吸热元件及包括该吸热元件的半导体装置以及吸热元件的制造方法专利检索-珀耳帖元件换热器专利检索查询-专利查询网

吸热元件及包括该吸热元件的 半导体装置以及吸热元件的制造方法

阅读：413发布：2020-05-20

专利汇可以提供吸热元件及包括该吸热元件的半导体装置以及吸热元件的制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且就经由作为电绝缘体的热传导层(15)与半导体元件主体部(10)的表面热连接的珀耳帖型薄膜状的吸热元件部(20)而言，构成该吸热元件部(20)的物质的体热传导系数在50W/mK以上、塞贝克系数在300μV/K以上。，下面是吸热元件及包括该吸热元件的半导体装置以及吸热元件的制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种吸热元件，经由电绝缘体与半导体元件的表面热连接，所述吸热元件是珀耳帖型薄膜状的吸热元件，所述吸热元件的特征在于：
构成所述吸热元件的物质的体热传导系数在50W/mK以上，塞贝克系数在300μV/K以上。
2.根据权利要求1所述的吸热元件，其特征在于：
所述物质是硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氮化硼以及金刚石中的任一种。
3.根据权利要求1所述的吸热元件，其特征在于：
所述物质是硅。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的吸热元件，其特征在于：
所述物质构成p型半导体层或者n型半导体层，
所述p型半导体层及所述n型半导体层相对于所述半导体元件及所述电绝缘体大致平行地排列。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的吸热元件，其特征在于：
所述吸热元件直接形成在所述半导体元件的排热侧且与所述半导体元件热连接。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的吸热元件，其特征在于：
所述吸热元件覆盖所述半导体元件的发热源的面积的10％以上的区域。
7.一种半导体装置，其特征在于：
包括权利要求1到6中任一项所述的吸热元件。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于：
所述半导体元件是功率半导体元件。
9.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于：
所述半导体元件是将碳化硅作为材料的SiC类功率半导体元件。
10.一种吸热元件的制造方法，所述吸热元件经由电绝缘体与半导体元件的表面热连接，所述吸热元件是珀耳帖型薄膜状的吸热元件，所述吸热元件的制造方法的特征在于：
形成所述吸热元件的工序包括：
在所述半导体元件上，隔着所述电绝缘体依次形成下部金属膜、第一导电型半导体层以及第一金属牺牲膜的工序：
由所述第一金属牺牲膜形成用于将所述第一导电型半导体层图案化的第一金属掩模膜，使用所形成的所述第一金属掩模膜，来将所述第一导电型半导体层图案化，由此由所述第一导电型半导体层形成多个第一导电型半导体块的工序；
在包含所述第一导电型半导体块的所述下部金属膜上依次形成第二导电型半导体层和第二金属牺牲膜的工序；
由所述第二金属牺牲膜形成用于将所述第二导电型半导体层图案化的第二金属掩模膜，使用所形成的所述第二金属掩模膜，来将所述第二导电型半导体层图案化，由此由所述第二导电型半导体层形成多个第二导电型半导体块的工序；
通过光刻法，选择性地对所述下部金属膜的所述半导体元件的电极形成区域进行蚀刻，由此使所述半导体元件露出的工序；
通过光刻法，选择性地对所述下部金属膜的所述第一导电型半导体块与所述第二导电型半导体块之间的部位进行蚀刻，由此由所述下部金属膜形成多个下部电极的工序；
在各个所述半导体块之间以及所述下部电极之间选择性地形成绝缘膜后，在各个所述半导体块上和所述半导体元件的露出部分上形成上部金属膜的工序；以及通过光刻法，选择性地对所述上部金属膜进行蚀刻，由此由所述上部金属膜形成上部电极和所述半导体元件的电极的工序。
11.根据权利要求10所述的吸热元件的制造方法，其特征在于：
所述第一导电型半导体层和所述第二导电型半导体层由硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氮化硼以及金刚石中的任一种物质形成。
12.根据权利要求10或11所述的吸热元件的制造方法，其特征在于：
所述下部金属膜、第一金属牺牲膜、第二金属牺牲膜以及上部金属膜由镍形成，在对所述下部金属膜、第一金属牺牲膜、第二金属牺牲膜以及上部金属膜中的至少一个进行的图案化中，使用将浓盐酸、浓过氧化氢水以及纯水的混合物作为蚀刻剂的湿法蚀刻。
13.根据权利要求10到12中任一项所述的吸热元件的制造方法，其特征在于：
所述第一金属牺牲膜及所述第二金属牺牲膜由镍形成，
所述第一导电型半导体层及所述第二导电型半导体层由硅形成，
形成所述第一导电型半导体块及所述第二导电型半导体块的工序是使用氯和溴化氢的干法蚀刻。
14.根据权利要求10到13中任一项所述的吸热元件的制造方法，其特征在于：
所述半导体元件是功率半导体元件。
15.根据权利要求10到13中任一项所述的吸热元件的制造方法，其特征在于：
所述半导体元件是将碳化硅作为材料的SiC类功率半导体元件。

说明书全文

吸热元件及包括该吸热元件的 半导体装置以及吸热元件的制

造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种吸热元件及包括该吸热元件的半导体装置以及吸热元件的制造方法。

