WO2023219200A1 - 반도체 장치 - Google Patents

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temperature sensor
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이상훈
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주식회사 웨이브피아
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    • H01L29/7783—Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET using III-V semiconductor material

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device, and more specifically, to a semiconductor device capable of measuring the temperature of a transistor.
  • GaN Gallium Nitride
  • PA Power Amplifier
  • GaN HEMT High Electron Mobility Transistor
  • the temperature measurement technology of conventional semiconductor devices has a problem in that accurate temperature measurement is not possible because the temperature sensor is located far away from the channel area, which is the main heat source.
  • the temperature sensor is exposed to the air and is affected by the temperature of the air raised by the operation of the semiconductor device. Therefore, there is a problem that the temperature sensor cannot accurately detect the temperature at the highest heat source of the transistor.
  • the above-described background technology is technical information that the inventor possessed for deriving the present invention or acquired in the process of deriving the present invention, and cannot necessarily be said to be known technology disclosed to the general public before filing the application for the present invention. .
  • the problem that the present invention aims to solve is to dispose a semiconductor device that performs both heat dissipation and temperature measurement functions simultaneously, thereby reducing the volume of the semiconductor device, increasing space efficiency, and reducing manufacturing costs by reducing the semiconductor manufacturing process.
  • the device is provided.
  • Another problem that the present invention aims to solve is to provide a semiconductor device that accurately measures the temperature of the main heat source of the transistor by organically performing the heat dissipation function and temperature measurement function of the semiconductor device.
  • Another problem that the present invention aims to solve is to provide a semiconductor device in which a temperature sensor disposed in the semiconductor device is disposed close to the channel region to precisely measure the temperature of the main heat source of the transistor.
  • Another problem that the present invention aims to solve is to provide a semiconductor device in which a temperature sensor is placed inside the semiconductor device to measure the temperature of a heat source without being affected by the temperature of the air outside the semiconductor device.
  • a lower metal layer disposed on the bottom of the semiconductor substrate and grounded, at least one transistor disposed on the top of the semiconductor substrate, and a lower metal layer that penetrates the semiconductor substrate and is connected to the lower metal layer.
  • the transistor includes at least one first through via connected, and the transistor includes a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode disposed on a semiconductor substrate, and the interior of the at least one first through via is filled with a conductive material.
  • the conductive material is electrically connected to the lower metal layer, and the at least one first through via radiates heat generated from the transistor to the lower part of the semiconductor substrate.
  • a semiconductor device may further include an active layer disposed between a semiconductor substrate and a transistor, wherein the active layer is made of a compound containing Ga and N.
  • At least one first through via may include a semiconductor device that penetrates the semiconductor substrate below a region where at least one transistor is disposed.
  • At least one first through via is formed on the semiconductor substrate at the bottom of the area where the source electrode is disposed and the area from one end of the source electrode to a part spaced apart by 5 times the width of the source electrode. It may include a semiconductor device penetrating.
  • At least one first through via may include a semiconductor device that penetrates the semiconductor substrate at the bottom of the source electrode.
  • the active layer is a semiconductor, including a channel region created in the active layer when the transistor operates, and at least one temperature sensor disposed in the active layer and whose electrical properties change depending on the temperature of the transistor. May include devices.
  • the semiconductor device may further include at least one second through via that penetrates the semiconductor substrate at the bottom of the temperature sensor and is connected to the lower metal layer.
  • a semiconductor device includes at least one metal layer in contact with at least one temperature sensor, and at least one pad disposed on one end of the semiconductor substrate and in contact with the metal layer, the pad being in contact with the metal layer. It may include a semiconductor device that is electrically connected to a temperature sensor, receives temperature information of the semiconductor device through a metal layer, and transmits temperature information to a terminal outside the semiconductor device that is in contact with the pad.
  • a semiconductor device may be included in which the metal layer is in contact with a source electrode, and the source electrode is electrically connected to the pad and the temperature sensor through the metal layer.
  • a component that simultaneously performs a heat dissipation function and a temperature measurement function is disposed in a semiconductor device, thereby reducing the volume of the semiconductor device, increasing space efficiency and reducing the semiconductor manufacturing process, thereby reducing manufacturing costs. This can be saved.
  • the heat dissipation function and the temperature measurement function of the semiconductor device are performed organically, so that the temperature of the main heat source of the transistor can be accurately measured.
  • the temperature sensor disposed in the semiconductor device is disposed close to the channel region, so that the temperature of the main heat source of the transistor can be precisely measured.
  • a temperature sensor is disposed inside the semiconductor device, so that the temperature of the heat source can be measured without being affected by the temperature of the air outside the semiconductor device.
  • FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view taken along the dashed line II-II' of Figure 1.
  • FIG 3 is a plan view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view taken along the dashed line IV-IV' of Figure 3.
  • Figure 5 is a plan view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the dashed line VI-VI' of FIG. 5.
  • first, second, etc. are used to describe various elements, these elements are not limited by these terms. These terms are merely used to distinguish one component from another. Accordingly, the first component mentioned below may also be the second component within the technical spirit of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the dot-dash line II-II' of FIG. 1.
  • the semiconductor device 100 includes a lower metal layer 110, a semiconductor substrate 120, at least one transistor 140, and at least one first through via 160. .
  • At least one transistor 140 is disposed at the center of the semiconductor substrate 110, and a source electrode 145 and a drain disposed on both sides of the gate electrode 143 with the gate electrode 143 as the center. Includes electrode 147.
  • a plurality of gate electrodes 143 extend from the gate line 144.
  • a plurality of source electrodes 145 and a plurality of drain electrodes 147 extend from the data line 148.
  • the gate line 144 is arranged in a line on one side from the center of the semiconductor device 100, and the data line 148 is arranged in a line on the other side from the center of the semiconductor device 100.
  • the gate line 144 and data line 148 may be arranged parallel to each other.
  • At least one first through via 160 is disposed within an area where the source electrode 145 is disposed.
  • At least one second through via 165 is disposed in an area where the temperature sensor 170 is disposed.
  • At least one temperature sensor 170 is disposed at a certain distance from the transistor 140. Additionally, the temperature sensor 170 may be arranged to cover the area where the second through via 165 is disposed.
  • At least one metal layer 180 is disposed to include an area where the temperature sensor 170 is disposed and is in contact with the pad 190. At least one pad 190 is disposed outside the semiconductor substrate.
  • the lower metal layer 110 is disposed in a row on the lower part of the semiconductor substrate 120, the semiconductor substrate 120 is disposed on the lower metal layer 110, and the active layer 130 is disposed on the semiconductor substrate 120.
  • the At least one transistor 140 is disposed on the active layer 130 and between the pads 190 and the pads 190 disposed on both sides of the semiconductor substrate 120 .
  • the oxide layer 141 is disposed between the active layer 130 and the gate electrode 143.
  • the gate electrode 143 is disposed on the oxide layer 141.
  • the source electrode 145 and the drain electrode 147 are disposed on the active layer 130 and on the side of the oxide layer 141.
  • the channel region 150 is created inside the active layer 130 and under at least one transistor 140.
  • the first through via 160 is disposed from the bottom of the source electrode 145 to the lower metal layer 110 and is disposed in a vertical structure penetrating the semiconductor substrate 120 and the active layer 130.
  • the second through via 165 is disposed from the bottom of the temperature sensor 170 to the lower metal layer 110 and is disposed in a vertical structure penetrating the semiconductor substrate 120.
  • the temperature sensor 170 is disposed inside the active layer 130 on the outside of the semiconductor device 100.
  • the metal layer 180 is disposed on the active layer 130 and covers the temperature sensor 170.
  • Pads 190 are disposed on the active layer 130 and at both ends of the semiconductor device 100 .
  • the lower metal layer 110 is disposed in a partial region of the lower part of the semiconductor substrate 120.
  • the lower metal layer 110 is a metal and may be made of a material with high electrical conductivity, such as gold (Au).
  • the lower metal layer 110 is grounded and electrically connected to at least one component of the semiconductor device 100.
  • the lower metal layer 110 may be electrically connected to the source electrode 145 and the temperature sensor 170.
  • the semiconductor substrate 120 is disposed between the lower metal layer 110 and the active layer 130.
  • the semiconductor substrate 120 may be made of various materials such as Si, SiC, Al 2 O 3 , GaAs, InP, InAs, and InSb.
  • An oxide dielectric layer may be additionally disposed inside the semiconductor substrate 120. Additionally, the semiconductor substrate 120 may be created through processes such as oxidation, photolithography, etching, and thin film.
  • the active layer 130 is disposed on the semiconductor substrate 120. Additionally, a temperature sensor 170 may be disposed inside the active layer 130, and a transistor 140, a metal layer 180, and a pad 190 may be disposed on the active layer 130.
  • the active layer 130 may be made of various materials depending on the type of semiconductor substrate 120 and transistor 140.
