JP2015173225A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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子 真 吾 増
Shingo Masuko
子 真 吾 増
本 恭 章 安
Yasuaki Yasumoto
本 恭 章 安
瀬 直 子 梁
Naoko Yanase
瀬 直 子 梁
元 美 樹 湯
Miki Yumoto
元 美 樹 湯
村 正 人 三
Masato Mimura
村 正 人 三
藤 泰 伸 斉
Yasunobu Saito
藤 泰 伸 斉
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Hiroshi Yoshioka
岡 啓 吉
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本 英 俊 藤
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Tsukasa Uchihara
原 士 内
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Tetsuya Ono
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Toshiyuki Naka
敏 行 仲
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Yu Ono
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Abstract

【課題】制御電極、第1の主電極、および第2の主電極の接続部分の電気伝導性または熱伝導性を向上させた半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置は、窒化物半導体層12と、窒化物半導体層12に設けられた制御電極14、第1の主電極15、および第2の主電極16とを備える半導体チップ1を備える。さらに、基板21と、基板21に設けられた制御端子22、第1の主端子23、および第2の主端子24とを備える支持体2を備え、さらに、半導体チップ1は、制御電極14、第1の主電極15、および第2の主電極16が支持体2に対向して支持体2に設けられている。半導体チップ1の制御電極14、第1の主電極15、および第2の主電極16はそれぞれ、支持体2の制御端子22、第1の主端子23、および第2の主端子24に電気的に接続されている。
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
窒化物半導体装置は、窒化物半導体の材料特性が優れていることから、トランジスタの耐圧の向上とオン抵抗の低減とを両立可能な半導体装置として期待されている。例えば、GaN(窒化ガリウム)層とAlGaN(窒化アルミニウムガリウム)層とのへテロ界面を有する電界効果型トランジスタが注目されている。しかしながら、窒化物半導体装置の窒化物半導体層に設けられたゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極をそれぞれ、ボンディングワイヤにより、窒化物半導体装置のパッケージのゲート端子、ソース端子、およびドレイン端子に電気的に接続する場合、ボンディングワイヤが細いため、窒化物半導体装置に大電流や高電圧を供給しにくい、あるいは窒化物半導体装置の熱をボンディングワイヤから逃がしにくいという問題がある。また、窒化物半導体装置の半導体チップ内の基板の電位が浮遊状態になると、基板と窒化物半導体層との格子不整合に起因して、半導体チップのコラプスが発生するという問題がある。
特開2012−109345号公報
制御電極、第1の主電極、および第2の主電極の接続部分の電気伝導性または熱伝導性を向上させることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供する。
一の実施形態によれば、半導体装置は、窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層に設けられた制御電極、第1の主電極、および第2の主電極とを備える半導体チップを備える。さらに、前記装置は、基板と、前記基板に設けられた制御端子、第1の主端子、および第2の主端子とを備える支持体を備える。さらに、前記半導体チップは、前記制御電極、前記第1の主電極、および前記第2の主電極が前記支持体に対向して前記支持体に設けられている。さらに、前記半導体チップの前記制御電極、前記第1の主電極、および前記第2の主電極はそれぞれ、前記支持体の前記制御端子、前記第1の主端子、および前記第2の主端子に電気的に接続されている。
第1実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。 第1実施形態の半導体装置の構造を示す平面図である。 第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(1/2)である。 第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(2/2)である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
(1)第1実施形態の半導体装置の構造
図1は、第1実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。図1の半導体装置は、窒化物半導体装置であり、半導体チップ1と、支持体2とを備えている。
