DE102014109489B4 - Elektrisch leitendes element, halbleitervorrichtung mit dem elektrisch leitenden element und verfahren zum herstellen einer wärmesenke - Google Patents

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Abstract

Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) umfassend:einen Halbleiterkörper (100), wobei aktive Bereiche der Leistungs-Halbleitervorrichtung in dem Halbleiterkörper gebildet sind, undein elektrisch leitendes Element (200), das elektrisch mit mindestens einem aktiven Bereich im Halbleiterkörper (100) verbunden ist, wobei das elektrisch leitende Element (200) folgendes umfasst:ein elektrisch leitendes Material (210) undeine Vielzahl von Einschlüssen (220) eines Phasenänderungsmaterials, das eine Phasenübergangstemperatur Tc zwischen 150°C und 400°C hat,wobei die Einschlüsse (220) voneinander getrennt und in das elektrisch leitende Material (210) eingebettet sind.

Description

  • HINTERGRUND
  • In Leistungshalbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Dioden, Feldeffekttransistoren, beispielsweise Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) kann thermische Energie freigesetzt werden. Beispielsweise können thermische Energieimpulse während eines Ausschaltens einer Leistungsvorrichtung freigesetzt werden. In einigen Fällen können diese hohen thermischen Freigaben von Stromfilamentierungen begleitet sein, die Hotspots bzw. heiße Flecken verursachen und sogar zu einer Zerstörung der Halbleiterleistungsvorrichtung führen können.
  • Demgemäß wird ein thermisches Management von Leistungsvorrichtungen ein begrenzender Faktor für den Fortschritt in einer Miniaturisierung und das Vorankommen in einer Leistungsdichte. Mit reduzierten Abmessungen der Halbleitervorrichtungen wird das Gebiet, das Wärme abführen kann, reduziert. Als eine Folge werden Konzepte zum Handhaben der zunehmenden Leistungsdichte und insbesondere der anwachsenden Wärme, die während eines Abschaltens erzeugt ist, mit einem Schrumpfen von Vorrichtungsabmessungen gewünscht.
  • Die Druckschrift DE 101 14 998 A1 beschreibt den Einsatz von Phasenwechselmaterialien in Kühlern für elektrische und elektronische Bauteile. Die Offenlegungsschrift DE 10 2012 217 698 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Entwärmung von Leistungselektronik-Bauteilen, beispielsweise einem IGBT-Modul, unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials. Die Druckschrift JP 2005– 93 848 A betrifft eine Kühlkörper unter Verwendung eines Phasenwechselmaterials.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein leitendes Element und eine Halbleitervorrichtung vorzusehen, die den obigen Forderungen genügen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe durch den beanspruchten Gegenstand gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Erfindungsgemäß umfasst ein elektrisch leitendes Element ein elektrisch leitendes Material und eine Vielzahl von Einschlüssen bzw. Inklusionen eines Phasenänderungsmaterials, wobei das Phasenänderungsmaterial eine Phasenübergangstemperatur Tc zwischen 150°C und 400°C hat, die Einschlüsse voneinander getrennt sind und in ein elektrisch leitendes Material eingebettet sind.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Halbleitervorrichtung eine Verdrahtungsstruktur, die wenigstens an einer Seite eines Halbleiterkörpers angeordnet ist, wobei die Verdrahtungsstruktur elektrisch mit wenigstens einem aktiven Teil des Halbleiterkörpers gekoppelt ist und wobei die Verdrahtungsstruktur das elektrisch leitende Element umfasst, wie dieses oben definiert ist.
  • Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmesenke ein Bilden eines elektrisch leitenden Materials und ein Bilden einer Vielzahl Agglomerationen bzw. Zusammenballungen eines Phasenänderungsmaterials, wobei das Phasenänderungsmaterial eine Phasenübergangstemperatur zwischen 150°C und 400°C hat.
  • Figurenliste
  • Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung der Erfindung einbezogen und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Prinzipien. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen geben entsprechend ähnliche Teile an.
    • 1A ist eine perspektivische Darstellung eines leitenden Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
    • 1B ist eine perspektivische Darstellung eines leitenden Elements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
    • 2A ist eine Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung, die ein leitendes Element gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst.
    • 2B ist eine Schnittdarstellung eines Beispiels einer integrierten Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
    • 2C ist eine perspektivische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
    • 3A bis 3H veranschaulichen Schritte zum Herstellen eines leitenden Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
    • 4 fasst ein Verfahren zum Herstellen eines leitenden Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel zusammen.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Erfindung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele dargestellt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Unterseite“, „Vorderseite“, „Hinterseite“, „vorne“, „hinten“ usw. im Hinblick auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figuren verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie für Veranschaulichungszwecke benutzt und ist in keiner Weise begrenzend. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem durch die Patentansprüche definierten Bereich abzuweichen.
  • Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht begrenzend. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von verschiedenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
  • Die Begriffe „Wafer“, „Substrat“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter basierende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie Silizium, Silizium-auf-Isolator (SOI), Silizium-auf-Saphir (SOS), dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Schichten von durch eine Basishalbleiterunterlage getragenem Silizium und andere Halbleiterstrukturen umfassen. Der Halbleiter muss nicht auf Silizium beruhen. Der Halbleiter könnte ebenso Silizium-Germanium, Germanium oder Galliumarsenid sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) das Halbleitersubstratmaterial bilden.
  • Die hier verwendeten Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, die das Vorhandensein der festgestellten Elemente oder Merkmale anzeigen, jedoch nicht zusätzliche Elemente oder Merkmale ausschließen. Die unbestimmten und bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe „gekoppelt“ und/oder „elektrisch gekoppelt“ sollen nicht bedeuten, dass die Elemente direkt miteinander gekoppelt sein müssen, vielmehr können dazwischenliegende Elemente zwischen den „gekoppelten“ oder „elektrisch gekoppelten“ Elementen vorhanden sein. Der Begriff „elektrisch verbunden“ soll eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Elementen beschreiben.
  • 1A ist eine perspektivische Darstellung eines leitenden Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das in 1A gezeigte leitende Element 200 umfasst ein elektrisch leitendes Material 210 und eine Vielzahl von Einschlüssen 220 eines Phasenänderungsmaterials. Das Phasenänderungsmaterial hat eine Phasenübergangstemperatur Tc zwischen 150°C und 400°C. Die Einschlüsse 220 sind voneinander getrennt und sind in das elektrisch leitende Material 210 eingebettet. Demgemäß umfasst das in 1A gezeigte leitende Element 200 eine Matrix eines elektrisch leitenden Materials.
  • Das elektrisch leitende Material 210 kann ein Metall oder irgendein anderes geeignetes leitendes Material sein. Beispielsweise kann das leitende Material 210 Al oder Cu sein. Die Einschlüsse sind aus einem Phasenänderungsmaterial gemacht, das eine Phasenübergangstemperatur Tc zwischen 150°C und 400°C hat. Beispielsweise kann das Phasenänderungsmaterial Wismut (Bi) oder irgendein anderes Material sein, das einen relativ niedrigen Schmelzpunkt hat. Beispielsweise hat Wismut einen Schmelzpunkt bei 271,3°C. Dennoch können weitere Materialien, wie Blei, Paraffin und spezielle Salze verwendet werden. Die Einschlüsse des Phasenänderungsmaterials können eine dreidimensionale Anordnung bzw. ein dreidimensionales Array bilden. Alternativ können die Einschlüsse in einer Schicht angeordnet sein und können eine zweidimensionale Anordnung bzw. ein zweidimensionales Array bilden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Einschlüsse unregelmäßig angeordnet, beispielsweise in der Form eines unregelmäßigen Musters bzw. einer unregelmäßigen Struktur. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Einschlüsse regelmäßig angeordnet, beispielsweise in der Form eines regelmäßigen Musters bzw. einer regelmäßigen Struktur. Die Einschlüsse 220 können eine identische Gestalt haben. Alternativ können die Einschlüsse 220 eine verändernde Gestalt und eine verändernde Abmessung haben. Dies wird in mehr Einzelheiten unten anhand von 1B erläutert.
  • Das in 1A gezeigte elektrisch leitende Element kann Wärmeimpulse bei einer schnellen Rate absorbieren. Beispielsweise können die Wärmeimpulse zu einem Schmelzen des Phasenänderungsmaterials führen. Zu einer späteren Stufe kann die absorbierte Wärme durch das Phasenänderungsmaterial bei einer langsamen Rate abgeführt werden.
  • Aufgrund der spezifischen Kombination des elektrisch leitenden Materials mit den Einschlüssen des Phasenänderungsmaterials kann Wärme zu dem Phasenänderungsmaterial geleitet werden, um absorbiert zu werden. Als eine Folge kann Wärme im Vergleich mit einem Fall, in welchem die gesamte Schicht aus einem Phasenänderungsmaterial besteht, das aus einem Material gemacht sein kann, das einen zunehmenden spezifischen Widerstand hat, wenn es geschmolzen wird, sehr wirksam absorbiert werden. Im Gegenteil kann sich der spezifische Widerstand des elektrisch leitenden Materials nicht wesentlich verändern, wenn die Wärme durch das in den Einschlüssen angeordnete Phasenänderungsmaterial absorbiert wird.