  • the active layer 130 may be created through a process such as epitaxial growth, which supplies Ga, a Group 3 element, and N, a Group 5 element, to the semiconductor substrate 120.
  • the material of the active layer 130 may be a compound containing elements of groups 3 and 5.
  • the material of the active layer 130 may be AlGaN, GaN, or GaAs.
  • the active layer 130 has thermal conductivity and can transfer heat from the channel region 150 to the temperature sensor 140.
  • the transistor 140 may be disposed on the active layer 130 and surrounded by a plurality of pads 190 .
  • the transistor 140 includes an oxide layer 141, a gate electrode 143, a source electrode 145, and a drain electrode 147.
  • the arrangement and structure of the transistor 140 is shown and described as a MOSFET structure for convenience of explanation, but is not limited thereto and may be replaced with the arrangement and structure of various transistors.
  • the transistor 140 may be disposed in a certain area on the semiconductor substrate 120 and may have a HEMT structure or a structure divided into an upper electrode and a lower electrode.
  • the transistor 140 can control current or voltage flow to amplify a signal or perform a current switch function.
  • a transistor array means that a plurality of transistors 140 are arranged within the semiconductor device 100 at regular intervals or regularity. Specifically, a plurality of gate electrodes 143 extending from the gate line 144, a plurality of source electrodes 145 extending from the data line 148, and a plurality of drain electrodes 147 are interposed between each other.
  • a transistor array can be created by placing a plurality of transistors 140 adjacent to each other at regular intervals. 1 and 2, 3 to 4 transistors 140 are disposed at the center of the semiconductor device 100 to form a transistor array.
  • the gate line 144 and data line 148 are merely means for efficiently forming the plurality of transistors 140, they can be freely arranged according to the properties and configuration of the target semiconductor device.
  • the plurality of transistors 140 may each be designed to have the same electrical characteristics, and the number of the plurality of transistors 140 and the width and length of each electrode may be designed arbitrarily. For example, in the case of a configuration in which the first through via 160 is disposed below the source electrode 145, the width of the source electrode 145 is adjusted so that the channel region 150 is in contact with the upper part of the first through via 160. can be expanded.
  • the width and length of the electrode of any one transistor 140 can be reduced or arranged to increase or decrease the width and length of the electrode.
  • the oxide layer 141 is disposed on the active layer 130, below the gate electrode 143 and between the source electrode 145 and the drain electrode 147.
  • the semiconductor substrate 120 is formed through an oxidation process and may be made of oxide.
  • the oxide layer 141 may be made of SiO 2 .
  • the oxide layer 141 functions as a gate insulator that prevents current from flowing between the gate electrode 143 and the channel region 130.
  • the arrangement of the oxide layer 141 such as horizontal or vertical, and the functions performed, such as insulation or dielectric, vary, so the arrangement or function of the present embodiment is not limited.
  • the gate electrode 143 may be polycrystalline silicon deposited on the oxide layer 141.
  • the gate electrode 143 may be insulated by an oxide layer 141 disposed between the active layer 130 and the gate electrode 143.
  • the gate electrode 143 can adjust the electrical conductivity of the channel region 150.
  • the source electrode 145 and the drain electrode 147 are disposed on the active layer 130.
  • the source electrode 145 and the drain electrode 147 are disposed on the active layer 130 with the gate electrode 143 at the center and spaced apart from the gate electrode 143 .
  • the source electrode 145 and the drain electrode 147 may be made of the same material. Specifically, the source electrode 145 and the drain electrode 147 may be made of metal. Accordingly, the source electrode 145 and the drain electrode 147 may be in ohmic contact with the semiconductor active layer 130. Additionally, the source electrode 145 and the drain electrode 147 are symmetrical elements, so the transistor 140 can operate normally even if their respective positions are changed.
  • drain current flows, and the drain current can be controlled by the voltage applied between the gate electrode 143 and the source electrode 145.
  • a linear relationship may be formed between the voltage and current applied to the drain electrode 147, and in this case, the source electrode 145 and the drain electrode 147 may operate like a variable resistor.
  • the source electrode 145 serves to supply charge carriers to the channel region 150, and the drain electrode 147 serves to absorb the charge carriers.
  • the channel region 150 refers to an area in the transistor 140 where carriers such as electrons or holes can move. Referring to Figures 1 and 2, the channel region 150 is created in the lower region of the transistor 140. Specifically, it is created between the active layer 150 under the source electrode 145 and the active layer 150 under the drain electrode 147.
  • the channel region 150 is created by an electric field formed when a voltage is applied to the gate electrode 143. Specifically, the channel region 150 is created when electrons or holes move to a portion of the active layer 130 when a voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 143 and no voltage is applied to the drain electrode 147. You can. Thereafter, as the voltage applied to the gate electrode 143 increases, the carrier concentration in the channel region 150 increases, thereby increasing electrical conductivity.
  • the channel region 150 has conductivity and constant resistance.
  • the change in potential that occurs when applying or disconnecting the voltage to the gate electrode 143 generates the most heat energy in the transistor 140, so the area close to the gate electrode 143 of the channel region 150 is a semiconductor region. This may be the part with the highest temperature in the device 100.
  • the plurality of first through vias 160 are respectively disposed from the bottom of the region where the transistor 140 is disposed to the lower metal layer 110, and the semiconductor substrate 120 and the active layer 130 It can be arranged in a vertical structure that penetrates.
  • This structure can be understood as a through silicon via (TSV).
  • TSV through silicon via
  • the semiconductor substrate 120 and the active layer 130 are formed at the bottom of the area where the source electrode 145 is disposed and the area from one end of the source electrode 145 to a portion spaced apart by 5 times the width of the source electrode 145. ) may be disposed through the lower metal layer 110.
  • the first through via 160 is connected to the semiconductor substrate 120 and the active layer ( 130) can penetrate.
  • the first through via 160 penetrating the semiconductor substrate 120 and the active layer 130 from the bottom of the source electrode 145 may be understood as an Inside Source Via (ISV).
  • the interior of the first through via 160 is filled with a conductive material, and the conductive material is electrically connected to the lower metal layer 110.
  • the conductive material may be a material with high electrical conductivity, such as gold (Au) and copper (Cu).
  • the first through via 160 may electrically connect elements of the semiconductor device 100 to elements of other semiconductor devices in a semiconductor chip in which a plurality of semiconductor devices 100 are stacked.
  • the first through via 160 electrically connects the lower metal layer 110, which is in contact with the conductive material filling the inside of the first through via 160, and the source electrode 145 of the transistor 140, so the source electrode ( 145) can be grounded.
  • This connection method can reduce space consumption and process costs and improve signal transmission speed and power consumption compared to the wire bonding method, which requires wires to exit from the semiconductor chip with a stacked structure to the outside of the semiconductor device 100. You can do it.
  • the first through via 160 is in contact with the source electrode 145 and the channel region 150 and is filled with a thermally conductive material, so heat generated by the operation of the transistor 140 is discharged to the lower part of the semiconductor substrate 120. can do.
  • the first through vias 160 are arranged in a vertical structure, two for each source electrode 145, but this is for convenience of explanation.
  • the arrangement position, number, and arrangement structure of the first through vias 160 are determined by semiconductor It can be determined in various ways by considering the size of the device 100, the arrangement of the transistor 140 and its electrodes, and the degree of heat generation of the semiconductor device 100 and the transistor 140.
  • the plurality of second through vias 165 are respectively disposed from the bottom of the temperature sensor 170 to the lower metal layer 110 and are arranged in a vertical structure penetrating the semiconductor substrate 120 .
  • the interior of the second through via 165 is filled with a conductive material, and the conductive material is electrically connected to the lower metal layer 110.
  • the conductive material may be the same material as the material filled inside the first through via 160. That is, the conductive material inside the second through via 165 may be a material with high electrical conductivity, such as gold (Au) and copper (Cu).
  • the second through via 165 electrically connects the lower metal layer 110, which is in contact with the conductive material filling the inside of the second through via 165, to the temperature sensor 170.
  • the second through via 165 may be electrically connected to the metal layer 180 and the pad 190 in contact with the temperature sensor 170.
  • the second through via 165 can electrically connect the temperature sensor 170 and the lower metal layer 110 to ground the temperature sensor 170.
  • the measurement terminal In order to measure the voltage or current of the temperature sensor 170 from outside the semiconductor device 100, the measurement terminal must apply voltage or current to the temperature sensor 170. However, if the temperature sensor 170 is in a grounded state, only one measurement terminal is needed to contact the pad 190, so the cost or configuration required to measure the temperature of the main heat source in the semiconductor device 100 can be reduced. there is.
  • the second through via 165 and the first through via 160 are similar except for the arrangement position and connection relationship, they can be formed at the same time in the same process. That is, the second through via 165 may be made of substantially the same material as the first through via 160 and may be formed through the same process. Through this, the manufacturing process of the semiconductor device 100 can be accelerated and manufacturing costs can be reduced.
