JP2012028693A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
半導体装置の一種として、非特許文献1に記載されているようなモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)が知られている。この文献に記載されたMMICは、SiC基板にGaN半導体層をエピタキシャル成長することによって形成されたウエハを用いて製造されている。このようにSiC基板を用いて製造されたMMICは、放熱特性、高周波特性、帯域特性に優れている。 As a kind of semiconductor device, a monolithic microwave integrated circuit (MMIC) as described in Non-Patent Document 1 is known. The MMIC described in this document is manufactured using a wafer formed by epitaxially growing a GaN semiconductor layer on a SiC substrate. Thus, the MMIC manufactured using the SiC substrate is excellent in heat dissipation characteristics, high frequency characteristics, and band characteristics.
上述したSiC基板は高価である。したがって、SiC基板を用いて製造されるMMICも高価なものとなり得る。 The SiC substrate described above is expensive. Therefore, the MMIC manufactured using the SiC substrate can be expensive.
そこで、本願発明者は、シリコン基板上に窒化物半導体を含む能動素子を搭載することよってMMICを構成することを検討している。また、シリコン基板はSiC基板に比べて熱伝導率が小さいので、本願発明者は、発熱量の多い窒化物半導体を含む能動素子をシリコン基板上に搭載するために、シリコン基板に放熱構造を設けることを検討している。この放熱構造は、シリコン基板にビアホールを設け、当該ビアホール内に金属層を設け、金属層上に能動素子を搭載するものである。 Therefore, the inventor of the present application is considering to configure an MMIC by mounting an active element including a nitride semiconductor on a silicon substrate. In addition, since the silicon substrate has a lower thermal conductivity than the SiC substrate, the inventor of the present application provides a heat dissipation structure on the silicon substrate in order to mount an active element including a nitride semiconductor with a large amount of heat generation on the silicon substrate. I am considering that. In this heat dissipation structure, a via hole is provided in a silicon substrate, a metal layer is provided in the via hole, and an active element is mounted on the metal layer.
本発明は、このような金属層上に窒化物半導体を含む能動素子を搭載することによって製造される半導体装置であって、低コストであり且つ能動素子の支持強度に優れた半導体装置を提供することを目的としている。また、本発明は、かかる半導体装置を製造する方法を提供することを目的としている。 The present invention provides a semiconductor device manufactured by mounting an active element including a nitride semiconductor on such a metal layer, which is low in cost and excellent in supporting strength of the active element. The purpose is that. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing such a semiconductor device.
本発明の一側面に係る半導体装置は、シリコン基板、金属層、及び、能動素子を備えている。シリコン基板は、搭載面、及び、主面を有している。主面と搭載面とは互いに対向している。シリコン基板には、主面から搭載面まで延びるビアホールが形成されている。金属層は、ビアホール内に設けられている。能動素子は、窒化物半導体を含んでいる。能動素子は、金属層に接する第1の部分と、第1の部分の両側の部分であって搭載面上に設けられた第2の部分とを有している。 A semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a silicon substrate, a metal layer, and an active element. The silicon substrate has a mounting surface and a main surface. The main surface and the mounting surface face each other. A via hole extending from the main surface to the mounting surface is formed in the silicon substrate. The metal layer is provided in the via hole. The active device includes a nitride semiconductor. The active element has a first portion in contact with the metal layer, and a second portion provided on the mounting surface on both sides of the first portion.
この半導体装置では、能動素子が金属層及びその両側の搭載面にわたって搭載されるように、ビアホールのサイズが設定されている。したがって、ビアホールのサイズは小さい。その結果、この半導体装置では、金属層の量を低減し得る。また、能動素子が、搭載面によって支持され、且つ、金属層に接している。したがって、この半導体装置は、SiC基板よりも安価ではあるが放熱性の劣るシリコン基板を用いていても、金属層による放熱機能を確保しつつ、能動素子の強い支持強度を得ることができる。 In this semiconductor device, the size of the via hole is set so that the active element is mounted over the metal layer and the mounting surfaces on both sides thereof. Therefore, the size of the via hole is small. As a result, in this semiconductor device, the amount of the metal layer can be reduced. The active element is supported by the mounting surface and is in contact with the metal layer. Therefore, this semiconductor device can obtain a strong support strength of the active element while ensuring a heat dissipation function by the metal layer even if a silicon substrate that is less expensive than the SiC substrate but is inferior in heat dissipation is used.