  • Wismut ist ein Beispiel eines geeigneten Phasenänderungsmaterials. Wie oben erwähnt wurde, hat Wismut einen Schmelzpunkt bei 271,3°C und zeigt eine Schmelzanomalie. Dies bedeutet, dass Wismut eine zunehmende Dichte während eines Übergangs in die flüssige Phase hat. Als eine Folge resultiert ein Schmelzen von Wismut nicht in einer Volumenzunahme, und damit kann ein Bruch der umgebenden Metallmatrix vermieden werden. Weiterhin ist Wismut nahezu nicht löslich in Aluminium oder Kupfer und umgekehrt. Als eine Folge würde Wismut nicht mit dem Cu- oder Al-Matrixmaterial selbst während eines Schmelzens reagieren. Somit behält Wismut seinen Schmelzpunkt und seine Fähigkeit bei, überschüssige Wärme in zahlreichen aufeinanderfolgenden Wärmeereignissen zu speichern. Weiterhin ist der Phasenübergang selbst nach zahlreichen Impulsen reversibel.
  • Demgemäß kann die Wärme zeitweise in dem Phasenänderungsmaterial gespeichert werden und kann danach zu dem leitenden Material rückübertragen werden. Darüber hinaus ist Wismut ein nicht-toxisches Schwermetall.
  • Aufgrund der speziellen Kombination eines elektrisch leitenden Materials und einer Vielzahl von Einschlüssen eines Phasenänderungsmaterials, wie dies in 1 gezeigt ist, kann eine Kombination der vorteilhaften Eigenschaften des elektrisch leitenden Materials, beispielsweise eines guten Wärmeleitwertes, und weiter der Einschlüsse des Phasenänderungsmaterials, d.h. einer Wärmespeicherkapazität durch Schmelzen in dem relevanten Temperaturbereich, erzielt werden.
  • Eine Dicke t des elektrisch leitenden Elements 200 kann ungefähr 1 bis 100 µm, beispielsweise 15 bis 30 µm, sein. Weiterhin kann ein Durchmesser d der Einschlüsse 0,05 bis 10 µm, beispielsweise 0,1 bis 2 µm oder 0,5 bis 1 µm, sein. In dieser Hinsicht ist zu bemerken, dass der Ausdruck „Durchmesser d der Einschlüsse“ nicht notwendigerweise bedeutet, dass die Einschlüsse einen kreisförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt haben. Der Ausdruck „Durchmesser d der Einschlüsse“ bezieht sich auf die größte Ausdehnungslänge der Einschlüsse, und die Einschlüsse können eine beliebige Gestalt haben.
  • Ein Massenverhältnis von Wismut als dem Phasenänderungsmaterial zu dem elektrisch leitenden Element ist mehr als 60 Massen-% und weniger als 95 Massen-%. Das hohe Massenverhältnis des Wismuts beruht insbesondere auf der Tatsache, dass Wismut eine sehr hohe Dichte im Vergleich mit der Dichte von Al oder Cu hat. Die Wärmeabsorption des elektrisch leitenden Elements kann verbessert werden, indem ein großes Verhältnis des Phasenänderungsmaterials eingeschlossen wird. Wenn ein solches elektrisch leitendes Element gebildet wird, sollte dennoch jeder der Einschlüsse vollständig durch das elektrisch leitende Material 210 umgeben sein, um zu gewährleisten, dass die Wärme wirksam übertragen wird. Demgemäß gleicht ein optimales Verhältnis des Phasenänderungsmaterials zu dem elektrisch leitenden Material diese Effekte aus. Ein Volumenverhältnis des Phasenänderungsmaterials zu dem elektrisch leitenden Element kann mehr als 35 Volumen-% und weniger als 95 Volumen-% sein.
  • Wenn eine geeignete Dicke des elektrisch leitenden Elements ausgewählt wird, müssen (mechanische) Spannung und der Effekt eines Waferbiegens berücksichtigt werden. Darüber hinaus muss die Dicke so sein, dass die Schicht in einer einfachen Weise gemustert bzw. strukturiert werden kann.
  • Obwohl Wismut bereits als ein Phasenänderungsmaterial beschrieben ist, ist klar zu verstehen, dass jedes andere Material, das eine Phasenänderungstemperatur zwischen 150°C und 400°C hat, verwendet werden kann. Weiterhin ist der Phasenübergang nicht auf eine Änderung von der flüssigen zur festen Phase eingeschränkt, und jeder andere Typ eines Phasenübergangs kann auftreten.
