(57)【要約】【課題】半導体基板の放熱機構を、半導体前工程以外に特別な処理を行うことなく、前記半導体基板の機械的強度を損なうことなく、且つ低コストに実現する。【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板に形成される素子が発生する熱を放熱する放熱機構とを備える半導体装置が提供される。前記放熱機構は、前記素子の周辺に形成され、前記素子が形成される前記半導体基板の表面に設けられた凹型部を有し、前記凹型部は、前記素子とモノリシックに、前記半導体基板の裏面に到達しないように形成され、前記凹型部には、前記半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体が埋め込まれている。【選択図】図１
2011181806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成される素子が発生する熱を放熱する放熱機構と
を備える半導体装置であって、
前記放熱機構は、前記素子の周辺に形成され、前記素子が形成される前記半導体基板の表面に設けられた凹型部を有し、前記凹型部は、前記素子とモノリシックに、前記半導体基板の裏面に到達しないように形成され、前記凹型部には、前記半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体が埋め込まれていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記凹型部は、前記半導体基板表面から前記半導体裏面に向かって、溝状にエッチングすることにより形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記凹型部は、前記半導体基板表面において前記素子に対して対称な位置に２箇所設けられており、溝の伸長方向は、前記素子の電極の長手方向に沿っていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記凹型部は、前記半導体基板表面において前記素子を囲むように４箇所設けられており、そのうち２つの溝は、前記素子に対して対称な位置に、それらの伸長方向が前記素子の電極の長手方向に沿うように形成され、別の２つの溝は、前記素子に対して対称な位置に、それらの伸長方向が前記素子の電極の長手方向に対し垂直方向に沿うように形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体は、導電性を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体は、金属導体であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体を埋め込んだ放熱機構を、電気的に接地していることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体基板は、GaAs、InP、またはGaNの何れかであることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、具体的には、トランジスタなどの能動素子の発熱に対する放熱機構を有する半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の放熱機構に関する従来の技術として、半導体基板表面にある素子の発熱を放熱するために、半導体基板を薄く加工した後、半導体基板の裏面に金属を付けて放熱部とする方式が知られている。しかしながら、この方式では、半導体基板を薄くするため、機械的強度が不足するという新たな問題が生じる。この強度が不足するという問題に対する方式として、金属板もしくは放熱機構を有する別の基板を貼り合わせて半導体基板を補強するという方式、または発熱部分の裏面のみ半導体基板を薄くするという方式が知られている（特許文献１、および非特許文献１を参照）。
【０００３】
従来の放熱方式を、図２および図３を用いて具体的に説明する。
【０００４】
図２は、従来の放熱方式を示す、半導体基板の断面図である。半導体基板１の表面部の近くに発熱部２がある。発熱部２から発熱した熱は、熱流ベクトル５の矢印で示すように半導体基板１内部を拡散し、半導体基板１裏面に到達する。次いで、熱は、伝熱体４を通して放熱される。半導体基板１内の熱伝導率は、半導体基板１の材質に基づいて決まる。
【０００５】
熱抵抗を下げるためには、半導体基板１内で熱が伝達する体積を小さくすればよい。この方式では、半導体基板１を薄くして（例えば数10μm）、半導体基板裏面の伝熱体４から放熱している。伝熱体４の例としては、一般的には、金めっきが挙げられる。この方式は、前述のように半導体基板を薄く加工するため、機械的強度が不足する。
【０００６】
図３は、従来の別の放熱方式を示す断面図である。この方式では、半導体基板１の表面部の近くに発熱部２がある。素子が形成されない半導体基板裏面から発熱部２に向けて半導体基板１を薄く加工した後に、伝熱体６が埋め込まれている。