本発明の別の側面に係る半導体装置を製造する方法は、(a)窒化物半導体を含む能動素子を準備する工程と、(b)能動素子をシリコン基板の搭載面上に搭載する工程と、(c)搭載面と対向するシリコン基板の主面から搭載面まで、能動素子の一部分のみに達するビアホールを形成する工程と、(d)ビアホール内に金属層を形成する工程と、を含む。 A method of manufacturing a semiconductor device according to another aspect of the present invention includes: (a) preparing an active element including a nitride semiconductor; (b) mounting the active element on a mounting surface of a silicon substrate; (C) forming a via hole reaching only a part of the active element from the main surface of the silicon substrate facing the mounting surface to the mounting surface; and (d) forming a metal layer in the via hole.
本発明の更に別の側面に係る半導体装置を製造する方法は、(a)窒化物半導体を含む能動素子を準備する工程と、(b)シリコン基板に、当該シリコン基板の搭載面から当該搭載面に対向するシリコン基板の主面まで延びるビアホールを形成する工程と、(c)ビアホール内に金属層を形成する工程と、(d)能動素子の第1の部分が金属層に接し、第1の部分の両側の能動素子の第2の部分が搭載面上に設けられるよう能動素子を搭載する工程と、を含む。 A method for manufacturing a semiconductor device according to still another aspect of the present invention includes: (a) a step of preparing an active element including a nitride semiconductor; and (b) a mounting surface of the silicon substrate from the mounting surface of the silicon substrate. A step of forming a via hole extending to the main surface of the silicon substrate facing the substrate, (c) a step of forming a metal layer in the via hole, and (d) a first portion of the active element in contact with the metal layer, Mounting the active element such that the second part of the active element on both sides of the part is provided on the mounting surface.
これら製造方法によれば、上述した半導体装置を好適に製造することが可能である。例えば、金属層の量を低減でき、また、金属層の製造時間を短縮することができる。その結果、半導体装置を低コストに製造することができる。 According to these manufacturing methods, the above-described semiconductor device can be preferably manufactured. For example, the amount of the metal layer can be reduced, and the manufacturing time of the metal layer can be shortened. As a result, the semiconductor device can be manufactured at a low cost.
一実施形態においては、能動素子は、SiC基板又はGaN基板を有し得る。 In one embodiment, the active device may have a SiC substrate or a GaN substrate.
また、一実施形態においては、能動素子の全周縁が搭載面上に設けられ得る。この形態によれば、ビアホールのサイズ、即ち金属層の量をより低減することができる。 In one embodiment, the entire periphery of the active element can be provided on the mounting surface. According to this embodiment, the size of the via hole, that is, the amount of the metal layer can be further reduced.
また、一実施形態においては、能動素子をシリコン基板の搭載面上に搭載する工程の後に、シリコン基板の搭載面上に配置された伝送線路と能動素子とを接続する配線を形成してもよい。 In one embodiment, after the step of mounting the active element on the mounting surface of the silicon substrate, a wiring for connecting the transmission line and the active element arranged on the mounting surface of the silicon substrate may be formed. .
以上説明したように、本発明によれば、金属層上に窒化物半導体を含む能動素子を搭載することによって製造される半導体装置であって、低コストであり且つ能動素子の支持強度に優れた半導体装置が提供される。また、本発明によれば、その製造方法が提供される。 As described above, according to the present invention, a semiconductor device manufactured by mounting an active element including a nitride semiconductor on a metal layer is low in cost and excellent in supporting strength of the active element. A semiconductor device is provided. Moreover, according to this invention, the manufacturing method is provided.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、一実施形態に係る半導体装置の平面図である。一実施形態における半導体装置は、MMICで有り得る。図1に示すように、一実施形態では、半導体装置10は、シリコン基板12、及び、能動素子14を備えている。半導体装置10は、更に、受動素子16、端子電極18、線路20、及びワイヤ30を備え得る。
FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to an embodiment. The semiconductor device in one embodiment may be an MMIC. As shown in FIG. 1, in one embodiment, the
