半導体装置
【課題】機能素子からの放熱性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】機能素子１４０と、表面の一部の搭載領域１３０に機能素子が搭載された金属基板（熱伝導性基板）１０１と、金属基板の表面の搭載領域を除く配線層領域１２５に形成された単層または多層の配線層１１０とを有することを特徴とする半導体装置１００であって、金属基板と反対側の機能素子表面は、配線層の金属基板と反対側の表面よりも低い。金属基板は、金属材料から構成されることを特徴とし、機能素子は、金属基板の表面に接合された複数の半導体素子である。
【解決手段】機能素子１４０と、表面の一部の搭載領域１３０に機能素子が搭載された金属基板（熱伝導性基板）１０１と、金属基板の表面の搭載領域を除く配線層領域１２５に形成された単層または多層の配線層１１０とを有することを特徴とする半導体装置１００であって、金属基板と反対側の機能素子表面は、配線層の金属基板と反対側の表面よりも低い。金属基板は、金属材料から構成されることを特徴とし、機能素子は、金属基板の表面に接合された複数の半導体素子である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導性基板の表面に機能素子と配線層と形成した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、実装する電子部品で発生する熱の放熱性を高めた配線基板に関する技術が利用されている。このような技術として、例えば、特許文献１には、配線基板上の電子部品が実装される領域に放熱用パターンを基板の実装表面側と裏側で位置を合わせて形成し、両側の放熱用パターンをビアホールで接続した構造とする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−５４８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、シリコン集積回路技術として周知のビアホール技術も放熱効果を高めるための技術である。すなわち、ビアホール技術は、シリコン基板の表面に形成された集積回路パターンに対してシリコン基板の裏面側からビアホールを形成し、シリコン基板よりも熱伝導率の大きな金属等によりビアホールを埋め込む技術である。したがって、このビアホール技術は、シリコン基板の熱伝導率が小さいことに起因する改良方法の一つである。しかしながら、ビアホール技術は、断面積が小さいので放熱効果が小さい問題点がある。
【０００５】
また、多層配線間を貫通させるビアホールのサイズが機能素子の微細化および高集積化に伴ってダウンサイズすることができないために、その相対的な占有面積率が高くなってしまう。このような放熱用パターンを設ける構成では、電子部品（機能素子）を高密度に実装し集積化する場合などでは、配線基板上の限られた領域に放熱用パターンやビアホールを高密度に形成することが困難であった。さらに、放熱用パターンやビアホールを数多く高密度に形成することは、占有面積の増加等による基板コストの増加にもなっていた。
【０００６】
本発明の目的は、機能素子からの放熱性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、機能素子と、表面の一部の搭載領域に前記機能素子が搭載された熱伝導性基板（例えば、金属基板、ダイヤモンド基板）と、前記熱伝導性基板の表面の前記搭載領域を除く配線層領域に形成された単層または多層の配線層とを有することを特徴とする。
【０００８】
そして、前記熱伝導性基板と反対側の機能素子表面は、前記配線層の前記熱伝導性基板と反対側表面よりも低いことを好適とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、機能素子からの放熱性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置を説明するための斜視図である。（ｂ）は、第１の実施形態の半導体装置を説明するための断面図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置における放熱効果を説明するための断面図である。（ｂ）は、第１の実施形態の半導体装置における放熱効果を説明するための断面図である。
【図３】第１の実施形態の半導体装置の変形例１を説明するための断面図である。
【図４】（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置の変形例２を説明するための断面図である。（ｂ）は、第１の実施形態の半導体装置の変形例２における放熱効果を説明するための断面図である。
【図５】第１の実施形態の半導体装置の変形例３を説明するための断面図である。
【図６】第２の実施形態の半導体装置を説明するための断面図である。
【図７】（ａ）は、第３の実施形態の半導体装置を説明するための平面図である。（ｂ）は、第３の実施形態の半導体装置を説明するための断面図である。
【図８】第３の実施形態の半導体装置を説明するための平面図である。
【図９】第３の実施形態の変形例の半導体装置を説明するための平面図である。
【図１０】第３の実施形態の変形例の半導体装置を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、図１乃至図１０を参照して説明する。なお、各図で同じ構成要素には同一の符号を付している。以下、図面を参照して順次本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態およびその変形例を、図１乃至図５を参照して説明する。
【００１３】
（構成）
第1の実施形態の半導体装置の構成を、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施形態の半導体装置１００を模式的に示した斜視図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体装置１００のＡ−Ａ線に沿って切断した半導体装置１００ａの断面を示す断面図である。
【００１４】
半導体装置１００、１００ａは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、金属材料で構成される金属基板１０１と、金属基板１０１の表面の一部の基板表面露出領域（搭載領域）１３０に搭載された機能素子１４０と、金属基板１０１の表面の基板表面露出領域（搭載領域）１３０を除く配線層領域１２５に形成された配線層１１０と、金属基板１０１の裏面に設けられた高熱伝導率を有する無機材料で構成される高熱伝導無機絶縁膜１２０（１２０ａ）とを備えて構成される。
【００１５】
金属基板１０１は、Ｃｕ、Ａｌ、のうち少なくとも一つの元素を含む材料が好適である。あるいは、金属基板１０１および高熱伝導無機絶縁膜１２０（１２０ａ）をダイヤモンドからなる構成とすることで高熱伝導基板とすることもできる。
【００１６】
また、配線層１１０は、単層または多層の配線層と層間絶縁層とで構成される。図１（ｂ）では、配線層１１０は、２層構成の配線層と３層構成の層間絶縁層とを備えて構成される。図１（ｂ）において、配線層１１０は、金属基板１０１の表面から順に、第１の層間絶縁層１１１ａ、第１の配線層１１２ａ、第２の層間絶縁層１１１ｂ、第２の配線層１１２ｂ、第３の層間絶縁層１１１ｃ、および、外部との接続用の接続パッド１１５、１１６を備えて構成される。第１の配線層１１２ａと第２の配線層１１２ｂとの接続、および、第２の配線層１１２ｂと接続パッド１１５、１１６との接続は、それぞれ、第２の層間絶縁層１１１ｂおよび第３の層間絶縁層１１１ｃに開口されたスルーホールを経由して接続されている。
【００１７】
第１の層間絶縁層１１１ａ乃至第３の層間絶縁層１１１ｃは、例えば、エポキシ系有機材料による構成とすることができる。また、第１の配線層１１２ａ、第２の配線層１１２ｂおよび接続パッド１１５、１１６は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕの材料を少なくとも一つ含む金属材料による構成とすることができる。
【００１８】
