專利名稱：用于半導(dǎo)體模塊中的熱耗散的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造，尤其涉及用于加速高性能的半導(dǎo)體器件中的熱耗散的方法和結(jié)構(gòu)。本發(fā)明更尤其涉及利用改進(jìn)的熱傳導(dǎo)將散熱芯片連接到器件芯片。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件的性能不斷提高，與此同時(shí)，在操作期間產(chǎn)生的過多熱量也不斷增加。隨著單個(gè)器件的尺寸不斷減小，在縮小的區(qū)域中產(chǎn)生更多的熱量，熱耗散問題已經(jīng)成為影響器件性能的關(guān)鍵因素。
為了有效地冷卻器件芯片，一般在器件芯片的背面連附一個(gè)散熱器芯片。圖1表示半導(dǎo)體模塊的常規(guī)結(jié)構(gòu)，其中器件芯片1(在其前表面附近具有在區(qū)域1a中制造的實(shí)際器件)面朝下并電連接到襯底2；若干個(gè)C4連接器3(受控壓縮的芯片連接器)形成器件和襯底之間的互連。熱傳導(dǎo)材料層4被施加于器件芯片1的背面上；該層用于把散熱器芯片5連附于器件芯片上。如圖1所示，散熱器芯片5一般比器件芯片1大。用于散熱器芯片5的常規(guī)材料是SiC。
在層4中使用的用于連附散熱器到芯片上的常規(guī)材料是熱膏。熱膏層的厚度一般為50-100φm。熱膏的熱導(dǎo)最好是0.05W/cmEC，其不允許從芯片到散熱器的高效熱傳遞。已使用焊料作為層4的替換材料；焊料比熱膏具有較好的熱導(dǎo)(大約0.2W/cmEC)，但是其物理性能使得其在器件制造中用于這個(gè)目的時(shí)沒有吸引力。需要一種用于連附散熱器芯片到器件芯片上的方法和結(jié)構(gòu)，其中連附層4比熱膏具有高得多的熱導(dǎo)。此外，期望這種連附層的制造以及散熱器與器件芯片的連接被容易地結(jié)合在常規(guī)器件制造工藝中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種使用包括平面銅膜和/或包括銅柱的膜的連附層將散熱器連附到器件芯片上的處理，滿足了上述需要。按照本發(fā)明，這是通過利用銅層涂覆芯片1和散熱器5并把所述層鍵合在一起實(shí)現(xiàn)的。最好在這些銅層之間添加在其中形成銅柱的附加聚酰亞胺層。
按照本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供一種用于耗散來自半導(dǎo)體器件芯片的熱量的方法。在芯片的背面上形成第一金屬(一般為銅)的第一層；在散熱器(一般是Si或SiC)的前面上形成該金屬的第二層。在所述第一層和/或所述第二層上形成不同金屬(一般是Sn)的第三層。然后在鍵合處理中鍵合所述第一層、第二層和第三層，使所述第三層在所述第一層和第二層之間，從而形成包括所述第一金屬和所述第二金屬的合金的鍵合層。因而所述鍵合層提供從芯片到散熱器的導(dǎo)熱通路，其熱導(dǎo)至少是1.0W/cmEC，高達(dá)4W/cmEC。所述合金一般是銅錫共晶合金，其在不大于大約400EC的溫度下形成。
按照本發(fā)明的第二方面，提供用于耗散來自半導(dǎo)體器件芯片的熱量的另一種方法。在散熱器(一般是Si或SiC)的前面上形成介電材料(例如聚酰亞胺)的第一層。通過所述第一層形成多個(gè)開孔；所述開孔被填充金屬(一般為銅)，從而形成通過所述第一層延伸的金屬柱。在器件芯片的背面上形成用第二金屬層。然后在鍵合處理中鍵合所述第一層和所述第二層，從而形成鍵合層，其中所述金屬柱接觸所述第二層。因而所述鍵合層提供從所述芯片到散熱器的導(dǎo)熱通路。可以在散熱器的前面上形成另一金屬層，使得所述金屬柱在這些金屬層之間延伸。另外，本方法可以被這樣來實(shí)施在器件芯片的背面上形成所述第一層，同時(shí)在散熱器上形成所述第二層。
所述金屬柱可以按照器件芯片的生熱特性而設(shè)置。具體地說，這些柱可以被這樣設(shè)置，使得在對應(yīng)于以相對大的速率產(chǎn)生熱量的器件芯片的區(qū)域(芯片的熱點(diǎn))的第一層中設(shè)置相對大面積密度的柱，或者設(shè)置較大的柱。
