半导体装置的制作方法

1.本发明涉及半导体装置。


背景技术：

2.在主要使用于无线通信设备的功率放大器(power amplifier)中，要求输出的提高、小型化等。构成功率放大器的放大元件例如使用异质结双极晶体管(hbt)等晶体管。为了使功率放大器的输出提高，较强地要求散热性的提高。
3.在下述的专利文献1中公开有能够抑制热应力的半导体装置。在专利文献1所记载的半导体装置中，在基板上形成有hbt，在hbt的发射极电极经由发射极布线以及发射极再布线层连接有凸块。发射极布线以及发射极再布线层成为导热路径，在hbt产生的热从发射极电极通过导热路径传导至凸块。
4.专利文献1：日本特开2019－149485号公报
5.伴随着功率放大器的输出的提高，期望进一步提高散热性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供能够提高散热性的半导体装置。
7.根据本发明的一观点，提供一种半导体装置，具备：
8.基板；
9.晶体管，设置在上述基板上；
10.动作电极，配置在上述晶体管上，并使动作电流流过上述晶体管；以及
11.多个层间绝缘膜和多个导体膜，交替地层叠在上述晶体管以及上述动作电极上，
12.在上述多个层间绝缘膜的各个层间绝缘膜设置有开口，
13.当从上述基板侧观察时，第一层的层间绝缘膜的开口具有在第一方向上较长的形状，并且在俯视时被包含于上述动作电极，
14.第一层的导体膜在俯视时包含第一层的层间绝缘膜的开口，并且通过第一层的层间绝缘膜的开口与上述动作电极连接，
15.第二层的层间绝缘膜的开口在俯视时被包含于第一层的导体膜，当从第一层的层间绝缘膜的开口观察与上述第一方向正交的第二方向时，第二层的层间绝缘膜的开口的侧面配置在比第一层的层间绝缘膜的开口的侧面远的位置，
16.第二层的导体膜在俯视时包含第二层的层间绝缘膜的开口，并且通过第二层的层间绝缘膜的开口与第一层的导体膜连接，
17.沿着上述第一方向对从第一层的层间绝缘膜的开口到第二层的层间绝缘膜的开口的侧面为止的与上述第一方向正交的第二方向上的距离进行平均后的值在从第一层的层间绝缘膜的开口的上侧开口面到第二层的层间绝缘膜的开口的下侧开口面为止的高度方向上的距离以上。
18.热从动作电极通过第一层的导体膜传导至第二层的导体膜。通过如上述那样配置
第一层的层间绝缘膜的开口以及第二层的层间绝缘膜的开口，能够使热从动作电极通过第一层的导体膜高效地传导至第二层的导体膜。由此，能够提高从晶体管的散热性。
附图说明
19.图1是第一实施例的半导体装置的示意俯视图。
20.图2是图1的单点划线2－2处的剖视图。
21.图3是表示第一实施例的一变形例的半导体装置的多个开口的俯视图。
22.图4是表示第一实施例的其它变形例的半导体装置的多个开口的俯视图。
23.图5是表示第一实施例的另外的其它变形例的半导体装置的多个开口的俯视图。
24.图6是第二实施例的半导体装置的剖视图。
25.图7是第三实施例的半导体装置的示意俯视图。
26.图8是第四实施例的半导体装置的示意俯视图。
27.图9是图8的单点划线9－9处的剖视图。
28.图10是第五实施例的半导体装置的示意剖视图。
29.附图标记说明：20
…
基板，21
…
子集电极层，21a
…
元件形成区域，21b
…
元件分离区域，30
…
异质结双极晶体管(hbt)，30b
…
基极层，30c
…
集电极层，30e
…
发射极层，30bm
…
基极台面部，30em
…
发射极台面部，31
…
动作区域，35b
…
基极电极，35c
…
集电极电极，35e
…
发射极电极(动作电极)，41c
…
集电极布线，41e
…
第一层的发射极布线(导体膜)，42e
…
第二层的发射极布线(导体膜)，43e
…
第三层的发射极布线(导体膜)，45
…
凸块，45a
…
下凸块金属，45b
…
导体凸块，45c
…
焊料层，46
…
焊线，61、62
…
层间绝缘膜，62a
…
开口，63
…
层间绝缘膜，63a
…
开口，64
…
层间绝缘膜，64a
…
