表面マイグレーションにより孤立した空洞が形成される様子を表した模式図である。すなわち、シリコンSの表面にトレンチTを形成し、これを加熱すると、シリコンの表面マイグレーションによりトレンチTの中程が徐々に狭まる。そして、トレンチの底部が孤立した空洞Vとして残留し、トレンチの開口付近は、周囲からのシリコンの流入により最終的に平坦化される。
【0045】
このようなシリコンの表面マイグレーションによる変形は、トレンチTの底部に金属層などの異種物質の被覆がなくても生ずる。ただし、孤立した空洞Vが形成されるためには、トレンチTのアスペクト比がある程度大きいことが望ましい。つまり、トレンチTの開口幅に対する深さがある程度大きいと、孤立した空洞Vが形成されやすくなる。
【0046】
これに対して、本発明によれば、溝13の底に金属層14を設けることにより、溝13の底部におけるシリコンの表面マイグレーションを抑制することができる。その結果として、溝13の上方におけるシリコンのマイグレーションを優先させ、溝13を埋め込む変形が顕著となる。つまり、本発明においては、溝13の底に金属層14を設けることにより、溝13のアスペクト比があまり大きくない場合でも、シリコンのマイグレーションにより溝13を埋め込むことが容易となる。つまり、溝13の幅に対して深さがあまり大きくないような場合でも、シリコンのマイグレーションにより溝13を埋め込むことができる。
【0047】
本発明者の検討の結果、真空中または圧力が約1000パスカル程度の水素雰囲気中で、1100℃で数分乃至数10分度程度の熱処理を施すことにより、金属層14をシリコン基板11中に埋め込むことができた。
【0048】
また、金属層14の材料としては、このような熱処理に耐えるものであることが望ましく、例えば、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)などの耐熱性の高い金属を用いることができる。また、シリコンと反応してシリサイドを形成するものを用いてもよい。
【0049】
さて、図3に戻って説明を続けると、この後、同図(a)及び(b)に表したように、シリコン基板11の表面に、回路パターン5、9及びその他の回路パターンを形成する。さらに、基板中に埋め込まれた回路パターン10の結線領域に開口H1、H2を設け、回路パターン10の両端を露出させる。
【0050】
次に、図3(c)及び(d)に表したように、シリコン基板11の上段部の窒化シリコン膜12をパターニング除去し、シリコン結晶に対してエッチング速度が面方位依存性を有するエッチング液でシリコン基板11をエッチングすることにより光ファイバ固定用の溝2を形成する。
【0051】
そして、図3(e)及び(f)に表したように、光ファイバ8、発光素子3、モニター用受光素子4、発光素子駆動用IC6、チップ抵抗7をそれぞれ所定の位置に設置し、必要な箇所をワイヤ等で結線する。以上の工程により、半導体装置の要部が完成する。
【0052】
このように、本発明においては、シリコンの表面マイグレーションを利用して、回路パターンをプラットフォームの内部に埋め込むことができる。その結果として、プラットフォームの表面における部品の配置を簡略にし、半導体装置のサイズをコンパクトにすることができる。またさらに、高周波用の回路パターンの配線長を最適な範囲とし、クランクなどの「折れ曲がり」を防いで高周波特性を向上させることができる。
【0053】
図5は、本発明の他の実施例としての半導体装置を表す模式図である。すなわち、同図は、半導体装置のパッケージ内部に収容される部分を表し、(a)はその平面図、(b)はその中心付近の断面図である。同図については、図1乃至図5に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0054】
本実施例においては、回路パターン10を回路パターン9の下方にまで延在させて形成している。このようにすると、回路パターン9の下に空洞Vが設けられるため、回路パターン9としてのマクロストリップラインを微細にすることができる。つまり、マイクロストリップラインの下に空洞Vを設けることにより、その部分の誘電率を上げることができるため、マイクロストリップラインを微細化することができる。
【0055】
また、本発明においては、溝13を浅く形成した場合には、空洞Vが殆ど形成されないこともあり得る。
【0056】
図6は、溝13を浅く形成した場合に得られる構造を例示した模式断面図である。このように、溝13の幅に対して深さが小さいような場合には、底部の金属層14を覆うようにシリコンのマイグレーションが生じ、空洞が殆ど形成されずに金属層14がシリコン中に埋め込まれる場合もあり得る。このようにしても、プラットフォームの表面に設ける部品点数を減らし、コンパクト化や回路パターンの最適化を図ることが同様に可能である。