そして、金属基板１０１の裏面側に設けた高熱伝導無機絶縁膜１２０ａは、熱伝導率が高いことが望ましく、構成材料として、ダイヤモンドライクカーボン (Diamond-Like Carbon：ＤＬＣ)、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、およびＳｉＮのうちのいずれかの絶縁膜またはこれらの積層された絶縁膜であることが好適である。
【００１９】
そして、基板表面露出領域１３０は、その底面の表面は露出された金属基板１０１の表面であり、配線層１１０と金属基板１０１とで形成された領域は、多層構造の配線層１１０の断面を有する矩形凹部領域となっている。
【００２０】
機能素子１４０は、この基板表面露出領域１３０内の金属基板１０１の表面に搭載され、配線層１１０と接続配線によって接続されている。
【００２１】
（動作）
本実施形態は、この基板表面露出領域（搭載領域）１３０である矩形凹部領域内に搭載された機能素子１４０の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造となっていることを特徴とする。
【００２２】
このような構成とすることで、半導体装置１００（１００ａ）における放熱効果を説明する。本実施形態の半導体装置１００（１００ａ）における熱移動の伝熱形態は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、双方向矢印Ｂ、Ｃ、および、Ｄで示した３つの伝熱形態（パス）が存在する。
【００２３】
まず、図２（ａ）に示すように、双方向矢印Ｂで示した伝熱形態（以後、熱流束Ｂと記載する。）としては、外部から金属基板１０１の表面に搭載された機能素子１４０の表面と、機能素子１４０の裏面と、金属基板１０１内と、そして、配線層１１０の裏面と配線層１１０の表面との間で熱伝導する熱流束Ｂが存在する。また、機能素子１４０の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造であることにより、基板表面露出領域１３０の配線層１１０の側面の外部の空気と、配線層１１０の側面と配線層１１０の内部との間で熱伝導する熱流束Ｃが存在する。
【００２４】
したがって、機能素子１４０が熱源となる場合には、熱流束Ｂ、Ｃの方向が機能素子１４０を始点とした方向の熱流束となり、機能素子１４０を熱源とする半導体装置１００ａで発生する熱が半導体装置１００ａの表面から外部の空気へ放熱され放熱性が高くなる。
【００２５】
さらに、図２（ｂ）に示すように、金属基板１０１の裏面を高熱伝導無機絶縁膜１２０ａで被覆する形態とすることで、背景技術の形態のように、ビアホールによって表側と裏側に設けた金属層を接続して熱伝導性を高める必要がなくなる。
【００２６】
すなわち、機能素子１４０または配線層１１０と金属基板１０１と高熱伝導無機絶縁膜１２０ａと高熱伝導無機絶縁膜１２０ａから外部との間での熱流束Ｄの方向は、機能素子１４０の裏面から金属基板１０１、そして高熱伝導無機絶縁膜１２０ａを経由して外部への方向となる。
【００２７】
したがって、機能素子１４０が熱源となる場合の発生熱は、金属基板１０１の裏面方向から外部の空気へ熱伝達されやすくなる。すなわち、機能素子１４０で発生した熱は、金属基板１０１の裏面を経由して半導体装置１００ａの裏面から外部の空気へ熱伝達される。
【００２８】
また、高熱伝導無機絶縁膜１２０ａを設けることにより金属基板１０１の裏面を保護することもできる。
【００２９】
（効果）
本発明の第１の実施形態では、基板表面露出領域（搭載領域）１３０である矩形凹部領域内に搭載された機能素子１４０の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造としたので、従来の形態と比較して、機能素子１４０を熱源とする半導体装置１００ａで発生する熱が半導体装置１００ａの表面から外部へ放熱され放熱性が高くなる。
【００３０】
すなわち、機能素子１４０で発生する熱が金属基板１０１を経由して配線層１１０表面から外部の空気へ熱伝達される熱流束Ｂ、および、配線層１１０の側面から外部の空気へ熱伝達される熱流束Ｃを設けることができ、基板１０１の表面側からの放熱性が高い半導体装置１００を提供できる。
【００３１】
さらに、本実施形態では、金属基板１０１の裏面に高熱伝導無機材料絶縁膜１２０（１２０ａ）を設け、基板裏面を保護すると共に、機能素子１４０で発熱した熱が金属基板１０１へ伝導し、さらに高熱伝導絶縁薄膜１２０ａを介して外部の空気へ熱伝達される。
【００３２】
したがって、本実施形態によれば、シリコン集積回路の作製技術として周知のシリコン基板の表側と裏側を貫通するビアホールを設けることなく、金属基板１０１を用いることで、高密度で放熱性の高い半導体装置を提供することができる。
【００３３】
（変形例１）
図３は、本実施形態の変形例１の半導体装置１００ｂを示している。図３に示した通り、基板１０１の両側面（２側面）を高熱伝導無機材料絶縁膜１２０ｂで被覆した構造あるいは、図示しない前後面を加えて基板１０１の４側面を高熱伝導無機材料絶縁膜１２０ｂとすることもできる。この変形例でも、基板１０１の側面から高熱伝導無機材料絶縁膜１２０ｂを経由して金属基板１０１の側面から外部の空気への熱伝達が行われ、高い放熱性を確保することができる。
【００３４】
（変形例２）
また、図４（ａ）および図４（ｂ）は、本実施形態の変形例２の半導体装置１００ｃを示している。図４（ａ）に示すように、基板１０１の内側の配線領域１２６の外側に基板１０１に配線層１１０ｂを設け、配線層１１０ｂの周囲に基板表面露出領域１３２を設けた金属基板１０１の表面に機能素子１４１を２つ設けた構成とすることもできる。
【００３５】
この構成の場合には、図４（ｂ）に示すように、２つの機能素子１４１で発生した熱の熱流束は、本実施形態で説明した３つの熱移動の伝熱形態を示す、矢印Ｅ、Ｆ、Ｇのような熱流束Ｅ、Ｆ、Ｇで金属基板１０１の表側と裏側の両方から熱伝達され、高い放熱性を備えた半導体装置１００ｃを提供できる。また、配線層領域をリング状に設け、リング状の配線層の内側領域と外側領域に基板表面露出領域を設けて機能素子を搭載するなどの変形も可能である。
【００３６】
（変形例３）
図５は、本実施形態の変形例３の半導体装置１００ｄを示す断面図である。この半導体装置１００ｄでは、本実施形態の半導体装置１００ａに対して、高熱伝導無機絶縁膜１５０を金属基板１０１の表面にさらに設け、この高熱伝導無機絶縁膜１５０の表面に機能素子１４０および配線層１１０を設けている。
【００３７】
高熱伝導無機絶縁膜１５０の具体例としては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、およびＳｉＮのうちのいずれかの絶縁膜またはこれらが積層された絶縁膜であることが好適である。
【００３８】
金属基板１０１の表面に、高熱伝導無機絶縁膜１５０を設けることによって、金属基板１０１の表面の露出領域を保護できるとともに、金属基板１０１の表面露出領域の高い熱伝達効果を確保することができる。
【００３９】
また、高熱伝導無機材料薄膜１５０と金属基板１０１との間の密着性が高くなるように、高熱伝導無機絶縁膜１５０と基板１０１との間に、別の金属薄膜（図示しない）を設けることもできる。別の金属薄膜としては、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＴｉのうち、少なくともいずれか一つを含む金属薄膜層を設けることができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
つぎに、本発明の第２の実施形態について、図６を参照して説明する。
【００４１】
前記第１の実施形態は、金属基板１０１の裏面に高熱伝導無機絶縁膜１２０を設けた構成とした。本実施形態では、図６に示すように、半導体装置２００ａが第１の実施形態と異なり、第１の実施形態の金属基板１０１を金属層２１４とセラミックス基板２１２とからなる基板２１０とした。以下、第１の実施形態と異なる点についてのみ、第２の実施形態の半導体装置２００ａを説明する。
【００４２】