背景技术

[0002] 近年来，如下所述的功率半导体装置已为人所知，其中，为了提高从功率半导体装置向其外部放热的放热性，上述功率半导体装置包括珀耳帖(Peltier)元件等冷却元件。

[0003] 现有功率半导体装置的使功率半导体元件的发热部与珀耳帖元件接近来模块化的结构已为人所知(例如参照专利文献1)。此外，在功率半导体元件的发热部的具体而言是沟道栅极彼此之间的区域设置放热用埋层金属并在该放热用埋入金属之上设置珀耳帖元件的结构(例如参照专利文献2)已为人所知。

[0004] 专利文献1：日本公开专利公报特开2008-235834号公报

[0005] 专利文献2：日本公开专利公报特开2007-227615号公报

发明内容

[0006] -发明要解决的技术问题-

[0007] 然而，虽然在上述的现有技术中都使功率半导体元件的发热部与珀耳帖元件接近，但是这样一来，在两者接触部处的热电阻大，从而功率半导体元件发热后，不能一瞬间冷却下来。因此，目前存在如下所述的问题，即，为了防备功率半导体元件的最大负载时的发热量，不得不进行冗长且成本高的热设计。

[0008] 此外，还存在并没有确立形成在半导体元件上的薄膜状珀耳帖元件的制造方法这样的问题。

[0009] 本发明是鉴于所述问题而完成的。其所要解决的技术问题是，形成在半导体元件上的薄膜状的吸热元件中，能够降低半导体元件与吸热元件之间的热电阻，并且确立其制造方法。

[0010] -用以解决技术问题的技术方案-

[0011] 为了解决上述的技术问题，本发明的特征在于，将形成在半导体元件上的珀耳帖型吸热元件形成为薄膜状。

[0012] 具体而言，本发明以吸热元件及包括该吸热元件的半导体装置以及吸热元件的制造方法为对象，谋求了如下所述的解决方案。

[0013] 即，第一方面的发明以经由电绝缘体与半导体元件的表面热连接的珀耳帖型薄膜状的吸热元件为对象，构成吸热元件的物质在体热传导系数在50W/mK以上、塞贝克系数在300μV/K以上。

[0014] 根据该构成方式，能够降低半导体元件与吸热元件之间的热电阻，能够提高半导体元件的放热性。

[0015] 第二方面的发明是这样的，在上述第一方面的发明中，上述的物质是硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)以及金刚石(C)中的任一种。

[0016] 根据该构成方式，能够可靠地形成高效的吸热元件。

[0017] 第三方面的发明是这样的，在上述第一方面的发明中，上述的物质是硅。

[0018] 根据该构成方式，容易与半导体制造工序融合，因而是优选的。

[0019] 第四方面的发明是这样的，在上述第一至第三方面的发明中，上述的物质构成p型半导体层或者n型半导体层，p型半导体层及n型半导体层相对于半导体元件及电绝缘体大致平行地排列。

[0020] 根据该构成方式，能够可靠地形成作为薄膜状吸热元件的珀耳帖元件，并且能够扩大半导体元件与电绝缘体的接触面积，从而吸热效果(放热效果)的效率得以提高。

[0021] 第五方面的发明是这样的，在上述第一至第四方面的发明中，吸热元件直接形成在半导体元件的排热侧且与吸热元件热连接。

[0022] 根据该构成方式，吸热元件的吸热效率得以提高，从而半导体元件的放热效果良好。

[0023] 第六方面的发明是这样的，在上述第一至第五方面的发明中，吸热元件覆盖半导体元件的发热源的面积的10％以上的区域。

[0024] 如上所述，如果覆盖发热源面积的10％以上，则能够提高半导体元件的放热效果。

[0025] 第七方面的发明是一种包括第一至第六方面的发明所涉及的吸热元件的半导体装置。

[0026] 根据该构成方式，由于本发明的半导体装置包括本发明的吸热元件，因此能够提高半导体元件的放热性。

[0027] 第八方面的发明是这样的，在上述第七方面的发明中，半导体元件是功率半导体元件。

[0028] 根据该构成方式，能够提高工作中达到高温的功率半导体元件的放热性。

[0029] 第九方面的发明是这样的，在上述第七方面的发明中，半导体元件是将碳化硅作为材料的SiC类功率半导体元件。

[0030] 根据该构成方式，能够提高高耐压、低导通电阻以及能够高速工作的SiC类功率半导体元件的放热性。

[0031] 第十方面的发明以经由电绝缘体与半导体元件的表面热连接的珀耳帖型薄膜状的吸热元件的制造方法为对象，形成吸热元件的工序包括：在半导体元件上，隔着电绝缘体依次形成下部金属膜、第一导电型半导体层以及第一金属牺牲膜的工序；根据第一金属牺牲膜形成用于将第一导电型半导体层图案化的第一金属掩模膜，使用所形成的第一金属掩模膜，来将第一导电型半导体层图案化，由此根据第一导电型半导体层形成多个第一导电型半导体块的工序；在包含第一导电型半导体块的部金属膜上依次形成第二导电型半导体层和第二金属牺牲膜的工序；根据第二金属牺牲膜形成用于将第二导电型半导体层图案化的第二金属掩模膜，使用所形成的第二金属掩模膜，来将第二导电型半导体层图案化，由此根据第二导电型半导体层形成多个第二导电型半导体块的工序；通过光刻法，选择性地对下部金属膜的半导体元件的电极形成区域进行蚀刻，由此使半导体元件露出的工序；通过光刻法，选择性地对下部金属膜的第一导电型半导体块与第二导电型半导体块之间的部位进行蚀刻，由此根据下部金属膜形成多个下部电极的工序；在各半导体块之间以及下部电极之间选择性地形成绝缘膜后，在各半导体块上和半导体元件的露出部分上形成上部金属膜的工序；以及通过光刻法，选择性地对上部金属膜进行蚀刻，由此根据上部金属膜形成上部电极和半导体元件的电极的工序。

