半导体装置及形成半导体装置的方法与流程

1.本发明半导体技术领域，尤其涉及一种半导体装置及形成半导体装置的方法。


背景技术：

2.半导体装置可以应用于各种领域，例如智能电视、语音助手设备(voice assistant device，vad)、平板计算机、功能手机、智能手机、光学和蓝光dvd播放器等等。半导体装置通常以以下方式制造：在半导体基板上顺序沉积绝缘或介电层、导电层和半导体材料层，并通过使用光刻和蚀刻技术图案化(pattern)各种材料层以在那些层上面形成电路组件和元件。
3.为了继续进行半导体装置的按比例缩小制程，功能密度(即，每个芯片区域的互连装置的数量)通常已经增加，而几何尺寸(即，可以使用制作制程创建的最小的组件(或线))减少了。这种按比例缩小的制程通常通过提高半导体装置的生产效率和性能以及降低相关成本来提供好处。这种缩小还伴随着半导体装置的设计和制造中复杂性的增加。制造业的并行发展(parallel advance)已使越来越复杂的设计得以精确且可靠地制造。
4.然而，在努力继续缩小半导体装置的尺寸方面已经出现了许多挑战。例如，热量可能从半导体装置中的非平面(non-planar)晶体管或其他部件产生，从而导致散热问题。因此，半导体装置需要散热以防止热损坏并提高装置可靠性。尽管用于半导体装置的现有散热方法通常已经足以满足其预期目的，但是它们在所有方面都不是完全令人满意的。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种半导体装置及形成半导体装置的方法，以解决上述问题。
6.根据本发明的第一方面，公开一种半导体装置，包括：
7.散热基板，其中，该散热基板的导热系数大于200wm-1
k-1
：以及
8.装置层，设置在该散热基板上，其中该装置层包括晶体管。
9.根据本发明的第二方面，公开一种形成半导体装置的方法，包括：
10.提供基底基板；
11.在所述基底基板上形成散热基板，该散热基板的导热系数大于200wm-1
k-1
；
12.在该散热基板上形成装置层，该装置层包括晶体管；以及
13.移除基底基板。
14.根据本发明的第三方面，公开一种形成半导体装置的方法，包括：
15.提供基底基板；
16.在该基底基板上形成装置层，其中该装置层包括晶体管；
17.移除该基底基板；以及
18.将该装置层附着于该散热基板，其中，该散热基板的热导率大于200wm-1
k-1
。
19.本发明的半导体装置由于包括：散热基板，其中，该散热基板的导热系数大于
200wm-1
k-1
：以及装置层，设置在该散热基板上，其中该装置层包括晶体管。这样从装置层的finfet或gaa晶体管或半导体装置中的其他特征产生的热量可以通过散热基板消散，从而改善了半导体装置中的散热。
附图说明
20.图1示出了根据本发明的一些实施例的半导体装置的示意性截面图。
21.图2-7示出了根据本发明的一些实施例的在制造制程期间的半导体装置的示意性截面图。
22.图8-10示出了根据本发明的其他实施例的在制造制程期间的半导体装置的示意性截面图。
具体实施方式
23.在下面对本发明的实施例的详细描述中，参考了附图，这些附图构成了本发明的一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践本发明的特定的优选实施例。对这些实施例进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践它们，并且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行机械，结构和程序上的改变。本发明。因此，以下详细描述不应被理解为限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由所附权利要求限定。
24.将理解的是，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”、“主要”、“次要”等在本文中可用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、这些层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元素，组件，区域，层或部分与另一区域，层或部分。因此，在不脱离本发明构思的教导的情况下，下面讨论的第一或主要元件、组件、区域、层或部分可以称为第二或次要元件、组件、区域、层或部分。
25.此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在...下方”、“在...之下”、“在...下”、“在...上方”、“在...之上”之类的空间相对术语，以便于描述一个元件或特征与之的关系。如图所示的另一元件或特征。除了在图中描述的方位之外，空间相对术语还意图涵盖设备在使用或操作中的不同方位。该装置可以以其他方式定向(旋转90度或以其他定向)，并且在此使用的空间相对描述语可以同样地被相应地解释。另外，还将理解的是，当层被称为在两层“之间”时，它可以是两层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
26.术语“大约”、“大致”和“约”通常表示规定值的
±
20％、或所述规定值的
±
10％、或所述规定值的
±
5％、或所述规定值的
±
3％、或规定值的
±
2％、或规定值的
±
1％、或规定值的
±
0.5％的范围内。本发明的规定值是近似值。当没有具体描述时，所述规定值包括“大约”、“大致”和“约”的含义。本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数术语“一”，“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明构思。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。
