具有冷却材料的功率半导体设备的制作方法
【专利摘要】具有冷却材料的功率半导体设备。半导体设备包括布线结构，该布线结构从至少一侧邻接半导体体身并且具有至少一个导电连接。半导体设备此外在布线结构中具有冷却材料，该冷却材料的特征是在150℃至400℃之间的温度Tc时在吸收能量的情况下发生结构变化。
【专利说明】具有冷却材料的功率半导体设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有冷却材料的功率半导体设备。
【背景技术】
[0002]在例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、二极管、晶闸管和功率场效应晶体管(功率FET)的功率半导体设备中，可能在正向或导通运行模式和反向或截止运行模式中出现高热负荷。这些高热负荷可能例如伴随有电流丝化和热点(Hot-Spots)，在极端运行条件下(例如超出规格之外的工作条件)所述电流丝化和热点可能导致功率半导体设备毁坏。
[0003]希望能够改善功率半导体设备中的散热。
【发明内容】
[0004]因此本发明的任务是说明一种满足上述要求的功率半导体设备。
[0005]按照本发明，该任务通过具有权利要求1所述特征的一种功率半导体设备来解决。由从属权利要求得出有利的改进。
[0006]按照一种实施方式，功率半导体设备包括布线结构，该布线结构从至少一侧邻接半导体体身并且具有至少一个导电连接。此外功率半导体设备具有布线结构中的冷却材料，该冷却材料的特征在于在150°C至400°C之间的温度Tc时吸收能量的情况下发生结构变化。
[0007]专业人员在阅读以下说明并且观察附图之后将会认识到附加的特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]附图用于进一步理解本发明并且包含在本发明的公开之中以及构成本发明的一部分。附图示出本发明的实施例，并且与说明书一起评价所预期的优点，因为通过提示以下详细说明更好地理解这些优点。附图的元件不一定相对于彼此比例正确。相同的附图标记说明对应的类似的部件。
[0009]图1A示出包括冷却材料和多个晶体管单元的功率晶体管的等效电路的实施例。
[0010]图1B示出具有封装在布线结构中的冷却材料的功率晶体管的等效电路的实施例。
[0011]图1C示出包括冷却材料的功率晶体管设备的一部分电连接的等效电路的实施例。
[0012]图1D至IH示出包括冷却材料的沟道栅晶体管单元的实施例的剖面图。
[0013]图2示出有半导体体身和布线结构的功率半导体设备的实施例的简化的示意性剖面图，其中所述布线结构具有冷却材料。
[0014]图3A示出由连续的冷却材料层所覆盖的两个晶体管单元的俯视图。
[0015]图3B示出多个晶体管单元的俯视图，其中每个晶体管单元包括分开的或者自身的冷却材料部分。[0016]图4示出二极管的实施例的剖面图，该二极管包括冷却材料作为二极管的一部分或者与二极管的电连接邻接。
【具体实施方式】
[0017]在以下详细说明中参考附图，这些附图构成公开内容的一部分并且其中示出专用于说明的实施例，在这些实施例中可以实施本发明。可以使用其它实施例，并且可以作出结构上的或者逻辑上的改变，而不会偏离本发明。例如可以将针对一实施例所示的或所说明的特征用于其它实施例或者与其它实施例相关联地使用，以便得到另一个实施例。毋庸置疑，本发明包括此类修改和变化。使用特殊的语言描述这些示例，不应将这些语言理解为限制所附权利要求的范围。附图并非比例正确的并且仅用于说明目的。为了清楚起见，如果没有另行说明，则在不同附图中给相应的元件配以相同的附图标记。
