一種半導(dǎo)體器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體器件，包括襯底，位于襯底上的多層半導(dǎo)體層，多層半導(dǎo)體層包括有源區(qū)和無源區(qū)，位于有源區(qū)的源極和漏極及無源區(qū)的源電極和漏電極，位于有源區(qū)上的柵極和無源區(qū)上的柵電極，所述源極、漏極和柵極和/或所述源電極、漏電極和柵電極設(shè)置有石墨烯散熱層。由于石墨烯優(yōu)良的散熱特性，加快局部熱源的熱量沿橫向傳輸，增加器件的散熱途徑，從而改善半導(dǎo)體器件的散熱效果，降低半導(dǎo)體器件內(nèi)部的溫度，提高半導(dǎo)體器件可靠性。
【專利說明】一種半導(dǎo)體器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種半導(dǎo)體器件。

【背景技術(shù)】
[0002] GaN半導(dǎo)體器件具有禁帶寬度大、電子遷移率高、擊穿場強(qiáng)高、耐高溫等顯著優(yōu)點(diǎn)， 與第一代半導(dǎo)體硅和第二代半導(dǎo)體砷化鎵相比，更適合制作高溫、高壓、高頻和大功率的電 子器件，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 由于GaN半導(dǎo)體器件在大功率和大電流的環(huán)境下工作，GaN半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的 熱量較高。GaN半導(dǎo)體器件中的一些結(jié)構(gòu)受溫度影響較大，例如：肖特基接觸和載流子遷移 率等，若肖特基接觸處產(chǎn)生局部高溫，會使肖特基接觸退化，降低勢壘高度，從而導(dǎo)致柵極 泄漏電流增大，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致GaN半導(dǎo)體器件失效；即使肖特基勢壘在高溫下未發(fā)生 變化，但是由于溫度升高，GaN半導(dǎo)體器件中載流子的能量也隨之增大，所述載流子更容易 越過勢壘層，從而也會引起柵極泄漏電流的增大。此外，隨著溫度的升高，溝道中的二維電 子氣（Two-Dimensional Electron Gas, 2DEG)所受到的聲子散射增大，因此2DEG的遷移率 迅速降低，器件的輸出電流也迅速降低，從而影響到功率器件的輸出功率，進(jìn)而引起器件射 頻、微波性能的退化。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中的GaN半導(dǎo)體器件主要通過以下途徑進(jìn)行散熱：GaN半導(dǎo)體器件所產(chǎn) 生的大部分熱量通過襯底縱向傳給導(dǎo)熱性能良好的基座；熱量經(jīng)由GaN半導(dǎo)體器件內(nèi)部的 金屬電極連線和半導(dǎo)體材料向有源區(qū)外部橫向傳遞；通過GaN半導(dǎo)體器件的上表面的空氣 進(jìn)行散熱。但是，由于GaN半導(dǎo)體器件表面都存在著鈍化層，封裝管殼內(nèi)空氣流動性差，金 屬電極與GaN半導(dǎo)體器件的接觸面積較小，從而使整個GaN半導(dǎo)體器件的散熱性能受限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體器件，通過引入石墨烯等高熱導(dǎo)率材料，實(shí)現(xiàn) 有源區(qū)向無源區(qū)或襯底的高效散熱途徑，以降低半導(dǎo)體器件的內(nèi)部溫度，半導(dǎo)體器件內(nèi)部 熱場分布更加均勻，提高半導(dǎo)體器件的可靠性。
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括：
[0007]襯底；
[0008] 位于所述襯底上的多層半導(dǎo)體層，所述多層半導(dǎo)體層包括有源區(qū)和無源區(qū)，所述 有源區(qū)之外的區(qū)域?yàn)闊o源區(qū)；
[0009] 位于所述多層半導(dǎo)體層上的源極和漏極，所述源極和漏極包括位于有源區(qū)內(nèi)的源 極和漏極以及位于無源區(qū)內(nèi)的源電極和漏電極；
[0010] 位于所述多層半導(dǎo)體層上的柵極，所述柵極在源極和漏極間呈叉指狀分布，所述 柵極包括位于有源區(qū)內(nèi)的柵極和位于無源區(qū)內(nèi)的柵電極；
[0011] 位于所述有源區(qū)內(nèi)的源極、漏極和柵極設(shè)置有散熱層，和/或位于所述無源區(qū)內(nèi) 的源電極、漏電極和柵電極設(shè)置有散熱層。
[0012] 進(jìn)一步地，所述源電極通過空氣橋與所述有源區(qū)內(nèi)的源極連接，所述漏電極通過 漏極互聯(lián)金屬與所述有源區(qū)內(nèi)的漏極連接。
[0013] 進(jìn)一步地，所述柵電極通過柵極互連線與所述有源區(qū)內(nèi)的柵極連接，且所述空氣 橋跨在所述柵極互連線的上方。
[0014] 進(jìn)一步地，所述散熱層的材料為單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、石墨烯納 米片、單壁碳納米管或多壁碳納米管中的任意一種或多種。
[0015] 進(jìn)一步地，所述多層半導(dǎo)體層包括：
[0016] 位于所述襯底上的成核層；
[0017] 位于所述成核層上的緩沖層；
[0018] 位于所述緩沖層上的勢壘層，所述勢壘層和所述緩沖層形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在異質(zhì) 結(jié)界面處形成二維電子氣。
[0019] 進(jìn)一步地，所述多層半導(dǎo)體層還包括：
[0020] 位于所述勢壘層上的帽層；
[0021 ] 所述有源區(qū)內(nèi)的源極、漏極和柵極及所述無源區(qū)內(nèi)的源電極、漏電極和柵電極位 于所述帽層之上。
[0022] 進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體器件還包括：
[0023] 位于所述有源區(qū)內(nèi)的源極與柵極之間和漏極與柵極之間的帽層上及位于所述無 源區(qū)內(nèi)的源電極與柵電極之間和漏電極與柵電極之間的帽層上的第一介質(zhì)層。