  • 1B veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, gemäß welchem die Einschlüsse 220 verschiedene Gestalten und Größen haben. Obwohl die Einschlüsse 220 dargestellt sind, um ähnliche Gestalten zu haben und teilweise verbunden bzw. verschmolzen zu sein, ist klar zu verstehen, dass der Ausdruck „verschiedene Gestalten und Größen“ auch den Fall umfasst, in welchem die Einschlüsse vollständig beliebige Gestalten haben. Beispielsweise kann ein einziger Einschluss durch mehrfach verbundene Tröpfchen des Phasenänderungsmaterials gebildet sein. Die verbundenen Tröpfchen können eine zweidimensionale Masche oder eine Struktur bilden, die sich in einer beliebigen Richtung erstreckt. Beispielsweise können zusätzlich zu den in den 1A und 1B dargestellten Gestalten die Einschlüsse oder verbundenen Tröpfchen einen Teil einer Schicht, eine vertikal oder horizontal sich erstreckende Säule und anderes bilden. Dennoch sollten die Einschlüsse vollständig durch das elektrisch leitende Material 210 umgeben sein, um zu gewährleisten, dass die Wärme wirksam übertragen wird. Im Fall von verbundenen Tröpfchen des Phasenänderungsmaterials bezieht sich der Ausdruck „Durchmesser d der Einschlüsse“, wie oben definiert, auf den Durchmesser der einzelnen Tröpfchen, die eine beliebige Gestalt haben können und nicht kreisförmig oder halbkreisförmig sein müssen.
  • Das elektrisch leitende Element, das in 1A und 1B gezeigt ist, kann geeignet sein als eine Metallisierungsschicht für Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise Leistungsvorrichtungen, insbesondere Leistungs-MOSFETs, Leistungs-IGBTs, Leistungsdioden, Leistungs-ICs und anderes. Weiterhin kann ein solches leitendes Element angewandt werden auf Dioden, LEDs, Laserdioden und Solarzellen. Beispielsweise kann das elektrisch leitende Element gemustert bzw. strukturiert sein. Darüber hinaus kann das elektrisch leitende Element als eine Wärmesenke für jede Art von Anwendungen verwendet werden, in welchen Wärme erzeugt wird.
  • 2A zeigt ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Komponenten oder aktive Teile eines Leistungs-MOSFETs sind innerhalb eines Halbleitersubstrats oder eines Halbleiterkörpers 100 angeordnet. Die dargestellte Konfiguration ist lediglich als ein Beispiel gegeben. Wie klar zu verstehen ist, kann die Leistungshalbleitervorrichtung in irgendeiner alternativen Weise ausgeführt werden. Gemäß der in 2A gezeigten Konfiguration ist ein Sourcebereich 130 benachbart zu einer ersten Hauptoberfläche 110 des Halbleitersubstrats 100 angeordnet. Ein Drainbereich 140 ist an einer zweiten Hauptoberfläche 112 des Halbleitersubstrats 100 gelegen. Trenches bzw. Gräben 113 sind in der ersten Hauptoberfläche 110 des Halbleitersubstrats 100 gebildet. Eine Feldplatte 170 ist in einem unteren Teil des Trenches 113 angeordnet. Eine Gateelektrode 160 befindet sich in einem oberen Teil des Trenches 113. Die Gateelektrode 160 ist von einem benachbarten Halbleiterkörperbereich 120 mittels eines Gatedielektrikums 165 isoliert. Die Feldplatte 170 ist von der benachbarten Driftzone 150 mittels eines Feldplattendielektrikums 175 isoliert. Der Sourcebereich 130 ist mit einem Sourcekontakt 135 verbunden, der mit einem Sourceanschluss gekoppelt ist. Weiterhin ist die Gateelektrode 160 mit einer Gatebahn 167 gekoppelt. Das elektrisch leitende Element 200 ist über der Halbleitervorrichtung angeordnet.
  • Das elektrisch leitende Element 200 kann die in den 1A und 1B gezeigte Konfiguration haben. Das elektrisch leitende Element 200 kann eine Verdrahtungsstruktur bilden. Beispielsweise kann das elektrisch leitende Element 200 mit dem Sourcekontakt 135 gekoppelt sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das elektrisch leitende Element 200 an bestimmten Positionen angeordnet sein, an welchen eine große Menge an Wärme erzeugt wird. Beispielsweise kann das hier beschriebene elektrisch leitende Element 200 in Kombination mit einem herkömmlichen elektrisch leitenden Element verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das elektrisch leitende Element eine Komponente der Halbleitervorrichtung sein. Als ein Ergebnis kann das elektrisch leitende Element die Funktionalität dieser Komponente ausführen und außerdem als eine Wärmesenke wirken und erzeugte Wärme abführen.
