(57)【要約】【課題】  従来に比べて小型で、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる集積型半導体装置を提供する。【解決手段】  サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａ上に配置された第１素子機能部２６と、一方主面上１０Ａに配置された第１アンテナ部２３と、他方主面１０Ｂに配置された第２素子機能部３６と、他方主面１０Ｂ上に配置された第２アンテナ部３３とを備え、第１素子機能部２６が第１アンテナ部２３に送信用電気信号を送り、第１アンテナ部２３が送信用電気信号に応じた電波を発信し、第２アンテナ部３３がサファイア単結晶基板１０を透過した電波を受信することで、高い周波数の信号を基板の上下面で高精度に処理することができる。【選択図】   図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア単結晶基板と、
前記サファイア単結晶基板の一方主面に形成された第１化合物半導体層と、
前記第１化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、
前記一方主面上に配置され、前記第１素子機能部に電気的に接続された第１アンテナ部と、
前記サファイア単結晶基板の他方主面に形成された第２化合物半導体層と、
前記第２化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部と、
前記他方主面上に配置され、前記第２素子機能部に電気的に接続された第２アンテナ部とを備え、
前記第１素子機能部が前記第１アンテナ部に送信用電気信号を送り、前記第１アンテナ部が前記送信用電気信号に応じた電波を発信し、
前記第２アンテナ部が、前記サファイア単結晶基板を透過した前記電波を受信して、受信した前記電波に応じた受信電気信号を前記第２素子機能部に送り、前記第２素子機能部が前記受信電気信号を処理することを特徴とする集積型半導体装置。
【請求項２】
前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層は、III−Ｖ族化合物半導体を主成分とすることを特徴とする請求項１記載の集積型半導体装置。
【請求項３】
前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体を主成分とすることを特徴とする請求項２に記載の集積型半導体装置。
【請求項４】
前記一方主面に配置された、前記第１素子機能部に電気的に接続された第３素子機能部を有し、
前記第３機能部は、前記一方主面に接合された半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項５】
前記半導体基板は、シリコン単結晶基板であることを特徴とする請求項４に記載の集積型半導体装置。
【請求項６】
１つの前記第１素子機能部に複数の前記第３素子機能部が接続されており、
前記第１素子機能部は、複数の前記第３素子機能部のそれぞれから送られた電気信号を受け取り、受け取った複数の前記電気信号を統合して、複数の前記電気信号が統合された統合電気信号を生成し、生成した前記統合電気信号を前記送信用電気信号として前記第１アンテナ部に送ることを特徴とする請求項４または５記載の集積型半導体装置。
【請求項７】
前記他方主面に配置された、前記第２素子機能部に電気的に接続された第４素子機能部を有し、
前記第４素子機能部は、前記他方主面に接合された半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項８】
前記半導体基板は、シリコン単結晶基板であることを特徴とする請求項７に記載の集積型半導体装置。
【請求項９】
１つの前記第２素子機能部に複数の前記第４素子機能部が接続されており、
前記第２素子機能部は、前記第２アンテナ部から送られた前記受信電気信号を処理し、複数の前記第４素子機能部のそれぞれに応じた複数の分配電気信号を生成して、複数の前記第４素子機能部のそれぞれに前記分配電気信号を送ることを特徴とする請求項７または８記載の集積型半導体装置。
【請求項１０】
前記第１アンテナ部がチップアンテナであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【請求項１１】
前記第２アンテナ部がチップアンテナであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の集積型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積型半導体装置に関する。 
【背景技術】
【０００２】
半導体素子として機能する素子機能部が複数個電気的に接続された集積型半導体装置は、様々な技術分野で利用されている。これら素子機能部を備える複数の半導体チップをなるべく小さな空間に集め、半導体装置全体のサイズを小さくするための集積化技術も、従来から積極的に開発されている。下記特許文献１には、このような集積化技術の一例が開示されている。図３は、特許文献１に記載の集積型半導体装置の概略断面図である。
