專利名稱：非直接結(jié)合銅隔離的橫向?qū)拵栋雽?dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體器件，更具體地說涉及非直接結(jié)合銅基底或者類似物 隔離的橫向?qū)拵栋雽?dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
控制半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量是一個(gè)封裝功率電子器件的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。參照?qǐng)D1，當(dāng) 今的半導(dǎo)體器件100通常具有硅芯片110和單獨(dú)的硅芯片111 ；硅芯片110是由豎直構(gòu)造 的開關(guān)1110(例如，具有在該器件頂層上的柵1112和源1114以及位于頂層下面的層上的 漏1116的開關(guān))而構(gòu)成，硅芯片111是由覆蓋在散熱器120上的二極管1120而構(gòu)成。為 了將硅芯片110和111與散熱器120相隔離，半導(dǎo)體器件100包括將硅芯片110和111與 散熱器120分開的直接結(jié)合銅(DBC)結(jié)構(gòu)130(或者另一種類似的結(jié)構(gòu))。在界面112處硅 芯片110和111通過焊接、燒結(jié)、熱脂(thermal grease)或者其他類似技術(shù)而附接到DBC 130。同樣地，在界面113處DBC 130通過焊接、燒結(jié)、熱脂或者其他類似技術(shù)而附接到散熱 器 120。DBC結(jié)構(gòu)130包括第一銅層1310、第二銅層1320、和陶瓷隔離層1330。第一銅層 1310覆蓋在散熱器120上，而第二銅位于硅芯片110的下面。陶瓷絕緣層1330可以由氧化 鋁、氮化鋁、或氮化硅構(gòu)成，并且將第一銅層1310與第二銅層1320分開。雖然半導(dǎo)體器件 100可正常運(yùn)行，但是包含使硅芯片110和111與散熱器120電隔離的DBC結(jié)構(gòu)130，會(huì)不 必要地增加在運(yùn)行期間半導(dǎo)體器件100的結(jié)溫(junction temperature)，這會(huì)影響半導(dǎo)體 器件100的性能和/或使用壽命。此外，在界面112和113處包含附著層，會(huì)增加半導(dǎo)體器 件100中的熱阻量。因此，期望提供不需要DBC結(jié)構(gòu)但仍然保持外延層與散熱器之間的電隔離的半導(dǎo) 體器件。此外，根據(jù)以下對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求，并結(jié)合附圖和本發(fā)明的此背 景技術(shù)部分，本發(fā)明的其他期望的特征和特性將會(huì)變得顯而易見。

發(fā)明內(nèi)容
各種實(shí)施例提供了非直接結(jié)合銅隔離的橫向?qū)拵栋雽?dǎo)體器件和功率模塊 (power module)。一種器件，包括散熱器、直接覆蓋在散熱器上的緩沖層、和覆蓋在緩沖層 上的外延層。在一個(gè)實(shí)施例中，外延層是由III族元素氮化物而構(gòu)成，使得外延層與散熱器電 隔1 °另一種器件，包括散熱器、直接覆蓋在散熱器上的基底、直接覆蓋在基底上的緩 沖層、和覆蓋在緩沖層上的外延層。在一個(gè)實(shí)施例中，外延層是由III族元素氮化物而構(gòu)成， 使得外延層與散熱器電隔離。本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案。方案1. 一種器件，包括 散熱器；緩沖層，其直接覆蓋在所述散熱器上；以及
外延層，其由III族元素氮化物構(gòu)成并且覆蓋在所述緩沖層上。方案2.如方案1所述的器件，其中，所述緩沖層與所述散熱器電隔離。方案3.如方案1所述的器件，其中，所述外延層包括橫向構(gòu)造的二極管。方案4.如方案1所述的器件，其中，所述外延層包括橫向構(gòu)造的開關(guān)。方案5.如方案1所述的器件，其中，所述外延層包括 橫向構(gòu)造的二極管；以及
橫向構(gòu)造的開關(guān)，其聯(lián)接到所述橫向構(gòu)造的二極管。方案6.如方案5所述的器件，還包括連接所述橫向構(gòu)造的開關(guān)與所述橫向構(gòu)造 的二極管的電極、至少一個(gè)引線接合(wire bond)、或者集成電路金屬化(metallization)。方案7.如方案5所述的器件，其中，所述橫向構(gòu)造的二極管和所述橫向構(gòu)造的開 關(guān)與所述散熱器電隔離。方案8. 如方案4所述的器件，其中，所述橫向構(gòu)造的開關(guān)包括柵端子、源端子、 和漏端子。方案9.如方案8所述的器件，其中 所述外延層包括頂側(cè)；并且