[0024] 進(jìn)一步地，所述散熱層包括第一散熱層和第二散熱層，其中，
[0025] 所述第一散熱層位于有源區(qū)內(nèi)的柵極上；
[0026] 所述第二散熱層分別位于有源區(qū)內(nèi)的源極和漏極上和/或位于無源區(qū)內(nèi)的源電 極、漏電極和柵電極上。
[0027] 進(jìn)一步地，所述空氣橋和所述漏極互聯(lián)金屬上方設(shè)置有第二散熱層。
[0028] 進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體器件還包括第二介質(zhì)層和第三介質(zhì)層，其中，
[0029] 所述第二介質(zhì)層位于所述有源區(qū)內(nèi)的第一散熱層以及源極與柵極之間和漏極與 柵極之間的第一介質(zhì)層上；
[0030] 所述第三介質(zhì)層位于所述第二散熱層以及所述第二介質(zhì)層上。
[0031] 進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體器件還包括熱沉，所述熱沉設(shè)置在所述無源區(qū)的邊緣一周， 所述第二散熱層與所述熱沉連接。
[0032] 進(jìn)一步地，對位于所述無源區(qū)內(nèi)的第二散熱層和第三介質(zhì)層進(jìn)行圖形化形成窗 口，通過所述窗口使得位于所述無源區(qū)內(nèi)的源電極、漏電極和柵電極與其他元器件進(jìn)行連 接。
[0033] 進(jìn)一步地，所述散熱層包括第三散熱層和第四散熱層，其中，
[0034] 所述第三散熱層位于有源區(qū)內(nèi)的柵極上；
[0035] 所述第四散熱層位于有源區(qū)內(nèi)的源極中間和漏極中間和/或位于無源區(qū)內(nèi)的源 電極中間、漏電極中間和柵電極中間。
[0036] 進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體器件還包括第四介質(zhì)層，所述第四介質(zhì)層位于所述第三散 熱層、所述有源區(qū)內(nèi)的源極與柵極之間和漏極與柵極之間的第一介質(zhì)層以及所述源電極與 柵電極及漏電極與柵電極之間的第一介質(zhì)層上。
[0037] 進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體器件還包括背面金屬和通孔，其中，
[0038] 所述背面金屬位于所述襯底上且所述多層半導(dǎo)體層遠(yuǎn)離所述襯底的一面；
[0039] 所述通孔內(nèi)設(shè)置有第五散熱層，所述通孔位于所述背面金屬和所述有源區(qū)內(nèi)的源 極或無源區(qū)內(nèi)的源電極之間，所述通孔貫穿所述襯底和所述多層半導(dǎo)體層直至所述有源區(qū) 的源極或所述無源區(qū)的源電極，通過所述通孔使所述有源區(qū)內(nèi)的源極或無源區(qū)內(nèi)的源電極 與所述背面金屬連接。
[0040] 本發(fā)明通過在半導(dǎo)體器件所述有源區(qū)內(nèi)的源極、漏極和柵極和/或位于所述無源 區(qū)內(nèi)的源電極、漏電極和柵電極設(shè)置有散熱層，所述散熱層在平面方向的高導(dǎo)熱率為半導(dǎo) 體器件增加了導(dǎo)熱途徑，加速了熱量從所述有源區(qū)內(nèi)的源極、漏極和柵極和/或位于所述 無源區(qū)內(nèi)的源電極、漏電極和柵電極上方的傳導(dǎo)，整體上改善半導(dǎo)體器件的散熱效果，降低 半導(dǎo)體器件內(nèi)部的溫度，提高半導(dǎo)體器件可靠性。
[0041] 在閱讀【具體實(shí)施方式】并且在查看附圖之后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到另外的特 征和優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042] 現(xiàn)將參照附圖解釋示例。附圖用于說明基本原理，使得僅圖示了理解基本原理所 必需的方面。附圖并非依比例繪制。在附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相似的特征。
[0043] 圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例一提供的半導(dǎo)體器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例一提供的半導(dǎo)體器件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例二提供的半導(dǎo)體器件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046] 圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)中半導(dǎo)體器件的剖面溫度示意圖；
[0047] 圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例二提供的半導(dǎo)體器件的剖面溫度示意圖；
[0048] 圖6示出了本發(fā)明實(shí)施例三提供的半導(dǎo)體器件有源區(qū)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049] 圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例四提供的半導(dǎo)體器件的通孔位于有源區(qū)的源極時的剖 面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050] 圖8示出了現(xiàn)有技術(shù)中通孔中填充材料為金時半導(dǎo)體器件的剖面溫度示意圖；