[0032] 根据该构成方式，能够通过对在半导体元件上隔着电绝缘体形成的、成为吸热元件的下部电极的下部金属膜、第一导电型半导体层、第二导电型半导体层、吸热元件的上部电极以及成为半导体元件的电极的上部金属膜进行蚀刻来形成吸热元件。

[0033] 第十一方面的发明是这样的，在第十方面的发明中，第一导电型半导体层和第二导电型半导体层由硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)以及金刚石(C)中的任一种物质形成。

[0034] 根据该构成方式，能够形成高效的吸热元件。

[0035] 第十二方面的发明是这样的，在第十或者第十一方面的发明中，下部金属膜、第一金属牺牲膜、第二金属牺牲膜以及上部金属膜由镍形成，在对下部金属膜、第一金属牺牲膜、第二金属牺牲膜以及上部金属膜中的至少一个进行的图案化中，使用将浓盐酸、浓过氧化氢水以及纯水的混合物(盐酸过氧化氢)作为蚀刻剂的湿法蚀刻。

[0036] 根据该构成方式，能够在不会使光刻胶劣化的情况下，对镍膜进行蚀刻。

[0037] 第十三方面的发明是这样的，在第十至第十二方面的发明中，第一金属牺牲膜和第二金属牺牲膜由镍形成，第一导电型半导体层和第二导电型半导体层由硅形成，形成第一导电型半导体块和第二导电型半导体块的工序是使用氯和溴化氢的干法蚀刻。

[0038] 根据该构成方式，在进行根据由硅形成的第一导电型半导体层和第二导电型半导体层形成第一导电型半导体块和第二导电型半导体块的蚀刻之际，能够将由镍形成的成为第一金属掩模膜的第一金属牺牲膜和成为第二金属掩模膜的第二金属牺牲膜用作硬掩模。

[0039] 第十四方面的发明是这样的，在第十至第十三方面的发明中，半导体元件是功率半导体元件。

[0040] 根据该构成方式，能够提高在工作期间达到高温的功率半导体元件的放热性。

[0041] 第十五方面的发明是这样的，在第十至第十三方面的发明中，半导体元件是将碳化硅作为材料的SiC类功率半导体元件。

[0042] 根据该构成方式，能够提高高耐压、低导通电阻以及能够高速工作的SiC类功率半导体元件的放热性。

[0043] -发明的效果-

[0044] 根据本发明，能够大幅度地降低半导体元件与吸热元件之间的热电阻，并且能够可靠地形成薄膜状吸热元件，上述薄膜状吸热元件形成在半导体元件的表面上。附图说明

[0045] 图1是示出本发明的第一实施方式所涉及的半导体装置的主要部分的剖视图。

[0046] 图2是示出本发明的第一实施方式的第一变形例所涉及的半导体装置的主要部分的剖视图。

[0047] 图3是示出本发明的第一实施方式的第二变形例所涉及的半导体装置的主要部分的剖视图。

[0048] 图4是示出本发明的第二实施方式所涉及的半导体装置的主要部分的剖视图。

[0049] 图5是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0050] 图6是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0051] 图7是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0052] 图8是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0053] 图9是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0054] 图10是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0055] 图11是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0056] 图12是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0057] 图13是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0058] 图14是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0059] 图15是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0060] 图16是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0061] 图17是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0062] 图18是一工序的剖视图，其示出本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的主要部分。

[0063] 图19是示出本发明的一实施例所涉及的吸热元件的一例的示意图。

[0064] 图20是曲线图，其比较了如下所述的总热移动量与驱动电流的依赖关系，其中一种是对一实施例所涉及的珀耳帖元件设定了塞贝克系数及热传导系数的下限值的情况下的总热移动量与驱动电流的依赖关系，另一种是现有的使用了铋碲的珀耳帖元件的总热移动量与驱动电流的依赖关系。

[0065] 图21是曲线图，其示出能够在一实施例所涉及的珀耳帖元件中使用的每一材料的总热移动量与驱动电流的依赖关系。

具体实施方式

[0066] 下面，基于附图对本发明的实施方式进行详细说明。下面的优选实施方式仅仅是本质上的示例而已，并没有对本发明、本发明的应用对象或本发明的用途加以限制的意图。

[0067] (第一实施方式)

[0068] 图1示出了本发明的第一实施方式所涉及的半导体装置的主要部分的截面结构。

[0069] 如图1所示，本实施方式所涉及的半导体装置100由半导体元件主体部10和与该半导体元件主体部10一体地形成在该半导体元件主体部10上的吸热元件部20构成。