半導体チップ1は、基板の例である半導体基板11と、窒化物半導体層12と、ゲート絶縁膜13と、制御電極の例であるゲート電極14と、第1および第2の主電極の例であるソース電極15およびドレイン電極16と、1つ以上の電極の例であるポスト電極17とを備えている。
支持体2は、基板の例である支持基板21と、制御端子の例であるゲート端子22と、第1および第2の主端子の例であるソース端子23およびドレイン端子24と、はんだ25、26、27とを備えている。
半導体基板11は例えば、Si(シリコン)基板である。半導体基板11は、第1面S1と、第1面S1の反対側の第2面S2とを有している。支持基板21は例えば、AlN(窒化アルミニウム)基板などの絶縁基板である。支持基板21は、第1面S3と、第1面S3の反対側の第2面S4とを有している。
図1は、半導体基板11および支持基板21に平行で互いに垂直なX方向およびY方向と、半導体基板11および支持基板21に垂直なZ方向とを示している。本明細書においては、+Z方向を上方向として取り扱い、−Z方向を下方向として取り扱う。例えば、半導体基板11と支持基板21との位置関係は、支持基板21が半導体基板11の下方に位置していると表現される。
窒化物半導体層12は、半導体基板11の第1面S1に形成されている。窒化物半導体層12は、窒素を含有する半導体層である。窒化物半導体層12は例えば、バッファ層、電子走行層、および電子供給層を含む積層膜である。バッファ層の例は、AlN層、AlGaN層、およびGaN層を含む積層膜である。電子走行層の例は、GaN層である。電子供給層の例は、AlGaN層である。
ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16は、半導体基板11の第1面S1に窒化物半導体層12を介して形成されている。具体的には、ゲート電極14は、ゲート絶縁膜13を介して窒化物半導体層12に面しており、ソース電極15とドレイン電極16は、窒化物半導体層12に接している。ゲート絶縁膜13の例は、シリコン酸化膜である。ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16の例は、Ni(ニッケル)層とAu(金)層とを含む積層膜である。
ポスト電極17は、半導体基板11の第1面S1に形成されており、ソース電極15と半導体基板11とを電気的に接続している。本実施形態のポスト電極17は、半導体基板11の電位をソース電極15の電位(固定電位)と同電位にして、半導体基板11の電位が浮遊状態になることを防止する機能を有する。これにより、本実施形態によれば、半導体基板11のSiと窒化物半導体層12のGaNとの格子不整合に起因する半導体チップ1のコラプスの発生を抑制することが可能となる。ポスト電極17の例は、めっき法により形成される金属層である。ポスト電極17と半導体基板11との接続は、オーミック接続でも非オーミック接続でもよい。
ゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24は、支持基板21に形成されている。ゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24の各々は、第1導電層(例えばCu(銅)層)22a、23a、24aと、第2導電層(例えばNi(ニッケル)層)22b、23b、24bと、第3導電層(例えばAu(金)層)22c、23c、24cとを含んでいる。
ゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24の各々は、支持基板21の第1面S3に形成された第1部分と、支持基板21の第2面S4に形成された第2部分と、第1部分と第2部分とを電気的に接続している第3部分とを含んでいる。このようなゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24は例えば、支持基板21を貫通する複数の穴を形成し、これらの穴の内部にゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24を形成することで形成可能である。
ゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24は、本実施形態の半導体装置の外部接続端子として使用される。例えば、本実施形態の半導体装置のゲート電極14と外部装置とを電気的に接続したい場合には、支持基板21の第2面S4側のゲート端子22と外部装置の端子とを電気的に接続する。
半導体チップ1は、ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16が支持体2に対向して支持体2に設けられている。すなわち、半導体チップ1は、半導体基板11の第1面S1と支持基板21の第1面S3とが互いに対向する状態で、支持体2に設けられている。このように、本実施形態の半導体チップ1は、フェースダウンの状態で支持体2に設けられている。
半導体チップ1と支持体2は、はんだ25〜27により接合されている。具体的には、ゲート電極14が、はんだ25によりゲート端子22に接合されている。ソース電極15が、はんだ26によりソース端子23に接合されている。ドレイン電極16が、はんだ27によりドレイン端子24に接合されている。その結果、半導体チップ1のゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16がそれぞれ、支持体2のゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24に電気的に接続されている。はんだ25〜27の材料の例は、SnAgCuである。