  • Allgemein kann das elektrisch leitende Element einen Strom von einem aktiven Teil in dem Halbleiterkörper zu einem ersten oder zweiten Lastanschluss leiten.
  • Beispielsweise kann die Halbleitervorrichtung 190 eine vertikale Halbleitervorrichtung sein, die einen Laststrom zwischen ersten und zweiten Lastanschlusskontakten längs einer vertikalen Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche leiten kann. Wie klar zu verstehen ist, kann die Halbleitervorrichtung 190 auch eine horizontale Vorrichtung sein, die einen Laststrom zwischen ersten und zweiten Lastanschlusskontakten längs einer horizontalen Richtung leitet.
  • Die Halbleitervorrichtung 100 kann eine diskrete Halbleitervorrichtung sein, welche ein einziger Transistor in dem Halbleiterkörper ohne irgendwelche andere aktive Halbleiterelemente, die hiermit zwischenverbunden sind, ist. Obwohl passive Komponenten, wie beispielsweise Widerstände, Kondensatoren und Spulen bzw. Induktoren in und/oder auf dem Halbleiterkörper gebildet sein können, ist die diskrete Halbleitervorrichtung spezifiziert, um eine elementare elektronische Funktion durchzuführen. Obwohl die diskrete Halbleitervorrichtung 100 eine große Anzahl von Transistorzellen umfassen kann, ist die diskrete Halbleitervorrichtung 100 spezifiziert, um eine elementare elektronische Funktion durchzuführen, und nicht teilbar in getrennte Komponenten, die in sich selbst funktional sind, wie dies typisch ist für integrierte Schaltungen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine integrierte Schaltung das elektrisch leitende Element aufweisen, wie dies oben beschrieben ist. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung (IC) aus einigen wenigen bis Milliarden bzw. Billionen von aktiven Elementen bestehen, die auf einem einzigen Halbleiterkörper hergestellt und zwischenverbunden sind.
  • 2B zeigt ein Beispiel eines Leistungs-IC 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Leistungs-IC 300 umfasst einen Halbleitervorrichtungsteil 190, wie dieser in 2A gezeigt ist, und Schaltungselemente 320 zum Ausführen einer anderen Funktion, wie beispielsweise einer logischen Schaltung des Leistungs-IC. Das elektrisch leitende Element 200 kann so gebildet sein, dass es über den Halbleitervorrichtungsteil 190 und den Schaltungselementen 320 des Leistungs-IC 300 angeordnet ist. Die Schaltungselemente können aktive und passive Elemente umfassen, beispielsweise Transistoren, Dioden, Widerstände, Kondensatoren, Spulen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das elektrisch leitende Element 200 an gewissen Positionen angeordnet sein, an welchen eine große Menge an Wärme erzeugt werden kann. Beispielsweise kann das hier beschriebene elektrisch leitende Element 200 in Kombination mit einem herkömmlichen elektrisch leitenden Element verwendet werden.
  • 2C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Halbleitervorrichtung. Die Halbleitervorrichtung 195 von 2C kann eine Leistungsvorrichtung, wie oben beschrieben, oder jede andere Art einer Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise eine Diode, eine Solarzelle, eine Lichtemissionsvorrichtung und anderes sein. Die in 2C gezeigte Halbleitervorrichtung 195 umfasst weiterhin ein elektrisch leitendes Element 200, das gemustert bzw. strukturiert ist, um Linien 180 zu bilden. Wie klar zu verstehen ist, kann das elektrisch leitende Element 200 in jede andere geeignete Gestalt gemäß den Bedürfnissen der Halbleitervorrichtung gemustert bzw. strukturiert sein. Beispielsweise kann das gemusterte bzw. strukturierte elektrisch leitende Element 200 eine Verdrahtung bilden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das elektrisch leitende Element 200 eine Vielzahl von getrennten leitenden Unterelementen aufweisen, die eine ähnliche oder verschiedene Gestalt haben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das elektrisch leitende Element 200 mit einem herkömmlichen elektrisch leitenden Element kombiniert werden.
