WO2025017863A1 - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
Definitions
- This disclosure relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
- nitride semiconductors such as field effect transistors (FETs)
- FETs field effect transistors
- nitride semiconductor devices have a problem in that the characteristics or reliability of the semiconductor device deteriorates due to an increase in the temperature inside the semiconductor device during high power operation.
- Diamond boasts the highest thermal conductivity of any solid substance, making it an ideal heat dissipation material.
- GaN on Diamond structure which uses gallium nitride (GaN) as a nitride semiconductor, is widely known.
- the above structure is formed by growing diamond on a nitride semiconductor via an intermediate layer, or by bonding a separately formed diamond substrate to a semiconductor substrate made of a nitride semiconductor.
- a method such as surface activated bonding is used, in which dangling bonds are formed at the bonding interface by irradiating Ar at room temperature in a high vacuum, and then pressure bonding is performed.
- the present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof that can increase the bonding strength between the semiconductor layer and the diamond layer while ensuring the heat dissipation effect of the diamond layer.
- the semiconductor device comprises a semiconductor layer having a first main surface and a second main surface, a diamond layer having a third main surface and a fourth main surface, a first recessed portion formed in the third main surface of the diamond layer, and a first bonding layer embedded in the first recessed portion, and the second main surface of the semiconductor layer and the third main surface of the diamond layer are bonded via the first bonding layer.
- the bonding layer is thicker in the recessed portion, and the bonding strength between the semiconductor layer and the diamond layer is increased in that portion, so that the effects of stress are mitigated overall, and high bonding strength is obtained.
- the bonding layer introduced between the semiconductor layer and the diamond layer is localized, the heat dissipation effect of the diamond substrate is also fully obtained.
- 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment
- 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment
- 1 is a top view of a semiconductor device according to a first embodiment
- 2A to 2C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment
- 2A to 2C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment
- 2A to 2C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment
- 2A to 2C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment
- 5A to 5C are diagrams illustrating a second step of the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment.
- 5A to 5C are diagrams illustrating a second step of the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment.
- 5A to 5C are diagrams illustrating a second step of the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment.
- 5A to 5C are diagrams illustrating a second step of the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment.
- 5A to 5C are diagrams illustrating a second step of the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment.
- 5A to 5C are diagrams illustrating a third step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
- 5A to 5C are diagrams illustrating a third step of the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
- FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment.
- FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment.
- 11A to 11C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
- 11A to 11C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
- 11A to 11C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
- 11A to 11C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
- 11A to 11C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
- 11A to 11C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
- 11A to 11C are diagrams illustrating a first step of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
- 13A to 13C are diagrams illustrating a second step in the manufacturing method of the semiconductor device according to the second embodiment.
- 13A to 13C are diagrams illustrating a second step in the manufacturing method of the semiconductor device according to the second embodiment.
- 13A to 13C are diagrams illustrating a third step of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment.
- 13A to 13C are diagrams illustrating a third step of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment.
- FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment.
- FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment.
- 13A to 13C are diagrams illustrating a third step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment.
- 13A to 13C are diagrams illustrating a third step in the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a fourth embodiment.
- FIG. 13 is a top view of a semiconductor device according to a fourth embodiment.
- FIG. 13 is a top view of a semiconductor device according to a fourth embodiment.
- the semiconductor device 100 includes a semiconductor layer 10 and a diamond layer 11, as shown in FIG.
- the semiconductor layer 10 has a first main surface 50 and an opposing second main surface 51.
- the upper surface of the semiconductor layer 10 is the first main surface 50, and the lower surface is the second main surface 51.
- the diamond layer 11 has a third main surface 52 and an opposing fourth main surface 53.
- the upper surface of the diamond layer 11 is the third main surface 52, and the lower surface is the fourth main surface 53.
- the semiconductor layer 10 is mounted on the diamond layer 11, and the third main surface 52 of the diamond layer 11 and the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 are bonded.
- a first recess 30 is formed in the third main surface 52 of the diamond layer 11.
- a first bonding layer 13 is densely embedded in the first recess 30.
- the surface of the first bonding layer 13 forms the same plane as the third main surface 52 of the diamond layer 11, and the first bonding layer 13 is bonded to the second main surface 51 of the semiconductor layer 10.
- the shape of the first recess 30 is preferably an inverted cone, an inverted truncated cone, an inverted pyramid, or an inverted truncated pyramid in order to obtain high coating properties of the first bonding layer 13 on the first recess 30.
- the depth of the first recess 30 is preferably 10 nm or more and 500 nm or less, taking into account the influence of the thickness of the first bonding layer 13.
- the material for the first bonding layer 13 can be any of the following: silicon-based thin film, silicon carbide-based thin film, silicon nitride-based thin film, silicon oxide-based thin film, gallium oxide-based thin film, aluminum oxide thin film, Ti-based thin film, Ta-based thin film, Cu-based thin film, Au-based thin film, and Pt-based thin film, or a combination of two or more of these.
- a second bonding layer 14 may be provided between the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 and the third main surface 52 of the diamond layer 11 in order to increase the bonding strength between the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11.
- the second bonding layer 14 is provided on the entire bonding surface between the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 and the third main surface 52 of the diamond layer 11, and bonds the second main surface 51 and the third main surface 52. If the second bonding layer 14 is thick, it may cause parasitic components to be generated and the heat dissipation performance to be reduced, so the thickness is preferably 10 nm or less.
- the bonding strength between the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 is improved by the first bonding layer 13, so that a sufficient bonding strength can be obtained even if the second bonding layer 14 has a thickness of 10 nm or less.
- the second bonding layer 14 is preferably made of the same material as the first bonding layer 13.
- FIG. 3 shows an example in which a high electron mobility transistor (HEMT) is formed on the first main surface 50.
- HEMT high electron mobility transistor
- FIGS. 1 and 2 correspond to a cross section taken along line A1-A2 in FIG. 3.
- the HEMT is composed of electrodes such as a source electrode 20, a gate electrode 21, and a drain electrode 22.
- Examples of materials for the semiconductor layer 10 include GaN, AlGaN, InAlN, AlN, SiC, Si, GaAs, and Ga2O3 .
- the semiconductor layer 10 may have a single-layer structure made of one of these materials, or a laminate structure made of multiple materials.
- the thickness of the semiconductor layer 10 is preferably 10.0 ⁇ m or less, but may exceed 10.0 ⁇ m.
- the diamond layer 11 may be a single crystal diamond, a mosaic diamond in which multiple single crystal diamonds are joined laterally, or a polycrystalline diamond.
- the diamond layer 11 is preferably fabricated by the CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
- the thickness of the diamond layer 11 is preferably 10 ⁇ m or more and 700 ⁇ m or less.
- the materials of the source electrode 20, gate electrode 21, and drain electrode 22 may be a single metal element or an alloy.
- a single metal element an element selected from the group consisting of Cu, Ti, Al, Au, Ni, Nb, Pd, Pt, Cr, W, Ta, and Mo may be used.
- an alloy AlSi, AlCu, AuGe, AuGa, AuSn, or the like may be used.
- the materials of the source electrode 20, gate electrode 21, and drain electrode 22 may be a laminate of any of the above materials.
- Manufacturing method Figures 4 to 14 are diagrams showing a manufacturing method of the semiconductor device 100 according to the first embodiment.
- the manufacturing method of the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described below with reference to Figures 4 to 14.
- the manufacturing method of the semiconductor device 100 comprises a "first step” of processing the semiconductor layer 10, a "second step” of processing the diamond layer 11, and a "third step” of bonding the processed semiconductor layer 10 and the diamond layer 11.
- a support layer 16 made of Si, SiC, GaN, or the like is prepared, and a semiconductor layer 10 is formed on the support layer 16 to produce a first semiconductor substrate 1a made of the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11.
- a source electrode 20, a gate electrode 21, and a drain electrode 22 are formed on the first major surface 50 of the semiconductor layer 10.
- a separately prepared support substrate 2 is bonded to the first main surface 50 of the semiconductor layer 10 via an adhesive layer 17 to produce a second semiconductor substrate 3a, which is the first semiconductor substrate 1a to which the support substrate 2 is bonded.
- the support substrate 2 may be a glass substrate, a sapphire substrate, a Si substrate, or the like.
