JP2008112797A - 化合物半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的特性を維持しつつ接着強度が改善された化合物半導体装置を提供する。
【解決手段】化合物半導体からなる基板と、前記基板の裏面に設けられ、複数の開口部を有する裏面金電極と、を備え、前記複数の開口部はメッシュ状に設けられ、互いに最も近接している前記開口部を結ぶ直線は、前記基板の端面に形成されたへきかい面と非平行であることを特徴とする化合物半導体装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体装置に関する。

ＧａＡｓ、ＧａＮなどの化合物半導体材料の電子移動度はシリコン材料よりも高いので、高周波用途などに用いられ、良好な高周波特性のため例えば携帯電子機器の送受信回路に広く用いられる様になった。携帯電子機器においては、小型化の要求が強く、これを構成する半導体装置にも小型化が要求される。

ところで、トランジスタ、抵抗、ＭＩＭキャパシタなどを含む集積回路は半絶縁性基板上に形成されることが多い。この場合、電気的接続のためのボンディングワイヤが多いと、半導体素子チップのサイズが大きくなる。ボンディングワイヤによる接続を減らすためにはバイアホールが有効であり、この構造を実現するには半絶縁性基板の裏面に金（Ａｕ）層を設ける。高周波回路を小型化するために集積回路化する場合にも、裏面を金層とするとＧＮＤ接地配線への自由度の向上、伝送線路構造の形成により設計および構造が簡素化でき、高周波特性も改善できる。

一方、高周波回路が形成されている実装基板の表面にも半田との良好な接着および表面保護のために金層が広く用いられる。半導体素子裏面及び実装基板の金層を、導電性接着剤を用いて接着すると、金層の表面が化学的に安定であるために接着強度が十分ではない場合が生じる。

ＧａＡｓ基板表面のソースパッドに接続する裏面金（Ａｕ）電極を、裏面全体でなくその一部にのみ形成することにより、金メッキ層の剥がれを防止する技術開示例がある（特許文献１）。
特開２００１−２７４１７４号公報

本発明は、電気的特性を維持しつつ接着強度が改善された化合物半導体装置を提供する。

本発明の一態様によれば、化合物半導体からなる基板と、前記基板の裏面に設けられ、複数の開口部を有する裏面金電極と、を備え、前記複数の開口部はメッシュ状に設けられ、互いに最も近接している前記開口部を結ぶ直線は、前記基板の端面に形成されたへきかい面と非平行であることを特徴とする化合物半導体装置が提供される。

本発明によれば、電気的特性を維持しつつ接着強度が改善された化合物半導体装置が提供される。

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。
図１は、本発明の具体例にかかる化合物半導体装置を表し、同図（ａ）は模式断面図、同図（ｂ）は模式底面図である。なお、図１（ａ）は、同図（ｂ）における鎖線ＡＡ線に沿った模式断面図である。
ＧａＡｓなどの化合物半導体からなる基板１０には、例えば、トランジスタ、抵抗、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）キャパシタなどを含む集積回路が形成されている（図示せず）。また、ＧａＡｓ ＦＥＴ，ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などのトランジスタが形成されていても良い。ＧａＡｓの場合、基板１０は半絶縁性である場合が多いが、導電性の基板であっても良いことはもちろんである。

化合物半導体装置が半絶縁性の基板１０の上に形成された場合、電極及び配線層は基板１０の表面側にある。それぞれの電極に対応してワイヤボンディングのためのパッド電極などが必要になり、チップサイズが大きくなる。

また、例えば１ＧＨｚ以上の高周波数においては、接地インダクタンスは高周波特性を低下させるので低減することが好ましい。チップの小型化及び接地インダクタンスの低減には図１のようにバイアホール１２を介して基板１０の裏面金電極１４と基板１０の表面配線層１６を接続する。また、基板１０の表面側に集積回路が形成される場合も、高周波回路の配線の簡素化及び高周波特性の改善に裏面金電極１４を用いることが有効である。

裏面金電極１４は、例えば電解または無電解金メッキを用いて厚みを５〜１５μｍとする。なお、基板１０を構成する化合物半導体と金層との付着性を改善するために、基板１０と金層との間にＴｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）などを設けることもでき、裏面金電極１４はこれら金属の単層または積層を含んでも良いものとする。

本具体例において、裏面金電極１４には、複数の開口部１８が設けられている。本図において開口部１８は裏面金電極１４に設けられた円形状であるが、形状は円に限定されず、楕円、矩形、あるいはこれらの組み合わせであっても良い。