【0057】
図7は、本発明のもう一つの実施例としての半導体装置の模式図である。すなわち、同図は、半導体装置のパッケージ内部に収容される部分を表し、(a)はその平面図、(b)はその中心付近の断面図である。同図については、図1乃至図5に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【0058】
本実施例においても、回路パターン10は、プラットフォーム1の内部に形成された空洞Vの底部に形成されている。そして、その上に設けられた駆動用IC6には、回路パターン5及び9がワイアを介さずに接続されている。このようすれば、ボンディング・ワイアの寄生インダクタンスなどによる高周波特性の劣化を防ぐことができる
図8及び図9は、本実施例の半導体装置の要部製造工程を表す工程図である。すなわち、これらの図において(b)、(d)、(f)、(h)は、それぞれ工程中のプラットフォーム1の平面図であり、(a)、(c)、(e)、(g)は、それぞれ(d)、(d)、(f)、(h)における中心付近の断面図である。
【0059】
図7及び図8についても、図2及び図3に関して前述したものと同様の工程については、その説明を省略する。
【0060】
本具体例の場合、図8(g)及び(h)に表した工程において、シリコンの表面マイグレーションにより金属層14を基板11の中に埋め込んだ後に、例えば、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy)により、シリコン基板11の上にGaAs系の材料15を順次エピタキシャル成長させて駆動用IC6を形成する。このように、シリコン基板11の上に駆動用ICを直接形成してもよい。
【0061】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。
【0062】
例えば、本発明の半導体装置は、光半導体素子を用いたものには限定されず、HBT(heterojunction bipolar transistor)やHEMT(high electron mobility transistor)あるいはIGBT(insulated gate bipolar transistor)などの各種のトランジスタやダイオードなどの半導体素子を用いた半導体装置についても同様に適用して同様の作用効果を得ることができる。
【0063】
すなわち、シリコン基板の上に半導体素子を実装した半導体装置であって、シリコン基板の中に本発明の特徴を有する配線を有するのもであれば、当業者が適宜設計変更したものも範囲において本発明の範囲に包含される。
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、シリコンの表面マイグレーションを利用して、回路パターンをプラットフォームの内部に埋め込むことができる。その結果として、プラットフォームの表面における部品の配置を簡略にし、半導体装置のサイズをコンパクトにすることができる。またさらに、高周波用の回路パターンなどを形成する場合には、その配線長を最適な範囲とし、クランクなどの「折れ曲がり」を防いで高周波特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかる半導体装置の要部を表す模式図である。
【図2】図1の半導体装置の要部製造工程を表した工程図である。
【図3】図1の半導体装置の要部製造工程を表した工程図である。
【図4】シリコンの表面マイグレーションにより孤立した空洞が形成される様子を表した模式図である。
【図5】本発明の他の実施例としての半導体装置を表す模式図である。
【図6】溝13を浅く形成した場合に得られる構造を例示した模式断面図である。
【図7】本発明のもう一つの実施例としての半導体装置の模式図である。
【図8】図7の半導体装置の要部製造工程を表す工程図である。
【図9】図7の半導体装置の要部製造工程を表す工程図である。
【図10】本発明者が本発明に至る過程で検討したハイブリッド実装型光モジュールの要部を表す模式図である。
【符号の説明】
1 シリコン・プラットフォーム
3 発光素子
4 モニター用受光素子
5 高周波回路パターン
7 チップ抵抗
8 光ファイバ
9 高周波回路パターン
10 バイアス電圧印加回路パターン
11 シリコン基板
12 窒化シリコン膜
13 回路用溝
14 金属層
H1、H2 開口
S シリコン
T トレンチ
V 空洞
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device in which a semiconductor element is actually formed on a silicon substrate and a method of manufacturing the same.
