TW202226455A

TW202226455A - 半導體裝置及形成半導體裝置的方法

Info

Publication number: TW202226455A
Application number: TW110130588A
Authority: TW
Inventors: 楊明宗; 林憲信; 萬文愷; 鍾嘉哲; 劉致為
Original assignee: 聯發科技股份有限公司; 國立臺灣大學
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2021-08-19
Publication date: 2022-07-01
Also published as: US12191226B2; US20230154824A1; TWI799955B; US11587846B2; US20220059429A1; CN114078791A

Abstract

本發明公開一種半導體裝置，包括：散熱基板，其中，該散熱基板的導熱係數大於200Wm ^-1K ^-1：以及裝置層，設置在該散熱基板上，其中該裝置層包括電晶體。

Description

半導體裝置及形成半導體裝置的方法

本發明半導體技術領域，尤其涉及一種半導體裝置及形成半導體裝置的方法。

半導體裝置可以應用於各種領域，例如智慧電視、語音助手設備（voice assistant device，VAD）、平板電腦、功能手機、智慧手機、光學和藍光DVD播放機等等。半導體裝置通常以以下方式製造：在半導體基板上順序沉積絕緣或介電層、導電層和半導體材料層，並透過使用光刻和蝕刻技術圖案化（pattern）各種材料層以在那些層上面形成電路组件和元件。

為了繼續進行半導體裝置的按比例縮小製程，功能密度（即，每個晶片區域的互連裝置的數量）通常已經增加，而幾何尺寸（即，可以使用製作製程創建的最小的组件（或線））減少了。這種按比例縮小的製程通常透過提高半導體裝置的生產效率和性能以及降低相關成本來提供好處。這種縮小還伴隨著半導體裝置的設計和製造中複雜性的增加。製造業的並行發展（parallel advance）已使越來越複雜的設計得以精確且可靠地製造。

然而，在努力繼續縮小半導體裝置的尺寸方面已經出現了許多挑戰。例如，熱量可能從半導體裝置中的非平面（non-planar）電晶體或其他部件產生，從而導致散熱問題。因此，半導體裝置需要散熱以防止熱損壞並提高裝置可靠性。儘管用於半導體裝置的現有散熱方法通常已經足以滿足其預期目的，但是它們在所有方面都不是完全令人滿意的。

有鑑於此，本發明提供一種半導體裝置及形成半導體裝置的方法，以解決上述問題。

根據本發明的第一方面，公開一種半導體裝置，包括：散熱基板，其中，該散熱基板的導熱係數大於200Wm ^-1K ^-1：以及裝置層，設置在該散熱基板上，其中該裝置層包括電晶體。

根據本發明的第二方面，公開一種形成半導體裝置的方法，包括：提供基底基板；在所述基底基板上形成散熱基板，該散熱基板的導熱係數大於200Wm ^-1K ^-1；在該散熱基板上形成裝置層，該裝置層包括電晶體；以及移除基底基板。

根據本發明的第三方面，公開一種形成半導體裝置的方法，包括：提供基底基板；在該基底基板上形成裝置層，其中該裝置層包括電晶體；移除該基底基板；以及將該裝置層附著於該散熱基板，其中，該散熱基板的熱導率大於200Wm ^-1K ^-1。

本發明的半導體裝置由於包括：散熱基板，其中，該散熱基板的導熱係數大於200Wm ^-1K ^-1：以及裝置層，設置在該散熱基板上，其中該裝置層包括電晶體。這樣從裝置層的FinFET或GAA電晶體或半導體裝置中的其他特徵產生的熱量可以透過散熱基板消散，從而改善了半導體裝置中的散熱。

在下面對本發明的實施例的詳細描述中，參考了附圖，這些附圖構成了本發明的一部分，並且在附圖中透過圖示的方式示出了可以實踐本發明的特定的優選實施例。對這些實施例進行了足夠詳細的描述，以使所屬技術領域具有通常知識者能夠實踐它們，並且應當理解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以利用其他實施例，並且可以進行機械，結構和程式上的改變。本發明。因此，以下詳細描述不應被理解為限制性的，並且本發明的實施例的範圍僅由所附申請專利範圍限定。