按照本發(fā)明的第三方面，提供一種用于耗散在半導(dǎo)體器件芯片中產(chǎn)生的熱量的結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)包括散熱器和在所述散熱器的前面上設(shè)置的介電材料的第一層。所述第一層(一般是聚酰亞胺)具有在其中延伸的多個(gè)開孔；多個(gè)金屬柱填充所述開孔并延伸通過所述第一層。在器件芯片的背面上設(shè)置第二層金屬(一般是銅)。所述第一層和第二層在鍵合層中鍵合在一起，在所述鍵合層中所述金屬柱接觸所述第二層。因而所述鍵合層提供從芯片到所述散熱器的導(dǎo)熱通路。


圖1示意地表示包括使用熱膏連附于器件芯片上的散熱器的常規(guī)半導(dǎo)體器件模塊；圖2A和2B表示按照本發(fā)明的第一實(shí)施例，通過鍵合覆蓋金屬層而連附散熱器到器件芯片上的處理；圖3A表示按照本發(fā)明的第二實(shí)施例，具有聚酰亞胺膜的散熱器，所述膜包括在其上形成的銅柱；圖3B表示模塊中的器件芯片，其中所述器件芯片準(zhǔn)備用于鍵合到圖3A的散熱器上；圖4表示按照本發(fā)明第二實(shí)施例，將圖3A的散熱器鍵合到圖3B的器件芯片以形成半導(dǎo)體模塊；圖5A和5B表示按照本發(fā)明用于從器件芯片的一個(gè)局部區(qū)域耗散熱量的替換結(jié)構(gòu)和方法；以及圖6表示按照本發(fā)明將圖3A的散熱器連接到器件芯片以形成半導(dǎo)體模塊的另一種處理。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的處理使用有時(shí)被稱為轉(zhuǎn)移與連接(T&J，transfer-and-join)的方法，在這些實(shí)施例中，該方法可以使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來實(shí)施，例如在線后端(BEOL，back-end-of-the-line)器件處理中使用的光刻技術(shù)和金屬淀積技術(shù)。散熱器芯片最好是Si(或者具有適當(dāng)性能的SiC)，以使在散熱器芯片和器件芯片之間的熱脹系數(shù)的差異最小。在單獨(dú)的處理中，在器件芯片和散熱器芯片的相對表面上配備鍵合層；然后在相對低的溫度下(最多大約400EC)在鍵合處理中連附這些芯片。器件芯片和散熱器芯片之間所得的連附層比常規(guī)熱膏層更薄并具有較高的熱導(dǎo)。鍵合層可以是平面銅膜和/或具有銅柱的聚酰亞胺，如下詳述。
第一實(shí)施例銅膜鍵合在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，器件芯片1的背面1b和散熱器芯片5的前面5a的每一個(gè)被涂覆銅的覆蓋平面模21、22(見圖2A)。因?yàn)闊岷纳⑿屎玩I合層的厚度相反地相關(guān)，銅層21、22的每一個(gè)應(yīng)當(dāng)具有提供可靠鍵合的最小厚度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)厚度大約為1.0φm。然后使相對的銅表面接觸并在小于大約400EC的溫度下鍵合。可以通過在一個(gè)銅層上淀積另一個(gè)金屬層23來便于層21和22的銅對銅鍵合，因此在鍵合處理中層23位于銅層之間。在圖2B中，示出了淀積在器件芯片上的層21上的金屬層23。用于層23的優(yōu)選的金屬是Sn。在銅層之間放置金屬層23允許形成共晶合金(例如Cn-Sn)，其有效地把層21，23和層22的接觸區(qū)轉(zhuǎn)換成單個(gè)鍵合層。在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的同一受讓人的美國專利6110806中，討論了在膜鍵合中形成合金的一些細(xì)節(jié)，該專利的內(nèi)容被包括在此作為參考。據(jù)估計(jì)這個(gè)鍵合層(銅錫合金)的熱導(dǎo)大約是4W/cmEC，比熱膏的熱導(dǎo)至少大50倍。
使用覆蓋膜來鍵合器件芯片和散熱器芯片使得不需要光刻處理；因而本方法可以用相對低的成本來實(shí)施。不過，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以看出，在覆蓋金屬膜的鍵合過程中，當(dāng)把膜接觸到一起時(shí)，在膜之間可能形成一些空隙。這將減少金屬對金屬鍵合的有效性。這個(gè)問題可以通過使用形成圖案的銅柱的鍵合層來避免，如下所述。