- the support layer 16 is completely removed from the second semiconductor substrate 3a to expose the second main surface 51 of the semiconductor layer 10.
- the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 is processed by grinding or polishing to flatten and smooth the surface shape.
- the smoothed second main surface 51 is processed to have a surface roughness Sa ⁇ 1.0 nm.
- the second step will be explained.
- a diamond substrate 4a that will become the diamond layer 11 is prepared. Then, as shown in FIG. 9, the third main surface 52 of the diamond layer 11 is ground and polished to flatten and smooth the surface shape of the third main surface 52. The smoothed third main surface 52 is processed to have a surface roughness Sa ⁇ 1.0 nm.
- a first recess 30 is formed in the ground and polished third main surface 52.
- the first recess 30 can be formed by selectively etching the third main surface 52 using an etching mask made of a patterned resist or metal mask.
- the etching method used may be, for example, etching by a thermochemical reaction with nickel, or dry etching using a reactive etching gas.
- a first bonding layer 13 is formed on the third main surface 52 of the diamond substrate 4a on which the first recess 30 is formed, and the first bonding layer 13 is embedded in the first recess 30.
- the first bonding layer 13 is formed by a method such as plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), sputtering, or vacuum deposition.
- the first bonding layer 13 is formed to a thickness equal to or greater than the depth of the first recess 30, so that the first recess 30 is completely embedded in the first bonding layer 13.
- the first bonding layer 13 is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) to remove the first bonding layer 13 on the third main surface 52, and to adjust the height of the surface of the first bonding layer 13 embedded in the first recess 30 to match the height of the third main surface 52. This flattens the surface of the third main surface 52.
- CMP Chemical Mechanical Polishing
- the third step will now be described.
- the second semiconductor substrate 3a processed in the first step and the diamond substrate 4a processed in the second step are bonded.
- the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 of the second semiconductor substrate 3a is bonded to the third main surface 52 of the diamond substrate 4a.
- Room temperature surface activation bonding or the like is used when bonding the second semiconductor substrate 3a and the diamond substrate 4a.
- a second bonding layer 14 is formed on the third main surface 52 of the diamond substrate 4a prior to bonding.
- the second bonding layer 14 is preferably made of the same material as the first bonding layer 13 in order to increase adhesion with the first bonding layer 13.
- the adhesive layer 17 and the support substrate 2 are peeled off from the first semiconductor substrate 1a. In this way, the semiconductor device 100 having the structure shown in FIG. 1 or FIG. 2 is completed.
- the diamond layer 11 and the semiconductor layer 10 are bonded via the first bonding layer 13 embedded in the first recess 30. This increases the bonding surface area and the bonding layer thickness, and increases the bonding strength between the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 in the first recess 30.
- the first bonding layer 13 between the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 can correct surface roughness and assist in bonding dissimilar substrates together through amorphous components, but the presence of the first bonding layer 13 may lead to the generation of parasitic components and reduced heat dissipation performance. For this reason, it is desirable to reduce the influence of the first bonding layer 13 as much as possible.
- the first bonding layer 13 is formed locally, thereby suppressing the influence of the first bonding layer 13. Therefore, the generation of parasitic components is prevented and the heat dissipation effect of the diamond layer 11 is sufficiently obtained.
- FIG. 15 is a diagram showing the configuration of the semiconductor device 100 according to the second embodiment.
- elements that are the same as or correspond to those shown in Fig. 1 are given the same reference numerals. Therefore, detailed description thereof will be omitted.
- the diamond layer 11 does not have the first recessed portion 30 and the first bonding layer 13 shown in the first embodiment (FIG. 1), and instead the semiconductor layer 10 has a second recessed portion 31 and a third bonding layer 15 as shown in FIG. 15.
- the second recessed portion 31 is formed in the second main surface 51 of the semiconductor layer 10, and the third bonding layer 15 is densely embedded in the second recessed portion 31.
- the surface of the third bonding layer 15 forms the same plane as the second main surface 51 of the semiconductor layer 10, and the third bonding layer 15 is bonded to the third main surface 52 of the diamond layer 11.
- the shape of the second recess 31 is preferably an inverted cone, an inverted truncated cone, an inverted pyramid, or an inverted truncated pyramid in order to improve the coating properties of the third bonding layer 15 on the second recess 31.
- the depth of the second recess 31 is preferably 10 nm or more and 500 nm or less, taking into account the effect of the thickness of the third bonding layer 15.
- the third bonding layer 15 can be made of any of the following: silicon-based thin film, silicon carbide-based thin film, silicon nitride-based thin film, silicon oxide-based thin film, gallium oxide-based thin film, aluminum oxide thin film, Ti-based thin film, Ta-based thin film, Cu-based thin film, Au-based thin film, and Pt-based thin film, or a combination of two or more of these.
- a second bonding layer 14 may be formed between the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 and the third main surface 52 of the diamond layer 11 in order to increase the bonding strength.
- the second bonding layer 14 is provided on the entire bonding surface between the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 and the third main surface 52 of the diamond layer 11, and bonds the second main surface 51 and the third main surface 52. If the second bonding layer 14 is thick, it may cause parasitic components to be generated and the heat dissipation performance to be reduced, so the thickness is preferably 10 nm or less.
- the bonding strength between the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 is improved by the third bonding layer 15, so that sufficient bonding strength can be obtained even if the second bonding layer 14 is 10 nm or less in thickness.
- the second bonding layer 14 is preferably made of the same material as the third bonding layer 15.
- Manufacturing method Figures 17 to 27 are diagrams showing a manufacturing method for the semiconductor device 100 according to the second embodiment.
- the manufacturing method for the semiconductor device 100 according to the second embodiment will be described below with reference to Figures 17 to 27.
- the manufacturing method for the semiconductor device 100 according to the second embodiment also includes a "first step” of processing the semiconductor layer 10, a "second step” of processing the diamond layer 11, and a "third step” of bonding the processed semiconductor layer 10 and the diamond layer 11.
- a support layer 16 made of Si, SiC, GaN, or the like is prepared, and a semiconductor layer 10 is formed on the support layer 16 to produce a first semiconductor substrate 1a made of the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11.
- a source electrode 20, a gate electrode 21, and a drain electrode 22 are formed on the first major surface 50 of the semiconductor layer 10.
- a separately prepared support substrate 2 is bonded to the first main surface 50 of the semiconductor layer 10 via an adhesive layer 17 to produce a second semiconductor substrate 3a, which is the first semiconductor substrate 1a to which the support substrate 2 is bonded.
- the support substrate 2 may be a glass substrate, a sapphire substrate, a Si substrate, or the like.
- the support layer 16 is removed from the second semiconductor substrate 3a to expose the second main surface 51 of the semiconductor layer 10.
- a second recess 31 is formed in the exposed second main surface 51.
- the second recess 31 can be formed by selectively etching the second main surface 51 using an etching mask made of a patterned resist or a metal mask.
- the etching method may be, for example, etching by a thermochemical reaction with nickel, or dry etching using a reactive etching gas.
- a third bonding layer 15 is formed on the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 in which the second recess 31 is formed, and the third bonding layer 15 is embedded in the second recess 31.
- the third bonding layer 15 is formed by a method such as plasma CVD, sputtering, or vacuum deposition.
- the third bonding layer 15 is formed to a thickness equal to or greater than the depth of the second recess 31, so that the second recess 31 is completely embedded with the third bonding layer 15.
- the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 is processed by grinding or polishing to flatten and smooth the surface shape.
- the smoothed second main surface 51 is processed to have a surface roughness Sa ⁇ 1.0 nm.
- the third bonding layer 15 on the second main surface 51 is removed, and the surface height of the third bonding layer 15 embedded in the second recess 31 is adjusted to the height of the second main surface 51.
- the second step will be explained.
- a diamond substrate 4a that will become the diamond layer 11 is prepared.
- the third main surface 52 of the diamond layer 11 is ground and polished to flatten and smooth the surface shape of the third main surface 52.
- the smoothed third main surface 52 is processed to have a surface roughness Sa ⁇ 1.0 nm.
- the third step will now be described.
- the second semiconductor substrate 3a processed in the first step and the diamond substrate 4a processed in the second step are bonded.