开口，65
…
保护膜，65a
…
开口。
具体实施方式
30.[第一实施例]
[0031]
参照图1以及图2，对第一实施例的半导体装置进行说明。
[0032]
图1是第一实施例的半导体装置的示意俯视图。在基板上配置有多个晶体管30。定义将基板的表面设为xy面，将基板的法线方向设为z方向的xyz正交坐标系。多个晶体管30在x方向上并排地配置。多个晶体管30的各个是包括集电极、基极以及发射极的异质结双极晶体管(hbt)。
[0033]
第一层的导体膜(发射极布线41e)被配置成在俯视时包含多个晶体管30。在图1中对第一层的发射极布线41e附加向右上倾斜的影线。第一层的发射极布线41e通过设置于其下的层间绝缘膜的开口62a与晶体管30的发射极连接。按照每个晶体管30设置开口62a，各开口62a具有在y方向上较长的形状。例如，开口62a各自的俯视时的形状是y方向上较长的长方形、圆角长方形或者跑道形状。无论在哪种情况下，开口62a各自的边缘都包含与y方向平行的两个部分、和在x方向上将这两个部分的端部彼此连接的部分。
[0034]
并且，第二层的导体膜(发射极布线42e)被配置成在俯视时包含第一层的发射极布线41e。在图1中，对第二层的发射极布线42e附加比发射极布线41e稀疏的向右下倾斜的影线。第二层的发射极布线42e通过设置于配置在其下的层间绝缘膜的开口63a与第一层的发射极布线41e连接。在俯视时，开口63a具有在x方向上较长的形状，一个开口63a包含多个
开口62a。例如，开口63a的俯视时的形状是x方向上较长的长方形或者圆角长方形。无论在哪种情况下，开口63a的边缘都包含与x方向平行的两个部分和与y方向平行的两个部分。
[0035]
将从多个开口62a中的位于两端的开口62a到开口63a的边缘(侧面)为止的x方向上的距离记为mx。将从多个开口62a的各个到开口63a的边缘(侧面)为止的y方向上的距离记为my。
[0036]
并且，凸块45被配置成包含第二层的发射极布线42e。在第二层的发射极布线42e与凸块45之间配置有保护膜，在保护膜设置有开口65a。凸块45通过开口65a与第二层的发射极布线42e连接。开口65a在俯视时被包含于第二层的发射极布线42e且包含开口63a。
[0037]
图2是图1的单点划线2－2处的剖视图。在由半绝缘性的gaas构成的基板20上配置有由gaas构成的子集电极层21。子集电极层21被划分为由n型gaas等构成的元件形成区域21a、和进行了绝缘化的元件分离区域21b。
[0038]
在元件形成区域21a上配置有多个晶体管30。在图2中，仅示出一个晶体管30。多个晶体管30的各个包括基极台面部30bm、和配置在其上表面的一部分区域上的发射极台面部30em。发射极台面部30em在俯视时具有在y方向上较长的形状。基极台面部30bm包括从基板20侧起依次层叠的集电极层30c、基极层30b以及发射极层30e。例如，集电极层30c由n型gaas形成，基极层30b由p型gaas形成，发射极层30e由n型ingap形成。发射极台面部30em例如包括由高浓度的n型gaas构成的层、和配置在其上的由高浓度的n型ingaas构成的层。
[0039]
在发射极台面部30em上配置有发射极电极35e。发射极电极35e经由发射极台面部30em与发射极层30e连接。发射极电极35e也与发射极台面部30em相同地在俯视时具有在y方向上较长的形状。发射极电极35e例如由ti形成。
[0040]
在基极台面部30bm的上表面中的未配置发射极台面部30em的区域配置有基极电极35b。在图2所示的剖面中，基极电极35b配置于在x轴方向上夹着发射极台面部30em的位置，并经由贯通发射极层30e的合金化区域与基极层30b连接。基极电极35b例如由从下向上依次层叠的ti膜、pt膜以及au膜这三层构成。
[0041]
在元件形成区域21a的上表面中的未配置基极台面部30bm的区域配置有集电极电极35c。集电极电极35c经由元件形成区域21a与集电极层30c连接。集电极电极35c例如由从下向上依次层叠的auge膜、ni膜以及au膜这三层构成。
