CN215496684U

CN215496684U - 一种半导体装置封装

Info

Publication number: CN215496684U
Application number: CN202120239574.XU
Authority: CN
Inventors: 沈竞宇; 赵起越; 周春华; 杨超; 高吴昊; 石瑜; 魏宝利
Original assignee: Innoscience Suzhou Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Innoscience Suzhou Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2031-01-28

Abstract

本申请涉及了一种半导体装置封装。所述半导体装置封装包含衬底、热传导结构、第一氮化物半导体层及第二氮化物半导体层。所述衬底具有一第一表面及与所述第一表面相对的第二表面。所述热传导结构设置在所述基板的所述第二表面上，其中所述热传导结构具有复数个鳍，所述复数个鳍的每一个由所述基板的所述第二表面朝向所述第一表面延伸。所述第一氮化物半导体层设置在所述热传导结构上。所述第二氮化物半导体层设置在所述第一氮化物半导体层上并且其带隙大于所述第一氮化物半导体层的带隙。

Description

一种半导体装置封装

技术领域

本申请大体上涉及一种半导体装置封装，并且更具体地涉及一种包含二维材料(two dimensional material)的半导体装置封装。

背景技术

包含直接能隙半导体的组件，例如包含III-V族材料或III-V族化合物(类别：III-V族化合物)的半导体组件可以在各种条件下或各种环境中(例如，在不同的电压和频率下)操作或工作。

半导体组件可以包含异质结双极性晶体管(HBT，heterojunction bipolartransistor)、异质结场效应晶体管(HFET，heterojunction field effect transistor)、高电子迁移率晶体管(HEMT，high-electron-mobility transistor)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET，modulation-doped FET)等。

实用新型内容

根据本申请的一些实施例，一种半导体装置封装包含衬底、热传导结构、第一氮化物半导体层及第二氮化物半导体层。所述衬底具有一第一表面及与所述第一表面相对的第二表面。所述热传导结构设置在所述基板的所述第二表面上，其中所述热传导结构具有复数个鳍，所述复数个鳍的每一个由所述基板的所述第二表面朝向所述第一表面延伸。所述第一氮化物半导体层设置在所述热传导结构上。所述第二氮化物半导体层设置在所述第一氮化物半导体层上并且其带隙大于所述第一氮化物半导体层的带隙。

根据本申请的一些实施例，一种半导体装置封装包含衬底、热传导结构、第一氮化物半导体层及第二氮化物半导体层。所述衬底具有一第一表面及与所述第一表面相对的一第二表面。热传导结构设置在所述衬底的所述第二表面上。所述热传导结构具有主体部及至少一突出部。所述突出部贯穿所述基板。所述第一氮化物半导体层设置在所述热传导结构的所述主体部上。所述第二氮化物半导体层设置在所述第一氮化物半导体层上并且其带隙大于所述第一氮化物半导体层的带隙。

根据本申请的一些实施例，一种半导体装置封装包含衬底、热传导结构、第一氮化物半导体层、第二氮化物半导体层及二维材料层。所述衬底具有一第一表面及与所述第一表面相对的一第二表面。所述热传导结构设置在所述衬底的所述第二表面上。所述热传导结构具有至少一突出部，所述突出部贯穿所述基板。所述第一氮化物半导体层设置在所述热传导结构上。所述第二氮化物半导体层设置在所述第一氮化物半导体层上并且其带隙大于所述第一氮化物半导体层的带隙。所述二维材料层设置在所述基板的所述第一表面上。所述二维材料层与所述热传导结构的所述突出部接触。

附图说明

当与附图一起阅读以下详细描述时，可以根据以下详细描述容易地理解本公开的各方面。应当注意的是，各种特征可能未按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚起见，可以任意增大或减小各种特征的尺寸。