- the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 of the second semiconductor substrate 3a is bonded to the third main surface 52 of the diamond substrate 4a.
- Room temperature surface activation bonding or the like is used when bonding the second semiconductor substrate 3a and the diamond substrate 4a.
- a second bonding layer 14 is formed on the third main surface 52 of the diamond substrate 4a prior to bonding.
- the second bonding layer 14 is preferably made of the same material as the third bonding layer 15 in order to increase adhesion with the third bonding layer 15.
- the adhesive layer 17 and the support substrate 2 are peeled off from the first semiconductor substrate 1a. In this way, the semiconductor device 100 having the structure shown in FIG. 15 or 16 is completed.
- the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 are bonded via the third bonding layer 15 embedded in the second recess 31. This increases the bonding surface area and the bonding layer thickness, and increases the bonding strength between the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 in the second recess 31.
- the third bonding layer 15 is formed locally, so that the influence of the third bonding layer 15 is suppressed. This prevents the generation of parasitic components, and the heat dissipation effect of the diamond layer 11 is sufficiently obtained.
- FIG. 28 is a diagram showing the configuration of the semiconductor device 100 according to the third embodiment.
- elements that are the same as or correspond to those shown in Fig. 1 or Fig. 15 are given the same reference numerals. Therefore, detailed description thereof will be omitted.
- the diamond layer 11 has a first recess 30 and a first bonding layer 13 on the second main surface 51, as in the first embodiment (FIG. 1), and the semiconductor layer 10 has a second recess 31 and a third bonding layer 15 on the third main surface 52, as in the second embodiment (FIG. 15).
- the first recess 30 and the second recess 31 are formed at positions where they overlap each other, and the first bonding layer 13 in the first recess 30 and the third bonding layer 15 in the second recess 31 are bonded on the same plane.
- the first bonding layer 13 and the third bonding layer 15 are preferably formed of the same material.
- a second bonding layer 14 may be formed between the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 and the third main surface 52 of the diamond layer 11 to increase the bonding strength.
- the second bonding layer 14 is provided on the entire bonding surface between the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 and the third main surface 52 of the diamond layer 11, and bonds the second main surface 51 and the third main surface 52. If the second bonding layer 14 is thick, it may cause parasitic components to be generated and the heat dissipation performance to be reduced, so the thickness is preferably 10 nm or less.
- the bonding strength between the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 is improved by the first bonding layer 13 and the third bonding layer 15, sufficient bonding strength can be obtained even if the second bonding layer 14 is 10 nm or less in thickness.
- the second bonding layer 14 is preferably made of the same material as the first bonding layer 13 and the third bonding layer 15.
- the manufacturing method for the semiconductor device 100 according to the third embodiment also includes a "first step” of processing the semiconductor layer 10, a “second step” of processing the diamond layer 11, and a “third step” of bonding the processed semiconductor layer 10 and the diamond layer 11.
- the first step in embodiment 3 is the same as the first step in embodiment 2 ( Figures 17 to 23).
- the second step in the third embodiment is the same as the second step in the first embodiment ( Figures 8 to 12).
- the second semiconductor substrate 3a processed in the first step and the diamond substrate 4a processed in the second step are bonded.
- the second main surface 51 of the semiconductor layer 10 of the second semiconductor substrate 3a is bonded to the third main surface 52 of the diamond substrate 4a.
- the first recessed portion 30 and the second recessed portion 31 are aligned.
- room temperature surface activation bonding or the like is used.
- a second bonding layer 14 is formed on the third main surface 52 of the diamond substrate 4a prior to bonding.
- the second bonding layer 14 is preferably made of the same material as the first bonding layer 13 and the third bonding layer 15 in order to increase adhesion with the third bonding layer 15.
- the adhesive layer 17 and the support substrate 2 are peeled off from the first semiconductor substrate 1a. In this way, the semiconductor device 100 having the structure shown in FIG. 28 or FIG. 29 is completed.
- the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 are bonded via the first bonding layer 13 embedded in the first recess 30 and the third bonding layer 15 embedded in the second recess 31.
- the first recess 30 and the first bonding layer 13, and the second recess 31 and the third bonding layer 15 are provided at positions where they overlap each other, and the first bonding layer 13 and the third bonding layer 15 are bonded together. This increases the bonding surface area and the bonding layer thickness, and increases the bonding strength between the semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 in the first recess 30 and the second recess 31.
- the first bonding layer 13 and the third bonding layer 15 are formed locally, so that the influence of the first bonding layer 13 and the third bonding layer 15 is suppressed. This prevents the generation of parasitic components, and the heat dissipation effect of the diamond layer 11 is sufficiently obtained.
- Fourth embodiment 32 and 33 are a cross-sectional view and a top view of a semiconductor device 100 according to the fourth embodiment.
- Fig. 32 is a cross-sectional view taken along the line A1-A2 in Fig. 33.
- the positions of the first recess 30 and the second recess 31 are preferably at least 50 ⁇ m away from the current-carrying region 54 in order to reduce the effect on heat generation when current is passed through the semiconductor device, and more preferably at least 100 ⁇ m away from the current-carrying region 54.
- one or both of the first recessed portion 30 and the second recessed portion 31 may extend to surround the conductive region 54.
- the semiconductor device 100 according to the fourth embodiment differs from the semiconductor device 100 according to the first to third embodiments only in the arrangement of the first recessed portion 30 or the second recessed portion 31. Therefore, the semiconductor device 100 according to the fourth embodiment can be formed by a method similar to the manufacturing method of the semiconductor device 100 according to the first to third embodiments.
- the first recessed portion 30 or the second recessed portion 31 is provided at a position away from directly below the current-carrying region 54 of the semiconductor device, and therefore the influence of heat generation during current flow is reduced, and the influence of parasitic components due to dissimilar materials between the substrates, leak paths, and the like on the semiconductor device can be suppressed.
- the effects of localized stress can be broadly alleviated, and peeling in the region necessary for device operation can be suppressed.
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Abstract
Description
本開示は半導体装置およびその製造方法に関する。 This disclosure relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
高出力、かつ、高周波領域で動作する半導体装置として、窒化物半導体から作製される半導体装置、例えば電界効果型トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)などが知られている。しかし、窒化物半導体装置においては、高出力動作中に半導体装置内部の温度が上昇することによって半導体装置の特性または信頼性が低下する現象が問題となっている。 Semiconductor devices made from nitride semiconductors, such as field effect transistors (FETs), are known as semiconductor devices that operate at high power and high frequencies. However, nitride semiconductor devices have a problem in that the characteristics or reliability of the semiconductor device deteriorates due to an increase in the temperature inside the semiconductor device during high power operation.
半導体装置内部の温度上昇を抑制するためには、放熱性が高い材料または放熱性が高い構造を発熱部の近傍に設けることが重要である。ダイヤモンドは、固体物質中で最も高い熱伝導率を誇っており、放熱用材料として最適である。 In order to suppress temperature rise inside semiconductor devices, it is important to place materials or structures with high heat dissipation properties near heat-generating parts. Diamond boasts the highest thermal conductivity of any solid substance, making it an ideal heat dissipation material.
高い放熱効果が見込まれる半導体装置として、半導体装置の基板全体をダイヤモンドで置換する、つまり、ダイヤモンドをヒートスプレッダとして用いる構造が知られている。特に、窒化物半導体として窒化ガリウム(GaN)を用いたGaN on Diamond構造は広く知られている。 As a semiconductor device that is expected to have a high heat dissipation effect, a structure in which the entire substrate of the semiconductor device is replaced with diamond, in other words, diamond is used as a heat spreader, is known. In particular, the GaN on Diamond structure, which uses gallium nitride (GaN) as a nitride semiconductor, is widely known.