本実施形態の半導体装置２００ａは、基板２１０がセラミックス基板２１２とセラミックス基板２１２上に設けた金属層２１４で構成される。金属層２１４の表面には、第１の実施形態と同様に機能素子１４０および配線層１１０が設けられている。
【００４３】
基板２１０を構成するセラミックス基板２１２は、高熱伝導材料で構成することが望ましい。セラミックス基板２１２の具体例として、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮ等のセラミックス基板とすることができる。また、セラミックス基板２１２の表面に設けられた金属層２１４は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、およびＰｔのうち、少なくともいずれか一つを含む金属材料層とすることができる。
【００４４】
（効果）
本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態および変形例で得られる効果に加えて、基板の裏面に設ける高熱伝導無機材料層（高熱伝導無機絶縁膜１２０）を省略することで、高熱伝導無機絶縁膜１２０を形成するためのプロセス工程を省略することができるので、配線基板の低コスト化が可能となる。
【００４５】
（変形例）
第１の実施形態で述べた変形例２および変形例３を本実施形態についても同様に変形例として適用することができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について、図７乃至図１０を参照して説明する。
【００４７】
図７（ａ）は、本発明の第３の実施形態の半導体装置３００を示す平面図である。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）の半導体装置３００におけるＨ−Ｈ線に沿って切断した断面を示す断面図である。
【００４８】
本実施形態の半導体装置３００は、図７（ａ）に示すように、前記実施形態で述べた複数の機能素子１４０として、発光素子アレイ３１０と、発光素子アレイ３１０を駆動する駆動回路素子としての駆動回路３１２とが金属基板１０１の表面に実装され、これら複数の機能素子の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造とすることで高放熱性の熱伝達効果を有することを特徴としている。
【００４９】
図７において、前記実施形態の構成要素と同等の構成要素には同じ符号を付している。同じ符号については説明を省略する。
【００５０】
図７（ａ）に示すように、半導体装置３００は、複数の発光領域を備えた発光素子アレイ３１０、発光素子アレイ３１０を駆動するための駆動回路３１２、発光素子アレイ３１０と駆動回路３１２とを接続する発光素子駆動回路間接続配線３１４、駆動回路３１２と金属基板１０１上の配線層１１０とを接続する駆動回路配線層間接続配線３１６、発光素子アレイ３１０と配線層１１０とを接続する発光素子アレイ配線層間接続配線３１８、外部から電源や駆動信号を供給するための金属基板１０１に設けた電源信号コネクタ３５０を備えて構成される。
【００５１】
つぎに、図７（ｂ）の断面図を参照して半導体装置３００ａを詳細に説明する。
発光素子アレイ３１０の構成は、ＡｌＧａＡｓ系材料やＡｌＧａＩｎＰ系材料、あるいは、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物半導体系材料を含む単結晶半導体薄膜素子の形態の発光素子のアレイとすることができる。
【００５２】
発光素子アレイ３１０は、単結晶半導体薄膜素子の形態であり、接着剤を使用せずに基板表面露出領域１３０の金属基板１０１の表面に直接接合された形態が好適である。単結晶半導体薄膜素子の形態で金属基板１０１表面に直接接合することによって、主として発光素子アレイ３１０の発光層で発生した熱が金属基板１０１に効率的に熱伝達され、発光素子アレイ３１０の温度上昇を防止できる。
【００５３】
また、駆動回路３１２は、発光素子アレイ３１０を駆動する電流や駆動する速度によって、単結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、ポリＳｉ、および、有機半導体や酸化物半導体の中から適宜選択することができる。
【００５４】
そして、駆動回路３１２も半導体薄膜素子の形態とすることができる。したがって、駆動回路３１２を金属基板１０１の表面に接着剤を使用せずに直接接合または直接形成することが好適である。この形態とすることにより、発光素子アレイ３１０と同様に駆動回路３１２で発生した熱が金属基板１０１へ効率よく熱伝達される。
【００５５】
また、発光素子アレイ３１０は配線層１１０と発光素子アレイ配線層間接続配線３１８で接続され、駆動回路３１２は駆動回路配線層間接続配線３１６で接続されている。発光素子アレイ３１０と駆動回路３１２とは発光素子駆動回路間接続配線３１４で接続されている。なお、これらの機能素子と接続配線との間は、層間絶縁膜３１５を介した接続形態とすることができる。
【００５６】
これらの接続配線３１８、３１６、３１４は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉの中から選択する金属を少なくとも一つ含む金属材料からなる金属薄膜配線とすることができる。
【００５７】
発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２で発生した熱は、接続配線３１８、３１６を介して配線層１１０に熱伝導され、配線層１１０から金属基板１０１に熱伝導し、配線層１１０の側面、あるいは配線層１１０の上面からも外部の空気へ熱伝達される。
【００５８】
また、単結晶半導体薄膜素子の形態で構成される発光素子アレイ３１０の厚さは、例えば、０．２μｍ〜３μｍであることが好ましい。そして、発光素子アレイ３１０を金属基板１０１の表面に直接接合する場合には、金属基板１０１の表面がナノメータ・オーダの平坦性を備えていることが望ましい。
【００５９】
ナノメータ・オーダの平坦性とは、ここでは金属基板１０１の表面の測定エリアを５μｍ四方（□）に設定したとき、周知のＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）を用いた平坦性の測定値として、最大−最小粗さ（ＲPV）が５ｎｍ以下であることを意味する。
【００６０】
発光素子アレイ３１０の裏面と接合される金属基板１０１の表面の接合領域の表面粗さＲPVを５ｎｍ以下（ＲPV≦５ｎｍ）とすることにより、直接接合が可能となる。表面粗さＲPVが５ｎｍを超える（ＲPV＞５ｎｍ）場合には、接合困難な状態となる。半導体装置の作製工程に耐える十分強固な接合強度を得るためには、表面粗さＲPVが３ｎｍ以下（ＲPV≦３ｎｍ）とすることが、より好適である。
【００６１】
なお、機能素子１４０（発光素子アレイ３１０、または、駆動回路３１２）の材料と、金属基板１０１の材料とが、その接触部で反応性がある組み合わせである場合は、高熱伝導性薄膜（たとえば、ＤＬＣ、ＡｌＮ等）を間に介するものとしてもよい。この場合は、機能素子１４０と直接接触する高熱伝導性薄膜の表面に平坦性を備えるようにすることが望ましい。
【００６２】
図８には、半導体装置３００における発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２の実装形態を拡大して示した平面図を示す。図８において、各発光素子アレイ３１０には発光領域３２０と接続用の電極パッド３２２、３２８とが設けられ、駆動回路３１２には、駆動回路素子（図示せず）と接続用の電極パッド３２４、３２６とが設けられている。
【００６３】
本実施形態のように、発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２を１次元的な配列として金属基板１０１の表面に実装した半導体装置３００としては、例えば、電子写真プリンタ（光プリンタ）の書込み光源として用いるＬＥＤプリントヘッドとすることができる。
【００６４】
（効果）