[Prior art]
2. Description of the Related Art A semiconductor device in which a semiconductor element such as a light emitting element, a transistor, and a diode is mounted on a silicon substrate is used for various purposes as a so-called “semiconductor module”.
[0002]
For example, with the full-fledged introduction of optical subscriber systems, cost reduction of transmission equipment is required. Above all, cost reduction and high-speed transmission of optical modules have become major issues. As a structure of a semiconductor device that solves this problem, there is a “hybrid mounting type optical module” in which optical fibers, optical devices, and electronic components are hybridly arranged on a flat silicon substrate, and a packaging technology similar to that of a semiconductor is applied. Such a hybrid mounting type optical module is disclosed, for example, in Non-Patent Document 1.
[0003]
[Non-patent document 1]
IEICE Technical Report EMD2000-41, CPM2000-56, OPE2000-53, LQE2000-47 (2000-08)
pp. 1-6
[0004]
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a main part of a hybrid mounting type optical module studied by the inventor in the course of reaching the present invention. That is, FIG. 2A shows a main part housed inside the package of the hybrid mounting type optical module, where FIG. 2A is a plan view, FIG. 2B is a front view, and FIG. 1C is a side view.
[0005]
This specific example is an optical transmission module, and a light emitting element 3 such as a semiconductor laser is connected to a driving IC 6 via a chip resistor 7 and driven. The light output from the light emitting element 3 is coupled to the optical fiber 8 and sent out. In addition, a monitoring light receiving element 4 is provided behind the light emitting element 3 to monitor the light output of the light emitting element 3 to enable feedback control.
[0006]
The substrate 1 on which these optical fibers 8, optical devices such as the light emitting element 3 and the light receiving element 4 and electronic components are mounted is called a "platform" and is formed of silicon (Si) or the like.
[0007]
A groove 2 for fixing and holding an optical fiber 8 is formed in the silicon platform 1. The light emitting element 3 is arranged on the platform 1 so as to be optically coupled to an optical fiber 8 fixed and held in the groove 2. A high-frequency circuit pattern 9 for driving the light emitting element 3 is provided on the platform 1. The chip resistor 7 is connected to the high-frequency circuit pattern 9 and is connected to the light emitting element driving IC 6 by a wire. The light emitting element driving IC 6 is also connected to the high frequency circuit pattern 5 for connection to an external circuit by a wire. The light receiving element 4 for monitoring the optical power of the light emitting element 3 is connected to the bias voltage applying circuit pattern 10 by wires.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
For the high-frequency circuit patterns 5 and 9, it is necessary to form a microstrip line corresponding to the transmission speed so that the transmitted signal waveform does not deteriorate. However, when forming a high-frequency circuit on a limited platform, it is necessary to bypass other components and circuits. As a result, the circuit length of the circuit pattern becomes longer, or "bending" such as a crank occurs.
[0009]
If the circuit length becomes long and the transmission frequency cannot be matched, there arises a problem that the transmission signal deteriorates due to the phase delay of the response frequency. Also, if the high-frequency circuit has a "bend", the transmission signal is reflected at that portion, and the transmission signal also deteriorates.
[0010]
Such a problem similarly occurs not only in the optical transmission module but also in various semiconductor devices in which a semiconductor element, a circuit pattern, and the like are mounted on a silicon substrate. That is, it is not easy to arrange predetermined components on a silicon substrate while reducing the size of the semiconductor device, and in many cases, a trade-off between electrical or optical performance and size occurs.
[0011]
The present invention has been made based on the recognition of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of obtaining excellent characteristics while reducing the size of a platform and a method of manufacturing the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which an electric circuit including a semiconductor element is provided on a silicon substrate, wherein a cavity is formed inside the silicon substrate, A buried wiring layer provided on an inner wall surface of the cavity is connected to the electric circuit.
