(57)【要約】【課題】高い信頼性を有し、小型化が容易な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、半導体積層体と、電極と、金属配線端子部と、接合金属層と、を有する。前記半導体積層体は、第１の面に、動作層と、前記動作層の外側に設けられた導電層と、を有する。前記電極は、一方の端部が前記動作層の所定領域に接続される。前記金属配線端子部は、前記第１の面のうちの前記動作層の外側に、一方の端部が設けられる。前記接合金属層は、前記第１の面とは反対の側となる前記半導体積層体の第２の面に設けられる。前記導電層は、前記電極の他方の端部と、前記金属配線端子部の前記一方の端部と、にそれぞれ接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面に、動作層と、前記動作層の外側に設けられた導電層と、を有する半導体積層体と、
一方の端部が前記動作層の所定領域に接続された電極と、
前記第１の面のうちの前記動作層の外側に、一方の端部が設けられた金属配線端子部と、
前記第１の面とは反対の側となる前記半導体積層体の第２の面に設けられた接合金属層と、
を備え、
前記導電層は、前記電極の他方の端部と、前記金属配線端子部の前記一方の端部と、にそれぞれ接続された半導体装置。    
【請求項２】
前記電極は、入力電極と、出力電極と、接地電極と、を含み、
前記金属配線端子部は、第１端子部と、第２端子部と、第３端子部と、を含み、
前記導電層は、前記入力電極の一方の端部と、前記第１端子部の一方の端部と、にそれぞれ接続された第１領域と、前記出力電極の一方の端部と、前記第２端子部の一方の端部と、にそれぞれ接続された第２領域と、前記接地電極の一方の端部と、前記第３端子部の一方の端部と、にそれぞれ接続された第３領域と、を含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接合金属層と前記第３端子部とは、前記半導体積層体の内部に設けられた貫通部を介して導通された請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属配線端子部の前記第１端子部は、前記半導体積層体の前記第１の面から前記第２の面に到達するように前記半導体積層体の内部に設けられた第１貫通部を含み、
前記金属配線端子部の前記第２端子部は、前記半導体積層体の前記第１の面から前記第２の面に到達するように前記半導体積層体の内部に設けられた第２貫通部を含む請求項２または３に記載の半導体装置。  
【請求項５】
前記金属配線端子部の第１端子部は、前記一方の端部とは反対の側に設けられ、前記半導体積層体の側面に延在する他方の端部を有し、
前記金属配線端子部の第２端子部は、前記一方の端部とは反対の側に設けられ、前記半導体積層体の側面に延在する他方の端部を有する請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記動作層と、前記導電層と、の間に設けられ、漏洩電流を遮断する分離領域をさらに備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記分離領域は、高抵抗層であるか、または動作層が除去された溝部である請求項６記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源回路、車載電子機器、衛星通信基地局などにおいて、半導体装置の小型化に対する要求がますます増えつつある。
【０００３】
半導体装置をＣＳＰ（Chip  Size  Package）構造とすると、小型化が容易となる。たとえば、半導体装置の電極とパッケージの端子とをボンディングワイヤなどで接続することなく、チップ上で配線を行えばＳＭＤ（Surface  Mounted Device)構造とでき、回路基板への接合が容易であり機器の小型化が可能となる。
【０００４】
半導体装置を回路基板に接合する場合、Ｓｎ−Ａｇ系半田材、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田材、ＡｕＳｎなどの共晶半田材などの鉛フリー半田材、が用いられる。または、金属間の相互拡散を用いてもよい。
【０００５】