本発明の第３の実施形態では、基板表面露出領域（搭載領域）１３０である矩形凹部領域内に搭載された機能素子１４０としての発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造としたので、前記実施形態と同様に、従来の形態と比較して、発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２を熱源とする半導体装置３００で発生する熱が半導体装置３００の表面から外部へ放熱され熱伝達効果を高くすることができる。
【００６５】
また、金属基板１０１の表面に発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２を直接接合し、配線層１１０と接続配線で接続した構成としたので、前記第１の実施形態、および、第２の実施形態の効果に加えて、これら発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２で発生した熱を半導体素子の裏面側からのみでなく、表面側からも効率よく発生熱が熱伝達され、発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２の動作に伴う半導体装置３００における温度上昇を防止することができる。
【００６６】
また、高放熱特性を備えた熱伝達を考慮した放熱構造とした半導体装置３００とすることで、前記の従来技術と比較して、単純な構成で、高密度高集積化への対応が可能となる。
【００６７】
（変形例）
本実施形態の半導体装置３００は、前記第１の実施形態、第２の実施形態および変形例で説明した形態をとることができる。
【００６８】
また、本実施形態においては、単結晶半導体薄膜素子を基板上に直接接合する形態を好適例として説明したが、発光素子アレイや駆動回路としてバルク基板半導体チップを使用して、例えば、導電性ペーストのような熱伝導性がある程度確保できるペースト類を使用した形態とすることもできる。
【００６９】
バルク基板半導体チップを使用した場合には、基板表面露出領域１３０の金属基板１０１の表面に、当該バルク基板半導体チップを実装して各チップ間の接続配線の形態を金属薄膜配線に代えてボンディングワイヤ(例えば、Ａｕ細線)を使った接続形態とすることができる。
【００７０】
（第３の実施形態の他の変形例）
図９および図１０は、本実施形態の半導体装置３００の別の変形例として半導体装置４００を模式的に示した図である。図９は、平面図であり、図１０は、図９のＩ−Ｉ線に沿って切断した断面を示す断面図である。
【００７１】
本変形例の半導体装置４００では、発光素子および駆動回路を２次元的にマトリクス配列している。
【００７２】
図９および図１０に示すように、半導体装置４００（４００ａ）は、第２導電型層表面４２０および第１導電型層表面４２２を有する複数の発光素子４１０とｘ方向の駆動回路４６２およびｙ方向の駆動回路４６４とが基板表面露出領域（搭載領域）１３０内の金属基板１０１上に高熱伝導無機絶縁膜１５０を介して配設されている。
【００７３】
そして、各機能素子間と配線層１１０とは、それぞれ、第１導電側接続配線４１３および第２導電側接続配線４１４、ｘ方向配線４１５およびｙ方向配線４１６、そして、ｘ方向駆動回路配線層間接続配線４１７およびｙ方向駆動回路配線層間接続配線４１８により接続されている。そして、外部から電源、信号を入力するための電源信号コネクタ４５２、４５４が配設されている。
【００７４】
なお、発光素子、駆動回路、接続配線の各材料は第３の実施形態と同様の材料を用いることができる。
【００７５】
また、配線基板については第１の実施例、第２の実施例およびその変形例で示した変形例を適用することができる。
【００７６】
このような実施形態の半導体装置４００の具体例としては、発光素子４１０および駆動回路４６２、４６４を２次元的にマトリクス配列したＬＥＤディスプレイを挙げることができる。
【符号の説明】
【００７７】
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、２００ａ、３００、３００ａ、４００、４００ａ 半導体装置
１０１ 金属基板（熱伝導性基板）
１１０、１１０ｂ 配線層
１１１ａ 第1の層間絶縁層
１１１ｂ 第２の層間絶縁層
１１１ｃ 第３の層間絶縁層
１１２ａ 第1の配線層
１１２ｂ 第２の配線層
１１５、１１６ 接続パッド
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１５０ 高熱伝導無機絶縁膜
１２５、１２６ 配線層領域
１３０、１３２ 基板表面露出領域（搭載領域）
１４０、１４１ 機能素子
２１０ 基板（熱伝導性基板）
２１２ セラミックス基板
２１４ 金属層
３１０ 発光素子アレイ（機能素子、発光素子）
３１２ 駆動回路（機能素子、駆動回路素子）
３１４ 発光素子駆動回路間接続配線
３１５ 層間絶縁膜
３１６ 駆動回路配線層間接続配線
３１８ 発光素子アレイ配線層間接続配線
３２０ 発光領域
３２２、３２４、３２６、３２８ 電極パッド
３５０、４５２、４５４ 電源信号コネクタ
４１０ 発光素子（機能素子）
４１３ 第１導電側接続配線
４１４ 第２導電側接続配線
４１５ ｘ方向配線
４１６ ｙ方向配線
４１７ ｘ方向駆動回路配線層間接続配線
４１８ ｙ方向駆動回路配線層間接続配線
４２０ 第２導電型層表面
４２２ 第１導電型層表面
４６２ ｘ方向駆動回路（機能素子、駆動回路素子）
４６４ ｙ方向駆動回路（機能素子、駆動回路素子）
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ 熱流束
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導性基板の表面に機能素子と配線層と形成した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、実装する電子部品で発生する熱の放熱性を高めた配線基板に関する技術が利用されている。このような技術として、例えば、特許文献１には、配線基板上の電子部品が実装される領域に放熱用パターンを基板の実装表面側と裏側で位置を合わせて形成し、両側の放熱用パターンをビアホールで接続した構造とする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−５４８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、シリコン集積回路技術として周知のビアホール技術も放熱効果を高めるための技術である。すなわち、ビアホール技術は、シリコン基板の表面に形成された集積回路パターンに対してシリコン基板の裏面側からビアホールを形成し、シリコン基板よりも熱伝導率の大きな金属等によりビアホールを埋め込む技術である。したがって、このビアホール技術は、シリコン基板の熱伝導率が小さいことに起因する改良方法の一つである。しかしながら、ビアホール技術は、断面積が小さいので放熱効果が小さい問題点がある。
【０００５】
また、多層配線間を貫通させるビアホールのサイズが機能素子の微細化および高集積化に伴ってダウンサイズすることができないために、その相対的な占有面積率が高くなってしまう。このような放熱用パターンを設ける構成では、電子部品（機能素子）を高密度に実装し集積化する場合などでは、配線基板上の限られた領域に放熱用パターンやビアホールを高密度に形成することが困難であった。さらに、放熱用パターンやビアホールを数多く高密度に形成することは、占有面積の増加等による基板コストの増加にもなっていた。
【０００６】
本発明の目的は、機能素子からの放熱性の高い半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、機能素子と、表面の一部の搭載領域に前記機能素子が搭載された熱伝導性基板（例えば、金属基板、ダイヤモンド基板）と、前記熱伝導性基板の表面の前記搭載領域を除く配線層領域に形成された単層または多層の配線層とを有することを特徴とする。
【０００８】
そして、前記熱伝導性基板と反対側の機能素子表面は、前記配線層の前記熱伝導性基板と反対側表面よりも低いことを好適とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、機能素子からの放熱性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置を説明するための斜視図である。（ｂ）は、第１の実施形態の半導体装置を説明するための断面図である。
