專利名稱：熱可靠性能改善的半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體裝置，特別涉及一種半導體晶體管的抗熱可靠性。
半導體晶體管常被用作移動通信和衛星通信中的放大器。然而隨著功率的增高產生的熱量也會增加，這就會降低半導體晶體管的使用壽命。由于生成熱的增加所產生的一些副作用影響了半導體晶體管的特性并導致如漏極電流的減小和柵極漏泄電流的增大。這些不僅僅引起晶體管在高溫下性能的降低，有時還會產生不可回復的衰退。結果是，在溫度降低后，裝置性能仍不能恢復正常，甚至會發生大規模的破壞或斷路。相應的，在制造較高功率的半導體晶體管裝置時，需要采用一種抵抗熱破壞而可保持其性能的技術。
在日本專利申請公開昭61-23350中介紹了一種用于防止晶體管熱破壞的手段。
圖14所示為專利申請昭61-23350中所描述的一種半導體裝置(一種FET襯底)的截面圖。在半導體襯底101的背面開設一空腔。發熱區(有源區和元件形成區)103形成于在半導體襯底101的前表面上，用于熱輻射的鍍金電極102則形成于半導體襯底101的后表面上。通過調整使發熱區103區下方的襯底厚度可以提高小(薄)區域的熱輻射。
日本專利申請公開昭56-131936中也提出了這樣一種半導體裝置。圖15為昭56-131936中描述的半導體集成電路裝置的截面圖。在半導體襯底201的前表面形成了多個發熱區203。發熱區203被非發熱區204包圍。半導體襯底201的后面形成有凹口205以對應各個發熱區203。
然而，發明人已確定了半導體裝置的一個發熱區具有一個取決于它的形狀的溫度分布。也即，在發熱區一中心部位產生的溫度要高于發熱區一周邊部位產生的溫度。所以，常規裝置所具有的問題是，由于裝置的發熱區內的溫度不均勻分布和發熱區中心部位的熱量集中而在發熱區中的部位(局部過熱點)出現裝置性能的衰退。
本發明的一個目的是提供一種半導體裝置，在其整個發熱區域遍布統一的溫度分布從而可以減少或消除局部過熱點。
根據本發明的半導體裝置，其特征是在一晶體管的源極或漏極上形成的板極的形狀或在發熱區內的背面襯底的形狀針對發熱區中心部位和周邊部位而有所不同。
更具體的講，一圍繞發熱區中心部位設置的板極的寬度大于一圍繞發熱區的周邊部位設置的板極的寬度。
還有，板極的設置要使得其與漏電極和源電極中的至少一個相垂直，且圍繞發熱區中心部位的板極的密集度較密，而圍繞發熱區周邊部位的板極的密集度則稀疏。
還有，發熱區背面的襯底在發熱區中心部位處的一部分厚，在發熱區周邊部位處的一部分薄。
產生的熱量的擴散路徑是從發熱區的上部散入空氣及發熱區的背部散到一支座。通過處理板極或發熱區內的背面襯底，發熱區中心部位的熱輻射較發熱區周邊部位的熱輻射被增強了。由此，發熱區內熱量的溫度分布基本上是均勻的，且局部過熱點被減少或消除了。相應的，發熱區中心部位的熱量被抑制且發熱區各部位的溫度達到整個區域的平均溫度值，這就減少了熱量對于半導體晶體管性能的副作用。
本發明的上述和其它目的、優點及特點將在下面結合附圖的描述中更為明顯。
圖1為本發明第一實施例的半導體裝置的俯視圖。
圖2為圖1中半導體裝置的晶體管的剖視圖。
圖3為圖1中半導體裝置的鍍金板極的熱阻與其寬度的關系圖。
圖4A和4B分別為具有相同寬度的鍍金板極的半導體裝置的發熱區內在垂直于指方向上和平行于指方向上的溫度分布圖。
圖5為設定圖1所示的半導體裝置的板極寬度的程序表。
圖6A和6B分別為圖1中半導體裝置發熱區內在垂直于指方向和平行于指方向的溫度分布圖。
