[发明专利]具有背侧散热的绝缘体上半导体

说明书

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

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

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。

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。

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。

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。

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。