【図２】（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置における放熱効果を説明するための断面図である。（ｂ）は、第１の実施形態の半導体装置における放熱効果を説明するための断面図である。
【図３】第１の実施形態の半導体装置の変形例１を説明するための断面図である。
【図４】（ａ）は、第１の実施形態の半導体装置の変形例２を説明するための断面図である。（ｂ）は、第１の実施形態の半導体装置の変形例２における放熱効果を説明するための断面図である。
【図５】第１の実施形態の半導体装置の変形例３を説明するための断面図である。
【図６】第２の実施形態の半導体装置を説明するための断面図である。
【図７】（ａ）は、第３の実施形態の半導体装置を説明するための平面図である。（ｂ）は、第３の実施形態の半導体装置を説明するための断面図である。
【図８】第３の実施形態の半導体装置を説明するための平面図である。
【図９】第３の実施形態の変形例の半導体装置を説明するための平面図である。
【図１０】第３の実施形態の変形例の半導体装置を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、図１乃至図１０を参照して説明する。なお、各図で同じ構成要素には同一の符号を付している。以下、図面を参照して順次本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態およびその変形例を、図１乃至図５を参照して説明する。
【００１３】
（構成）
第1の実施形態の半導体装置の構成を、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施形態の半導体装置１００を模式的に示した斜視図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体装置１００のＡ−Ａ線に沿って切断した半導体装置１００ａの断面を示す断面図である。
【００１４】
半導体装置１００、１００ａは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、金属材料で構成される金属基板１０１と、金属基板１０１の表面の一部の基板表面露出領域（搭載領域）１３０に搭載された機能素子１４０と、金属基板１０１の表面の基板表面露出領域（搭載領域）１３０を除く配線層領域１２５に形成された配線層１１０と、金属基板１０１の裏面に設けられた高熱伝導率を有する無機材料で構成される高熱伝導無機絶縁膜１２０（１２０ａ）とを備えて構成される。
【００１５】
金属基板１０１は、Ｃｕ、Ａｌ、のうち少なくとも一つの元素を含む材料が好適である。あるいは、金属基板１０１および高熱伝導無機絶縁膜１２０（１２０ａ）をダイヤモンドからなる構成とすることで高熱伝導基板とすることもできる。
【００１６】
また、配線層１１０は、単層または多層の配線層と層間絶縁層とで構成される。図１（ｂ）では、配線層１１０は、２層構成の配線層と３層構成の層間絶縁層とを備えて構成される。図１（ｂ）において、配線層１１０は、金属基板１０１の表面から順に、第１の層間絶縁層１１１ａ、第１の配線層１１２ａ、第２の層間絶縁層１１１ｂ、第２の配線層１１２ｂ、第３の層間絶縁層１１１ｃ、および、外部との接続用の接続パッド１１５、１１６を備えて構成される。第１の配線層１１２ａと第２の配線層１１２ｂとの接続、および、第２の配線層１１２ｂと接続パッド１１５、１１６との接続は、それぞれ、第２の層間絶縁層１１１ｂおよび第３の層間絶縁層１１１ｃに開口されたスルーホールを経由して接続されている。
【００１７】
第１の層間絶縁層１１１ａ乃至第３の層間絶縁層１１１ｃは、例えば、エポキシ系有機材料による構成とすることができる。また、第１の配線層１１２ａ、第２の配線層１１２ｂおよび接続パッド１１５、１１６は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕの材料を少なくとも一つ含む金属材料による構成とすることができる。
【００１８】
そして、金属基板１０１の裏面側に設けた高熱伝導無機絶縁膜１２０ａは、熱伝導率が高いことが望ましく、構成材料として、ダイヤモンドライクカーボン (Diamond-Like Carbon：ＤＬＣ)、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、およびＳｉＮのうちのいずれかの絶縁膜またはこれらの積層された絶縁膜であることが好適である。
【００１９】
そして、基板表面露出領域１３０は、その底面の表面は露出された金属基板１０１の表面であり、配線層１１０と金属基板１０１とで形成された領域は、多層構造の配線層１１０の断面を有する矩形凹部領域となっている。
【００２０】
機能素子１４０は、この基板表面露出領域１３０内の金属基板１０１の表面に搭載され、配線層１１０と接続配線によって接続されている。
【００２１】
（動作）
本実施形態は、この基板表面露出領域（搭載領域）１３０である矩形凹部領域内に搭載された機能素子１４０の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造となっていることを特徴とする。
【００２２】
このような構成とすることで、半導体装置１００（１００ａ）における放熱効果を説明する。本実施形態の半導体装置１００（１００ａ）における熱移動の伝熱形態は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、双方向矢印Ｂ、Ｃ、および、Ｄで示した３つの伝熱形態（パス）が存在する。
【００２３】
まず、図２（ａ）に示すように、双方向矢印Ｂで示した伝熱形態（以後、熱流束Ｂと記載する。）としては、外部から金属基板１０１の表面に搭載された機能素子１４０の表面と、機能素子１４０の裏面と、金属基板１０１内と、そして、配線層１１０の裏面と配線層１１０の表面との間で熱伝導する熱流束Ｂが存在する。また、機能素子１４０の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造であることにより、基板表面露出領域１３０の配線層１１０の側面の外部の空気と、配線層１１０の側面と配線層１１０の内部との間で熱伝導する熱流束Ｃが存在する。
【００２４】
したがって、機能素子１４０が熱源となる場合には、熱流束Ｂ、Ｃの方向が機能素子１４０を始点とした方向の熱流束となり、機能素子１４０を熱源とする半導体装置１００ａで発生する熱が半導体装置１００ａの表面から外部の空気へ放熱され放熱性が高くなる。
【００２５】
さらに、図２（ｂ）に示すように、金属基板１０１の裏面を高熱伝導無機絶縁膜１２０ａで被覆する形態とすることで、背景技術の形態のように、ビアホールによって表側と裏側に設けた金属層を接続して熱伝導性を高める必要がなくなる。
【００２６】
すなわち、機能素子１４０または配線層１１０と金属基板１０１と高熱伝導無機絶縁膜１２０ａと高熱伝導無機絶縁膜１２０ａから外部との間での熱流束Ｄの方向は、機能素子１４０の裏面から金属基板１０１、そして高熱伝導無機絶縁膜１２０ａを経由して外部への方向となる。
【００２７】
したがって、機能素子１４０が熱源となる場合の発生熱は、金属基板１０１の裏面方向から外部の空気へ熱伝達されやすくなる。すなわち、機能素子１４０で発生した熱は、金属基板１０１の裏面を経由して半導体装置１００ａの裏面から外部の空気へ熱伝達される。
【００２８】
また、高熱伝導無機絶縁膜１２０ａを設けることにより金属基板１０１の裏面を保護することもできる。
【００２９】
（効果）
本発明の第１の実施形態では、基板表面露出領域（搭載領域）１３０である矩形凹部領域内に搭載された機能素子１４０の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造としたので、従来の形態と比較して、機能素子１４０を熱源とする半導体装置１００ａで発生する熱が半導体装置１００ａの表面から外部へ放熱され放熱性が高くなる。