图1是根据本申请的一些实施例的半导体装置封装的截面图。

图2A、图2B、图2C、图2D、图2E、图2F、图2G及图2H展示了根据本申请的一些实施例的用于制造半导体装置封装的方法的各个阶段。

贯穿图式和详细描述使用共同参考标号来指示相同或类似组件。根据以下结合附图作出的详细描述，本申请的特点将更加明显。

具体实施方式

以下公开提供了用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。以下描述了组件和布置的具体实例。当然，这些仅是实例并且不旨在是限制性的。在本公开中，对在第二特征之上或上形成或设置第一特征的引用可以包含将第一特征和第二特征被形成或设置为直接接触的实施例，并且还可以包含可以在第一特征与第二特征之间形成或设置另外的特征使得第一特征和第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本公开可以在各个实例中重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简单和清晰的目的并且本身并不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

下文详细讨论了本公开的实施例。然而，应当理解的是，本公开提供了许多可以在各种各样的特定环境下具体化的适用概念。所讨论的具体实施例仅是说明性的，而不限制本公开的范围。

本申请提供了一种半导体装置封装。此半导体装置封装可包括二维材料。此半导体装置封装可包括热传导结构。与先前的半导体装置封装相比，本申请的半导体装置封装的散热效率相对较佳。本申请的半导体装置封装可以应用于但不限于HEMT装置，尤其是低压HEMT装置、高压HEMT装置和射频(RF，radio frequency)HEMT装置。

图1是根据本申请的一些实施例的半导体装置封装1a的截面图。

半导体装置封装1a可以包含衬底100、热传导结构110、氮化物半导体层120、氮化物半导体层130、闸极141、电极142、电极143、介电层150、导电层161、导孔162、钝化层170、衬垫180、凸块190、热传导层200及热传导层210。

衬底100可以包含但不限于硅(Si)、掺杂Si、碳化硅(SiC)、硅化锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)或其它半导体材料。衬底100可以包含但不限于蓝宝石、绝缘体上硅(SOI，siliconon insulator)或其它合适的材料。衬底100的厚度可介于约200μm至约400μm的范围间，例如220μm、240μm、260μm、280μm、300μm、320μm、340μm、360μm或380μm。

衬底100可具有表面100s1及表面100s2。表面100s2可相对于表面100s1。表面100s1可邻近于半导体装置封装1a的背面(back surface)。表面100s2相较于表面100s1更邻近于半导体装置封装1a的主动面(active surface)。在本申请，主动面可被定义于相较于背面更靠近金属层，例如第一金属层(M1 layer)、第二金属层(M2 layer)之表面。衬底100可包含多个开口。由上视图(未绘示)来看，上述开口可具有圆形、四边形或其他适合的轮廓。上述开口的宽度(或孔径)可介于约10μm至约100μm的范围间，例如20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm或90μm。

热传导结构110可设置于衬底100的表面100s2上。热传导结构110可以与衬底100接触。热传导结构110可包含热传导材料。热传导结构110的热导率(thermalconductivity)可大于氮化物半导体层120的热导率。热传导结构110的热导率可大于衬底100的热导率。热传导结构110可包含氮化铝(AlN)。热传导结构110可包含氮化铝镓(AlGaN)。热传导结构110可包含氮化铝铟镓(InAlGaN)。

热传导结构110可包含主体部111及鳍(或突出部)112。主体部111的材料可与鳍112的材料相同。主体部111的材料可与鳍112的材料可不同。主体部111可覆盖鳍112。主体部111可完全地覆盖鳍112。主体部111可以作为缓冲层。主体部111可设置来减少因衬底100与氮化物半导体层120之间的晶格失配(lattice mismatch)所引起的缺陷。主体部111可位于表面100s2上。主体部111可覆盖表面100s2。主体部111可完全地覆盖表面100s2。主体部111的厚度可介于约10μm至约100μm的范围间，例如20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm或90μm。

