[發明專利]具有背側散熱的絕緣體上半導體

有效

• 申請號: 201510430892.3
• 申請日: 2010-07-14
• 公開（公告）號: CN105097712A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: P.A.尼加德;S.B.莫林;M.A.斯圖伯
• 申請（專利權）人: 斯蘭納半導體美國股份有限公司
• 主分類號: H01L21/84
• 分類號: H01L21/84;H01L27/12;H01L21/336;H01L29/786
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 焦玉恒

本申請是申請號為201080031811.8、申請日為2010年7月14日、發明名稱為“具有背側散熱的絕緣體上半導體”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

所描述的本發明總體上涉及絕緣體上半導體器件及處理，更具體地涉及絕緣體上半導體器件中的散熱。

背景技術

絕緣體上半導體(SOI)技術最早在20世紀90年代后期被商業化。SOI技術的特色特征在于其中形成了電路的半導體區域通過電絕緣層與主體基板隔開。該絕緣層通常是二氧化硅。選擇二氧化硅的原因是，可以通過使晶圓氧化而在硅晶圓上形成二氧化硅，由此適合于進行有效制造。SOI技術的有利方面直接源于絕緣層將有源層與主體基板進行電子隔離的能力。當在此處以及所附權利要求中使用時，SOI結構上的形成有信號處理電路的區域指的是SOI結構的有源層。

SOI技術由于引入對SOI結構中的有源器件進行隔離(這改進了有源器件的電特性)的絕緣層而表現出對傳統主體基板技術的改進。例如，希望晶體管的閾值電壓統一，并且大體上由晶體管柵極下的半導體材料的特性設定晶體管的閾值。如果該材料區域是隔離的，則進一步的處理將影響該區域并改變器件閾值電壓的可能性很小。由于SOI結構的使用而得到的其它電特性改進包括：更小的短溝道效益、針對更高速度的降低的電容、以及器件作為開關時的更低的插入損耗。此外，絕緣層可用來對有源器件與有害輻射進行屏蔽。這對于用于地球大氣之外的有害離子輻射盛行的空間中的集成電路是特別重要的。

圖1示出了一個SOI晶圓100。晶圓包括基板層101、絕緣層102以及有源層103。基板通常是諸如硅之類的半導體材料。絕緣層102是介電的，并且通常是通過對基板層101進行氧化而形成的二氧化硅。有源層103包括在已經在其中形成了電路104之后出現的摻雜物、電介質、多晶硅、金屬層、鈍化物以及其它層的組合。電路104可包括：金屬布線，諸如電阻器、電容器和電感器之類的無源器件，以及諸如晶體管之類的有源器件。當在此處以及所附權利要求中使用時，SOI晶圓100的“頂部”指的是頂部表面105，而SOI晶圓100的“底部”指的是底部表面106。定位方案不考慮SOI晶圓100相對于其它參考系的相對定位、以及從SOI晶圓100去除層或向SOI晶圓100添加層。因此，有源層103總是處于絕緣層102“上方”。此外，從有源層103中央起始并向底部表面106延伸的矢量總是指向SOI結構的“背側”方向，而不考慮SOI晶圓100相對于其它參考系的相對定位、以及從SOI晶圓100去除層或向SOI晶圓100添加層。

如上所述，SOI器件具有提高并保持其有源器件的點特性的能力。但是，絕緣層的引入造成了器件散熱能力方面的嚴重問題。由于集成電路中的器件的不斷小型化，必須將更多數量的生熱器件壓縮在越來越小的區域中。在現代集成電路中，電路104的熱產生密度可能很偏激。絕緣層102的引入使得這一問題變得嚴重，這是因為絕緣層102的熱導率一般遠遠小于標準主體基板的熱導率。如上所述，在現代SOI技術中，二氧化硅是普遍存在的絕緣層。在300度的開氏溫度(K)下，二氧化硅具有大約1.4瓦特每米每開(W/m·K)的熱導率。同樣溫度下的主體硅基板具有大約130W/m·K的熱導率。SOI技術出現的散熱性能的將近100倍的下降是很成問題的。集成電路中的高程度的熱量會將其器件的電特性轉移至期望范圍之外，從而造成致命的設計失效。如果不經檢測，則器件中的過熱將導致器件電路中材料歪曲或材料熔化的形式的永遠的致命失效。

已經利用各種解決方案來解決SOI器件中的散熱問題。一種方案包括布置從絕緣層102向上通過有源層103的熱傳送柱。在一些情況下，這些熱傳送柱由金屬形成，這是因為金屬與二氧化硅相比總體具有遠遠更高的熱導率。在一些方案中，這些柱由多晶硅形成，從而使得它們不會干擾電路的電特性，而同時它們提供了向上到達并離開絕緣層102的熱路徑。在其它方案中，在絕緣層102中切孔，并且將熱傳送柱布置在這些孔中。該結構的結果是提供了從有源層103通過絕緣層102中的孔向下到達基板101的散熱通道。隨后通過基板101散熱。