[0051] 圖9示出了本發(fā)明實(shí)施例四的通孔中填充材料為石墨烯時半導(dǎo)體器件的剖面溫 度示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0052] 下面結(jié)合附圖并通過【具體實(shí)施方式】來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。諸如"下 面"、"下方"、"在…下"、"低"、"上方"、"在…上"、"高"等的空間關(guān)系術(shù)語用于使描述方便，以 解釋一個元件相對于第二元件的定位，表示除了與圖中示出的那些取向不同的取向以外， 這些術(shù)語旨在涵蓋器件的不同取向。另外，例如"一個元件在另一個元件上/下"可以表示 兩個元件直接接觸，也可以表示兩個元件之間還具有其他元件。此外，諸如"第一"、"第二" 等的術(shù)語也用于描述各個元件、區(qū)、部分等，并且不應(yīng)被當(dāng)作限制。類似的術(shù)語在描述通篇 中表示類似的元件。
[0053] 實(shí)施例一
[0054] 圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例一提供的半導(dǎo)體器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖2示出了本 發(fā)明實(shí)施例一提供的半導(dǎo)體器件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，下面結(jié)合圖1和圖2對本發(fā)明的實(shí)施 例一進(jìn)行描述。
[0055] 請參見圖1和圖2,所述半導(dǎo)體器件包括：襯底11、位于襯底11上的多層半導(dǎo)體 層，所述多層半導(dǎo)體層包括有源區(qū)a和無源區(qū)，有源區(qū)a之外的區(qū)域?yàn)闊o源區(qū)，位于所述多 層半導(dǎo)體層上的源極和漏極，所述源極和漏極包括位于有源區(qū)a內(nèi)的源極13和漏極14以 及位于所述無源區(qū)內(nèi)的源電極13b和漏電極14b，位于所述多層半導(dǎo)體上的柵極，所述柵極 在所述源極和漏極間呈叉指狀分布，所述柵極包括位于有源區(qū)a內(nèi)的柵極15和位于無源區(qū) 內(nèi)的柵電極15b，位于有源區(qū)a內(nèi)柵極15上的第一散熱層17,以及分別位于有源區(qū)a內(nèi)的 源極13和漏極14上和/或位于所述無源區(qū)內(nèi)的源電極13b、漏電極14b和柵電極15b上的 第二散熱層16。
[0056] 其中，所述襯底11的材料可以是藍(lán)寶石（Sapphire)、SiC、GaN或Si等本領(lǐng)域的 技術(shù)人員公知的任何適合生長氮化鎵的材料，所述襯底11的沉積方法可以是化學(xué)氣相沉 積法（Chemical Vapor Deposition，簡稱 CVD)、氣相外延法（Vapour Phase Epitaxy，簡 稱VPE)、金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀法（Metal-organic Chemical Vapor Deposition, 簡稱 MOCVD)、低壓力化學(xué)氣相沉積法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，簡稱 LPCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，簡 稱PECVD)、脈沖激光沉積法（Pulsed Laser Deposition,簡稱PLD)、原子層外延法、分子束 外延法（Molecular Beam Epitaxy,簡稱MBE)、#i射法或蒸發(fā)法等方法。
[0057] 所述多層半導(dǎo)體層的材料可以是III-V族化合物的半導(dǎo)體材料，具體地，所述多 層半導(dǎo)體層可包括：
[0058] 位于襯底11上的成核層21。
[0059] 位于成核層21上的緩沖層22。
[0060] 位于緩沖層22上的勢壘層23,所述勢壘層23和所述緩沖層22形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)， 在異質(zhì)結(jié)界面處形成2DEG (圖1中虛線所示），所述勢壘層23的材料為能夠與緩沖層22形 成異質(zhì)結(jié)的任何半導(dǎo)體材料，包括鎵類化合物半導(dǎo)體材料或III族氮化物半導(dǎo)體材料，例 如 IrixAlyGazNh-y-JO < X，y, z < 1)。
[0061] 優(yōu)選的，所述多層半導(dǎo)體層還可包括位于勢壘層23上的帽層24。所述有源區(qū)內(nèi)的 源極13、漏極14和柵極15及所述無源區(qū)內(nèi)的源電極13b、漏電極14b和柵電極15b位于帽 層24之上。
[0062] 優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體器件還包括：
[0063] 位于所述有源區(qū)內(nèi)的源極13與柵極15之間和漏極14與柵極15之間的帽層24 上及位于所述無源區(qū)內(nèi)的源電極13b與漏電極14b之間和漏電極14b與柵電極15b之間的 帽層24上的第一介質(zhì)層25,該第一介質(zhì)層25能夠鈍化半導(dǎo)體器件表面，降低或消除氮化鎵 半導(dǎo)體器件的電流崩塌效應(yīng)，例如：降低或消除氮化鎵高電子遷移率晶體管的電流崩塌效 應(yīng)，并且保護(hù)半導(dǎo)體器件表面免受外界影響等，所述第一介質(zhì)層25的材料一般為SiN，所述 第一介質(zhì)層25的形成方法可由多種方式形成，如M0CVD，PECVD，ALD，MBE及熱生長以及電 子束蒸發(fā)等中的任意一種。
[0064] 位于所述多層半導(dǎo)體層上的源極和漏極，有源區(qū)a內(nèi)的源極13和漏極14與位于 其下的所述多層半導(dǎo)體層形成歐姆接觸，有源區(qū)a內(nèi)的源極13和漏極14的材料可以是一 種金屬材料，也可以是多種金屬材料的復(fù)合材料，優(yōu)選的，所述無源區(qū)內(nèi)的源電極13b通過 空氣橋131與有源區(qū)a內(nèi)的源極13連接，所述無源區(qū)內(nèi)的漏電極14b通過漏極互聯(lián)金屬 141與有源區(qū)a內(nèi)的漏極14連接。