热传导结构110可包含至少一个鳍112。热传导结构110可包含多个鳍112。鳍112可由衬底100的表面100s2朝向表面100s1延伸。鳍112可由主体部111朝向衬底100的表面100s1延伸。鳍112可填入衬底100的开口。鳍112可镶入于衬底100。鳍112可贯穿衬底100。鳍112的厚度H可介于约200μm至约400μm的范围间，例如220μm、240μm、260μm、280μm、300μm、320μm、340μm、360μm或380μm。鳍112的截面可为长方形、梯形或其他适合的轮廓。鳍112的宽度W(或直径)可介于约10μm至约100μm的范围间，例如20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm或90μm。鳍112的深宽比(aspect ratio，例如为鳍112的厚度H与宽度W之比例)的范围可介于约2至约10的范围间，例如3、4、5、6、7、8或9。鳍112在表面100s2的宽度(或直径)可大体上等于在表面100s1的宽度(或直径)。鳍112在表面100s2的宽度(或直径)可大于在表面100s1的宽度(或直径)。当热传导结构110的厚度H、宽度W(或直径)或深宽比介于上述范围时，衬底100能承受其上方组件(例如介电层150及钝化层170)施加的应力而不破裂或产生裂痕。当热传导结构110的厚度H、宽度W(或直径)或深宽比介于上述范围时，可具有相对较佳的导热效果。

氮化物半导体层120(或沟道层)可以设置在热传导结构110上。氮化物半导体层120可设置在热传导结构110的主体部111上。氮化物半导体层120可以包含III-V族层。氮化物半导体层120可以包含但不限于III族氮化物，例如化合物In_aAl_bGa_1-a-bN，其中a+b≦1。所述III族氮化物进一步包含但不限于例如化合物Al_aGa_(1-a)N，其中a≦1。氮化物半导体层120可以包含氮化镓(GaN)层。GaN的能隙为约3.4eV。氮化物半导体层120的厚度的范围可以为但不限于约0.1μm到约1μm。

氮化物半导体层130(或阻挡层)可以设置在氮化物半导体层120上。氮化物半导体层130可以包含III-V族层。氮化物半导体层130可以包含但不限于III族氮化物，例如化合物In_aAl_bGa_1-a-bN，其中a+b≦1。所述III族氮化物可以进一步包含但不限于例如化合物Al_aGa_(1-a)N，其中a≦1。氮化物半导体层130的能隙可以大于氮化物半导体层120的能隙。氮化物半导体层130可以包含铝氮化镓(AlGaN)层。AlGaN的能隙为约4.0eV。氮化物半导体层130的厚度的范围可以为但不限于约10nm到约100nm。

在氮化物半导体层130与氮化物半导体层120之间形成异质结，并且异质结的极化在氮化物半导体层120中形成二维电子气(2DEG，two-dimensional electron gas)区域。

闸极141可以设置在氮化物半导体层130上。闸极141可以设置在电极142与电极143之间。闸极141可以包含栅极金属。栅极金属可以包含钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、铝(Al)、钴(Co)、铜(Cu)、镍(Ni)、铂(Pt)、铅(Pb)、钼(Mo)和其化合物(如但不限于氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、其它导电氮化物或导电氧化物)、金属合金(如铝铜合金(Al-Cu))或其它合适的材料。闸极141可与热传导层200电性隔离。闸极141可与热传导层210电性隔离。

电极142(或源电极)可以设置在氮化物半导体层130上。电极142可以与氮化物半导体层130接触。电极142可以包含例如但不限于导电材料。导电材料可以包含金属、合金、掺杂半导电材料(例如，掺杂晶体硅)或其它合适的导电材料，如Ti、Al、Ni、Cu、Au、Pt、Pd、W、TiN或其它合适的材料。电极142可以包含多层结构。例如，电极142可以包含两层不同材料的结构。电极142可以包含三层结构，其中两个相邻层由不同材料制成。电极142可以电连接到接地(ground)。电极142可以电连接到虚拟接地(virtual ground)。电极142可以电连接到实际接地(real ground)。电极142可与热传导层200电性隔离。电极142可与热传导层210电性隔离。

