JP6109905B2 - 半導体デバイス - Google Patents
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Description
これに鑑みて、本発明は、半導体デバイスを提供しており、グラフェンなどの高い熱伝導率の材料を導入することにより、能動領域から受動領域または基板への高い効率の放熱の経路を図って、半導体デバイスの内部の温度を低下させ、半導体デバイスの内部の熱場分布をより均一にし、半導体デバイスの信頼性を向上させる。
基板と、
前記基板の上に位置し、能動領域と能動領域以外の領域である受動領域とを含む多層半導体層と、
前記多層半導体層の上に位置し、能動領域内に位置するソースおよびドレインと受動領域内に位置するソース電極およびドレイン電極とを含むソースおよびドレインと、
前記多層半導体層の上に位置し、ソースおよびドレインの間にインターデジタル状に分布し、能動領域内に位置するゲートと受動領域内に位置するゲート電極とを含むゲートと、を含み、
前記能動領域内に位置するソース、ドレイン、およびゲートには、放熱層が設けられ、および/または、前記受動領域内に位置するソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極には、放熱層が設けられる。
前記基板の上に位置する核形成層と、
前記核形成層の上に位置するバッファ層と、
前記バッファ層の上に位置するバリア層と、を含み、
前記バリア層および前記バッファ層は、ヘテロ接合構造を形成し、ヘテロ接合の界面に二次元電子ガスが形成される。
前記バリア層の上に位置するキャップ層をさらに含み、
前記能動領域内のソース、ドレイン、およびゲート、並びに、前記受動領域内のソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極は、前記キャップ層の上に位置する。
前記能動領域内のソースとゲートとの間およびドレインとゲートとの間のキャップ層の上、並びに、前記受動領域内のソース電極とゲート電極との間およびドレイン電極とゲート電極との間のキャップ層の上に位置する第1誘電体層をさらに含む。
前記第1放熱層は、能動領域内のゲートの上に位置し、
前記第2放熱層は、それぞれ、能動領域内のソースおよびドレインの上に位置し、および/または、受動領域内のソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極の上に位置する。
前記第2誘電体層は、前記能動領域内の第1放熱層、並びに、ソースとゲートとの間およびドレインとゲートとの間の第1誘電体層の上に位置し、
前記第3誘電体層は、前記第2放熱層および前記第2誘電体層の上に位置する。
前記第3放熱層は、能動領域内のゲートの上に位置し、
前記第4放熱層は、能動領域内のソースの中間およびドレインの中間に位置し、および/または、受動領域内のソース電極の中間、ドレイン電極の中間、およびゲート電極の中間に位置する。
前記裏面金属は、前記基板の上における、前記多層半導体層が前記基板から離間する一面に位置し、
前記ビア内に第5放熱層が設けられ、前記ビアは、前記裏面金属と前記能動領域内のソースまたは受動領域内のソース電極との間に位置し、前記基板および前記多層半導体層を前記能動領域のソースまたは前記受動領域のソース電極まで貫通し、前記能動領域内のソースまたは受動領域内のソース電極と前記裏面金属とを接続させる。
図1は、本発明の実施例1で提供された半導体デバイスの断面構成を示す図であり、図2は、本発明の実施例1で提供された半導体デバイスの平面視構成を示す図であり、次に、図1および図2を参照して、本発明の実施例1を説明する。
基板11の上に位置する核形成層21と、
核形成層21の上に位置するバッファ層22と、
バッファ層22の上に位置するバリア層23と、を含むことができる。前記バリア層23および前記バッファ層22は、ヘテロ接合構造を形成し、ヘテロ接合の界面に2DEGが形成される(図1において点線で示される)。前記バリア層23の材料は、バッファ層22とヘテロ接合を形成することが可能ないかなる半導体材料であってもよく、ガリウム系化合物半導体材料またはIII族窒化物半導体材料を含み、例えば、InxAlyGazN1−x−y−z(0≦x,y,z≦1)である。
前記能動領域内のソース13とゲート15との間およびドレイン14とゲート15との間のキャップ層24の上、並びに、前記受動領域内のソース電極13bとドレイン電極14bとの間およびドレイン電極14bとゲート電極15bとの間のキャップ層24の上に位置する第1誘電体層25をさらに含む。該第1誘電体層25は、半導体デバイスの表面をパッシベーションし、窒化ガリウム半導体デバイスの電流コラプス効果を低減または解消し、例えば、窒化ガリウム高電子移動度トランジスタの電流コラプス効果を低減または解消し、かつ、半導体デバイスの表面が外界からの影響などを受けないように保護することができる。前記第1誘電体層25の材料は、一般的にSiNであり、前記第1誘電体層25の形成方法は、多種の方式で形成してもよく、例えば、MOCVD、PECVD、ALD、MBE、熱的成長、および電子ビーム蒸着などのうちのいずれかである。