受動素子16としては、キャパシタ、及びインダクタといった素子を例示することができる。受動素子16は、半導体プロセスによってシリコン基板12に形成されたものであってもよく、或いは、個別に製造されシリコン基板12上に搭載された素子であってもよい。端子電極18は、外部への電気的接続を提供する部分である。線路20及びワイヤ30は、能動素子14、受動素子16、及び、端子電極18のうち対応する要素間を電気的に接続している。
Examples of the
図2は、一実施形態に係る半導体装置の断面図である。図1及び図2に示す能動素子14は、窒化物半導体を含む能動素子である。一実施形態においては、能動素子14は、HEMTデバイスであり得る。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment. The
図2に示すように、能動素子14は、半導体基板14a、第1の半導体層14b、第2の半導体層14c、ゲート電極14d、ソース電極14e、及びドレイン電極14fを備え得る。
As shown in FIG. 2, the
半導体基板14aとしては、例えば、SiC基板又はGaN基板を用いることができる。第1の半導体層14bは、半導体基板14a上にエピタキシャル成長された半導体層である。第1の半導体層14bとしては、i型のGaN半導体層を例示することができる。第2の半導体層14cは、第1の半導体層14b上エピタキシャル成長された半導体層である。第2の半導体層14cとしては、例えば、n型のAlGaN半導体層を例示することができる。ゲート電極14d、ソース電極14e、及びドレイン電極14fは、第2の半導体層14c上に設けられている。ゲート電極14dは、ソース電極14eとドレイン電極14fの間に設けられている。
As the semiconductor substrate 14a, for example, a SiC substrate or a GaN substrate can be used. The first semiconductor layer 14b is a semiconductor layer epitaxially grown on the semiconductor substrate 14a. An example of the first semiconductor layer 14b is an i-type GaN semiconductor layer. The
図2に示すように、シリコン基板12は、一方の主面12a及び他方の主面12bを有している。一方の主面12a上には、絶縁膜22が設けられ得る。絶縁膜22としては、SiO2又はSiN製の膜を例示することができる。
As shown in FIG. 2, the
また、シリコン基板12には、ビアホールVが形成されている。一実施形態においては、ビアホールVは、他方の主面12bから一方の主面12aまで延びるように設けられている。ビアホールV内には、金属層24が設けられている。金属層24としては、例えば、Au製の金属層を例示することができる。
A via hole V is formed in the
なお、金属層24は、多層の金属層であってもよい。多層の金属層である場合には、他方の主面12b及びビアホールVを画成する面に沿ってAu層が形成される。また、このAu層上に、例えば、モリブデン層及び銅層を含む複数の層が形成される。モリブデン層及び銅層は、交互に積層され得る。モリブデンは、SiCの熱膨張率に近い熱膨張率を有する金属であり、銅層は、熱伝導率の大きい金属である。したがって、半導体基板14aがSiC基板である場合に、当該半導体基板14aに接する部分に、半導体基板14aに適した熱膨張率と能動素子14からの放熱に適した熱伝導率を有する金属層24を提供することができる。
The
図2に示すように、シリコン基板12の一方の主面12aのうちビアホールVの周囲の部分には、絶縁膜22が形成されていない。一方の主面12aのこの部分上には、能動素子14が搭載されている。したがって、一方の主面12aは、能動素子14を搭載するための搭載面としての機能を有している。
As shown in FIG. 2, the insulating
能動素子14の被搭載面、即ち、一方の主面12aに対面している面は、第1の部分14g、及び、第2の部分14hを含んでいる。第1の部分14gは、金属層24に接する部分である。第2の部分14hは、第1の部分14gの両側に存在する部分であり、主面(搭載面)12a上に搭載される部分である。
The mounting surface of the
図3は、ビアホールと能動素子との関係を概略的に示す平面図である。図3の(a)に示すように、ビアホールVは、能動素子14の全周縁が一方の主面12a上に設けられるようなサイズを有し得る。
FIG. 3 is a plan view schematically showing the relationship between via holes and active elements. As shown in FIG. 3A, the via hole V may have a size such that the entire periphery of the
また、図3の(b)及び(c)に示すように、ビアホールVは、能動素子14のある方向における二つの縁部が一方の主面12a上にビアホールVを挟んで搭載されるようなサイズを有し得る。即ち、ビアホールVのある方向の幅が、当該方向における能動素子14の二つの縁部間の距離より小さくてもよい。
Further, as shown in FIGS. 3B and 3C, the via hole V is mounted such that two edges in a certain direction of the
以上説明した図3に示す何れの形態であっても、ビアホールVのサイズを小さくすることができ、その結果、金属層24の量を低減することができる。特に、図3の(a)に示す形態によれば、金属層24の量を最も低減することができる。
In any of the forms shown in FIG. 3 described above, the size of the via hole V can be reduced, and as a result, the amount of the
また、図3に示す何れの形態であっても、能動素子14の被搭載面の一部が金属層24に接し、且つ、能動素子14の被搭載面の少なくとも二つの縁部が一方の主面12a上に搭載されるので、金属層24による放熱機能を確保しつつ、能動素子14の高い支持強度を得ることができる。なお、能動素子14の被搭載面の一部がシリコン基板12の一方の主面12a上に位置すれば、能動素子14及びビアホールの大きさ及び形状は任意の大きさ及び形状であってもよい。
3, a part of the mounting surface of the
また、半導体装置10は、シリコン基板12を、能動素子14を搭載する基板として用いているので、低コストに作成可能である。また、半導体装置10は、発熱量の少ない受動素子16をシリコン基板12上に設けているが、発熱量の多い能動素子14の一部を金属層24上に設けているので、能動素子14によって発生する熱を良好に放熱することができる。さらに、半導体装置10は、能動素子14の一部としてSiC基板を用いることにより、良好な特性を得ることができる。
Further, since the
以下、一実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図4は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す図である。 A method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment will be described below. FIG. 4 is a diagram illustrating each step of the method of manufacturing a semiconductor device according to one embodiment.