[0065] 位于多層半導(dǎo)體層上的柵極，所述柵極在所述源極和漏極間呈叉指狀分布，優(yōu)選 的，所述無源區(qū)內(nèi)的柵電極15b通過柵極互連線151與有源區(qū)a內(nèi)的柵極15連接，且所述空 氣橋131跨在所述柵極互連線151的上方，所述柵極15位于源極13和漏極14之間，有源 區(qū)a內(nèi)柵極15可以是單層金屬柵極，也可以是雙層金屬的疊層或多層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，例如，所述 多層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)可以在柵極與所述多層半導(dǎo)體層之間設(shè)置一層絕緣介質(zhì)（例如Si02)的MIS 結(jié)構(gòu)。所述有源區(qū)a內(nèi)柵極15的形狀可以為T型柵極、矩形柵等GaN半導(dǎo)體器件中常用的 柵極形狀，圖1中所示出的有源區(qū)a內(nèi)柵極15的形狀為T型柵極，所述T型柵極的柵帽位 于所述多層半導(dǎo)體層上。
[0066] 位于有源區(qū)a內(nèi)的柵極15上的第一散熱層17,以及位于有源區(qū)a內(nèi)的源極13和 漏極14上和/或位于無源區(qū)內(nèi)的源電極13b、漏電極14b和柵電極15b上的第二散熱層16， 所述第一散熱層17和第二散熱層16的材料可以為單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、 石墨烯納米片、單壁碳納米管或多壁碳納米管中的任意一種或多種，優(yōu)選為石墨烯，由于石 墨烯是一種由新型的單原子層二維材料，由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格 的平面薄膜。單層石墨烯的厚度只有3.4A。由于石墨烯獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，它具有優(yōu)異的物 理和化學(xué)特性，如高電導(dǎo)率、高電流承受密度、優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性和化學(xué)穩(wěn)定性等。石墨烯具 有非常好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5000WAmk)，遠(yuǎn)高于Au (317WAmk))、Cu (401WAmk))和 八1 (2371八1111〇)，甚至高于金剛石（20001八1111〇)及碳納米管（30001八1111〇)等，可以說是目 前存在的導(dǎo)熱性最好的材料之一，且石墨烯具有高的電導(dǎo)率，并不會額外增大電路的電阻， 因此石墨烯材料非常適合用于半導(dǎo)體器件中的散熱層。
[0067] 優(yōu)選的，所述空氣橋131和所述漏極互聯(lián)金屬141上方設(shè)置有第二散熱層16,位 于空氣橋131和互聯(lián)金屬141上方的第二散熱層可以與位于有源區(qū)a內(nèi)的源極13和漏極 14和/或位于位于無源區(qū)內(nèi)的源電極13b、漏電極14b和柵電極15b上方的第二散熱層在 同一工藝步驟中形成。
[0068] 通過將散熱材料設(shè)置于有源區(qū)a內(nèi)的源極13、漏極14和柵極15上和/或所述無 源區(qū)內(nèi)的源電極13b、漏電極14b和柵電極15b上，在平面方向的高導(dǎo)熱率為半導(dǎo)體器件增 加了導(dǎo)熱途徑，加速了熱量從所述有源區(qū)和無源區(qū)內(nèi)的金屬上方的傳導(dǎo)，整體上改善半導(dǎo) 體器件的散熱效果，降低半導(dǎo)體器件內(nèi)部的溫度，使半導(dǎo)體器件內(nèi)部熱場分布更加均勻，提 高半導(dǎo)體器件可靠性。
[0069] 由于所述柵極與源極和漏極在不同的工藝步驟中形成，因此，第一散熱層17與第 二散熱層16在不同的工藝步驟中形成。
[0070] 所述第一散熱層17和第二散熱層16的形成方法可以首先將生長在銅或者鎳薄膜 上的石墨烯轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體器件表面，其中，所述將石墨烯生長在銅或者鎳薄膜上的方法可 以為CVD法，其次定義出石墨烯的圖形，最后在不需要覆蓋石墨烯的地方通過氧等離子體 將石墨烯刻蝕干凈。也可以通過將石墨烯溶于懸浮液中，采用旋涂的方式旋涂于有源區(qū)a 內(nèi)的柵極15、源極13和漏極14上，和/或無源區(qū)內(nèi)的柵電極15b、源電極13b和漏電極14b 上，采用氧等離子體將不需要石墨烯覆蓋的地方刻蝕干凈。
[0071] 優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體器件還包括第二介質(zhì)層18和第三介質(zhì)層19,其中，所述第二 介質(zhì)層18位于有源區(qū)內(nèi)a的第一散熱層17以及源極13與漏極14之間的第一介質(zhì)層25 上，該第二介質(zhì)層18能夠在所述有源區(qū)內(nèi)的柵極和漏極之間靠近柵極處，提高鈍化效果， 降低電流崩塌效應(yīng)，從而提高半導(dǎo)體器件的特性。
[0072] 由于第二介質(zhì)層18位于有源區(qū)內(nèi)的第一散熱層17上，因此，第二介質(zhì)層18的形 成方法不能對位于其下的第一散熱層17產(chǎn)生影響。因?yàn)榈谝簧釋?7的厚度非常薄，若 形成第二介質(zhì)層18的過程中，粒子能量過大則有可能會對第一散熱層17造成刻蝕，第二介 質(zhì)層18的形成方法可以為ALD、電子束蒸發(fā)或MBE等方法中的任意一種。
[0073] 所述第三介質(zhì)層19位于有源區(qū)a和無源區(qū)內(nèi)第二散熱層16以及所述第二介質(zhì)層 18上，所述第三介質(zhì)層19能夠保護(hù)位于其下的第二散熱層16,避免第二散熱層16脫落至 半導(dǎo)體器件中，引起可靠性問題，由于第三介質(zhì)層19位于第二散熱層16上，因此，第三介質(zhì) 層19的形成方法與第二介質(zhì)層18的形成方法相同。