  • the temperature sensor 170 is disposed within the active layer 130, and is disposed between the area where the transistor 140 is placed and the area where the pad 190 is placed. Additionally, the lower part of the temperature sensor 170 is in contact with the second through via 165, and the upper part of the temperature sensor 170 is in contact with the metal layer 180.
  • the temperature sensor 170 may be disconnected from the air and the metal layer 180 outside the semiconductor device 100. Accordingly, the temperature sensor 170 may detect a temperature change inside the semiconductor device 100 without detecting a temperature change outside the semiconductor device 100 . Specifically, the temperature sensor 170 can detect a temperature change inside the semiconductor device 100 by detecting heat transmitted through the active layer 130.
  • the heat generated from the transistor 140 is transmitted through the active layer 130, and the temperature sensor 170 detects the heat transmitted through the active layer 130 to determine the main heat generation source inside the semiconductor device 100. It is possible to detect the degree of heat generated in the transistor 140 and measure temperature changes.
  • the temperature sensor 170 may additionally receive heat generated from the transistor 140 through the first through-via 160, the lower metal layer 110, and the second through-via 165. Due to this, the temperature sensor 170 can measure temperature changes in more detail through the degree of change in electrical conductivity and thermal conductivity of the material filling the second through via 165 due to heat generation in the transistor 140.
  • the temperature sensor 170 It is easy to manufacture the semiconductor device 100 when the temperature sensor 170 is spaced apart from the transistor 140 by a certain distance or more, and the temperature sensor 170 does not interfere with the RF characteristics of the semiconductor device 100. In addition, the temperature sensor 170 must be somewhat close to the transistor 140 to accurately measure the temperature of the main heat source of the transistor 140.
  • the temperature sensor 170 may be arranged to be spaced apart from the source electrode 145 by 0.5 to 5 times the width of the source electrode 145.
  • the temperature sensor 170 may be arranged to be spaced apart from the source electrode 145 by 0.9 to 1.1 times the width of the source electrode 145. More preferably, the temperature sensor 170 may be arranged to be spaced apart from the source electrode 145 by the width of the source electrode 145.
  • the temperature sensor 170 is formed to be inserted into the active layer 130 during the process of forming the active layer 130, there are few additional processes required to place the temperature sensor 170 in the semiconductor device 100. Accordingly, the time required and the manufacturing cost of the manufacturing process for manufacturing the semiconductor device 100 including a temperature sensor for measuring the temperature inside the semiconductor device 100 can be reduced.
  • the temperature sensor 170 may be made of a material whose electrical properties change depending on temperature.
  • the temperature sensor 170 may be a p-n junction diode whose output voltage changes depending on the temperature of the junction, and may be a transistor other than the transistor 140, which is the main heat source in the semiconductor device.
  • the temperature sensor 170 may be a thermally variable resistor whose resistance value changes depending on temperature or a thermally variable capacitor.
  • the temperature sensor 170 can be placed inside the active layer 130 with less process and cost than a diode or transistor, and may occupy a small space.
  • the temperature sensor 170 which is composed of a thermally variable resistor, may be made of various materials.
  • the temperature sensor 170 may be a thin film resistor (TFR) and may be made of NiCr or TaN.
  • the temperature sensor 170 may be a mesa resistor.
  • mesa resistance has a high temperature coefficient of resistance (TCR), so the temperature sensor 170 composed of mesa resistance can accurately and quickly measure temperature changes in the transistor 140.
  • the metal layer 180 is disposed in a partial area on the active layer 130. To be precise, the metal layer 180 is disposed in the upper area of the temperature sensor 170 and is disposed to contact the pad 190. The metal layer 180 may be arranged to cover part or all of the temperature sensor 170. The metal layer 180 may be part of a barrier metal deposited to prevent contamination of the semiconductor device 100. The metal layer 180 electrically connects and contacts the temperature sensor 170 and the pad 190.
  • the metal layer 180 may be configured so that the thermal conductivity of the metal layer 180 is much lower than that of the active layer 130 and may be disposed to cover the temperature sensor 170. According to this configuration and arrangement, the temperature sensor 170 is disconnected from the external air of the semiconductor device 100 by the metal layer 180, and changes in the electrical properties of the temperature sensor 170 are caused by heating by the operation of the transistor 140. It may depend more on the temperature change of the heat source in the channel area 140 than on the temperature of the external air. Accordingly, the temperature sensor 170 can accurately and precisely measure the temperature at the highest heat source of the transistor 140.
  • the pad 190 refers to a portion where a measurement terminal external to the semiconductor device 100 is electrically connected to the semiconductor device 100. Referring to FIG. 1, the pad 190 is disposed at one end of the semiconductor device 100, surrounding the transistor 140. Additionally, a pad is disposed on the active layer 130. The pad 190 may be made of metal, and transmits information about the temperature and RF characteristics of the semiconductor device 100 to the outside of the semiconductor device 100. Additionally, various electrical signals supplied from outside the semiconductor device 100 may be received and supplied to the semiconductor device 100 .
  • the pad 190 is electrically connected to the temperature sensor 170 through the metal layer 180 and can receive temperature information of the semiconductor device 100 from the metal layer 180.
  • the temperature information of the semiconductor device 100 refers to the electrical characteristics of the temperature sensor 170 that change according to the heat generated from the semiconductor device 100.
  • the temperature information of the semiconductor device 100 may be the resistance or capacitance of the temperature sensor 170 that changes due to heat generated from the transistor 140.
  • the measurement terminal outside the semiconductor device 100 contacts the pad 190 to apply a current to the temperature sensor 170 to measure the voltage of the temperature sensor 170 or to measure the resistance of the temperature sensor 170.
  • temperature information of the semiconductor device 100 can be received as an electrical signal through a change in the resistance or capacitance of the temperature sensor 170. Therefore, when the temperature sensor 170 is connected to the lower metal layer 110 through the second through via 165, the lower metal layer 110 is grounded and a measurement terminal connected to the ground electrode is unnecessary, so the pad 190 Temperature information of the semiconductor device 100 can be transmitted to the outside of the semiconductor device 100 using only one connected measurement terminal.
  • the arrangement, number or shape of the pads 190 is not limited to the arrangement in FIGS. 1 and 2, and may be arranged taking into account the position in contact with the measurement terminal, the spacing and connection relationship with the temperature sensor 170. The closer the arrangement of the pad 190 and the temperature sensor 170 is, the more heat from the channel area 150 is transferred to the temperature sensor 170 without loss, so that the temperature sensor 170 measures the temperature of the channel area 150, which is the main heat source. can be measured accurately and precisely.
  • the first through via 160 the inside of which is filled with a thermally conductive material, penetrates the semiconductor substrate 120 and the active layer 130 at the bottom of the area where the transistor 140 is disposed, thereby forming the lower metal layer. Since the semiconductor device 100 is disposed up to 110, the heat generated by the transistor 140 can be discharged to the lower part of the semiconductor substrate 120.
  • the first through via 160 can radiate heat generated by the operation of the transistor 140 to the lower part of the semiconductor substrate 120, and the second through via 165 can emit heat generated by the temperature sensor 170. ) and the lower metal layer 110 to reduce temperature measurement costs, and since the first through via 160 and the second through via 165 can be formed at the same time in the same process, the semiconductor device 100 has a heat dissipation function. It can be manufactured quickly and at low cost despite containing the components necessary for the temperature measurement function.
  • the temperature sensor 170 is spaced apart from the transistor 140 by an appropriate distance, so that the semiconductor device 100 is easy to manufacture and the temperature sensor 170 does not interfere with the RF characteristics of the semiconductor device 100. Instead, the temperature of the main heat source of the transistor 140 can be accurately measured through the thermally conductive active layer 130 and the second through via 165.
  • the temperature sensor 170 is formed to be inserted into the active layer 130 in the process of forming the active layer 130, so an additional process required to place the temperature sensor 170 in the semiconductor device 100 This is less. Therefore, the time required for the manufacturing process and the manufacturing cost can be reduced.
  • the temperature sensor 170 is disconnected from the external air of the semiconductor device 100 by the metal layer 180, and changes in the electrical properties of the temperature sensor 170 are caused by the temperature of the heat source in the channel region 140. Since it is more dependent on the change, the temperature sensor 170 accurately measures the temperature at the highest heat source of the transistor 140 without being affected by changes in the temperature of the air outside the semiconductor device 100 heated by the operation of the transistor 140. It can be measured precisely.
  • FIG. 3 is a plan view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the dashed-dotted line IV-IV' of FIG. 3. If some of the configurations of this embodiment overlap with some of the configurations of other embodiments described above, redundant description of the configurations will be omitted.
