JP4538107B2 - 半導体素子及び金属化層を有する絶縁層が接着剤により取付られているガラス支持体を有する半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス支持体を有する半導体装置であって、このガラス支持体上に接着剤層により絶縁層が取付られ、前記ガラス支持体に面する第１の側でのこの絶縁層の表面上には、半導体材料の層中で半導体素子が形成されているとともに導体細条のパターンを有する金属化層が設けられている当該半導体装置に関するものである。
半導体素子は単一のダイオード又はトランジスタとすることができるも、複数のトランジスタを有する集積回路とすることもできる。金属化層には、半導体素子を相互接続する導体細条を含めうるも、半導体装置の外部接触を可能にしうる接続電極（ボンディングパッド）が設けられた導体細条を含めることもできる。金属化層は、キャパシタ、抵抗及びコイルのような受動素子を有することもできる。
半導体装置は、特に、極めて高い周波数の信号を処理するのに適している。集積回路を通常のように、半導体材料より成る約５００μｍの厚さのスライス上に形成する場合には、このスライスのうちほんの約１〜３μｍの厚さの頂部層のみがこれらの集積回路を形成するのに用いられる。この頂部層の下側に位置する半導体材料、すなわち、半導体基板は、特に半導体素子とこの半導体基板との間に寄生キャパシタンスが形成されることにより、これらの集積回路の高周波動作に悪影響を及ぼす。更に、このような厚さの半導体基板上に高品質のコイルを形成するのが不可能である。その理由は、動作中、コイルの下側に位置する厚肉の半導体基板中にかなり大きな渦電流が発生する為である。頭書に記載した半導体装置では、半導体材料の層は、例えば１〜３μｍの厚さを有しており、極めて薄肉である為、前述した悪影響がかなりやわらぐ。
実際上、半導体装置は、通常のエンベロープ内で或いは通常のプリント回路板上でさえもガラス支持体をもって装着しうる。エンベロープや、このようなプリント回路板上には、半導体装置の電気接触を達成するための導体細条を有する金属化層が存在する。プリント回路板には、当該半導体装置を他の半導体装置に接続したり、抵抗及びキャパシタのような受動素子に接続する導体細条を有する他の金属化層が設けられている。半導体装置の金属化層と前記他の金属化層との間にはガラス支持体が挟まれている為、これらの金属化層間の寄生キャパシタンスは小さい。
上述したように、半導体装置内の寄生キャパシタンスは極めて小さい。その結果、高周波信号の処理中に流れる寄生電流は極めて小さい。従って、半導体装置の電力消費量は少なく、このことは、約２ＧＨｚの周波数を有する信号をバッテリにより供給する必要がある移動電話の分野に特に有利である。電力消費量は、通常の比較的厚肉の半導体材料スライス上に形成した通常の集積回路の電力消費量の５０分の１とすることができる。
米国特許第５，６４６，４３２号明細書には、頭書に記載した種類の半導体装置が開示されており、この半導体装置では、半導体素子と金属化層とが、シリコン窒化物より成る約２μｍの厚さの不活性化層で被覆されており、この不活性化層と接着剤層との間に２μｍよりも薄肉の平坦化層が設けられている。接着剤層の厚さは１０〜２０μｍである。
半導体装置の金属化層と、半導体装置が装着されているプリント回路板上の金属化層との間に形成される寄生キャパシタンスはすでに小さくされているが、これらの寄生キャパシタンスは電力消費量と関連させてできるだけ最小にするのが望ましい。ガラス支持体の誘電率ε_rが約６．５で、その厚さが４００μｍであると、幅が１μｍの導体細条とプリント回路板上の金属化層との間のキャパシタンスは、導体細条の長さ１μｍ当り約２６・１０^-18Ｆである。このキャパシタンスはガラスの誘電率よりも低い誘電率ε_rを有する支持体を採用することにより減少させることができる。しかし、この解決策は実用的なものではない。