[0074] 優(yōu)選的，對位于所述無源區(qū)內(nèi)的第二散熱層16和第三介質(zhì)層19進(jìn)行圖形化形成 窗口 20,通過所述窗口 20使得位于無源區(qū)內(nèi)的源電極13、漏電極14和柵電極15與其他元 器件進(jìn)行連接。
[0075] 通過光刻以及氧等離子體刻蝕技術(shù)可以將位于無源區(qū)內(nèi)的第二散熱層16和第三 介質(zhì)層19圖形化，留出一個窗口 20便于后續(xù)引線時與無源區(qū)內(nèi)的源電極13b、漏電極14b 和柵電極15b相連。
[0076] 同時單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、石墨烯納米片、單壁碳納米管或多壁 碳納米管具有高電導(dǎo)率、高電流密度承受力和抗電遷移效應(yīng)，在引線和源電極13b、漏電極 14b以及柵電極15b出現(xiàn)電遷移、空洞或者是斷開等問題時，單層石墨烯、雙層石墨烯、多層 石墨烯、石墨烯納米片、單壁碳納米管或多壁碳納米管可代替金屬導(dǎo)通電流，進(jìn)一步提高半 導(dǎo)體器件的可靠性。
[0077] 本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體器件，通過有源區(qū)內(nèi)的柵極上設(shè)置第一散熱層，在有 源區(qū)a內(nèi)的源極和漏極以及無源區(qū)內(nèi)的源電極、漏電極和柵電極上設(shè)置第二散熱層，在平 面方向的高導(dǎo)熱率為半導(dǎo)體器件增加了導(dǎo)熱途徑，加速了熱量從有源區(qū)內(nèi)的源極、漏極和 柵極以及位于無源區(qū)內(nèi)的源電極、漏電極和柵電極上方的傳導(dǎo)，整體上改善半導(dǎo)體器件的 散熱效果，降低半導(dǎo)體器件內(nèi)部的溫度，提高半導(dǎo)體器件可靠性，進(jìn)一步地，通過在第一散 熱層以及源極與柵極之間和漏極與柵極之間的第一介質(zhì)層上設(shè)置第二介質(zhì)層，能夠降低電 流崩塌效應(yīng)，從而提高半導(dǎo)體器件的特性，通過在有源區(qū)和/或無源區(qū)內(nèi)第二散熱層以及 所述第二介質(zhì)層上設(shè)置第三介質(zhì)層，避免第二散熱層脫落至半導(dǎo)體器件中，從而提高器件 的可靠性。
[0078] 實(shí)施例二
[0079] 圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例二提供的半導(dǎo)體器件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖4示出了現(xiàn) 有技術(shù)中半導(dǎo)體器件的剖面溫度示意圖，圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例二提供的半導(dǎo)體器件的 剖面溫度示意圖，下面結(jié)合圖3至圖5來描述本發(fā)明的實(shí)施例二。
[0080] 本發(fā)明實(shí)施例二提供的半導(dǎo)體器件以上述實(shí)施例一提供的半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)，與 實(shí)施例一中半導(dǎo)體器件相同的部分不再贅述。
[0081] 本發(fā)明實(shí)施例二提供的半導(dǎo)體器件還包括熱沉30,所述熱沉設(shè)置在所述無源區(qū)的 邊緣一周，第二散熱層16與熱沉30連接。
[0082] 在本實(shí)施例中，位于有源區(qū)最外側(cè)的第二散熱層16以及位于無源區(qū)的第二散熱 層16 -直延伸到熱沉30上方與熱沉30連接，能夠進(jìn)一步降低半導(dǎo)體器件內(nèi)部的溫度。
[0083] 為了避免電極之間的短路，所述熱沉可以設(shè)為絕緣熱沉，如陶瓷熱沉。
[0084] 圖4和圖5分別為采用Comsol軟件模擬出來的現(xiàn)有技術(shù)中半導(dǎo)體器件和本發(fā)明 實(shí)施例二提供的半導(dǎo)體器件的剖面溫度示意圖。
[0085] 請參見圖4,圖4為現(xiàn)有技術(shù)中半導(dǎo)體器件的剖面溫度示意圖。請參見圖5,圖5 為本發(fā)明實(shí)施例二提供的半導(dǎo)體器件的剖面溫度示意圖，本發(fā)明實(shí)施例二中的半導(dǎo)體器件 在有源區(qū)a內(nèi)的漏極14和無源區(qū)的漏電極14b上設(shè)置有石墨烯散熱層，并將石墨烯散熱層 引入到無源區(qū)漏電極14b附近的絕緣熱沉上來模擬，從圖4和圖5中可以看出，本發(fā)明實(shí)施 例二提供的半導(dǎo)體器件最高溫度相比現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體器件最高溫度降低了 18. 84°C。 [0086] 本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體器件，通過在半導(dǎo)體器件無源區(qū)的邊緣一周設(shè)置絕緣 熱沉，將第二散熱層延伸到絕緣熱沉上方，能夠進(jìn)一步降低半導(dǎo)體器件內(nèi)部的溫度。
[0087] 實(shí)施例三
[0088] 圖6示出了本發(fā)明實(shí)施例三提供的半導(dǎo)體器件有源區(qū)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，請參見 圖6,所述半導(dǎo)體器件包括：襯底11、位于襯底11上的多層半導(dǎo)體層，多層半導(dǎo)體層包括有 源區(qū)a和無源區(qū)（圖6中未示出），有源區(qū)a之外的區(qū)域?yàn)闊o源區(qū)，位于多層半導(dǎo)體層上的 源極和漏極，所述源極和漏極包括位于有源區(qū)a內(nèi)的源極13和漏極14以及位于無源區(qū)內(nèi) 的源電極13b (圖6中未不出）和漏電極14b (圖6中未不出），位于多層半導(dǎo)體上的柵極， 所述柵極在所述源極和漏極間呈叉指狀分布，所述柵極包括位于有源區(qū)內(nèi)的柵極15和位 于無源區(qū)內(nèi)的柵電極15b (圖6中未示出），分別位于有源區(qū)a內(nèi)的柵極15上的第三散熱層 27,以及位于有源區(qū)a內(nèi)的源極13中間和漏極14中間和/或位于無源區(qū)內(nèi)的源電極13b 中間、漏電極14b中間和柵電極15b中間的第四散熱層26。
