TWI834328B

TWI834328B - 半導體元件

Info

Publication number: TWI834328B
Application number: TW111137827A
Authority: TW
Inventors: 陳政權
Original assignee: 創世電股份有限公司
Priority date: 2022-10-05
Filing date: 2022-10-05
Publication date: 2024-03-01

Abstract

本發明提供一種半導體元件，其包含基板、設置在基板上的半導體工作層、設置在半導體工作層之上表面上的絕緣層、設置在半導體工作層之上表面上且在絕緣層中的複數個導電電極及浮置在半導體工作層之上表面上且在絕緣層中的至少一個金屬層。金屬層不接觸導電電極，並與任一個導電電極電性絕緣。藉由浮置至少一個金屬層在半導體工作層上，並控制金屬層及導電電極在半導體工作層之上表面上的占據面積，以有效提升半導體元件的散熱效果。

Description

半導體元件

本發明是關於一種半導體元件，特別是關於一種具有散熱效果的半導體元件。

功率半導體元件是與電源及電力控制應用相關的元件，其主要特徵為操作功率高且切換速度快，故有助於降低導通電阻及提高能源的轉換效率。習知功率半導體是以矽為基材進行晶片設計，然而，近年來，氮化鎵(GaN)等第三類半導體材料在功率半導體元件的應用已逐漸上升。

功率半導體基本上可分為功率離散元件(power discrete)與功率積體電路(power IC)二大類，其中功率離散元件包含金屬氧化物半導體場效電晶體(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)、二極體(diodes)及絕緣閘雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。

由於功率半導體在汽車工業的佔比高，且電動車對於功率半導體的需求更高於傳統燃油車，故隨著電動車產業的成長，功率半導體在汽車工業的需求將隨之上升。再者，在功率半導體的進步欲使元件具有更高的功率，但其伴隨而來的是元件散熱的問題。若無法解決散熱的問題，則無法進一步提升功率半導體的功率。

本發明之一態樣是提供一種半導體元件，其包含在半導體工作層上的金屬層，以提升半導體元件的散熱效果。

根據本發明之一態樣，提供一種半導體元件，其包含基板、設置在基板上的半導體工作層、設置在半導體工作層之上表面上的絕緣層、設置在半導體工作層之上表面上且在絕緣層中的複數個導電電極及浮置在半導體工作層之上表面上且在絕緣層中的至少一個金屬層。金屬層不接觸導電電極，並與任一個導電電極電性絕緣。半導體工作層之上表面具有第一面積。導電電極在半導體工作層之上表面上占據的總表面積為第二面積。金屬層在半導體工作層之上表面上占據的總表面積為第三面積。第二面積與第三面積的總和小於第一面積。

根據本發明之一實施例，上述第二面積小於第三面積。

根據本發明之一實施例，上述第二面積與第三面積的總和相對於第一面積的比值為0.5至0.9。

根據本發明之一實施例，上述第三面積相對於第一面積的比值為0.3至0.8。

根據本發明之一實施例，上述導電電極及金屬層分別包含共晶材料，且共晶材料係選自於金、金/錫、錫/銀/鉍、錫/銀/鉍/銅、錫/銀/銅或其組合所組成之群組。

根據本發明之一實施例，上述半導體工作層包含至少一個載子通道層及至少一個載子阻擋層，且載子通道層與載子阻擋層之間具有二維電子氣(2DEG)。

根據本發明之一實施例，上述載子通道層包含氮化鎵，且載子阻擋層包含氮化鋁鎵。

根據本發明之一實施例，上述半導體元件為功率半導體元件，且功率半導體元件包含二極體及電晶體。

根據本發明之一實施例，上述基板係選自於藍寶石、矽、氧化鎵及矽-氮化鋁的複合材料所組成之群組。

根據本發明之一實施例，上述導電電極包含至少一個源極電極、至少一個汲極電極及複數個閘極電極。

應用本發明之半導體元件，藉由浮置至少一個金屬層在半導體工作層上，並控制金屬層及導電電極在半導體工作層之上表面上的占據面積，以有效提升半導體元件的散熱效果。

100:半導體元件

110:基板

120:載子通道層

125:載子阻擋層

130:半導體工作層

140:導電電極

141:汲極電極

143:源極電極

145A,145B:閘極電極

150:金屬層

160:絕緣層

230:半導體工作層

240:導電電極

241:汲極電極

243:源極電極

245A,245B:閘極電極

250:金屬層

300:半導體裝置

310:熱電分離基板

315:導電線路層

320:導熱金屬層

根據以下詳細說明並配合附圖閱讀，使本揭露的態樣獲致較佳的理解。需注意的是，如同業界的標準作法，許多特徵並不是按照比例繪示的。事實上，為了進行清楚討論，許多特徵的尺寸可以經過任意縮放。