【０００３】
特許文献１に記載の集積型半導体装置では、インターポーザと呼ばれる中間基板１００の一方主面１００Ａに、素子機能部を備える半導体チップ１１０Ａが実装され、中間基板１００の他方主面１００Ｂに半導体チップ１１０Ｂが実装されている。特許文献１に記載の中間基板１００は、一方主面１００Ａから他方主面１００Ｂまで貫通するビア導体１４０と、ビア導体１４０の一方主面１００Ａ側の端面に形成された電極パッド１４２Ａと、ビア導体１４０の他方主面１００Ｂ側の端面に形成された電極パッド１４２Ｂとを有している。半導体チップ１１０Ａは表面に電極パッド１１２Ａを備え、半田ボール１５０を介してこの電極パッド１１２Ａがビア導体１４０に電気的に接続されている。半導体チップ１１０Ｂも表面に電極パッド１４２Ｂを備え、半田ボール１５０を介して電極パッド１４２Ｂがビア導体１４０に電気的に接続されている。特許文献１に示す例ではこのように、半導体チップ１００Ａと半導体チップ１００Ｂとが、中間基板１００の一方主面１００Ａと他方主面１００Ｂとにそれぞれ実装され、各半導体チップが、ビア導体１４０を介して電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２０３３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の集積型半導体装置のように、中間基板１００に設けたビア導体１４０を介して、複数の半導体チップを電気的に接続する場合には、半導体チップ１１０Ａの電極１１２Ａと、半導体チップ１００Ｂの電極１１２Ｂとに対応するよう、複雑に曲折したビア導体１４０を形成する必要があり、中間基板１００の形成に多大なコストが生じるといった課題があった。また、半導体チップ１１０Ａと半導体チップ１１０Ｂとの間で高周波信号を伝送する場合に、半田ボール１５０やビア導体１４０における抵抗損失やインピーダンス不整合の問題が生じ、半導体チップ間で伝送させる信号の周波数を十分高くすることができないといった課題もあった。また、半導体チップ１１０Ａおよび１１０Ｂ自体の小型化や、接合のための半田ボール１５０の小型化には限界があり、半導体装置全体の小型化に限界があるといった課題があった。本発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、サファイア単結晶基板と、前記サファイア単結晶基板の一方主面に形成された第１化合物半導体層と、前記第１化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部と、前記一方主面上に配置され、前記第１素子機能部に電気的に接続された第１アンテナ部と、前記サファイア単結晶基板の他方主面に形成された第２化合物半導体層と、前記第２化合物半導体層に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部と、前記他方主面上に配置され、前記第２素子機能部に電気的に接続された第２アンテナ部とを備え、前記第１素子機能部が前記第１アンテナ部に送信用電気信号を送り、前記第１アンテナ部が前記送信用電気信号に応じた電波を発信し、前記第２アンテナ部が、前記サファイア単結晶基板を透過した前記電波を受信して受信した前記電波に応じた受信電気信号を前記第２素子機能部に送り、前記第２素子機能部が前記受信電気信号を処理することを特徴とする集積型半導体装置を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の集積型半導体装置は、従来に比べて小型で、素子機能部間で、高い周波数の信号を高精度に伝送することができる。また、本発明の集積型半導体装置は、低いコストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は本発明の集積型半導体装置の一実施形態について説明する概略断面図であり、（ｂ）は概略平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ図１に示す集積型半導体装置の製造方法の一実施形態について説明する概略断面図である。
【図３】従来の集積型半導体装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の集積型半導体装置の一実施形態である集積型半導体装置１（以下、半導体装置１とする）について説明する概略断面図である。半導体装置１は、サファイア単結晶基板１０と、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに形成された第１化合物半導体層２０と、第１化合物半導体層２０に形成された、半導体素子として機能する第１素子機能部２２と、一方主面１０Ａ上に配置され、第１素子機能部２２に電気的に接続された第１アンテナ部２３と、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂ上に形成された第２化合物半導体層３０と、第２化合物半導体層３０に形成された、半導体素子として機能する第２素子機能部３２と、他方主面１０Ｂ上に配置され、第２素子機能部３２に電気的に接続された第２アンテナ部３３とを備えている。
