CN115547953A - 一种功率器件散热结构和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率器件散热结构和制备方法，包括衬底；设于所述衬底上方的有源区岛；设于所述有源区岛上方的源漏接触区和栅极；以及环绕于所述有源区岛外延的金刚石薄膜；所述源漏接触区通过所述金刚石薄膜与栅极隔绝。本发明通过设置金刚石薄膜环绕于有源区岛外延，与传统的功率器件结构和制备工艺兼容，最大程度地贴近发热区域，增加了金刚石薄膜作为散热材料的热导作用，有效降低功率器件温度，达到很好的散热效果和提升器件可靠性、寿命的目的。

Description

一种功率器件散热结构和制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种功率器件散热结构和制备方法。
背景技术
电子设备的主要失效形式就是热失效。据统计，电子设备的失效有55％是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。
热量的传递有导热，对流换热及辐射换热三种方式。在功率器件散热过程中，这三种方式都有发生。功率器件受到的热应力可来自器件内部，也可来自器件外部。若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全工作。表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。
功率器件的散热能力通常用热阻表征，热阻越大，则散热能力越差。热阻又分为内热阻和外热阻：内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小。金属管壳的外热阻明显低于塑封管壳的外热阻。当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低，为了提高可靠性，应进行功率器件的热设计。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种功率器件散热结构和制备方法，采用金刚石材料，与功率器件加工工艺兼容，最贴近发热区域，增加散热材料的热导，有效降低功率器件温度，达到很好的散热效果和提升器件可靠性、寿命的目的。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种功率器件散热结构和制备方法，包括衬底；
设于所述衬底上方的有源区岛；
设于所述有源区岛上方的源漏接触区和栅极；以及
环绕于所述有源区岛外延的金刚石薄膜；
所述源漏接触区通过所述金刚石薄膜与栅极隔绝。
在本发明中，优选地，所述金刚石薄膜的高度高于所述源漏接触区、所述栅极的高度。
在本发明中，优选地，所述衬底与有源区岛之间设有功能层。
在本发明中，优选地，所述衬底包括SiC、Si、GaN、Al2O3中的一种或者多种的组合。
在本发明中，优选地，所述金刚石薄膜厚度设置为100纳米至1微米之间。
一种功率器件散热结构的制备方法，用于制备以上的功率器件散热结构，制备方法包括如下步骤：
S1：外延衬底；
S2：刻蚀有源区岛；
S3：淀积金刚石薄膜；
S4：刻蚀形成接触孔以构成源漏接触区；
S5：淀积形成栅极。
在本发明中，优选地，S3中采用化学气相淀积方法淀积金刚石薄膜使之环绕包围所述有源区岛外延，所述金刚石薄膜厚度范围为100纳米至1微米之间。
在本发明中，优选地，S4之后先在温度介于800-900度，且30-60秒的条件下进行快速热退火处理，再光刻、刻蚀有源区岛上方的金刚石薄膜。
在本发明中，优选地，光刻、刻蚀有源区岛上方的金刚石薄膜具体采用原子层淀积方法，生长5nm-20nm厚度的高k栅介质，如HfO2或Al2O3。
在本发明中，优选地，S5中具体淀积Ni/Au叠层金属，以形成金属栅极。
在本发明中，优选地，所述Ni/Au叠层金属的厚度分别为30nm、140nm。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明通过设置金刚石薄膜环绕于有源区岛外延，与传统的功率器件结构和制备工艺兼容，最大程度地贴近发热区域，增加了金刚石薄膜作为散热材料的热导作用，有效降低功率器件温度，达到很好的散热效果和提升器件可靠性、寿命的目的。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种功率器件散热结构的整体结构示意图；
图2是本发明的一种功率器件散热结构的制备方法的流程图；
图3是本发明的一种功率器件散热结构的制备方法的过程示意图。
图中：100、衬底；200、有源区岛；300、金刚石薄膜；400、源漏接触区；500、栅极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
功率器件热设计主要是防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。对于一般的功率器件，只需要考虑器件内部、封装和管壳的热设计，而当功耗较大时，则需要安装合适的散热器，通过其有效散热，保证器件结温在安全结温之内正常可靠的工作。
在功率器件加工环节散热效果不好，封装环节通常在衬底的底部贴附金刚石薄膜，或者在背部挖槽形成散热通道，现有的源漏接触区和栅极之间会填充二氧化硅或者氮化硅材质的绝缘层，以避免源漏接触区和栅极之间出现短接问题，但二氧化硅或者氮化硅的绝缘层存在散热效果差的问题。本发明解决的是器件内部散热问题，当外部温度高于内部温度时，热源来自外部；当外部温度低于内部温度时，即内热阻需要散热降温，与管壳封装无关。
如图1所示，本发明提供一种功率器件散热结构，包括衬底；
设于衬底100上方的有源区岛200；