电极143(或漏电极)可以设置在氮化物半导体层130上。电极143可以与氮化物半导体层130接触。电极143可以包含例如但不限于导电材料。导电材料可以包含金属、合金、掺杂半导电材料(例如，掺杂晶体硅)或其它合适的导电材料，如Ti、Al、Ni、Cu、Au、Pt、Pd、W、TiN或其它合适的材料。电极143的结构可以与电极142的结构类似或相同。电极143可与热传导层200电性隔离。电极143可与热传导层210电性隔离。

半导体装置封装1a可更包含氮化物半导体层144(或耗尽层，depletion layer)。氮化物半导体层144可设置在氮化物半导体层130上。氮化物半导体层144可以与氮化物半导体层130直接接触。氮化物半导体层144可设置于闸极141与氮化物半导体层130之间。氮化物半导体层144可以掺杂有杂质。氮化物半导体层144可以包含p型掺杂剂。氮化物半导体层144可以包含p型掺杂GaN层、p型掺杂AlGaN层、p型掺杂AlN层或其它合适的III-V族层。p型掺杂剂可以包含镁(Mg)、铍(Be)、锌(Zn)和镉(Cd)。

氮化物半导体层144可以被配置成控制氮化物半导体层120中的2DEG的浓度。氮化物半导体层144可以用于耗尽氮化物半导体层144正下方的2DEG。

介电层150可以设置在氮化物半导体层130上。介电层150可覆盖闸极141。介电层150可覆盖电极142。介电层150可覆盖电极143。介电层150可包含高介电(high k)常数介电材料。高介电常数介电材料的k值可大于约5。介电层150可包含低介电常数介电材料。低介电常数介电材料的k值可小于约5。介电层150可以包含氧化物、氮化物、氮氧化物或其它合适的材料。介电层150可包括多层介电子层。上述介电子层的材料可部分相同。上述介电子层的材料可部分不同。上述相邻的介电子层之间可具有不完整的界线(例如一部分的界面的界线可通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)确认，另一部分的界面由SEM观察不出界线)。上述相邻的介电子层之间大抵上可不具有界线。

导电层161可以设置在介电层150内。导电层161可被镶入介电层150内。导电层161可包含第一金属层(M1)、第二金属层(M2)或更多的金属层。

导孔162(via)可设置在相邻的两个导电组件之间(例如但不限于M1及M2之间或M1与电极142之间)，以电连接相邻的两个导电组件。

钝化层170设置在介电层150上。钝化层170可包含介电材料。钝化层170可包含氧化物、氮化物或其他适合的材料。钝化层170可包含树脂。

衬垫180设置于介电层150上。衬垫180可穿透钝化层170。衬垫180可电连接至导电层161。衬垫180可电连接至导孔162。衬垫180可作为球下金属层(Under Bump Metallurgy，UBM)。

凸块190可设置在衬垫180上。凸块190可电连接至衬垫180。衬垫180可包括但不限于锡球。

热传导层200可设置于衬底100的表面100s1上。热传导层200可直接接触衬底100。热传导层200可具有与衬底100的表面100s1共平面之表面。热传导层200可具有与鳍112的表面共平面之表面。热传导层200可直接接触热传导结构110。热传导层200可直接接触热传导结构110的鳍112。热传导层200可包括二维材料(two dimensional material)。在本申请，二维材料可包括单层材料，是由一层原子所组成的晶体材料。热传导层200可包括石墨烯。热传导层200可包括二硫化钼。热传导层200可包括六方氮化硼。热传导层200可包括一层二维材料。热传导层200可包括多层二维材料。二维材料的横向(例如与衬底100的表面100s1平行的方向)的热导率可大于纵向(例如与衬底100的表面100s1垂直的方向)的热导率。热传导层200的厚度可介于约0.3nm至约1.0nm的范围间，例如0.4nm、0.5nm、0.6nm、0.7nm、0.8nm或0.9nm。热传导层200可设置将来自鳍112的热迅速地横向传递，使热大体上均匀地分布在整层热传导层200上，因此，热传导层200的厚度不需要太厚，介于上述的范围即能达成上述目的。并且，由于热传导层200的纵向热导率的效率相对没有横向热导率佳，若热传导层200的厚度太后，可能减低热传导效率。热传导层200的热导率可大于热传导结构110的热导率。

