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JP3139426B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3139426B2
JP3139426B2 JP09282240A JP28224097A JP3139426B2 JP 3139426 B2 JP3139426 B2 JP 3139426B2 JP 09282240 A JP09282240 A JP 09282240A JP 28224097 A JP28224097 A JP 28224097A JP 3139426 B2 JP3139426 B2 JP 3139426B2
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metal film
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semiconductor
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＨＥＭＴ等の半
導体表面に歪み格子をもつ半導体装置及びその製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置には、ＰＨＳ（Ｐｌａｔｅ
Ｈｅａｔ Ｓｉｎｋ）構造をもつものがあり、この種の
半導体装置は、能動素子を装備した半導体チップに発生
する熱を有効に放散するために開発された素子であり、
この半導体装置は、半導体チップをなす基板裏面に金属
膜を一体に形成した構造（ＰＨＳ構造）となっている
（特開昭６０−１６０６２３号公報参照）。
【０００３】特開昭６０−１６０６２３号公報からも明
らかなように、この種の半導体装置に用いる半導体チッ
プのサイズが大型化されると、半導体チップに反りが生
じ、この反りが素子の特性に悪影響を及ぼすことがあ
る。
【０００４】すなわち、ＰＨＥＭＴのような表面にＩｎ
ＧａＡｓ等の歪み格子を有する半導体チップであって、
裏面にＰＨＳ構造を有するものでは、２５０℃以上の高
温で数十時間の保管試験を行うと、半導体チップの表面
にクラックが発生し、特性劣化を生じる場合があった。
【０００５】この場合、半導体チップをペレットマウン
ト用基板にマウントした後の半導体チップの反りの曲率
半径が１０ｃｍ程度であり、その反りの形状は、半導体
チップ裏面の金属膜側が凸状に弯曲したものであって、
半導体チップ表面側に圧縮応力が加わり、半導体チップ
表面側の歪み格子部に常時ストレスが加わった状態であ
る。
【０００６】このような半導体装置を高温状態での保管
試験を行うと、半導体チップ表面側の歪み格子部をなす
電極パターンの配置等の影響により表面に局部的に大き
な圧縮応力が加わり、歪み格子部を更に縮める力により
転位が生じ、クラックが発生する可能性がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】そこで、特開昭６０−
１６０６２３号公報に開示された技術では、反りが生じ
た半導体チップを機械的な圧力を加えて平坦形状にした
後、マウント用基板に接合しているが、半導体チップに
機械的なストレスを加えるため、半導体チップ表面の歪
み格子等を破損してしまうという問題がある。
【０００８】本発明の目的は、半導体チップに機械的な
外力を加えずに半導体チップの反りによる影響を回避し
た半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体装置は、半導体基板裏面に金属
膜が形成されたＰＨＳ構造の半導体チップをペレットマ
ウント用基板に接合した半導体装置であって、前記半導
体チップは前記金属膜の結晶粒子の配向を熱により変化
させる整形処理を受け、前記金属膜側に凸状をなす形状
で前記ペレットマウント用基板に前記金属膜の部分で接
合されたものである。
【００１０】また本発明に係る半導体装置は、半導体基
板裏面に金属膜が形成されたＰＨＳ構造の半導体チップ
をペレットマウント用基板に接合した半導体装置であっ
て、前記半導体チップは前記金属膜の結晶粒子の配向を
熱により変化させる整形処理を受け、前記金属膜側に凹
状をなす形状で前記ペレットマウント用基板に前記金属
膜の部分で接合されたものである。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】本発明によれば、機械的な外力を加えるこ
となく、熱アニールによって半導体ペレットの反りを整