[0042]
在集电极层30c、基极层30b以及发射极层30e中的在俯视时与发射极台面部30em重叠的区域实际流过动作电流。将实际流过动作电流的区域称为动作区域31。在图2中，以虚线示出动作区域31。将发射极电极35e称为动作电极。动作电极由与晶体管30的半导体区域相比热传导率较高的导电材料例如金属形成。若使晶体管30动作，则主要在动作区域31产生发热。
[0043]
层间绝缘膜61被配置成覆盖子集电极层21、晶体管30、集电极电极35c、基极电极35b以及发射极电极35e。层间绝缘膜61例如由sio、sin等无机绝缘材料形成。在层间绝缘膜61上配置有第一层的集电极布线41c。集电极布线41c通过设置于层间绝缘膜61的开口与集电极电极35c连接。集电极布线41c例如由ti膜和其上的au膜这两层构成。
[0044]
层间绝缘膜62被配置成覆盖层间绝缘膜61以及集电极布线41c。层间绝缘膜62与其下的层间绝缘膜61相同地由sio、sin等无机绝缘材料形成。在层间绝缘膜61、62这两层设置有开口62a。开口62a在俯视时被包含于发射极电极35e，具有在y方向上较长的形状。在开
口62a中以及层间绝缘膜62上配置有第一层的发射极布线41e。第一层的发射极布线41e通过开口62a与发射极电极35e连接。发射极布线41e例如由ti膜和其上的au膜这两层构成。第一层的发射极布线41e在俯视时与第一层的集电极布线41c重叠，但在重叠位置两者通过层间绝缘膜62而相互绝缘。
[0045]
在发射极电极35e以及基极电极35b与第一层的发射极布线41e的重叠位置，也可以将层间绝缘膜61、62这两层集中认为是第一层的层间绝缘膜。
[0046]
在第一层的发射极布线41e上配置有层间绝缘膜63。层间绝缘膜63包括由sio、sin等无机绝缘材料构成的无机绝缘膜、和其上的由聚酰亚胺、苯并环丁烯等有机绝缘材料构成的有机绝缘膜这两层。此外，也可以使第一层的发射极布线41e之下的层间绝缘膜62由无机绝缘膜和有机绝缘膜这两层构成。
[0047]
在层间绝缘膜63设置有开口63a。开口63a在俯视时被包含于第一层的发射极布线41e。在开口63a中以及层间绝缘膜63上配置有作为第二层的导体膜的发射极布线42e。第二层的发射极布线42e例如由ti膜和其上的au膜这两层构成。也可以代替au膜而使用cu膜或者al膜。第二层的发射极布线42e通过开口63a与第一层的发射极布线41e连接。
[0048]
在第二层的发射极布线42e上配置有保护膜65。在保护膜65设置有开口65a。开口65a在俯视时被包含于第二层的发射极布线42e。保护膜65由无机绝缘膜和有机绝缘膜这两层构成。在开口65a中以及保护膜65上配置有凸块45。凸块45由下凸块金属层45a、其上的导体柱45b以及最上方的焊料层45c这三层构成。
[0049]
凸块45通过开口65a与第二层的发射极布线42e连接。下凸块金属层45a例如使用ti、tiw等高熔点金属。导体柱45b例如使用铜(cu)。焊料层45c使用锡(sn)、snag等含sn的焊料。此外，为了防止焊料层45c的焊料材料向导体柱45b热扩散，也可以在导体柱45b与焊料层45c之间配置扩散防止层。作为扩散防止层，能够使用ni、ti、w、tiw等。
[0050]
通过连接凸块45与模块基板(安装基板)的焊盘，半导体装置与模块基板电连接并且机械连接。在晶体管30的动作时，从子集电极层21的元件形成区域21a朝向发射极电极35e流过动作电流。因此，在使用晶体管30作为信号放大用的功率晶体管的情况下，主要动作区域31成为发热源。在动作区域31产生的热通过由发射极电极35e、第一层的发射极布线41e、第二层的发射极布线42e以及凸块45构成的散热路径传导至模块基板。
[0051]
接下来，对用于确保良好的散热特性的开口62a与开口63a的优选的位置关系进行说明。在动作区域31产生的热通过发射极电极35e、开口62a内的发射极布线41e、层间绝缘膜62上的发射极布线41e、开口63a内的发射极布线42e、层间绝缘膜63上的发射极布线42e传导至凸块45。第一层的发射极布线41e作为使热从发射极电极35e传导至第二层的发射极布线42e的散热器发挥作用。