もしも、半田材や金属相互拡散層などを構成する金属が、接合箇所から半導体装置の電極まで拡散すると電極の組成が変化することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３２８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高い信頼性を有し、小型化が容易な半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の半導体装置は、半導体積層体と、電極と、金属配線端子部と、接合金属層と、を有する。前記半導体積層体は、第１の面に、動作層と、前記動作層の外側に設けられた導電層と、を有する。前記電極は、一方の端部が前記動作層の所定領域に接続される。前記金属配線端子部は、前記第１の面のうちの前記動作層の外側に、一方の端部が設けられる。前記接合金属層は、前記第１の面とは反対の側となる前記半導体積層体の第２の面に設けられる。前記導電層は、前記電極の他方の端部と、前記金属配線端子部の前記一方の端部と、にそれぞれ接続される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図２】Ｂ−Ｂ線に沿ったＧａＮ  ＨＥＭＴの模式断面図である。
【図３】第１の実施形態の変形例にかかる半導体装置の模式平面図である。
【図４】図４（ａ）は回路基板に実装された第１の実施形態の半導体装置の模式平面図、図４（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
【図５】図５（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体装置の模式平面図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図６】図６（ａ）は第３の実施形態の半導体装置を回路基板に実装した模式平面図、図６（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
【図７】第４の実施形態にかかる半導体装置の模式断面図である。
【図８】第５の実施形態にかかる半導体装置の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
半導体装置５は、半導体積層体１０と、電極３０と、金属配線端子部４２、４４、４６と、接合金属層１４と、を有する。
【００１１】
また、半導体積層体１０は、第１の面１０ａと、第１の面１０ａとは反対の側の第２の面１０ｂと、側面１０ｃと、を含む。また、半導体積層体１０は、第１の面１０ａに、動作層１６と、動作層１６の外側に設けられた導電層と、を有する。
【００１２】
電極３０は、たとえば、入力電極３２と、出力電極３４と、接地電極３６と、を含むことができる。入力電極３２の一方の端部と、出力電極３４の一方の端部と、接地電極３６の一方の端部と、は、動作層１６の上に設けられ、それぞれ所定の領域に接続される。
【００１３】
金属配線端子部は、たとえば、第１端子部４２と、第２端子部４４と、第３端子部４６と、を含むことができる。なお、第１の実施形態において、金属配線端子部は、半導体積層体１０の第１の面１０ａのうち、動作層１６の外側（平面視）に設けられる。
【００１４】
導電層は、たとえば、第１領域２０と、第２領域２２と、第３領域２４と、を有することができる。導電層の第１領域２０には、金属配線端子部の第１端子部４２と、入力電極３２の他方の端部と、がそれぞれ接続される。導電層の第２領域２２には、金属配線端子部の第２端子部４４と、出力電極３４の他方の端部と、がそれぞれ接続される。導電層の第３領域２４には、金属配線端子部の第３端子部４６と、接地電極３６の他方の端部と、がそれぞれ接続される。
【００１５】
導電層の第１、第２、第３領域２０、２２、２４は、ボンディングワイヤの代わりとして動作層１６の所定の領域に接続されたそれぞれの電極とそれぞれの端子部とを接続するために設けられるので、低抵抗層であることが好ましい。たとえば、動作層１６の２次元電子ガス層が低抵抗であれば動作層１６と同一組成でよい。また、イオン注入法やエピタキシャル成長法を用いれば、動作層１６よりも高濃度層とすることができる。  
【００１６】
接合金属層１４は、半導体積層体１０の第２の面１０ｂに設けられる。また、第１の実施形態において、接合金属層１４と、金属配線端子部の第３領域４６と、は、半導体積層体１０の内部に設けられた金属からなる貫通部４６ｃなどにより電気的に接続されていてもよい。
【００１７】
また、半導体積層体１０には、第１の面１０ａから第２の面１０ｂに到達する第１および第２の貫通部４２ｃ、４４ｃが設けられてもよい。こうすると、金属配線端子部の第１端子部４２は、第１の貫通部４２ｃを介して半導体積層体１０の第２の面１０ｂの引き出し部４２ｄを含むことができる。また、金属配線端子部の第２端子部４４は、第２の貫通部４４ｃを介して第２の面１０ｂの側に引き出し部４４ｄを含むことができる。
【００１８】
なお、動作層１６と導電層２０、２２、２４との間に、動作層１６を囲むように、高抵抗である分離領域２６を設けると、動作層１６から導電層２０、２２、２４への漏洩電流を抑制することができる。たとえば、動作層１６がＧａＮである場合、Ａｒイオンなどを注入すると高抵抗層を形成することができる。なお、分離領域２６の部分をエッチングなどにより除去した溝部とすることもできる。
【００１９】