[0013]
According to the above configuration, by providing the embedded wiring layer, excellent characteristics can be obtained while reducing the size of the silicon substrate. In the case where a microstrip line or the like is provided on the surface of a silicon substrate, providing a cavity therebelow can increase the dielectric constant of that portion, so that the microstrip line can be miniaturized and a semiconductor device can be manufactured. The size can be further reduced.
[0014]
Further, a second semiconductor device of the present invention is a semiconductor device in which an electric circuit including a semiconductor element is provided on a silicon substrate, wherein a groove is formed in the silicon substrate, and a wiring layer is formed at the bottom of the groove. And forming a buried wiring layer formed inside the silicon substrate by heating and flowing silicon around the groove.
[0015]
According to the above configuration, a structure in which a wiring layer is embedded inside a silicon substrate can be obtained by utilizing “surface migration” of silicon. By providing such a buried wiring layer, excellent characteristics can be obtained while reducing the size of the silicon substrate.
[0016]
Further, a third semiconductor device of the present invention includes a silicon substrate, a semiconductor element mounted on the silicon substrate, a surface wiring layer formed on the silicon substrate, and a semiconductor device formed inside the silicon substrate. And a buried wiring layer provided on the inner wall surface of the cavity.
[0017]
Even with the above configuration, by providing the embedded wiring layer, excellent characteristics can be obtained while reducing the size of the silicon substrate. In the case where a microstrip line or the like is provided on the surface of a silicon substrate, providing a cavity therebelow can increase the dielectric constant of that portion, so that the microstrip line can be miniaturized and a semiconductor device can be manufactured. The size can be further reduced.
[0018]
Further, a fourth semiconductor device of the present invention includes a silicon substrate, a semiconductor light emitting element mounted on the silicon substrate, a surface wiring layer formed on the silicon substrate, and An optical fiber provided, a cavity formed inside the silicon substrate, and a buried wiring layer provided on an inner wall surface of the cavity are provided.
[0019]
Even with the above configuration, by providing the embedded wiring layer, excellent characteristics can be obtained while reducing the size of the silicon substrate. In the case where a microstrip line or the like is provided on the surface of a silicon substrate, providing a cavity therebelow can increase the dielectric constant of that portion, so that the microstrip line can be miniaturized and a semiconductor device can be manufactured. The size can be further reduced.
[0020]
In the third and fourth semiconductor devices, when at least a part of the cavity is formed below at least a part of the surface wiring layer, when a microstrip line or the like is provided as the surface wiring layer, By providing a cavity thereunder, the dielectric constant of that portion can be increased, so that the microstrip line can be miniaturized, and the size of the semiconductor device can be further reduced.
[0021]
In any of the above semiconductor devices, if a part of the buried wiring layer is exposed at the bottom of the opening formed in the silicon substrate, the connection can be reliably and easily secured.
[0022]
On the other hand, a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which an electric circuit including a semiconductor element is provided on a silicon substrate, wherein a step of forming a groove in the silicon substrate, Forming a wiring layer on the bottom; and heating the silicon substrate to flow silicon to cover the groove and bury the wiring layer inside the silicon substrate. .
[0023]
According to the above configuration, the embedded wiring layer can be formed in the silicon substrate.
[0024]
Also. In the embedding step, the flow of the silicon may close the opening of the groove, and the lower part of the groove may remain inside the silicon substrate as a cavity including the wiring layer.
[0025]
In the embedding step, the upper surface of the wiring layer may be in a state of contacting the flowing silicon.
[0026]
The method may further include, after the embedding step, a step of forming a wiring layer such that at least a part of the wiring layer overlaps the silicon substrate above the cavity.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a main part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. That is, FIG. 1A shows a portion housed inside the package of the semiconductor device, FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a cross-sectional view near the center thereof.
[0029]
This specific example is a semiconductor device obtained by applying the present invention to the optical transmission module shown in FIG. In the present invention, the cavity V is formed inside the platform 1, and the circuit pattern 10 is provided at the bottom. By forming the circuit pattern inside the platform 1 in this manner, the number of components on the platform 1 can be reduced. As a result, it is easy to optimize the arrangement of parts or their shapes while reducing the size of the platform 1.