裏面金電極１４を形成する金層は、安定しているので銀ペーストのような導電性接着剤との接着性が十分ではなく、ボイド及び導電性接着剤の厚みの不均一を生じることがある。一方、本具体例において、開口部１８において露出している化合物半導体からなる基板１０は、金に比較して化学的反応性は高く、導電性接着剤との接着性はより改善される。

また、金メッキの厚みを５〜１５μｍとすると、開口部１８との間に凹凸を生じる。この凹凸は実装基板が有する約１０μｍの表面凹凸と略同様であり、導電性接着剤の「食いつき」を良好とでき、化合物半導体からなる基板１０との機械的強度を、実装基板と導電性接着剤との間と同様に高くできる。

次に、開口部１８が延在する方向について説明する。
開口部１８は、メッシュ状に交差する直線の交差点に設けられる。互いに最も近接している開口部１８の中心を結ぶ直線群Ｌ１は、チップの第１の端面２０とは非平行とする。また、Ｌ１とメッシュ状に交差する直線群Ｌ２も、チップの第１の端面２０と非平行とする。

図１の場合、第１の端面２０と直線Ｌ１との交差角αは約４５度とし、直線Ｌ１とほぼ直交する直線Ｌ２は、第１の端面２０との交差角βは約１３５度とする。基板１０がＧａＡｓからなる場合、第１の端面２０は、へきかい面とし、例えば（１１０）面とする。同様に、第２の端面２２もへきかい面とできる。

化合物半導体のうちＧａＡｓは、へきかいによる分離が容易である。しかしながら、応力によりへきかいを生じやすく、機械的強度は十分ではない。へきかい面である端面２０及び２２に平行に開口部１８が配置されていると、応力集中によりへきかいによるクラックを生じやすくなり、接合強度が低下する場合がある。

本具体例においては、開口部１８は、へきかい面２０とは交差角αが４５度である直線Ｌ１及びへきかい面２０とは交差角βが１３５度である直線Ｌ２に沿って配列されている。従って、応力をＬ１及びＬ２に沿って逃がすことができ、へきかいを抑制できる。へきかい面が（１１０）のＧａＡｓの場合、交差角α、βをそれぞれ４５または１３５度とすると、へきかいを抑制する効果が大きい。

本具体例において、チップの接合強度を表すシェアー強度を、裏面全面に金電極が形成された場合と比較して約２０％改善できた。一方、開口部１８の形成による電気的特性の低下は、高周波においても直流においても生じなかった。本具体例の開口部１８は、チップ分離のためにチップ外周部の裏面金電極１４をエッチング除去する工程で同時に行うことができ、追加プロセスは不要である。このエッチング溶液としては、王水系、シアン系、沃素系の中から選択することができる。

次に、バイアホール１２について説明を補足する。
基板１０の厚みは、例えば５０〜１００μｍとする。この場合、５０μｍより薄いと強度が弱くなりウェーハ工程およびチップ実装工程が困難となる。また、１００μｍより厚いとバイアホール１２を形成するＲＩＥ（Reactive Ion Etching）工程が困難となる。

バイアホール１２の直径は、裏面側で５０〜６０μｍ程度とする。チップ裏面及びバイアホール１２の内側壁には、メッキなどにより５〜１５μｍ程度の厚みの金層が形成され、表面配線層１６と裏面金電極１４とを接続する。このバイアホール１２により、基板１０の表面及び裏面の間でボンディングワイヤなどを用いること無く接地などへの接続が容易にできる。この結果、ＦＥＴのソース電極の接地、高周波回路の接地などが容易となり、チップの小型化が可能となる。

バイアホール１２の位置は半導体集積回路の構成により変わるが、開口部１８が二次元的に分散されており、裏面金電極１４を連続させることができるので、電気的接続は保たれ高周波及び直流特性を低下させることはない。

図２は、開口部１８の第１変形例であり、同図（ａ）は模式断面図、同図（ｂ）は模式底面図である。図２（ａ）は、同図（ｂ）の鎖線ＡＡ線に沿った模式断面図である。なお、図１と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。
本具体例においては、αが４５度をなす直線Ｌ１に沿って延在した細長い開口部１８１と、βが１３５度をなす直線Ｌ２に沿って延在した細長い開口部１８３と、が交互にメッシュ状直線の交差点に設けられている。このようにすると、αが４５度およびβが１３５度の方向においてシェアー強度を図１に例示される具体例よりも大きくできる。