【０００７】
いずれの例も、半導体基板表面部の近くに形成された素子の発熱を、素子が形成された面の反対側の半導体基板裏面から放熱する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０６−３３４１９７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Steve Marsh著、Practical MMIC Design、Artech House、2006年刊、p.185−188
【非特許文献２】福田・平地共著、ＧａＡｓ電界効果トランジスタの基礎、電子情報通信学会、1992年刊、p.209
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記のような従来技術では、半導体基板の機械的強度を損ねることなく放熱効果を得るためには、半導体基板の裏面を研磨し薄く加工した後に、別の基板と張り合わせ加工を行う処理、あるいは、半導体基板の裏面側から、半導体基板表面側にある発熱部分の位置に合わせて半導体基板の一部をエッチング加工した後に、伝熱体を埋め込んだ放熱機構を形成する処理といった、半導体前工程（ウェハー処理）とは異なる特別な処理を行わなければならなかった。このため、工程期間やコストの増加につながるという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題を鑑みて、半導体基板の放熱機構を、半導体前工程以外に特別な処理を行うことなく、半導体基板の機械的強度を損なうことなく、且つ低コストに実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態は、半導体基板と、半導体基板に形成される素子が発生する熱を放熱する放熱機構とを備える半導体装置であって、放熱機構は、素子の周辺に形成され、素子が形成される半導体基板の表面に設けられた凹型部を有し、凹型部は、素子とモノリシックに、半導体基板の裏面に到達しないように形成され、凹型部には、半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体が埋め込まれていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の一実施形態において、凹型部は、半導体基板表面から半導体裏面に向かって、溝状にエッチングすることにより形成されたものであることを特徴とする。
【００１４】
本発明の一実施形態において、凹型部は、半導体基板表面において素子に対して対称な位置に２箇所設けられており、溝の伸長方向は、素子の電極の長手方向に沿っていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の一実施形態において、凹型部は、半導体基板表面において素子を囲むように４箇所設けられており、そのうち２つの溝は、素子に対して対称な位置に、それらの伸長方向が素子の電極の長手方向に沿うように形成され、別の２つの溝は、素子に対して対称な位置に、それらの伸長方向が素子の電極の長手方向に対し垂直方向に沿うように形成されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の一実施形態において、半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体は、導電性を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の一実施形態において、半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体は、金属導体であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の一実施形態は、半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体を埋め込んだ放熱機構を、電気的に接地していることを特徴とする。
【００１９】
本発明の一実施形態において、半導体基板は、GaAs、InP、またはGaNの何れかであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板の能動素子、または受動素子が形成されている面、すなわち表面側から形成された凹型部を有する放熱機構を備える。この凹型部には、半導体基板より熱伝導率の高い伝熱体が埋め込まれている。これにより、半導体基板の機械的強度を損ねることなく放熱効果を保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態を示す半導体基板の断面図である。
【図２】従来技術を示す半導体基板の断面図である。
【図３】別の従来技術を示す断面図である。
【図４】本発明の原理を説明するための、熱の拡散領域を示す半導体基板の断面図である。