[0030]
In the case of the specific example of FIG. 1, since the surface of the platform 1 can have a margin by embedding the circuit pattern 10 in the platform 1, the circuit length of the high-frequency circuit patterns 5 and 9 is set to an optimal range, and the pattern is “bent”. And the like can be prevented, and the high-frequency characteristics can be improved.
[0031]
Furthermore, by forming the cavity V inside the platform 1, the dielectric constant of the substrate when designing a microstrip line provided thereon increases, and the size of the microstrip line can be reduced. .
[0032]
The structure of the semiconductor device of this example is described as follows.
[0033]
First, the light emitting element 3 such as a semiconductor laser is connected to the driving IC 6 via the chip resistor 7 and driven. The light output from the light emitting element 3 is coupled to the optical fiber 8 and sent out. In addition, a monitoring light receiving element 4 is provided behind the light emitting element 3 to monitor the light output of the light emitting element 3 to enable feedback control.
[0034]
On a platform 1 formed by processing a silicon substrate, a groove 2 for fixing and holding an optical fiber 8 is formed. The light emitting element 3 is arranged on the platform 1 so as to be optically coupled to an optical fiber 8 fixed and held in the groove 2. A high-frequency circuit pattern 9 for driving the light emitting element 3 is provided on the platform 1. The chip resistor 7 is connected to the high-frequency circuit pattern 9 and is connected to the light emitting element driving IC 6 by a wire. The light emitting element driving IC 6 is also connected to the high frequency circuit pattern 5 for connection to an external circuit by a wire.
[0035]
On the other hand, the circuit pattern 10 for applying a bias voltage is embedded in the platform 1 and is exposed at openings H1 and H2 provided at both ends thereof. One end of the circuit pattern 10 is connected to the light receiving element 4 by wire at the opening H1. On the other hand, the other end of the circuit pattern 10 is exposed at the opening H2 and can be connected to an external circuit (not shown).
[0036]
By embedding the circuit pattern 10 inside the platform 1 in this manner, the arrangement of other components on the surface of the platform 1 can be made appropriate. In other words, when forming the circuit patterns 5 and 9 of the drive circuit of the light emitting element 3 that requires high-speed modulation, it is not necessary to bypass other components, and it is formed with an optimum circuit length and with reduced “bending”. can do. As a result, in the driving circuit of the light emitting element 3, the problem of high frequency deterioration can be avoided, and a compact semiconductor device having excellent high-speed modulation characteristics can be provided.
[0037]
Next, a manufacturing method for embedding a circuit pattern inside the platform will be described. Such a buried structure can be formed by utilizing “surface migration” of silicon.
[0038]
2 and 3 are process diagrams showing a main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. That is, in these figures, (b), (d), and (f) are plan views of the platform 1 during the process, respectively, and (a), (c), and (e) are (d), (e), respectively. It is sectional drawing of the center vicinity in d) and (f).
[0039]
First, as shown in FIGS. 2A and 2B, a silicon nitride (SiNx) film 12 is formed to a thickness of about 200 nm on an insulating silicon (Si) substrate 11 having a step on the surface. . Then, a circuit groove 13 for forming the circuit pattern 10 is formed by a method such as dry etching.
[0040]
Next, as shown in FIGS. 2C and 2D, a circuit metal layer 14 is formed on the bottom of the circuit groove 13 by a vacuum deposition method or the like.
[0041]
Next, as shown in FIGS. 2E and 2F, the circuit metal layer 14 is embedded in the silicon substrate 11. Here, “surface migration” is used. That is, the silicon substrate 11 is placed in a hydrogen atmosphere and subjected to a heat treatment at about 1100 ° C. Then, the heat treatment causes surface diffusion of silicon atoms on the surface of the silicon substrate 11, and the surface diffusion causes deformation in a direction to minimize the surface energy. Therefore, the surface diffusion of silicon becomes remarkable at the portion where the radius of curvature is shortest. When the groove 13 is formed, the radius of curvature at the corner of the bottom of the groove 13 and the corner of the upper opening of the groove 13 is the shortest. The surface diffusion of silicon occurs such that the radius of curvature of these portions increases. When the groove 13 has a certain depth, surface diffusion near the groove lower portion and the upper opening occurs independently. Furthermore, since the metal layer 14 is formed at the bottom of the groove 13, surface migration of silicon atoms is suppressed.