圖7為圖1中半導體裝置的高溫激勵試驗的結果圖。
圖8A和8B所示為本發明的第二實施例的半導體裝置，圖8A為半導體晶體管的俯視圖，圖8B為圖8A中8C-8C′方向的局部剖視圖。
圖9為圖8中半導體裝置的用于熱輻射的條狀板極熱阻與條狀板極間隔的關系圖。
圖10A和10B分別為圖8A和8B中半導體裝置的發熱區內在垂直于指方向和平行于指方向的溫度分布圖。
圖11A至11C所示為本發明第三實施例中的半導體裝置，圖11A是其俯視圖，圖11B是圖11A中沿11D-11D′方向的剖視圖，圖11C是圖11A中沿11E-11E′方向的剖視圖。
圖12為圖11A至11C所示半導體裝置的襯底的熱阻與其厚度之間的關系圖。
圖13A-13B分別為圖11A至11C中半導體裝置發熱區在于垂直于指方向和平行于指方向的溫度分布圖。
圖14為第一常規半導體裝置的剖視圖。
圖15為第二常規半導體裝置的剖視圖。
圖1至7所示為本發明的第一實施例。參照圖1和2，在一半導體襯底上形成有多個彼此平行的均為歐姆板極的漏電板極(漏極指)3和源板極(源指)2，且彼此交叉指式排列。多個柵板極(柵指)1形成于各個漏板極3和各個源板極3之間且與那些漏電極和源電極平行。漏板極3連接一漏板極焊板6。源板極連接一源板極焊板5。柵板極連接一柵板極焊板6。
在諸如源板極2和漏板極3這樣的歐姆板極上形成有T形的鍍金板極200(如圖2所示)。鍍金板極具有寬度為L的極翼(延展部分)，通過調整鍍金板極200的寬度以調整熱輻射量。比如，歐姆板極的寬度是8μm，歐姆板極間距離是9μm。
現在介紹鍍金板極200，鍍金板極的中央部位比其余部位寬。如圖1所示，鍍金板極200的寬度是遞減的，從而其寬度從板極的中央部位向板極尾部逐漸變小。還有，各個鍍金板極200的翼寬L和整體寬度W隨著各板極接近發熱區中心部位的距離不同而發生變化。所以，在多個鍍金板極中，設置在發熱區的中心部位的鍍金板極具有最大寬度。一般來說，從半導體裝置的中心部位到周邊部位，鍍金板極200的寬度，逐漸變窄，設置在發熱區的兩個遠端(周邊部分)的鍍金板極最窄。
在此結構中，在發熱區各部位的歐姆板極2,3的寬度與常規的寬度相同。因此對諸如耐壓等電學特性是沒有影響的。
另外，本發明還要描述第一實施例的半導體裝置的制造方法。例如，歐姆板極2,3在半導體襯底10上形成后，連接半導體襯底10里的源雜質區或漏雜質區。然后那些歐姆板極2,3被覆蓋上一層保護膜506，如絕緣膜。隨后，開設通孔201穿出歐姆板極2,3的頂面。例如，通孔201寬度為6μm。通過濺鍍形成鍍金層后，利用光刻膠作為掩膜蝕刻鍍金層而形成鍍金板極200。根據這種方法，鍍金板極200的寬度可以輕易地隨著掩膜的圖案而改變。另外還可以使用一種在形成鍍金板極200后可清除的保護膜506，從而可存留高絕緣性的氣體(且熱量減少量可呈現遞增趨勢)。
圖3所示為一實例場效應晶體管的熱阻與鍍金板極200的寬度W之間的關系。場效應晶體管共具有44個鍍金板極200，每個長度為270μm。為了得到圖3的測量結果，除了鍍金板極200的寬度W外，其結構與圖1所示的半導體裝置相同，且在整個發熱區上鍍金板極200的寬度是均勻變化的。從而可確定熱輻射的影響與鍍金板極200的寬度之間的關系。
結果是，當鍍金板極的寬度W從6μm增至16μm時，熱阻可以從6.5℃/W降至5℃/W。更具體地講，在鍍金板極200寬6μm和16μm這兩種情況之間產生1.5℃/W的熱阻差異，例如，如輸入功率是10W，則產生的溫差為15℃。