將理解的是，儘管術語“第一”、“第二”、“第三”、“主要”、“次要”等在本文中可用於描述各種元件、组件、區域、層和/或部分，但是這些元件、组件、區域、這些層和/或部分不應受到這些術語的限制。這些術語僅用於區分一個元素，组件，區域，層或部分與另一區域，層或部分。因此，在不脫離本發明構思的教導的情況下，下面討論的第一或主要元件、组件、區域、層或部分可以稱為第二或次要元件、组件、區域、層或部分。

此外，為了便於描述，本文中可以使用諸如“在...下方”、“在...之下”、“在...下”、“在...上方”、“在...之上”之類的空間相對術語，以便於描述一個元件或特徵與之的關係。如圖所示的另一元件或特徵。除了在圖中描述的方位之外，空間相對術語還意圖涵蓋設備在使用或操作中的不同方位。該裝置可以以其他方式定向（旋轉90度或以其他定向），並且在此使用的空間相對描述語可以同樣地被相應地解釋。另外，還將理解的是，當層被稱為在兩層“之間”時，它可以是兩層之間的唯一層，或者也可以存在一個或複數個中間層。

術語“大約”、“大致”和“約”通常表示規定值的±20％、或所述規定值的±10％、或所述規定值的±5％、或所述規定值的±3％、或規定值的±2％、或規定值的±1％、或規定值的±0.5％的範圍內。本發明的規定值是近似值。當沒有具體描述時，所述規定值包括“大約”、“大致”和“約”的含義。本文所使用的術語僅出於描述特定實施例的目的，並不旨在限制本發明。如本文所使用的，單數術語“一”，“一個”和“該”也旨在包括複數形式，除非上下文另外明確指出。本文所使用的術語僅出於描述特定實施例的目的，並不旨在限制本發明構思。如本文所使用的，單數形式“一個”、“一種”和“該”也旨在包括複數形式，除非上下文另外明確指出。

將理解的是，當將元件或層稱為在另一元件或層“上”，“連接至”，“耦接至”或“鄰近”時，它可以直接在其他元素或層上，與其連接，耦接或相鄰，或者可以存在中間元素或層。相反，當元件稱為“直接在”另一元件或層“上”，“直接連接至”，“直接耦接至”或“緊鄰”另一元件或層時，則不存在中間元件或層。

注意：（i）在整個附圖中相同的特徵將由相同的附圖標記表示，並且不一定在它們出現的每個附圖中都進行詳細描述，並且（ii）一系列附圖可能顯示單個專案的不同方面，每個方面都與各種參考標籤相關聯，這些參考標籤可能會出現在整個序列中，或者可能只出現在序列的選定圖中。

本發明的一些實施例提供了一種半導體裝置，其中裝置層（device layer）設置在散熱（heat dissipation）基板上，使得該散熱基板可以消散由裝置層或半導體裝置中的其他特徵產生的熱量。這可以改善半導體裝置中的自熱耗散。本發明的一些實施例優選地應用於具有FinFET或環繞柵（gate-all-around，GAA）電晶體的裝置，以改善散熱。在這樣的實施例中，從裝置層的FinFET或GAA電晶體或半導體裝置中的其他特徵產生的熱量可以透過散熱基板消散，從而改善了半導體裝置中的散熱。