[0089] 本發(fā)明實(shí)施例三提供的半導(dǎo)體器件中的襯底11和多層半導(dǎo)體層與上述實(shí)施例中 半導(dǎo)體器件的襯底11和多層半導(dǎo)體層相同，在此不再贅述。
[0090] 在本實(shí)施例中，位于無源區(qū)的源電極13b通過空氣橋131(圖6中未示出）與有源 區(qū)a內(nèi)的源極13連接，位于無源區(qū)的漏電極14b通過漏極互聯(lián)金屬141 (圖6中未示出） 與有源區(qū)a內(nèi)的漏極14連接，無源區(qū)內(nèi)的柵電極15b通過柵極互連線151 (圖6中未示出） 與有源區(qū)a內(nèi)的柵極15連接，且空氣橋131跨在所述柵極互連線151的上方。
[0091] 本實(shí)施例提供的半導(dǎo)體器件中的第四散熱層26位于有源區(qū)a內(nèi)的源極13中間和 漏極14中間和/或位于無源區(qū)內(nèi)的源電極13b中間、漏電極14b中間和柵電極15b中間， 第三散熱層27位于有源區(qū)a內(nèi)的柵極15上。
[0092] 所述第四散熱層26的形成方法與本發(fā)明實(shí)施例一中所述的第二散熱層16的形成 方法相同，在此不再贅述。
[0093] 在本實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谒纳釋?6的材料選用石墨烯時，由于石墨烯具有高電導(dǎo) 率，因此并不會額外增加源極和漏極的寄生電阻，在沿著石墨烯平鋪方向，熱量高效傳導(dǎo)， 加速器件的橫向散熱。此外，第四散熱層26設(shè)置在有源區(qū)a內(nèi)的源極13中間和漏極14中 間和/或位于無源區(qū)內(nèi)的源電極13b中間、漏電極14b中間和柵電極15b中間時，所述第四 散熱層26更靠近半導(dǎo)體器件表面，距離芯片溫度最高的區(qū)域更近，因此石墨烯散熱層對器 件散熱效果的影響更明顯。
[0094] 本實(shí)施例通過將散熱材料設(shè)置于有源區(qū)內(nèi)的源極13中間、漏極14中間和柵極15 上，和/或位于位于無源區(qū)內(nèi)的源電極13b中間、漏電極14b中間以及柵電極15b中間，在 平面方向的高導(dǎo)熱率為半導(dǎo)體器件增加了導(dǎo)熱途徑，加速了熱量從有源區(qū)a和無源區(qū)內(nèi)的 金屬上方的橫向傳導(dǎo)，整體上改善半導(dǎo)體器件的散熱效果，降低半導(dǎo)體器件內(nèi)部的溫度，提 高半導(dǎo)體器件可靠性。
[0095] 優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體器件還包括第四介質(zhì)層28,所述第四介質(zhì)層28位于有源區(qū)內(nèi) 的第三散熱層27、有源區(qū)a內(nèi)的源極13與柵極15及漏極14與柵極15之間的第一介質(zhì)層 25上，以及位于源電極13b與柵電極15b及漏電極14b與柵電極15b之間的第一介質(zhì)層25 上。該第四介質(zhì)層28能夠在有源區(qū)內(nèi)的柵極15和漏極14之間靠近柵極15處，提高鈍化 效果，降低電流崩塌效應(yīng)，從而提高半導(dǎo)體器件的特性，此外，該第四介質(zhì)層28能夠保護(hù)位 于其下的第三散熱層27,避免第三散熱層27脫落至半導(dǎo)體器件中，引起器件可靠性問題， 由于第四介質(zhì)層28位于第三散熱層27上，因此，第四介質(zhì)層28的形成方法與實(shí)施例一中 所述的第三介質(zhì)層18的形成方法相同。
[0096] 本實(shí)施例與上述實(shí)施例相比，不需要設(shè)置第三介質(zhì)層19,因此，簡化了工藝步驟， 且由于第四散熱層26和第三散熱層27的材料具有高電導(dǎo)率，因此不會額外增加有源區(qū)和 無源區(qū)內(nèi)源極、柵極和漏極的寄生電阻，在沿著第四散熱層26和第三散熱層27平鋪方向， 熱量高效傳導(dǎo)，加速器件的散熱。并且第四散熱層26設(shè)置得更靠近半導(dǎo)體器件表面，離芯 片溫度最高的區(qū)域更近，第四散熱層26對半導(dǎo)體器件散熱效果的影響更明顯。
[0097] 實(shí)施例四
[0098] 圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例四提供的半導(dǎo)體器件的通孔位于有源區(qū)的源極13時的 剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖8示出了現(xiàn)有技術(shù)中通孔中填充材料為金時半導(dǎo)體器件的剖面溫度示 意圖，圖9示出了本發(fā)明實(shí)施例四的通孔中填充材料為石墨烯時半導(dǎo)體器件的剖面溫度示 意圖，下面結(jié)合圖7-圖9來描述本發(fā)明的實(shí)施例四。
[0099] 請參見圖7,所述半導(dǎo)體器件包括：背面金屬41、襯底11、位于襯底11上的多層半 導(dǎo)體層，多層半導(dǎo)體層包括有源區(qū)a和無源區(qū)（圖7中未示出），有源區(qū)之外的區(qū)域?yàn)闊o源 區(qū)，位于多層半導(dǎo)體層上的源極和漏極，所述源極和漏極包括位于有源區(qū)a內(nèi)的源極13和 漏極14以及位于無源區(qū)內(nèi)的源電極13b (圖7中未示出）和漏電極14b (圖7中未示出）， 其中，無源區(qū)內(nèi)的源電極13b可通過空氣橋131 (圖7中未示出）與有源區(qū)a內(nèi)的源極13連 接，無源區(qū)內(nèi)的漏電極14b可通過漏極互聯(lián)金屬141 (圖7中未示出）與有源區(qū)a內(nèi)的漏極 14連接，位于多層半導(dǎo)體上的柵極，所述柵極在所述源極和漏極間呈叉指狀分布，所述柵極 包括位于有源區(qū)a內(nèi)的柵極15和位于無源區(qū)內(nèi)的柵電極15b (圖7中未示出），無源區(qū)內(nèi)的 柵電極15b可通過柵極互連線151 (圖7中未示出）與有源區(qū)a內(nèi)的柵極15連接，且空氣 橋131跨在所述柵極互連線151的上方，位于所述背面金屬41和有源區(qū)a內(nèi)的源極13之 間的通孔40,所述通孔40內(nèi)設(shè)置有第五散熱層29,所述通孔40貫穿襯底11和多層半導(dǎo)體 層直至有源區(qū)a內(nèi)的源極13,通過通孔40使有源區(qū)a內(nèi)的源極13與所述背面金屬41連 接。