なお、本実施形態の半導体チップ1は、支持体2にはんだ25〜27を形成し、半導体チップ1をはんだ25〜27により支持体2に接合することで、支持体2に取り付けられている。しかしながら、本実施形態の半導体チップ1は、その他の方法で支持体2に取り付けられていてよい。
図2は、第1実施形態の半導体装置の構造を示す平面図である。図2は、第1実施形態の半導体チップ1のゲート電極14、ソース電極15、ドレイン電極16、およびチップ電極17のみを図示しており、その他の構成要素の図示は省略している。
ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16は、Y方向に延びる帯状の形状を有している。Y方向は、第1方向の例である。ゲート電極14は、ソース電極15とドレイン電極16との間に配置されている。
本実施形態のポスト電極17は、ソース電極15のゲート電極14側ではなく、ソース電極15に対しゲート電極14とは反対側に配置されている。このようなポスト電極17の配置には、例えば、ゲート電極14とポスト電極17とのショートを防止できるという利点がある。本実施形態のポスト電極17は、Y方向に平行な同一の直線L上に一列に配置されている。
符号Dは、互いに隣接するポスト電極17間のY方向の距離を示す。符号Wは、ポスト電極17のY方向の幅を示す。本実施形態において、ポスト電極17間の距離Dは、ポスト電極17の幅Wよりも大きく設定されている。距離Dの例は100μmであり、幅Wの例は10μmである。
なお、ポスト電極17の配置や形状は、上記の例と異なる配置や形状でもよい。また、距離Dや幅Wの値は、上記の例と異なる値でもよい。例えば、本実施形態のポスト電極17は、等間隔に配置されているが、非等間隔に配置されていてもよい。
(2)第1実施形態の半導体装置の詳細
次に、再び図1を参照し、第1実施形態の半導体装置の詳細について説明する。
以上のように、本実施形態の半導体チップ1は、ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16が支持体2に対向して支持体2に設けられている。さらに、本実施形態の半導体チップ1のゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16はそれぞれ、支持体2のゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24に電気的に接続されている。
よって、本実施形態によれば、ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16をそれぞれ、ボンディングワイヤを使用せずに、ゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24に電気的に接続することができる。
よって、本実施形態によれば、半導体装置に容易に大電流や高電圧を供給することが可能となる。その結果、耐圧が高くオン抵抗が低いという窒化物半導体装置の利点を有効に利用することが可能となる。
また、本実施形態によれば、半導体装置の熱をゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24から容易に逃がすことが可能となる。その結果、窒化物半導体装置に大電流や高電圧を供給する場合において、窒化物半導体装置の多量の熱を外部に逃がすことが可能となる。本実施形態においては、半導体装置の熱を支持基板21から逃がすことも可能となる。
また、従来のように電極14〜16と端子22〜24とをボンディングワイヤにより接続する場合には、ボンディングワイヤの位置がぐらつくことや、半導体チップ1にボンディングパッドを設ける必要があることや、ボンディングワイヤが半導体装置のパッケージングの妨げ(すなわち、半導体装置の小型化の妨げ)になることが問題となる。
しかしながら、本実施形態によれば、電極14〜16や端子22〜24の位置をはんだ25〜27等により確実に固定することが可能となる。また、本実施形態によれば、半導体チップ1にボンディングパッドを設ける必要がないため、半導体チップ1の面積を縮小することが可能となる。また、本実施形態によれば、電極14〜16と端子22〜24とを近距離に配置できるため、半導体装置を容易に小型化することが可能となる。
また、本実施形態においては、半導体チップ1がフェースダウンの状態で支持体2に取り付けられているため、電極14〜16が支持体2側に位置し、半導体基板11が支持体2の反対側に位置している。よって、半導体基板11の電位が浮遊状態になることを回避することが望ましい。また、本実施形態のように半導体チップ1が窒化物半導体層12を含む場合には、半導体基板11のSiと窒化物半導体層12のGaNとの格子不整合に起因するコラプスを抑制することが望ましい。
これに対し、本実施形態の半導体装置は、ソース電極15と半導体基板11とを電気的に接続するポスト電極17を備えている。よって、本実施形態によれば、半導体基板11の電位をソース電極15の電位と同電位にして、半導体基板11の電位が浮遊状態になることを回避することができる。よって、本実施形態によれば、半導体基板11の電位が浮遊状態になることを回避することで、半導体基板11と窒化物半導体層12との格子不整合に起因するコラプスを抑制することが可能となる。