窒化物半導体をダイヤモンドの直上に成長させることは困難であるため、上記のような構造は、窒化物半導体上に中間層を介してダイヤモンドを成長させる、あるいは窒化物半導体からなる半導体基板に別途形成したダイヤモンド基板を接合することによって形成されている。半導体基板にダイヤモンド基板を接合させる技術においては、両者間の熱膨張係数の違いから、各基板の応力変化を抑制させるために温度を比較的低温で接合させることが望ましい。そのため、半導体基板とダイヤモンド基板との直接接合においては、常温・高真空中でのAr照射等により、接合界面に未結合手(ダングリングボンド)を形成して、加圧接合を行う常温活性化接合(Surface Activated Bonding)などが用いられる。 Since it is difficult to grow a nitride semiconductor directly on diamond, the above structure is formed by growing diamond on a nitride semiconductor via an intermediate layer, or by bonding a separately formed diamond substrate to a semiconductor substrate made of a nitride semiconductor. In the technology for bonding a diamond substrate to a semiconductor substrate, due to the difference in thermal expansion coefficient between the two, it is desirable to bond them at a relatively low temperature to suppress stress changes in each substrate. Therefore, for direct bonding of a semiconductor substrate and a diamond substrate, a method such as surface activated bonding is used, in which dangling bonds are formed at the bonding interface by irradiating Ar at room temperature in a high vacuum, and then pressure bonding is performed.
基板同士を直接接合する場合は、原子レベルでの接合を行うため、ダイヤモンド基板および半導体基板それぞれの接合面に対し、平坦化に加え、表面粗さを1nm以下にする平滑化が必要である。ダイヤモンド基板における単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの平滑化および平坦化が可能であるが、2インチ以上の大面積サイズのダイヤモンド基板は面内を均一に高精度で平滑化および平坦化することが難しい。特に、大面積サイズの半導体基板とダイヤモンド基板とを接合した場合、応力の影響が大きく、基板間の密着性が高くなければ剥離が生じやすい。 When directly bonding substrates together, bonding is performed at the atomic level, so in addition to flattening the bonding surfaces of the diamond substrate and the semiconductor substrate, they also need to be smoothed to a surface roughness of 1 nm or less. While it is possible to smooth and flatten single crystal diamond and polycrystalline diamond on diamond substrates, it is difficult to uniformly smooth and flatten the entire surface of large diamond substrates with an area of 2 inches or more with high precision. In particular, when bonding a large semiconductor substrate and a diamond substrate, the effects of stress are large, and peeling is likely to occur unless the adhesion between the substrates is high.
そこで、基板表面ラフネスの影響の緩和、アモルファス材料による対となるダングリングボンドの接合性の向上を目的として、基板間の密着性を高めるための界面層を導入する方法が提案されている(例えば特許文献1および特許文献2)。界面層を厚くすることでアモルファス層が拡大して接合強度が高くなり、基板面内での均一な接合ができるようになる。 In order to mitigate the effects of substrate surface roughness and improve the bonding of dangling bonds made of amorphous materials, methods have been proposed that introduce an interface layer to increase adhesion between substrates (e.g., Patent Documents 1 and 2). By making the interface layer thicker, the amorphous layer expands, increasing the bonding strength and enabling uniform bonding within the substrate surface.
しかし、基板間に界面層を導入した場合、熱伝導率が低いアモルファス層の影響が大きくなり、ダイヤモンド基板による放熱性向上の効果を十分に得ることができないという問題が生じる。そのため、ダイヤモンド基板の放熱性の効果を確保しつつ、半導体基板との接合強度を高くすることができる接合層の形成方法が望まれる。 However, when an interface layer is introduced between the substrates, the influence of the amorphous layer, which has low thermal conductivity, becomes greater, and the effect of improving heat dissipation provided by the diamond substrate cannot be fully achieved. Therefore, a method of forming a bonding layer that can increase the bonding strength with the semiconductor substrate while maintaining the heat dissipation effect of the diamond substrate is desired.
本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、ダイヤモンド層による放熱性の効果を確保しつつ、半導体層とダイヤモンド層との接合強度を高くできる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made to solve the above problems, and aims to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof that can increase the bonding strength between the semiconductor layer and the diamond layer while ensuring the heat dissipation effect of the diamond layer.
本開示に係る半導体装置は、第1主面および第2主面を有する半導体層と、第3主面および第4主面を有するダイヤモンド層と、前記ダイヤモンド層の前記第3主面に形成された第1窪み部と、前記第1窪み部に埋め込まれた第1接合層と、を備え、前記半導体層の前記第2主面と前記ダイヤモンド層の前記第3主面とが、前記第1接合層を介して接合されている。 The semiconductor device according to the present disclosure comprises a semiconductor layer having a first main surface and a second main surface, a diamond layer having a third main surface and a fourth main surface, a first recessed portion formed in the third main surface of the diamond layer, and a first bonding layer embedded in the first recessed portion, and the second main surface of the semiconductor layer and the third main surface of the diamond layer are bonded via the first bonding layer.
本開示に係る半導体装置によれば、窪み部において接合層が厚くなり、その部分で半導体層とダイヤモンド層との接合強度が高くなるため、全体として、応力の影響が緩和され、高い接合強度が得られる。また、半導体層とダイヤモンド層との間に導入される接合層は局所的であるため、ダイヤモンド基板による放熱性の効果も十分に得られる。 In the semiconductor device according to the present disclosure, the bonding layer is thicker in the recessed portion, and the bonding strength between the semiconductor layer and the diamond layer is increased in that portion, so that the effects of stress are mitigated overall, and high bonding strength is obtained. In addition, because the bonding layer introduced between the semiconductor layer and the diamond layer is localized, the heat dissipation effect of the diamond substrate is also fully obtained.
本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objects, features, aspects, and advantages of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description and accompanying drawings.
本開示に係る半導体装置およびその製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。図面においては、理解の容易のため、各部材の縮図が実際とは異なる場合がある。 The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the scale of each component may differ from the actual components in order to facilitate understanding.
A.実施の形態1
A-1.構成
実施の形態1に係る半導体装置100について説明する。半導体装置100は、図1に示すように、半導体層10およびダイヤモンド層11を備えている。
A. First embodiment
A-1. Configuration A description will be given of a
半導体層10は、第1主面50と、それに対向する第2主面51とを有している。図1において、半導体層10の上側の面が第1主面50、下側の面が第2主面51である。ダイヤモンド層11は、第3主面52と、それに対向する第4主面53とを有している。図1において、ダイヤモンド層11の上側の面が第3主面52、下側の面が第4主面53である。半導体層10はダイヤモンド層11上に搭載されており、ダイヤモンド層11の第3主面52と半導体層10の第2主面51とが接合されている。
The
ダイヤモンド層11の第3主面52には、第1窪み部30が形成されている。第1窪み部30内には、第1接合層13が密に埋め込まれて形成されている。第1接合層13の表面はダイヤモンド層11の第3主面52と同一面を形成しており、第1接合層13は半導体層10の第2主面51に接合している。
A
第1窪み部30の形状は、第1接合層13の第1窪み部30に対する高い被膜性を得るために、逆円錐、逆円錐台、逆角錐、逆角錐台であることが好ましい。第1窪み部30の深さは、第1接合層13の成膜厚さの影響を考慮して、10nm以上500nm以下であることが好ましい。
The shape of the
第1接合層13の材料としては、シリコン系薄膜、炭化シリコン系薄膜、窒化シリコン系薄膜、酸化シリコン系薄膜、酸化ガリウム系薄膜、酸化アルミニウム薄膜、Ti系薄膜、Ta系薄膜、Cu系薄膜、Au系薄膜、Pt系薄膜のいずれか、もしくはそれらの2つ以上の組み合わせを用いることができる。
The material for the
図2に示すように、半導体層10の第2主面51とダイヤモンド層11の第3主面52との間には、半導体層10とダイヤモンド層11との接合強度を高めるために、第2接合層14を設けてもよい。第2接合層14は、半導体層10の第2主面51とダイヤモンド層11の第3主面52との接合面の全体に設けられ、第2主面51と第3主面52とを接合する。第2接合層14が厚いと、寄生成分の発生や放熱性能の低下を招くおそれがあるため、その厚さは10nm以下であることが好ましい。後述するように、第1接合層13により半導体層10とダイヤモンド層11との接合強度が向上されるため、第2接合層14が10nm以下の厚さであっても十分な接合強度が得られる。第2接合層14は、接合強度を高めるために、第1接合層13と同一材料であることが好ましい。
2, a
半導体層10の第1主面50上には、半導体デバイスが形成される。図3に、その一例として、第1主面50上に高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)が形成された例を示す。なお、図1および図2は、図3のA1-A2線に沿った断面に対応している。HEMTは、ソース電極20、ゲート電極21およびドレイン電極22などの電極により構成される。
A semiconductor device is formed on the first
半導体層10の材料としては、例えばGaN、AlGaN、InAlN、AlN、SiC、Si、GaAs、Ga2O3などがある。半導体層10は、これらのうちの1つの材料による単層構造でもよいし、複数の材料による積層構造でもよい。半導体層10の厚さは、10.0μm以下が好ましいが、10.0μmを超えてもよい。
Examples of materials for the
ダイヤモンド層11としては、単結晶ダイヤモンドまたは複数の単結晶ダイヤモンドが横方向で接合しているモザイクダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドなどが用いられる。ダイヤモンド層11は、CVD(Chemical Vaper Deposition)法で作製することが好適である。ダイヤモンド層11の厚みは10μm以上700μm以下であることが好ましい。
The
ソース電極20、ゲート電極21、ドレイン電極22の材料は、単一の金属元素でも合金でもよい。単一の金属元素として、Cu、Ti、Al、Au、Ni、Nb、Pd、Pt、Cr、W、Ta、およびMoからなる群から選択された一つの元素が用いられてもよい。合金としてAlSi、AlCu、AuGe、AuGa、またはAuSnなどが用いられてもよい。また、ソース電極20、ゲート電極21、ドレイン電極22の材料は、上記のいずれかの材料を積層したものであってもよい。
The materials of the
A-2.製造方法
図4から図14は、実施の形態1に係る半導体装置100の製造方法を示す図である。以下、図4から図14を参照して、実施の形態1に係る半導体装置100の製造方法を説明する。半導体装置100の製造方法は、半導体層10を加工する「第1工程」と、ダイヤモンド層11を加工する「第2工程」と、加工された半導体層10とダイヤモンド層11とを接合する「第3工程」とを備える。
A-2. Manufacturing method Figures 4 to 14 are diagrams showing a manufacturing method of the
第1工程について説明する。 Explain the first step.