[0100] 本實(shí)施例通過在有源區(qū)的源極13下方設(shè)置貫穿襯底11和多層半導(dǎo)體層直至有源 區(qū)內(nèi)的源極13的通孔40,使得有源區(qū)內(nèi)的源極13與背面金屬41通過通孔40連接，所述背 面金屬41的材料為金，在通孔40內(nèi)設(shè)置第五散熱層29,第五散熱層29的材料可以為石墨 烯或者碳納米管等散熱材料，由于石墨烯或者碳納米管具有優(yōu)良的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性，在不 額外增加寄生電阻的情況下，能夠有效降低半導(dǎo)體器件的內(nèi)部溫度。
[0101] 優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體器件還包括第五介質(zhì)層30,所述第五介質(zhì)層30位于有源區(qū)a 內(nèi)的柵極15上以及柵極15與源極13之間及柵極15與漏極14之間的第一介質(zhì)層25上， 以及位于無源區(qū)內(nèi)的柵電極15b上及源電極13b與柵電極15b之間和漏電極14b與柵電極 15b之間的第一介質(zhì)層25上。該第五介質(zhì)層30能夠在柵極15和漏極14之間靠近柵極15 以及在柵電極15b和漏電極14b之間靠近柵電極15b處，提高鈍化效果，降低電流崩塌效 應(yīng)，從而提高半導(dǎo)體器件的特性。
[0102] 在本實(shí)施例中，所述通孔40也可以位于所述背面金屬41和無源區(qū)的源電極13b 之間，所述通孔40內(nèi)設(shè)置有散熱層，所述通孔40貫穿所述襯底11和多層半導(dǎo)體層直至無 源區(qū)的源電極13b，通過通孔40使無源區(qū)內(nèi)的源電極13b與所述背面金屬41連接。
[0103] 在本實(shí)施例中，所述通孔的形狀為規(guī)則形狀或者不規(guī)則形狀，例如：圓形或者橢圓 形等，通過在無源區(qū)內(nèi)的源電極13b下方設(shè)置通孔40，所述通孔40內(nèi)設(shè)置有散熱層，能夠有 效降低半導(dǎo)體器件的內(nèi)部溫度。
[0104] 圖8和圖9分別為采用Comsol軟件模擬出來的通孔中填充材料為金時半導(dǎo)體器 件的剖面溫度示意圖和本發(fā)明實(shí)施例四提供的通孔中填充材料為石墨烯時半導(dǎo)體器件的 剖面溫度示意圖。
[0105] 從圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明實(shí)施例四提供的通孔中填充石墨烯的半導(dǎo)體器件 最高溫度比通孔40中填充金屬金的半導(dǎo)體器件最高溫度降低40°C。
[0106] 本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體器件，通過在有源區(qū)或無源區(qū)的源極下方設(shè)置通孔， 在通孔內(nèi)設(shè)置散熱層，由于散熱層的材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱性，在不額外增加寄生 電阻的情況下，能夠有效降低半導(dǎo)體器件的內(nèi)部溫度。
[0107] 應(yīng)該理解，本發(fā)明是從半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來改善半導(dǎo)體器件的散熱效 果。所述半導(dǎo)體器件包括但不限制于：工作在高電壓大電流環(huán)境下的大功率氮化鎵高電 子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor,簡稱HEMT)、絕緣襯底上的娃 (Silicon-On-Insulator，簡稱S0I)結(jié)構(gòu)的晶體管、砷化鎵（GaAs)基的晶體管以及金屬 氧化層半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， 簡稱M0SFET)、金屬絕緣層半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor,簡稱 MISFET)、雙異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（Double Heterojunction Field-Effect Transistor，簡稱 DHFET)、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（Junction Field-Effect Transistor，簡稱 JFET)，金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor,簡稱MESFET)，金屬絕緣層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（Metal-Semiconductor Hetero junction Field-Effect Transistor，簡稱 MISHFET)或者其他場效應(yīng)晶體管。