【００１０】
半導体装置１では、第１素子機能部２２が第１アンテナ部２３に送信用電気信号を送り、第１アンテナ部２３が送信用電気信号に応じた電波を発信し、第２アンテナ部３３が、サファイア単結晶基板１０を透過した電波４０を受信する。第２アンテナ部３３からは、受信した電波４０に応じた受信電気信号を第２素子機能部３２に送り、第２素子機能部３２が受信電気信号を処理する。半導体装置１０はこのように、サファイア基板１０の一方主面１０Ａに配置された第１素子機能部２２と、他方主面１０Ｂに配置された第２素子機能部３２との間で、電波を介した情報のやり取りを行う。半導体装置１は、一方主面１０Ａから他方主面１０Ｂへ、導体で形成された電気配線を通じて信号を送る場合に比べ、電極パッドやビア導体における抵抗損失やインピーダンス不整合による信号の劣化が生じ難く、情報通信の精度が高い。
【００１１】
第１化合物半導体層２０および第２化合物半導体層３０は、III−Ｖ族化合物半導体を主成分とする。より具体的には、第１化合物半導体層２０および第２化合物半導体層３０は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体を主成分とする化合物半導体層からなる。第１化合物半導体層２０は、例えばサファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａにエピタキシャル成長されており、第２化合物半導体層３０は、他方主面１０Ｂにエピタキシャル成長されている。III−Ｖ族化合物半導体、特にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体等は、サファイア単結晶と近い格子定数を有している。サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａには、結晶欠陥等が少なく結晶性が高い、第１化合物半導体層２０をエピタキシャル成長させることができる。同様に、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂには、結晶欠陥等が少なく結晶性が高い、第２の化合物半導体層３０をエピタキシャル成長させることができる。第２素子機能部３３は、他方主面１０Ｂにエピタキシャル成長された化合物半導体層３０に形成されている。
【００１２】
第１素子機能部２２および第２素子機能部３２は、公知の半導体素子製造プロセスを経て第１化合物半導体層２０に形成された、電気信号を処理可能な電子デバイス素子構造を有している。III−Ｖ族化合物半導体、特にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体は、広いバンドギャップと直接遷移型のバンド構造を有しており、電子デバイス素子として用いた場合、高周波信号の処理能力が高く、第１アンテナ部２３および第２アンテナ部３３への出力電圧も高くすることができる。
【００１３】
第１アンテナ部２３は、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａ上に配置された、いわゆるチップアンテナからなり、誘電体であるセラミック基体に、金属等からなる導体配線が施されてなる。第１アンテナ部２３は、例えば電気配線層２７を介して第１素子機能部２２に電気的に接続されている。第２アンテナ部３３も同様に、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに配置された、いわゆるチップアンテナからなり、第２アンテナ部３３は、例えば電気配線層３７を介して第２素子機能部３２に電気的に接続されている。第１アンテナ部２３および第２アンテナ部３３は、いわゆるチップアンテナであることに限定されず、例えば、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａや他方主面１０Ｂにそれぞれ形成された、金属層からなる導体パターンによって形成されていてもよく、各アンテナ部の構成については特に限定されない。チップアンテナの場合には、基体表面に形成する３次元的な導体配線の形状を調整することによって、発信する電波の空間的な強度分布や、受信感度の空間的な分布を調整することが可能であり、第１アンテナ部２３と第２アンテナ３３との間での効率的な電波の送受信を実現する点で、チップアンテナを用いることが好ましい。
【００１４】