第二實(shí)施例形成圖案的銅柱在這個(gè)實(shí)施例中，在散熱器芯片5的前面5a上形成聚酰亞胺膜31。優(yōu)選地但不是必須的，表面5a首先被涂覆覆蓋銅層22，在其上形成聚酰亞胺層31(圖3A)。使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)使聚酰亞胺層31形成圖案，然后被蝕刻而形成通過層31的通孔，在每個(gè)通孔的底部露出底層材料(圖3A，層22的銅)。然后在金屬淀積處理中填充所述通孔而形成通過聚酰亞胺層延伸的銅柱32。聚酰亞胺層32的厚度一般大約為5φm或更小。散熱器芯片上的銅柱圖案使得所述銅柱處于具有和器件芯片的面積大致匹配的面積的陣列中。
制備具有形成在背面1b上的覆蓋銅層21的器件芯片；銅層由暫時(shí)的絕緣膜35保護(hù)(圖3B)直到芯片準(zhǔn)備進(jìn)行鍵合。在圖3B中，示出了器件芯片1已經(jīng)通過C4處理被連附于襯底2上，所述C4處理包括形成C4連接器3和未充滿處38。(當(dāng)然可以在器件芯片連接到襯底之前把其和散熱器芯片鍵合在一起。如果在鍵合處理期間具有C4連接器可能壓縮的危險(xiǎn)，這是優(yōu)選的。)圖4表示鍵合處理的結(jié)果，其中散熱器芯片5被鍵合到器件芯片1而形成一個(gè)完整的模塊40。如圖4所示，聚酰亞胺層31的頂面對著芯片1上的銅層21的上表面(在鍵合處理之前已經(jīng)除去保護(hù)模35)。在鍵合處理中，聚酰亞胺層31粘附于銅層21，銅柱32與之接觸。因而，由銅構(gòu)成的多個(gè)熱通路從器件芯片1通向散熱器芯片5。在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的同一個(gè)受讓人的美國專利64444560(Pogge等人)中，討論了在聚酰亞胺通孔中形成金屬柱以及鍵合聚酰亞胺和金屬層的一些細(xì)節(jié)，該專利的內(nèi)容被包括在此作為參考。鍵合層的總厚度(在本實(shí)施例中包括層21，31和22)的范圍一般為6-8φm。
應(yīng)當(dāng)理解，上述的方法可以在器件芯片和散熱器芯片被顛倒的情況下實(shí)施；即，具有銅柱的聚酰亞胺膜可被形成在器件芯片的背面上(優(yōu)選地在覆蓋銅層上)，而制備在鍵合處理之前具有由絕緣層覆蓋的覆蓋銅層的散熱器芯片。
值得注意，銅柱32的圖案或尺寸不必是均勻的，而可以適應(yīng)于器件芯片1的生熱特性。例如，如圖5A所示，在芯片1的有源器件區(qū)中的區(qū)域10可能具有以過高的速率產(chǎn)生熱量的元件，從而在芯片上形成熱點(diǎn)11。在熱點(diǎn)上方的銅柱51可以用較高密度的圖案來設(shè)置(即被設(shè)置具有相對大的面積密度)，以便在熱點(diǎn)上提供較大的熱耗散，如圖5A所示?；蛘?，如圖5B所示，在熱點(diǎn)上方的聚酰亞胺層中的開孔可被作得較大(開孔的數(shù)量和布置不變)，使得從熱點(diǎn)導(dǎo)熱的銅柱61比在器件芯片的其它位置的銅柱較大。應(yīng)當(dāng)理解，在每個(gè)方法中，使用導(dǎo)熱的銅柱提供把熱耗散集中于器件芯片上的特定區(qū)域的能力。
將銅柱32鍵合到器件芯片1背面上的銅層21可以通過形成金屬合金被增強(qiáng)，如第一實(shí)施例中那樣。圖6表示鍵合層的結(jié)構(gòu)，其中在鍵合處理之前在層21上淀積金屬層63(例如Sn)。因而由層21和柱32中的銅以及層63的金屬形成合金。鍵合層(包括層21，63，31和22)的總厚度不大于8φm。
本發(fā)明(其中使用銅層和銅柱把Si散熱器芯片鍵合到器件芯片上)和常規(guī)的方法(其中通過熱膏層把SiC散熱器連接到器件芯片上)相比，在熱耗散方面提供大的優(yōu)點(diǎn)。銅的熱導(dǎo)是4W/cmEC，大約是熱膏的100倍。在本發(fā)明中鍵合層的厚度范圍一般為6-8φm；比一般的熱膏層大約薄10倍。此外，估計(jì)本發(fā)明的Si散熱器的成本比常規(guī)的SiC散熱器低10倍。此外，應(yīng)當(dāng)注意，通過使器件芯片和散熱器之間的熱脹系數(shù)的差最小，本發(fā)明的Si散熱器芯片提供優(yōu)于大多數(shù)常規(guī)的SiC散熱器的優(yōu)點(diǎn)。
還值得注意，本發(fā)明的散熱器/器件芯片鍵合可以和一般使用的冷卻液體兼容。因而，本發(fā)明的熱耗散方法可用于空氣冷卻和液體冷卻的芯片/模塊系統(tǒng)。