その理由は、このような材料、例えば、石英は極めて高価である為である。より一層厚肉の支持体を用いるのも実用的でない。その理由は、例えば、厚さを２倍にして８００μｍにすることにより、キャパシタンスを１０％しか減少させない為である。厚さの増大が殆ど役に立たないばかりか、半導体装置をあまりにも厚くしすぎ、半導体装置を非現実的なものとする。ガラス支持体の現実的な厚さは、約４００μｍである。この場合、全体の厚さ、すなわち、接着剤層と絶縁層とを含む厚さは通常の半導体スライスの厚さに匹敵する為、例えば、半導体スライスを被覆するのに通常採用されている装着を半導体装置の被覆に用いることができる。
本発明の目的は、非実用的な厚さのガラス支持体又は非実用的な材料の支持体を用いる必要なく、上述した半導体装置の電力消費量を更に低減させることにある。この目的を達成するために、頭書に述べた半導体装置は、本発明によれば、前記絶縁層上に形成された前記金属化層と前記接着剤層との間に、誘電率ε_rが３よりも小さい絶縁層が設けられていることを特徴とする。本発明は、前記の寄生キャパシタンスの大きさは主として、導体に最も近い誘電体の誘電率によって決定され、半導体装置の金属化層とガラス支持体との間にε_rが比較的小さい材料より成る唯一の比較的薄肉の層を用いることにより前記の寄生キャパシタンスを比較的大きく減少させるという認識を基に成したものである。本発明による手段によれば、半導体装置の金属化層と、この半導体装置が装着されているプリント回路板上の金属化層との間のキャパシタンスを著しく減少させることができる。例えば、ε_rが６．５で、厚さが４００μｍのガラス支持体を用いた場合には、ε_rが２．５で、厚さが２５μｍの層を用いることにより、上述した例におけるような、１μｍ幅の導体細条とプリント回路板上の金属化層との間のキャパシタンスが４０％だけ減少する。電力消費量も実際上同じ量だけ減少する。
金属化層の導体細条間にも、誘電率ε_rが３より小さい絶縁層を設けるのが好ましい。前述した既知の半導体装置では、シリコン窒化物より成る約２μｍの厚さの不活性化層が金属化層と接着剤層との間に設けられている。このような不活性化層は約７．５の比較的大きなε_rを有する。その結果、金属化層の導体細条間の寄生キャパシタンスは比較的大きい。これらの寄生キャパシタンスは、導体細条間に絶縁層を設けることによっても著しく減少する。
前記の絶縁層はパリレン又はベンゾシクロブテンの層とするのが好ましい。このような誘電体は約２．５の誘電率ε_rを有する。容易に製造しうる半導体装置においては、誘電率ε_rが３よりも小さい前記絶縁層と前記接着剤層との双方がベンゾシクロブテンの層であることを特徴とする。パリレン又はベンゾシクロブテンの層は２５〜６０μｍの範囲の厚さで被着するのが好ましい。このようにすることにより、５００μｍの前述した厚さを越えることなく、半導体装置の金属化層とプリント回路板上の金属化層との間の寄生キャパシタンスの大きさが４０％よりも多く減少するようになる。
本発明の上述した観点及びその他の観点は以下の実施例に関する説明から明らかとなるであろう。
図中、
図１は、本発明による半導体装置の第１実施例を示す線図的断面図であり、
図２〜５は、図１に示す半導体装置の幾つかの製造工程を示す線図的断面図であり、
図６は、本発明による半導体装置の第２実施例を示す線図的断面図であり、
図７は、本発明による半導体装置の第３実施例を示す線図的断面図である。
図１は、ガラス支持体１を有する半導体装置の線図的断面図であり、このガラス支持体１の上方には接着剤層により絶縁層３が取付られており、ガラス支持体１に面する第１の側４でのこの絶縁層の表面５上には、半導体材料層６内で半導体素子７が形成されており、且つこの表面５上には、導体パターン９を有する金属化層８が被着されており、この金属層には、接点電極（ボンディングパッド）１０が設けられている。これらの接点電極１０は、例えば通常のボンディング技術によりこれらの接点電極に固着させたワイヤ１２による、支持体１側とは反対側に面する絶縁層３の第２の側１１からの外部接触を行なわせる作用をする。これらの接点電極１０は絶縁層３の第１の側４に設けられ、この絶縁層３には、接点電極１０の位置で、接触を第２の側１１から行なわしめる窓１３が設けられている。