热传导层210可设置在热传导层200上。热传导层210的厚度可大于热传导层200的厚度。热传导层210的材料可与热传导层200的材料不同。热传导层210可包含二维材料以外的材料。热传导层210可包含金属。热传导层210可包含铜、金、银、铝或其他适合的材料。

当半导体装置封装1a运作时，有源组件(active element)所产生的热可通过一或多个鳍112传递至热传导层200。而热传导层200可迅速地将热横向传递至整个热传导层200的表面，之后再传递至热传导层210。本申请利用热传导层200具有优异的横向热导率的特性，进一步提升散热效率。由于热传导层210的横向热导率相对不佳，若没有热传导层200，则大部分的热会沿纵向的方向传导至热传导层210中与鳍112在纵向上重叠的部分。热传导层210中未与鳍112在纵向上重叠的部分，则对散热的贡献度相对较少。本申请的热传导层200有助于提升热传导层210中未与鳍112在纵向上重叠的部分的散热的贡献度，而提升散热效率。

参阅图2A，提供衬底100。并在衬底100上形成多个开口100h。

参阅图2B，在衬底100的表面100s2上沉积热传导材料110'。热传导材料110'可填入衬底100的开口100h。热传导材料110'可覆盖表面100s2。热传导材料110'的厚度可介于约200μm至约400μm的范围间。沉积热传导材料110'后，可在氮气环境中执行退火技术。

参阅图2C，移除热传导材料110'的一部分，以形成包括主体部111及鳍112的热传导结构110。可藉由化学机械研磨技术或其他适合的技术移除热传导材料110'。

参阅图2D，在热传导结构110上形成氮化物半导体层120、氮化物半导体层130、闸极141、电极142、电极143、介电层150、导电层161、导孔162及钝化层170。上述组件可经由一或多道沉积技术、微影技术及蚀刻技术形成。

参阅图2E，移除衬底100的一部分，使热传导结构110的鳍112由衬底100的表面100s1露出。可对衬底100的表面100s1执行化学机械研磨技术或其他适合的技术移除衬底100的一部分。

参阅图2F，形成热传导层200于衬底100的表面100s1上。可先准备二维材料溶液，将二维材料溶液涂布于一载板上，形成一二维材料薄膜。之后，再将二维材料薄膜由载板转移至衬底100的表面100s1上，以形成热传导层200。

参阅图2G，形成热传导层210于热传导层200上。热传导层210可通过溅镀、物理气相沉积或其他适合的技术形成。

参阅图2H，形成衬垫180及凸块190，以得到与图1所描述和展示的半导体装置封装1a相同或类似的半导体装置封装。

在本文中可以为了便于描述而使用本文所用的如“之下”、“下面”、“下部”、“上方”、“上部”、“下部”、“左侧”、“右侧”等空间相对术语来描述如附图所示的一个组件或特征与另一或多个组件或特征的关系。除了在附图中描绘的朝向之外，空间相对术语还旨在涵盖装置在使用时或操作时的不同朝向。可以以其它方式朝向设备(旋转80度或处于其它朝向)，并且同样可以以相应的方式解释本文中使用的空间相对描述语。应当理解，当组件被称为“连接到”或“耦接到”另一个组件时，所述组件可以直接连接到或耦接到另一个组件，或者可以存在中间组件。

如本文所用，术语“大约”、“基本上”、“基本”和“约”用于描述和解释小的变化。当结合事件或情形使用时，所述术语可以指代事件或情形精确发生的实例以及事件或情形接近发生的实例。如本文关于给定值或给定范围所使用的，术语“约”总体上意指处于给定值或范围的±10％、±5％、±1％或±0.5％内。本文中可以将范围表示为一个端点到另一个端点或介于两个端点之间。本文所揭露的所有范围都包含端点，除非另外指明。术语“基本上共面”可以指两个表面沿同一平面定位的位置差处于数微米(μm)内，如沿同一平面定位的位置差处于10μm内、5μm内、1μm内或0.5μm内。当将数值或特性称为“基本上”相同时，所述术语可以指处于所述值的平均值的±10％、±5％、±1％或±0.5％内的值。