另外，下面參照圖4和5介紹一種設定鍍金板極200寬度W的方法。首先，通過測量具有多個鍍金板極200的半導體裝置來準備數據，每個鍍金板極200具有與圖4A和4B中相同的寬度。圖4A所示為在一垂直于漏、源和柵板極1,2和3的平面上(在垂直于指的縱向方向上)的溫度分布，圖4B所示為在一平行于漏、源和柵板極1,2或3的長度為270μm，源板極和漏板極2和3的數量是44，鍍金板極200的寬度W是6μm。
結果是，發熱區內中心部位的溫度高于周邊部位的溫度。因為隨著輸入功率的增加周邊部位和中心部位的溫差也在變大，則盡管發熱區的平均溫度尚未達到熱損壞的臨界溫度，但發熱區中心部位可達到臨界溫度且熱損壞開始。
另外，如圖5所示，對于設定每一個鍍金板極200在垂直于指方向的寬度，可由圖A計算出發熱區內在任一位置X處的指下的溝道區的溫度與在發熱區端部的一指下的溝道溫度之間的溫度差△T(X)(步驟S1和S2)。
通過用輸入功率Pdc去除溫差△T(X)，可以根據每一指△Rth(X)=△T(X)/Pdc調整熱阻差異(步驟S3)。
根據圖3中所示的鍍金板極的熱阻Rth和寬度W之間的關系(相關曲線)Rth(H)，基于發熱區端部的指的鍍金板極的寬度，針對每一指設定鍍金板極的寬度(步驟S4)。
對于平行于指方向的溫度分布，應用本方法亦可根據圖4B進行調整。
例如，參照圖4A，在輸入功率為10W的溫度分布中，在發熱區一端與其中心部位之間大約產生15℃的溫差。相應地，根據圖3，當發熱區一端部的鍍金板極寬度W為6μm時，通過將發熱區中心部位的鍍金板極寬度W設定為16μm，可以調整出15℃的溫差。對于平行于指的溫度分布，同樣可以作出調整。
圖6A和6B所示為當鍍金板極的寬度如上所述進行設定后，發熱區內的一溫度分布的實例。參看圖6A和6B，即使輸入功率為10W，發熱區內的溫度分布也可實現基本均勻。
圖7所示為本發明的場效應晶體管的高功率耗散方式試驗結果與一鍍金板極寬度恒定的場效應晶體管的高功率耗散試驗結果的比較。豎直軸線顯示電流變化，水平軸線顯示時間。如圖7所示，盡管輸入功率相同，本發明的試樣的電流降低值(如鍍金板的寬度是變化的)小于溫度不均勻(即鍍金板極的寬度恒定)的試樣的電流降低值。
圖8A和8B示出了本發明的第二實施例的半導體裝置(場效應晶體管)，在本實施例中，用于熱輻射的多個條狀板極7在垂直于源、柵及漏極、電極1,2及3的方向上平行設置。條狀板極7與源板極(指狀)2或漏板極(指狀)3相連。
平行設置的條狀板極7之間形成間隔a,b,c等等，以使發熱區中心部位最窄并由中心部位朝向周邊部位(指的一端部)逐漸變寬。例如條形板極7利用鍍銅工藝制成。為增強熱輻射，其厚度為按照5-10μm這一順序遞增。
下面具體描述第二實施例的制造過程。首先，在半導體襯底上形成源、柵和漏板極1,2和3。其次，在那些板極上形成厚度1-2μm的夾層膜8例如SiO2。利用光刻膠和干蝕刻工藝形成通孔9以露出源板極2或漏板極3的頂面。然后，在絕緣膜8上設置光刻膠并蝕刻形成貫穿板極1,2和3的開口。然后，利用常規鍍金板極工藝，形成厚度為5-10μm的常規鍍金板層以形成條狀板極7。
由于設置了條狀板極7，發熱區產生的熱量可通過用于熱輻射的條狀板極7從源板極2散入空氣中。所以在發熱區的升溫可以受到抑制。
還有，通過使發熱區中心部位(柵板極1長度的中心)處的條狀板極7的間隔更密，朝向發熱區的一周邊部位(柵板極1長度的端部)更疏松，改善板極中心部位的熱輻射，且板極方向上的溫度分布可實現基本均勻從而減少或消除局部過熱點。