[0108] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員 而言，本發(fā)明可以有各種改動和變化。本發(fā)明的各個實(shí)施例在不違反邏輯的基礎(chǔ)上均可相 互組合。凡在本發(fā)明的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本 發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件包括： 襯底； 位于所述襯底上的多層半導(dǎo)體層，所述多層半導(dǎo)體層包括有源區(qū)和無源區(qū)，所述有源 區(qū)之外的區(qū)域?yàn)闊o源區(qū)； 位于所述多層半導(dǎo)體層上的源極和漏極，所述源極和漏極包括位于有源區(qū)內(nèi)的源極和 漏極以及位于無源區(qū)內(nèi)的源電極和漏電極； 位于所述多層半導(dǎo)體層上的柵極，所述柵極在源極和漏極間呈叉指狀分布，所述柵極 包括位于有源區(qū)內(nèi)的柵極和位于無源區(qū)內(nèi)的柵電極； 位于所述有源區(qū)內(nèi)的源極、漏極和柵極設(shè)置有散熱層，和/或位于所述無源區(qū)內(nèi)的源 電極、漏電極和柵電極設(shè)置有散熱層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述源電極通過空氣橋與所述有 源區(qū)內(nèi)的源極連接，所述漏電極通過漏極互聯(lián)金屬與所述有源區(qū)內(nèi)的漏極連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述柵電極通過柵極互連線與所 述有源區(qū)內(nèi)的柵極連接，且所述空氣橋跨在所述柵極互連線的上方。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述散熱層的材料為單層石墨烯、 雙層石墨烯、多層石墨烯、石墨烯納米片、單壁碳納米管或多壁碳納米管中的任意一種或多 種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述多層半導(dǎo)體層包括： 位于所述襯底上的成核層； 位于所述成核層上的緩沖層； 位于所述緩沖層上的勢壘層，所述勢壘層和所述緩沖層形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在異質(zhì)結(jié)界 面處形成二維電子氣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述多層半導(dǎo)體層還包括： 位于所述勢壘層上的帽層； 所述有源區(qū)內(nèi)的源極、漏極和柵極及所述無源區(qū)內(nèi)的源電極、漏電極和柵電極位于所 述帽層之上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件還包括： 位于所述有源區(qū)內(nèi)的源極與柵極之間和漏極與柵極之間的帽層上及位于所述無源區(qū) 內(nèi)的源電極與柵電極之間和漏電極與柵電極之間的帽層上的第一介質(zhì)層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的任意一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述散熱層包括第一 散熱層和第二散熱層，其中， 所述第一散熱層位于有源區(qū)內(nèi)的柵極上； 所述第二散熱層分別位于有源區(qū)內(nèi)的源極和漏極上和/或位于無源區(qū)內(nèi)的源電極、漏 電極和柵電極上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述空氣橋和所述漏極互聯(lián)金屬 上方設(shè)置有第二散熱層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件還包括第二介質(zhì) 層和第三介質(zhì)層，其中， 所述第二介質(zhì)層位于所述有源區(qū)內(nèi)的第一散熱層以及源極與柵極之間和漏極與柵極 之間的第一介質(zhì)層上； 所述第三介質(zhì)層位于所述第二散熱層以及所述第二介質(zhì)層上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件還包括熱沉，所 述熱沉設(shè)置在所述無源區(qū)的邊緣一周，所述第二散熱層與所述熱沉連接。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，對位于所述無源區(qū)內(nèi)的第二散 熱層和第三介質(zhì)層進(jìn)行圖形化形成窗口，通過所述窗口使得位于所述無源區(qū)內(nèi)的源電極、 漏電極和柵電極與其他元器件進(jìn)行連接。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的任意一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述散熱層包括第三 散熱層和第四散熱層，其中， 所述第三散熱層位于有源區(qū)內(nèi)的柵極上； 所述第四散熱層位于有源區(qū)內(nèi)的源極中間和漏極中間和/或位于無源區(qū)內(nèi)的源電極 中間、漏電極中間和柵電極中間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件還包括第四介 質(zhì)層，所述第四介質(zhì)層位于所述第三散熱層、所述有源區(qū)內(nèi)的源極與柵極之間和漏極與柵 極之間的第一介質(zhì)層以及所述源電極與柵電極及漏電極與柵電極之間的第一介質(zhì)層上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的任意一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件還包 括背面金屬和通孔，其中， 所述背面金屬位于所述襯底上且所述多層半導(dǎo)體層遠(yuǎn)離所述襯底的一面； 所述通孔內(nèi)設(shè)置有第五散熱層，所述通孔位于所述背面金屬和所述有源區(qū)內(nèi)的源極或 無源區(qū)內(nèi)的源電極之間，所述通孔貫穿所述襯底和所述多層半導(dǎo)體層直至所述有源區(qū)的源 極或所述無源區(qū)的源電極，通過所述通孔使所述有源區(qū)內(nèi)的源極或無源區(qū)內(nèi)的源電極與所 述背面金屬連接。
【文檔編號】H01L23/367GK104409431SQ201410577484
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】裴軼, 周夢杰, 張乃千 申請人:蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司