【００３０】
すなわち、機能素子１４０で発生する熱が金属基板１０１を経由して配線層１１０表面から外部の空気へ熱伝達される熱流束Ｂ、および、配線層１１０の側面から外部の空気へ熱伝達される熱流束Ｃを設けることができ、基板１０１の表面側からの放熱性が高い半導体装置１００を提供できる。
【００３１】
さらに、本実施形態では、金属基板１０１の裏面に高熱伝導無機材料絶縁膜１２０（１２０ａ）を設け、基板裏面を保護すると共に、機能素子１４０で発熱した熱が金属基板１０１へ伝導し、さらに高熱伝導絶縁薄膜１２０ａを介して外部の空気へ熱伝達される。
【００３２】
したがって、本実施形態によれば、シリコン集積回路の作製技術として周知のシリコン基板の表側と裏側を貫通するビアホールを設けることなく、金属基板１０１を用いることで、高密度で放熱性の高い半導体装置を提供することができる。
【００３３】
（変形例１）
図３は、本実施形態の変形例１の半導体装置１００ｂを示している。図３に示した通り、基板１０１の両側面（２側面）を高熱伝導無機材料絶縁膜１２０ｂで被覆した構造あるいは、図示しない前後面を加えて基板１０１の４側面を高熱伝導無機材料絶縁膜１２０ｂとすることもできる。この変形例でも、基板１０１の側面から高熱伝導無機材料絶縁膜１２０ｂを経由して金属基板１０１の側面から外部の空気への熱伝達が行われ、高い放熱性を確保することができる。
【００３４】
（変形例２）
また、図４（ａ）および図４（ｂ）は、本実施形態の変形例２の半導体装置１００ｃを示している。図４（ａ）に示すように、基板１０１の内側の配線領域１２６の外側に基板１０１に配線層１１０ｂを設け、配線層１１０ｂの周囲に基板表面露出領域１３２を設けた金属基板１０１の表面に機能素子１４１を２つ設けた構成とすることもできる。
【００３５】
この構成の場合には、図４（ｂ）に示すように、２つの機能素子１４１で発生した熱の熱流束は、本実施形態で説明した３つの熱移動の伝熱形態を示す、矢印Ｅ、Ｆ、Ｇのような熱流束Ｅ、Ｆ、Ｇで金属基板１０１の表側と裏側の両方から熱伝達され、高い放熱性を備えた半導体装置１００ｃを提供できる。また、配線層領域をリング状に設け、リング状の配線層の内側領域と外側領域に基板表面露出領域を設けて機能素子を搭載するなどの変形も可能である。
【００３６】
（変形例３）
図５は、本実施形態の変形例３の半導体装置１００ｄを示す断面図である。この半導体装置１００ｄでは、本実施形態の半導体装置１００ａに対して、高熱伝導無機絶縁膜１５０を金属基板１０１の表面にさらに設け、この高熱伝導無機絶縁膜１５０の表面に機能素子１４０および配線層１１０を設けている。
【００３７】
高熱伝導無機絶縁膜１５０の具体例としては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、およびＳｉＮのうちのいずれかの絶縁膜またはこれらが積層された絶縁膜であることが好適である。
【００３８】
金属基板１０１の表面に、高熱伝導無機絶縁膜１５０を設けることによって、金属基板１０１の表面の露出領域を保護できるとともに、金属基板１０１の表面露出領域の高い熱伝達効果を確保することができる。
【００３９】
また、高熱伝導無機材料薄膜１５０と金属基板１０１との間の密着性が高くなるように、高熱伝導無機絶縁膜１５０と基板１０１との間に、別の金属薄膜（図示しない）を設けることもできる。別の金属薄膜としては、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ、およびＴｉのうち、少なくともいずれか一つを含む金属薄膜層を設けることができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
つぎに、本発明の第２の実施形態について、図６を参照して説明する。
【００４１】
前記第１の実施形態は、金属基板１０１の裏面に高熱伝導無機絶縁膜１２０を設けた構成とした。本実施形態では、図６に示すように、半導体装置２００ａが第１の実施形態と異なり、第１の実施形態の金属基板１０１を金属層２１４とセラミックス基板２１２とからなる基板２１０とした。以下、第１の実施形態と異なる点についてのみ、第２の実施形態の半導体装置２００ａを説明する。
【００４２】
本実施形態の半導体装置２００ａは、基板２１０がセラミックス基板２１２とセラミックス基板２１２上に設けた金属層２１４で構成される。金属層２１４の表面には、第１の実施形態と同様に機能素子１４０および配線層１１０が設けられている。
【００４３】
基板２１０を構成するセラミックス基板２１２は、高熱伝導材料で構成することが望ましい。セラミックス基板２１２の具体例として、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮ等のセラミックス基板とすることができる。また、セラミックス基板２１２の表面に設けられた金属層２１４は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、およびＰｔのうち、少なくともいずれか一つを含む金属材料層とすることができる。
【００４４】
（効果）
本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態および変形例で得られる効果に加えて、基板の裏面に設ける高熱伝導無機材料層（高熱伝導無機絶縁膜１２０）を省略することで、高熱伝導無機絶縁膜１２０を形成するためのプロセス工程を省略することができるので、配線基板の低コスト化が可能となる。
【００４５】
（変形例）
第１の実施形態で述べた変形例２および変形例３を本実施形態についても同様に変形例として適用することができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について、図７乃至図１０を参照して説明する。
【００４７】
図７（ａ）は、本発明の第３の実施形態の半導体装置３００を示す平面図である。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）の半導体装置３００におけるＨ−Ｈ線に沿って切断した断面を示す断面図である。
【００４８】
本実施形態の半導体装置３００は、図７（ａ）に示すように、前記実施形態で述べた複数の機能素子１４０として、発光素子アレイ３１０と、発光素子アレイ３１０を駆動する駆動回路素子としての駆動回路３１２とが金属基板１０１の表面に実装され、これら複数の機能素子の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造とすることで高放熱性の熱伝達効果を有することを特徴としている。
【００４９】
図７において、前記実施形態の構成要素と同等の構成要素には同じ符号を付している。同じ符号については説明を省略する。
【００５０】
図７（ａ）に示すように、半導体装置３００は、複数の発光領域を備えた発光素子アレイ３１０、発光素子アレイ３１０を駆動するための駆動回路３１２、発光素子アレイ３１０と駆動回路３１２とを接続する発光素子駆動回路間接続配線３１４、駆動回路３１２と金属基板１０１上の配線層１１０とを接続する駆動回路配線層間接続配線３１６、発光素子アレイ３１０と配線層１１０とを接続する発光素子アレイ配線層間接続配線３１８、外部から電源や駆動信号を供給するための金属基板１０１に設けた電源信号コネクタ３５０を備えて構成される。
【００５１】
つぎに、図７（ｂ）の断面図を参照して半導体装置３００ａを詳細に説明する。
発光素子アレイ３１０の構成は、ＡｌＧａＡｓ系材料やＡｌＧａＩｎＰ系材料、あるいは、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物半導体系材料を含む単結晶半導体薄膜素子の形態の発光素子のアレイとすることができる。
【００５２】
発光素子アレイ３１０は、単結晶半導体薄膜素子の形態であり、接着剤を使用せずに基板表面露出領域１３０の金属基板１０１の表面に直接接合された形態が好適である。単結晶半導体薄膜素子の形態で金属基板１０１表面に直接接合することによって、主として発光素子アレイ３１０の発光層で発生した熱が金属基板１０１に効率的に熱伝達され、発光素子アレイ３１０の温度上昇を防止できる。