  • the semiconductor device 300 includes a metal layer 310, a semiconductor substrate 320, at least one transistor 340, and at least one first through via 360.
  • the first gate through-via 360a vertically penetrates the semiconductor substrate 320 and the active layer 330 at the bottom of the gate electrode 343, and the first drain through-via 360b It vertically penetrates the semiconductor substrate 320 and the active layer 330 from the bottom of the drain electrode 347.
  • the first through via 360 that penetrates the semiconductor substrate 320 and the active layer 330 at the bottom of the area other than the source electrode 345 is called an outside source via (OSV). It can be understood.
  • OSV outside source via
  • the semiconductor device 300 with heat dissipation function and temperature measurement function can be manufactured while grounding the gate electrode 343 or the drain electrode 345.
  • the channel region 350 which is generally close to the gate electrode 343, is the region with the highest temperature in the semiconductor device 300, so the semiconductor substrate 320 and the active layer 330 are formed below the gate electrode 343.
  • the first gate through via 360a can quickly dissipate heat from the gate electrode 343 downward and at the same time measure the maximum temperature of the semiconductor device 300 more precisely.
  • FIG. 5 is a plan view of a semiconductor device according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the dotted chain line VI-VI' of FIG. 5. If some of the configurations of this embodiment overlap with some of the configurations of other embodiments described above, redundant description of the configurations will be omitted.
  • the semiconductor device 500 includes a metal layer 510, a semiconductor substrate 520, at least one transistor 540, and at least one first through via 560.
  • the metal layer 580 is disposed in a partial area on the active layer 530. Specifically, the metal layer 580 is disposed on the upper part of the area where the temperature sensor 570 is disposed. Preferably, the metal layer 580 may be disposed to completely cover the upper part of the temperature sensor 570.
  • the metal layer 580 not only contacts the temperature sensor 570 and the pad 590, but also contacts the source electrode 545 and the temperature sensor 570. Accordingly, the source electrode 545, the temperature sensor 570, and the pad 590 may be electrically and thermally connected through the metal layer 580. Therefore, the temperature sensor 570 can detect the heat generated by the transistor 540 and transmitted through the active layer 530, and at the same time, the first through via 560, the metal layer 580, and the second through via 565. The heat generated from the transistor 540 can also be detected through . Accordingly, the semiconductor device 500 according to an embodiment of the present invention can detect and measure heat generated in the transistor 540 more quickly and accurately through the temperature sensor 570.
  • the temperature sensor 570 is connected to the source electrode 545 through the first through-via 560, the metal layer 580, and the second through-via 565, as well as the channel region 550 and the source electrode 545. Temperature information generated from can also be received.
  • the temperature sensor 570 can receive temperature information such as voltage, resistance, and capacitance of the source electrode 545 as well as the channel area 550, so that the temperature of the transistor 540 can be adjusted more quickly and It can be measured accurately.

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Abstract

본 발명은 반도체 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는 반도체 기판, 반도체 기판의 하부에 배치되고 접지된 하부 금속층, 반도체 기판의 상부에 배치된 적어도 하나의 트랜지스터, 및 반도체 기판을 관통하고 하부 금속층과 연결된 적어도 하나의 제1 관통비아(via)를 포함하고, 트랜지스터는 반도체 기판 상에 배치된 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 적어도 하나의 제1 관통비아의 내부는 도전성 물질로 채워지고, 도전성 물질은 하부 금속층과 전기적으로 연결되고, 적어도 하나의 제1 관통비아는 트랜지스터에서 발생한 열을 반도체 기판 하부로 방출하는, 반도체 장치를 포함한다.

Description

반도체 장치
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 트랜지스터의 온도를 측정하는 것이 가능한, 반도체 장치에 관한 것이다.
최근 전기차, 자율주행차, 5G, 고해상도 레이더 등의 분야에서 반도체 PA(Power Amplifier) 기술이나 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 기술에 많은 관심이 쏠리고 있다.
특히, 데이터를 고출력으로 송수신하기 위해 여러 기술과 소재가 개발되고 있다. 예를 들어 GaN(Gallium Nitride)은 3.4eV의 넓은 에너지 갭으로 인하여 고전압에서 동작이 가능하고, 전류밀도와 전력밀도가 높고, 고속동작이 가능하여, 최근 고주파·고출력·고효율·소형 PA(Power Amplifier) 소자의 재료로서 GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor) 소자의 사용이 급격히 증가하고 있다.
하지만 반도체 장치의 고주파·고출력·고효율·소형화가 진행될수록 트랜지스터에서 더욱 많은 열을 발생시키고, 이러한 현상은 반도체 장치의 성능과 수명을 저하시킨다. 때문에 반도체 장치의 열을 방출하기 위한 기술이 활발히 개발되었다.
하지만 종래의 반도체 장치는 방열판과 IC칩에 배치되는 온도측정회로 등으로 구성되어 방열기능과 온도측정기능이 서로 다른 구성에 의해 수행된다. 이러한 이유로 방열기능과 온도측정기능을 동시에 수행되는 종래의 반도체 장치는 부피가 커지거나 추가 공정이 필요하여 제조비용이 증가되는 문제점이 있다.
또한 종래의 반도체 장치는 방열기능과 온도측정기능이 유기적으로 동시에 수행되지 않아 측정된 발열원의 온도가 부정확한 문제점이 있다.
또한 종래의 반도체 장치의 온도측정 기술에는 측온센서가 주된 발열원인 채널영역과 멀리 떨어져 있어, 정확한 온도측정이 이루어지지 않는 문제점이 있다.
또한 종래의 반도체 장치의 온도측정 기술에는 측온센서가 공기 중에 노출되어 있어 반도체 장치의 작동에 의해 상승한 공기의 온도에 영향을 받는다. 때문에 측온센서가 트랜지스터의 최고 발열원에서의 온도를 정확히 감지를 못하는 문제점이 있다.
한편, 전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
(선행기술문헌) 미국등록특허 제9,754,854 호 (2017.09.05)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 방열기능과 온도측정기능을 동시에 수행하는 구성이 반도체 장치에 배치되어, 반도체 장치의 부피가 감소되어 공간효율이 상승되고 반도체 제조 공정이 감소되어 제조비용이 절감되는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 반도체 장치의 방열기능과 온도측정기능이 유기적으로 수행되어, 트랜지스터의 주 발열원의 온도를 정확하게 측정하는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 반도체 장치에 배치된 측온센서가 채널영역과 근접하게 배치되어, 트랜지스터의 주 발열원의 온도를 정밀하게 측정하는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 측온센서가 반도체 장치 내부에 배치되어, 반도체 장치 외부의 공기의 온도에 영향을 받지 않고 발열원의 온도를 측정하는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기판의 하부에 배치되고 접지된 하부 금속층, 반도체 기판의 상부에 배치된 적어도 하나의 트랜지스터, 및 반도체 기판을 관통하고 하부 금속층과 연결된 적어도 하나의 제1 관통비아(via)를 포함하고, 트랜지스터는 반도체 기판 상에 배치된 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고, 적어도 하나의 제1 관통비아의 내부는 도전성 물질로 채워지고, 도전성 물질은 하부 금속층과 전기적으로 연결되고, 기 적어도 하나의 제1 관통비아는 트랜지스터에서 발생한 열을 반도체 기판 하부로 방출하는, 반도체 장치를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 반도체 기판 및 트랜지스터 사이에 배치된 활성층을 더 포함하고, 활성층은 Ga 및 N를 포함하는 화합물로 이루어진, 반도체 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 적어도 하나의 제1 관통비아는, 적어도 하나의 트랜지스터가 배치된 영역의 하부에서 반도체 기판을 관통하는, 반도체 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 적어도 하나의 제1 관통비아는, 소스 전극이 배치된 영역, 및 소스 전극의 일단에서부터 소스 전극의 폭의 5배만큼 이격된 부분까지의 영역의 하부에서 반도체 기판을 관통하는, 반도체 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 적어도 하나의 제1 관통비아는, 소스 전극의 하부에서 반도체 기판을 관통하는, 반도체 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 활성층은, 트랜지스터가 동작함에 의해 활성층 내에서 생성되는 채널영역, 및 활성층 내에 배치되고 트랜지스터의 온도에 의해 전기적 성질이 변화하는 적어도 하나의 측온센서를 포함하는, 반도체 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 측온센서의 하부에서 반도체 기판을 관통하고 하부 금속층과 연결된 적어도 하나의 제2 관통비아를 더 포함하는, 반도체 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 반도체 장치는, 적어도 하나의 측온센서와 접촉된 적어도 하나의 금속층, 및 반도체 기판의 일단에 배치되고 금속층과 접촉된 적어도 하나의 패드를 포함하고, 패드는, 금속층을 통해 측온센서와 전기적으로 연결되고, 금속층을 통해 반도체 장치의 온도정보를 전달받고, 패드와 접촉된 반도체 장치 외부의 단자에 온도정보를 전달하는, 반도체 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 금속층은 소스 전극과 접촉하고, 소스 전극은 금속층을 통해 패드 및 측온센서와 전기적으로 연결된, 반도체 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 방열기능과 온도측정기능을 동시에 수행하는 구성이 반도체 장치에 배치되어, 반도체 장치의 부피가 감소되어 공간효율이 상승되고 반도체 제조 공정이 감소되어 제조비용이 절감될 수 있다.