半導体装置５を、ＧａＡｓ  ＭＥＳＦＥＴ（Metal  Semiconductor  Field  Effect  Transistor)、ＧａＮ  ＨＥＭＴ（High  Electron  Mobility Transistor)などとすることができる。この場合、入力電極３２はゲート、出力電極３４はドレイン、接地電極３６はソースとなる。本図のように、電極がマルチフィンガーを含む場合、３つの電極はいずれかの箇所で、立体的に交差させる必要がある。図１では、ソースである接地電極３６が、エアーブリッジ３６ａによりゲートである入力電極３２を束ねるゲートバス電極４２ｂを跨ぐ構造としてある。
【００２０】
フィンガーに平行な動作層１６の長さは、たとえば、３０〜１００μｍなどとすることができる。なお、半導体装置５は、ＭＭＩＣ（Microwave  Monolithic  Integrated  Circuit)や高周波ダイオードなどであってもよい。電極の数は、半導体装置の種類により変化する。また、半田層を構成する金属の拡散が十分小さい電極がある場合、導電層を省略することができる。
【００２１】
第１の実施形態の半導体装置５は、実装部材にチップを接着し、チップの電極と実装部材の端子部とをボンディングワイヤなどで接続する必要がない。このため、チップを回路基板などに直接接続できる。すなわち、ＣＳＰ（Chip  Size  Package)構造が可能となり、電子機器の小型化が容易となる。なお、動作層１６が設けられる第１の面１０ａの側に封止樹脂や蓋部を設けると内部を保護することができ信頼性を高めることができる。
【００２２】
図２は、Ｂ−Ｂ線に沿ったＧａＮ  ＨＥＭＴの模式断面図である。
ＳｉＣなどからなる支持基板１１にＧａＮ層１２、ＡｌＧａＮなどからなる電子供給層１４、ソースコンタクト層３５、ドレインコンタクト層３３などの半導体層が積層されている。電子供給層１４とＧａＮ層１２との界面近傍は、２次元電子ガス層として作用する。
【００２３】
動作層１６の表面には、ショットキー障壁となるフィンガー状の入力（ゲート）電極３２が設けられる。入力電極３２を挟んで、フィンガー状の接地（ソース）電極３６およびフィンガー状の出力（ドレイン）電極３４が設けられる。ＧａＮは、高い飽和電子速度と絶縁破壊耐圧を有しており、マイクロ波帯以上の周波数において高出力増幅素子として用いることができる。なお、動作層１６は、たとえば、入力電極３２とショットキー障壁を構成するｎ型ＧａＡｓ層などとしてもよい。入力電極３２のゲート長Ｌｇを１μｍ以下に短くすると高い周波数で動作可能である。
【００２４】
図３は、第１の実施形態の変形例にかかる半導体装置の模式平面図である。
フィンガー状の電極と金属配線端子部との間に設けられる導電層２０、２２、２４は、フィンガー毎にそれぞれ分割して配置してもよい。多分割された導電層２０、２２、２４と、動作層１６とする領域のみを残し、他の領域をエッチングなどで除去してもよい。
【００２５】
図４（ａ）は回路基板に実装された第１の実施形態の半導体装置の模式平面図、図４（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
回路基板５４は、ガラスエポキシなどからなる絶縁層５０の表面に、パターニングされた配線層５２が設けられている。半導体装置５がＨＥＭＴである場合、配線層５２は、入力配線層５２ａと、出力配線層５２ｂと、接地配線層５２ｃと、を含む。
【００２６】
回路基板５４をベースメタル５６上に設けると、放熱性を高めることができる。なお、絶縁層５０に貫通孔を設け、接地配線層５２ｃとベースメタル５６とを接続すると、良好な接地とすることができる。
【００２７】
半田層５８は、共晶半田層や金属固溶体層などとすることができる。ＡｕＳｎ（融点：略２８２℃）、ＡｕＧｅ（融点：略３５０℃）、ＡｕＳｉ（融点：略３８０℃）などを含む共晶半田層を用いると鉛フリー接合とすることができる。また、ＳｎとＣｕとを含む接合金属層を用いると、ＳｎとＣｕの相互拡散により金属間化合物を含む固溶体による鉛フリー接合とすることができる。
【００２８】
もし、ボンディングワイヤを用いずに、ＨＥＭＴの電極と、回路基板５４の配線層と、を半田層５８で接続すると、共晶半田層や金属固溶体層などを構成する金属原子が拡散してＨＥＭＴの入力電極３２、出力電極３４、接地電極３６などに入り込み、断線などを生じる場合がある。特にフィンガー状の電極では、ボイドなどによる断線が生じやすい。
【００２９】
第１の実施形態では、チップの動作層１６上の電極と、回路基板５４と接合する金属配線端子部と、の間の半導体積層体１０内の領域に導電層２０、２２、２４を設け、半田層５８の金属原子がＨＥＭＴの電極内まで拡散することを抑制する。但し、動作層１６の半導体は、高濃度であっても、ボンディングワイヤの抵抗値よりも高い抵抗値を有する。動作層１６上の電極３２、３４、３６の端部と、第１、第２、第３端子部４２、４４、４６の端部と、の間の距離Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を、１０〜５０μｍなどと短くすると、半田層を構成するＳｎ、Ａｕ、Ｃｕなどの拡散を抑制可能である。かつ、高周波などの電気信号に対する損失を低減することができる。