【００５３】
また、駆動回路３１２は、発光素子アレイ３１０を駆動する電流や駆動する速度によって、単結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ、ポリＳｉ、および、有機半導体や酸化物半導体の中から適宜選択することができる。
【００５４】
そして、駆動回路３１２も半導体薄膜素子の形態とすることができる。したがって、駆動回路３１２を金属基板１０１の表面に接着剤を使用せずに直接接合または直接形成することが好適である。この形態とすることにより、発光素子アレイ３１０と同様に駆動回路３１２で発生した熱が金属基板１０１へ効率よく熱伝達される。
【００５５】
また、発光素子アレイ３１０は配線層１１０と発光素子アレイ配線層間接続配線３１８で接続され、駆動回路３１２は駆動回路配線層間接続配線３１６で接続されている。発光素子アレイ３１０と駆動回路３１２とは発光素子駆動回路間接続配線３１４で接続されている。なお、これらの機能素子と接続配線との間は、層間絶縁膜３１５を介した接続形態とすることができる。
【００５６】
これらの接続配線３１８、３１６、３１４は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉの中から選択する金属を少なくとも一つ含む金属材料からなる金属薄膜配線とすることができる。
【００５７】
発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２で発生した熱は、接続配線３１８、３１６を介して配線層１１０に熱伝導され、配線層１１０から金属基板１０１に熱伝導し、配線層１１０の側面、あるいは配線層１１０の上面からも外部の空気へ熱伝達される。
【００５８】
また、単結晶半導体薄膜素子の形態で構成される発光素子アレイ３１０の厚さは、例えば、０．２μｍ〜３μｍであることが好ましい。そして、発光素子アレイ３１０を金属基板１０１の表面に直接接合する場合には、金属基板１０１の表面がナノメータ・オーダの平坦性を備えていることが望ましい。
【００５９】
ナノメータ・オーダの平坦性とは、ここでは金属基板１０１の表面の測定エリアを５μｍ四方（□）に設定したとき、周知のＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）を用いた平坦性の測定値として、最大−最小粗さ（ＲPV）が５ｎｍ以下であることを意味する。
【００６０】
発光素子アレイ３１０の裏面と接合される金属基板１０１の表面の接合領域の表面粗さＲPVを５ｎｍ以下（ＲPV≦５ｎｍ）とすることにより、直接接合が可能となる。表面粗さＲPVが５ｎｍを超える（ＲPV＞５ｎｍ）場合には、接合困難な状態となる。半導体装置の作製工程に耐える十分強固な接合強度を得るためには、表面粗さＲPVが３ｎｍ以下（ＲPV≦３ｎｍ）とすることが、より好適である。
【００６１】
なお、機能素子１４０（発光素子アレイ３１０、または、駆動回路３１２）の材料と、金属基板１０１の材料とが、その接触部で反応性がある組み合わせである場合は、高熱伝導性薄膜（たとえば、ＤＬＣ、ＡｌＮ等）を間に介するものとしてもよい。この場合は、機能素子１４０と直接接触する高熱伝導性薄膜の表面に平坦性を備えるようにすることが望ましい。
【００６２】
図８には、半導体装置３００における発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２の実装形態を拡大して示した平面図を示す。図８において、各発光素子アレイ３１０には発光領域３２０と接続用の電極パッド３２２、３２８とが設けられ、駆動回路３１２には、駆動回路素子（図示せず）と接続用の電極パッド３２４、３２６とが設けられている。
【００６３】
本実施形態のように、発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２を１次元的な配列として金属基板１０１の表面に実装した半導体装置３００としては、例えば、電子写真プリンタ（光プリンタ）の書込み光源として用いるＬＥＤプリントヘッドとすることができる。
【００６４】
（効果）
本発明の第３の実施形態では、基板表面露出領域（搭載領域）１３０である矩形凹部領域内に搭載された機能素子１４０としての発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２の表面が配線層１１０の表面よりも低くなった構造としたので、前記実施形態と同様に、従来の形態と比較して、発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２を熱源とする半導体装置３００で発生する熱が半導体装置３００の表面から外部へ放熱され熱伝達効果を高くすることができる。
【００６５】
また、金属基板１０１の表面に発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２を直接接合し、配線層１１０と接続配線で接続した構成としたので、前記第１の実施形態、および、第２の実施形態の効果に加えて、これら発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２で発生した熱を半導体素子の裏面側からのみでなく、表面側からも効率よく発生熱が熱伝達され、発光素子アレイ３１０および駆動回路３１２の動作に伴う半導体装置３００における温度上昇を防止することができる。
【００６６】
また、高放熱特性を備えた熱伝達を考慮した放熱構造とした半導体装置３００とすることで、前記の従来技術と比較して、単純な構成で、高密度高集積化への対応が可能となる。
【００６７】
（変形例）
本実施形態の半導体装置３００は、前記第１の実施形態、第２の実施形態および変形例で説明した形態をとることができる。
【００６８】
また、本実施形態においては、単結晶半導体薄膜素子を基板上に直接接合する形態を好適例として説明したが、発光素子アレイや駆動回路としてバルク基板半導体チップを使用して、例えば、導電性ペーストのような熱伝導性がある程度確保できるペースト類を使用した形態とすることもできる。
【００６９】
バルク基板半導体チップを使用した場合には、基板表面露出領域１３０の金属基板１０１の表面に、当該バルク基板半導体チップを実装して各チップ間の接続配線の形態を金属薄膜配線に代えてボンディングワイヤ(例えば、Ａｕ細線)を使った接続形態とすることができる。
【００７０】
（第３の実施形態の他の変形例）
図９および図１０は、本実施形態の半導体装置３００の別の変形例として半導体装置４００を模式的に示した図である。図９は、平面図であり、図１０は、図９のＩ−Ｉ線に沿って切断した断面を示す断面図である。
【００７１】
本変形例の半導体装置４００では、発光素子および駆動回路を２次元的にマトリクス配列している。
【００７２】
図９および図１０に示すように、半導体装置４００（４００ａ）は、第２導電型層表面４２０および第１導電型層表面４２２を有する複数の発光素子４１０とｘ方向の駆動回路４６２およびｙ方向の駆動回路４６４とが基板表面露出領域（搭載領域）１３０内の金属基板１０１上に高熱伝導無機絶縁膜１５０を介して配設されている。
【００７３】
そして、各機能素子間と配線層１１０とは、それぞれ、第１導電側接続配線４１３および第２導電側接続配線４１４、ｘ方向配線４１５およびｙ方向配線４１６、そして、ｘ方向駆動回路配線層間接続配線４１７およびｙ方向駆動回路配線層間接続配線４１８により接続されている。そして、外部から電源、信号を入力するための電源信号コネクタ４５２、４５４が配設されている。
【００７４】
なお、発光素子、駆動回路、接続配線の各材料は第３の実施形態と同様の材料を用いることができる。
【００７５】
また、配線基板については第１の実施例、第２の実施例およびその変形例で示した変形例を適用することができる。
【００７６】
このような実施形態の半導体装置４００の具体例としては、発光素子４１０および駆動回路４６２、４６４を２次元的にマトリクス配列したＬＥＤディスプレイを挙げることができる。
【符号の説明】
【００７７】
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、２００ａ、３００、３００ａ、４００、４００ａ 半導体装置