27.将理解的是，当将元件或层称为在另一元件或层“上”，“连接至”，“耦接至”或“邻近”时，它可以直接在其他元素或层上，与其连接，耦接或相邻，或者可以存在中间元素或
层。相反，当元件称为“直接在”另一元件或层“上”，“直接连接至”，“直接耦接至”或“紧邻”另一元件或层时，则不存在中间元件或层。
28.注意：(i)在整个附图中相同的特征将由相同的附图标记表示，并且不一定在它们出现的每个附图中都进行详细描述，并且(ii)一系列附图可能显示单个项目的不同方面，每个方面都与各种参考标签相关联，这些参考标签可能会出现在整个序列中，或者可能只出现在序列的选定图中。
29.本发明的一些实施例提供了一种半导体装置，其中装置层(device layer)设置在散热(heat dissipation)基板上，使得该散热基板可以消散由装置层或半导体装置中的其他特征产生的热量。这可以改善半导体装置中的自热耗散。本发明的一些实施例优选地应用于具有finfet或环绕栅(gate-all-around，gaa)晶体管的装置，以改善散热。在这样的实施例中，从装置层的finfet或gaa晶体管或半导体装置中的其他特征产生的热量可以通过散热基板消散，从而改善了半导体装置中的散热。
30.参照图1，示出了根据本发明的一些实施例的半导体装置10的示意性截面图。半导体装置10包括散热基板100和设置在散热基板100上的装置层102。散热基板100的热导率大于等于200wm-1
k-1
。在一些实施例中，散热基板100的热导率在200wm-1
k-1
和1200wm-1
k-1
之间。例如，散热基板100的热导率可以在280wm-1
k-1
和1000wm-1
k-1
之间或在800wm-1
k-1
和1200wm-1
k-1
之间的范围内。散热基板100的材料可以包括介电材料。例如，介电材料可以包括beo、bn、金刚石，导热率大于200wm-1
k-1
的另一种合适的材料，或它们的组合。在一些实施例中，介电材料可以是掩埋氧化物(buried oxide，box)。先前技术中并没有使用上述这些材料作为基板的，因为传统的基板内需要布线、电连接等等，而这些材料可能无法进行布线等，因此传统的基板不会考虑这些材料，本实施例中在行业内率先使用上述这些高导热率的材料作为基板，专门利用了它们的高导热特性，提高了半导体装置的散热性能。可以通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)、原子层沉积(atomic layer deposition，ald)、旋涂、外延生长、另一种合适的方法或其组合来形成介电材料。在一些实施例中，散热基板100的厚度在75μm至150μm之间。如果散热基板100太薄，例如小于25μm，则其可能无法支撑要在其上形成的特征(诸如装置层102)并且导致基板卷曲甚至基板破裂。另一方面，如果散热基板100太厚，例如大于300μm，则散热的改善可能不足。散热基板100中可以未设置有布线结构，例如在其他结构中设置布线或连接结构。
31.装置层102可以包括有源装置(active device)、无源装置(passive device)或其组合。例如，有源装置可以包括二极管(diode)、晶体管(例如场效应晶体管(field effect transistor，fet)，金属氧化物半导体fet(metal-oxide-semiconductor fet，mosfet)，双极结型晶体管(bipolar junction transistor，bjt)，绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)，横向绝缘栅极双极晶体管(lateral insulated gate bipolar transistor，ligbt)，可控硅整流器(silicon controlled rectifier，scr)或它们的组合。无源装置可以包括电阻器、电容器、电感器、变压器或其组合。在一些实施例中，装置层102可以包括硅层、在硅层上的栅极结构以及源极/漏极结构。根据本发明的一些实施例，装置层102可以包括非平面晶体管，诸如鳍状场效应晶体管(fin-like field effect transistor，finfet)、环绕栅(gate-all-around，gaa)晶体管或其组合。在半导体装置10的操作期间，装置层102可能产生热量，这可能引起热损伤并降低装置性能。与常规的半导体
装置相比，在常规的半导体装置中，基板由硅形成，使得几乎不能通过基板散热，本发明的一些实施例提供了可以有效地消散由装置层102产生的热量的散热基板100。在图1中，热流(heat flow)101表示从装置层102到散热基板100的热流。应当注意，热流101的垂直方向仅用于说明目的，该热流可以具有倾斜方向。散热基板100可以改善半导体装置中的自散热，并且可以提高半导体装置的可靠性。此外，在常规的半导体装置中，为了散热，可以使硅基板变薄。但是，通过减薄的硅基板的散热不充分，并且减薄的硅基板可能导致基板卷曲。相反，在本发明的一些实施例中，散热基板100可以有效地散热并且具有合适的厚度以避免基板卷曲。
32.仍参考图1，在一些实施例中，半导体装置10还包括设置在装置层102上的互连层104。互连层104可以包括在装置层102上的介电层，并且接触穿过介电层并与装置层102接触。介电层可以由氧化硅、氮氧化硅、硼硅酸盐玻璃(borosilicate glass，bsg)、磷硅酸盐玻璃(phosphoric silicate glass，psg)、硼磷硅酸盐玻璃(borophosphosilicate glass，bpsg)、氟化硅酸盐玻璃(fluorinated silicate glass，fsg)、低k材料、多孔介电材料、一种或多种其他合适的介电材料或其组合制成并且可以通过包括cvd、ald、旋涂、另一种合适的方法或其组合来形成。接触件可以包括诸如金属的导电材料。