本例では、１つの半導体素子、この場合、バイポーラトランジスタを示している。しかし、実際には、このような半導体装置はこのような半導体素子を多数個有することもできる。第１の場合、半導体装置を個別（ディスクリート）半導体装置と称し、第２の場合、半導体装置を集積半導体装置と称する。使用する半導体素子は、図示のバイポーラトランジスタ７の代りに、例えば、電界効果トランジスタとすることができる。半導体装置は、これら能動素子に加えて、コイル、キャパシタ及び光ガイドのような受動素子を有することができる。
絶縁層３上に形成した金属化層８と接着剤層２との間には、誘電率ε_rが３よりも小さい絶縁層１４が設けられている。この手段によって、半導体装置の金属化層と、半導体装置が収容されているエンベロープ内の金属化層、又は半導体装置が装着されているプリント回路板上の金属化層との間の寄生キャパシタンスをかなり減少させることができる。ε_rが２．５で、厚さが約２５μｍの絶縁層を使用することにより、例えば、４００μｍの厚さとしたガラス支持体を用いた場合、１μｍの幅の導体細条とプリント回路板上の金属化層との間のこのキャパシタンスを４０％だけ減少させることができる。絶縁層１４が存在しない場合、このキャパシタンスの大きさは、導体細条の長さ１μｍ当り２６・１０^-18Ｆであり、厚さが２０μｍの絶縁層を用いると、このキャパシタンスは、長さ１μｍ当り１６．２・１０^-18Ｆであり、厚さが５０μｍの絶縁層を用いると、このキャパシタンスは、長さ１μｍ当り１４．４・１０^-18Ｆとなり、このことは、キャパシタンスがそれぞれ３８％及び４５％だけ減少するということを意味する。小さいε_rを有する絶縁層を用いることにより、半導体装置の電力消費量を実際上同じ量だけ減少させる。
図２〜５は、図１に示す半導体装置を製造する数工程を示す線図的断面図である。
出発材料としては、図２に示すシリコンのスライス１６を用いる。このスライスには、第１の側４で、厚さが約０．４μｍのシリコン酸化物の絶縁層３と、約１０¹⁶燐原子／ｃｃをもって比較的わずかにドーピングされた約１μｍの厚さのシリコン層１７とが設けられている。このようなシリコンのスライスは、例えば通常のスライス相互接続技術により形成しうる。このような技術では、シリコン酸化物の頂部層が設けられているシリコンの第１スライスが、この頂部層をもってシリコンの第２スライスに接続され、その後薄肉の前記のシリコン層のみが酸化物層上に残るまで第１スライスからシリコンが除去される。このスライス１６は、酸素イオンの注入により約０．３μｍの深さでシリコン酸化物絶縁層３を形成し、このシリコン酸化物絶縁層３上に位置させるシリコン層を、約１μｍの厚さの層１７が得られるまでエピタキシャル成長させ、最後にこの層にイオン注入による前記のドーピングを行なうことにより得ることもできる。
図３に示すように、このシリコン層には、絶縁された島６を形成する。本例では、層１７の一部を絶縁層３から除去することによりこの島の形成を達成する。次に、このシリコンの島６内に、通常のようにして、約５・１０¹⁷硼素原子のドーピングが行なわれたベース領域１８と、約１０²⁰砒素原子のドーピングが行なわれたエミッタ領域１９とを有するバイポーラトランジスタ７を形成する。その後、シリコンの島６にシリコン酸化物層２０を設け、この層に、ベース領域１８及びエミッタ領域１９に対しそれぞれ接点を形成するための窓２１及び２２をあける。
トランジスタ７を形成した後、導体細条９及び接点電極１０を有する金属化層８を、絶縁層３上に堆積したアルミニウム層で形成する。図面には、これを明瞭とするために、半導体装置を実際のものに正比例して描いていない。実際には、例えば、導体細条６の幅は約１μｍであり、接点電極の長さ及び幅は約１００μｍである。