參照圖1，示出了根據本發明的一些實施例的半導體裝置10的示意性截面圖。半導體裝置10包括散熱基板100和設置在散熱基板100上的裝置層102。散熱基板100的熱導率大於等於200Wm ^-1K ^-1。在一些實施例中，散熱基板100的熱導率在200Wm ^-1K ^-1和1200Wm ^-1K ^-1之間。例如，散熱基板100的熱導率可以在280Wm ^-1K ^-1和1000Wm ^-1K ^-1之間或在800Wm ^-1K ^-1和1200Wm ^-1K ^-1之間的範圍內。散熱基板100的材料可以包括介電材料。例如，介電材料可以包括BeO、BN、金剛石，導熱率大於200 Wm ^-1K ^-1的另一種合適的材料，或它們的組合。在一些實施例中，介電材料可以是掩埋氧化物（buried oxide，BOX）。先前技術中並沒有使用上述這些材料作為基板的，因為傳統的基板內需要佈線、電連接等等，而這些材料可能無法進行佈線等，因此傳統的基板不會考慮這些材料，本實施例中在行業內率先使用上述這些高導熱率的材料作為基板，專門利用了它們的高導熱特性，提高了半導體裝置的散熱性能。可以透過化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）、原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）、旋塗、外延生長、另一種合適的方法或其組合來形成介電材料。在一些實施例中，散熱基板100的厚度在75μm至150μm之間。如果散熱基板100太薄，例如小於25μm，則其可能無法支撐要在其上形成的特徵（諸如裝置層102）並且導致基板捲曲甚至基板破裂。另一方面，如果散熱基板100太厚，例如大於300μm，則散熱的改善可能不足。散熱基板100中可以未設置有佈線結構，例如在其他結構中設置佈線或連接結構。

裝置層102可以包括有源裝置（active device）、無源裝置（passive device）或其組合。例如，有源裝置可以包括二極體（diode）、電晶體（例如場效應電晶體（field effect transistor，FET），金屬氧化物半導體FET（metal-oxide-semiconductor FET，MOSFET），雙極結型電晶體（bipolar junction transistor，BJT），絕緣柵雙極型電晶體（insulated gate bipolar transistor，IGBT），橫向絕緣閘極雙極電晶體（lateral insulated gate bipolar transistor，LIGBT），可控矽整流器（silicon controlled rectifier，SCR）或它們的組合。無源裝置可以包括電阻器、電容器、電感器、變壓器或其組合。在一些實施例中，裝置層102可以包括矽層、在矽層上的閘極結構以及源極/漏極結構。根據本發明的一些實施例，裝置層102可以包括非平面電晶體，諸如鰭狀場效應電晶體（fin-like field effect transistor，FinFET）、環繞柵（gate-all-around，GAA）電晶體或其組合。在半導體裝置10的操作期間，裝置層102可能產生熱量，這可能引起熱損傷並降低裝置性能。與常規的半導體裝置相比，在常規的半導體裝置中，基板由矽形成，使得幾乎不能透過基板散熱，本發明的一些實施例提供了可以有效地消散由裝置層102產生的熱量的散熱基板100。在圖1中，熱流（heat flow）101表示從裝置層102到散熱基板100的熱流。應當注意，熱流101的垂直方向僅用於說明目的，該熱流可以具有傾斜方向。散熱基板100可以改善半導體裝置中的自散熱，並且可以提高半導體裝置的可靠性。此外，在常規的半導體裝置中，為了散熱，可以使矽基板變薄。但是，通過減薄的矽基板的散熱不充分，並且減薄的矽基板可能導致基板捲曲。相反，在本發明的一些實施例中，散熱基板100可以有效地散熱並且具有合適的厚度以避免基板捲曲。

仍參考圖1，在一些實施例中，半導體裝置10還包括設置在裝置層102上的互連層104。互連層104可以包括在裝置層102上的介電層，並且接觸穿過介電層並與裝置層102接觸。介電層可以由氧化矽、氮氧化矽、硼矽酸鹽玻璃（borosilicate glass，BSG）、磷矽酸鹽玻璃（phosphoric silicate glass，PSG）、硼磷矽酸鹽玻璃（borophosphosilicate glass，BPSG）、氟化矽酸鹽玻璃（fluorinated silicate glass，FSG）、低k材料、多孔介電材料、一種或多種其他合適的介電材料或其組合製成並且可以透過包括CVD、ALD、旋塗、另一種合適的方法或其組合來形成。接觸件可以包括諸如金屬的導電材料。