33.在包括互连层104的半导体装置10的实施例中，由装置层102产生的热量可以通过散热基板100和互连层104消散。通过互连层消散并且几乎不通过基板消散，本发明的一些实施例提供了具有散热基板100的半导体装置10，使得热量可以通过散热基板100和互连层104消散，因为图1示出了图1中的热流101和103。这样，散热基板100可以提高散热效率和装置可靠性。
34.图2-7示出了根据本发明的一些实施例的在制造制程期间的半导体装置10的示意性截面图。如图2所示，提供了基底基板108。在一些实施例中，基底基板108是块状半导体基板，例如半导体芯片。例如，基底基板108包括硅或诸如锗的其他基本半导体材料。在一些实施例中，基底基板108包括外延生长的半导体层。外延生长的半导体层可以由硅锗、硅、锗、一种或多种其他合适的材料或其组合制成。在一些其他实施例中，基底基板108包括多层结构。例如，基底基板108包括形成在体硅层上的硅锗层。在一些实施例中，基底基板108可以是绝缘体上半导体基板，例如绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)基板。
35.参照图3，散热基板100形成在基底基板(base substrate)108上。散热基板100的热导率大于200wm-1
k-1
。在一些其他实施例中，散热基板100的热导率在200wm-1
k-1
和1200wm-1
k-1
之间。散热基板100的材料可以包括beo、bn、金刚石、导热率大于200wm-1
k-1
的另一种合适的材料，或它们的组合。可以通过执行cvd或ald制程来形成散热基板100。例如，在散热基板100在cvd制程中由金刚石形成的一些实施例中，可以在cvd制程期间使用诸如甲基和/或乙炔之类的含碳前体。在通过cvd制程由beo形成散热基板100的一些其他实施例中，可以在cvd制程期间使用含铍的前驱物，例如二甲基铍。在一些实施例中，散热基板100形成为具有在75μm与150μm之间的厚度。在一些替代实施例中，可以执行结合制程以将基底基板108结合到预先形成的散热基板100。
36.参照图4，在散热基板100上形成装置层102。装置层102可以包括有源装置、无源装置或它们的组合。在一些实施例中，装置层102可以包括可以包括硅晶体管层，例如finfet、gaa晶体管、其他类型的晶体管或其组合。如图5和6所示，随后在去除制程109中去除基底基
板108。在一些实施例中，去除制程109可以是在基底基板108的背面上执行的研磨制程。在本发明中，在研磨制程之后将基底基板108完全去除。如上所述，散热基板100可以消散由装置层102或半导体装置10中的其他特征产生的热量。
37.在一些其他实施例中，如图1所示，在装置层102上形成互连层104。互连层104可以通过毯覆金属层的减性蚀刻来形成，或者可以通过镶嵌制程来形成。镶嵌制程可以包括(但不限于)在装置层102上沉积介电材料层，图案化介电材料层以形成暴露装置层102的开口，用导电材料填充开口，进行平坦化制程以去除多余的导电材料。介电材料层可以由氧化硅、氮氧化硅、bsg、psg、bpsg、fsg、低k材料、多孔介电材料、一种或多种其他合适的介电材料或它们的组合形成，并且可以通过cvd、ald、旋涂、另一种合适的方法或其组合形成。导电材料可以由诸如al、cu、w或其合金的金属形成。半导体装置10可以安装在另一个基板200上或附接到另一个基板200。基板200可以是印刷电路板(printed circuit board，pcb)或者可以类似于上述基底基板108。在基板200是pcb的一些实施例中，如图7所示，半导体装置10的互连层104通过焊料凸块110焊接到pcb。在基板200类似于基底基板的其他实施例中。参照图108，通过例如芯片接合技术将半导体装置10附接到基板200。
38.图8-10示出了根据本发明的其他实施例的在制造制程期间的半导体装置的示意性截面图。为了简单起见，图8-10和上述附图中的相似特征由相似的附图标记表示，并且不重复一些描述。参照图8和9，提供基底基板108，并且在基底基板108上形成装置层102。然后在去除制程109中去除基底基板108。然后，附着图9所示的装置层102。在去除基底基板108之后，将半导体基板10形成到散热基板100，从而形成如图10所示的半导体10。在一些实施例中，去除基底基板108的方法包括：用诸如静电吸盘(electrostatic chuc，e-chuck)之类的载体保持装置层102，并执行去除制程109以完全去除基底基板108。在这样的实施例中，当装置层102被附接到散热基板100时，载体可以保持装置层102。在一些替代实施例中，通过去除制程109部分地去除基底基板108，使得基板108的一部分被去除。基底基板108保留在装置层102下方。例如，剩余的基底基板108的厚度可以在10μm至20μm之间的范围内。
39.本发明的实施例为半导体装置及其形成提供了许多益处。根据本发明的一些实施例，具有散热基板的半导体装置可以消散在半导体装置中产生的热量并防止热损坏。另外，可以通过本文提供的散热基板100来改善基板的卷曲。在一些实施例中，具有散热基板的半导体装置可以通过散热基板和互连层两者来散热，这可以提高散热效率和装置可靠性。
40.本领域的技术人员将容易地观察到，在保持本发明教导的同时，可以做出许多该装置和方法的修改和改变。因此，上述公开内容应被解释为仅由所附权利要求书的界限和范围所限制。