１０１ 金属基板（熱伝導性基板）
１１０、１１０ｂ 配線層
１１１ａ 第1の層間絶縁層
１１１ｂ 第２の層間絶縁層
１１１ｃ 第３の層間絶縁層
１１２ａ 第1の配線層
１１２ｂ 第２の配線層
１１５、１１６ 接続パッド
１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１５０ 高熱伝導無機絶縁膜
１２５、１２６ 配線層領域
１３０、１３２ 基板表面露出領域（搭載領域）
１４０、１４１ 機能素子
２１０ 基板（熱伝導性基板）
２１２ セラミックス基板
２１４ 金属層
３１０ 発光素子アレイ（機能素子、発光素子）
３１２ 駆動回路（機能素子、駆動回路素子）
３１４ 発光素子駆動回路間接続配線
３１５ 層間絶縁膜
３１６ 駆動回路配線層間接続配線
３１８ 発光素子アレイ配線層間接続配線
３２０ 発光領域
３２２、３２４、３２６、３２８ 電極パッド
３５０、４５２、４５４ 電源信号コネクタ
４１０ 発光素子（機能素子）
４１３ 第１導電側接続配線
４１４ 第２導電側接続配線
４１５ ｘ方向配線
４１６ ｙ方向配線
４１７ ｘ方向駆動回路配線層間接続配線
４１８ ｙ方向駆動回路配線層間接続配線
４２０ 第２導電型層表面
４２２ 第１導電型層表面
４６２ ｘ方向駆動回路（機能素子、駆動回路素子）
４６４ ｙ方向駆動回路（機能素子、駆動回路素子）
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ 熱流束
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能素子と、
表面の一部の搭載領域に前記機能素子が搭載された熱伝導性基板と、
前記熱伝導性基板の表面の前記搭載領域を除く配線層領域に形成された単層または多層の配線層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記熱伝導性基板と反対側の前記機能素子表面は、前記配線層の前記熱伝導性基板と反対側表面よりも低い
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記配線層は、鉛直面の少なくとも一部が前記機能素子の鉛直面に対して所定の間隔が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記一部は、前記熱伝導性基板に対して鉛直方向反対側の一部であり、
前記熱伝導性基板側の他部と前記機能素子との間は、積層物により充填されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記熱伝導性基板は、金属材料から構成されることを特徴とする請求項1乃至請求項４の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記機能素子は、前記熱伝導性基板の表面に接合された複数の半導体素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記複数の半導体素子は、複数の発光素子と前記複数の発光素子を駆動する駆動回路素子とから構成され、
前記発光素子および前記駆動回路素子の何れか一方または双方は、前記配線層と接続配線によって接続されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記発光素子は、単結晶半導体薄膜素子であり、
前記単結晶半導体薄膜素子は、前記熱伝導性基板表面に直接接合されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記熱伝導性基板は、セラミックス基板と前記セラミックス基板上に積層された金属層とで構成される
ことを特徴とする請求項1乃至請求項４の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記熱伝導性基板は、表面および裏面の何れか一方または双方に無機材料層から構成される絶縁膜を備える
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記無機材料層は、ダイヤモンドライクカーボン、窒化アルミニウム、および、酸化アルミニウムから選択される少なくとも1つまたは複数の材料層から構成される
ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１】
機能素子と、
表面の一部の搭載領域に前記機能素子が搭載された熱伝導性基板と、
前記熱伝導性基板の表面の前記搭載領域を除く配線層領域に形成された単層または多層の配線層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記熱伝導性基板と反対側の前記機能素子表面は、前記配線層の前記熱伝導性基板と反対側表面よりも低い
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記配線層は、鉛直面の少なくとも一部が前記機能素子の鉛直面に対して所定の間隔が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記一部は、前記熱伝導性基板に対して鉛直方向反対側の一部であり、
前記熱伝導性基板側の他部と前記機能素子との間は、積層物により充填されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記熱伝導性基板は、金属材料から構成されることを特徴とする請求項1乃至請求項４の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記機能素子は、前記熱伝導性基板の表面に接合された複数の半導体素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記複数の半導体素子は、複数の発光素子と前記複数の発光素子を駆動する駆動回路素子とから構成され、
前記発光素子および前記駆動回路素子の何れか一方または双方は、前記配線層と接続配線によって接続されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記発光素子は、単結晶半導体薄膜素子であり、
前記単結晶半導体薄膜素子は、前記熱伝導性基板表面に直接接合されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記熱伝導性基板は、セラミックス基板と前記セラミックス基板上に積層された金属層とで構成される
ことを特徴とする請求項1乃至請求項４の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記熱伝導性基板は、表面および裏面の何れか一方または双方に無機材料層から構成される絶縁膜を備える
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記無機材料層は、ダイヤモンドライクカーボン、窒化アルミニウム、および、酸化アルミニウムから選択される少なくとも1つまたは複数の材料層から構成される
ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１６６００１（Ｐ２０１１−１６６００１Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８７１１（Ｐ２０１０−２８７１１）
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【出願人】（５９１０４４１６４）株式会社沖データ (2,444)
【出願人】（５００００２５７１）株式会社沖デジタルイメージング (186)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【出願人】（５９１０４４１６４）株式会社沖データ (2,444)
【出願人】（５００００２５７１）株式会社沖デジタルイメージング (186)
【Ｆターム（参考）】
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