まず、図4に示すようにSi、SiC、GaNなどからなる支持層16を用意し、支持層16上に半導体層10を形成することで、半導体層10およびダイヤモンド層11からなる第1半導体基板1aを製作する。
First, as shown in FIG. 4, a
次に、図5に示すように、半導体層10の第1主面50上にソース電極20、ゲート電極21およびドレイン電極22を形成する。
Next, as shown in FIG. 5, a
続いて、図6に示すように、別途用意した支持基板2を、接着層17を介して、半導体層10の第1主面50に接着することで、支持基板2が接着された第1半導体基板1aである第2半導体基板3aを作製する。支持基板2には、ガラス基板、サファイア基板、Si基板などが用いられる。
Next, as shown in FIG. 6, a separately
その後、図7に示すように、第2半導体基板3aから支持層16を完全に除去して、半導体層10の第2主面51を露出させる。半導体層10の第2主面51は、研削もしくは研磨により加工して、表面形状が平坦化かつ平滑化される。平滑化された第2主面51は、表面ラフネスSa≦1.0nmで加工されている。
Then, as shown in FIG. 7, the
第2工程について説明する。 The second step will be explained.
まず、図8に示すように、ダイヤモンド層11となるダイヤモンド基板4aを用意する。そして、図9に示すように、ダイヤモンド層11の第3主面52を研削および研磨して、第3主面52の表面形状を平坦化かつ平滑化させる。平滑化された第3主面52は、表面ラフネスSa≦1.0nmで加工されている。
First, as shown in FIG. 8, a
次に、図10で示すように、研削および研磨加工された第3主面52に対し、第1窪み部30を形成する。第1窪み部30は、パターニングされたレジストもしくはメタルマスクからなるエッチングマスクを用いて、第3主面52を選択的にエッチングすることにより形成できる。エッチングの方法は、例えば、ニッケルとの熱化学反応によるエッチング、反応性エッチングガスによるドライエッチングなどが用いられる。
Next, as shown in FIG. 10, a
続いて、図11に示すように、第1窪み部30が形成されたダイヤモンド基板4aの第3主面52に第1接合層13を形成するとともに、第1窪み部30に第1接合層13を埋め込む。第1接合層13は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)やスパッタリング法、真空蒸着法などの方法により形成される。第1接合層13は、第1窪み部30の深さ以上の厚さで成膜され、第1窪み部30が第1接合層13によって完全に埋め込まれるようにする。
Next, as shown in FIG. 11, a
そして、図12に示すように、ダイヤモンド基板4aの第3主面52をガイドにして、第1接合層13をCMP法(Chemical Mechanical Polishing)により研磨して、第3主面52上の第1接合層13を除去するとともに、第1窪み部30に埋め込まれている第1接合層13の表面の高さを、第3主面52の高さに合わせる。これにより、第3主面52の表面は平坦化される。
Then, as shown in FIG. 12, using the third
第3工程について説明する。第3工程では、第1工程で加工された第2半導体基板3aと、第2工程で加工されたダイヤモンド基板4aとが接合される。
The third step will now be described. In the third step, the
まず、図13に示すように、第2半導体基板3aの半導体層10の第2主面51とダイヤモンド基板4aの第3主面52を接合する。第2半導体基板3aとダイヤモンド基板4aとの接合の際は、常温表面活性化接合などが用いられる。図2の構成をとる場合、接合に先立って、ダイヤモンド基板4aの第3主面52上に第2接合層14を形成する。第2接合層14は、第1接合層13との密着性を高めるために、第1接合層13と同一材料であることが好ましい。
First, as shown in FIG. 13, the second
そして、図14に示すように、第1半導体基板1aから接着層17および支持基板2を剥離させる。こうして、図1または図2に示した構造の半導体装置100が完成する。
Then, as shown in FIG. 14, the
A-3.効果
実施の形態1に係る半導体装置100では、ダイヤモンド層11と半導体層10とが、第1窪み部30に埋め込まれた第1接合層13を介して接合されている。よって、接合表面積および接合層厚が増加し、第1窪み部30の部分で、半導体層10とダイヤモンド層11との接合強度が高くなる。
A-3. Effects In the
半導体層10とダイヤモンド層11の間の第1接合層13は、表面ラフネスの補正やアモルファス成分による異種基板同士の結合を支援できるが、第1接合層13の存在が、寄生成分の発生や放熱性能の低下を招くおそれもある。そのため、第1接合層13の影響はできる限り低減することが望ましい。実施の形態1に係る半導体装置100では、第1接合層13が局所的に形成されることで、第1接合層13の影響は抑制されている。よって、寄生成分の発生を防止されるとともに、ダイヤモンド層11による放熱性の効果が十分に得られる。
The
B.実施の形態2
B-1.構成
実施の形態2に係る半導体装置100について説明する。図15は、実施の形態2に係る半導体装置100の構成を示す図である。図15において、図1に示したものと同一または対応する要素には、それと同一の符号を付している。よって、それらの詳細な説明は省略する。
B. Second embodiment
B-1. Configuration
実施の形態2に係る半導体装置100において、ダイヤモンド層11は、実施の形態1(図1)で示した第1窪み部30および第1接合層13を有しておらず、それに代えて、半導体層10が、図15のように、第2窪み部31および第3接合層15を有している。第2窪み部31は、半導体層10の第2主面51に形成されており、第3接合層15は、第2窪み部31内に、密に埋め込まれている。第3接合層15の表面は半導体層10の第2主面51と同一面を形成しており、第3接合層15はダイヤモンド層11の第3主面52に接合している。
In the
第2窪み部31の形状は、第3接合層15の第2窪み部31に対する被膜性を向上させるために、逆円錐、逆円錐台、逆角錐、逆角錐台であることが好ましい。第2窪み部31の深さは、第3接合層15の成膜厚さの影響を考慮して、10nm以上500nm以下であることが好ましい。
The shape of the
第3接合層15は、シリコン系薄膜、炭化シリコン系薄膜、窒化シリコン系薄膜、酸化シリコン系薄膜、酸化ガリウム系薄膜、酸化アルミニウム薄膜、Ti系薄膜、Ta系薄膜、Cu系薄膜、Au系薄膜、Pt系薄膜のいずれか、もしくはそれらの2つ以上の組み合わせを用いることができる。
The
図16に示すように、半導体層10の第2主面51とダイヤモンド層11の第3主面52の間には、接合強度を高めるために、第2接合層14を形成してもよい。第2接合層14は、半導体層10の第2主面51とダイヤモンド層11の第3主面52との接合面の全体に設けられ、第2主面51と第3主面52とを接合する。第2接合層14が厚いと、寄生成分の発生や放熱性能の低下を招くおそれがあるため、その厚さは10nm以下であることが好ましい。後述するように、第3接合層15により半導体層10とダイヤモンド層11との接合強度が向上されるため、第2接合層14が10nm以下の厚さであっても十分な接合強度が得られる。第2接合層14は、接合強度を高めるために、第3接合層15と同一材料であることが好ましい。
As shown in FIG. 16, a
B-2.製造方法
図17から図27は実施の形態2に係る半導体装置100の製造方法を示す図である。以下、図17から図27を参照して、実施の形態2に係る半導体装置100の製造方法を説明する。実施の形態2に係る半導体装置100の製造方法も、半導体層10を加工する「第1工程」と、ダイヤモンド層11を加工する「第2工程」と、加工された半導体層10とダイヤモンド層11とを接合する「第3工程」とを備える。
B-2. Manufacturing method Figures 17 to 27 are diagrams showing a manufacturing method for the
第1工程について説明する。 Explain the first step.