また、従来のように電極14〜16と端子22〜24とをボンディングワイヤにより接続する場合には、ボンディングワイヤを樹脂でモールドする必要があることや、ボンディングワイヤの位置のぐらつきにより半導体装置のモールドが難しいことが問題となる。
しかしながら、本実施形態によれば、ボンディングワイヤをモールドする必要がないため、半導体装置を容易にモールドすることが可能となる。また、本実施形態によれば、ボンディングワイヤをモールドする必要がないため、半導体装置のモールドを行わない実装を採用することも可能となる。ただし、本実施形態においては、半導体基板11が割れることを防止するために、半導体基板11のモールドを行うようにしてもよい。
(3)第1実施形態の半導体装置の製造方法
図3と図4は、第1実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
まず、図3(a)に示すように、半導体基板1の第1面S1に、窒化物半導体層12を形成する。
次に、図3(b)に示すように、半導体基板1の第1面S1に、窒化物半導体層12を介して、複数組のゲート絶縁膜13、ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16を形成する。図3(b)は、4組分のゲート絶縁膜13、ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16を示している。
次に、図3(c)に示すように、窒化物半導体層12を貫通する複数の穴18を、ソース電極15に隣接する位置に形成する。穴18は例えば、RIE(Reactive Ion Etching)により形成される。
次に、図3(d)に示すように、穴18の内部にポスト電極17を形成する。その結果、ソース電極15と半導体基板11が、ポスト電極17により電気的に接続される。ポスト電極17は例えば、めっき法により形成される。
なお、本実施形態の穴18のサイズは、ポスト電極17を埋め込み可能なサイズに設定される。穴18の平面形状の例は、10μm×10μmのサイズの四角形である。
次に、図4(a)に示すように、窒化物半導体層12を貫通して半導体基板11に到達する複数本の溝19を形成する。溝19は、半導体基板11の第1面S1は貫通するが、半導体基板11の第2面S2には到達しないように形成される。符号Sは、溝19の底部を示す。溝19は、別々の組に属するソース電極15とドレイン電極16との間などに形成される。具体的には、溝19は、半導体基板11のダイシングライン上に形成される。
本実施形態の溝19は、窒化物半導体層12に溝19をエッチング(例えばRIE)により形成し、その後、半導体基板11に溝12をダイサーを用いて形成することにより形成される。すなわち、本実施形態の溝19の形成工程においては、窒化物半導体層12はエッチングで加工し、半導体基板11はダイサーを用いて加工する。
このような方法で溝19を形成する理由は、次の通りである。一般に、窒化物半導体層12は半導体基板11よりも固いものの、窒化物半導体層12の厚さは半導体基板11の厚さよりも薄い。よって、窒化物半導体層12をダイサーを用いて加工すると、ダイサーが破損する可能性や、窒化物半導体層12の形状が乱れる可能性がある。よって、窒化物半導体層12はエッチングで加工することが望ましい。一方、半導体基板11をダイサーを用いて加工する場合、このような問題が起こる可能性は少ない。また、半導体基板11に溝19を形成する場合には、エッチングを採用するよりダイサーを採用した方が良好な溝19を形成しやすい。よって、本実施形態の溝19の形成工程においては、窒化物半導体層12をエッチングで加工し、半導体基板11をダイサーを用いて加工する。
ただし、以上の問題を回避可能な場合などには、窒化物半導体層12も半導体基板11もダイサーを用いて加工してもよい。例えば、ダイサーによる窒化物半導体層12の加工を慎重に行うことや、高性能のダイサーにより窒化物半導体層12および半導体基板11を加工することで、以上の問題を回避することが考えられる。この場合、窒化物半導体層12と半導体基板11を別々の方法で加工する無駄を解消することが可能となる。
次に、図4(b)に示すように、半導体基板11を、ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16をテープ3に対向させた状態でテープ3に貼り付ける。その結果、半導体基板11がフェースダウンの状態でテープ3に貼り付けられる。
次に、図4(c)に示すように、半導体基板11を第2面S2側から薄膜化する。半導体基板11の薄膜化は、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)により行われる。また、半導体基板11の薄膜化は、半導体基板11の第2面S2が溝19に到達するまで行われる。その結果、半導体基板11が複数の半導体チップ1に分割される。
その後、各半導体チップ1は、図1に示すように、はんだ25〜27により支持体2に取り付けられる。このようにして、本実施形態の半導体装置が製造される。
以上のように、本実施形態の半導体装置は、窒化物半導体層12を貫通して半導体基板11に到達する溝19を形成した後に半導体基板11を薄膜化する、先ダイシングにより製造される。
よって、本実施形態によれば、溝19が半導体基板11を貫通するまでダイシングを継続する必要がないため、半導体装置を製造するためのダイシング時間を短縮することが可能となる。
一般に、半導体基板11のダイシング深さが深くなるほど、ダイシングラインのマージン(チッピング領域)を広く確保する必要がある。本実施形態によれば、半導体基板11のダイシング深さを浅くすることができるため、ダイシングラインのマージンを減らすことが可能となる。