[圖1]繪示根據本發明一些實施例之半導體元件的剖面示意圖。

[圖2A]至[圖2D]繪示根據本發明一些實施例之半導體元件的俯視示意圖。

[圖3]繪示根據本發明一些實施例之半導體裝置的剖面示意圖。

以下揭露提供許多不同實施例或例示，以實施發明的不同特徵。以下敘述之組件和配置方式的特定例示是為了簡化本揭露。這些當然僅是做為例示，其目的不在構成限制。舉例而言，第一特徵形成在第二特徵之上或上方的描述包含第一特徵和第二特徵有直接接觸的實施例，也包含有其他特徵形成在第一特徵和第二特徵之間，以致第一特徵和第二特徵沒有直接接觸的實施例。除此之外，本揭露在各種具體例中重覆元件符號及/或字母。此重覆的目的是為了使說明簡化且清晰，並不表示各種討論的實施例及/或配置之間有關係。

再者，空間相對性用語，例如「下方(beneath)」、「在...之下(below)」、「低於(lower)」、「在...之上(above)」、「高於(upper)」等，是為了易於描述圖式中所繪示的零件或特徵和其他零件或特徵的關係。空間相對性用語除了圖式中所描繪的方向外，還包含元件在使用或操作時的不同方向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或在其他方向)，而本揭露所用的空間相對性描述也可以如此解讀。

如本發明所使用的「大約(around)」、「約(about)」、「近乎(approximately)」或「實質上(substantially)」一般係代表在所述之數值或範圍的百分之20以內、或百分之10以內、或百分之5以內。

習知利用覆晶封裝的半導體裝置僅利用做為導電電極的金屬柱或金屬球進行散熱，然而對於功率半導體裝置而言，習知裝置的散熱效果不足以使較高功率(例如100瓦以上)的功率半導體裝置有效地散熱。因此，本發明提供一種半導體元件，藉由浮置至少一個金屬層在半導體工作層上，並控制金屬層及導電電極在半導體工作層之上表面上的占據面積，以有效提升半導體元件的散熱效果，進而可應用於高功率半導體裝置中。須理解的是，前述高功率半導體裝置的功率為100瓦以上。

請參閱圖1，其繪示根據本發明一些實施例之半導體元件100的剖面示意圖。半導體元件100包含基板110及在基板110上的半導體工作層130。在一些實施例中，基板110可為藍寶石(sapphire)基板、矽基板、氧化鎵(Ga₂O₃)基板、矽-二氧化矽(Si-SiO₂)的複合基板或矽-氮化鋁(Si-AlN)的複合基板，或是這些基板的任意組合。在一些實施例中，半導體工作層130包含載子通道層120及載子阻擋層125，且載子通道層120及載子阻擋層125之間具有二維電子氣(two-dimensional electron gas， 2DEG)。在一些實施例中，載子通道層120包含氮化鎵(GaN)，而載子阻擋層125包含氮化鋁鎵(AlGaN)。在一些實施例中，半導體元件100可選擇性地包含設置在基板110及半導體工作層130之間的緩衝層(buffer layer，圖未繪示)，其可例如為氮化鎵、氮化鋁(AlN)或氮化鋁鎵(AlGaN)。

半導體元件100包含設置在半導體工作層130之上表面上的多個導電電極140。在一些實施例中，導電電極140包含汲極電極141、源極電極143、閘極電極145A及閘極電極145B。應理解的是，導電電極140的數量及種類不限於前述組合。在一些實施例中，導電電極140包含共晶(eutectic)材料，其可為金、金/錫、錫/銀/鉍、錫/銀/鉍/銅、錫/銀/銅或其組合。

半導體元件100包含浮置(floating)在半導體工作層130之上表面上的金屬層150，即不接觸半導體工作層130。金屬層150不接觸導電電極140之任一者，並與每一個導電電極140電性絕緣。金屬層150是做為散熱墊。在一些實施例中，金屬層150的材料可為銅、鋁、銀、金、其合金或其他具有較佳導熱性質的金屬材料。在一些實施例中，金屬層150還包含在金屬材料上的共晶材料，其可為金、金/錫、錫/銀/鉍、錫/銀/鉍/銅、錫/銀/銅或其組合。