次に、厚さが約２μｍのシリコン窒化物の不活性化層２３と、誘電率ε_rが３よりも小さい約２５μｍの厚さの絶縁層１４とでアセンブリを被覆する。次に、このアセンブリを、約１５μｍの厚さの接着剤層２により、ガラス支持体１に取付る。この接着剤は、例えばエポキシ系又はアクリル系の接着剤とする。次に、シリコンのスライス１６を絶縁層３に至るまで除去する。この目的のために、スライス１６の第２の側１１に化学機械的な研摩処理を行ない、この処理は、絶縁層３までの距離がほんの数十μｍとなるまで続け、その後絶縁層３をＫＯＨのエッチング浴内で露出させる。このエッチング処理は、シリコン酸化物の絶縁層３まで到達すると、自動的に停止する。
最後に、接点用マスク及びＨＦ含有エッチング浴を用いる通常の方法で絶縁層３に長さ及び幅が約９０μｍの窓をあける。これに、第２の側１１から接点ワイヤ１２を設けることができる。本例では、接点ワイヤを通常のワイヤボンディング技術により形成する。これらの接点ワイヤは、電気化学的に成長させた金属部品（バンプ）をもって構成することもできる。
図６は、本発明による半導体装置の第２実施例を示す線図的断面図であり、この図６では、図１と関連する例と対応する部分に同じ符号を付してある。本例の場合、誘電率ε_rが３よりも小さい絶縁層１４を、金属化層８の導体細条９間にも設ける。図１に示す不活性化層２３は省略する。図１に示す半導体装置では、シリコン窒化物より成る約２μｍの厚さの不活性化層が金属化層と接着剤層との間に設けられている。このような不活性化層は、約７．５の比較的大きな誘電率ε_rを有する。その結果、金属化層の導体細条相互間の寄生キャパシタンスは比較的大きくなる。導体細条間にも絶縁層を設けることにより、これらの寄生キャパシタンスも著しく減少するようになる。
絶縁層はパリレン又はベンゾシクロブテンの層とするのが好ましい。このような誘電体は約２．５の誘電率を有する。パリレン又はベンゾシクロブテンの絶縁層は２５〜６０μｍの範囲の厚さで設ける。その結果、５００μｍの前述した厚さを越えることなく、半導体装置の金属化層とプリント回路板上の金属化層との間の寄生キャパシタンスの大きさが４０％よりも多く減少する。
容易に製造しうる半導体装置では、誘電率ε_rが３よりも小さい絶縁層１４と、接着剤層２との双方をベンゾシクロブテン層とする。この例を図７に示す。この場合も、図１と関連する実施例で用いたのと同じ符号を対応する部分に付した。この例は、スライス１５に層１４を設け、支持体に層２を設け、これらの双方を互いに圧接することにより容易に製造することができる。

Claims (3)

1. ガラス支持体を有する半導体装置であって、この半導体装置が更に、
   絶縁層と、
   この絶縁層の第１の側の表面上に設けられた半導体素子及び導体細条のパターンを有する金属化層と、
   前記絶縁層、前記半導体素子及び前記金属化層上に設けられ、誘電率ε _r が３よりも小さい絶縁層と、
   前記誘電率ε _r が３よりも小さい絶縁層と前記ガラス支持体との間に設けられ、最初に述べた前記絶縁層を前記ガラス支持体に取付ける接着剤層と
   を具えており、
   前記誘電率ε _r が３よりも小さい絶縁層と前記接着剤層との双方が、ベンゾシクロブテンの層であ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、前記誘電率ε_rが３よりも小さい絶縁層が、前記金属化層の導体細条相互間にも設けられていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は２に記載の半導体装置において、前記誘電率ε _r が３よりも小さい絶縁層が、２５〜６０μｍの範囲内の厚さであることを特徴とする半導体装置。

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