雖然結(jié)合特定的優(yōu)選實(shí)施例說明了本發(fā)明，顯然，不脫離本發(fā)明的范圍和構(gòu)思，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出許多改變、改型和替代物。因而，本發(fā)明旨在包括所有這些改變、改型和替代物，它們都落在本發(fā)明和下面的權(quán)利要求的范圍和構(gòu)思內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于提供半導(dǎo)體器件芯片的熱耗散的方法，所述器件芯片具有在其附近形成生熱元件的前面并具有背面，所述方法包括以下步驟提供散熱器；在所述芯片的背面上形成第一金屬的第一層；在所述散熱器的前面上形成所述第一金屬的第二層；在所述第一層和第二層的至少一個(gè)上形成和所述第一金屬不同的第二金屬的第三層；以及在鍵合處理中鍵合所述第一層、第二層和第三層，其中所述第三層在所述第一層和所述第二層之間，從而形成包括所述第一金屬和第二金屬的合金的鍵合層，所述鍵合層提供從芯片到散熱器的導(dǎo)熱通路，其具有范圍為大約1.0W/cmEC到大約4W/cmEC的熱導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬是銅，第二金屬是錫，所述鍵合步驟在不大于大約400EC的溫度下進(jìn)行，以形成銅和錫的共晶合金。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述散熱器是硅和碳化硅(SiC)之一。
4.一種用于提供半導(dǎo)體器件芯片的熱耗散的方法，所述器件芯片具有在其附近形成生熱元件的前面并具有背面，所述方法包括以下步驟提供散熱器；在(i)所述散熱器的前面和(ii)所述器件芯片的背面之一上形成介電材料的第一層；形成通過所述第一層的多個(gè)開孔；利用金屬填充所述開孔，從而形成通過所述第一層延伸的金屬柱；在未在其上形成所述第一層的(i)所述散熱器的前面和(ii)所述器件芯片的背面之一上形成第二金屬層；在鍵合處理中鍵合所述第一層和所述第二層，從而形成鍵合層，其中所述金屬柱接觸所述第二層，所述鍵合層提供從芯片到散熱器的導(dǎo)熱通路。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述介電材料是聚酰亞胺，所述金屬是銅。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述散熱器是硅和碳化硅(SiC)之一。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述鍵合處理在不大于大約400EC的溫度下進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述金屬柱排列在陣列中，所述陣列具有和器件芯片的背面的面積一致的面積。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第一層形成在散熱器的前面上，所述第二層形成在器件層的背面上。
10.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第一層形成在器件層的背面上，所述第二層形成在散熱器的前面上。
11.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括在形成第一層之前形成和散熱器的前面接觸的第三金屬層的步驟，使得隨后在所述第三層上形成所述第一層，所述金屬柱與所述第二層和第三層接觸，所述鍵合層包括所述第一層、第二層和第三層。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述金屬是銅，所述鍵合層提供從芯片到散熱器的導(dǎo)熱通路，具有大約4W/cmEC的熱導(dǎo)。
13.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述金屬被表征為第一金屬，該方法還包括在所述鍵合步驟之前在所述第二層上形成和所述第一金屬不同的第二金屬的第三層的步驟，使得在所述鍵合步驟期間，所述第三層位于所述第一層和所述第二層之間，其中所述鍵合步驟包括鍵合所述第一層、第二層和第三層以形成包括所述第一金屬和所述第二金屬的合金的鍵合層。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第一金屬是銅，第二金屬是錫，所述鍵合步驟在不大于大約400EC的溫度下進(jìn)行，以形成銅和錫的共晶合金。
15.如權(quán)利要求4所述的方法，其中按照器件芯片的生熱特性而設(shè)置所述柱。
16.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述柱被這樣設(shè)置，使得在對應(yīng)于以較大的速率生熱的器件芯片區(qū)域的第一層的區(qū)域內(nèi)，設(shè)置相對較大面積密度的柱。