본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 반도체 장치의 방열기능과 온도측정기능이 유기적으로 수행되어, 트랜지스터의 주 발열원의 온도가 정확하게 측정될 수 있다.
본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 반도체 장치에 배치된 측온센서가 채널영역과 근접하게 배치되어, 트랜지스터의 주 발열원의 온도가 정밀하게 측정될 수 있다.
본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 측온센서가 반도체 장치 내부에 배치되어, 반도체 장치 외부의 공기의 온도의 영향을 받지 않고 발열원의 온도가 측정될 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 평면도이다.
도 2는 도 1의 일점 쇄선 Ⅱ-Ⅱ'을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 평면도이다.
도 4는 도 3의 일점 쇄선 Ⅳ-Ⅳ'을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 평면도이다.
도 6은 도 5의 일점 쇄선 Ⅵ-Ⅵ'을 따라 자른 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
별도로 명시하지 않는 한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 평면도이고, 도 2는 도 1의 일점 쇄선 Ⅱ-Ⅱ'을 따라 자른 단면도이다.
먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 장치(100)는 하부 금속층(110), 반도체 기판(120), 적어도 하나의 트랜지스터(140), 및 적어도 하나의 제1 관통비아(160)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 적어도 하나의 트랜지스터(140)는 반도체 기판(110)의 중심부에 배치되고, 게이트 전극(143)을 중심으로 게이트 전극(143)의 양측에 배치된 소스 전극(145) 및 드레인 전극(147)을 포함한다. 복수의 게이트 전극(143)들은 게이트 라인(144)에서 뻗어 나온다. 복수의 소스 전극(145)들과 복수의 드레인 전극(147)들은 데이터 라인(148)에서 뻗어 나온다. 게이트 라인(144)은 반도체 장치(100)의 중심부로부터 일측에 일렬로 배치되고, 데이터 라인(148)은 반도체 장치(100)의 중심부로부터 타측에 일렬로 배치된다. 게이트 라인(144)과 데이터 라인(148)은 서로 평행하게 배치될 수 있다.
적어도 하나의 제1 관통비아(160)는 각각 소스 전극(145)이 배치된 영역 내에 배치된다. 적어도 하나의 제2 관통비아(165)는 각각 측온센서(170)가 배치된 영역 내에 배치된다. 적어도 하나의 측온센서(170)는 각각 트랜지스터(140)에서 일정거리 이격되어 배치된다. 또한, 측온센서(170)는 제2 관통비아(165)가 배치된 영역을 덮도록 배치될 수 있다. 적어도 하나의 금속층(180)은 각각 측온센서(170)가 배치된 영역을 포함하도록 배치되고 패드(190)와 접촉된다. 적어도 하나의 패드(190)는 반도체 기판 외측에 배치된다.
도 2를 참조하면, 하부 금속층(110)이 반도체 기판(120)의 하부에 일렬로 배치되고, 반도체 기판(120)은 하부 금속층(110) 상에 배치되며, 활성층(130)은 반도체 기판(120) 상에 배치된다. 적어도 하나의 트랜지스터(140)는 활성층(130) 상에 배치되고 반도체 기판(120)의 양측에 배치된 패드(190)와 패드(190) 사이에 배치된다. 산화층(141)은 활성층(130)과 게이트 전극(143) 사이에 배치된다. 게이트 전극(143)은 산화층(141) 상에 배치된다. 소스 전극(145)과 드레인 전극(147)은 활성층(130) 상에 배치되고 산화층(141) 측면에 배치된다. 채널영역(150)은 활성층(130) 내부에 생성되고, 적어도 하나의 트랜지스터(140)의 하부에 생성된다.
제1 관통비아(160)는 소스 전극(145) 하부에서 하부 금속층(110)까지 배치되고, 반도체 기판(120)과 활성층(130)을 관통하는 수직구조로 배치된다. 제2 관통비아(165)는 측온센서(170) 하부에서 하부 금속층(110)까지 배치되고, 반도체 기판(120)을 관통하는 수직구조로 배치된다. 측온센서(170)는 반도체 장치(100)의 외측에서 활성층(130) 내부에 배치된다. 금속층(180)은 활성층(130) 상에 배치되고 측온센서(170)를 덮도록 배치된다. 패드(190)는 활성층(130) 상에 배치되고 반도체 장치(100)의 양단에 배치된다.
도 2를 참조하면, 하부 금속층(110)이 반도체 기판(120) 하부 일부 영역에 배치된다. 하부 금속층(110)은 금속이고, 금(Au)과 같이 전기전도도가 높은 물질로 이루어질 수 있다. 하부 금속층(110)은 접지되어 있고 반도체 장치(100)의 적어도 하나의 구성과 전기적으로 연결된다. 바람직하게 하부 금속층(110)은 소스 전극(145) 및 측온센서(170)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 반도체 기판(120)은 하부 금속층(110)과 활성층(130) 사이에 배치된다. 반도체 기판(120)은 Si, SiC, Al2O3, GaAs, InP, InAs, InSb 등 다양한 소재로 이루어질 수 있다. 반도체 기판(120) 내부에 산화막 유전층이 추가로 배치될 수 있다. 또한 반도체 기판(120)은 산화·포토·식각·박막 등의 공정을 거쳐 생성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 활성층(130)은 반도체 기판(120) 상에 배치된다. 또한, 활성층(130)의 내부에 측온센서(170)가 배치될 수 있고, 활성층(130)의 상에는 트랜지스터(140), 금속층(180) 및 패드(190)가 배치될 수 있다.
활성층(130)은 반도체 기판(120)과 트랜지스터(140)의 종류에 따라 다양한 소재로 이루어질 수 있다. 활성층(130)은 반도체 기판(120)에 3족 원소인 Ga 및 5족 원소인 N 등을 공급하는 에피택셜 성장(Epitaxial Growth) 등의 공정을 거쳐 생성될 수 있다. 이에, 활성층(130)의 소재는 3족 및 5족의 원소들을 포함하는 화합물일 수 있다. 예를 들어, 활성층(130)의 소재는 AlGaN, GaN또는 GaAs일 수 있다. 활성층(130)은 열전도성을 가지며, 채널영역(150)의 열을 측온센서(140)까지 전달할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 트랜지스터(140)는 활성층(130) 위에 배치되고 복수의 패드(190)들로 둘러쌓여 배치될 수 있다. 트랜지스터(140)는 산화층(141), 게이트 전극(143), 소스 전극(145), 드레인 전극(147)을 포함한다. 트랜지스터(140)의 배치 및 구조는 설명 편의를 위하여 MOSFET의 구조로 도시하고 설명하였을 뿐, 이에 제한되지 않으며 다양한 트랜지스터들의 배치 및 구조로 대체될 수 있다. 예를 들어 트랜지스터(140)는 반도체 기판(120) 상에서 일정한 영역 내에 배치될 수 있고, HEMT의 구조 또는 상부 전극과 하부 전극으로 구분되는 구조일 수 있다. 트랜지스터(140)는 전류나 전압흐름을 조절하여 신호를 증폭하거나 전류의 스위치 기능을 수행할 수 있다.
또한, 트랜지스터 어레이는 복수의 트랜지스터(140)들이 일정한 간격이나 규칙을 갖고 반도체 장치(100) 내에 배치된 것을 의미한다. 구체적으로, 게이트 라인(144)에서 뻗어 나온 복수의 게이트 전극(143)들과, 데이터 라인(148)에서 뻗어 나온 복수의 소스 전극(145)들 및 복수의 드레인 전극(147)들이 서로를 사이에 두고 평행하게 배치되어, 복수의 트랜지스터(140)들이 일정한 간격을 두고 인접하게 배치됨으로써 트랜지스터 어레이가 생성될 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 3~4개의 트랜지스터(140)들이 반도체 장치(100)의 중심부에 배치되어 트랜지스터 어레이가 형성된다.
게이트 라인(144)과 데이터 라인(148)은 복수의 트랜지스터(140)들을 효율적으로 형성하기 위한 수단에 불과하므로, 목표하는 반도체 장치의 성질과 구성에 따라 자유롭게 배치될 수 있다.