在包括互連層104的半導體裝置10的實施例中，由裝置層102產生的熱量可以透過散熱基板100和互連層104消散。透過互連層消散並且幾乎不透過基板消散，本發明的一些實施例提供了具有散熱基板100的半導體裝置10，使得熱量可以透過散熱基板100和互連層104消散，因為圖1示出了圖1中的熱流101和103。這樣，散熱基板100可以提高散熱效率和裝置可靠性。

圖2-7示出了根據本發明的一些實施例的在製造製程期間的半導體裝置10的示意性截面圖。如圖2所示，提供了基底基板108。在一些實施例中，基底基板108是塊狀半導體基板，例如半導體晶片。例如，基底基板108包括矽或諸如鍺的其他基本半導體材料。在一些實施例中，基底基板108包括外延生長的半導體層。外延生長的半導體層可以由矽鍺、矽、鍺、一種或多種其他合適的材料或其組合製成。在一些其他實施例中，基底基板108包括多層結構。例如，基底基板108包括形成在體矽層上的矽鍺層。在一些實施例中，基底基板108可以是絕緣體上半導體基板，例如絕緣體上矽（silicon-on-insulator，SOI）基板。

參照圖3，散熱基板100形成在基底基板（base substrate）108上。散熱基板100的熱導率大於200 Wm ^-1K ^-1。在一些其他實施例中，散熱基板100的熱導率在200Wm ^-1K ^-1和1200Wm ^-1K ^-1之間。散熱基板100的材料可以包括BeO、BN、金剛石、導熱率大於200Wm ^-1K ^-1的另一種合適的材料，或它們的組合。可以透過執行CVD或ALD製程來形成散熱基板100。例如，在散熱基板100在CVD製程中由金剛石形成的一些實施例中，可以在CVD製程期間使用諸如甲基和/或乙炔之類的含碳前體。在透過CVD製程由BeO形成散熱基板100的一些其他實施例中，可以在CVD製程期間使用含鈹的前驅物，例如二甲基鈹。在一些實施例中，散熱基板100形成為具有在75μm與150μm之間的厚度。在一些替代實施例中，可以執行結合製程以將基底基板108結合到預先形成的散熱基板100。

參照圖4，在散熱基板100上形成裝置層102。裝置層102可以包括有源裝置、無源裝置或它們的組合。在一些實施例中，裝置層102可以包括可以包括矽電晶體層，例如FinFET、GAA電晶體、其他類型的電晶體或其組合。如圖5和6所示，隨後在去除製程109中去除基底基板108。在一些實施例中，去除製程109可以是在基底基板108的背面上執行的研磨製程。在本發明中，在研磨製程之後將基底基板108完全去除。如上所述，散熱基板100可以消散由裝置層102或半導體裝置10中的其他特徵產生的熱量。

在一些其他實施例中，如圖1所示，在裝置層102上形成互連層104。互連層104可以透過毯覆金屬層的減性蝕刻來形成，或者可以透過鑲嵌製程來形成。鑲嵌製程可以包括（但不限於）在裝置層102上沉積介電材料層，圖案化介電材料層以形成暴露裝置層102的開口，用導電材料填充開口，進行平坦化製程以去除多餘的導電材料。介電材料層可以由氧化矽、氮氧化矽、BSG、PSG、BPSG、FSG、低k材料、多孔介電材料、一種或多種其他合適的介電材料或它們的組合形成，並且可以透過CVD、ALD、旋塗、另一種合適的方法或其組合形成。導電材料可以由諸如Al、Cu、W或其合金的金屬形成。半導體裝置10可以安裝在另一個基板200上或附接到另一個基板200。基板200可以是印刷電路板（printed circuit board，PCB）或者可以類似於上述基底基板108。在基板200是PCB的一些實施例中，如圖7所示，半導體裝置10的互連層104透過焊料凸塊110焊接到PCB。在基板200類似於基底基板的其他實施例中。參照圖108，透過例如晶片接合技術將半導體裝置10附接到基板200。