まず、図17に示すようにSi、SiC、GaNなどからなる支持層16を用意し、支持層16上に半導体層10を形成することで、半導体層10およびダイヤモンド層11からなる第1半導体基板1aを製作する。
First, as shown in FIG. 17, a
次に、図18に示すように、半導体層10の第1主面50上にソース電極20、ゲート電極21、ドレイン電極22を形成する。
Next, as shown in FIG. 18, a
続いて、図19に示すように、別途用意した支持基板2を、接着層17を介して、半導体層10の第1主面50に接着することで、支持基板2が接着された第1半導体基板1aである第2半導体基板3aを作製する。支持基板2には、ガラス基板、サファイア基板、Si基板などが用いられる。
Next, as shown in FIG. 19, a separately
次に、図20に示すように、第2半導体基板3aから支持層16を除去して、半導体層10の第2主面51を露出させる。そして、図21に示すように、露出した第2主面51に、第2窪み部31を形成する。第2窪み部31は、パターニングされたレジストもしくはメタルマスクからなるエッチングマスクを用いて、第2主面51を選択的にエッチングすることにより形成できる。エッチングの方法は、例えば、ニッケルとの熱化学反応によるエッチング、反応性エッチングガスによるドライエッチングなどが用いられる。
Next, as shown in FIG. 20, the
続いて、図22に示すように、第2窪み部31が形成された半導体層10の第2主面51上に第3接合層15を形成するとともに、第2窪み部31に第3接合層15を埋め込む。第3接合層15は、プラズマCVDやスパッタリング法、真空蒸着法などの方法により形成される。第3接合層15は、第2窪み部31の深さ以上の厚さで成膜され、第2窪み部31が第3接合層15によって完全に埋め込まれるようにする。
Next, as shown in FIG. 22, a
そして、図23に示すように、半導体層10の第2主面51を、研削もしくは研磨により加工して、表面形状を平坦化かつ平滑化する。平滑化された第2主面51は、表面ラフネスSa≦1.0nmで加工される。また、第2主面51上の第3接合層15が除去され、第2窪み部31に埋め込まれている第3接合層15の表面の高さが第2主面51の高さに合わせられる。
23, the second
第2工程について説明する。 The second step will be explained.
まず、図24に示すように、ダイヤモンド層11となるダイヤモンド基板4aを用意する。そして、図25に示すように、ダイヤモンド層11の第3主面52を研削および研磨して、第3主面52の表面形状を平坦化かつ平滑化させる。平滑化された第3主面52は、表面ラフネスSa≦1.0nmで加工されている。
First, as shown in FIG. 24, a
第3工程について説明する。第3工程では、第1工程で加工された第2半導体基板3aと、第2工程で加工されたダイヤモンド基板4aとが接合される。
The third step will now be described. In the third step, the
まず、図26に示すように、第2半導体基板3aの半導体層10の第2主面51とダイヤモンド基板4aの第3主面52を接合する。第2半導体基板3aとダイヤモンド基板4aとの接合の際は、常温表面活性化接合などが用いられる。図16の構成をとる場合、接合に先立って、ダイヤモンド基板4aの第3主面52上に第2接合層14を形成する。第2接合層14は、第3接合層15との密着性を高めるために、第3接合層15と同一材料であることが好ましい。
First, as shown in FIG. 26, the second
そして、図27に示すように、第1半導体基板1aから接着層17および支持基板2を剥離させる。こうして、図15または図16に示した構造の半導体装置100が完成する。
Then, as shown in FIG. 27, the
B-3.効果
実施の形態2に係る半導体装置100では、半導体層10とダイヤモンド層11とが、第2窪み部31に埋め込まれた第3接合層15を介して接合されている。よって、接合表面積および接合層厚が増加し、第2窪み部31の部分で、半導体層10とダイヤモンド層11との接合強度が高くなる。
B-3. Effects In the
また、実施の形態2に係る半導体装置100では、第3接合層15が局所的に形成されることで、第3接合層15の影響は抑制されている。よって、寄生成分の発生を防止されるとともに、ダイヤモンド層11による放熱性の効果が十分に得られる。
In addition, in the
C.実施の形態3
C-1.構成
実施の形態3に係る半導体装置100について説明する。図28は、実施の形態3に係る半導体装置100の構成を示す図である。図28において、図1または図15に示したものと同一または対応する要素には、それと同一の符号を付している。よって、それらの詳細な説明は省略する。
C. Third embodiment
C-1. Configuration
実施の形態3に係る半導体装置100においては、ダイヤモンド層11が、実施の形態1(図1)と同様に、第2主面51に第1窪み部30および第1接合層13を有し、且つ、半導体層10が、実施の形態2(図15)と同様に、第3主面52に第2窪み部31および第3接合層15を有している。また、第1窪み部30と第2窪み部31とが、互いに重なる位置に形成されており、第1窪み部30内の第1接合層13と第2窪み部31内の第3接合層15とが同一面で接合している。第1接合層13と第3接合層15とは、同一材料で形成されることが好ましい。
In the
図29に示すように、半導体層10の第2主面51とダイヤモンド層11の第3主面52の間には、接合強度を高めるために、第2接合層14を形成してもよい。第2接合層14は、半導体層10の第2主面51とダイヤモンド層11の第3主面52との接合面の全体に設けられ、第2主面51と第3主面52とを接合する。第2接合層14が厚いと、寄生成分の発生や放熱性能の低下を招くおそれがあるため、その厚さは10nm以下であることが好ましい。第1接合層13および第3接合層15により半導体層10とダイヤモンド層11との接合強度が向上されるため、第2接合層14が10nm以下の厚さであっても十分な接合強度が得られる。第2接合層14は、接合強度を高めるために、第1接合層13および第3接合層15と同一材料であることが好ましい。
As shown in FIG. 29, a
C-2.製造方法
以下、実施の形態3に係る半導体装置100の製造方法を説明する。実施の形態3に係る半導体装置100の製造方法も、半導体層10を加工する「第1工程」と、ダイヤモンド層11を加工する「第2工程」と、加工された半導体層10とダイヤモンド層11とを接合する「第3工程」とを備える。
C-2. Manufacturing method Hereinafter, a manufacturing method for the
実施の形態3における第1工程は、実施の形態2の第1工程(図17から図23)と同様である。 The first step in embodiment 3 is the same as the first step in embodiment 2 (Figures 17 to 23).
実施の形態3における第2工程は、実施の形態1の第2工程(図8から図12)と同様である。 The second step in the third embodiment is the same as the second step in the first embodiment (Figures 8 to 12).