前述内容概述了几个实施例的特征和本申请的详细方面。本申请中描述的实施例可以容易地用作设计或修改其它工艺和结构以便于实施相同或类似目的和/或实现本文介绍的实施例的相同或类似优点的基础。此类等同构造并不背离本申请的精神和范围，并且在不背离本申请的精神和范围的情况下，可以作出各种改变、替代和变更。

Claims

1.一种半导体装置封装，其特征在于，包括：

一衬底，具有一第一表面及与所述第一表面相对的一第二表面；

一热传导结构，设置在所述衬底的所述第二表面上，其中所述热传导结构具有复数个鳍，所述复数个鳍的每一个由所述衬底的所述第二表面朝向所述第一表面延伸；

一第一氮化物半导体层，设置在所述热传导结构上；以及

一第二氮化物半导体层，设置在所述第一氮化物半导体层上并且其带隙大于所述第一氮化物半导体层的带隙。

2.根据权利要求1所述的半导体装置封装，其特征在于，更包括：

一第一热传导层，设置于所述衬底的所述第一表面上。

3.根据权利要求2所述的半导体装置封装，其特征在于，其中所述第一热传导层的一厚度介于0.3nm-1.0nm之间。

4.根据权利要求2所述的半导体装置封装，其特征在于，其中所述第一热传导层与所述复数个鳍接触。

5.根据权利要求2所述的半导体装置封装，其特征在于，更包括：

一第二热传导层，设置于所述第一热传导层上，其中所述第二热传导层的材料与所述第一热传导层的材料不同。

6.一种半导体装置封装，其特征在于，包括：

一热传导结构，设置在所述衬底的所述第二表面上，其中所述热传导结构具有一主体部及至少一突出部，所述突出部贯穿所述衬底；

一第一氮化物半导体层，设置在所述热传导结构的所述主体部上；以及

7.根据权利要求6所述的半导体装置封装，其特征在于，更包括：

一第一热传导层，设置于所述衬底的所述第一表面上。

8.根据权利要求7所述的半导体装置封装，其特征在于，更包括：

9.根据权利要求8所述的半导体装置封装，其特征在于，更包括：

一闸极，设置在所述第二氮化物半导体层上，其中所述闸极与所述第二热传导层电性隔离。

10.根据权利要求9所述的半导体装置封装，其特征在于，更包括：

一第一电极，设置在所述第二氮化物半导体层上；以及

一第二电极，设置在所述第二氮化物半导体层上，其中所述第一电极及所述第二电极与所述第二热传导层电性隔离。

11.一种半导体装置封装，其特征在于，包括：

一热传导结构，设置在所述衬底的所述第二表面上，其中所述热传导结构具有至少一突出部，所述突出部贯穿所述衬底；

一第一氮化物半导体层，设置在所述热传导结构上；

一第二氮化物半导体层，设置在所述第一氮化物半导体层上并且其带隙大于所述第一氮化物半导体层的带隙；以及

一二维材料层，设置在所述衬底的所述第一表面上，其中所述二维材料层与所述热传导结构的所述突出部接触。

12.根据权利要求11所述的半导体装置封装，其特征在于，更包括：

一热传导层，设置于所述二维材料层上，其中所述热传导层的一厚度大于所述二维材料层的一厚度。

13.根据权利要求11所述的半导体装置封装，其特征在于，其中所述热传导结构的一表面与所述衬底的所述第一表面共平面。

14.根据权利要求11所述的半导体装置封装，其特征在于，其中所述热传导结构的热导率大于所述第一氮化物半导体层的热导率。