図3は、本発明の実施例2で提供された半導体デバイスの平面視構成を示す図であり、図4は、従来技術における半導体デバイスの断面温度を示す図であり、図5は、本発明の実施例2で提供された半導体デバイスの断面温度を示す図であり、次に、図3から図5を参照して、本発明の実施例2を説明する。
前記第4放熱層26の形成方法は、本発明の実施例1における前記第2放熱層16の形成方法と同様であり、ここで説明を省略する。
図7は、本発明の実施例4で提供された半導体デバイスのビアが能動領域のソース13に位置する場合の断面構成を示す図であり、図8は、従来技術におけるビア充填材が金である場合の半導体デバイスの断面温度を示す図であり、図9は、本発明の実施例4におけるビア充填材がグラフェンである場合の半導体デバイスの断面温度を示す図であり、次に、図7−図9を参照して、本発明の実施例4を説明する。
13 ソース
13b ソース電極
14 ドレイン
14b ドレイン電極
15 ゲート
15b ゲート電極
16 第2放熱層
17 第1放熱層
18 第2誘電体層
19 第3誘電体層
20 ウィンドウ
21 核形成層
22 バッファ層
23 バリア層
24 キャップ層
25 第1誘電体層
26 第4放熱層
27 第3放熱層
28 第4誘電体層
29 第5放熱層
30 第5誘電体層
35 ヒートシンク
40 ビア
41 裏面金属
131 空気ブリッジ
141 ドレイン相互接続金属
a 能動領域
Claims (13)
- 半導体デバイスであって、
基板と、
前記基板の上に位置し、能動領域と能動領域以外の領域である受動領域とを含む多層半導体層と、
前記多層半導体層の上に位置し、能動領域内に位置するソースおよびドレインと受動領域内に位置するソース電極およびドレイン電極とを含むソース部およびドレイン部と、
前記多層半導体層の上に位置し、ソースおよびドレインの間にインターデジタル状に分布し、能動領域内に位置するゲートと受動領域内に位置するゲート電極とを含むゲート部と、を含み、
前記能動領域内に位置するソース、ドレイン、およびゲートには、放熱層が設けられ、
および/または、前記受動領域内に位置するソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極には、放熱層が設けられ、
前記放熱層は、第1放熱層と第2放熱層とを含み、ここで、
前記第1放熱層は、能動領域内のゲートの上に位置し、
前記第2放熱層は、それぞれ、能動領域内のソースおよびドレインの上に位置し、および/または、受動領域内のソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極の上に位置し、
ヒートシンクをさらに含み、前記ヒートシンクが前記受動領域の縁の一周に設けられ、
前記第2放熱層が前記ヒートシンクに接続される、
ことを特徴とする半導体デバイス。 - 前記ソース電極は、空気ブリッジを介して、前記能動領域内のソースに接続し、前記ドレイン電極は、ドレイン相互接続金属を介して、前記能動領域内のドレインに接続し、前記空気ブリッジおよび前記ドレイン相互接続金属の上方には、第2放熱層が設けられることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイス。
- 第2誘電体層と第3誘電体層とをさらに含み、ここで、
前記第2誘電体層は、前記能動領域内の第1放熱層、並びに、ソースとゲートとの間およびドレインとゲートとの間の第1誘電体層の上に位置し、
前記第3誘電体層は、前記第2放熱層および前記第2誘電体層の上に位置する、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイス。 - 前記受動領域内に位置する第2放熱層および第3誘電体層をパターン化して、ウィンドウを形成し、前記ウィンドウを介して、前記受動領域内に位置するソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極を、他の部品と接続することを特徴とする請求項3に記載の半導体デバイス。
- 半導体デバイスであって、
基板と、
前記基板の上に位置し、能動領域と能動領域以外の領域である受動領域とを含む多層半導体層と、
前記多層半導体層の上に位置し、能動領域内に位置するソースおよびドレインと受動領域内に位置するソース電極およびドレイン電極とを含むソース部およびドレイン部と、