在一些實施例中，半導體元件100可選擇性地包含設置在半導體工作層130上的絕緣層160。導電電極140及金屬層150設置在絕緣層160中，以隔絕導電電極 140及金屬層150。在一些實施例中，絕緣層160包含二氧化矽(SiO₂)、氮化矽(SiN)及其組合。在一些實施例中，半導體元件100為功率半導體元件，且功率半導體元件包含電晶體(transistor)。此外，在其他實施例中，功率半導體元件不僅包含電晶體，而且還包括二極體。在一些實施例中，半導體元件100的功率可為100瓦以上，例如100瓦至2000瓦。在一些實施例中，半導體元件100的尺寸(即面積)可為4平方公厘至144平方公厘，例如2mm×2mm至12mm×12mm。

請參閱圖2A至圖2D，其繪示根據本發明一些實施例之半導體元件的俯視示意圖。請參閱圖2A，導電電極(包含汲極電極241、源極電極243、閘極電極245A、閘極電極245B)及金屬層250設置在半導體工作層230的上表面上，其中導電電極設置在金屬層250的周圍。

請參閱圖2B，汲極電極241及源極電極243分別設置在半導體工作層230的兩端，而閘極電極245A及閘極電極245B設置在汲極電極241及源極電極243之間。金屬層250A設置在源極電極243與閘極電極245A及閘極電極245B之間，而金屬層250B設置在汲極電極241與閘極電極245A及閘極電極245B之間。圖2A及圖2B所繪示之導電電極為金屬電極墊，但本發明不限於此，即在此配置下，亦可改為使用圓形電極或其他形貌的電極。

請參閱圖2C，導電電極240及金屬層250設置在半導體工作層230上，且金屬層250設置在導電電極 240之間，其中金屬層250係配置為H型，以增加導熱的面積。請參閱圖2D，導電電極240分別設置在半導體工作層230的四個角落，而金屬層250設置在半導體工作層230的中心，並隔開四個導電電極240。圖2C及圖2D繪示之導電電極為圓形電極，但本發明不限於此，即此配置亦可利用金屬電極墊或其他形貌的電極。

在上述圖2A至圖2D繪示的實施例中，以半導體工作層230的上表面為第一面積，導電電極240在半導體工作層230的上表面上占據的總表面積為第二面積，而金屬層250在半導體工作層230的上表面占據的總表面積為第三面積，則第二面積與第三面積的總和會小於第一面積。應理解的是，導電電極240及金屬層250皆具有散熱的效果。在一些實施例中，第二面積小於第三面積，則可使散熱效果增加。在一些實施例中，第二面積與第三面積的總和相對於第一面積的比值為約0.5至約0.9，以使半導體工作層230上的大部分區域都具有散熱效果。在一些實施例中，第三面積相對於第一面積的比值為約0.3至約0.8，以使具有較佳散熱效果的金屬層250在半導體工作層230的表面占據較大的面積。

請參閱圖3，其繪示根據本發明一些實施例之半導體裝置300的剖面示意圖。如圖3所示，半導體裝置300包含將半導體元件100(包括基板110與半導體工作層130，但圖3未標示)覆晶接合在熱電分離基板310上。在一些實施例中，熱電分離基板310具有導電線路層315 及導熱金屬層320。在一些具體例中，熱電分離基板310為包含導電線路層及導熱陶瓷材料的複合基板，其可為金屬陶瓷複合基板，例如銅金屬-陶瓷基板、鋁金屬-陶瓷基板及銅/鋁-陶瓷基板，其中陶瓷基板的材料可為氮化鋁或氧化鋁。

在一些實施例中，半導體元件100的導電電極140及金屬層150係分別與熱電分離基板310的導電線路層315及導熱金屬層320接合，其可利用例如高溫金屬共金或金屬燒結等金屬鍵結的方式來與熱電分離基板310接合。在另一些實施例中，可覆晶接合多個半導體元件100在同一個熱電分離基板310上。須理解的是，由於金屬層150不與導電電極140接觸，亦不與熱電分離基板310的導電線路層315連接，故金屬層150不參與導電電極140與熱電分離基板310之間的電性操作，即半導體元件100的電性操作。換言之，金屬層150僅用以導熱，而不參與半導體元件100(例如晶片)的電性操作，故可設計為不電性接觸任何導電電路或僅導電接地。因此，設置在半導體工作層130之上表面上的金屬層150與導電電極140可提高半導體裝置300的導熱路徑。

如上所述，本發明提供一種半導體元件，其係藉由浮置至少一個金屬層在半導體工作層上，並控制金屬層及導電電極在半導體工作層之上表面上的占據面積，以有效提升半導體元件的散熱效果。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。