17.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述柱被這樣設(shè)置在所述第一層內(nèi)，使得具有相對較大橫向尺寸的柱位于對應(yīng)于以相對較大的速率生熱的器件芯片區(qū)域的第一層區(qū)域內(nèi)。
18.一種用于耗散半導(dǎo)體器件芯片中產(chǎn)生的熱量的結(jié)構(gòu)，所述器件芯片具有在其附近形成生熱元件的前面并具有背面，所述結(jié)構(gòu)包括散熱器；設(shè)置在所述散熱器的前面上的介電材料的第一層，所述第一層具有通過其延伸的多個(gè)開孔；填充所述開孔并通過所述第一層延伸的多個(gè)金屬柱；以及設(shè)置在器件芯片的背面上的第二金屬層，所述第一層和所述第二層在鍵合層中鍵合在一起，在所述鍵合層中金屬柱接觸所述第二層，所述鍵合層提供從芯片到散熱器的導(dǎo)熱通路。
19.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述介電材料是聚酰亞胺，所述金屬是銅。
20.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述散熱器是硅和碳化硅(SiC)之一。
21.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬柱排列在陣列中，所述陣列具有和器件芯片的背面的面積一致的面積。
22.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，還包括和所述散熱器的前面接觸的第三金屬層，使得所述第一層位于所述第三層上，所述金屬柱接觸所述第二層和第三層，所述鍵合層包括所述第一層、第二層和第三層。
23.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬是銅，所述鍵合層提供從所述芯片到所述散熱器的導(dǎo)熱通路，其具有大約為4W/cmEC的熱導(dǎo)。
24.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述金屬被表征為第一金屬，該結(jié)構(gòu)還包括和所述第一金屬不同的第二金屬的第三層，所述第三層位于所述第一層和所述第二層之間，使得所述第一層、第二層和第三層鍵合在一起而形成鍵合層，所述鍵合層包括所述第一金屬和所述第二金屬的合金。
25.如權(quán)利要求24所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一金屬是銅，第二金屬是錫，所述鍵合層包括銅和錫的共晶合金。
26.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中按照所述器件芯片的發(fā)熱特性而設(shè)置所述金屬柱。
27.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述柱被這樣排列，使得在對應(yīng)于以相對較大的速率生熱的器件芯片區(qū)域的第一層中，設(shè)置相對較大面積密度的柱。
28.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其中所述柱被這樣設(shè)置在第一層中，使得具有較大橫向尺寸的柱位于對應(yīng)于以相對較大的速率生熱的器件芯片區(qū)域的第一層區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于耗散半導(dǎo)體器件芯片中的熱量的結(jié)構(gòu)和方法。介電材料(例如聚酰亞胺)的第一層形成在散熱器(一般是Si)的前面上。形成通過所述第一層的多個(gè)開孔；所述開孔被填充金屬(一般是銅)，從而形成通過第一層延伸的金屬柱。在器件芯片的背面上形成第二金屬層。然后在鍵合處理中鍵合第一層和第二層從而形成鍵合層，其中所述金屬柱接觸所述第二層。因而所述鍵合層提供從芯片到散熱器的導(dǎo)熱通路。
文檔編號H01L23/373GK1828876SQ20061000512
公開日2006年9月6日 申請日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者H.·伯恩哈德·波格 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司