(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶成長用基板に形成された半導体デバイスの表面に複数個の動作電極が形成されている前記表面と、表面に少なくとも前記動作電極の表面視形状と相似形をなし、該動作電極を受容する凹部が形成されている放熱基板の前記表面とを、絶縁膜を介して接合して成ることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁膜が、熱伝導性が良好な材料から成ることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
前記材料がＡｌＮまたはダイヤモンドであることを特徴とする請求項２の半導体装置。
【請求項４】
前記放熱基板がＣｕまたはＡｌから成ることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体デバイスが、ＧａＮ系半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記半導体デバイスの前記結晶成長用基板が除去されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放熱性に優れた半導体装置に関し、更に詳しくは、放熱性が優れているので大電流駆動が可能であり、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ），バイポーラトランジスタ（ＢＪＴ），ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ），サイリスタ，絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ），ゲートターンオフトランジスタ（ＧＴＯ），ショットキーダイオード，ｐ（ｉ）ｎ接合ダイオードなどに適用可能な構造を備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮなどのＧａＮ系半導体材料は、例えばＧａＡｓ系の材料に比べてそのバンドギャップエネルギが大きく、しかも耐熱度が高く高温動作が優れており、また高周波動作も優れているので、この材料を用いて、ＧａＮ系ＦＥＴの開発研究が進められている。
【０００３】
例えば次のようにしてＧａＮ系のＦＥＴ構造が形成されている。まず、サファイアから成る結晶成長用基板の上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）やガスソース分子線エピタキシャル成長法（ＧＳＭＢＥ法）を適用してＧａＮから成るバッファ層を形成する。
ついで、そのバッファ層の上に、厚み２μｍ程度のアンドープＧａＮ層を形成し、更にその上に、例えばＳｉをｎ型ドーパントとすることにより活性層として機能する厚み２０nm程度のｎ−ＧａＮ層を形成してスラブ層構造にする。
【０００４】
ついで、このスラブ層構造の表面に、例えばプラズマＣＶＤ法により、ＳｉＯ2膜を形成したのち、ホトレジストと化学エッチングを適用してパターニングを行い、前記アンドープＧａＮ層の表面にソース電極用とドレイン電極用の開口箇所をそれぞれ形成し、また、前記ｎ−ＧａＮ層の表面にゲート電極用の開口箇所を形成する。
【０００５】
そして最後に、ソース電極用とドレイン電極用の開口箇所には、例えばＴｉやＡｌなどを蒸着してソース電極とドレイン電極を形成し、またゲート電極用の開口箇所には、例えばＰｔ，Ａｕ，Ｐｄなどを蒸着してゲート電極を形成してＦＥＴ構造にする。
したがって、上記したＦＥＴは、その表面にソース電極，ドレイン電極、およびゲート電極から成る３個の動作電極が突出した状態で形成されており、また全体の裏面側は各半導体層に比べて厚肉のサファイア基板で構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したＦＥＴは電流駆動時に発熱する。とくに、大電流駆動時には、その発熱量が大きくなるため、ＦＥＴ温度は可成り上昇する。しかしながら、上記したＦＥＴでは、その厚みの大半は熱伝導率の低いサファイア基板で占められているため、放熱性は著しく悪い。
【０００７】
そのため、発熱はＧａＮ系半導体に蓄積されてその温度を高めることになり、最悪の場合は、ＧａＮ系半導体の熱破壊を引き起こしてＦＥＴ構造が機能喪失することもある。
したがって、上記したＦＥＴの場合、大電流駆動を実現させるためには、不可避的に放熱性に優れた構造を形成することが必要になる。
【０００８】