  • Die 3A bis 3H veranschaulichen ein Verfahren zum Herstellen eines elektrisch leitenden Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wismutmaterial wird über die gesamte Oberfläche eines Basismetallelements 400 zerstäubt bzw. aufgesprüht bzw. gesputtert. In diesem Zusammenhang soll der Ausdruck „über die gesamte Oberfläche“ bedeuten, dass in dieser Stufe keine Maske zum Mustern bzw. Strukturieren der Einschlüsse verwendet wird. Gemäß Ausführungsbeispielen können einige Gebiete des Basismetallelements 40 maskiert werden, wobei jedoch keine Maske zum Mustern bzw. Strukturieren der Einschlüsse verwendet wird. Beispielsweise kann das Basismetallelement 400 Aluminium umfassen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Basismetallelement 400 Kupfer oder jedes andere geeignete elektrisch leitende Material umfassen. Wie in 3A veranschaulicht ist, wird Wismut auf die Hauptoberfläche des Basisleiterelements 400 bei einer Dicke von 20 bis 1000 nm gesputtert. In einem Fall, in welchem eine kontinuierliche Schicht nicht über einem gewissen Träger gebildet wird, sondern Agglomerationen bzw. Zusammenballungen von Partikeln gebildet werden, bezieht sich der Ausdruck „Dicke“ auf die Menge an Partikeln, die eine Schicht über einem verschiedenen Träger, beispielsweise auf einem beschichtbaren oder benetzbaren Träger bilden würde, um die spezifizierte Dicke zu haben. Beispielsweise kann die Dicke 100 bis 800 nm sein. Gemäß diesem Verfahren ballen sich die Wismutpartikel 410 der dünnen Schicht zusammen, um Agglomerationen 412 zu bilden. Damit wird, wie in 3B gezeigt ist, das gesputterte Wismutmaterial nicht zu einer dünnen Schicht, sondern zu Agglomerationen 412 gebildet.
  • Danach wird, wie in 3C gezeigt ist, eine Schicht 415 über der Struktur von 3B gebildet. Beispielsweise kann die Schicht 415 das gleiche Material wie das Basisleiterelement 400 umfassen. Beispielsweise kann die Schicht 415 durch Zerstäuben bzw. Sputtern gebildet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine 2-Kammer-Sputtervorrichtung verwendet werden, um die Prozesse des Zerstäubens bzw. Sputterns der verschiedenen Materialien auszuführen. Beispielsweise kann die Schicht 415 gesputtert werden, um eine Dicke von angenähert bzw. ungefähr 0,05 bis 1 µm zu haben. Die leitende Schicht 415 wird gesputtert, um vollständig die Agglomerationen oder Tröpfchen 412 des Wismutmaterials zu bedecken. Demgemäß ist deren Dicke so gewählt, dass die Wismutagglomerationen oder - tröpfchen durch die leitende Schicht 415 bedeckt sind.
  • Danach wird, wie in 3D gezeigt ist, ein weiterer Zerstäubungs- bzw. Sputterprozess vorgenommen, um Partikel 418 einer zweiten Schicht über der leitenden Schicht 415 zu bilden. Beispielsweise kann wieder Wismut als das Material zum Bilden der Partikel 418 herangezogen werden. Das Wismut bildet Agglomerationen oder Tröpfchen 412 über der Schicht 415. Danach wird eine zweite leitende Schicht 420 über den Agglomerationen 412 und der ersten leitenden Schicht 415 gebildet. Beispielsweise kann Al oder Cu als ein Metall für die zweite leitende Schicht 420 herangezogen werden. 3F zeigt ein Beispiel einer sich ergebenden Struktur.
  • Danach wird eine weitere dünne leitende Schicht durch Sputtern bzw. Zerstäuben gebildet, um die Partikel 418 über der zweiten Schicht 420 zu bilden, wie dies in 3G gezeigt ist. Die Partikel 418 bilden Tröpfchen oder Agglomerationen 412. Dann wird eine dritte leitende Schicht 425 durch Zerstäuben bzw. Sputtern über den Agglomerationen 412 gebildet. 3H zeigt ein Beispiel der sich ergebenden Struktur.
  • Die obigen Schritte können in einer gewünschten Anzahl wiederholt werden, bis eine gewünschte Dicke des leitenden Elements erreicht ist.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können auch verschiedene Verfahren zum Bilden der Wärmesenke verwendet werden. Beispielsweise kann das Phasenänderungsmaterial über dem elektrisch leitenden Material gebildet und danach gemustert bzw. strukturiert werden, um Kontaktwarzen mit einer beliebigen Gestalt, beispielsweise rechteckförmig oder kreisförmig oder gekrümmt, zu bilden. Danach kann eine weitere leitende Schicht über den Kontaktwarzen gebildet werden, gefolgt durch ein weiteres Verfahren des Bildens des Phasenänderungsmaterials. Beispielsweise kann das Phasenänderungsmaterial unter Verwendung einer geeigneten Maske gemustert bzw. strukturiert werden, beispielsweise durch ein fotolithografisches Verfahren. Abhängig von dem Herstellungsverfahren können die Einschlüsse des Phasenänderungsmaterials in einem regelmäßigen oder einem unregelmäßigen Muster angeordnet werden.
