JP3987573B2 - 能動素子及び受動素子を有する集積化された半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は基板を有し、この基板の第１の側に半導体素子、受動素子及び導電性部材のパターンが形成され、反対の第２の側に窓を介して第１の側に存在する素子に接続される金属部が形成されているマイクロ波周波数の半導体装置に関するものである。
この半導体装置は極めて高い周波数のマイクロ波信号を処理するのに好適であり、「マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）」と称されている。この半導体装置は、例えばバイポーラ又は電界効果トランジスタ、受動素子例えばキャパシタ、コイル又は伝送線とすることができる。受動素子と区別するため、この半導体素子は能動素子と称せられている。実際には、この半導体装置は、少数の又は多数の能動素子及び受動素子を有することができる。
米国特許第４９５６６９７号には、その冒頭部においてこの形式の半導体装置が記載されており、その既知の半導体装置の基板はガリウム砒素（ＧａＡｓ）のスライスで構成されている。
ガリウム砒素はマイクロ波周波数の信号を処理するため用いる半導体装置の製造において半導体基板の材料として用いるのに好適である。この理由は、この高周波数信号を処理できる材料でトランジスタを製造でるだけでなく、この材料が実際に絶縁性であるためである。このため、この半導体基板上にマイクロ波周波数で動作する能動素子を形成でき、従って半導体装置として集積化することができる。シリコンは実際に比較的高い導電率を有しているため、用いられない。例えばシリコン基板上にコイルを形成する場合、形成されたコイルはガリウム砒素基板上に形成されたコイルに比べて低品質のものなってしまう。この品質は相当低いため、回路のコイルとして実際には用いられない。
本発明の目的は、基板の第１の側に高周波数で動作する半導体素子及び受動素子が形成され、この基板がシリコンとされているマイクロ波周波数用の半導体装置を提供することにある。
本発明によれば、上記目的を達成するため、冒頭部で述べた半導体装置において、基板が絶縁層上にあるシリコン層で形成され、前記半導体素子が前記シリコン層に形成され、前記金属部が前記絶縁層の前記シリコン層から離れた側に形成されていることを特徴とする。シリコン層は極めて薄い厚さ、例えば０．１〜０．２μmとすることができる。このように薄いシリコン層上にバイポーラトランジスタ及び電界効果トランジスタを形成することができる。シリコン層は極めて薄いので、シリコンの導電率が上述した受動素子に相当な悪影響を及ぼすことなくシリコン層上に受動素子を形成することができる。
本発明による半導体装置の好適実施例において、この受動素子に与える悪影響は大幅に解消される。この理由は、半導体素子が絶縁されたシリコンのアイランド部に形成され、受動素子は絶縁層上のシリコンのアイランド部の近くに形成されるからである。
上述した基板がガリウム砒素のスライスから成る既知の半導体装置の欠点は、半導体装置の動作中に発生する熱を容易に放出できないことである。放熱を促進させるため、既知の半導体装置の基板は、第２の側をエッチングすることにより局部的に薄くして溝を形成している。動作中に発生する熱は、第２の側に形成された金属部を介して放出されている。
本発明による半導体装置において、好ましくは、半導体素子、受動素子及び導電性部材が形成されている基板の第１の側を接着剤層により絶縁体に結合する。この絶縁体により、半導体装置は十分な強度が得られる。従って、絶縁層は薄い厚さにすることができるので、動作中に発生した熱はこの薄い絶縁層を介して容易に放出することができる。
基板を、第１の側に酸化シリコンの埋込層が形成されているシリコンスライスで構成し、第２の側からシリコンを埋込層まで除去すれば、絶縁層は極めて薄く、例えば０．１〜０．２μmの厚さにすることができる。
さらに、動作中に発生する熱は基板の第２の側に形成した金属部を介して放出される。好ましくは、この金属部は電気化学的に成長形成した金属部材（バンプ）で構成する。この金属部材は放熱用としてだけでなく、半導体装置を導体トラックが形成されている絶縁性のキャリヤに装着するためにも用いることができる。従って、基板の第１の側の素子は金属部材を介して導体トラックに接続されるので、素子は容易に外部に接続されることになる。
基板の第１の側に形成された導電性部材に接続されている成長形成した金属部材は、主とし電気接点として作用する。第１の側のシリコン層に接続され又は第１の受動素子に接続されている金属部材は接点として又は放熱のために或は接点及び放熱の両方のために作用する。
本半導体の半導体装置の好適実施例においては、前記受動素子を前記絶縁層上に形成した金属トラックにより構成されるコイルとし、このトラックに、絶縁層に形成した窓を介してそのほぼ全長に亘って電気化学的に成長形した金属部材を形成する。この場合、コイルは、比較的厚い金属層が成長形成されている比較的薄い金属トラックにより形成される比較的厚い巻回部により構成される。この結果、コイルは比較的低いオーミック抵抗を有するので、その品質は高いものとなる。第２の側に成長形成されコイルの巻回部を構成する金属部材は、半導体装置の装着中に絶縁性のキャリヤ上の導体トラックに接続しないことが好ましい。成長形成した金属部材の半導体装置の外部接点として作用する部分だけを導体トラックに接続する。
