半导体装置的制作方法

1.本实用新型属于半导体集成电路设计及制造领域，特别是涉及一种半导体装置及其制备方法。


背景技术：

2.氮化镓作为第三代半导体材料的一种，可广泛应用于功率器件及射频器件。但氮化镓导热系数仅为1.3w/cmk，比硅的热系数(1.5w/cmk)低，且约为碳化硅热系数(5w/cmk)的四分之一，限制器件的工作功率。现有的解决方案是加强散热，以降低器件的洁温。一种解决方案是应用tsv通孔技术，将导热通路设置于结附近。但现有干法刻蚀工艺刻蚀氮化镓效率低下，其工艺需要穿透近60μm厚的氮化镓衬底，该刻蚀工艺通常需时数小时，工艺时间成本较高，同时，在长时间的刻蚀过程中，作为刻蚀掩膜的光刻胶容易碳化失效，容易造成刻蚀良率的下降。
3.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种半导体装置及其制备方法，用于解决现有技术中氮化镓器件散热结构制备难度较高的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种半导体装置，所述半导体装置包括：半导体器件结构；钝化层，覆盖于所述半导体器件结构上；第一平坦化层，覆盖于所述钝化层上，所述第一平坦化层具有平整的上表面，所述第一平坦化层和所述钝化层在所述半导体器件结构的电极上方具有镂空窗口；金属互联层，位于所述第一平坦化层的上表面，并通过所述镂空窗口与所述半导体器件结构的电极相连；导热体，位于所述金属互联层之上并与所述金属互联层接触，所述导热体包括主柱体及连接体，所述主柱体一端连接所述金属互联层，另一端上设置所述连接体；第二平坦化层，覆盖于所述金属互联层之上，且所述导热体穿透所述第二平坦化层而显露于所述第二平坦化层之上。
6.可选地，所述半导体器件结构包括衬底以及位于所述衬底上的功能层，所述功能层上设置有电极，所述电极用于所述功能层的电性连接。
7.可选地，所述衬底包括氮化镓衬底，所述功能层包括氮化镓基的半导体功能层，所述氮化镓基的半导体功能层包括绝缘氮化镓层、n型氮化镓层及p型氮化镓层中的一种或两种以上的组合。
8.可选地，所述半导体器件结构包括高电子迁移率晶体管hemt和金属-氧化物-半导体场效应晶体管mosfet中的一种。
9.可选地，所述钝化层包括氮化硅层。
10.可选地，所述第一平坦化层的厚度为8～12微米，所述第一平坦化层的材质为聚对
苯撑苯并二恶唑pbo，所述第二平坦化层的材质为聚对苯撑苯并二恶唑pbo。
11.可选地，所述导热体的主柱体的材质与所述金属互联层的材质相同，所述导热体的主柱体与所述金属互联层通过扩散连接，以降低所述导热体的主柱体与所述金属互联层的热阻。
12.可选地，所述导热体的所述连接体的材质为焊料，所述导热体的所述主柱体用于热量传输及电学传输，所述连接体用于与外部线路或外部芯片连接，将热量通过外部线路或外部芯片导出至外部散热结构。
13.可选地，所述导热体的主柱体的材质与所述金属互联层的材质为铜，所述连接体的材质为银锡合金。
14.可选地，所述金属互联层上的所述导热体设置为多个，多个所述导热体间隔设置于所述金属互联层上。
15.本实用新型还提供一种半导体装置的制备方法，所述制备方法包括步骤：提供一半导体器件结构；于所述半导体器件结构上覆盖钝化层；于所述钝化层上覆盖第一平坦化层，所述第一平坦化层具有平整的上表面，于所述第一平坦化层和所述钝化层在所述半导体器件结构的电极上方形成镂空窗口；于所述第一平坦化层的上表面及所述镂空窗口中形成金属互联层，且所述金属互联层与所述半导体器件结构的电极相连；于所述金属互联层之上覆盖第二平坦化层，并在所述第二平坦化层中形成显露所述金属互联层的窗口；于所述窗口中的所述金属互联层之上形成与所述金属互联层接触的导热体，所述导热体包括主柱体及连接体，所述主柱体一端连接所述金属互联层，另一端上设置所述连接体。
16.如上所述，本实用新型的半导体装置及其制备方法，具有以下有益效果：
17.本实用新型通过在半导体器件结构引出的金属互联层上制备导热体，将半导体器件结构所产生的热量导出，同时实现半导体器件结构与外部的电连接。本实用新型不需要在厚度较大的氮化镓衬底中刻蚀通孔，可以有效将热导率较低的氮化镓材料制成的器件所产生的热量导出，在有效降低工艺时间成本和提高器件良率的情况下，有效降低器件的结温，使器件可在大功率下进行工作。
附图说明
18.所包括的附图用来提供对本技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于说明本技术的实施方式，并与文字描述一起来阐释本技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例。
19.图1～图5显示为本实用新型实施例的半导体装置的制备方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图5显示为本实用新型实施例的半导体装置的结构示意图。