[0052]
在开口62a内的发射极布线41e中沿高度方向(z轴的正向)进行传导的热在通过了开口62a的上侧的开口面之后，在沿基板20的面内方向扩散的同时，沿高度方向进行传导。为了提高散热效果，优选散热器扩展至相对于高度方向至少倾斜45
°
的方向。即，优选在与y方向垂直的剖面中，从开口62a的侧面的上端p1朝向开口63a的侧面的下端p2的向量h与z轴正方向所成的角度θ在45
°
以上。
[0053]
从开口62a到开口63a的侧面为止的x方向上的距离相当于图1的距离mx。将从开口62a的上侧开口面到开口63a的下侧开口面为止的z方向(高度方向)上的距离记为mz。开口
62a的上侧开口面的z方向上的位置与层间绝缘膜62中的与开口62a相邻的部分的上表面的位置相等。开口63a的下侧开口面的z方向上的位置与层间绝缘膜63中的与开口63a相邻的部分的下表面的位置相等。使角度θ在45
°
以上等效于使横向上的距离mx在高度方向上的距离mz以上。在第一实施例中，开口62a、63a被配置成x方向上的距离mx在高度方向上的距离mz以上。
[0054]
接下来，对从多个开口62a的各个到开口63a的侧面为止的y方向上的距离my(图1)与高度方向上的距离mz的关系进行说明。y方向上的距离my在多个开口62a之间相同。开口62a、63a被配置成y方向上的距离my在高度方向上的距离mz以上。
[0055]
在开口62a以及开口63a的侧面相对于xy面倾斜的情况下，采用x方向上的距离mx最短的位置作为测定距离mx的基准点。关于y方向上的距离my也相同。
[0056]
接下来，对第一实施例的优异的效果进行说明。在第一实施例中，作为散热器发挥作用的部分的横向的距离mx、my比高度方向上的距离mz长，所以能够使在动作区域31产生的热高效地传导。此外，开口62a在俯视时具有在y方向上较长的形状，所以在动作区域31产生的热沿高度方向进行传导时，沿x方向扩展的导热量比沿y方向扩展导热量大。因此，与使y方向上的距离my在高度方向上的距离mz以上相比，使x方向上的距离mx比高度方向上的距离mz长能够得到更大的效果。
[0057]
并且，开口65a在俯视时包含开口63a，所以从第一层的发射极布线41e经由第二层的发射极布线42e到达凸块45的导热路径的开口部分的剖面积从热流的上游朝向下游逐渐增大。因此，能够使在动作区域31产生并传导至第一层的发射极布线41e的热高效地传导至凸块45。
[0058]
接下来，参照图3、图4、图5对第一实施例的变型例进行说明。
[0059]
图3是表示第一实施例的一变形例的半导体装置的多个开口62a以及开口63a的俯视图。在第一实施例中，分别将开口63a的边缘中的与y方向平行的直线部分以及与x方向平行的直线部分作为测定x方向上的距离mx以及y方向上的距离my的基准。与此相对，在本变形例中，在俯视时，开口63a的边缘具有使长方形的各边向外侧膨胀的形状。
[0060]
因此，从在x方向上排列的多个开口62a中的配置在两端的开口62a到开口63a的边缘为止的x方向上的距离并不恒定。该情况下，采用沿着y方向对从开口62a到开口63a的侧面为止的x方向上的距离进行平均后的值作为距离mx即可。另外，y方向上的距离my也在多个开口62a之间并不相同。该情况下，采用遍及多个开口62a对从多个开口62a的各个到开口63a的边缘(侧面)为止的y方向上的距离进行平均后的值作为距离my即可。
[0061]
图4是表示第一实施例的其它变形例的半导体装置的多个开口62a以及开口63a的俯视图。在第一实施例中，多个开口62a的端部的y方向上的位置在多个开口62a之间一致。与此相对，在本变形例中，多个开口62a的端部的y方向上的位置在多个开口62a之间有偏差。在该情况下，也与图3所示的变形例相同，采用遍及多个开口62a对从多个开口62a的各个到开口63a的边缘(侧面)为止的y方向上的距离进行平均后的值作为距离my即可。