以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は基板１−２を有するマイクロ波周波数の半導体装置を示し、この基板の第１の側３には半導体素子４、受動素子５、及び導電性部材６が形成され、反対の第２の側７には基板に形成した窓９を介して第１の側に形成された半導体素子４、受動素子５、導電性部材６に接続される金属化層が形成される。
この半導体装置は極めて高い周波数のマイクロ波信号を処理するのに好適であり、「マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）」と称されている。この半導体素子４、すなわち能動半導体素子４は本例ではバイポーラトランジスタとするが電界効果トランジスタとすることもでき、受動素子は、本例ではコイルとするが例えばキャパシタ又は伝送線とすることもできる。実際には、この半導体装置は数個又は多数の能動素子及び受動素子を有することができる。
本発明では、基板１−２は絶縁層２上に形成したシリコン層１で形成され、半導体素子４はシリコン層１に形成され、金属部８は絶縁層２のシリコン層１から離れた第２の側７上に形成する。ここで、シリコン層１は例えば０．１〜０．２μｍの極めて薄い厚さを有することができる。マイクロ波周波数の信号を処理できるバイポーラトランジスタ及び電界効果トランジスタは、このような薄いシリコン層１に形成することができる。シリコン層１はこの程度に薄いので、受動素子に対するシリコンの導電率の影響は比較的小さくなる。実際には、シリコンは常時比較的高い導電率を有する。例えばコイルを厚いシリコン基板上に形成する場合、このコイルは、例えばガリウム砒素から成る絶縁性基板に形成された理想的なコイルに比べて極めて低い品質になってしまう。この品質は、このコイルを回路に実際に用いることができない程低いものである。
基板１−２を用いることにより、シリコンに形成されマイクロ波周波数で動作する半導体素子４を有すると共に半導体基板上に形成され高い周波数で動作する受動素子５を有する半導体装置を実現することができる。
コイルの品質に及ぼす悪影響を除去するため、半導体素子４はシリコンの絶縁されたアイランド部１５に形成し、受動素子は絶縁層２のシリコン層１のアイランド部の近傍に形成する。
基板１−２の絶縁層２は比較的厚くすることができ、例えばシリコン層１はガラスプレート上に形成することができる。この解決策の欠点は、半導体装置の動作中に発生する熱を容易に放出できないことである。好ましくは、半導体素子、受動素子５及び導電性部材６が形成されている基板１−２は、その第１の側３において接着剤層１０により絶縁体１１に結合する。この絶縁体１１は半導体装置が十分の強度を有するように作用する。従って、絶縁層２は薄い厚さとすることができるので、動作中に発生した熱をこの薄い絶縁層２を介して容易に除去することができる。
絶縁体１１は例えばガラスプレートとすることができるが、別の材料で構成することができる。本例のように、受動素子がコイルの場合、ガラスは絶縁体１１の材料として良好に選択される。ガラスは比較的低い誘電率を有しているのでコイルの巻線間に比較的小さいキャパシタンスが形成され、コイルが高周波数で動作する場合に好適である。絶縁層の材料としてフェライトを用いることもできる。この材料は、形成されたコイルである受動素子５が比較的大きい自己インダクタンスを有する利点がある。受動素子が光導波路の場合、絶縁体１１の材料として高誘電率を有する利点がある。種々の受動素子を基板１−２上に形成する場合、絶縁体１１は、これら種々の受動素子と対向するように位置する別の好適材料から製造される部分で構成することができる。
図２に示す基板はシリコンスライス１２から構成され、その基板の第１の側に酸化シリコンを埋込んだ絶縁層２が形成され、このシリコンスライスの第２の側７からシリコンが埋込層まで除去される場合、絶縁層２は極めて薄い厚さとすることができ、例えば０．１〜０．２μmの厚さとすることができる。
本例では、図１に示す半導体装置の製造は、図２に断面として示すシリコンスライスから開始する。このスライスは、その第１の側３に厚さが約０．４μmの酸化シリコンの絶縁層２と、厚さが約０．１μmの比較的高い濃度のリン原子１０²⁰／ccが添加された強ドーピング層１３及び比較的低い濃度のリン原子１０¹⁶原子／ccが添加された弱ドーピング層１４を有する厚さが約２μmのシリコン層とが形成される。このシリコンスライスには、例えば酸素イオン注入により酸化シリコンの絶縁層２が約１μmの深さに形成されているシリコンスライスを用い、次にリンを上記濃度に添加することにより酸化シリコンの絶縁層２の上部に約０．１μmの厚さの強ドーピング層１３を形成し、この強ドーピング層１３上に弱ドーピング層１４をエピタキシャル成長させることにより得ることができる。