條狀板極7的間隔可按如下方式設定。與第一實施例的情況相同，基于圖4A，計算每個源板極和漏板極(指)與位于發熱區一端部的每個源板極和漏板極(指)之間的溫度差。用輸入功率去除溫度差，就可以調整每個指的熱阻差異。
如圖9所示，通過使用一具有270μm指長和44個指的場效應晶體管建立起熱阻與條狀板極7間隔之間的關系，設定條狀板極7之間間隔從而熱阻使發熱區內溫度(晶體管的溝道溫度)在柵板極的方向上均布。圖9所示為熱阻(豎直軸線)與用于熱輻射的條狀板極間距(水平軸線)的關系圖。
圖10A和10B分別為圖8A和8B中的半導體裝置的發熱區內在垂直于指方向和平行于指方向上的溫度分布。圖10A所示為當條狀板極7間隔變化時在垂直于指方向上的溫度分布，圖10B所示為當條狀板極7間隔變化時在平行指方向上的溫度分布。如這些圖中所示，通過調整條狀板極7間隔a,b,c等可使發熱區內的溫度均布從而可以提高元件的可靠性，如圖7所示。
圖11A至11C所示為本發明的第三實施例中的半導體裝置(場效應晶體管芯片)。參看圖11A至11C，一場效應晶體管形成于半導體襯底21表面上。晶體管包括柵板極焊板24，漏板極焊板25和源板極焊板26。另外，在發熱區內形成有源板極(指)，漏板極(指)和柵板極(圖中未示)。形成半導體襯底21從而使其在發熱區23的中心部位處薄，朝向發熱區23的周邊部位逐漸變厚。這里，襯底21的厚度按下述方式確定。
首先，由圖4A，計算出每一指與發熱區23的一端的溫度差。用輸入功率去除此溫差，產生在發熱區內平行于源板極和漏板極的方向上進行調整的熱阻差。其次，利用圖12所示的半導體襯底的熱阻和厚度之間的關系，設定針對發熱區內各部位的襯底21的厚度，從而熱阻使在柵板極上的溫度分布(例如晶體管的溝道溫度)和垂直于柵板極方向上的溫度分布均勻。因為圖12中襯底的熱阻和厚度之間的關系是基本上成比例的，所以襯底21的厚度按可形成與圖4A中溫度分布曲線基本相同的形狀的方式設定。
另外，介紹第三實施例中的半導體裝置的制造方法。在半導體襯底21表面上形成場效應晶體管后，打磨半導體襯底21的背面以使襯底21薄度大約為100μm。然后，形成光刻膠以露出對著發熱區23的表面。對于象砷化鎵襯底，可使用如磷酸蝕刻劑或過氧化氫溶劑體系等進一步蝕刻使襯底薄至大約30μm。這里通過削弱光刻膠和襯底間的關系，發熱區周邊部分的錐角可以變得更小，由此可獲得所需形狀。
另外，通過利用多個光刻工藝和蝕刻工藝而逐步改變發熱區周邊部分的厚度，襯底的厚度可以被更精確地控制。
圖13為本發明第三實施例的溝道溫度分布。可從圖13中清楚地看出，可以實現發熱區內溫度均勻分布。
如上所述，根據本發明，由于熱量所引起的半導體管的特性衰減可以得到抑制。在本發明中，此效果通過使發熱區內溫度分布均勻以減少發熱區中心部位的局部熱損壞從而減少或消除局部過熱點而實現。
很明顯，本發明不應僅限于說明書中的幾個實施例，而是在不悖離本發明的范圍和宗旨的情況下進行修正、改變。例如，任何適宜于板極的導電材料都可取代鍍金板極，只要導電板極具有熱的高輻射性或高導熱性。另外，可以將第一、二、三實施例結合形成一個基本上不存在能夠損壞一功率裝置電學性能的局部過熱點的裝置。
權利要求