図３は、開口部１８の形状の第２変形例の模式底面図である。なお、図１と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。開口部１８は、正方形としており図１の円形より大きいが、大きさはこれに限定されない。

すなわち、開口部１８は電気的特性を維持できる範囲内で大きくすることができる。近接している開口部１８の中心を結ぶ直線Ｌ１及びＬ２は、チップの第１の端面２０とは非平行とする。図３の場合は第１の端面２０と直線Ｌ１との交差角αはほぼ４５度である。また、直線Ｌ１とほぼ直交する直線Ｌ２は、第１の端面２０との交差角βはほぼ１３５度である。

以上の具体例及びそれに付随した変形例において、メッシュ状に交差する直線Ｌ１及びＬ２は直交し、Ｌ１を構成する直線群の間隔及びＬ２を構成する直線群の間隔は共に等しくＤ１とした。しかし、この間隔は、異なっていても良い。図４は、直線群Ｌ１の間隔Ｄ１が直線群Ｌ２の間隔Ｄ２より小さい第３変形例の模式底面図である。表面側のレイアウト及びバイアホール１２の位置により、このような開口部１８の配置が有効となる場合がある。

また、直線Ｌ１とへきかい面２０とのなす交差角αが４５度、直線Ｌ２とへきかい面２０とのなす交差角βが１３５度と限定されることはない。図５は、αが４５度より大きく、βが１３５度より小さい第４変形例を表す模式底面図である。また、α＋β＝１８０°でなくとも良い。

以上は、ＧａＡｓからなる基板１０に関して説明した。しかし基板１０の材料は、これに限定されず、ＧａＮからなる基板１０であっても良い。この場合、基板１０の表面側にはＩｎＧａＡｌＮ系材料からなるＨＢＴ（Heterojunction Bipolar Transistor）、ＦＥＴなどの半導体装置、抵抗、ＭＩＭキャパシタなどを含む集積回路が形成される。

ＩｎＧａＡｌＮ系材料は六方晶系であり、直交する２つの端面をともにへきかい面とすることは困難である。従って、図１における第１の端面２０をへきかい面とし、第２の端面２２はへきかいによらずスクライブにより形成することが多い。

この場合でも、直線Ｌ１と第１の端面２０との交差角α、直線Ｌ２と第１の端面２２との交差角をβとし、へきかい面２０と非平行とし、へきかいを抑制し接合強度を大きくできる。また、第１及び第２の端面２０，２２に対してＬ１及びＬ２が非平行であるように、図５における交差角α及びβを選択すると接合強度が改善できる。

本具体例及びこれに付随する変形例は、トランジスタ及びこれを含む集積回路の場合であるが、本発明はこれらに限定されない。ＧａＡｓ、ＧａＮなどからなる基板に形成された半導体発光装置においても同様に適用可能である。

以上、図面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、これら具体例及びこれに付随した変形例に限定されない。化合物半導体装置を構成する基板、裏面金電極、バイアホール、開口部、へきかい面などの形状、材質、サイズなどに関して、当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

本発明の具体例にかかる化合物半導体装置の模式図である。 開口部の第１変形例を表す模式図である。 開口部の第２変形例を表す模式図である。 開口部の第３変形例を表す模式図である。 開口部の第４変形例を表す模式図である。

符号の説明

１ 基板、１２ バイアホール、１４ 裏面金電極、１６ 表面配線層、１８ 開口部、２０ 第１の端面、２２ 第２の端面、１８１及び１８３ 開口部

Claims (5)

1. 化合物半導体からなる基板と、
   前記基板の裏面に設けられ、複数の開口部を有する裏面金電極と、
   を備え、
   前記複数の開口部はメッシュ状に設けられ、
   互いに最も近接している前記開口部を結ぶ直線は、前記基板の端面に形成されたへきかい面と非平行であることを特徴とする化合物半導体装置。
2. 前記複数の開口部は、第１の直線に延在した第１の開口部と、前記第１の直線と交差する第２の直線に沿って延在した第２の開口部と、を含むことを特徴とする請求項１記載の化合物半導体装置。
3. 前記直線は、前記へきかい面と略４５度または１３５度の交差角をなすことを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体装置。
4. 前記基板の表面に形成された表面配線層をさらに備え、
   前記基板には、前記表面から前記裏面まで貫通するバイアホールが形成され、
   前記裏面金電極は、前記バイアホールの側壁に延在し、前記表面配線層に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の化合物半導体装置。
5. 前記基板は、半絶縁性であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の化合物半導体装置。

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