所述柵端子、所述源端子、和所述漏端子均位于所述頂側(cè)上。方案10.如方案1所述的器件，其中，所述器件構(gòu)成了功率模塊的至少一部分。方案11. 一種器件，包括 散熱器；
基底，其直接覆蓋在所述散熱器上；
緩沖層，其直接覆蓋在所述基底上；以及
外延層，其由III族元素氮化物構(gòu)成并且覆蓋在所述緩沖層上。方案12.如方案11所述的器件，其中，所述緩沖層與所述散熱器電隔離。方案13.如方案11所述的器件，其中，所述外延層包括橫向構(gòu)造的二極管。方案14.如方案11所述的器件，其中，所述外延層包括橫向構(gòu)造的開關(guān)。方案15.如方案1所述的器件，其中，所述外延層包括 橫向構(gòu)造的二極管；以及
橫向構(gòu)造的開關(guān)，其聯(lián)接到所述橫向構(gòu)造的二極管。方案16.如方案15所述的器件，還包括連接所述橫向構(gòu)造的開關(guān)與所述橫向構(gòu) 造的二極管的電極、至少一個(gè)引線接合、或者集成電路金屬化。方案17.如方案15所述的器件，其中，所述橫向構(gòu)造的二極管和所述橫向構(gòu)造的 開關(guān)與所述散熱器電隔離。方案18.如方案14所述的器件，其中，所述橫向構(gòu)造的開關(guān)包括柵端子、源端子、 和漏端子。方案19.如方案18所述的器件，其中 所述外延層包括頂側(cè)，并且
所述柵端子、所述源端子、和所述漏端子均位于所述頂側(cè)上。方案20.如方案11所述的器件，其中，所述器件構(gòu)成了功率模塊的至少一部分。


在下文中將結(jié)合下列附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中類似的數(shù)字表示類似的元件。圖1是說明包含將硅芯片與散熱器分開的直接結(jié)合銅(DBC)型結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)半 導(dǎo)體器件的圖解。圖2是說明隔離的非DBC型半導(dǎo)體器件的一個(gè)實(shí)施例的圖解。圖3是說明隔離的非DBC型半導(dǎo)體器件的另一個(gè)實(shí)施例的圖解。
具體實(shí)施例方式以下對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述在性質(zhì)上僅僅是示例性，而不是意圖限制本發(fā)明或者本 發(fā)明的應(yīng)用和用途。此外，本發(fā)明沒有意圖受到在前述本發(fā)明的背景技術(shù)或以下對(duì)本發(fā)明 的詳細(xì)描述中所介紹的任何理論的約束。圖2是隔離的非DBC型半導(dǎo)體器件200的一個(gè)實(shí)施例的圖解。至少在該圖示說明 的實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件200包括直接覆蓋在緩沖層240上的外延層210，緩沖層240直接 聯(lián)接到散熱器220。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件200構(gòu)成功率模塊，該功率模塊具 有散熱器200以及附接到該散熱器的半導(dǎo)體元件。在所示的實(shí)施例中，外延層210構(gòu)成半導(dǎo)體芯片，并且包括水平構(gòu)造的開關(guān)2110 以及通過一個(gè)或多個(gè)電極215 (或者一個(gè)或多個(gè)引線接合)而水平聯(lián)接到開關(guān)2110的二極 管2120。在某些實(shí)施例中，可以采用金屬化來代替引線接合。在一個(gè)實(shí)施例中，外延層210 是由III族元素氮化物所構(gòu)成的半導(dǎo)體芯片。也就是說，外延層210可以是氮化鎵(GaN)芯 片、氮化硼(BN)芯片、氮化鋁(AlN)芯片、氮化銦αηΝ)芯片、或氮化鉈(TIN)芯片。在另 一個(gè)實(shí)施例中，外延層210是由硅、碳化硅等半導(dǎo)體材料所構(gòu)成的半導(dǎo)體芯片。開關(guān)2110包括柵2112、源2114、和漏2116。如圖2中所示，柵2112、源2114、和 漏2116相對(duì)于彼此水平設(shè)置于外延層210的頂表面上。緩沖層240可以由本技術(shù)領(lǐng)域中已知的或者未來開發(fā)的任何絕緣材料而構(gòu)成。在 界面211處，緩沖層240通過例如焊接、燒結(jié)、熱脂、或者其他類似的技術(shù)而直接聯(lián)接到散熱 器 220 ο散熱器220可以是能夠吸收和/或耗散來自外延層210的熱量的、本技術(shù)領(lǐng)域中 已知的或者未來開發(fā)的任何材料、器件或物體。