一実施形態においては、図4の(a)に示すように、シリコン基板12の一方の主面12a上に、絶縁膜22、電極32、及び線路20といった要素を、一方の主面12a上に形成する。受動素子16は、電極32及び絶縁膜22から構成される。次いで、図4の(a)に示すように、能動素子14を搭載すべき位置に存在する絶縁膜22を除去する。この工程には、ウェットエッチング又はドライエッチングのように、絶縁膜22を除去し得る任意のプロセスを採用し得る。また、図4の(a)に示す工程とは別途、図1及び図2に示した能動素子14を準備しておく。
In one embodiment, as shown in FIG. 4A, elements such as the insulating
次いで、図4の(b)に示すように、能動素子14を、絶縁膜22を除去した一方の主面12a上に搭載する。なお、能動素子14の被搭載面にAu膜を設け、当該Au膜とシリコンとの共晶結合により、能動素子14を、シリコン基板12の一方の主面12aに固定してもよい。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次いで、図4の(c)に示すように、シリコン基板12の他方の主面12bから一方の主面12aまでビアホールVを形成する。この工程により、ビアホールVの上に能動素子14の一部が位置するようになる。なお、ビアホールVは、ドライエッチングやウェットエッチング等のシリコン基板にビアホールを形成するための任意のプロセスにより形成することができる。
Next, as shown in FIG. 4C, a via hole V is formed from the other
次いで、図4の(d)に示すように、ビアホールVを画成する面に沿って金属層24を形成する。この工程においては、他方の主面12bにも金属層24が形成され得る。なお、金属層24は、例えば、メッキ処理により形成し得る。
Next, as shown in FIG. 4D, the
次いで、図4の(e)に示すように、能動素子14の電極14d、14e、14fと対応の線路20を配線30によって接続する。配線30は、本実施形態では、ワイヤである。以上の工程により、一実施形態に係る半導体装置を製造することができる。この製造方法によれば、ビアホールVのサイズが小さいので、金属層の量を低減でき、製造時間を短縮できる。したがって、低コストに一実施形態の半導体装置を製造することができる。
Next, as shown in FIG. 4 (e), the
以下、別の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図5は、別の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す図である。別の実施形態においては、まず、図5の(a)に示すように、図4の(a)に示す工程と同様の工程が実施される。また、図5の(a)に示す工程とは、別途、図1及び図2に示した能動素子14を準備しておき、図4の(b)に示す工程と同様に、能動素子14を、絶縁膜22を除去した一方の主面12a上に搭載する。
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to another embodiment will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating each step of a method for manufacturing a semiconductor device according to another embodiment. In another embodiment, first, as shown in FIG. 5A, a step similar to the step shown in FIG. 4A is performed. In addition, the
次いで、図5の(b)に示すように、配線30のマスクとして機能する別の絶縁膜26を作成し、更に、配線30を形成する。なお、配線30は、金属のメッキ処理により形成することができる。次いで、図5の(c)に示すように、図4の(c)に示した工程と同様に、シリコン基板12の他方の主面12bから一方の主面12aまでビアホールVを形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, another insulating
次いで、図5の(d)に示すように、図4の(d)に示した工程と同様に、ビアホールVを画成する面に沿って金属層24を形成する。このように、図5に示す製造方法によれば、ワイヤを用いずに、金属膜のパターニングにより配線30を形成することが可能である。また、図5に示す製造方法によれば、ワイヤを接続するプロセスが不要となり、より容易に一実施形態に係る半導体装置を製造することができる。
Next, as shown in FIG. 5D, the
以下、更に別の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図6は、更に別の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。更に別の実施形態においては、図4及び図5に示す工程と異なり、図4の(a)並びに図5の(a)及び図5の(b)といった表面プロセスに先立って、ビアホールVの形成及び金属層24の形成が行われる。以下、詳細に説明する。
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to still another embodiment will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to still another embodiment. In still another embodiment, unlike the steps shown in FIGS. 4 and 5, the formation of the via hole V is performed prior to the surface process shown in FIGS. 4 (a) and 5 (a) and 5 (b). And formation of the
更に別の実施形態においては、図6の(a)に示すように、まず、シリコン基板12の一方の主面12a上に絶縁膜22を形成し、そして、シリコン基板12の他方の主面12bから一方の主面12aまでビアホールVを形成する。
In yet another embodiment, as shown in FIG. 6A, first, an insulating