[0018]术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”和类似的术语均为开放性术语，并且这些术语均表示确定的结构、元件或者特征的存在，但是不排除附加元件或特征。如果从上下文看不出明显不同之处，则不定冠词和定冠词应当包括复数以及单数。
[0019]图通过掺杂类型“η”或“p”旁边的上标或“ + ”表示相对掺杂浓度。例如“η_”表示掺杂浓度低于“η”掺杂区的掺杂浓度，而“η+”掺杂区则具有比“η”掺杂区更高的掺杂浓度。相同的相对掺杂浓度的掺杂区并非一定具有相同的绝对掺杂浓度。例如两个不同的“η ”掺杂区可以具有相同或者不同的绝对掺杂浓度。
[0020]“电连接”这一表达描述电连接元件之间永久的低欧姆连接，例如有关元件之间的直接接触或者通过金属和/或高掺杂半导体的低欧姆连接。
[0021 ] “电耦合”这一表达包括:电耦合元件之间可以存在一个或者多个位于其间的适合于信号传输的元件，例如用以在第一状态下提供低欧姆连接并且在第二状态下提供高欧姆去耦的可控元件。
[0022]图1A示出包括晶体管110的功率半导体设备100的等效电路图。按照一种实施例，晶体管Iio是场效应晶体管(FET)，例如横向或垂直FET。按照另一种实施例，晶体管100是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。半导体设备也可以是包括交替的P掺杂区和η掺杂区(例如柱或者条)的超结设备。按照一种实施例，功率半导体设备是分立的半导体设备。按照另一种实施例，功率半导体设备是包括晶体管110和其它电路元件的集成电路，例如其它晶体管-例如FET、双极晶体管、电阻、电容器和其它有源或无源电路元件。
[0023]晶体管110包括半导体体身中的多个晶体管单元120a至120η。按照一种实施例，并联晶体管单元的数量可以在10至10000之间。按照一种实施例，可以参考功率晶体管的所希望的接通电阻来选择晶体管单元的数量。按照一种实施例，晶体管是诸如功率FET或者功率IGBT的晶体管，并且例如通过适当地选择晶体管单元的数量被适当地确定规格，以便在第一和第二负载端子之间传导IA以上的电流。晶体管110可以包括超结结构。
[0024]半导体体身可以包括半导体衬底，例如硅(Si)衬底、氮化硅(SiC)衬底、氮化镓(GaN)衬底或者其它的单个半导体或化合物半导体衬底。此外可以在半导体衬底上形成一个或多个可选的半导体层，例如外延半导体层。按照一种实施例，半导体体身包括一种具有宽带隙的材料，其中所述带隙大于1.7eV。具有宽带隙的材料可以是由磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)作为示例构成的材料。按照另一种实施例，半导体体身是薄的硅衬底，也就是厚度小于80 μ m或者小于50 μ m的硅衬底，该硅衬底可以通过从基衬底的正面和/或背面去除衬底材料来制造。
[0025]在一种实施例中，晶体管110是功率晶体管，并且功率半导体设备100是分立的功率晶体管设备或者集成的功率半导体电路。例如可以将晶体管单元120a至120η构造成双极NPN晶体管、双极PNP晶体管、η-沟道-FET、ρ-沟道-FET和IGBT。
[0026]每一个晶体管单元120a至120η均包括第一负载端子121a至121η、第二负载端子122a至122η和控制端子123a至123η。按照一种实施例，晶体管单元120a至120η被适当地确定规格，以便在第一负载端子121a至121η和第二负载端子122a至122η之间引导IA以上的电流，从而涉及一种功率晶体管设备。
[0027]在双极晶体管的情况下，第一负载端子121a至121η可以是发射极端子，第二负载端子122a至122η可以是集电极端子，并且控制端子123a至123η可以是基极端子。关于以上对应关系，第一和第二负载端子121a至121n、122a至122η的对应关系可以互换。换句话说，第一负载端子121a至121η可以是集电极端子，并且第二负载端子122a至122η可以是发射极端子。