20.图6显示为本实用新型实施例的半导体装置的扫描电镜图。
21.元件标号说明
22.101
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
衬底
23.102
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
功能层
24.103
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电极
25.104
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
钝化层
26.105
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一平坦化层
27.106
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
镂空窗口
28.107
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
金属互联层
29.108
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
主柱体
30.109
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
连接体
31.110
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二平坦化层
具体实施方式
32.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
33.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
34.针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
35.如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
36.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
37.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
38.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
39.如图5所示，本实施例提供一种半导体装置，所述半导体装置包括：半导体器件结构、钝化层104、第一平坦化层105、金属互联层107、导热体及第二平坦化层110。
40.如图5所示，所述半导体器件结构包括衬底101以及位于所述衬底101上的功能层102，所述功能层102上设置有电极103，所述电极103用于所述功能层102的电性连接。所述电极103的材料例如可以为金(au)、铜(cu)、钛(ti)、铝(al)、银(ag)等。在本实施例中，所述电极103的材料为金(au)。所述功能层102包括具有半导体结的功能层102，所述电极103与所述半导体结连接，以向所述半导体结构提供驱动电流等，同时，所述半导体结工作时所产生的热量可以良好的传导至所述电极103。在一个优选的示例中，所述半导体结可以工作在大功率状态下。
41.在一个实施例中，所述衬底101包括氮化镓衬底，所述氮化镓衬底的厚度可以为50微米～200微米，在一个具体示例中，所述氮化镓衬底的厚度为60微米。所述功能层102包括氮化镓基的半导体功能层102，所述氮化镓基的半导体功能层102包括绝缘氮化镓层、n型氮化镓层及p型氮化镓层中的一种或两种以上的组合。
42.在一个实施例中，所述半导体器件结构包括高电子迁移率晶体管hemt和金属-氧化物-半导体场效应晶体管mosfet中的一种。当然，所述半导体器件结构还可以是其他类型的半导体器件，并不限于此处所列举的示例。
43.如图5所示，所述钝化层104覆盖于所述半导体器件结构上，以为所述半导体器件结构提供较好的绝缘环境，并有效保护所述半导体器件结构的表面。在一个实施例中，所述钝化层104包括氮化硅层，其可以通过如化学气相沉积工艺等方法形成在所述半导体器件结构上。当然，所述钝化层104也可以为如氮氧化硅等其他的绝缘介质，并不限于此处所列举的示例。
44.如图5所示，所述第一平坦化层105覆盖于所述钝化层104上，所述第一平坦化层105具有平整的上表面，所述第一平坦化层105和所述钝化层104在所述半导体器件结构的电极103上方具有镂空窗口106。