以上のように、本実施形態の半導体チップ1は、ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16が支持体2に対向して支持体2に設けられている。さらに、本実施形態の半導体チップ1のゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16はそれぞれ、支持体2のゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24に電気的に接続されている。
よって、本実施形態によれば、ゲート電極14、ソース電極15、およびドレイン電極16を、ボンディングワイヤを使用せずに、それぞれゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24に電気的に接続することができ、これらの接続部分の電気伝導性または熱伝導性を向上させることが可能となる。
例えば、本実施形態によれば、半導体装置に容易に大電流や高電圧を供給することや、半導体装置の熱をゲート端子22、ソース端子23、およびドレイン端子24から容易に逃がすことが可能となる。
また、本実施形態の半導体装置は、半導体基板11とソース電極15とを電気的に接続するポスト電極17を備えている。よって、本実施形態によれば、半導体基板11の電位が浮遊状態になることをポスト電極17により回避することで、半導体基板11と窒化物半導体層12との格子不整合に起因する半導体チップ1のコラプスを抑制することが可能となる。
なお、本実施形態の半導体基板11は、Si基板以外の半導体基板でもよい。このような半導体基板の一例は、SiC(シリコンカーバイド)基板である。また、本実施形態の半導体基板11は、絶縁基板に置き換えてもよい。このような絶縁基板の一例は、サファイア基板である。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
1:半導体チップ、2:支持体、3:テープ、
11:半導体基板、12:窒化物半導体層、13:ゲート絶縁膜、
14:ゲート電極、15:ソース電極、16:ドレイン電極、
17:ポスト電極、18:穴、19:溝、
21:支持基板、22:ゲート端子、23:ソース端子、24:ドレイン端子、
22a、23a、24a:第1導電層、22b、23b、24b:第2導電層、
22c、23c、24c:第3導電層、25、26、27:はんだ

Claims (9)

  1. 窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層に設けられた制御電極、第1の主電極、および第2の主電極とを備える半導体チップと、
    基板と、前記基板に設けられた制御端子、第1の主端子、および第2の主端子とを備える支持体とを備え、
    前記半導体チップは、前記制御電極、前記第1の主電極、および前記第2の主電極が前記支持体に対向して前記支持体に設けられており、
    前記半導体チップの前記制御電極、前記第1の主電極、および前記第2の主電極はそれぞれ、前記支持体の前記制御端子、前記第1の主端子、および前記第2の主端子に電気的に接続されている、
    半導体装置。
  2. 前記制御端子、前記第1の主端子、および前記第2の主端子の各々は、
    前記基板の第1面に設けられた第1部分と、
    前記基板の第2面に設けられた第2部分と、
    前記第1部分と前記第2部分とを電気的に接続している第3部分と、
    を含む請求項1に記載の半導体装置。
  3. 基板と、
    前記基板に設けられた窒化物半導体層と、
    前記窒化物半導体層に設けられた制御電極、第1の主電極、および第2の主電極と、
    前記基板と前記第1または第2の主電極とを電気的に接続している1つ以上の電極と、
    を備える半導体装置。
  4. 前記制御電極、前記第1の主電極、および前記第2の主電極は、第1方向に延びる形状を有しており、
    前記1つ以上の電極は、前記第1方向に平行な同一の直線上に配置された複数の電極を含む、請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記電極間の前記第1方向の距離は、前記電極の前記第1方向の幅よりも大きい、請求項4に記載の半導体装置。
  6. 基板の第1面に窒化物半導体層を形成し、
    前記窒化物半導体層に複数組の制御電極、第1の主電極、および第2の主電極を形成し、
    前記窒化物半導体層を貫通して前記基板に到達する複数本の溝を形成し、
    前記基板を前記基板の第2面側から、前記第2面が前記溝に到達するまで薄膜化することにより、前記基板を複数の半導体チップに分割する、
    ことを含む半導体装置の製造方法。
  7. 前記溝は、前記窒化物半導体層に前記溝をエッチングにより形成し、前記基板に前記溝をダイサーを用いて形成することにより形成される、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記溝は、前記窒化物半導体層および前記基板に前記溝をダイサーを用いて形成することにより形成される、請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  9. さらに、前記第1または第2の主電極と前記基板とを電気的に接続する1つ以上の電極を形成することを含む、請求項6から8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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