具有背侧散热的绝缘体上半导体的制作方法
【专利说明】具有背侧散热的绝缘体上半导体
[0001]本申请是申请号为201080031811.8、申请日为2010年7月14日、发明名称为“具有背侧散热的绝缘体上半导体”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]所描述的本发明总体上涉及绝缘体上半导体器件及处理，更具体地涉及绝缘体上半导体器件中的散热。
【背景技术】
[0003]绝缘体上半导体(SOI)技术最早在20世纪90年代后期被商业化。SOI技术的特色特征在于其中形成了电路的半导体区域通过电绝缘层与主体基板隔开。该绝缘层通常是二氧化硅。选择二氧化硅的原因是，可以通过使晶圆氧化而在硅晶圆上形成二氧化硅，由此适合于进行有效制造。SOI技术的有利方面直接源于绝缘层将有源层与主体基板进行电子隔离的能力。当在此处以及所附权利要求中使用时，SOI结构上的形成有信号处理电路的区域指的是SOI结构的有源层。
[0004]SOI技术由于引入对SOI结构中的有源器件进行隔离(这改进了有源器件的电特性)的绝缘层而表现出对传统主体基板技术的改进。例如，希望晶体管的阈值电压统一，并且大体上由晶体管栅极下的半导体材料的特性设定晶体管的阈值。如果该材料区域是隔离的，则进一步的处理将影响该区域并改变器件阈值电压的可能性很小。由于SOI结构的使用而得到的其它电特性改进包括:更小的短沟道效益、针对更高速度的降低的电容、以及器件作为开关时的更低的插入损耗。此外，绝缘层可用来对有源器件与有害辐射进行屏蔽。这对于用于地球大气之外的有害离子辐射盛行的空间中的集成电路是特别重要的。
[0005]图1示出了一个SOI晶圆100。晶圆包括基板层101、绝缘层102以及有源层103。基板通常是诸如硅之类的半导体材料。绝缘层102是介电的，并且通常是通过对基板层101进行氧化而形成的二氧化硅。有源层103包括在已经在其中形成了电路104之后出现的掺杂物、电介质、多晶硅、金属层、钝化物以及其它层的组合。电路104可包括:金属布线，诸如电阻器、电容器和电感器之类的无源器件，以及诸如晶体管之类的有源器件。当在此处以及所附权利要求中使用时，SOI晶圆100的“顶部”指的是顶部表面105，而SOI晶圆100的“底部”指的是底部表面106。定位方案不考虑SOI晶圆100相对于其它参考系的相对定位、以及从SOI晶圆100去除层或向SOI晶圆100添加层。因此，有源层103总是处于绝缘层102 “上方”。此外，从有源层103中央起始并向底部表面106延伸的矢量总是指向SOI结构的“背侧”方向，而不考虑SOI晶圆100相对于其它参考系的相对定位、以及从SOI晶圆100去除层或向SOI晶圆100添加层。
[0006]如上所述，SOI器件具有提高并保持其有源器件的点特性的能力。但是，绝缘层的引入造成了器件散热能力方面的严重问题。由于集成电路中的器件的不断小型化，必须将更多数量的生热器件压缩在越来越小的区域中。在现代集成电路中，电路104的热产生密度可能很偏激。绝缘层102的引入使得这一问题变得严重，这是因为绝缘层102的热导率一般远远小于标准主体基板的热导率。如上所述，在现代SOI技术中，二氧化硅是普遍存在的绝缘层。在300度的开氏温度(K)下，二氧化硅具有大约1.4瓦特每米每开(W/m*K)的热导率。同样温度下的主体硅基板具有大约130W/m.K的热导率。SOI技术出现的散热性能的将近100倍的下降是很成问题的。集成电路中的高程度的热量会将其器件的电特性转移至期望范围之外，从而造成致命的设计失效。如果不经检测，则器件中的过热将导致器件电路中材料歪曲或材料熔化的形式的永远的致命失效。
[0007]已经利用各种解决方案来解决SOI器件中的散热问题。一种方案包括布置从绝缘层102向上通过有源层103的热传送柱。在一些情况下，这些热传送柱由金属形成，这是因为金属与二氧化硅相比总体具有远远更高的热导率。在一些方案中，这些柱由多晶硅形成，从而使得它们不会干扰电路的电特性，而同时它们提供了向上到达并离开绝缘层102的热路径。在其它方案中，在绝缘层102中切孔，并且将热传送柱布置在这些孔中。该结构的结果是提供了从有源层103通过绝缘层102中的孔向下到达基板101的散热通道。随后通过基板101散热。
[0008]SOI器件中的散热问题另一解决方案包括从背侧操作晶圆。图1B图示了 SOI晶圆100是如何能够接合至由操纵基板108和操纵绝缘层109组成的操纵晶圆107上的。虽然这是操纵的通用类型，但是绝缘层109不是必须是绝缘材料，一些现代工艺采用以半导体材料或导电材料来代替绝缘层109的操纵晶圆。在接合至操纵晶圆之后，所得到的结构随后上下翻面以形成图1B所示的结构。在该方案下，随后选择性地从SOI晶圆100背面去除基板101和绝缘层102。去除基板101以及选择性去除绝缘层102之后，金属层110沉积在经刻蚀的区域，以实现通过绝缘层102的更高程度的热导率。该金属通常在集成电路工作时次要地用作有源层103中的器件的接地线或信息信号线。虽然得到的结构显示了优于没有背部散热的SOI结构的散热能力，但是直接在有源基板下去除绝缘层的事实削弱了SOI结构在保持及提高有源器件的电性能方面的优势。