45.在一个实施例中，可以通过如旋涂工艺或印刷工艺等于所述钝化层104上形成所述第一平坦化层105，所述第一平坦化层105的厚度可以为8～12微米，在一个具体示例中，所述第一平坦化层105的厚度为10微米，所述第一平坦化层105的材质为聚对苯撑苯并二恶唑(pbo)。
46.在一个实施例中，可以通过如刻蚀工艺等于所述第一平坦化层105和所述钝化层104在所述半导体器件结构的电极103上方形成所述镂空窗口106，所述镂空窗口106具有倾斜的侧壁，其截面形状呈倒梯形。
47.如图5所示，所述金属互联层107位于所述第一平坦化层105的上表面，并通过所述镂空窗口106与所述半导体器件结构的电极103相连。
48.在一个实施例中，可以先通过溅射工艺于所述第一平坦化层105的上及所述镂空窗口106内壁形成种子层，所述种子层的材质例如可以为ti、cu/ti合金等，然后通过电镀工艺或溅射工艺等再所述种子层上形成金属层，最后通过光刻工艺和刻蚀工艺形成所述金属互联层107。所述镂空窗口106可以为一个或多个，其数量可以依据所述半导体器件所需引出的电极103数量进行设置。
49.如图5所示，所述导热体位于所述金属互联层107之上并与所述金属互联层107接触，所述导热体包括主柱体108及连接体109，所述主柱体108一端连接所述金属互联层107，另一端上设置所述连接体109。
50.在一个实施例中，所述导热体的主柱体108的材质与所述金属互联层107的材质相同，所述导热体的主柱体108与所述金属互联层107通过扩散连接，使所述导热体的主柱体108与所述金属互联层107呈一体化，以降低所述导热体的主柱体108与所述金属互联层107的热阻。当然，在其他的实施例中，也可以通过如焊接工艺或导电导热胶连接等工艺使所述导热体的主柱体108与所述金属互联层107连接，且并不限于此处所列举的示例。
51.在一个实施例中，所述导热体的所述连接体109的材质为焊料，所述导热体的所述主柱体108用于热量传输及电学传输，所述连接体109用于与外部线路或外部芯片连接，将
热量通过外部线路或外部芯片导出至外部散热结构。
52.在一个实施例中，所述导热体的主柱体108的材质与所述金属互联层107的材质为铜，所述连接体109的材质为银锡合金。
53.在一个实施例中，所述金属互联层107上的所述导热体设置为多个，多个所述导热体间隔设置于所述金属互联层107上，如图6所示，多个所述导热体可以更高效地将半导体器件结构的结中的热量导出，并能整体提升所述半导体器件结构的热量和温度的均匀性。
54.如图5所示，所述第二平坦化层110覆盖于所述金属互联层107之上，且所述导热体穿透所述第二平坦化层110而显露于所述第二平坦化层110之上。
55.在一个实施例中，所述第二平坦化层110的材质为聚对苯撑苯并二恶唑pbo。所述第二平坦化层110可以保护所述金属互联层107，同时加强所述导热体与所述金属互联层107连接的机械强度。
56.如图1～图5所示，本实施例还提供一种如上实施例所述的半导体装置的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
57.如图1所示，首先进行步骤1)提供一半导体器件结构。
58.如图2所示，然后进行步骤2)于所述半导体器件结构上覆盖钝化层104；于所述钝化层104上覆盖第一平坦化层105，所述第一平坦化层105具有平整的上表面，于所述第一平坦化层105和所述钝化层104在所述半导体器件结构的电极103上方形成镂空窗口106；
59.如图3所示，然后进行步骤3)，于所述第一平坦化层105的上表面及所述镂空窗口106中形成金属互联层107，且所述金属互联层107与所述半导体器件结构的电极103相连；
60.如图4所示，接着进行步骤4)，于所述金属互联层107之上覆盖第二平坦化层110，并在所述第二平坦化层110中形成显露所述金属互联层107的一个或多个窗口。
61.如图5所示，最后进行步骤5)，于所述窗口中的所述金属互联层107之上形成与所述金属互联层107接触的导热体，所述导热体包括主柱体108及连接体109，所述主柱体108一端连接所述金属互联层107，另一端上设置所述连接体109。
62.如上所述，本实用新型的半导体装置及其制备方法，具有以下有益效果：
63.本实用新型通过在半导体器件结构引出的金属互联层上制备导热体，将半导体器件结构所产生的热量导出，同时实现半导体器件结构与外部的电连接。本实用新型不需要在厚度较大的氮化镓衬底中刻蚀通孔，可以有效将热导率较低的氮化镓材料制成的器件所产生的热量导出，在有效降低工艺时间成本和提高器件良率的情况下，有效降低器件的结温，使器件可在大功率下进行工作。
64.所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
65.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。