半導体装置１では、第１化合物半導体層２０に形成された第１素子機能部２２が、高周波かつ高出力の送信用電気信号を第１アンテナ部２３に送り、第１アンテナ部２３から高周波かつ高出力の電波が送信される。サファイア単結晶基板１０は電波を透過し易く、第１アンテナ部２３から送信された電波はサファイア単結晶基板１０を透過し、第２アンテナ部３３が、サファイア単結晶基板１０を透過したこの電波を受信する。第２アンテナ部３３に接続された第２素子機能部３２も、高周波信号の処理能力が高く、第１素子機能部２２から送信された高周波信号に対応する信号を、高速かつ高精度に処理することができる。
【００１５】
本実施形態の半導体装置１は、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに配置された、第１素子機能部２２に電気的に接続された第３素子機能部２６と、他方主面１０Ｂに配置された、第４素子機能部３６とを有している。第３素子機能部２６は、一方主面１０Ａに接合された、いわゆるシリコン半導体素子からなり、第３素子機能部２６は電気信号を処理可能な電子デバイス素子構造を有している。同様に第４素子機能部３６も、他方主面１０Ｂに接合されたシリコン半導体素子からなり、電気信号を処理可能な電子デバイス素子構造を有している。
【００１６】
シリコン半導体素子は、様々な技術分野における様々な電子デバイスで用いられており、シリコン単結晶半導体素子による信号処理を短時間で大量に行うことは、これら電子デバイスにおいて重要である。複数の第３素子機能部２６と複数の第４素子機能部３６とを備える半導体装置１は、様々な電子デバイスにおける複数の信号処理に対応させて用いることができる。例えば電子デバイスにおける複数の機能それぞれの制御情報を同時に受け取り、複数の第３素子機能部２６それぞれで個別に処理することができる。
【００１７】
シリコン単結晶は、例えばIII―Ｖ族半導体と比べてバンドギャップも狭く、また間接遷移型の結晶構造である。このため、シリコン単結晶基板に形成された第３素子機能部２６の電子デバイス構造は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物系半導体を用いた第１素子機能部２２の電子デバイス構造に比べると、処理できる信号の周波数が低く、また、信号の出力電圧も小さい。III―Ｖ族半導体に形成された第１素子機能部２２は、複数の第３素子機能部２６それぞれで処理された信号を、一括して同時に処理することが可能であり、同様に第２素子機能部３２は、複数の第４素子機能部３６それぞれで同時に処理される信号を、一括して同時に処理することが可能となっている。
【００１８】
半導体装置１では、１つの第１素子機能部２２に複数の第３素子機能部２６が接続されている。第１素子機能部２２および複数の第３素子機能部には、それぞれ図示しない電極が設けられており、第１素子機能部２２および複数の第３素子機能部２６は、電極間に設けられたボンディングワイヤ２９によって電気的に接続されている。
【００１９】
第１素子機能部２２は、複数の第３素子機能部２６の各々から送られた電気信号を受け取り、受け取った複数の電気信号を統合して、複数の電気信号が統合された統合電気信号を生成する。第１素子機能部３３は、生成した統合電気信号を送信用電気信号として第１アンテナ部２３に送る。第１素子機能部２２は、第３素子機能部２６に比べて信号の処理能力が高く、複数の第３素子機能部２６から送られた電気信号を同時に処理し、周波数が高く単位時間当たりの情報密度が高い統合電気信号を生成することができる。また第３素子機能部２６は出力できる電圧も高く、サファイア単結晶基板１０を透過できる十分な強度の電波を、第１アンテナ部２３を介して送信することができる。
【００２０】
サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに配置された１つの第２素子機能部３３にも、ボンディングワイヤ３９を介して複数の第４素子機能部３６が電気的に接続されている。第２素子機能部３２は、第２アンテナ部３３から送られた受信電気信号を処理し、複数の第４素子機能部３６のそれぞれに応じた複数の分配電気信号を生成する。上述のように、化合物半導体層に形成された第２素子機能部３２は、シリコン単結晶基板に形成された第４素子機能部３６に比べて、信号の処理能力が高い。第２素子機能部３２は、複数の第３素子機能部２６から送られた電気信号が統合された統合電気信号に対応する、第２アンテナ部３３から送られた受信信号を短時間で処理して、複数の第４素子機能部３６のそれぞれに応じた複数の分配電気信号を同時に生成することができる。
【００２１】
半導体装置１は、例えば以下のような手順で作製することができる。図２は、半導体装置１の製造方法について説明する概略断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、サファイア単結晶基板１０を準備し、このサファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａの側に、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法等の公知の手法を用い、バッファ層、クラッド層、導電層など、材料比率が異なる複数のエピタキシャル層が積層された、III−Ｖ族半導体からなる第１化合物半導体層２０を形成する。