[0070] 半导体元件主体部10是肖特基势垒二极管(下面，有时还简称为SBD)，构成该二极管的半导体能够使用碳化硅(SiC)。在此，半导体元件主体部10例如由块层(接触层)12、漂移层(drift layer)13、绝缘性的热传导层15、阳极11以及多个阴极16构成，其中，上述块层(bulk layer)12由n+型SiC形成，上述漂移层13由在该块层12上外延生长的n型SiC形成且用于限制耐压，上述热传导层15由在该漂移层13上外延生长的i型SiC形成，上述阳极11形成在块层12的与漂移层13相反的那一侧的面(背面)上，上述多个阴极16选择性地形成在漂移层13的与块层12相反的那一侧的面(表面)上并且是一些从热传导层15露出来的区域(电极形成区域)上。为了便于说明，在图1中示出了多个阴极16中的一个，然而相同形状的多个阴极16是在横向上(二维上)留出规定的间隔设置的。在此，例如，作为阳极11使用镍硅化物(NiSix)，作为阴极16使用镍(Ni)。此外，在漂移层13的上部中与阴极16相向的周缘部形成+ +有用于使该SBD的耐压提高的p区域14。需要说明的是，不需要在该SBD上必须设置该p区域
14，只要根据半导体装置100的用途等适当地设置即可。

[0071] 阳极11的构成材料并不限于镍硅化物，能够适当地使用可以得到与n型SiC之间的良好的欧姆接触的金属或者金属硅化物。此外，阴极16的构成材料并不限于镍，能够适当地使用可以得到与n型SiC之间的良好的肖特基接触的金属。

[0072] 另一方面，吸热元件部20是在半导体元件主体部10上由p型硅层22、n型硅层24、下部电极21以及上部电极25构成的薄膜状的珀耳帖元件，其中，上述的p型硅层22及n型硅层24分别以多个点(岛)状交替地分布，上述下部电极21在上述硅层22、24的下部被设置成电流交替地在上述硅层22、24中流动，上述上部电极25在上述硅层22、24的上部被设置成电流交替地在上述硅层22、24中流动。在此，在下部电极21及上部电极25中例如能够使用镍(Ni)。例如由氧化硅(SiO2)形成的绝缘膜23充填在p型硅层22与n型硅层24之间、下部电极
21彼此之间以及上部电极25彼此之间。

[0073] 吸热元件部20的下部电极21直接连接在从半导体元件主体部10的表面露出的由i型SiC形成的绝缘性热传导层15上，即，吸热元件部20的下部电极21与绝缘性热传导层15热连接。此外，在阴极16上方的区域，吸热元件部20连接在充填于阴极16周围的例如由氧化硅(SiO2)形成的绝缘膜17上。这样，p型硅层22及n型硅层24相对于半导体元件主体部10的热传导层15和绝缘膜17大致平行地排列。

[0074] 需要说明的是，作为构成吸热元件部20的半导体而使用了硅(Si)，然而并不限于此，能够使用如该硅(Si)那样体热传导系数(bulk thermal conductivity)在50W/mK以上、塞贝克系数(Seebeck coefficient)在300μV/K以上的半导体材料。这样的半导体材料例如有碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)或者金刚石(C)等。使用上述的物质，就能够制造效率高的珀耳帖元件。

[0075] 此外，虽然在下部电极21及上部电极25中使用了镍(Ni)，然而并不限于此，能够使用钛(Ti)、铝(Al)、锡(Sn)、钼(Mo)、铜(Cu)或者金(Au)。

[0076] 在本实施方式中，下部电极21例如是厚度为450nm的Ni膜，p型硅层22及n型硅层24的厚度例如是1.2μm，上部电极25例如是厚度为200nm的Ni膜。如上所述，构成本实施方式所涉及的半导体装置100的吸热元件部20的主体之厚度为1.85μm，其落在2μm以内。

[0077] 此外，若吸热元件部20覆盖半导体元件主体部10中发热源的面积的10％以上的区域，则能够可靠地得到本发明的效果。在此，半导体元件主体部10的发热源主要是指漂移层13的包括多个阴极16与阳极11相向的部分在内的区域的俯视时的区域之和。

[0078] -效果-

[0079] 如上所述，根据本实施方式，对于在构成为SBD的半导体元件主体部10上一体地形成的薄膜状珀耳帖型吸热元件部20而言，该吸热元件部20的下部电极21直接连接在半导体元件主体部10的外延生长部即绝缘性的热传导层15上。因此，半导体元件主体部10与吸热元件部20之间的热电阻被大幅度地降低。

[0080] (第一实施方式的第一变形例)

[0081] 图2示出了本发明的第一实施方式的第一变形例所涉及的半导体装置的主要部分的截面结构。

[0082] 第一变形例所涉及的半导体装置100A中的半导体元件主体部10与第一实施方式不同，其它结构则与第一实施方式相同。因此，在下面的说明中，对于与第一实施方式的构成要素相同的构成要素赋予相同的符号。