  • 4 fasst die Schritte eines allgemeinen Verfahrens zum Herstellen einer Wärmesenke gemäß einem Ausführungsbeispiel zusammen. Das Verfahren umfasst ein Bilden (S400) eines elektrisch leitenden Materials und ein Bilden (S410) einer Vielzahl von Agglomerationen eines Phasenänderungsmaterials, wobei das Phasenänderungsmaterial eine Phasenübergangstemperatur zwischen 150°C und 400°C hat. Das Verfahren kann weiterhin ein Bilden (S420) einer elektrisch leitenden Schicht über einer Oberfläche des elektrisch leitenden Materials und den Agglomerationen umfassen. Danach kann die Wärmesenke weiter verarbeitet werden (S430), beispielsweise durch Mustern bzw. Strukturieren des Materials oder durch Bilden von weiteren Schichten, die beispielsweise ein isolierendes Material über der Wärmesenke aufweisen.
  • Wie oben beschrieben wurde, sehen die vorliegenden Ausführungsbeispiele ein elektrisch leitendes Element vor, das Wärme bei hoher Wirksamkeit absorbieren kann. Aufgrund der Tatsache, dass die Einschlüsse des Phasenänderungsmaterials einer Phasenänderung unterworfen sind, kann die Menge an Energie je Masseneinheit, die gespeichert werden kann, stark erhöht werden. Das heißt, die Menge an Energie je Masseneinheit, die durch einen Schmelzprozess gespeichert werden kann, ist angenähert zwei Größenordnungen höher als die Energie, die durch die Wärmekapazität gespeichert werden kann, wenn Cu oder Al um ein Grad erwärmt wird. Demgemäß kann aufgrund des Vorhandenseins des Phasenänderungsmaterials eine größere Menge an Wärme abgeführt bzw. verbraucht werden. Als ein Ergebnis kann ein Überhitzen des Halbleitermaterials oder des Basismaterials vermieden werden. Als ein Ergebnis können durch (mechanische) Spannung induzierte Effekte, wie beispielsweise eine Zwischenflächenabblätterung bzw. -spaltung oder Sprünge bzw. Risse, vermieden werden. Weiterhin kann die Lebensdauer der Vorrichtung gesteigert werden. Weiterhin können aufgrund der wirksamen Absorption von Wärme Probleme, die auftreten, wenn der Ausdehnungskoeffizient des Halbleitermaterials verschieden ist von dem Ausdehnungskoeffizient der Metallisierungsschicht, vermieden werden.
  • Beispielsweise kann das beschriebene elektrisch leitende Element in einer Metallisierungsschicht verwendet werden, die elektrisch mit externen Komponenten mittels Verbindungs- bzw. Bonddrähten gekoppelt sein kann. Weiterhin kann das elektrisch leitende Element in einem Bereich nahe zu der Oberfläche des Halbleitermaterials oder des Basismaterials angeordnet werden, um wirksam Wärme abzuführen bzw. zu verbrauchen.
  • Aufgrund der gesteigerten Energiemenge, die durch das beschriebene elektrisch leitende Element absorbiert werden kann, und der Wirksamkeit des Wärmeübertragungsprozesses kann die Dicke des elektrisch leitenden Elements bezüglich eines herkömmlichen elektrisch leitenden Elements reduziert werden. Als ein Ergebnis können Probleme während der Herstellung der Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise eines Waferbiegens, vermieden werden. Weiterhin können aufgrund der reduzierten Dicke des elektrisch leitenden Elements durch (mechanische) Spannung induzierte Effekte, wie beispielsweise eine Zwischenflächenabblätterung oder Risse bzw. Sprünge, vermieden werden. Somit kann die Lebensdauer der Vorrichtung gesteigert werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein isolierendes Material über dem leitenden Element angeordnet werden.