[0042]
As a result, the surface migration in the upper opening of the groove 13 becomes remarkable, and the opening of the groove 13 is closed to form an isolated cavity V. As a document disclosing such “surface migration” of silicon, for example, Non-Patent Document 2 can be cited.
[0043]
[Non-patent document 2]
Applied Physics Vol. 69, No. 10, (2000) pp. 1187-1191
[0044]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state in which an isolated cavity is formed by surface migration of silicon. That is, when the trench T is formed on the surface of the silicon S and heated, the middle of the trench T gradually narrows due to the surface migration of the silicon. Then, the bottom of the trench remains as an isolated cavity V, and the vicinity of the opening of the trench is finally flattened by the inflow of silicon from the periphery.
[0045]
Such deformation due to surface migration of silicon occurs even when the bottom of the trench T is not covered with a foreign material such as a metal layer. However, in order to form the isolated cavity V, it is desirable that the aspect ratio of the trench T is large to some extent. That is, when the depth of the trench T with respect to the opening width is large to some extent, an isolated cavity V is easily formed.
[0046]
On the other hand, according to the present invention, the surface migration of silicon at the bottom of the groove 13 can be suppressed by providing the metal layer 14 at the bottom of the groove 13. As a result, the deformation of embedding the groove 13 becomes remarkable by giving priority to the migration of silicon above the groove 13. That is, in the present invention, by providing the metal layer 14 at the bottom of the groove 13, even when the aspect ratio of the groove 13 is not so large, it becomes easy to bury the groove 13 by migration of silicon. That is, even when the depth is not so large with respect to the width of the groove 13, the groove 13 can be buried by migration of silicon.
[0047]
As a result of the study by the present inventor, the metal layer 14 was formed in the silicon substrate 11 by performing a heat treatment at 1100 ° C. for several minutes to several tens of minutes in a vacuum or a hydrogen atmosphere having a pressure of about 1000 Pascal. Could be embedded.
[0048]
Further, it is desirable that the material of the metal layer 14 be one that withstands such heat treatment. For example, molybdenum (Mo), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), or the like has high heat resistance. Metals can be used. Further, a material which reacts with silicon to form silicide may be used.
[0049]
Now, returning to FIG. 3 and continuing the description, the circuit patterns 5, 9 and other circuit patterns are formed on the surface of the silicon substrate 11 as shown in FIGS. . Further, openings H1 and H2 are provided in the connection region of the circuit pattern 10 embedded in the substrate, and both ends of the circuit pattern 10 are exposed.
[0050]
Next, as shown in FIGS. 3C and 3D, the silicon nitride film 12 in the upper portion of the silicon substrate 11 is removed by patterning, and an etching solution having an etching rate dependent on a plane orientation with respect to a silicon crystal. By etching the silicon substrate 11, the groove 2 for fixing the optical fiber is formed.
[0051]
Then, as shown in FIGS. 3 (e) and 3 (f), the optical fiber 8, the light emitting element 3, the monitor light receiving element 4, the light emitting element driving IC 6, and the chip resistor 7 are installed at predetermined positions, respectively. Is connected with a wire or the like. Through the above steps, the main part of the semiconductor device is completed.
[0052]
Thus, in the present invention, the circuit pattern can be embedded inside the platform by utilizing the surface migration of silicon. As a result, the arrangement of components on the surface of the platform can be simplified, and the size of the semiconductor device can be reduced. Further, the wiring length of the high-frequency circuit pattern can be set to an optimum range, and "bending" of a crank or the like can be prevented to improve high-frequency characteristics.