[0083] 如图2所示，本变形例所涉及的半导体装置100A所包含的半导体元件主体部10是结型势垒肖特基二极管(下面还简称为JBS二极管)。构成半导体元件主体部10的JBS二极管如下，在由i型SiC形成的绝缘性的热传导层15上，彼此之间留出间隔地形成多个空隙部，并且具有例如通过将镍(Ni)充填在该空隙部内来形成的多个阴极16a。

[0084] 此外，在漂移层13的、被分开的各热传导层15的下侧部分分别形成有p+区域14a，其提高半导体元件主体部10的耐压。

[0085] 需要说明的是，吸热元件部20的结构与第一实施方式相同。

[0086] 由此，在本变形例中不仅能够采用在第一实施方式中说明过的部件的厚度等，而且还能够使用其它可使用的材料。

[0087] (第一实施方式的第二变形例)

[0088] 图3示出了本发明的第一实施方式的第二变形例所涉及的半导体装置的主要部分的截面结构。

[0089] 第二变形例所涉及的半导体装置100B中的半导体元件主体部10与第一变形例不同，其它结构则与第一变形例相同。因此，在图3中，对于与图2的构成要素相同的构成要素也赋予相同的符号。

[0090] 如图3所示，本变形例所涉及的半导体装置100B所包含的半导体元件主体部10是从第一变形例所涉及的JBS二极管中省略了用于提高耐压的p+区域14a来构成的。由此，第二变形例所涉及的JBS二极管是肖特基势垒二极管(SBD)。理由如下，由于在漂移层13中使用了耐压高的n型SiC，因此，即使省略了p+区域14a，也能够作为SBD来进行工作。

[0091] 此外，在本变形例中，除了能够采样在第一实施方式中说明过的部件的厚度等之外，还能够使用其它可使用的材料。

[0092] (第二实施方式)

[0093] 图4示出了本发明的第二实施方式所涉及的半导体装置的主要部分的截面结构。

[0094] 如图4所示，本实施方式所涉及的半导体装置100C由半导体元件主体部30和与该半导体元件主体部30一体地形成在该半导体元件主体部30上的吸热元件部20构成。

[0095] 第二实施方式所涉及的半导体装置100C中的半导体元件主体部10与第一实施方式不同，其它结构则与第一实施方式相同。于是，在下面的说明中，对于与第一实施方式的构成要素相同的构成要素赋予相同的符号。

[0096] 如图4所示，本实施方式所涉及的半导体装置100C中所包含的半导体元件主体部30是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(下面还简称为MOSFET)。构成半导体元件主体部30的MOSFET具有由n+型SiC形成的块层(接触层)32、由在该块层32上外延生长的n型SiC形成且限制耐压的漂移层33以及由在该漂移层33上外延生长的i型SiC形成的绝缘性的热传导层37。在此，n+型SiC的杂质浓度例如可以为1.0×1018cm-3左右，n型SiC也可以为1.0×
16 -3
10 cm 左右。此外，漂移层33的厚度也可以为10μm左右。

[0097] 在漂移层33的表面上并且是一些从热传导层37露出来的区域(电极形成区域)上，隔着栅绝缘膜38a选择性地形成有栅极39。该栅极39和栅绝缘膜38a被绝缘膜38b覆盖。在此，在栅极39中例如可以使用多晶硅(Poly-Si)，还可以使用多晶碳化硅(Poly-SiC)、铝(Al)或者铜(Cu)。此外，在栅绝缘膜38a中例如可以使用氧化硅(SiO2)，还可以使用氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)或者金刚石(C)。

[0098] 而且，在漂移层33上并且是热传导层37彼此之间的电极形成区域，以覆盖绝缘膜38b的方式形成有例如由镍(Ni)形成的源极40。

[0099] 在漂移层33的上部，在各热传导层37与和该各热传导层37相向的栅绝缘膜38a的端部之间分别形成有p型主体层34。此外，在各主体层34的上部，在栅绝缘膜38a侧分别形成有n+型源层35，与该源层35相邻的热传导层37侧分别形成有用于提高耐压的p+区域36。各源层35与形成在源层35上的源极40欧姆接触。需要说明的是，在块层32的背面上形成有例如由镍(Ni)构成的漏极31。上述的主体层34、源层35及p+区域36分别能够通过公知的光刻法及离子注入法等形成。在此，主体层34的p型杂质浓度例如可以是1.0×1016cm-3左右，此外，源层35的n型杂质浓度例如可以是1.0×1020cm-3左右。

[0100] 在MOSFET，规定的电压施加至栅极39，从而p型主体层34的与栅绝缘膜38a之间的分界部分形成反转层即n型沟道区域34a。其结果是，工作电流按照漏极31、块层32、漂移层33、沟道区域34a、源层35及源极40的顺序流动。在该电流路径中，沟道区域34a的沟道电阻和漂移层33的漂移电阻大。因此，由该沟道电阻及该漂移电阻产生的焦耳热在整个半导体元件主体部30的发热量中所占的比例高。

[0101] 在此，与第一实施方式的半导体装置100同样，只要吸热元件部20覆盖半导体元件主体部30中发热源的面积的10％以上的区域，也能够可靠地得到发明的效果。根据上述的说明可知，半导体元件主体部30的发热源主要是包括多个沟道区域34a和漂移层33的区域的俯视时的区域之和。