【００３０】
図５（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体装置の模式平面図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。  
半導体装置５は、半導体積層体１０と、ゲート領域に接続された入力電極３２と、ドレイン領域に接続されたドレイン電極３４と、ソース領域に接続された接地電極３６と、第１端子部４２と、第２端子部４４と、第３端子部４６と、接合金属層４８と、を有する。
【００３１】
入力電極３２の他方の端部は、複数のフィンガーを束ねるゲートバス電極３２ｂを含むものとする。導電層の第１領域２０は、ゲートバス電極３２ｂと、第１端子部４２と、にそれぞれ接続される。フィンガーに平行な動作層１６の長さＬＣは、３０〜１００μｍなどとする。
【００３２】
出力電極３４の他方の端部は、束ねられて連結部３４ｂとなる。導電層の第２領域２２は、連結部３４ｂと、第２端子部４４と、にそれぞれ接続される。
【００３３】
接地電極３６の他方の端部は、３つのフィンガーが束ねられて連結部３６ｂとなる。導電層２４は、連結部３６ｂと、第３端子部４６と、にそれぞれ接続される。このようにしても、半田層が、入力電極３２、出力電極３４、接地電極３６などに入り込むことが抑制できる。
【００３４】
図６（ａ）は第３の実施形態にかかる半導体装置を回路基板に実装した模式平面図、図６（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
第３の実施形態の半導体装置５の金属配線端子部は、一方の端部とは反対の側に設けられ、半導体積層体１０の側面１０ｃに延在する他方の端部を有する。すなわち、第１端子部４２と、第２端子部４４と、は、半導体装置５の角部に設けられている。このため、半導体装置５を回路基板に実装する場合、半導体積層体１０の第２の面１０ｂの接合金属層１４とベースメタル５６との間と、回路基板５４の入力端子５２ａと半導体装置５の第２端子部４２との間と、回路基板５４の出力端子５２ｂと半導体装置５の第３端子部４４との間と、をそれぞれ半田層５８を用いて接合する。接合金属層１４をベースメタル５６に直接接合すると放熱性を高めることができる。    
【００３５】
図７は、第４の実施形態にかかる半導体装置の模式断面図である。
半田層を構成する金属原子の拡散を阻止する導電層は、たとえば、入力電極３２と第１端子部４２との間と、出力電極３４と第２端子部４４との間と、に設ければよくその位置は限定されない。たとえば、導電層２０は、入力電極３２から連続して設けられたゲートバス電極３２ｂと、貫通部４２ｃとの間に設けることができる。
【００３６】
また、導電層２２は、出力電極３４から連続して設けられた連結部３４ｂと、貫通部４４ｃと、の間に設けることができる。または、引き出し部４２ｄ、４４ｄと、貫通部４２ｃ、４４ｃとの間に、それぞれ設けてもよい。
【００３７】
図８は、第５の実施形態にかかる半導体装置の模式断面図である。
半田層を構成する金属原子の拡散を阻止する導電層は、たとえば、入力電極３２と第１端子部４２との間となる半導体積層体１０の側面１０ｃや、出力電極３４と第２端子部４４との間の半導体積層体１０の側面１０ｃなどに設けてもよい。
【００３８】
第１〜第５の実施形態にかかる半導体装置によれば、ワイヤボンディングが不要な半導体装置が提供される。このため、ＣＳＰ構造が可能となり、信頼性を保ちつつ半導体装置の小型化が可能となる。このような構造を用いた高周波半導体装置により、衛星通信基地局やレーザー装置などの電子機器の小型化が容易となる。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
５  半導体装置、１０  半導体積層体、１０ａ  第１の面、１０ｂ  第２の面、１０ｃ  側面、１４  接合金属層、１６  動作層、２０  （導電層の）第１領域、２２  （導電層の）第２領域、２４  （導電層の）第３領域、２６  分離領域、３２  入力電極、３４  出力電極、３６  接地電極、３６ａ  エアーブリッジ、４２  （金属配線端子部の）第１端子部、４２ｃ  第１貫通部、４４  （金属配線端子部の）第２端子部、４４ｃ  第２貫通部、４６  （金属配線端子部の）第３端子部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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