【図５】本発明の原理を説明するための、本発明の一実施形態における熱の拡散領域を示す半導体基板の断面図である。
【図６】本発明の原理を説明するための、半導体基板の断面図の一部を示す図である。
【図７】本発明の一実施例の平面図である。
【図８】本発明の別の実施例の平面図である。
【図９】本発明の別の実施例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を、添付図面を用いて具体的に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態の半導体装置の断面図である。半導体基板１の表面付近に発熱部２がある。発熱部２の周囲には、放熱機構３がある。放熱機構３は、半導体基板１の表面から半導体基板をエッチング加工した凹型部に、半導体基板１より熱伝導度の高い伝熱体を埋め込むことにより形成される。発熱部２からの発熱は、半導体基板１内部を拡散し、放熱機構３に到達する。その後、放熱機構３を構成する伝熱体を通して放熱される。
【００２４】
ここで半導体基板内の発熱部２とは、トランジスタやダイオードなどの能動素子、または抵抗などの受動素子であり、基板表面に平行な一定の面積を持つ発熱部として考えることができる。半導体基板１として、例えばGaAs、InP、またはGaNなどを使用することができ、半導体基板より熱伝導度の高い伝熱体として、例えば金または金を主成分とする合金などを用いることができる。
【００２５】
物体内を熱が伝達する際の熱抵抗は、
【００２６】
【数１】
2011181806.tif 000003
【００２７】
と表すことができる。効果的に放熱するためには、熱抵抗を低減することが必要である。
【００２８】
図４は、本発明の原理を説明するための、熱の拡散領域９を示す半導体基板１の断面図である。図４では、図１と同様に半導体基板１の表面付近に発熱部２があるが、放熱機構３が存在しない点で図１と異なる。図４の発熱部２で発生した熱が半導体基板１内部に拡散する場合の熱抵抗Rthは、
【００２９】
【数２】
2011181806.tif 000004
【００３０】
と表すことができる。ここで、κ1は半導体基板の熱伝導率、hは発熱部２から半導体基板裏面方向への基板表面に対して鉛直方向の距離７、S（h）は発熱部２からの距離hにおける熱が拡散した領域の面積８である。上記の数２からわかるように、熱抵抗は、発熱部２から半導体基板裏面までの、熱が拡散する領域９の体積に依存する値となる。
【００３１】
一方、図５のように本発明に係る放熱機構が存在する場合、図５の発熱部２で発生した熱が拡散する場合の熱抵抗は、半導体基板１の熱抵抗と放熱機構３を構成する伝熱体の熱抵抗との並列抵抗となる。放熱機構３を構成する伝熱体の熱伝導率は、半導体基板１の熱伝導率より高く、放熱機構３を構成する伝熱体の熱抵抗は、半導体基板１の熱抵抗と比べて小さい。したがって、図５の発熱部２で発生した熱が拡散する場合の熱抵抗は、図４の発熱部２で発生した熱が拡散する場合の熱抵抗と比較して、著しく低下する。
【００３２】
図５において、発熱部２から半導体基板裏面方向へ距離h離れた厚さΔhの領域での熱抵抗ΔRthは、半導体基板１の熱抵抗ΔRth1と、放熱機構３を構成する伝熱体の熱抵抗ΔRth2とを用いて、次式のように表すことができる。
【００３３】
【数３】
2011181806.tif 000005
【００３４】
ただし、ΔRth1は、
【００３５】
【数４】
2011181806.tif 000006
【００３６】
であり、ΔRth2は、
【００３７】
【数５】
2011181806.tif 000007
【００３８】
である。ここで、κ2は、放熱機構３を構成する伝熱体の熱伝導率、S1（h）は半導体基板１における発熱部２からの距離hでの熱が拡散した領域の面積、S2（h）は放熱機構３における発熱部２からの距離hでの熱が拡散した領域の面積の合計である。κ1＜＜κ2であれば、ΔRth1＞ΔRth2を実現できるので、ΔRth＜ΔRth1となる。すなわち、距離hにおける熱抵抗ΔRthは、放熱機構３が存在することにより、半導体基板１の熱抵抗ΔRth1よりも小さい抵抗値となる。当然のことながら、ΔRthを距離方向に積分した全体の熱抵抗も、放熱機構３が無い場合に比べて小さくなる。このことから、本発明の放熱機構が熱抵抗を低減する、すなわち放熱効果を有することが示される。
【００３９】
また、図５に示すように、放熱機構３が存在することで熱の拡散領域９が小さくなっている。前述したように、熱抵抗は熱が拡散する領域の体積に依存するから、放熱機構３を設けて熱の拡散領域を低減することで、熱抵抗を低減し、より高い放熱効果を得ることができる。
【００４０】
また、放熱機構３と発熱部２との半導体基板表面に対して水平方向の距離が近いほど、あるいは放熱機構３の半導体基板表面に対して鉛直方向の長さが長いほど、高い放熱効果を得ることができる。
【００４１】