本発明は、上記した課題を解決し、放熱性に優れた構造、すなわち大電流駆動が可能である構造になっている半導体装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、結晶成長用基板に形成された半導体デバイスの表面に複数個の動作電極が形成されている前記表面と、表面に少なくとも前記動作電極を受容する凹部が形成されている放熱基板の前記表面とを、絶縁膜を介して接合して成ることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１０】
その場合、前記絶縁膜は、Ａｌまたはダイヤモンドのような熱伝導性が良好な材料から成り、前記放熱基板はＣｕまたはＡｌから成ることを好適とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
半導体デバイスがＦＥＴである場合につき、本発明の半導体装置の１例Ａを図１に示す。
この半導体装置Ａは、後述する半導体デバイスＡ1と同じく後述する放熱基板Ａ2が絶縁膜９を介して接合され、そして半導体デバイスＡ1の製作時に用いた結晶成長用基板１が除去された構造になっている。
【００１２】
半導体デバイスＡ1の接合側表面には、ソース電極Ｓ，ゲート電極Ｇ、およびドレイン電極Ｄから成る動作電極が突出して形成されていて、同時に残りの表面は例えばＳｉＯ2膜６で被覆されている。
一方、放熱基板Ａ2の接合側表面は、半導体デバイスＡ1の接合側表面とネガ−ポジの関係にある凹凸形状になっている。具体的には、少なくとも前記動作電極の位置に対応する表面箇所には、当該動作電極の表面視形状と相似形をなし、かつ若干大きめの凹部８ａが形成されている。
【００１３】
そして、半導体デバイスＡ1と放熱基板Ａ2との各接合側表面のうち、少なくとも動作電極が位置している箇所には絶縁膜９が介在していて、動作電極の相互間における絶縁がとられている。
したがって、この半導体装置Ａの場合、半導体デバイスＡ1からは放熱性の悪いサファイア基板１が除去され、また動作電極が位置する表面には放熱基板Ａ2が接合されているので、全体としての放熱性は優れている。すなわち、発熱が大きくなる大電流駆動を行うことができる。
【００１４】
この半導体装置Ａは次のようにして製造することができる。
まず、半導体デバイスの製作について説明する。
図２で示したように、結晶成長用の基板であるサファイア基板１の上に、例えばＧａＮから成るバッファ層２，アンドープＧａＮ層３，例えばアンドープＡｌＧａＮから成る活性層４，および例えばＳｉドープｎ−ＧａＮから成るコンタクト層５を順次成膜してスラブ層構造体Ａ1−１を製作する。
【００１５】
ついで、このスラブ層構造体Ａ1−１の表面に、例えば熱化学堆積法でＳｉＯ2膜を形成し、そのＳｉＯ2膜にフォトリソグラフィーとドライエッチングを行い、ゲート電極を形成すべき活性層４の表面４ａを表出させたのちＳｉＯ2膜を全て除去し、図３で示したように中間体Ａ1−２を製作する。
ついで、中間体Ａ1−２の全面に再びＳｉＯ2膜６を成膜する。そして、動作電極の形成に移る。
【００１６】
まず、コンタクト層５の上のＳｉＯ2膜６にフォトリソグラフィーとフッ酸を用いたウェットエッチングを行って、ソース電極用とドレイン電極用の開口をそれぞれ形成してコンタクト層５の表面を表出させたのち、そこに例えばスパッタ法でＡｌ，Ｔｉ，Ａｕを順次堆積してコンタクト層５とオーミック接合する所定形状のソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを形成する。また、例えば真空蒸着法でＴａ−Ｓｉなどのオーミック電極材料を堆積して電極形成を行ってもよい。
【００１７】
ついで、表面にリフトオフを施したのち、上記と同様にしてゲート電極を形成すべき箇所のＳｉＯ2膜６に開口を形成したのち、そこにゲート電極Ｇを形成する。なお、ゲート電極Ｇの構成材料としては、例えばＮｉ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ａｕ，Ｗ，Ｔａ，またはこれら材料を組み合わせたもの、およびＳｉを含むシリサイド系合金などを用いることができる。
【００１８】
このようにして、図４で示したように、図１で示した半導体デバイスＡ1の母材であるＧａＮ系ＦＥＴ  Ａ1−３が得られる。このＦＥＴ  Ａ1−３の表面ａ1には所定の平面視形状をしたソース電極Ｓ，ドレイン電極Ｄ，ゲート電極Ｇなどから成る動作電極が突出形成され、全体としては凹凸形状になっている。そして背面側はサファイア基板１のままになっている。
【００１９】
次に放熱基板Ａ2の製作について説明する。
まず、熱伝導率が大きく、放熱性の優れた材料から成る平板を用意する。具体的には、Ｃｕ，Ａｌ，Ｆｅ，ステンレス鋼などの金属平板や、ＡｌＮ，ジルコニア，ダイヤモンドライクカーボン，またはダイヤモンドなどの板が好適である。