복수의 트랜지스터(140)들은 각각 동일한 전기적 특성을 갖도록 설계될 수 있고, 복수의 트랜지스터(140)들의 개수와 각 전극의 폭 및 길이를 임의로 설계할 수 있다. 예를 들어 제1 관통비아(160)를 소스 전극(145) 하부에 배치하는 구성의 경우, 제1 관통비아(160)의 상부에 채널영역(150)이 접하게 하기 위하여 소스 전극(145)의 폭을 넓힐 수 있다.
또한, 복수의 트랜지스터(140)들 중 어느 하나의 트랜지스터(140)의 소스 전극과 드레인 전극 사이에 흐르는 전류가 나머지 트랜지스터(140)들 각각의 소스 전극과 드레인 전극 사이에 흐르는 전류보다 작을 경우, 상기 어느 하나의 트랜지스터(140)의 전극의 폭과 길이를 축소 혹은 증가시켜 배치할 수 있다.
도2를 참조하면, 산화층(141)은 활성층(130) 상에 배치되고, 게이트 전극(143) 하부 및 소스 전극(145) 및 드레인 전극(147) 사이에 배치된다. 반도체 기판(120)이 산화공정을 거치며 형성되며, 산화물로 이루어질 수 있다. 바람직하게, 산화층(141)은 SiO2로 이루어질 수 있다. 산화층(141)은 게이트 전극(143)과 채널영역(130) 사이에 전류가 흐르지 않게 하는 게이트 절연체로 기능한다. 다만, 반도체 장치(100)의 형성 공정에 따라 산화층(141)의 수평·수직 등 배치형태와 절연·유전 등 수행기능이 다양하므로, 본 실시예의 배치나 기능에 한정되지 않는다.
도2를 참조하면, 게이트 전극(143)은 산화층(141) 상에 증착되어 배치된 다결정 실리콘일 수 있다. 게이트 전극(143)은 활성층(130)과 게이트 전극(143) 사이에 배치된 산화층(141)에 의해 절연될 수 있다. 게이트 전극(143)에 전압이 인가되면 게이트 전극(143)은 채널영역(150)의 전기전도도를 조절할 수 있다.
도2를 참조하면, 소스 전극(145) 및 드레인 전극(147)은 활성층(130) 상에 배치된다. 소스 전극(145) 및 드레인 전극(147)은 활성층(130) 상에서 게이트 전극(143)을 중심에 두고 게이트 전극(143)으로부터 서로 이격되어 배치된다.
소스 전극(145) 및 드레인 전극(147)은 동일한 물질로 구성될 수 있다. 구체적으로, 소스 전극(145) 및 드레인 전극(147)은 금속으로 구성될 수 있다. 이에, 소스 전극(145) 및 드레인 전극(147)은 반도체인 활성층(130)과 오믹(ohmic) 컨택할 수 있다. 또한 소스 전극(145)과 드레인 전극(147)은 대칭적인 소자로서 각각의 위치가 바뀌어도 트랜지스터(140)가 정상적으로 동작할 수 있다.
소스 전극(145)과 드레인 전극(147)간에 전압을 인가하면 드레인 전류가 흐르고, 게이트 전극(143)과 소스 전극(145)간에 인가된 전압에 의해 드레인 전류를 제어할 수 있다. 상술한 경우, 드레인 전극(147)에 인가되는 전압과 전류는 선형관계가 형성될 수 있는데, 이때 소스 전극(145)과 드레인 전극(147)은 가변 저항처럼 동작 할 수 있다. 소스 전극(145)은 채널영역(150)에 전하 캐리어를 공급하는 역할을 하며, 드레인 전극(147)은 상기 전하 캐리어를 흡수하는 역할을 한다.
채널영역(150)이란 트랜지스터(140)에서 전자 또는 홀과 같은 캐리어(carrier)가 이동할 수 있는 영역을 의미한다. 도 1 및 도2를 참조하면, 채널영역(150)은 트랜지스터(140)의 하부 영역에 생성된다. 구체적으로, 소스 전극(145) 하부의 활성층(150)과 드레인 전극(147) 하부의 활성층(150) 사이에 생성된다.
채널영역(150)은 게이트 전극(143)에 전압이 인가되어 형성된 전기장에 의해 생성된다. 구체적으로, 채널영역(150)은 게이트 전극(143)에 문턱전압보다 높은 전압이 인가되고 드레인 전극(147)에 전압이 안가될 때 활성층(130)의 일부 영역에 전자나 홀이 이동하면서 생성될 수 있다. 이후, 게이트 전극(143)에 인가되는 전압이 증가할수록 채널영역(150)의 캐리어 농도가 증가하여 전기전도도가 증가될 수 있다. 채널영역(150)은 전도성 및 일정한 저항을 갖는다.
일반적으로 게이트 전극(143)에 전압을 인가하거나 전압을 끊을 때 발생하는 전위의 변화가 트랜지스터(140)에서 열에너지를 가장 많이 생성하므로, 채널영역(150) 중 게이트 전극(143)과 가까운 영역은 반도체 장치(100)에서 가장 온도가 높은 부분일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 복수의 제1 관통비아(160)들은 각각 트랜지스터(140)가 배치된 영역의 하부에서 하부 금속층(110)까지 배치되고, 반도체 기판(120) 및 활성층(130)을 관통하는 수직구조로 배치될 수 있다. 이러한 구조는 실리콘 관통 전극(Through Silicon Via;TSV)로 이해될 수 있다. 바람직하게는 소스 전극(145)이 배치된 영역 및 소스 전극(145)의 일단에서부터 소스 전극(145)의 폭의 5배만큼 이격된 부분까지의 영역의 하부에서 반도체 기판(120) 및 활성층(130)을 관통하여 하부 금속층(110)까지 배치될 수 있다.
트랜지스터(140)가 동작하기 위해서는 트랜지스터(140)의 구성 중 하나는 접지가 되어야 하므로, 더 바람직하게는 제1 관통비아(160)는 소스 전극(145)의 하부에서 반도체 기판(120) 및 활성층(130)을 관통할 수 있다. 이때, 소스 전극(145)의 하부에서 반도체 기판(120) 및 활성층(130)을 관통하는 제1 관통비아(160)는 ISV(Inside Source Via)로 이해될 수 있다.
제1 관통비아(160)의 내부는 도전성 물질로 채워지고, 상기 도전성 물질은 하부 금속층(110)과 전기적으로 연결된다. 여기서, 도전성 물질은 금(Au) 및 구리(Cu)와 같이 높은 전기전도도를 갖는 물질일 수 있다. 또한 제1 관통비아(160)는 복수의 반도체 장치(100)들이 적층된 구조의 반도체 칩에서 반도체 장치(100)의 소자들이 다른 반도체 장치의 소자들과 전기적으로 연결되게 할 수 있다. 구체적으로, 제1 관통비아(160)는 제1 관통비아(160) 내부를 채운 도전성 물질과 접촉하는 하부 금속층(110)과 트랜지스터(140)의 소스 전극(145)을 전기적으로 연결시키므로 소스 전극(145)을 접지상태로 할 수 있다. 이러한 연결 방식은, 적층 구조의 반도체 칩에서 와이어가 반도체 장치(100) 외부까지 빠져나와야 하는 와이어 본딩(wire bonding) 방식에 비해 공간소모 및 공정비용을 줄일 수 있고, 신호 전달속도와 소비전력을 개선시킬 수 있다.
또한 제1 관통비아(160)는 소스 전극(145) 및 채널영역(150)과 접촉되어 있고 열전도성 물질로 채워지므로, 트랜지스터(140)의 작동에 의해 발생한 열을 반도체 기판(120) 하부로 방출할 수 있다.
한편, 제1 관통비아(160)는 각 소스 전극(145)마다 두개씩 배치되고 수직 구조로 배치되지만 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 제1 관통비아(160)의 배치 위치, 개수 및 배치 구조는 반도체 장치(100)의 크기, 트랜지스터(140)와 그 전극들의 배치, 반도체 장치(100)와 트랜지스터(140)의 발열 정도를 고려하여 다양하게 정해질 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 복수의 제2 관통비아(165)들은 각각 측온센서(170) 하부에서 하부 금속층(110)까지 배치되고, 반도체 기판(120)을 관통하는 수직구조로 배치된다.
제2 관통비아(165)의 내부는 도전성 물질로 채워지고, 상기 도전성 물질은 하부 금속층(110)과 전기적으로 연결된다. 여기서, 도전성 물질은 제1 관통비아(160) 내부에 채워진 물질과 동일한 물질일 수 있다. 즉, 제2 관통비아(165) 내부의 도전성 물질은 금(Au) 및 구리(Cu)와 같이 높은 전기전도도를 갖는 물질일 수 있다. 또한 제2 관통비아(165)는 제2 관통비아(165) 내부를 채운 도전성 물질과 접촉하는 하부 금속층(110)과 측온센서(170)를 전기적으로 연결시킨다. 나아가, 제2 관통비아(165)는 측온센서(170)에 접촉한 금속층(180) 및 패드(190)와도 전기적으로 연결될 수 있다. 이에, 제2 관통비아(165)는 측온센서(170)와 하부 금속층(110)을 전기적으로 연결하여 측온센서(170)를 접지상태로 할 수 있다. 반도체 장치(100) 외부에서 측온센서(170)의 전압 또는 전류를 측정하기 위해서는 측정용 단자가 측온센서(170)에 전압 또는 전류를 인가해야 한다. 그런데 측온센서(170)가 접지상태라면, 측정용 단자가 패드(190)에 접촉하는 측정용 단자 하나만 필요하므로, 반도체 장치(100)에서 주 발열원의 온도를 측정하는데 필요한 비용이나 구성이 감소할 수 있다.