[0028]在FET的情况下，第一端子121a至121η可以是源极端子，第二负载端子122a至122η可以是漏极端子，并且控制端子123a至123η可以是栅极端子。关于以上对应关系，第一和第二负载端子121a至121n、122a至122η的对应关系可以互换。换句话说，第一负载端子121a至121η可以是漏极端子，并且第二负载端子122a至122η可以是源极端子。
[0029]在IGBT的情况下，第一负载端子121a至121η可以是发射极端子，第二负载端子122a至122η可以是集电极端子，并且控制端子123a至123η可以是栅极端子。关于以上对应关系，第一和第二负载端子121a至121n、122a至122η的对应关系可以互换。换句话说，第一负载端子121a至121η可以是集电极端子，并且第二负载端子122a至122η可以是发射极端子。
[0030]第一负载端子121a至121η通过第一电连接140与晶体管单元布置源极端子150电连接，例如与源极接合焊盘或者与源极线路的接触区电连接。第二负载端子122a至122η通过第二电连接145与晶体管单元布置漏极端子155电连接，例如与漏极接合焊盘或者与漏极线路的接触区电连接。控制端子123a至123η通过栅极线路165与晶体管单元布置栅极端子160电连接，例如与栅极接合焊盘或者与栅极线路的接触区电连接。
[0031]电连接140、145和栅极线路165可以包括低欧姆材料,例如金属、金属合金和高掺杂半导体中的一种、多种或者任意组合。按照一种实施例，电连接是一个布线层或多个布线层和布线层之间的中间连接元件的一部分，例如贯穿孔。按照一种实施例，栅极线路165包括掺杂的多晶硅栅极线路材料。布线层(一个或多个)、贯穿孔(一个或多个)、布线层之间的电介质均为从至少一侧、例如从正面和/或背面与半导体体身邻接的布线结构的一部分。
[0032]在分立半导体设备的情况下，晶体管单元布置源极端子150、晶体管单元布置漏极端子155和晶体管单元布置栅极端子160可以是接合焊盘。
[0033]在集成电路的情况下，晶体管单元布置源极端子150、晶体管单元布置漏极端子155和晶体管单元布置栅极端子160中的至少一个端子与半导体设备的另一个电路元件、也就是集成在半导体体身中的另一个电路元件电耦合。按照一种实施例，晶体管单元布置栅极端子160与集成在半导体体身中的栅极驱动电路电耦合。
[0034] 晶体管110包括冷却材料，在图1A的等效电路图中通过简化的元件130a，…，130f表示该冷却材料。晶体管Iio可以包括通过130a，…，130f表示的一种冷却元件、冷却元件的任意组合或者所有冷却元件。冷却材料可以与从晶体管单元布置源极端子150至一个或多个或所有第一负载端子121a,..., 121η的第一电连接140接触,或者构成该第一电连接140的一部分。按照一种实施例，冷却材料与第一电连接140的元件130b接触或者构成所述元件的一部分，所述元件与每一个第一负载端子121a，…，121η分开。换句话说，每一个晶体管单元均包括冷却材料的分开部分，所述冷却材料与第一电连接140的相应部分接触或者构成其一部分，其中第一电连接140在第一负载端子121a，-,121η的相应端子与第一电连接140的一部分之间，所述第一电连接在第一负载端子121a，-,121η的所有端子之间共同划分。附加地或者替换地，冷却材料与共同用于每一个第一负载端子121a，...，121η的第一电连接140的元件130a接触或者构成该元件的一部分。