この平板７の表面にフォトレジストを塗布してパターニングを行ったのちエッチングを行い、図５で示したように、前記した中間材Ａ1−３の表面ａ1の凹凸形状とネガ−ポジの関係にある凹凸形状の表面を有する中間材Ａ2−１を製作する。
【００２０】
なお、このときに形成される凹凸形状は、次の工程でここに絶縁膜を形成したのち図４で示した半導体デバイスＡ1の凹凸表面ａ1と接合させることとの関係で、当該絶縁膜を形成してもそこに半導体デバイスＡ1の凹凸表面ａ1を受容できるように設定される。例えばゲート電極を受容する凹部８ａは当該ゲート電極の平面視形状より若干大きめに形成し、また深さも若干深く形成する。
【００２１】
ついで、この中間材Ａ2−１の表面に例えばスパッタ法で絶縁膜の材料を被着せしめて所望厚みの絶縁膜９を成膜したのち、例えばリフトオフやドライエッチングを行い、必要としない箇所の絶縁膜部分を除去して、図６で示した凹凸表面ａ2を有する中間材Ａ2−２を製作する。
この中間材Ａ2−２は、ドレイン電極を受容する凹部８ｂには絶縁膜を形成していない事例であり、ドレイン電極は放熱基板に直接接触することになる。各動作電極間の絶縁をとることができさえすれば、ゲート電極を受容する凹部８ａ，ソース電極を受容する凹部８ｃのそれぞれには絶縁膜を形成しなくてもよい。
【００２２】
絶縁膜９の材料としては、電気絶縁性であることは必須要件であるが、その上で熱伝導率が大きい材料であることが好ましい。半導体デバイスＡ1の発熱に対する放熱効果を高めることができるからである。このような材料としては、例えばＡｌＮ，ダイヤモンド，ＴａＯxのような金属系酸化物，ＴｉＮのような金属系窒化物などをあげることができる。
【００２３】
ついで、図７で示したように、図４で示した中間材Ａ1−３の表面ａ1と上記中間材Ａ2−２の表面ａ2とを対向配置する。そして、例えばはんだを用いて両表面ａ1，ａ2を接合して中間材Ａ1−３と中間材Ａ2−２を合体し、図８で示したような中間材Ａ0にする。
そして最後に、中間材Ａ0のサファイア基板１に対して例えばレーザ照射を行う。その結果、サファイア基板１が剥離除去されて、図１で示した本発明の半導体装置Ａが得られる。
【００２４】
なお、上記した説明では、放熱基板として金属基板を用いる事例を示したが、金属基板に代えて、例えばＡｌＮ，ダイヤモンドのように、電気絶縁性であると同時に熱伝導率が大きい絶縁基板を用いることもできる。
このような絶縁基板を用いれば、その表面を加工して、その表面を直接図４で示した中間材Ａ1−３の表面ａ1と接合させることができる。すなわち、図６で示した中間材Ａ2−２の場合のような、表面に絶縁膜９を形成することが不要になる。
【００２５】
また、中間材Ａ0のサファイア基板１を除去する方法としては、上記したレーザ照射の外に、機械的研磨法や、化学的エッチングと組み合わせた研磨法（ＣＭＰ）などを適用することもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の半導体装置は、半導体デバイスの複数個の動作電極が形成された表面である動作電極側には放熱基板が接合された構造になっているので、電流駆動時の発熱に対する放熱性が優れている。換言すれば、大電流駆動が可能な構造になっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の１例Ａを示す断面図である。
【図２】装置Ａの製作時における中間材Ａ1−１を示す断面図である。
【図３】装置Ａの製作時における中間材Ａ1−２を示す断面図である。
【図４】装置Ａの製作時における中間材Ａ1−３を示す断面図である。
【図５】装置Ａの製作時における中間材Ａ2−１を示す断面図である。
【図６】装置Ａの製作時における中間材Ａ2−２を示す断面図である。
【図７】中間材Ａ1−３の表面ａ1と中間材Ａ2−２の表面ａ2を対向配置した状態を示す断面図である。
【図８】中間材Ａ0を示す断面図である。
【符号の説明】
１          結晶成長用基板（サファイア基板）
２          バッファ層
３          ノンドープＧａＮ層
４          活性層
４ａ        活性層の表面
５          コンタクト層
６          ＳｉＯ2膜
７          金属平板
８ａ，８ｂ  凹部
９          絶縁膜
【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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