形することにより、半導体ペレットにクラックが発生す
るのを回避する。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導
体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００１９】図に示すように本発明の一実施形態に係る
半導体装置は基本的構成として、半導体チップ１とペレ
ットマウント用基板２とを有している。
【００２０】半導体チップ１は、例えばＧａＡｓからな
る基板１ａと、基板１ａの表層に形成されたエピ層（歪
み格子）１ｂと、基板１ａの裏面に形成された金属膜１
ｃとからなるＰＨＳ（Ｐｌａｔｅ Ｈｅａｔ Ｓｉｎ
ｋ）構造をもつものである。金属膜１ｃは、半導体チッ
プ１に発生する熱を放散する効率を高めるためにＡｕ膜
が使用されているが、このＡｕ膜に限定されるものでは
ない。
【００２１】そして半導体チップ１は、機械的な外力を
加えることなく、熱による整形処理を受けてペレットマ
ウント用基板２に金属膜１ｃの部分で接合される。その
接合には、ＡｕＳｎ等の半田３が用いられる。
【００２２】また半導体チップ１は、機械的な外力を加
えることなく、熱による整形処理を受けて金属膜１ｃ側
に凹状に反った形状（図１（ｃ））、或いは金属膜１ｃ
側に凸状に反った形状（図３）に整形される。
【００２３】そして半導体チップ１をなす基板１ａの板
厚が３０〜５０μｍ、金属膜１ｃの膜厚が１０〜３０μ
ｍである場合に、半導体チップ１の反りの曲率半径Ｒは
２０ｃｍ以上に拡大復元されるように熱処理が行われ、
図１（ｃ）、或いは図３に示す形状に整形される。な
お、図２は参考例であり、半導体チップ１の反りの曲率
半径Ｒが２０ｃｍ以上の無限大に拡大復元され、平坦面
形状に熱整形された例である。
【００２４】次に本発明の一実施形態に係る半導体装置
の製造方法を工程順に説明する。
【００２５】図１（ａ）に示すように、半導体チップ１
のＧａＡｓ基板１ａの表面には、１０〜１５ｎｍの膜厚
をもつＩｎＧａＡｓ層を含むエピ層１ｂが形成され、そ
の裏面には、１０〜３０μｍの膜厚をもつＡｕ膜（金属
膜）１ｃが形成されている。半導体チップ１は、熱アニ
ールを経て製造されるため、Ａｕ膜１ｃ側に凹状に反っ
た形状となっており、基板１ａの表面側のエピ層１ｂに
圧縮応力が加わる状態にある。
【００２６】まず図１（ｂ）に示すように、半導体チッ
プ１を熱アニールしてＡｕ膜（金属膜）１ｃの結晶粒子
の配向性を変化させる配向処理を行う。
【００２７】この配向処理は具体的には、半導体チップ
１を２００〜３００℃程度で３０分間程度熱アニールす
る。
【００２８】次に図１（ｃ）に示すように、機械的な外
力を加えることなく、熱アニールして半導体チップ１を
整形処理し、その後、半導体チップ１をペレットマウン
ト用基板２に半田３で接合する接合処理を行う。
【００２９】上記の接合処理は具体的には、３００℃程
度で１分間程度加熱して半導体チップ１をペレットマウ
ント用基板２に半田付けする。
【００３０】この接合処理を経ると、半導体チップ１を
なす基板１ａの板厚が３０〜５０μｍ、金属膜１ｃの膜
厚が１０〜３０μｍである場合に、半導体チップ１の反
りの曲率半径Ｒは、図１（ｂ）に示す１０ｃｍ程度から
２０ｃｍまで拡大復元され、半導体チップ１の表面側に
圧縮応力（ストレス）が加わることがなく、半導体チッ
プ１の表面側の歪み格子部をストレスから開放すること
ができる。この効果は、実験の結果によって確かめられ
ている。
【００３１】ＧａＡｓ基板を用いてＡｕ膜のＰＨＳ構造
を有する半導体装置では、熱特性および高周波特性の要
求から上述した寸法をもつＩｎＧａＡｓ層１ｂおよびＡ
ｕ膜１ｃを形成することが一般的である。このＧａＡｓ
層１ｂの膜厚及びＡｕ膜１ｃの膜厚に設定した場合、半
導体チップ１の反りは、チップ表面が凸状すなわちＡｕ
膜１ｃ側に凹状に反った形状となり、その曲率半径が１
０ｃｍ程度の小さな反りである（図１（ａ））。
【００３２】この半導体チップ１を２５０〜３００℃程
度で３０分程度のアニールを行うと、半導体チップ１の
反りの曲率半径Ｒは、図１（ａ）に示す１０ｃｍより拡
大復元して２０ｃｍ程度のやや大きな反りとなり、チッ
プ表面が凸状すなわちＡｕ膜１ｃ側に凹状に反った形状
（図１（ｂ））となる。
【００３３】この状態で３００℃程度で１分間程度でＡ
ｕＳｎ半田３によりペレットマウント用基板２に半導体
チップ１をマウントし、高温保管試験を行った後、室温
まで冷却すると、半導体チップ１は、チップ表面が凸状
すなわちＡｕ膜１ｃ側に凹状に反った形状（図１（ｂ）