[0035]附加地或者替换地，冷却材料可以与从晶体管单元布置漏极端子155至第二负载端子122a，...，122η中的一个或多个或所有端子的第二电连接145接触，或者构成该第二电连接145的一部分。按照一种实施例，冷却材料与第二电连接145的元件130d接触或者构成元件130d的一部分，所述元件130d对于每一个第二负载端子122a，…，122η是分开。换句话说，每一个晶体管单元均包括冷却材料的分开部分，该冷却材料与第二电连接145的相应部分接触或者构成其一部分，所述第二电连接145在第二负载端子122a，…，122η的相应负载端子和第二电连接145的一部分之间，所述第二电连接在第二负载端子122a，...，122η的所有负载端子之间共同划分。附加地或替换地，冷却材料与对于每一个第二负载端子122a，…，122η共同的第二电连接145的元件130c接触或者构成其一部分。
[0036]附加地或者替换地，冷却材料可以与从晶体管单元布置栅极端子160至一个或多个或几个或所有控制端子123a，…，123η的栅极线路165接触或者构成其一部分。按照一种实施例，冷却材料与对于每一个控制端子123a，…，123η分开的栅极线路165的元件130f接触或者构成其一部分。换句话说，每一个晶体管单元均包括冷却材料的分开部分，该冷却材料与位于控制端子123a，…，123η的相应控制端子和一部分栅极线路165之间的栅极线路165的相应部分接触或者构成其一部分，该栅极线路165在所有控制端子123a，…，123η之间共同划分。附加地或者替换地，冷却材料与对于每一个控制端子123a，…，123η共同的栅极线路165的元件130e接触或者构成其一部分。
[0037]按照一种实施例，冷却材料在芯片正面、例如在芯片布线层上或下面与半导体体身的表面接触地布置，并且/或者布置在与半导体体身的表面邻接的介电层上。附加地或者替换地，可以将冷却材料布置在芯片的背面上，例如以确定部分的形式和/或作为覆盖多个晶体管单元的连续区域。作为示例，冷却材料可以是布线层的一部分，例如背面上的金
属层堆叠。
[0038]布线结构中的冷却材料的特征在于在150°C至400°C之间的温度Tc时、在吸收能量情况下发生结构变化。在所说明的温度范围内吸收能量起到冷却作用，并且改善功率半导体设备的热稳定性，因为例如抵消由于电流集中引起的温度继续升高而造成的电流丝化。
[0039]按照一种实施例，冷却材料是一种相变材料(PCM, phase change material),并且在150°C至400°C或者在200°C至300°C之间的相变温度Tc时具有固体-固体相变。按照一种实施例，PCM在相变温度Tc以下呈晶态，并且在相变温度Tc的跨度上呈非晶态。
[0040]在半导体设备100的在运行期间承载高电流密度和高热负荷或负载的区域中可以局部地或者大面积地设置晶态形式的PCM。此类区域可以是在开关期间的高热负荷的区域，或者是高电场的区域，例如IGBT、二极管、功率FET的源极区域或者发射极区域或者边缘区域，早期雪崩击穿或者闩锁效应区域，例如包括导致局部地和大程度地降低了设备击穿电压的击穿二极管在内的区域，深沟道以及包括晶闸管的放大栅极结构在内的区域。也可以将PCM置于栅极区域中，例如栅极连接。在这种情况下，由于局部升高的温度，例如由于电流丝化，结果引起在各个栅极的良好受控断开中PCM的比电阻由温度感应出的升高。
[0041]在这些区域中的短而且强烈的电流脉冲期间，PCM在短持续时间内、例如在50ns至200ns的持续时间内的相变温度Tc时具有固体-固体-相变，并且在其保持在相变温度Tc期间吸收潜热。换句话说，PCM起到热沉的作用，并且热可以通过PCM被有效排出或消耗。该特性在设置有PCM的半导体设备100的区域中抵抗了高温的出现，并且因此抵抗热点产生和在半导体设备100的这些区域中出现损伤。
[0042]相变温度Tc以及通过PCM吸收的潜热可以通过选择PCM或者组合相变材料来相应地调整。可以通过测定局部存在的PCM来调整PCM所吸收的潜热的量。可以关于潜热、局部散热或局部热消耗和电导率的最佳组合调整PCM的厚度。