第3工程では、第3工程では、第1工程で加工された第2半導体基板3aと、第2工程で加工されたダイヤモンド基板4aとが接合される。
In the third step, the
まず、図30に示すように、第2半導体基板3aの半導体層10の第2主面51とダイヤモンド基板4aの第3主面52を接合する。このとき、第1窪み部30と第2窪み部31とが位置合わせされる。第2半導体基板3aとダイヤモンド基板4aとの接合の際は、常温表面活性化接合などが用いられる。図29の構成をとる場合、接合に先立って、ダイヤモンド基板4aの第3主面52上に第2接合層14を形成する。第2接合層14は、第3接合層15との密着性を高めるために、第1接合層13および第3接合層15と同一材料であることが好ましい。
First, as shown in FIG. 30, the second
そして、図31に示すように、第1半導体基板1aから接着層17および支持基板2を剥離させる。こうして、図28または図29に示した構造の半導体装置100が完成する。
Then, as shown in FIG. 31, the
C-3.効果
実施の形態3に係る半導体装置100では、半導体層10とダイヤモンド層11とが、第1窪み部30に埋め込まれた第1接合層13および第2窪み部31に埋め込まれた第3接合層15を介して接合されている。また、第1窪み部30および第1接合層13と、第2窪み部31および第3接合層15とは、互いに重なる位置に設けられており、第1接合層13と第3接合層15とが接合している。よって、接合表面積および接合層厚が増加し、第1窪み部30および第2窪み部31の部分で、半導体層10とダイヤモンド層11との接合強度が高くなる。
C-3. Effects In the
また、実施の形態2に係る半導体装置100では、第1接合層13および第3接合層15が局所的に形成されることで、第1接合層13および第3接合層15の影響は抑制されている。よって、寄生成分の発生を防止されるとともに、ダイヤモンド層11による放熱性の効果が十分に得られる。
In addition, in the
D.実施の形態4
D-1.構成
図32および図33は、実施の形態4に係る半導体装置100の断面図および上面図である。図32は図33のA1-A2線に沿った断面である。
D. Fourth embodiment
32 and 33 are a cross-sectional view and a top view of a
実施の形態4に係る半導体装置100の基本的な構造は、実施の形態1から3と同じであるが、図32および図33に示すように、第1窪み部30と第2窪み部31の片方または両方が、半導体層10の通電領域54(トランジスタ等の半導体デバイスが動作するときに電流パスとなる領域)の直下から離れた位置に形成される。
The basic structure of the
第1窪み部30および第2窪み部31の位置は、半導体デバイスの通電時の発熱に対する影響を低減するために、通電領域54から50μm以上離れていることが好ましく、より好ましくは通電領域54から100μm以上離れているとよい。
The positions of the
また、図34に示すように、第1窪み部30および第2窪み部31の片方または両方が、通電領域54を囲うように延在してもよい。
Also, as shown in FIG. 34, one or both of the first recessed
D-2.製造方法
実施の形態4に係る半導体装置100は、実施の形態1から3に対して第1窪み部30または第2窪み部31の配置が異なるのみである。そのため、実施の形態4に係る半導体装置100は、実施の形態1から3に係る半導体装置100の製造方法に準じる方法で形成することができる。
D-2. Manufacturing Method The
D-3.効果
実施の形態4に係る半導体装置100では、第1窪み部30または第2窪み部31が、半導体デバイスの通電領域54の直下から離れた位置に設けられるため、通電時の発熱に対する影響が低減されるとともに、基板間の異種材料による寄生成分、リークパスなどの半導体デバイスに対する影響を抑制することができる。
D-3. Effects In the
さらに、第1窪み部30または第2窪み部31を、通電領域54を囲うように配置することで、部分的な応力の影響を広く緩和することができ、デバイス動作に必要な領域の剥離を抑制することができる。
Furthermore, by arranging the first recessed
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 In addition, it is possible to freely combine each embodiment, and to modify or omit each embodiment as appropriate.
上記した説明は、すべての態様において、例示であって、例示されていない無数の変形例が想定され得るものと解される。 The above description is illustrative in all respects, and it is understood that countless variations not illustrated may be envisioned.
1a 第1半導体基板、2 支持基板、3a 第2半導体基板、4a ダイヤモンド基板、10 半導体層、11 ダイヤモンド層、12 支持層、13 第1接合層、14 第2接合層、15 第3接合層、16 支持層、17 接着層、20 ソース電極、21 ゲート電極、22 ドレイン電極、30 第1窪み部、31 第2窪み部、50 第1主面、51 第2主面、52 第3主面、53 第4主面、54 通電領域、100 半導体装置。 1a first semiconductor substrate, 2 support substrate, 3a second semiconductor substrate, 4a diamond substrate, 10 semiconductor layer, 11 diamond layer, 12 support layer, 13 first bonding layer, 14 second bonding layer, 15 third bonding layer, 16 support layer, 17 adhesive layer, 20 source electrode, 21 gate electrode, 22 drain electrode, 30 first recess, 31 second recess, 50 first main surface, 51 second main surface, 52 third main surface, 53 fourth main surface, 54 current carrying region, 100 semiconductor device.
Claims (22)
第3主面および第4主面を有するダイヤモンド層と、
前記ダイヤモンド層の前記第3主面に形成された第1窪み部と、
前記第1窪み部に埋め込まれた第1接合層と、
を備え、
前記半導体層の前記第2主面と前記ダイヤモンド層の前記第3主面とが、前記第1接合層を介して接合されている、
半導体装置。 a semiconductor layer having a first major surface and a second major surface;
a diamond layer having a third major surface and a fourth major surface;
a first recess formed in the third major surface of the diamond layer;
a first bonding layer embedded in the first recess;
Equipped with
the second main surface of the semiconductor layer and the third main surface of the diamond layer are bonded via the first bonding layer.
Semiconductor device.
請求項1に記載の半導体装置。 a second bonding layer provided on an entire bonding surface between the second main surface of the semiconductor layer and the third main surface of the diamond layer, bonding the second main surface and the third main surface;
The semiconductor device according to claim 1 .
前記第2窪み部に埋め込まれた第3接合層と、
をさらに備え、
前記第2窪み部および前記第3接合層は、前記第1窪み部および前記第1接合層と重なる位置に設けられており、
前記半導体層の前記第2主面と前記ダイヤモンド層の前記第3主面とが、前記第1接合層および前記第3接合層を介して接合されている、
請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 a second recess portion formed in the second major surface of the semiconductor layer;
a third bonding layer embedded in the second recess;
Further equipped with
the second recessed portion and the third bonding layer are provided at positions overlapping with the first recessed portion and the first bonding layer,
the second main surface of the semiconductor layer and the third main surface of the diamond layer are bonded via the first bonding layer and the third bonding layer.
3. The semiconductor device according to claim 1 or 2.
第3主面および第4主面を有するダイヤモンド層と、
前記半導体層の前記第2主面に形成された第2窪み部と、
前記第2窪み部に埋め込まれた第3接合層と、
を備え、
前記半導体層の前記第2主面と前記ダイヤモンド層の前記第3主面とが、前記第3接合層を介して接合されている、
半導体装置。 a semiconductor layer having a first major surface and a second major surface;
a diamond layer having a third major surface and a fourth major surface;
a second recess portion formed in the second major surface of the semiconductor layer;
a third bonding layer embedded in the second recess;
Equipped with
the second main surface of the semiconductor layer and the third main surface of the diamond layer are bonded via the third bonding layer.
Semiconductor device.
請求項4に記載の半導体装置。 a second bonding layer provided across an entire bonding surface between the second main surface of the semiconductor layer and the third main surface of the diamond layer, bonding the second main surface and the third main surface;
The semiconductor device according to claim 4.
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。 The first bonding layer is composed of at least one of a silicon-based thin film, a silicon carbide-based thin film, a silicon nitride-based thin film, a silicon oxide-based thin film, a gallium oxide-based thin film, an aluminum oxide thin film, a Ti-based thin film, a Ta-based thin film, a Cu-based thin film, an Au-based thin film, and a Pt-based thin film.
The semiconductor device according to claim 1 .
請求項2または請求項5に記載の半導体装置。 The second bonding layer is composed of at least one of a silicon-based thin film, a silicon carbide-based thin film, a silicon nitride-based thin film, a silicon oxide-based thin film, a gallium oxide-based thin film, an aluminum oxide thin film, a Ti-based thin film, a Ta-based thin film, a Cu-based thin film, an Au-based thin film, and a Pt-based thin film.
The semiconductor device according to claim 2 or 5.
請求項3から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。 The third bonding layer is composed of at least one of a silicon-based thin film, a silicon carbide-based thin film, a silicon nitride-based thin film, a silicon oxide-based thin film, a gallium oxide-based thin film, an aluminum oxide thin film, a Ti-based thin film, a Ta-based thin film, a Cu-based thin film, an Au-based thin film, and a Pt-based thin film.