[0062]
图5是表示第一实施例的另外的其它变形例的半导体装置的多个开口62a以及开口63a的俯视图。在第一实施例中，多个开口62a被配置成一列，但在本变形例中，多个开口62a沿x方向排列配置成两列。一列开口62a的位置与另一列开口62a的位置在x方向上偏移。即，从配置在一列的端部的开口62a到开口63a的边缘为止的x方向上的距离mx1与从配置在
另一列的端部的开口62a到开口63a的边缘为止的x方向上的距离mx2不同。该情况下，采用距离mx1和距离mx2中的较短的一方作为距离mx即可。
[0063]
接下来，对第一实施例的另外的其它变形例进行说明。
[0064]
也可以将第二层的发射极布线42e作为用于提高凸块的位置的自由度的再布线层的布线。另外，虽然在第一实施例中，使用hbt作为晶体管30，但除此之外，也可以使用同质结双极晶体管、场效应晶体管等。
[0065]
虽然在第一实施例中，在俯视时开口63a(图1)包含其下的开口62a，但也可以开口62a的一部分扩展到开口63a的外侧。但是，在图2所示的剖面中，开口63a的侧面与开口62a的侧面相比位于外侧。换句话说，当从层间绝缘膜61、62的开口62a观察x方向时，层间绝缘膜63的开口63a的侧面配置在比层间绝缘膜61、62的开口62a的侧面远的位置。通过该构成，能够使从动作区域31向凸块45传导的热沿x方向扩散。
[0066]
[第二实施例]
[0067]
接下来，参照图6对第二实施例的半导体装置进行说明。以下，对与第一实施例(图1、图2)的半导体装置相同的构成省略说明。
[0068]
图6是第二实施例的半导体装置的剖视图。在第一实施例中，在发射极电极35e与凸块45之间配置有构成第一层的发射极布线41e以及第二层的发射极布线42e的两层导体膜。与此相对，在第二实施例中，在第二层的发射极布线42e与凸块45之间进一步配置有层间绝缘膜64以及第三层的发射极布线43e。第三层的发射极布线43e通过设置于层间绝缘膜64的开口64a与第二层的发射极布线42e连接。在俯视时，开口64a包含开口63a。
[0069]
将从开口63a到开口64a的侧面为止的x方向上的距离记为mx2。将从开口63a的上侧开口面到开口64a的下侧开口面为止的z方向(高度方向)上的距离记为mz2。开口63a以及开口64a被配置成与距离mx和距离mz的关系相同地距离mx2在距离mz2以上。
[0070]
接下来，对第二实施例的优异的效果进行说明。
[0071]
在第二实施例中，第二层的发射极布线42e在从第一层的发射极布线41e到第三层的发射极布线43e的导热路径上作为散热器发挥作用。通过使距离mx2在距离mz2以上，能够使热从第一层的发射极布线41e高效地传导至第三层的发射极布线43e。由此，能够抑制增加导体膜的数目所引起的散热性的降低。
[0072]
接下来，对第二实施例的变形例进行说明。
[0073]
虽然在第二实施例的半导体装置中，在发射极电极35e与凸块45之间交替地配置有三层层间绝缘膜和三层导体膜，但也可以交替地配置四层以上的层间绝缘膜和四层以上的导体膜。此时，优选将多个开口设置成多个层间绝缘膜中的某一层的层间绝缘膜的开口在俯视时包含其下层的层间绝缘膜的开口。此外，也可以使多个层间绝缘膜中的某一层的层间绝缘膜的开口在x方向上包含其下层的层间绝缘膜的开口。换句话说，也可以构成为多个层间绝缘膜中的所注目的一个层间绝缘膜的开口的x方向上的两端与下层的层间绝缘膜的开口的x方向上的两端相比位于外侧。
[0074]
并且，优选将多个开口设置成从多个层间绝缘膜中的所注目的一层层间绝缘膜的开口到上一层的层间绝缘膜的开口的侧面为止的x方向上的距离在从所注目的层间绝缘膜的开口的上侧开口面到上一层的层间绝缘膜的开口的下侧开口面为止的z方向上的距离以上。通过像这样设置多个开口，能够抑制增加导体膜的数目所引起的散热性的降低。
[0075]
[第三实施例]
[0076]
接下来，参照图7对第三实施例的半导体装置进行说明。以下，对与第一实施例(图1、图2)的半导体装置相同的构成省略说明。