[0043]有很多PCM-例如盐(例如MnH2O)、有机PCM (例如CnH2n+2)和PCM的共晶化合物——均具有特征性的相变温度Tc和潜热。按照一种实施例，PCM包括硫族化合物，例如GeSbTe (锗-锑-碲或者GST)。
[0044]可以用碳(C)、氮(N)、氧(O)或铟(In)或者它们的组合对PCM(例如GeSbTe)进行掺杂，以便调整相变温度Tc。C和N的掺杂浓度通常在2%至10%的范围内，并且相变温度Tc倾向于随着掺杂浓度升高而上升。由此例如可以在200°C至300°C之间调整相变温度。
[0045]由于例如短路或者由于宇宙射线事件引起的高振幅的短电流脉冲可以引起从晶相到非晶相的相变。处于非晶相的PCM的比电阻显著高于晶相。因此相变由于比电阻升高而引起电压降，这的抗了电流丝化的形成并且导致电流丝化的瓦解。PCM的比电阻在晶相时可处在10_4Qcm至10_2 Qcm之间，也就是说是低欧姆的，并且在非晶相时处在I Qcm至IO3 Ω cm 之间。
[0046]PCM的相变是可逆的，并且PCM的非晶部分可以通过适当处理(例如加热)转变成晶体形式。可以通过在延伸的持续时间上施加的适度电流实现加热，所述持续时间将非晶材料加热到结晶温度以上并且将非晶材料保持在该温度，直至开始形成晶核并且材料开始再结晶。可以在半导体设备100正常工作期间进行加热。
[0047]按照另一种实施例，相变材料从Tc以下的固相相变为Tc以上的液相。
[0048]相变材料例如包括金属或者金属化合物。相变材料因此例如可以具有金属锡(Sn)、铋(Bi)、锌(Zn)和铟(In)中的至少一种。其它实施方式包括其它金属或者也包括例如电介质的非金属，所述非金属在150°C至400°C之间的温度范围中在吸收能量的情况下实现相变。
[0049]在图1B中所示的实施例中，邻接半导体体身105的布线区域104中的相变材料103被金属结构106包围。金属结构106例如可以由一种或者多种金属材料构成。金属结构106例如具有将相变材料布置于其中的空穴。金属结构106本身可以例如是布线区域104内的一个或者多个金属布线层的一部分。同样可以将不会与相变材料103和金属结构106发生反应或者不可混合的中间层107布置在金属结构106与相变材料103之间。例如铝(Al)适合作为由铜(Cu)构成的金属结构以及由Sn或Zn构成的相变材料的中间层。
[0050]按照另一种实施例，冷却材料具有固相化合物，该化合物的特征在于在温度Tc下发生可逆结构变化。所述可逆结构变化例如涉及化学异构化。
[0051]按照一种实施例，所述化合物具有1-乙基-4-[4-甲氧基-苯乙烯基]-喹啉-化合物、顺式-杂芪甜菜碱或者N，N- 二烷基氨基-染料、二苯乙烯、叶啉、降冰片二烯、螺环化合物、偶氮化合物中的至少一种化合物。
[0052]1-乙基-4-[4_甲氧基-苯乙烯基]-喹啉-化合物的可逆顺式-反式异构化的活化能约为 25kcal/mol (约 105kJ/mol):
[0053]
【权利要求】
1.功率半导体设备，包括: 布线结构(104，270，275)，该布线结构从至少一侧邻接半导体体身(105)并且具有至少一个导电连接；以及 布线结构中的冷却材料(107，130a,…，130f, 135a)，该冷却材料的特征是在150。。至400°C的温度Tc时在吸收能量的情况下发生结构变化。
2.根据权利要求1所述的功率半导体设备，其中所述冷却材料是导电连接的一部分或者被整合在其中。
3.根据权利要求1至2之一所述的功率半导体设备，其中所述半导体体身(105)的背面固定在引线框上，并且冷却材料邻接布线结构的正面布线层和布线结构的背面接触材料中的至少一个，所述背面接触材料 使半导体体身(105)与引线框电耦合。