[0053]
FIG. 5 is a schematic view showing a semiconductor device as another embodiment of the present invention. That is, FIG. 1A shows a portion housed inside the package of the semiconductor device, FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a cross-sectional view near the center thereof. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0054]
In this embodiment, the circuit pattern 10 is formed to extend below the circuit pattern 9. By doing so, the cavity V is provided below the circuit pattern 9, so that the macrostrip line as the circuit pattern 9 can be made fine. That is, by providing the cavity V below the microstrip line, the dielectric constant of that portion can be increased, so that the microstrip line can be miniaturized.
[0055]
In the present invention, when the groove 13 is formed shallowly, the cavity V may hardly be formed.
[0056]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure obtained when the groove 13 is formed shallowly. As described above, when the depth is smaller than the width of the groove 13, migration of silicon occurs so as to cover the metal layer 14 at the bottom, and the metal layer 14 is hardly formed in the silicon without forming a cavity. It may be embedded. Also in this case, it is possible to reduce the number of components provided on the surface of the platform, to achieve compactness and to optimize the circuit pattern.
[0057]
FIG. 7 is a schematic diagram of a semiconductor device as another embodiment of the present invention. That is, FIG. 1A shows a portion housed inside the package of the semiconductor device, FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a cross-sectional view near the center thereof. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0058]
Also in this embodiment, the circuit pattern 10 is formed at the bottom of the cavity V formed inside the platform 1. Then, the circuit patterns 5 and 9 are connected to the driving IC 6 provided thereon without passing through wires. In this way, it is possible to prevent high-frequency characteristics from deteriorating due to the parasitic inductance of the bonding wires and the like. FIGS. 8 and 9 are process diagrams showing a main part manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment. That is, in these figures, (b), (d), (f), and (h) are plan views of the platform 1 during the process, respectively, and (a), (c), (e), and (g). FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views near the center in (d), (d), (f) and (h), respectively.
[0059]
7 and 8, the description of the same steps as those described above with reference to FIGS. 2 and 3 will be omitted.
[0060]
In the case of this specific example, in the process shown in FIGS. 8G and 8H, after the metal layer 14 is embedded in the substrate 11 by surface migration of silicon, for example, by molecular beam epitaxy. Then, a driving IC 6 is formed by sequentially epitaxially growing a GaAs-based material 15 on the silicon substrate 11. As described above, the driving IC may be directly formed on the silicon substrate 11.
[0061]
The embodiment of the invention has been described with reference to the examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.
[0062]
For example, the semiconductor device of the present invention is not limited to a device using an optical semiconductor element, but is a heterojunction bipolar transistor (HBT), a high electron mobility transistor (HEMT), or various types of transistors such as an IGBT (insulated gate transistor). A similar effect can be obtained by applying the same to a semiconductor device using a semiconductor element such as a diode.
[0063]
That is, a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on a silicon substrate, which has a wiring having the features of the present invention in the silicon substrate, and a semiconductor device whose design has been appropriately changed by those skilled in the art. Included in the scope of the invention.
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, a circuit pattern can be embedded inside a platform by utilizing surface migration of silicon. As a result, the arrangement of components on the surface of the platform can be simplified, and the size of the semiconductor device can be reduced. Further, when forming a high-frequency circuit pattern or the like, it is possible to improve the high-frequency characteristics by setting the wiring length to an optimum range and preventing "bending" of a crank or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a main part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process chart showing a main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 1;
FIG. 3 is a process chart showing a main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 1;
FIG. 4 is a schematic view showing a state where an isolated cavity is formed by surface migration of silicon.
FIG. 5 is a schematic view showing a semiconductor device as another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure obtained when a groove 13 is formed shallowly.
FIG. 7 is a schematic diagram of a semiconductor device as another embodiment of the present invention.