제2 관통비아(165)와 제1 관통비아(160)는 배치 위치와 연결관계를 제외하면 유사하므로, 동시에 같은 공정에서 형성될 수 있다. 즉, 제2 관통비아(165)는 제1 관통비아(160)와 실질적으로 동일한 물질로 구성될 수 있으며, 동일한 공정을 통해서 형성될 수 있다. 이를 통해, 반도체 장치(100)의 제조공정이 신속해지고 제조비용이 감소할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 측온센서(170)는 활성층(130) 내에 배치되고, 트랜지스터(140)가 배치된 영역과 패드(190)가 배치된 영역 사이에 배치된다. 또한 측온센서(170)의 하부는 제2 관통비아(165)와 접촉하고 측온센서(170)의 상부는 금속층(180)과 접촉한다. 측온센서(170)는 반도체 장치(100) 외부의 공기와 금속층(180)으로 인해 단절될 수 있다. 이에, 측온센서(170)는 반도체 장치(100) 외부의 온도 변화를 감지하지 않고, 반도체 장치(100) 내부의 온도 변화를 감지할 수 있다. 구체적으로, 측온센서(170)는 활성층(130)을 통해 전달되는 열을 감지하여 반도체 장치(100) 내부의 온도 변화를 감지할 수 있다. 보다 구체적으로, 트랜지스터(140)에서 발생하는 열이 활성층(130)을 통해 전달되고, 측온센서(170)는 활성층(130)을 통해 전달된 열을 감지하여 반도체 장치(100) 내부의 주 발열원인 트랜지스터(140)에서의 발열 정도를 감지하고 온도 변화를 측정할 수 있도록 한다.
또한, 측온센서(170)는 트랜지스터(140)에서 발생한 열을 제1 관통비아(160), 하부 금속층(110), 및 제2 관통비아(165)를 통해 추가적으로 전달받을 수 있다. 이로 인해, 측온센서(170)는 트랜지스터(140)에서의 발열로 인한 제2 관통비아(165)를 채운 물질의 전기전도도 및 열전도도의 변화 정도를 통해 보다 자세하게 온도 변화가 측정될 수 있다.
측온센서(170)가 트랜지스터(140)으로부터 일정 간격 이상 이격되어야 반도체 장치(100)가 제조되기 편하고 측온센서(170)가 반도체 장치(100)의 RF특성을 저해하지 않는다. 그리고, 측온센서(170)가 트랜지스터(140)와 어느정도 밀접해야 트랜지스터(140)의 주 발열원의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
따라서, 측온센서(170)는 소스 전극(145) 폭의 0.5배 내지 5배만큼 소스 전극(145)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 바람직하게는 측온센서(170)는 소스 전극(145) 폭의 0.9배 내지 1.1배만큼 소스 전극(145)으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 더욱 바람직하게는 측온센서(170)는 소스 전극(145) 폭만큼 소스 전극(145)으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
측온센서(170)는 활성층(130)이 형성되는 공정에서 활성층(130) 내부에 삽입되도록 형성되므로 측온센서(170)를 반도체 장치(100)에 배치하기 위해 필요한 추가 공정이 적다. 따라서 반도체 장치(100) 내부의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 포함하는 반도체 장치(100)를 제작하는 제조 공정의 소요시간이나 제조비용이 절감될 수 있다.
측온센서(170)는 온도에 따라 전기적 성질이 변하는 소재로 구성될 수 있다. 측온센서(170)는 접합부의 온도에 따라 출력 전압이 변화하는 p-n접합 다이오드일 수 있고, 반도체 장치에서 주요 발열원인 트랜지스터(140)가 아닌 또 다른 트랜지스터일 수 있다. 바람직하게는 측온센서(170)는 온도에 따라 저항값이 변하는 열가변 저항 이거나 열가변 커패시터일 수 있다. 이러한 경우, 측온센서(170)는 다이오드나 트랜지스터에 비해, 적은 공정 및 비용으로 활성층(130) 내부에 배치될 수 있고, 차지하는 공간도 좁을 수 있다.
열가변 저항으로 구성된 측온센서(170)는 다양한 소재로 구성될 수 있다. 측온센서(170)는 박막 저항(Thin Film Resistor; TFR)일 수 있고, NiCr 또는 TaN으로 구성될 수 있다. 바람직하게는 측온센서(170)는 메사 저항(Mesa Resistor)일 수 있다. 일반적으로 메사 저항은 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistivity; TCR)가 높으므로 메사 저항으로 구성된 측온센서(170)는 트랜지스터(140)의 온도 변화를 정확하고 빠르게 측정할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 금속층(180)은 활성층(130) 상의 일부 영역에 배치된다. 정확하게는 금속층(180)은 측온센서(170) 상부 영역에 배치되며, 패드(190)와 접촉하도록 배치된다. 금속층(180)은 측온센서(170)의 일부 또는 전부를 덮도록 배치될 수 있다. 금속층(180)은 반도체 장치(100)의 오염을 방지하기 위해 증착된 배리어 메탈(Barrier Metal)의 일부일 수 있다. 금속층(180)은 측온센서(170)와 패드(190)를 전기적으로 연결 및 접촉시킨다.
또한, 금속층(180)의 열전도도가 활성층(130)의 열전도도보다 매우 낮도록 구성되고 측온센서(170)를 덮도록 금속층(180)이 배치될 수 있다. 이러한 구성 및 배치에 의하면, 측온센서(170)는 반도체 장치(100)의 외부 공기와 금속층(180)에 의해 단절되고, 측온센서(170)의 전기적 성질 변화는 트랜지스터(140)의 동작에 의해 가열된 외부 공기의 온도보다 채널영역(140)의 발열원의 온도 변화에 더욱 의존할 수 있다. 이에, 측온센서(170)는 트랜지스터(140)의 최고 발열원에서의 온도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있다.
패드(190)란 반도체 장치(100) 외부의 측정용 단자가 반도체 장치(100)와 전기적으로 연결되는 부분을 의미한다. 도 1을 참조하면, 패드(190)는 반도체 장치(100)의 일단에 트랜지스터(140)를 둘러쌓으며 배치된다. 또한 패드는 활성층(130) 상에 배치된다. 패드(190)는 금속으로 이루어질 수 있고, 반도체 장치(100)의 온도 및 RF 특성 등에 대한 정보를 반도체 장치(100)의 외부로 송신한다. 또한 반도체 장치(100)의 외부에서 공급되는 다양한 전기 신호 등을 수신하여 반도체 장치(100)에 공급할 수 있다.
패드(190)는 금속층(180)을 통해 측온센서(170)와 전기적으로 연결되어 있어, 반도체 장치(100)의 온도정보를 금속층(180)으로부터 수신할 수 있다. 여기서, 반도체 장치(100)의 온도정보는 반도체 장치(100)에서 발생하는 열에 따라 변하는 측온센서(170)의 전기적 특성을 의미한다. 예를 들어, 반도체 장치(100)의 온도정보는 트랜지스터(140)에서 발생하는 열로 인해 변하는 측온센서(170)의 저항이나 커패시턴스(capacitance)일 수 있다.
이에, 반도체 장치(100) 외부의 측정용 단자는 패드(190)와 접촉하여 측온센서(170)에 전류를 인가하여 측온센서(170)의 전압을 측정하거나 측온센서(170)의 저항을 측정함으로써, 측온센서(170)의 저항이나 커패시턴스의 변화를 통해 반도체 장치(100)의 온도정보를 전기적 신호로 전달받을 수 있다. 따라서 측온센서(170)가 제2 관통비아(165)를 통해 하부 금속층(110)과 연결될 경우, 하부 금속층(110)은 접지되어 있어 접지전극과 연결된 측정용 단자가 불필요하므로, 패드(190)에 연결된 측정용 단자 하나만 이용하여 반도체 장치(100)의 온도정보가 반도체 장치(100)의 외부로 전달될 수 있다.