1.一種半導體裝置，其特征在于，它包括一具有發熱區的半導體襯底；和使所述發熱區內溫度分布基本統一的熱輻射結構。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱輻射結構包括在所述發熱區上，彼此平行的多個金屬電極，一個設置在所述發熱區中心部分的所述多個金屬電極中的比一個設置在所述發熱區的周邊部分上的所述多個金屬電極的第二金屬電極厚的第一金屬電極。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述第一金屬電極，其中心部位最寬而從中心向兩端逐漸變窄。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱輻射結構包括在所述熱輻射區上彼此平行的多個金屬電極，且所述金屬電極的密集度在圍繞所述發熱區的中心處較密，而所述發熱區的周邊處較稀疏。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，每個所述金屬電極都具有相同的寬度。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱輻射結構是具有與從所述發熱區中心部分向其周邊部分的熱集中度成反比例變化的厚度的所述半導體襯底。
7.一種半導體裝置，其特征在于，它包括一具有一發熱區的半導體襯底；形成于所述半導體襯底上的第一，第二和第三電極；在所述發熱區內彼此平行設置的多個第一導電指，每個所述第一導電指與所述第一電極電連接；在所述發熱區內與所述第一導電指平行設置的多個第二導電指，每個所述第二導電指與所述第二電極電連接，每個所述第二導電指被設置在各個所述第一導電指之間。在所述發熱區內與所述第一導電指平行設置的多個第三導電指，每個所述第三導電指與所述第三電極電連接，每個所述第三導電指被設置在各個第一導電指和各個第二導電指之間；及用于使所述發熱區內溫度分布基本統一的熱輻射結構。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述熱輻射結構包括在所述第一和第二導電指中的至少一個上形成的多個金屬板極，與所述第一導電指平行的所述金屬板極的第一個，所述多個設置在所述發熱區一中心部分處的金屬板極中的一個第一金屬電極比所述多個設置在所述發熱區一周邊部分的金屬板極中的一個第二金屬電極寬。
9.如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述第一金屬電極在其中心處最寬，而從中心向其兩端則逐漸變窄。
10.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述熱輻射結構包括多個在所述發熱區上彼此平行且垂直于所述第一導電指設置的條狀板極，條狀板極與所述第一和第二導電指電連接，且所述條狀板極的密集度在圍繞所述發熱區中心處較密而在所述發熱區的周邊較稀疏。
11.如權利要求10所述的裝置，其特征在于，所述多個條狀板極的寬度一致。
12.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述熱輻射結構是所述半導體襯底的厚度，所述厚度從所述發熱區的中心部分向其周邊部分逐漸增加。
13.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述發熱區是由一功率裝置覆蓋的區域。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，所述功率裝置是一功率晶體管。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第一電極是一源電極，所述第二電極是一漏電極，所述第三電極是一柵電極。