【发明内容】
[0009]在本发明的一个实施例中，公开了一种绝缘体上半导体。该集成电路包括:散热层；位于所述散热层上方的有源层；以及位于所述有源层上方的操纵晶圆。所述散热层具有高热导率并且电绝缘。
[0010]在本发明的另一个实施例中，公开了一种从绝缘体上半导体器件散热的方法。在第一步骤中，横向跨越绝缘层的顶部表面将热量传导通过有源层。在第二步骤中，将来自所述绝缘层的热量散发通过散热层。所述有源层位于所述散热层上方。此外，所述绝缘层位于所述有源层上方，所述绝缘层至少部分地与所述散热层共同垂直延伸，并且所述绝缘层包括挖掉的绝缘区域。而且，所述散热层具有高热导率并电绝缘，并且所述散热层位于所述挖掉的绝缘区域中。
[0011]在本发明的另一个实施例中，公开了一种制造集成电路的方法。在一个步骤中，在绝缘体上半导体晶圆的有源层中形成有源电路。在第另一个步骤中，从布置在所述绝缘体上半导体晶圆背侧的基板层去除基板材料。在另一个步骤中，从所述绝缘体上半导体绝缘的所述背侧去除绝缘材料以形成挖掉的绝缘区域。在另一个步骤中，在所述挖掉的绝缘区域中沉积散热层。所述散热层是电绝缘的。
【附图说明】
[0012]图1A和图1B图示了根据现有技术的用于SOI结构的散热的处理和设备的框图。
[0013]图2图示了根据本发明的具有散热层的SOI结构的框图。
[0014]图3图示了根据本发明的具有散热层和图案化的绝缘层的SOI结构的框图。
[0015]图4图示了具有散热层、图案化的绝缘层以及背侧金属接触的SOI结构的框图。
[0016]图5图示了根据本发明的具有附接的背侧散热操纵晶圆的SOI结构的框图。
[0017]图6图示了根据本发明的具有附接的背侧散热操纵晶圆和图案化的绝缘层的SOI结构的框图。
[0018]图7图示了根据本发明的制造具有散热层的集成电路的方法的流程图。
[0019]图8图示了根据本发明的利用临时操纵晶圆制造具有散热层的集成电路的方法的流程图。
[0020]图9图示了根据本发明的具有图案化的应变层的SOI结构的框图。
[0021]图10图示了根据本发明的可使用的各种应变层图案的框图。
[0022]图11图示了根据本发明的具有图案化的应变层以及应变引入层的SOI结构的框图。
[0023]图12图示了根据本发明的制造具有应变引入层的集成电路的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024]现在详细参考所公开的发明的实施例，附图中图示了这些实施例的一个或多个示例。以解释本发明技术的方式提供各个示例，各个示例不用于限制本发明技术。实际上，对于本领域技术人员而言明显的是，可在不脱离本发明精神和范围的情况下对本发明技术做出修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而图示及描述的特征可与另一实施例一起使用，从而得到又一个其它实施例。因此，本发明主题覆盖所附权利要求及其等价形式的范围内的这些修改和变化。
[0025]本发明的实施例实现了具有改进的散热性能同时保持SOI结构所伴随有的有益器件电特性的SOI器件的制造。此外，可根据本发明通过对半导体行业最常用的制造工艺进行非常小的修改来制造具有前述优点的器件。这给出了与现有制造工艺兼容的巨大优势，从而避免了需要进行新型半导体方案所面临的几乎不可避免的固定生产成本投资。本发明实施例通过利用背侧处理、去除SOI掩埋绝缘层的部分、以及在SOI结构的背侧上沉积各种结构的散热层来实现这些结果。
[0026]可参考图2来描述根据本发明的SOI结构。如图2所示，有源层103布置在操纵晶圆107上。根据之前讨论的惯例，操纵晶圆107在有源层103上方。此外，有源层103在散热层200上方。散热层200是导热的并且是电绝缘的。可用来形成散热层200的材料包括:金刚石、类金刚石碳素、碳化硅、氧化铝、氮化铝、氧化铍、氮化铍、石墨烯(Graphene)、或类似碳纳米管的某种碳构成物。
[0027]为散热层200选择即电绝缘又导热的材料保留了 SOI技术提供的有益电性能并极大地缓解了采用二氧化硅绝缘层的传统SOI器件所面临的散热问题。例如，300K下的纯人造金刚石的热导率大约为3300W/m.Κ，而氧化铍的热导率大约为260W/m.Κ。可与传统SOI结构中的不导热的二氧化硅层(如上所述，其热导率为1.4ff/m -K)进行比较。当在此处以及所附权利要求中使用时，如果材料层的热导率大于50W/m.K，则该材料层具有高热导率。金刚石和氧化铍都提供了相对于传统SOI结构在散热方面超过100倍的改进。在本发明的具体实施例中，至少部分地去除绝缘层102，并且在沉积导热材料以形成导热层200之前沉积另一非常薄的绝缘层。极其薄的绝缘层提高了结构将热量从有源层103散发至导热材料层的能力。例如，所沉积的绝缘层可包括与原本的绝缘层材料相同的薄层。通过保持有源层103中的