Claims (20)

  1. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) umfassend: einen Halbleiterkörper (100), wobei aktive Bereiche der Leistungs-Halbleitervorrichtung in dem Halbleiterkörper gebildet sind, und ein elektrisch leitendes Element (200), das elektrisch mit mindestens einem aktiven Bereich im Halbleiterkörper (100) verbunden ist, wobei das elektrisch leitende Element (200) folgendes umfasst: ein elektrisch leitendes Material (210) und eine Vielzahl von Einschlüssen (220) eines Phasenänderungsmaterials, das eine Phasenübergangstemperatur Tc zwischen 150°C und 400°C hat, wobei die Einschlüsse (220) voneinander getrennt und in das elektrisch leitende Material (210) eingebettet sind.
  2. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach Anspruch 1, bei dem das Phasenänderungsmaterial fest bei einer Temperatur unterhalb Tc und flüssig bei einer Temperatur oberhalb Tc ist.
  3. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Phasenänderungsmaterial wenigstens ein Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zinn, Wismut, Zink und Indium besteht.
  4. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das elektrisch leitende Material (10) ein Metall ist.
  5. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach Anspruch 4, bei dem das Metall Aluminium oder Kupfer ist.
  6. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einschlüsse (220) einen Durchmesser von 0,1 bis 10 µm haben.
  7. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Massenverhältnis des Phasenänderungsmaterials zu dem elektrisch leitenden Element (200) mehr als 30 Massen-% und weniger als 95 Massen-% ist.
  8. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Volumenverhältnis des Phasenänderungsmaterials zu dem elektrisch leitenden Element (200) mehr als 35 Volumen-% und weniger als 95 Volumen-% ist.
  9. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das elektrisch leitende Element (200) eine Dicke zwischen 1 µm und 100 µm hat.
  10. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das elektrisch leitende Element (200) unter Ausbildung von Leitungen strukturiert ist.
  11. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das elektrisch leitende Element (200) wenigstens an einer Seite des Halbleiterkörpers und unter Ausbildung einer Verdrahtungsstruktur strukturiert ist.
  12. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das elektrisch leitende Element (200) gestaltet ist, um einen Strom von dem aktiven Teil in dem Halbleiterkörper zu einem ersten oder zu einem zweiten Lastanschluss zu leiten.
  13. Leistungs-Halbleitervorrichtung (190) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbleitervorrichtung (190) eine vertikale Halbleitervorrichtung ist, die einen ersten Lastanschlusskontakt an einer ersten Seite des Halbleitersubstrats und einen zweiten Lastanschlusskontakt an einer zweiten Seite des Halbleitersubstrats entgegengesetzt zu der ersten Seite aufweist, und wobei die Halbleitervorrichtung gestaltet ist, um einen Laststrom zwischen den ersten und zweiten Lastanschlusskontakten längs einer vertikalen Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche zu leiten, wobei das elektrisch leitende Element gestaltet ist, um einen Strom von der Komponente in dem Halbleiterkörper zu dem ersten oder zu dem zweiten Lastanschluss zu leiten.
  14. Leistungs-Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Transistorzellarray, wobei das elektrisch leitende Element elektrisch mit wenigstens einem von der Gruppe gekoppelt ist, die aus einem Sourceanschluss des Transistorzellarrays, einem Drainanschluss des Transistorzellarrays und einem Gateanschluss des Transistorzellarrays besteht.
  15. Verfahren zum Herstellen einer Leistungs-Halbleitervorrichtung (190, 195), welche einen Halbleiterkörper (100) und ein elektrisch leitendes Element (200) umfasst, wobei aktive Bereiche der Leistungs-Halbleitervorrichtung in dem Halbleiterkörper ausgebildet werden, und mindestens ein aktiver Bereich im Halbleiterkörper (100) mit dem elektrisch leitenden Element (200) verbunden wird und das Ausbilden des elektrisch leitenden Elements (200) folgendes umfasst: Bilden eines elektrisch leitenden Materials (400) und Bilden einer Vielzahl von Agglomerationen (412) eines Phasenänderungsmaterials, das eine Phasenübergangstemperatur zwischen 150°C und 400°C hat.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend ein Bilden einer elektrisch leitenden Schicht (415) über einer Oberfläche des elektrisch leitenden Materials (400) und den Agglomerationen (412).
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die dünne Schicht durch Sputtern bzw. Zerstäuben gebildet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem ein Bilden der Vielzahl von Agglomerationen (412) ein Bilden einer dünnen Schicht von 20 bis 1000 nm des Phasenänderungsmaterials auf dem elektrisch leitenden Material (400) durch Sputtern bzw. Zerstäuben umfasst.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem das Phasenänderungsmaterial wenigstens ein Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zinn, Wismut, Zink und Indium besteht.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem ein Durchmesser der Agglomerationen (412) 0,05 bis 10 µm beträgt.
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