4.根据上述权利要求之一所述的功率半导体设备，其中所述冷却材料是相变材料。
5.根据权利要求4所述的功率半导体设备，其中所述相变材料从Tc以下的晶相相变到Tc以上的非晶相。
6.根据权利要求5所述的功率半导体设备，其中所述相变材料包括硫族化物。
7.根据权利要求5所述的功率半导体设备，其中所述相变材料包括GeSbTe。
8.根据权利要求7所述的功率半导体设备，其中所述相变材料掺杂有C、N、O、In构成的至少一种材料。
9.根据权利要求4所述的功率半导体设备，其中所述相变材料从Tc以下的固相相变为Tc以上的液相。
10.根据权利要求9所述的功率半导体设备，其中所述相变材料包括金属或者金属化合物。
11.根据权利要求10所述的功率半导体设备，其中所述相变材料具有锡、铋、锌和铟中的至少一种金属。
12.根据权利要求10和11之一所述的功率半导体设备，其中所述相变材料被金属结构包围。
13.根据权利要求12所述的功率半导体设备，其中将与相变材料和金属结构不会发生反应或者不可混合的中间层布置在金属结构与相变材料之间。
14.根据上述权利要求之一所述的功率半导体设备，其中所述冷却材料具有固相化合物，并且特征在于在温度Tc时发生可逆结构变化。
15.根据权利要求14所述的功率半导体设备，其中所述可逆结构变化是化学异构化。
16.根据权利要求14所述的功率半导体设备，其中所述化合物包括1-乙基-4-[4-甲氧-基苯乙烯基]-喹啉-化合物、顺式-杂芪甜菜碱或者N，N- 二烷基氨基染料、二苯乙烯、叶啉、降冰片二烯、螺环化合物、偶氮化合物中的至少一种化合物。
17.根据权利要求14所述的功率半导体设备，其中所述化合物是电介质层。
18.根据上述权利要求之一所述的功率半导体设备，其适合用于在第一和第二负载端子(121a,..., 121n ；122a,…，122η)之间传导大于IA的电流。
19.根据上述权利要求之一所述的功率半导体设备，其中所述温度Tc处在200°C至300°C之间。
20.根据上述权利要求中之一所述的功率半导体设备，其中半导体体身(105)由硅材料和具有宽带隙的材料构成，其中所述带隙大于1.7eV。
21.根据权利要求1至7之一所述的功率半导体设备，其中所述冷却材料(135a)是由从晶体管单元布置源极端子至第一负载端子(121a，…，121η)的电连接、从晶体管单元布置栅极端子至控制端子(123a，…，123η)的电连接以及从晶体管单元布置漏极端子至第二负载端子(122a，…，122η)的电连接所构成的至少一个连接的一部分或者与所述至少一个连接邻接。
22.根据权利要求21所述的功率半导体设备，其中所述冷却材料(135a)包括至少一个连续部分，该连续部分与多个晶体管单元(120a，…，120η)中的至少两个的表面区域全等。
23.根据权利要求21和22之一所述的功率半导体设备，其中将冷却材料置于晶体管的边缘区域中。
24.根据权利要求21和22之一所述的功率半导体设备，其中多个晶体管单元的每一个单元包括冷却材料的确定部分。
25.根据权利要求21和22之一所述的功率半导体设备，其中所述冷却材料是从半导体体身至二极管阳极端子的连接以及从半导体体身至二极管阴极端子的连接中的至少一个连接的一部分或者与所述至少一个连接邻接。
26.根据上述权利要求之一所述的功率半导体设备，其中在吸收能量情况下的结构变化与冷却材料的比电阻升闻有关。
【文档编号】H01L23/373GK103972188SQ201410073720
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月29日 优先权日:2013年1月31日
【发明者】J·马勒, R·奥特伦巴, G·鲁尔, H-J·舒尔策 申请人:英飞凌科技股份有限公司