散熱器220的實(shí)例包括但不限于鋁、銅、陶 瓷、鋁碳化硅、熱管、均熱板(vapor chamber)等材料、器件或物體。在各種實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件200構(gòu)成了功率模塊的至少一部分。這樣的功率模 塊的實(shí)例包括但不限于開關(guān)2110與二極管2120反向并聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)、開關(guān)2110與二 極管2120并聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)、半橋構(gòu)造中的逆變器橋臂、三相逆變器中的逆變器橋臂、轉(zhuǎn) 換器、和/或類似的功率模塊。半導(dǎo)體器件200中的III族元素氮化物外延層210與散熱器220電隔離。也就是說， 因?yàn)橥庋訉?10是通過緩沖層240而與散熱器220電隔離，所以半導(dǎo)體器件200不需要直 接結(jié)合銅(DBC)型結(jié)構(gòu)，這使得半導(dǎo)體器件200能夠在比當(dāng)今的半導(dǎo)體器件(例如，半導(dǎo)體 器件100)更低的結(jié)溫下運(yùn)行。具體地，因?yàn)榘雽?dǎo)體器件200不需要DBC型結(jié)構(gòu)，所以在運(yùn) 行期間半導(dǎo)體器件200的結(jié)溫大約比半導(dǎo)體器件100的結(jié)溫低^°C?？商娲?，半導(dǎo)體器件200可以在與當(dāng)今的半導(dǎo)體器件相同的結(jié)溫下但卻以更高的功率密度而運(yùn)行。圖3是隔離的非DBC型半導(dǎo)體器件300的另一個(gè)實(shí)施例的圖解。至少在該圖示說 明的實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件300包括直接覆蓋在緩沖層340上的外延層310、和直接位于緩 沖層340下面并且直接聯(lián)接到散熱器320的基底350。外延層310構(gòu)成半導(dǎo)體芯片，并且包括水平構(gòu)造的開關(guān)3110以及通過一個(gè)或多個(gè) 電極315(或者一個(gè)或多個(gè)引線接合)而水平聯(lián)接到開關(guān)3110的二極管3120。在一個(gè)實(shí) 施例中，外延層310是由III族元素氮化物所構(gòu)成的半導(dǎo)體芯片。也就是說，外延層310可以 是氮化鎵(GaN)芯片、氮化硼(BN)芯片、氮化鋁(AlN)芯片、氮化銦QnN)芯片、或氮化鉈 (TIN)芯片。開關(guān)3110包括柵3112、源3114、和漏3116。如圖3中所示，柵3112、源3114、和 漏3116相對(duì)于彼此水平設(shè)置于外延層310的頂表面上。緩沖層340可以由本技術(shù)領(lǐng)域中已知的或者未來開發(fā)的任何絕緣材料而構(gòu)成。在 界面316處，緩沖層340通過例如焊接、燒結(jié)、熱脂、或者其他類似技術(shù)而直接聯(lián)接到基底 350?；?50可以由本技術(shù)領(lǐng)域中已知的或者未來開發(fā)的任何基底材料而構(gòu)成。基底 350的實(shí)例包括但不限于硅、藍(lán)寶石、碳硅等基底材料?；?50構(gòu)造成為半導(dǎo)體器件300 提供機(jī)械支撐，但是基底350應(yīng)盡量地薄，以降低基底350的熱阻。散熱器320可以是能夠吸收和/或耗散來自外延層310的熱量的、本技術(shù)領(lǐng)域中 已知的或者未來開發(fā)的任何材料、器件或物體。散熱器320的實(shí)例包括但不限于鋁、銅、陶 瓷、鋁碳化硅、熱管、均熱板等材料、器件或物體。在各種實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件300構(gòu)成了功率模塊的至少一部分。這樣的功率模 塊的實(shí)例包括但不限于開關(guān)3110與二極管3120反向并聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)、開關(guān)3110與二 極管3120并聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)、半橋構(gòu)造中的逆變器橋臂、三相逆變器中的逆變器橋臂、轉(zhuǎn) 換器、和/或類似的功率模塊。半導(dǎo)體器件300中的III族元素氮化物外延層310與散熱器320電隔離。也就是說， 因?yàn)橥庋訉?10通過緩沖層340而與散熱器320電隔離，所以半導(dǎo)體器件200不需要直接 結(jié)合銅(DBC)型結(jié)構(gòu)，這使得半導(dǎo)體器件300能夠在比當(dāng)今的半導(dǎo)體器件(例如，半導(dǎo)體器 件100)更低的結(jié)溫下運(yùn)行。