16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，所述熱輻射結構包括多個形成于所述第一和第二導電指中至少一個上的鍍金板極。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述多個設置在所述發熱區的中心部分處的金屬板極中的一第一金屬板極比設置在所述發熱區的周邊部分的第二金屬板極寬。
18.一種功率晶體管，其特征在于，它包括一具有一發熱區的半導體襯底；形成于所述半導體襯底上的源電極，漏電極和柵電極；在所述發熱區內彼此平行設置的多個源指，每個所述源指與所述源電極電連接；在所述發熱區內與所述源指平行設置的多個漏指，每個所述漏指與所述漏電極電連接，每個所述漏指被設置在各個所述源指之間。在所述發熱區內與所述源指平行設置的多個柵指，每個所述柵指與所述柵電極電連接，每個所述柵指被設置在各個源指和各個漏指之間；及多個形成于所述源指和漏指中至少一個上的鍍金板極，所述每個鍍金板極平行于所述源指，設置在所述發熱區中心部分的所述多個鍍金板極中的第一鍍金板極比設置在所述發熱區周邊部分的所述多個鍍金板極的第二鍍金板極寬。
19.如權利要求18所述功率晶體管，其特征在于，它還包括多個在所述發熱區上彼此平行且垂直于所述源指設置的鍍金條狀板極，鍍金條狀板極與所述源指和所述漏指電連接，且所述鍍金條狀板極的密集度在圍繞所述發熱區中心處較密而在所述發熱區的周邊較稀疏。
20.如權利要求19所述功率晶體管，其特征在于所述半導體襯底的厚度從所述發熱區的中心部分逐漸向所述發熱區的周邊部分增加。
21.一種功率晶體管，其特征在于，它包括一具有一發熱區的半導體襯底；形成于所述半導體襯底上的源電極，漏電極和柵電極；在所述發熱區內彼此平行設置的多個源指，每個所述源指與所述源電極電連接；在所述發熱區內與所述源指平行設置的多個漏指，每個所述漏指與所述漏電極電連接，每個所述漏指被設置在各個所述源指之間。在所述發熱區內與所述源指平行設置的多個柵指，每個所述柵指與所述柵電極電連接，每個所述柵指被設置在各個源指和各個漏指之間；及多個在所述發熱區上彼此平行且垂直于所述源指設置的鍍金條狀板極，鍍金條狀板極與所述源指和所述漏指電連接，且所述鍍金條狀板極的密集度在圍繞所述發熱區中心處較密而在所述發熱區的周邊較稀疏。
22.一種功率晶體管，其特征在于，它包括一具有一發熱區的半導體襯底；形成于所述半導體襯底上的源電極，漏電極和柵電極；在所述發熱區內彼此平行設置的多個源指，每個所述源指與所述源電極電連接；在所述發熱區內與所述源指平行設置的多個漏指，每個所述漏指與所述漏電極電連接，每個所述漏指被設置在各個所述源指之間。在所述發熱區內與所述源指平行設置的多個柵指，每個所述柵指與所述柵電極電連接，每個所述柵指被設置在各個源指和各個漏指之間；其中，所述半導體襯底的厚度從所述發熱區的中心部分向所述發熱區的周邊部分逐漸增加。
全文摘要
一種半導體裝置包括彼此平行地設置于發熱區內的歐姆源板極,柵板極和漏板極,采用不同設計使半導體裝置內產生的熱量均勻分布。第一例中在各個源板極和漏板極上形成平行于歐姆板極的鍍金板極,在發熱區中心部分的鍍金板極最寬且從發熱區中心朝向周邊部分設置的鍍金板極逐漸變窄。第二例中采用了垂直于歐姆板極的多個條狀板極,這些板極間距是變化的。第三例中相對于與發熱區中心的距離成反比例地變化半導體襯底的厚度。
文檔編號H01L23/34GK1212459SQ9811931
公開日1999年3月31日 申請日期1998年9月11日 優先權日1997年9月12日
發明者麻埜和則, 石倉幸治 申請人:日本電氣株式會社