本発明の放熱機構は、半導体基板の能動素子や受動素子が形成されている面、すなわち半導体基板の表面から形成されており、通常の半導体素子形成と同様な一連の工程の中で、半導体基板上の素子とモノリシックに形成することが可能である。例えば、エッチングにより発熱部周囲に、溝状の凹型部を形成し、蒸着により金属を凹型部内に埋め込むことで放熱機構を形成することができる。
【００４２】
図６に示すように、発熱部２から放熱機構３までの半導体基板表面に対して水平方向の距離をa、熱が拡散する領域９の基板表面からの角度をθとすると、熱拡散領域９が放熱機構３に達するときの半導体基板表面に対して鉛直方向の長さｂは、ｂ＝ａ・ｔａｎθとなる。熱が拡散する領域の角度θは４５°以下と考えることができる（非特許文献２を参照）。θ＝４５°の場合、ｂ＝ａとなる。したがって、放熱機構３の半導体基板表面に対して鉛直方向の長さｄは、発熱部２から放熱機構３までの半導体基板表面に対して水平方向の距離ａ以上の値を有することが特に望ましく、また放熱機構３の半導体基板表面に対して鉛直方向の長さｄが長いほど放熱効果は高まる。例えば、発熱部２から放熱機構３までの半導体基板表面に対して水平方向の距離ａが１０μｍの場合、放熱機構３の半導体基板表面に対して鉛直方向の長さｄは、１０μｍ以上の値を有することが望ましいが、２０μｍ以上が更に望ましい。また、発熱部からの距離が離れるにつれて、より長いｄを有する放熱機構３を形成することが放熱機能を得る上で望ましい。
【００４３】
本発明の本実施形態において、半導体基板の薄型加工は不要である。また、本発明の放熱機構は半導体基板の裏面に到達しないため、半導体基板の機械的強度にも影響を与えない。
【００４４】
以下、本発明の特徴を有する実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４５】
図７に、本発明の半導体装置の一実施例の平面図を示す。半導体基板１表面のトランジスタ１０の電極の長手方向に沿って、放熱機構３が形成されている。放熱機構３は、半導体基板内の回路素子とは電気的に絶縁している。したがって、放熱機構３に任意の電位を与えることが可能である。具体的には、本発明の半導体装置の実装時に、放熱機構３を独立の経路で放熱経路に接続できることはもちろんのこと、信号導体、例えばGND信号線に接続して放熱経路とすることも可能である。この場合の放熱機構３とGND信号線との接続は、半導体基板上で接続することが可能であり、また実装時に実装基板あるいはパッケージリードフレームなどを利用して接続することも可能である。
【実施例２】
【００４６】
図８は、本発明の半導体装置の別の実施例の平面図である。実施例１の構成に加えて、半導体基板１表面のトランジスタ１０の電極の長手方向に対して垂直方向に沿って、２個の放熱機構３がさらに形成されている。本実施例では、図８に示すように、４個の放熱機構３が、トランジスタ１０を囲むように形成される。
【実施例３】
【００４７】
図９は、本発明の半導体装置の別の実施例の断面図である。本実施例では、半導体基板１を、実装基板１４にバンプ１２を介してフリップチップ実装している。放熱機構３を構成する伝熱体として、導電性を有する物質を使用することができ、本実施例では、金属導体を使用した。放熱機構３は、半導体基板１上でGND信号線１１と接続している。放熱機構３はさらに、バンプ１２を介して実装基板１４上のGND信号線１３と接続され、GND信号線を放熱経路として利用している。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明により、半導体基板の表面側からの加工のみで構成可能な放熱機構を備える半導体装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  半導体基板
２  発熱部
３  放熱機構
４  伝熱体
５  熱流ベクトル
６  伝熱体
７  発熱部２から半導体基板裏面方向への半導体基板表面に対して鉛直方向の距離
８  発熱部２から半導体基板裏面方向への距離ｈにおける熱が拡散した領域の面積
９  半導体基板１内部において、発熱部２で発生した熱が拡散する領域
１０  トランジスタ
１１  GND信号線
１２  バンプ
１３  GND信号線
１４  実装基板
ａ  発熱部２と放熱機構３との間の半導体基板表面に対して水平方向の距離
ｂ  発熱領域９が放熱機構３に達するときの半導体基板表面に対して鉛直方向の長さ
ｄ  放熱機構３の半導体基板の鉛直方向の長さ
θ  熱が拡散する領域の半導体基板表面からの角度
【図１】
2011181806.tif 000008
【図２】
2011181806.tif 000009
【図３】
2011181806.tif 000010
【図４】
2011181806.tif 000011
【図５】
2011181806.tif 000012
【図６】
2011181806.tif 000013
【図７】
2011181806.tif 000014
【図８】
2011181806.tif 000015
【図９】
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