The semiconductor device according to claim 3 .
請求項2、請求項5または請求項7に記載の半導体装置。 The second bonding layer has a thickness of 10 nm or less.
The semiconductor device according to claim 2, claim 5 or claim 7.
請求項1、請求項2、請求項3または請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置。 The first recessed portion is formed in a shape of an inverted cone, an inverted truncated cone, an inverted pyramid, or an inverted truncated pyramid.
The semiconductor device according to claim 1, 2, 3 or 6.
請求項3、請求項4、請求項5または請求項8のいずれか一項に記載の半導体装置。 The shape of the second recessed portion is any one of an inverted cone, an inverted truncated cone, an inverted pyramid, and an inverted truncated pyramid.
The semiconductor device according to claim 3, 4, 5 or 8.
請求項1、請求項2、請求項3、請求項6または請求項10のいずれか一項に記載の半導体装置。 The depth of the first recess is 10 nm or more and 500 nm or less.
The semiconductor device according to claim 1, 2, 3, 6 or 10.
請求項3、請求項4、請求項5、請求項8または請求項11のいずれか一項に記載の半導体装置。 The depth of the second recess is 10 nm or more and 500 nm or less.
The semiconductor device according to claim 3, 4, 5, 8 or 11.
請求項1、請求項2、請求項3、請求項6、請求項10または請求項12のいずれか一項に記載の半導体装置。 The first recessed portion is formed at a position 50 μm or more away from the current-carrying region of the semiconductor layer.
The semiconductor device according to claim 1, 2, 3, 6, 10 or 12.
請求項3、請求項4、請求項5、請求項8、請求項11または請求項13のいずれか一項に記載の半導体装置。 The second recessed portion is formed at a position 50 μm or more away from the current-carrying region of the semiconductor layer.
The semiconductor device according to claim 3, 4, 5, 8, 11 or 13.
請求項1、請求項2、請求項3、請求項6、請求項10、請求項12または請求項14のいずれか一項に記載の半導体装置。 The first recessed portion extends so as to surround a periphery of a current-carrying region of the semiconductor layer.
The semiconductor device according to claim 1, 2, 3, 6, 10, 12 or 14.
請求項3、請求項4、請求項5、請求項8、請求項11、請求項13または請求項15のいずれか一項に記載の半導体装置。 The second recessed portion extends so as to surround a periphery of a current-carrying region of the semiconductor layer.
The semiconductor device according to claim 3, 4, 5, 8, 11, 13 or 15.
前記第1半導体基板から前記支持層を除去し、前記半導体層の前記第2主面を研削および研磨加工する工程、
を含む第1工程と、
第3主面および第4主面を有するダイヤモンド層を用意し、前記第3主面を研削および研磨加工して平坦化かつ平滑化する工程、
前記第3主面に第1窪み部を形成する工程、
前記第3主面上に第1接合層を形成するとともに、前記第1窪み部に前記第1接合層を埋め込む工程、および、
前記第2主面をガイドとして前記第1接合層を研磨加工することで、前記第3主面上の前記第1接合層を除去するとともに、前記第1窪み部に埋め込まれた前記第1接合層の表面の高さを前記第3主面の高さに合わせる工程、
を含む第2工程と、
前記ダイヤモンド層の前記第3主面と前記半導体層の前記第2主面とを接合する工程、
を含む第3工程と、
を備える半導体装置の製造方法。 A step of forming a semiconductor layer having a first main surface and a second main surface on a support layer such that the second main surface is connected to the support layer, thereby fabricating a first semiconductor substrate including the support layer and the semiconductor layer; and
removing the support layer from the first semiconductor substrate and grinding and polishing the second main surface of the semiconductor layer;
A first step comprising:
providing a diamond layer having a third major surface and a fourth major surface, and grinding and polishing the third major surface to make it flat and smooth;
forming a first recessed portion in the third main surface;
forming a first bonding layer on the third main surface and embedding the first bonding layer in the first recess; and
a step of polishing the first bonding layer using the second main surface as a guide to remove the first bonding layer on the third main surface and aligning a height of a surface of the first bonding layer embedded in the first recessed portion to a height of the third main surface;
A second step comprising:
bonding the third major surface of the diamond layer to the second major surface of the semiconductor layer;
A third step comprising:
A method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
前記ダイヤモンド層の前記第3主面上に第2接合層を形成する工程、
を含み、
前記ダイヤモンド層の前記第3主面と前記半導体層の前記第2主面とが、前記第2接合層を介して接合される、
請求項18に記載の半導体装置の製造方法。 The third step further comprises:
forming a second bonding layer on the third major surface of the diamond layer;
Including,
the third main surface of the diamond layer and the second main surface of the semiconductor layer are bonded via the second bonding layer;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 18.
前記第2主面に第2窪み部を形成する工程、
前記第2主面上に第3接合層を形成するとともに、前記第2窪み部に前記第3接合層を埋め込む工程、および、
前記第3接合層が形成された前記第2主面を研削および研磨加工することで前記第2主面上の前記第3接合層を除去するとともに、前記第2窪み部に埋め込まれた前記第3接合層の表面の高さを前記第2主面の高さに合わせる工程、
を含み、
前記第2窪み部および前記第3接合層は、前記第3工程において、前記ダイヤモンド層と前記半導体層とを接合するときに前記第1窪み部および前記第1接合層と重なる位置に設けられる、
請求項18または請求項19に記載の半導体装置の製造方法。 The first step further comprises:
forming a second recessed portion in the second main surface;
forming a third bonding layer on the second main surface and embedding the third bonding layer in the second recess; and
a step of removing the third bonding layer on the second main surface by grinding and polishing the second main surface on which the third bonding layer is formed, and adjusting the height of a surface of the third bonding layer embedded in the second recessed portion to the height of the second main surface;
Including,
the second recessed portion and the third bonding layer are provided at positions that overlap the first recessed portion and the first bonding layer when the diamond layer and the semiconductor layer are bonded in the third step.
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 18 or 19.
前記第1半導体基板から前記支持層を除去し、前記第2主面に第2窪み部を形成する工程、
前記第2主面上に第3接合層を形成するとともに、前記第2窪み部に前記第3接合層を埋め込む工程、および、
前記第3接合層が形成された前記第2主面を研削および研磨加工することで前記第2主面上の前記第3接合層を除去するとともに、前記第2窪み部に埋め込まれた前記第3接合層の表面の高さを前記第2主面の高さに合わせる工程、
を含む第1工程と、
第3主面および第4主面を有するダイヤモンド層を用意し、前記第3主面を研削および研磨加工して平坦化かつ平滑化する工程、
を含む第2工程と、
前記ダイヤモンド層の前記第3主面と前記半導体層の前記第2主面とを接合する工程、
を含む第3工程と、
を備える半導体装置の製造方法。 A step of forming a semiconductor layer having a first main surface and a second main surface on a support layer such that the second main surface is connected to the support layer, thereby fabricating a first semiconductor substrate including the support layer and the semiconductor layer;
removing the support layer from the first semiconductor substrate and forming a second recessed portion in the second main surface;
forming a third bonding layer on the second main surface and embedding the third bonding layer in the second recess; and
a step of removing the third bonding layer on the second main surface by grinding and polishing the second main surface on which the third bonding layer is formed, and adjusting the height of a surface of the third bonding layer embedded in the second recessed portion to the height of the second main surface;
A first step comprising:
providing a diamond layer having a third major surface and a fourth major surface, and grinding and polishing the third major surface to make it flat and smooth;
A second step comprising:
bonding the third major surface of the diamond layer to the second major surface of the semiconductor layer;
A third step comprising:
A method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
前記ダイヤモンド層の前記第3主面上に第2接合層を形成する工程、
を含み、
前記ダイヤモンド層の前記第3主面と前記半導体層の前記第2主面とが、前記第2接合層を介して接合される、
請求項21に記載の半導体装置の製造方法。 The third step further comprises:
forming a second bonding layer on the third major surface of the diamond layer;
Including,
the third main surface of the diamond layer and the second main surface of the semiconductor layer are bonded via the second bonding layer;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 21 .
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