から、チップ表面が凹状すなわちＡｕ膜１ｃ側に凸状に
反った形状（図１（ｃ）に反転し、その反りの曲率半径
Ｒは、２０ｃｍ以上に反った状態になる。
【００３４】マウント後に半導体チップ１を半田３で上
記反り状態に固定することにより、２５０℃以上の高温
保管試験において半導体チップ表面でのクラック発生に
よる特性劣化の発生時間を大幅に改善することができ
る。
【００３５】図４は、ＰＨＥＭＴの半導体チップを２５
０℃の高温保管試験を行った場合の半導体装置の劣化発
生時間を示すものである。図４から明らかなように、本
発明の実施形態のように熱アニールによる半導体チップ
の熱整形を行なうと（半導体チップの曲率半径２３ｃ
ｍ）、従来例のように熱アニールによる熱整形を行わな
い場合（半導体チップの曲率半径８．５ｃｍ）と比較し
て、１０倍以上に改善されている。実用状態（チャネル
温度１３０℃）での平均故障発生時間も３Ｅ６時間以上
と推定でき、良好な信頼性が得られている。
【００３６】これは、マウント後に半導体チップ表面で
の反りの曲率半径を２０ｃｍ以上に拡大復元した状態で
半導体チップをペレットマウント用基板に半田で固定す
るため、半導体チップ表面での圧縮応力が低減され、高
温時あるいは実用状態での半導体チップ表面の歪み格子
に加わる圧縮応力を、剪断応力または転位発生応力以下
に保持できるためである。
【００３７】また、ペレット状態でのアニールにより半
導体チップの反りが変化するのは、ＰＨＳＡｕ膜の結晶
粒の配向性が温度により変化して膜応力が変化するため
と考えられる。ＧａＡｓ層１ｂの膜厚４０μｍ，Ａｕ膜
１ｃの膜厚２０μｍに設定した場合の温度に対する半導
体チップの反り（１／曲率半径）の実験値を図５に示
す。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、熱
アニールにより半導体ペレットを整形するため、半導体
ペレットの素子部にクラックが発生するのを防止するこ
とができる。
【００３９】さらに、半導体チップに機械的な外力を加
えることなく、熱アニールによって半導体ペレットの反
りを整形し、マウント後に半導体チップ表面での反りの
曲率半径を２０ｃｍ以上に拡大復元した状態で半導体チ
ップをペレットマウント用基板に半田で固定するため、
半導体基板裏面に形成されたＰＨＳ構造に無理な圧縮応
力を加えることを回避することができ、ＰＨＳ構造を正
常状態に保つことができ、したがって、製造歩留まりを
向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその
製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２】本発明の参考例に係る半導体装置を示す断面図
である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る半導体装置を示す
断面図である。
【図４】ＰＨＥＭＴの半導体チップに対して２５０℃の
高温保管試験を行った場合の半導体装置の劣化発生時間
を示す特性図である。
【図５】ＧａＡｓ層の膜厚４０μｍ，Ａｕ膜の膜厚２０
μｍに設定した場合の温度に対する半導体チップの反り
（１／曲率半径）の実験値を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 半導体チップ １ａ 基板 １ｂ エピ層（歪み格子） １ｃ 金属膜 ２ ペレットマウント用基板 ３ 半田

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板裏面に金属膜が形成されたＰ
    ＨＳ構造の半導体チップをペレットマウント用基板に接
    合した半導体装置であって、 前記半導体チップは前記金属膜の結晶粒子の配向を熱に
    より変化させる整形処理を受け、前記金属膜側に凸状を
    なす形状で前記ペレットマウント用基板に前記金属膜の
    部分で接合されたことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 半導体基板裏面に金属膜が形成されたＰ
    ＨＳ構造の半導体チップをペレットマウント用基板に接
    合した半導体装置であって、 前記半導体チップは前記金属膜の結晶粒子の配向を熱に
    より変化させる整形処理を受け、前記金属膜側に凹状を
    なす形状で前記ペレットマウント用基板に前記金属膜の
    部分で接合されたことを特徴とする半導体装置。
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