[0102] -效果-

[0103] 如上所述，根据本实施方式，在与构成为MOSFET的半导体元件主体部30一体地形成在与半导体元件主体部30上的薄膜状珀耳帖型吸热元件部20中，该吸热元件部20的下部电极21直接连接在半导体元件主体部30的外延生长部即绝缘性的热传导层37上。因此，大幅度地降低了半导体元件主体部30与吸热元件部20之间的热电阻。

[0104] (第三实施方式)

[0105] 下面，根据附图对本发明的第三实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的一例进行说明。图5～图18示出了第三实施方式所涉及的半导体装置的主要部分在制造方法的工序顺序下的截面结构。

[0106] 首先，半导体元件主体部10的块层构成为由n型SiC形成的漂移层13，上述半导体元件主体部10构成图18示出的第三实施方式所涉及的半导体装置100D。此外，由i型SiC形成的绝缘性热传导层15通过外延生长而形成在漂移层13的+c面上。此外，形成半导体元件主体部10的阴极16的区域即漂移层13的电极形成区域10a上方是未设置有吸热元件部20的区域。

[0107] 本实施方式所涉及的半导体装置100D的制造方法如下，首先，如图5所示，准备在漂移层13的+c面(下面称为表面)上外延生长有厚度为1μm左右的绝缘性SiC层(热传导层15)的基板，将成为阳极11的镍(Ni)膜成膜在准备好的基板的-c面(下面称为背面)上。具体而言，用SH(硫酸过氧化氢)清洗基板，然后，通过溅射法，将厚度为100nm左右的Ni膜成膜在背面上。接下来，将成膜有Ni膜的基板放入高速热处理(RTA)炉内，在温度1000℃下进行两分钟热处理。通过该热处理，所成膜的Ni膜被硅化，即得到由镍硅化物(NiSix)形成的阳极
11。需要说明的是，这里的基板可以是能够被分割为多个芯片的晶圆状态的基板，也可以是分割成芯片的芯片状基板。

[0108] 接下来，如图6所示，在热传导层15上依次形成例如厚度为450nm左右的由镍形成的下部电极形成膜21A、厚度为1.2μm左右的p型硅层22A、厚度为200nm左右的由镍形成的第一牺牲膜51。下部电极形成膜21A及第一牺牲膜51例如能够通过溅射法成膜，p型硅层22A例如能够通过化学气相沉积(CVD)法或者溅射法成膜。

[0109] 接下来，通过光刻法，在第一牺牲膜51上形成用于根据p型硅层22A得到点状的p型硅层22的第一掩模图案61，将所形成的第一掩模图案61作为掩模，使用盐酸过氧化氢对第一牺牲膜51进行湿法蚀刻，由此，如图7所示，根据第一牺牲膜51形成第一掩模膜51A。在此所使用的盐酸过氧化氢是指，浓盐酸∶过氧化氢水∶纯水的比例，例如体积比是1∶1∶10的混合物，向过氧化氢水(hydrogen peroxide solution)添加纯水(pure water)之后，添加浓盐酸。

[0110] 接下来，如图8所示，通过将所形成的第一掩模膜51A用作掩模来进行的干法蚀刻，得到具有点状的块图案的多个p型硅层22。干法蚀刻中使用了将氯(Cl2)和溴化氢(HBr)的混合气体作为反应气体的电感耦合等离子(ICP)。等离子蚀刻条件的一个例子如下，基板温度为-15℃、反应器内压力为约0.133Pa、ICP输出为400W、基板偏压为190V。此外，Cl2气体的流量为40ml/min(0℃，1atm)，HBr气体的流量为20ml/min(0℃，1atm)。需要说明的是，蚀刻条件并不限于此。

[0111] 接下来，在图9至图11中所示的工序下，形成具有点状的块图案的多个n型硅层24。

[0112] 即，如图9所示，在包含p型硅层22的下部电极形成膜21A上，依次形成n型硅层24A及由镍(Ni)形成的第二牺牲膜52。在此，n型硅层24A也能够通过CVD法或者溅射法成膜，第二牺牲膜52能够通过溅射法成膜。

[0113] 接下来，如图10所示，利用与图7所示的工序相同的盐酸过氧化氢，根据第二牺牲膜52形成用于得到点状的n型硅层24的第二掩模膜52A。然后，也可以对各第二掩模膜52A的表面进行净化处理。

[0114] 接下来，如图11所示，与图8所示的工序相同地，通过将第二掩模膜52A用作掩模，利用Cl2和HBr的混合气体进行ICP蚀刻，由此，根据n型硅层24A得到具有点状的块图案的多个n型硅层24。需要说明的是，点状的p型硅层22及n型硅24的形成顺序并没有特别的限制。

[0115] 接下来，通过光刻法，在包含p型硅层22及n型硅层24的下部电极形成膜21A上形成第二掩模图案62，第二掩模图案62在开口图案中具有SBD的电极形成区域10a。接下来，将所形成的第二掩模图案62作为掩模，使用盐酸过氧化氢对下部电极形成膜21A进行蚀刻，由此，如图12所示，去除下部电极形成膜21A的包含在电极形成区域10a中的部分。