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すように、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂの側に、同様に、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法等の公知の手法を用い、バッファ層、クラッド層、導電層など、材料比率が異なる複数のエピタキシャル層を積層することで、第２化合物半導体層３０を形成する。
【００２３】
次に、図２（ｃ）に示すように、エピタキシャル成長によって形成した化合物半導体層に、フォトリソグラフィーやエッチングなどの各種半導体形成プロセスを施し、第１素子機能部２２と、電気配線層２７とを形成する。この際、例えば第１素子機能部２２以外の領域の第１化合物半導体層２０をエッチング除去し、その後、蒸着法等を用いて金属薄膜層からなる電気配線層２７を形成すればよい。
【００２４】
その後、図２（ｄ）に示すように、第１素子機能部２２と電気配線層２７とを被覆するように、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａの側全体に、例えば樹脂や金属酸化物等の絶縁性保護膜５６を形成する。次に、絶縁性保護膜５６によって第１素子機能部２２と電気配線層２７とが物理的に保護された状態で、他方主面１０Ｂに形成された第２化合物半導体層３０に、フォトリソグラフィーやエッチングなどの各種半導体形成プロセスを施し、第２素子機能部３２と電気配線層３７とを形成した後、絶縁性保護膜５６をエッチング等により除去する（図２（ｅ）に示す状態）。
【００２５】
次に、図２（ｆ）に示すように、シリコン半導体素子からなる第３素子機能部２６を、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに接合した後、同様に、シリコン半導体素子からなる第４素子機能部３６を、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに接合する。サファイア基板１０に対するシリコン半導体素子の接合技術としては、接合する対象面の表面を活性化して接合する方法、および静電気力を利用して接合する方法等が挙げられる。表面を活性化する方法としては、サファイア単結晶基板１０の表面と、半導体素子の接合する対象面を、例えば真空中でイオンビームを照射して表面をエッチングして活性化する方法や、化学溶液で接合する対象面の表面をエッチングして活性化する方法などが挙げられる。表面を活性化させる接合方法は、原子間力などを利用したいわゆる固相接合であり、サファイア単結晶基板１０と、第３素子機能部２６および第４素子機能部のシリコン半導体基板とが、直接的に接合されている。このような表面を活性化して行う接合では、接合部分が例えば１００℃以下と比較的低温であっても、サファイア単結晶基板１０とシリコン半導体素子とを十分に強い強度で接合することができる。
【００２６】
その後、図２（ｆ）に示すように、公知のワイヤボンディング装置等を用いてボンディングワイヤ２９を形成して、第３素子機能部２６と第１素子機能部２２とを接続し、さらに、ボンディングワイヤ３９を形成して、第４素子機能部３６と第２素子機能部３２とを接続する。
【００２７】
その後、図２（ｇ）に示すように、サファイア単結晶基板１０の一方主面１０Ａに、チップアンテナからなる第１アンテナ部２３を、例えばフリップチップボンディング法等を用いて実装するとともに、サファイア単結晶基板１０の他方主面１０Ｂに、チップアンテナからなる第２アンテナ部３３を実装する。半導体層装置１０は、例えばこのようなプロセスを経て作製することができる。
【００２８】
以上、本発明の集積型半導体装置の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。半導体基板の材質、化合物半導体層の材質、素子機能部が有する素子構造や、集積型半導体装置の製造方法など、本発明の実施形態は特に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００２９】
１  半導体装置
１０  サファイア単結晶基板
１０Ａ  一方主面
１０Ｂ  他方主面
２０  第１化合物半導体層
２２  第１素子機能部
２３  第１アンテナ部
２６  第３素子機能部
２７、３７  電気配線層
２９  ボンディングワイヤ
３０  第２化合物半導体層
３２  第２素子機能部
３３  第２アンテナ部
３６  第４素子機能部
４０  電波４０
【図１】
2013098326.tif 000003
【図２】
2013098326.tif 000004
【図３】
2013098326.tif 000005