前記多層半導体層の上に位置し、ソースおよびドレインの間にインターデジタル状に分布し、能動領域内に位置するゲートと受動領域内に位置するゲート電極とを含むゲート部と、を含み、
前記能動領域内に位置するソース、ドレイン、およびゲートには、放熱層が設けられ、
および/または、前記受動領域内に位置するソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極には、放熱層が設けられ、
前記放熱層は、第3放熱層と第4放熱層とを含み、ここで、
前記第3放熱層は、能動領域内のゲートの上に位置し、
前記第4放熱層は、能動領域内のソースの深さ方向における中間およびドレインの深さ方向における中間に位置し、および/または、受動領域内のソース電極の深さ方向における中間、ドレイン電極の深さ方向における中間、およびゲート電極の深さ方向における中間に位置する、
ことを特徴とする半導体デバイス。 - 第4誘電体層をさらに含み、前記第4誘電体層が、前記第3放熱層、前記能動領域内のソースとゲートとの間およびドレインとゲートとの間の第1誘電体層、並びに、前記ソース電極とゲート電極との間およびドレイン電極とゲート電極との間の第1誘電体層の上に位置することを特徴とする請求項5に記載の半導体デバイス。
- 半導体デバイスであって、
基板と、
前記基板の上に位置し、能動領域と能動領域以外の領域である受動領域とを含む多層半導体層と、
前記多層半導体層の上に位置し、能動領域内に位置するソースおよびドレインと受動領域内に位置するソース電極およびドレイン電極とを含むソース部およびドレイン部と、
前記多層半導体層の上に位置し、ソースおよびドレインの間にインターデジタル状に分布し、能動領域内に位置するゲートと受動領域内に位置するゲート電極とを含むゲート部と、を含み、
前記能動領域内に位置するソース、ドレイン、およびゲートには、放熱層が設けられ、
および/または、前記受動領域内に位置するソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極には、放熱層が設けられ、
裏面金属とビアとをさらに含み、ここで、
前記裏面金属は、前記基板における、前記多層半導体層とは反対の面に位置し、
前記ビア内に第5放熱層が設けられ、前記ビアは、前記裏面金属と前記能動領域内のソースまたは受動領域内のソース電極との間に位置し、前記基板および前記多層半導体層を前記能動領域のソースまたは前記受動領域のソース電極まで貫通し、前記能動領域内のソースまたは受動領域内のソース電極と前記裏面金属とを接続させ、
前記第5放熱層の材料は、単層のグラフェン、2層のグラフェン、多層のグラフェン、グラフェンナノシートのうちの任意の1つまたは複数である、
ことを特徴とする半導体デバイス。 - 前記ソース電極は、空気ブリッジを介して、前記能動領域内のソースに接続し、前記ドレイン電極は、ドレイン相互接続金属を介して、前記能動領域内のドレインに接続することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
- 前記ゲート電極は、ゲート相互接続線を介して、前記能動領域内のゲートに接続し、かつ、前記空気ブリッジは、前記ゲート相互接続線の上方に跨ることを特徴とする請求項8に記載の半導体デバイス。
- 前記放熱層の材料は、単層のグラフェン、2層のグラフェン、多層のグラフェン、グラフェンナノシート、シングルウォールカーボンナノチューブやマルチウォールカーボンナノチューブのうちの任意の1つまたは複数であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
- 前記多層半導体層は、
前記基板の上に位置する核形成層と、
前記核形成層の上に位置するバッファ層と、
前記バッファ層の上に位置するバリア層と、を含み、
前記バリア層および前記バッファ層は、ヘテロ接合構造を形成し、ヘテロ接合の界面に二次元電子ガスが形成される、
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体デバイス。 - 前記多層半導体層は、
前記バリア層の上に位置するキャップ層をさらに含み、
前記能動領域内のソース、ドレイン、およびゲート、並びに、前記受動領域内のソース電極、ドレイン電極、およびゲート電極は、前記キャップ層の上に位置する、
ことを特徴とする請求項11に記載の半導体デバイス。 - 前記能動領域内のソースとゲートとの間およびドレインとゲートとの間のキャップ層の上、並びに、前記受動領域内のソース電極とゲート電極との間およびドレイン電極とゲート電極との間のキャップ層の上に位置する第1誘電体層をさらに含む、
ことを特徴とする請求項12に記載の半導体デバイス。
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