[0077]
图7是第三实施例的半导体装置的示意俯视图。多个晶体管30、第一层的发射极布线41e、以及多个开口62a的配置与第一实施例(图1)的半导体装置的这些部分的配置相同。第二层的发射极布线42e在俯视时包含第一层的发射极布线41e。设置于第一层的发射极布线41e与第二层的发射极布线42e之间的层间绝缘膜63(图1)的开口63a在俯视时被包含于第一层的发射极布线41e。多个开口62a在俯视时被包含于一个开口63a。
[0078]
凸块45在俯视时包含多个开口62a。设置于第二层的发射极布线42e与凸块45之间的保护膜65(图2)的开口65a在俯视时被包含于第二层的发射极布线42e。开口63a在俯视时被包含于凸块用的开口65a。第二层的发射极布线42e的俯视时的面积比凸块45的面积大。
[0079]
接下来，对第三实施例的优异的效果进行说明。
[0080]
在第三实施例中，在俯视时，第二层的发射极布线42e(最上方的导体膜)的面积比凸块45的面积大。因此，从第二层的发射极布线42e本身的散热量较多。其结果是，能够改善从动作区域31(图2)的散热性。
[0081]
[第四实施例]
[0082]
接下来，参照图8以及图9对第四实施例的半导体装置进行说明。以下，对与第一实施例(图1、图2)的半导体装置相同的构成省略说明。
[0083]
图8是第四实施例的半导体装置的示意俯视图。在第一实施例中，对多个晶体管30的各个设置有一个发射极台面部30em(图2)。与此相对，在第四实施例中，对多个晶体管30的各个设置两个发射极台面部30em，并对各发射极台面部30em分别配置一个开口62a。
[0084]
图9是图8的单点划线9－9处的剖视图。
[0085]
在一个基极台面部30bm上配置有两个发射极台面部30em。两个发射极台面部30em在x方向上并排地配置。对各发射极台面部30em分别配置有发射极电极35e，并与各发射极电极35e对应地分别配置有开口62a。对各晶体管30划分与两个发射极台面部30em对应的两个动作区域31。
[0086]
从在x方向上排列的多个开口62a(图8)中的被配置于最端部的开口62a到开口63a的边缘为止的距离mx在从开口62a的上侧开口面到开口63a的下侧开口面为止的z方向上的距离mz以上。
[0087]
接下来，对第四实施例的优异的效果进行说明。在第四实施例中也与第一实施例相同地，能够使在动作区域31产生的热高效地散热。
[0088]
接下来，对第四实施例的变型例进行说明。虽然在第四实施例中，对一个晶体管30设置两个发射极台面部30em，但也可以对一个晶体管30设置三个以上的发射极台面部30em。该情况下，按照每个发射极台面部30em配置发射极电极35e以及开口62a。
[0089]
[第五实施例]
[0090]
接下来，参照图10对第五实施例的半导体装置进行说明。以下，对与第一实施例(图1、图2)的半导体装置相同的构成省略说明。
[0091]
图10是第五实施例的半导体装置的示意剖视图。在第一实施例中，在最上方的发射极布线42e上配置凸块45(图2)。与此相对，在第五实施例中，利用最上方的发射极布线
42e的一部分作为用于外部连接的焊盘。在将半导体装置安装于封装基板时，将焊线46与作为最上方的发射极布线42e的一部分的焊盘焊接。
[0092]
接下来，对第五实施例的优异的效果进行说明。在第五实施例中，也与第一实施例相同，能够使热从发射极电极35e经由第一层的发射极布线41e高效地传导至第二层的发射极布线42e(焊盘)。传导至第二层的发射极布线42e的热从发射极布线42e进行散热。并且，焊线46作为从发射极布线42e到封装基板的导热路径发挥作用。因此，能够改善从动作区域31的散热性。
[0093]
上述的各实施例为例示，当然能够进行不同的实施例所示的构成的部分的置换或者组合。并不在每个实施例中依次提及多个实施例的相同的构成所带来的相同的作用效果。并且，本发明并不限定于上述的实施例。例如，本领域技术人员明确能够进行各种变更、改进、组合等。