図３及び図４にそれぞれ平面図及び断面図として示すように、シリコン層中に絶縁されたアイランド部１５を形成する。本例では、この目的のためにシリコン層１の一部分を絶縁層２から除去する。別の方法として、例えばアイランド部１５と隣接するシリコン層を絶縁性のシリコン酸化物に交換する。次に、約５×１０¹⁷のボロン原子が添加されているベース領域１６及び約１０²⁰の砒素原子が添加されているエミッタ領域１７を通常の方法によりシリコンアイランド部に形成する。次に、シリコンのアイランド部１５に酸化シリコン層１８を形成し、この酸化シリコン層１８にベース領域１６及びエミッタ領域１７のコンタクトとなる窓１９及び２０を形成する。
トランジスタが形成された後、導電性部材６のパターンを巻回部２１を有するコイルである受動素子５と共に絶縁層２上に基板１−２上に堆積されたアルミニウム層として形成する。この絶縁層に窓２３を形成し、この窓２３を介してコイルである受動素子５を導体２４に絶縁する。
トランジスタである半導体素子４、コイルである受動素子５及び導電性部材６が形成された後、基板１−２を第１の側において絶縁体１１に接着剤層１０により結合する。この接着剤は、例えばエポキン又はアクリレート接着剤とし、絶縁体１１は例えばガラスプレートとする。次に、シリコンスライス１２は絶縁層２まで除去する。このため、シリコンスライス１２の第２の側は、絶縁層２が数μmの厚さに近づくまでケミカルメカニカルポリシング（化学的機械的研磨）処理を行い、その後絶縁層２をＫＯＨのエッチ剤に浸漬する。このエッチング処理は、酸化シリコンの絶縁層２に到達すると自動的に停止する。
最後に、絶縁層２に窓９を形成し、基板１−２の第２の側に金属部８を形成する。好ましくは、金属部８は金属部材（バンプ）を電気化学的に成長させることにより通常の方法で形成する。この金属部材は放熱のために、及び図７に示すように、導体トラック２６が形成されている絶縁性のキャリヤ２５上に半導体装置を装着するためにも用いることができる。基板１−２の第１の側の半導体素子４、受動素子５及び導電性部材６を金属部８を介して導体トラック２６に接続し、これらの素子は外部に接続されることになる。
基板の第１の側に形成された導電性部材６に接続されている成長形成された金属部８Ａは主として電気接点として機能する。第１の側に形成されているシリコン層（本例の場合、トランジスタである半導体素子４のコレクタ領域）及び第１の側に形成されている受動素子５にそれぞれ接続されている金属部８Ｂ及び８Ｃは、本例ではコンタクト及び放熱として作用し（８Ｂ）又は放熱のためだけに作用する（８Ｃ）。後者の金属部８Ｃは自由（非接続）であり、キャリア２５の導体トラックには接続されない。
本発明の半導体装置の好適例として、受動素子５は、絶縁層２上に形成されこの絶縁層２中に形成された窓を介してほぼその全長に亘って電気化学的に成長した金属部８Ｃが形成されている金属トラックである巻回部２１により構成されるコイルである受動素子５とした。このコイルである受動素子５は、比較的厚い金属トラックである巻回部２１及びその上に形成された比較的厚い金属部８Ｃにより形成される比較的厚い巻回部により構成される。従って、コイルである受動素子５は比較的低いオーミック抵抗を有するので、その品質は高いものとなる。第２の側に成長したコイル巻回部を構成する金属部８Ｃは、半導体本体がキャリヤ２５に装着されたとき、キャリヤ２５上に存在する導体トラック２６に接続されない。成長形成した金属部８Ａ及び８Ｂの一部分だけが導体トラックに接続して半導体装置の外部に接点を構成する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による半導体装置を示す断面図である。
図２〜図６は、本発明による半導体装置の製造工程を示す断面図及び平面図である。
図７は、導体トラックが形成されている絶縁性のキャリヤ上に装着された、図１に示す半導体装置の断面図である。

Claims (2)

1. 基板を有するマイクロ波周波数の半導体装置であって、
   前記基板が、絶縁層と前記絶縁層上にあるシリコンのアイランド部で形成され、前記シリコンのアイランド部に半導体素子が形成され、前記絶縁層上に受動素子及び導電性部材のパターンが形成され、
   前記基板の前記半導体素子、受動素子及び導電部材のパターンが形成された第１の側に、接着剤層により絶縁体が結合され、
   前記絶縁層に形成した窓を介して、前記半導体素子、受動素子及び導電性部材のパターンに接続される金属部が形成され、
   前記金属部は、電気化学的に成長形成された金属部材により形成され、
   前記受動素子は、金属トラックにより構成されるコイルであって、前記金属トラックに、前記絶縁層に形成した窓を介して、前記金属トラックのほぼ全長に亘って前記金属部材が形成されていることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、前記金属部材が、絶縁性のキャリヤ上に形成した導体トラックに接続されていることを特徴とする半導体装置。

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