圖8-10示出了根據本發明的其他實施例的在製造製程期間的半導體裝置的示意性截面圖。為了簡單起見，圖8-10和上述附圖中的相似特徵由相似的附圖標記表示，並且不重複一些描述。參照圖8和9，提供基底基板108，並且在基底基板108上形成裝置層102。然後在去除製程109中去除基底基板108。然後，附著圖9所示的裝置層102。在去除基底基板108之後，將半導體基板10形成到散熱基板100，從而形成如圖10所示的半導體10。在一些實施例中，去除基底基板108的方法包括：用諸如靜電吸盤（electrostatic chuc，e-chuck）之類的載體保持裝置層102，並執行去除製程109以完全去除基底基板108。在這樣的實施例中，當裝置層102被附接到散熱基板100時，載體可以保持裝置層102。在一些替代實施例中，透過去除製程109部分地去除基底基板108，使得基板108的一部分被去除。基底基板108保留在裝置層102下方。例如，剩餘的基底基板108的厚度可以在10μm至20μm之間的範圍內。

本發明的實施例為半導體裝置及其形成提供了許多益處。根據本發明的一些實施例，具有散熱基板的半導體裝置可以消散在半導體裝置中產生的熱量並防止熱損壞。另外，可以透過本文提供的散熱基板100來改善基板的捲曲。在一些實施例中，具有散熱基板的半導體裝置可以透過散熱基板和互連層兩者來散熱，這可以提高散熱效率和裝置可靠性。

儘管已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明，但應當理解的是，在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內，可以對本發明進行各種改變、替換和變更。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。本領域技術人員皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。

10:半導體裝置 100:散熱基板 101,103:熱流 102:裝置層 104:互連層

透過閱讀後續的詳細描述和實施例可以更全面地理解本發明，本實施例參照附圖給出，其中：圖1示出了根據本發明的一些實施例的半導體裝置的示意性截面圖。圖2-7示出了根據本發明的一些實施例的在製造製程期間的半導體裝置的示意性截面圖。圖8-10示出了根據本發明的其他實施例的在製造製程期間的半導體裝置的示意性截面圖。

10:半導體裝置

100:散熱基板

101,103:熱流

102:裝置層

104:互連層

Claims

一種半導體裝置，包括：散熱基板，其中，該散熱基板的導熱係數大於200Wm ^-1K ^-1：以及裝置層，設置在該散熱基板上，其中該裝置層包括電晶體。
如請求項1之半導體裝置，其中，該散熱基板的熱導率在200Wm ^-1K ^-1至1200Wm ^-1K ^-1之間。
如請求項1之半導體裝置，其中，該散熱基板包括介電材料。
如請求項3之半導體裝置，其中，該介電材料包括BeO、BN、金剛石或它們的組合。
如請求項1之半導體裝置，其中，該散熱基板的厚度在75μm至150μm之間。
如請求項1之半導體裝置，其中，該裝置層是矽電晶體層。
如請求項6之半導體裝置，其中，該矽電晶體層包括鰭狀場效應電晶體、環繞柵電晶體或它們的組合。
如請求項1之半導體裝置，還包括設置在該裝置層上的互連層。
一種形成半導體裝置的方法，包括：提供基底基板；在所述基底基板上形成散熱基板，該散熱基板的導熱係數大於200Wm ^-1K ^-1；在該散熱基板上形成裝置層，該裝置層包括電晶體；以及移除基底基板。
如請求項9之方法，其中在該基底基板上形成該散熱基板包括執行CVD製程以形成介電材料層。
如請求項9之方法，還包括在該裝置層上形成互連層。
如請求項9之方法，其中，去除該基底基板包括在該基底基板上執行研磨製程。
如請求項12之方法，其中，在該研磨過程之後，將該基底基板完全去除。
一種形成半導體裝置的方法，包括：提供基底基板；在該基底基板上形成裝置層，其中該裝置層包括電晶體；移除該基底基板；以及將該裝置層附著於該散熱基板，其中，該散熱基板的熱導率大於200Wm ^-1K ^-1。
如請求項14之方法，其中，去除該基底基板包括：用載體保持該裝置層；以及執行研磨製程以完全去除該基底基板。
如請求項15之方法，其中，當該裝置層附接到該散熱基板時，該載體保持該裝置層。