具體地，因?yàn)榘雽?dǎo)體器件300不需要DBC型結(jié)構(gòu)，所以在運(yùn)行 期間半導(dǎo)體器件300的結(jié)溫大約比半導(dǎo)體器件100的結(jié)溫低20°C?？商娲兀雽?dǎo)體器件 300可以在與當(dāng)今的半導(dǎo)體器件相同的結(jié)溫下但卻以更高的功率密度而運(yùn)行。盡管在本文中已參照異質(zhì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFET)對(duì)各種實(shí)施例進(jìn)行了論述， 但是本發(fā)明并不局限于HFET器件。也就是說，半導(dǎo)體器件200和300可以實(shí)施為在頂表面 上具有水平構(gòu)造的柵、源、和漏的任何器件。雖然已在以上對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述中介紹了至少一個(gè)示例性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理 解的是，存在著大量的變型。還應(yīng)當(dāng)理解的是，示例性實(shí)施例僅僅是例子，而不是意圖以任 何方式來限制本發(fā)明的范圍、應(yīng)用或構(gòu)造。相反，上述的詳細(xì)描述將為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供 用以實(shí)施本發(fā)明示例性實(shí)施例的方便的路線圖，應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離所附權(quán)利要求及 其法律等效物中所陳述的本發(fā)明范圍的情況下，可以在示例性實(shí)施例中所描述元件的功能 和布置上作各種變化。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括 散熱器；緩沖層，其直接覆蓋在所述散熱器上；以及外延層，其由III族元素氮化物構(gòu)成并且覆蓋在所述緩沖層上。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述緩沖層與所述散熱器電隔離。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述外延層包括橫向構(gòu)造的二極管。
4.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述外延層包括橫向構(gòu)造的開關(guān)。
5.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述外延層包括 橫向構(gòu)造的二極管；以及橫向構(gòu)造的開關(guān)，其聯(lián)接到所述橫向構(gòu)造的二極管。
6.如權(quán)利要求5所述的器件，還包括連接所述橫向構(gòu)造的開關(guān)與所述橫向構(gòu)造的二 極管的電極、至少一個(gè)引線接合、或者集成電路金屬化。
7.如權(quán)利要求5所述的器件，其中，所述橫向構(gòu)造的二極管和所述橫向構(gòu)造的開關(guān)與 所述散熱器電隔離。
8.如權(quán)利要求4所述的器件，其中，所述橫向構(gòu)造的開關(guān)包括柵端子、源端子、和漏端子。
9.如權(quán)利要求8所述的器件，其中 所述外延層包括頂側(cè)；并且所述柵端子、所述源端子、和所述漏端子均位于所述頂側(cè)上。
10.一種器件，包括 散熱器；基底，其直接覆蓋在所述散熱器上；緩沖層，其直接覆蓋在所述基底上；以及外延層，其由III族元素氮化物構(gòu)成并且覆蓋在所述緩沖層上。
全文摘要
本發(fā)明提供非直接結(jié)合銅隔離的橫向?qū)拵栋雽?dǎo)體器件。一種半導(dǎo)體器件，包括散熱器、直接覆蓋在散熱器上的緩沖層、和由Ⅲ族元素氮化物所構(gòu)成并且覆蓋在緩沖層上的外延層。另一種半導(dǎo)體器件，包括散熱器、直接覆蓋在散熱器上的基底、直接覆蓋在基底上的緩沖層、和由Ⅲ族元素氮化物所構(gòu)成并且覆蓋在緩沖層上的外延層。外延層由Ⅲ族元素氮化物構(gòu)成會(huì)使得各種外延層能夠與它們各自的散熱器電隔離。
文檔編號(hào)H01L25/18GK102142409SQ201110031230
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者休斯 B., R. 伍迪 G., 布特羅斯 K., G. 沃德 T. 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司