次いで、図6の(b)に示すように、ビアホールVを画成する面に沿って金属層24を形成する。この場合も同様に、シリコン基板12の他方の主面12bにも金属層24が形成され得る。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次いで、図6の(c)に示すように、図4の(a)に示す工程と同様に、シリコン基板12の一方の主面12a上に、絶縁膜22、受動素子16、及び線路20といった要素を形成する。また、図6の(c)に示すように、能動素子14を搭載すべき位置に存在する絶縁膜22を除去する。
Next, as shown in FIG. 6C, as in the step shown in FIG. 4A, the insulating
次いで、図6の(d)に示すように、能動素子14を、絶縁膜22を除去した一方の主面12a上に搭載する。次いで、能動素子14の電極14d,14e,14fと対応の受動素子16又は端子電極18をワイヤといった配線30によって配線することにより、一実施形態に係る半導体装置を製造することができる。
Next, as shown in FIG. 6D, the
以上、本発明の種々の実施形態について説明した。しかしながら、本発明は上述した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。図7は、別の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。図7に示す半導体装置10Aでは、シリコン基板12の一方の主面12aに凹部Rが形成されている。この凹部Rを画成する底面RFが、能動素子14の搭載面として用いられている。半導体装置10Aでは、凹部Rの深さを能動素子14の厚みと実質的に同じ深さすることにより、能動素子の電極14d,14e,14fの水平レベルとシリコン基板12に形成した線路20の水平レベルを揃えることができる。その結果、能動素子14と線路20とを接続するワイヤの長さを短くすることができる。その結果、配線30の寄生成分(寄生インダクタンス)を低減して、半導体装置の特性を向上することができる。
The various embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to another embodiment. In the
10,10A…半導体装置、12…シリコン基板、12a…一方の主面、12b…他方の主面、14…能動素子、14g…第1の部分、14g…第2の部分、16…受動素子、18…端子電極、20…線路、22…絶縁膜、24…金属層、V…ビアホール。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記ビアホール内に設けられた金属層と、
窒化物半導体を含む能動素子であり、前記金属層に接する第1の部分と、前記第1の部分の両側の部分であって前記搭載面上に設けられた第2の部分とを有する該能動素子と、
を備える半導体装置。 A silicon substrate having a mounting surface and a main surface facing the mounting surface, in which via holes extending from the main surface to the mounting surface are formed;
A metal layer provided in the via hole;
An active element including a nitride semiconductor, the active element having a first portion in contact with the metal layer, and a second portion provided on the mounting surface on both sides of the first portion. Elements,
A semiconductor device comprising:
窒化物半導体を含む能動素子を準備する工程と、
前記能動素子をシリコン基板の搭載面上に搭載する工程と、
前記搭載面と対向する前記シリコン基板の主面から前記搭載面まで、前記能動素子の一部分のみに達するビアホールを形成する工程と、
前記ビアホール内に金属層を形成する工程と、
を含む方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Providing an active device comprising a nitride semiconductor;
Mounting the active element on a mounting surface of a silicon substrate;
Forming a via hole reaching only a part of the active element from the main surface of the silicon substrate facing the mounting surface to the mounting surface;
Forming a metal layer in the via hole;
Including methods.
窒化物半導体を含む能動素子を準備する工程と、
前記シリコン基板に、該シリコン基板の搭載面から該搭載面に対向する該シリコン基板の主面まで延びるビアホールを形成する工程と、
前記ビアホール内に金属層を形成する工程と、
前記能動素子の第1の部分が前記金属層に接し、前記第1の部分の両側の前記能動素子の第2の部分が前記搭載面上に設けられるよう前記能動素子を搭載する工程と、
を含む方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Providing an active device comprising a nitride semiconductor;
Forming a via hole in the silicon substrate extending from a mounting surface of the silicon substrate to a main surface of the silicon substrate facing the mounting surface;
Forming a metal layer in the via hole;
Mounting the active element such that a first portion of the active element is in contact with the metal layer and a second portion of the active element on both sides of the first portion is provided on the mounting surface;
Including methods.
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