设于有源区岛200上方的源漏接触区400和栅极500；以及
环绕于有源区岛200外延的金刚石薄膜300；
源漏接触区400通过金刚石薄膜300与栅极500隔绝。
衬底的材料可以是SiC、Si、GaN、Al2O3中的一种或者多种的组合，晶圆尺寸从1英寸到12英寸，SiC与GaN相比拥有更高的热导率，这使得在高功率的应用中，选用SiC作为首选；同时，GaN与SiC相比拥有更高的电子迁移率，因而GaN具有高的开关速度，在高频应用中占据优势地位，衬底的材料根据实际生产需求进行选取，因而衬底的材料并不对发明构成限制。
在本实施例中，衬底100与有源区岛200之间设有功能层，该功能层为通过外延工艺制备得到的多层结构。通过设置环绕于有源区岛200外延的金刚石薄膜300，用于功率器件散热，除栅极500以及源漏接触区400之外，完全包围环绕功率器件的有源区岛200，金属化的功率器件的源漏接触区400降低接触电阻，与外部封装电气相连，栅极500可以是金属与半导体的肖特基接触，也可以是金属-氧化物-半导体结构，用于控制功率器件沟道导通。
在本实施例中，进一步地，金刚石薄膜300的高度高于源漏接触区400、栅极500的高度。在源漏接触区400和栅极500之间设置的金刚石薄膜300，起到的一方面是绝缘隔离，另一方面是散热的作用。
在本实施例中，进一步地，金刚石薄膜300的厚度设置为100纳米至1微米之间。
如图2所示，一种功率器件散热结构的制备方法，用于制备以上的功率器件散热结构，制备方法包括如下步骤：
S1：外延衬底100；
S2：刻蚀有源区岛200；
S3：淀积金刚石薄膜300；
S4：刻蚀形成接触孔以构成源漏接触区400；
S5：淀积形成栅极500。
如图3所示，本实施例以SiC上GaN衬底100为例，功率器件散热结构的制备方法流程如图2所示。首先在SiC上GaN衬底100外延，形成功率器件所需的各种元素配比和掺杂的功能层。然后光刻、刻蚀功率器件有源区岛200，深度约为2微米(功能层厚度总和)，直到SiC衬底100。采用化学气相淀积方法，沉积金刚石薄膜300，厚度在100纳米-1微米，完全包围环绕功率器件有源区岛200。然后光刻、刻蚀功率器件源漏接触区400上方的金刚石薄膜300，淀积Ti/Al/Ni/Au叠层金属(厚度分别为20nm、120nm、30nm、60nm),以构成源漏接触区400，快速热退火800-900度、30秒-1分钟。接下来，光刻、刻蚀栅区上方的金刚石薄膜300，采用原子层淀积方法，生长5nm-20nm厚度的高k栅介质，如HfO2或Al2O3。淀积Ni/Au叠层金属(厚度分别为30nm、140nm)，形成金属栅极500，从而控制功率器件沟道的导通和关闭。
金刚石薄膜300具有高热导特性(650W/m/K)，在功率器件有源区岛200侧壁具有低热边界电阻(3.1m2K/GW)，本发明与传统的功率器件结构和制备工艺兼容，制造工艺难度低，有较大的成本优势。金刚石薄膜300紧密包围功率器件，贴近发热区域(发热区域即有源区岛200)，有效降低功率器件的温度，提高了散热效果。
采用本发明的功率器件散热结构和制备方法，利用栅极电阻法测试散热效果。金属栅极电阻的阻值正比于温度，金属栅极温度近似为功率器件峰值温度(略低于)。在直流功率为10W/mm时，没有采用散热结构的功率器件测试温度为120度左右，而采用本发明的功率器件散热结构和制备方法，测试温度仅为50度左右，由此可见，本发明通过设置完全环绕有源区岛200的金刚石薄膜300能够有效降低功率器件的温度，对功率器件的内部进行散热效果好。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种功率器件散热结构，其特征在于，包括衬底；
设于所述衬底上方的有源区岛；
设于所述有源区岛上方的源漏接触区和栅极；以及
环绕于所述有源区岛外延的金刚石薄膜；
所述源漏接触区通过所述金刚石薄膜与栅极隔绝。
2.根据权利要求1所述的一种功率器件散热结构，其特征在于，所述金刚石薄膜的高度高于所述源漏接触区、所述栅极的高度。
3.根据权利要求1所述的一种功率器件散热结构，其特征在于，所述衬底与有源区岛之间设有功能层。
4.根据权利要求1所述的一种功率器件散热结构，其特征在于，所述衬底包括SiC、Si、GaN、Al2O3中的一种或者多种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种功率器件散热结构，其特征在于，所述金刚石薄膜厚度设置为100纳米至1微米之间。
6.一种功率器件散热结构的制备方法，其特征在于，用于制备根据权利要求1至5任一项所述的功率器件散热结构，所述制备方法包括如下步骤：
S1：外延衬底；
S2：刻蚀有源区岛；
S3：淀积金刚石薄膜；
S4：刻蚀形成接触孔以构成源漏接触区；
S5：淀积形成栅极。
7.根据权利要求6所述的一种功率器件散热结构的制备方法，其特征在于，S3中采用化学气相淀积方法淀积金刚石薄膜使之环绕包围所述有源区岛外延，所述金刚石薄膜厚度范围为100纳米至1微米之间。
8.根据权利要求6所述的一种功率器件散热结构的制备方法，其特征在于，S4之后先在温度介于800-900度，且30-60秒的条件下进行快速热退火处理，再光刻、刻蚀有源区岛上方的金刚石薄膜。
9.根据权利要求6所述的一种功率器件散热结构的制备方法，其特征在于，光刻、刻蚀有源区岛上方的金刚石薄膜具体采用原子层淀积方法，生长5nm-20nm厚度的高k栅介质，如HfO2或Al2O3。
10.根据权利要求6所述的一种功率器件散热结构的制备方法，其特征在于，S5中具体淀积Ni/Au叠层金属，以形成金属栅极，所述Ni/Au叠层金属的厚度分别为30nm、140nm。
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