[0116] 接下来，如图13所示，去除第二掩模图案62，接着，将第一掩模膜51A、第二掩模膜52A及下部电极形成膜21A作为硬掩模，对热传导层15进行与图11所示的工序相同的ICP蚀刻，从而使漂移层13的电极形成区域10a露出。在此，由于将由i型SiC形成的热传导层15的厚度设为1μm，因此，就ICP蚀刻的基板偏压值而言，在硅层的情况下为190V，而此时例如是
450V。在本实施方式中，如上所述，将下部电极形成膜21A的膜厚设为450nm、将各掩模膜
51A、52A的膜厚设为200nm，然而考虑硬掩模的损耗量，可以适当地改变各硬掩模的厚度。例如，在本实施方式的情况下，将下部电极形成膜21A的膜厚最多可以设为700nm左右，将各掩模膜51A、52A的膜厚最多可以设为400nm左右。

[0117] 接下来，如图14所示，通过光刻法，在包含漂移层13的电极形成区域10a在内的下部电极形成膜21A上形成具有下部电极形成图案的第三掩模图案63。接下来，将所形成的第三掩模图案63作为掩模，使用盐酸过氧化氢进行蚀刻，从而根据下部电极形成膜21A形成多个下部电极21。

[0118] 接下来，如图15所示，去除第三掩模图案63，接着，通过旋涂法，向基板的整个上表面涂布二氧化硅(SiO2)分散液。接下来，依次进行：在空气中，温度为180℃下进行30分钟的前固化处理；在氮气中，在温度为400℃下进行30分钟的主固化处理。由此将绝缘形成膜23A成膜。需要说明的是，为了实现各硅层22、24的表面及漂移层13中电极形成区域10a的表面的疏水化，在将绝缘形成膜23A成膜之前，例如也可以利用二(三甲基硅基)胺(bis(trimethylsilyl)amine)(HMDS)来实施热处理。具体而言，可以在空气中且温度为180℃下对所旋涂的HMDS进行5分钟的热处理。

[0119] 接下来，通过光刻法，形成在绝缘形成膜23A的电极形成区域10a处具有开口图案的第四掩模图案64，通过使用缓冲氢氟酸(BHF，Buffered Hydrogen Fluoride)进行的湿法蚀刻对绝缘形成膜23A进行蚀刻，从而如图16所示，使漂移层13中的电极形成区域10a再次露出。

[0120] 接下来，如图17所示，通过溅射法，以至少在漂移层13的电极形成区域10a上的膜厚例如为200nm的方式，将由镍(Ni)形成的电极形成膜25A成膜。然后，也可以对电极形成膜25A的表面进行净化处理。

[0121] 接下来，如图18所示，通过光刻法，使用在电极形成膜25A上形成的具有珀耳帖元件的上部电极图案及SBD的电极图案的掩模图案(未图示)，并且使用盐酸过氧化氢进行湿法蚀刻，从而根据电极形成膜25A分别形成珀耳帖元件的多个上部电极25和SBD的阴极16。由此，得到本实施方式所涉及的半导体装置100D。

[0122] -效果-

[0123] 如上所述，根据本实施方式，能够可靠地形成半导体装置100D，半导体装置100D具有例如由SBD元件形成的半导体元件主体部10和由直接形成在该热传导层15上且使用了硅(Si)的薄膜状珀耳帖元件形成的吸热元件部20，其中，半导体元件主体部10具有在碳化硅(SiC)的块部即漂移层13上外延生长的绝缘性(i型SiC)热传导层15，上述硅(Si)是热连接的硅(Si)。

[0124] (其它实施方式)

[0125] 在上述的各实施方式及其变形例中，由i型SiC构成了绝缘性热传导层15、37，然而在绝缘性热传导层15、37中也可以使用绝缘性的硅(Si)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(SiNx)、氧化锌(ZnO)、C(金刚石)、氮化硼(BN)或氧化镓(Ga2O3)，来替代i型SiC。在此，优选各构成材料的热传导系数在5W/mK以上且电阻率在108Ωcm以上。

[0126] 此外，由上述的材料形成的热传导层15、37优选与半导体元件主体部10、30热接触并且连续地接触，从而形成为一体。

[0127] 此外，由上述的材料形成的热传导层优选是从构成半导体元件主体部10、30的半导体材料的表面外延生长而形成的。

[0128] 即，构成半导体元件主体部10、30的半导体材料，可以使用硅(Si)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(SiNx)、氧化锌(ZnO)、C(金刚石)、氮化硼(BN)或氧化镓(Ga2O3)。

[0129] 此外，也可以为：在半导体元件主体部10、30中的宽度比较窄的整个发热区域(例如，图4的沟道区域34a)以及例如图4的热传导层37的整个长度方向上，设置对其周围进行绝热的绝热层。在该情况下，绝热层的热传导系数优选在0.5W/mK以下。

[0130] 实施例

[0131] 下面，根据附图对本发明所涉及的吸热元件的一实施例进行说明。

[0132] 如图19所示，将本实施例所涉及的吸热元件即珀耳帖元件60的单体的大小设为如下，平面面积S×高度(厚度)1＝1mm2×1mm＝1mm3。在图19中，在珀耳帖元件60的表面及背面上设置例如由镍形成的金属电极61，将其表面与电源的正极连接、将其背面与电源的负极连接后，让电流I流过。此时，箭头63表示由珀耳帖效果引发的热移动，箭头64表示由热传导引发的热移动，箭头65表示由焦耳热引发的发热。