패드(190)의 배치, 개수 또는 모양은 도 1 및 도 2에서의 배치에 한정되지 않으며, 측정용 단자와 접촉하는 위치, 측온센서(170)와의 간격 및 연결관계를 고려하여 배치될 수 있다. 패드(190)와 측온센서(170)와의 배치가 밀접할수록 채널영역(150)의 열이 측온센서(170)로 손실없이 전달되어, 측온센서(170)는 주 발열원인 채널영역(150)의 온도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 내부가 열전도도를 가진 물질로 채워진 제1 관통비아(160)가 트랜지스터(140)가 배치된 영역의 하부에서 반도체 기판(120) 및 활성층(130)을 관통하여 하부 금속층(110)까지 배치되므로, 반도체 장치(100)는 트랜지스터(140)에서 발생한 열을 반도체 기판(120) 하부로 방출할 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 제1 관통비아(160)는 트랜지스터(140)의 작동에 의해 발생한 열을 반도체 기판(120) 하부로 방출할 수 있고, 제2 관통비아(165)는 측온센서(170)와 하부 금속층(110)을 연결하여 온도측정 비용을 절감시키며, 제1 관통비아(160)와 제2 관통비아(165)는 동시에 같은 공정에서 형성될 수 있으므로, 반도체 장치(100)는 방열기능과 측온기능에 필요한 구성들을 포함함에도 불구하고 신속하고 비용이 적게 제조될 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 측온센서(170)는 트랜지스터(140)와 적절한 간격만큼 이격되어, 반도체 장치(100)가 제조되기 수월하고 측온센서(170)가 반도체 장치(100)의 RF특성을 저해하지 않으며, 트랜지스터(140)의 주 발열원의 온도를 열전도성을 가지는 활성층(130) 및 제2 관통비아(165)를 통해 정확하게 측정할 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 측온센서(170)는 활성층(130)이 형성되는 공정에서 활성층(130) 내부에 삽입되도록 형성되므로 측온센서(170)를 반도체 장치(100)에 배치하기 위해 필요한 추가 공정이 적다. 따라서 제조 공정의 소요시간이나 제조비용이 절감될 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 측온센서(170)는 반도체 장치(100)의 외부 공기와 금속층(180)에 의해 단절되고, 측온센서(170)의 전기적 성질 변화는 채널영역(140)의 발열원의 온도 변화에 더욱 의존하므로, 측온센서(170)는 트랜지스터(140)의 동작에 의해 가열된 반도체 장치(100) 외부 공기의 온도 변화에 영향을 받지 않고 트랜지스터(140)의 최고 발열원에서의 온도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 평면도이고, 도 4는 도 3의 일점 쇄선 Ⅳ-Ⅳ'을 따라 자른 단면도이다. 본 실시예의 일부 구성이 앞서 설명한 다른 실시예의 일부 구성과 중복된다면, 그 구성에 대한 중복설명은 생략한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 반도체 장치(300)는 금속층(310), 반도체 기판(320), 적어도 하나의 트랜지스터(340), 및 적어도 하나의 제1 관통비아(360)를 포함한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 게이트 관통비아(360a)는 게이트 전극(343)의 하부에서 반도체 기판(320) 및 활성층(330)을 수직 관통하며, 제1 드레인 관통비아(360b)는 드레인 전극(347)의 하부에서 반도체 기판(320) 및 활성층(330)을 수직 관통한다. 이렇게 트랜지스터(340)가 배치된 영역 중 소스 전극(345)이 아닌 다른 영역의 하부에서 반도체 기판(320) 및 활성층(330)을 관통하는 제1 관통비아(360)는 OSV(Outside Source Via)로 이해될 수 있다.
상술한 실시예에 따르면 게이트 전극(343)이나 드레인 전극(345)을 접지하면서 방열기능과 측온기능을 갖춘 반도체 장치(300)를 제조할 수 있다.
상술한 실시예에 따르면 일반적으로 게이트 전극(343)과 가까운 채널영역(350)이 반도체 장치(300)에서 온도가 가장 높은 영역이므로, 게이트 전극(343) 하부에서 반도체 기판(320) 및 활성층(330)을 관통하는 제1 게이트 관통비아(360a)는 게이트 전극(343)의 열을 하부로 빠르게 방출시킬 수 있고 동시에 반도체 장치(300)의 최고 온도를 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 평면도이고, 도 6은 도 5의 일점 쇄선 Ⅵ-Ⅵ'을 따라 자른 단면도이다. 본 실시예의 일부 구성이 앞서 설명한 다른 실시예의 일부 구성과 중복된다면, 그 구성에 대한 중복설명은 생략한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 반도체 장치(500)는 금속층(510), 반도체 기판(520), 적어도 하나의 트랜지스터(540), 및 적어도 하나의 제1 관통비아(560)를 포함한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 금속층(580)은 활성층(530) 상의 일부 영역에 배치된다. 구체적으로, 금속층(580)은 측온센서(570)가 배치된 영역의 상부에 배치된다. 바람직하게 금속층(580)은 측온센서(570) 상부를 완전히 덮도록 배치될 수 있다.
또한, 금속층(580)은 측온센서(570)와 패드(590)를 접촉시킬 뿐만 아니라 소스 전극(545)과 측온센서(570)를 접촉시킨다. 이에, 금속층(580)을 통해 소스 전극(545), 측온센서(570), 및 패드(590)가 전기적 및 열적으로 연결될 수 있다. 따라서 측온센서(570)는 트랜지스터(540)에서 발생하여 활성층(530)을 통해 전달되는 열을 감지할 수 있고, 동시에 제1 관통비아(560), 금속층(580) 및 제2 관통비아(565)를 통해서도 트랜지스터(540)에서 발생한 열을 감지할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치(500)는 측온센서(570)를 통해 보다 빠르고 정확하게 트랜지스터(540)에서 발생한 열을 감지하고 측정할 수 있다.
나아가, 측온센서(570)는 소스 전극(545)과 연결된 제1 관통비아(560), 금속층(580) 및 제2 관통비아(565)를 통해서, 채널영역(550) 뿐만 아니라 소스 전극(545)에서 발생한 온도정보도 전달받을 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 측온센서(570)는 채널영역(550) 뿐만 아니라 소스 전극(545)의 전압, 저항 및 커패시턴스 등의 온도정보도 전달받을 수 있으므로, 트랜지스터(540)의 온도를 보다 빠르고 정확하게 측정할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 하부에 배치되고 접지된 하부 금속층;
    상기 반도체 기판의 상부에 배치된 적어도 하나의 트랜지스터; 및
    상기 반도체 기판을 관통하고 상기 하부 금속층과 연결된 적어도 하나의 제1 관통비아(via)를 포함하고,
    상기 트랜지스터는 상기 반도체 기판 상에 배치된 게이트 전극, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제1 관통비아의 내부는 도전성 물질로 채워지고,
    상기 도전성 물질은 상기 하부 금속층과 전기적으로 연결되고,
    상기 적어도 하나의 제1 관통비아는 상기 트랜지스터에서 발생한 열을 상기 반도체 기판 하부로 방출하는,
    반도체 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 기판 및 상기 트랜지스터 사이에 배치된 활성층을 더 포함하고,
    상기 활성층은 Ga 및 N를 포함하는 화합물로 이루어진,
    반도체 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 관통비아는,
    상기 적어도 하나의 트랜지스터가 배치된 영역의 하부에서 상기 반도체 기판을 관통하는,
    반도체 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 관통비아는,
    상기 소스 전극이 배치된 영역 및 상기 소스 전극의 일단에서부터 상기 소스 전극의 폭의 5배만큼 이격된 부분까지의 영역의 하부에서 상기 반도체 기판을 관통하는,
    반도체 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 관통비아는,
    상기 소스 전극의 하부에서 상기 반도체 기판을 관통하는,
    반도체 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 활성층은,
    상기 트랜지스터가 동작함에 의해 상기 활성층 내에서 생성되는 채널영역; 및
    상기 활성층 내에 배치되고 상기 트랜지스터의 온도에 의해 전기적 성질이 변화하는 적어도 하나의 측온센서를 포함하는,
    반도체 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 측온센서의 하부에서 상기 반도체 기판을 관통하고 상기 하부 금속층과 연결된 적어도 하나의 제2 관통비아를 더 포함하는,
    반도체 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 반도체 장치는,
    상기 적어도 하나의 측온센서와 접촉된 적어도 하나의 금속층; 및
    상기 반도체 기판의 일단에 배치되고 상기 금속층과 접촉된 적어도 하나의 패드를 포함하고,
    상기 패드는,
    상기 금속층을 통해 상기 측온센서와 전기적으로 연결되고,
    상기 금속층을 통해 상기 반도체 장치의 온도정보를 전달받고,
    상기 패드와 접촉된 상기 반도체 장치 외부의 단자에 상기 온도정보를 전달하는,
    반도체 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 소스 전극과 접촉하고,
    상기 소스 전극은 상기 금속층을 통해 상기 패드 및 상기 측온센서와 전기적으로 연결된,
    반도체 장치.
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