8 is a process chart showing a main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 7;
FIG. 9 is a process chart showing a main part manufacturing process of the semiconductor device of FIG. 7;
FIG. 10 is a schematic diagram showing a main part of a hybrid mounting type optical module studied by the inventor in the course of reaching the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon platform 3 Light emitting element 4 Light receiving element for monitoring 5 High frequency circuit pattern 7 Chip resistor 8 Optical fiber 9 High frequency circuit pattern 10 Bias voltage application circuit pattern 11 Silicon substrate 12 Silicon nitride film 13 Circuit groove 14 Metal layer H1, H2 opening S Silicon T Trench V Cavity

Claims (10)

シリコン基板の上に、半導体素子を含む電気回路が設けられた半導体装置であって、
前記シリコン基板の内部に空洞が形成され、前記空洞の内壁面に設けられた埋め込み配線層が前記電気回路に接続されてなることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which an electric circuit including a semiconductor element is provided on a silicon substrate,
A semiconductor device, wherein a cavity is formed inside the silicon substrate, and a buried wiring layer provided on an inner wall surface of the cavity is connected to the electric circuit.
シリコン基板の上に、半導体素子を含む電気回路が設けられた半導体装置であって、
前記シリコン基板に溝を形成してその溝の底に配線層を形成した後に加熱して前記溝の周囲のシリコンを流動させることにより前記シリコン基板の内部に形成された埋め込み配線層を備えたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device in which an electric circuit including a semiconductor element is provided on a silicon substrate,
A buried wiring layer formed inside the silicon substrate by forming a groove in the silicon substrate and forming a wiring layer at the bottom of the groove and then heating and flowing silicon around the groove; A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に実装された半導体素子と、
前記シリコン基板の上に形成された表面配線層と、
前記シリコン基板の内部に形成された空洞と、
前記空洞の内壁面に設けられた埋め込み配線層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A silicon substrate,
A semiconductor element mounted on the silicon substrate,
A surface wiring layer formed on the silicon substrate,
A cavity formed inside the silicon substrate,
A buried wiring layer provided on the inner wall surface of the cavity,
A semiconductor device comprising:
シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に実装された半導体発光素子と、
前記シリコン基板の上に形成された表面配線層と、
前記シリコン基板の上に設けられた光ファイバと、
前記シリコン基板の内部に形成された空洞と、
前記空洞の内壁面に設けられた埋め込み配線層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A silicon substrate,
A semiconductor light emitting device mounted on the silicon substrate,
A surface wiring layer formed on the silicon substrate,
An optical fiber provided on the silicon substrate,
A cavity formed inside the silicon substrate,
A buried wiring layer provided on the inner wall surface of the cavity,
A semiconductor device comprising:
前記空洞の少なくとも一部は、前記表面配線層の少なくとも一部の下に形成されてなることを特徴とする請求項3または4に記載の半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 3, wherein at least a part of the cavity is formed below at least a part of the surface wiring layer. 前記埋め込み配線層の一部が、前記シリコン基板に形成された開口の底に露出してなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein a part of the buried wiring layer is exposed at a bottom of an opening formed in the silicon substrate. シリコン基板の上に、半導体素子を含む電気回路が設けられた半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板に溝を形成する工程と、
前記溝の底に配線層を形成する工程と、
前記シリコン基板を加熱してシリコンを流動させることにより前記溝を塞いで前記配線層を前記シリコン基板の内部に埋め込む工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device in which an electric circuit including a semiconductor element is provided on a silicon substrate,
Forming a groove in the silicon substrate;
Forming a wiring layer at the bottom of the groove;
Heating the silicon substrate and flowing the silicon to cover the groove and bury the wiring layer inside the silicon substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記埋め込む工程において、前記シリコンの流動によって前記溝の開口が塞がり、前記溝の下方は前記配線層を含む空洞として前記シリコン基板の内部に残留することを特徴とする請求項7記載の方法。8. The method according to claim 7, wherein, in the embedding step, an opening of the groove is closed by the flow of the silicon, and a lower portion of the groove remains inside the silicon substrate as a cavity including the wiring layer. 前記埋め込む工程において、前記配線層の上面が前記流動したシリコンに接触した状態とされることを特徴とする請求項7記載の方法。The method according to claim 7, wherein in the embedding step, an upper surface of the wiring layer is brought into contact with the flowing silicon. 前記埋め込む工程の後に、前記空洞の上の前記シリコン基板の上に少なくとも一部が重なるように配線層を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising, after the embedding step, a step of forming a wiring layer so that at least a part of the wiring layer overlaps the silicon substrate above the cavity.
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