[0133] 在此，假设珀耳帖元件60的表面与背面的温差为40℃。此时，例如可以假想如下的情况，即，表面侧连接有温度为80℃的冷却介质所流通的冷却器，背面侧连接有功率装置，该功率装置的温度达到120℃以下。假设周围环境温度为295K(22℃：室温)，电阻率为1×10-5Ωm。

[0134] 下面，将一般的“式1”记为表示珀耳帖元件的吸热性能的导出式子。

[0135] [式1]

[0136] Qout＝αcTcjI-(1/2)RI2-KΔTj

[0137] 其中，R＝ρ(S/1)，K＝κ(1/S)

[0138] 在此，Qout表示总热移动量，α表示塞贝克系数，T表示室温，I表示电流(珀耳帖驱动电流)，ΔT表示表面与背面的温差，ρ表示电阻率，S表示珀耳帖元件的单体面积，1表示珀耳帖元件的单体厚度，κ表示热传导系数。此外，“式1”的第一项表示珀耳帖效果，第二项表示焦耳热，第三项表示热传导。

[0139] 下面的“表1”中，表示了以前开始所使用的铋碲(Bi2Te3)以及本发明中能够使用的硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)和金刚石(C)各自的在计算中所使用的数值的列表。

[0140] [表1]

[0141]

[0142] 接下来，根据使用[表1]的数值来计算的[式1]的计算结果，在图20中将现有的铋碲与本实施例(本发明)的下限值曲线化，从而对两者进行比较。鉴于本实施例的珀耳帖元件的用途，在本实施例中，将期望的总热移动量(吸热量)的最低值(称为需求N)设为300W/cm2。这例如是由功率装置的发热量带来的需求。

[0143] 如图20所示，在表示本实施例的下限值的曲线图A(塞贝克系数在300μV/K以上且热传导系数在50W/mK以上)中，其最大吸热量为308.8W/cm2，满足上述的需求。而另一方面，在曲线图B所示的利用铋碲的现有珀耳帖元件的情况下，其最大吸热量只不过是23.4W/cm2，无法满足上述的需求。

[0144] 图21中分别示出了将在[表1]中所记载的各材料(除了铋碲之外)的表面与背面的温差ΔT设为40℃的情况下利用计算值描绘的曲线图。如图21所示，在珀耳帖元件的构成材料中使用了金刚石的曲线图C中，其最大吸热量为3100W/cm2左右。由此可知，如果覆盖需求N的10倍即3000W/cm2的10％以上，即，在本实施例中，如果珀耳帖元件例如覆盖发热源即功率装置的表面积的10％以上的区域，就能够满足需求N的值。

[0145] -产业实用性-

[0146] 根据本发明所涉及的吸热元件及包括该吸热元件的半导体装置以及吸热元件的制造方法，能够降低半导体元件与吸热元件之间的热电阻，从而除了能够应用于安装了变换器的汽车(HV、HEV等)上之外，还能够应用于发电、送电配电系统(智能电网(smart grid)等)、汽车以外的输送设备(铁道、船舶、飞机等)、产业机械(FA设备、升降机等)、IT相关设备(计算机、便携式电话等)以及民生、家电设备(空调机、FPD、AV设备等)以及它们的制造技术领域中，其中，在上述变换器中装配了这种半导体装置。

[0147] -符号说明-

[0148] 10 半导体元件主体部(半导体元件/功率半导体元件)

[0149] 10a电极形成区域

[0150] 15 热传导层(电绝缘体)

[0151] 16 阴极(半导体元件的电极)

[0152] 16a 阴极

[0153] 20 吸热元件部(吸热元件/珀耳帖元件)

[0154] 21A 下部电极形成膜(下部金属膜)

[0155] 21 下部电极

[0156] 22 p型硅层(p型半导体层/第一导电型半导体块)

[0157] 22A p型硅层(第一导电型半导体层)

[0158] 24 n型硅层(n型半导体层/第二导电型半导体块)

[0159] 24A n型硅层(第二导电型半导体层)

[0160] 25 上部电极

[0161] 25A 电极形成膜(上部金属膜)

[0162] 30 半导体元件主体部(半导体元件/功率半导体元件)

[0163] 51 第一牺牲膜(第一金属牺牲膜)

[0164] 51A 第一掩模膜(第一金属掩模膜)

[0165] 52 第二牺牲膜(第二金属牺牲膜)

[0166] 52A 第二掩模膜(第二金属掩模膜)

[0167] 60 珀耳帖元件

[0168] 100、100A、100B、100C、100D 半导体装置

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热循环器	2020-05-13	320
温度调节设备	2020-05-13	626
放射线成像装置	2020-05-19	279
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温度调节设备	2020-05-13	994
空调机	2020-05-15	352
集成的并列珀耳帖/塞贝克元件芯片及其制备方法、连接方法	2020-05-11	972
车辆用除加湿装置	2020-05-20	829

吸热元件及包括该吸热元件的半导体装置以及吸热元件的制造方法

吸热元件及包括该吸热元件的半导体装置以及吸热元件的制

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