使用硅的芯片級熱耗散的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請要求2014年4月23日提交的美國臨時申請No. 61/983, 402的權(quán)益，并且 其以引用的方式被并入此處。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的冷卻。
【背景技術(shù)】
[0004] 近年來移動半導(dǎo)體已在處理能力和熱生成兩方面經(jīng)歷了巨大的增長。目前，用于 移動半導(dǎo)體的冷卻方案處于其初期。盡管在該市場上存在許多魯棒半導(dǎo)體冷卻方案，它們 不是被設(shè)計用于移動設(shè)備并且是非常過時的。當(dāng)前的冷卻方案可以被概括為太重、太大、效 率不高、浪費材料并且在一些情況下消耗太多的能量。因此，需要小型的、輕重量的、低輪廓 的、效率高的、無源且高性能的現(xiàn)代移動散熱器構(gòu)造。
[0005] 在半導(dǎo)體封裝之上安裝散熱器是本領(lǐng)域已知的。例如參見美國專利8, 564, 114。 在所述半導(dǎo)體芯片被封裝之后，大的金屬散熱器被附接在所述半導(dǎo)體芯片之上。通常使用 銅和/或鋁構(gòu)造所述散熱器并且所述散熱器并入熱交換器的陣列。在所述散熱器和所述半 導(dǎo)體芯片中間使用某個類型的高K熱界面材料（HM)是非常典型的。所述通常具有大 約9的K值。然而，使用焊料作為所述HM來提高導(dǎo)熱率也是已知的。焊料具有50的K值， 并且能夠與銅和/或銀相混合以提高所述K值直到大約80。然而，此解決方案對移動應(yīng)用 而言不是有益的，在其處存在對熱耗散解決方案中的最小化尺寸、重量、低效率、所用的材 料以及能量消耗的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 通過如下這樣的半導(dǎo)體器件解決前面所述的問題和需要：該半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo) 體芯片，所述半導(dǎo)體芯片具有：具有相對的第一表面和第二表面的第一硅襯底、形成在所述 第一表面處或所述第一表面中的半導(dǎo)體器件、形成在所述第一表面處的被電耦合至所述半 導(dǎo)體器件的多個第一接觸焊盤、所述第二表面上的一層導(dǎo)熱材料、以及部分貫穿所述導(dǎo)熱 材料層而形成的多個第一通孔。
[0007] 通過查閱說明書、權(quán)利要求以及附圖，本發(fā)明的其他目的和特征將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0008] 圖1A-1C是顯示了具有冷卻特征的半導(dǎo)體芯片的形成的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0009] 圖2A-2C是顯示了具有冷卻特征的半導(dǎo)體芯片的可替代實施例的形成的橫截面 側(cè)視圖。
[0010] 圖3是具有冷卻特征的半導(dǎo)體芯片的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0011] 圖4是具有冷卻特征的半導(dǎo)體芯片的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0012] 圖5A-5C是顯示了具有冷卻特征的半導(dǎo)體芯片的可替代實施例的形成的橫截面 側(cè)視圖。
[0013] 圖6是具有冷卻特征的半導(dǎo)體芯片的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0014] 圖7是具有冷卻特征的半導(dǎo)體芯片的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0015] 圖8A-8E是顯示了具有冷卻特征的散熱器的形成的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0016] 圖9是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0017] 圖10是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0018] 圖11A-11D是顯示了具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的形成的橫截面?zhèn)?視圖。
[0019] 圖12是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0020] 圖13是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0021] 圖14是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0022] 圖15是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0023] 圖16是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0024] 圖17是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0025] 圖18是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0026] 圖19是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0027] 圖20是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0028] 圖21是具有冷卻特征的散熱器的可替代實施例的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0029] 圖22是具有在半導(dǎo)體芯片器件之間省略的冷卻特征的晶圓的頂視圖。
[0030] 圖23是具有多行半導(dǎo)體芯片器件的晶圓的頂視圖，所述半導(dǎo)體芯片器件具有逐 行基礎(chǔ)上彼此正交的冷卻特征圖案。
[0031] 圖24是具有多行半導(dǎo)體芯片器件的晶圓的頂視圖，所述半導(dǎo)體芯片器件具有逐 個器件基礎(chǔ)上彼此正交的冷卻特征圖案。
[0032] 圖25A-2?是具有不同的冷卻片配置的散熱器的頂視圖。
【具體實施方式】
[0033] 本發(fā)明包括用于直接在所述硅半導(dǎo)體襯底中形成冷卻特征的技術(shù)和構(gòu)造，在所述 硅半導(dǎo)體襯底上單獨地或者與硅散熱器相結(jié)合形成集成電路。
[0034] 圖1A-1C示出了根據(jù)第一實施例的具有冷卻特征的硅半導(dǎo)體器件的形成，該第一 實施例在所述半導(dǎo)體芯片的背側(cè)上形成導(dǎo)熱層特征。此層允許跨越所述半導(dǎo)體芯片的高導(dǎo) 熱性。這樣的層可以減少所述半導(dǎo)體芯片中的熱點并且提高熱耗散率（例如，熱傳導(dǎo)和輻 射）。圖IA顯示了一般半導(dǎo)體芯片10,其包括硅襯底12、形成在所述襯底12的頂面上或頂 面中的一個或多個半導(dǎo)體器件14、以及形成在襯底12的頂面上的結(jié)合焊盤16,其被電耦合 至所述（一個或多個）半導(dǎo)體器件14,用于片外連接性。盡管圖IA僅顯示了具有其關(guān)聯(lián)的 結(jié)合焊盤16的單個半導(dǎo)體器件14,應(yīng)被理解的是：多個這樣的器件被形成在單個晶圓上并 且隨后被分離成單獨的器件裸片。
[0035] 鈍化層18被沉積在所述半導(dǎo)體襯底12的底面上。此鈍化層充當(dāng)用于所述半導(dǎo)體 芯片10的擴散阻擋層。所述鈍化層18可以通過在本領(lǐng)域中公知的濺射工藝而被沉積。所 述鈍化層18的優(yōu)選的厚度是0.Iym或更小。優(yōu)選的鈍化材料會具有高的導(dǎo)熱率，諸如鎢、 鎳、鉻以及前述材料的合金或本領(lǐng)域內(nèi)公知的任何其他適合的鈍化材料。具有高導(dǎo)熱率的 一層材料20被沉積在所述鈍化層18之上。所述導(dǎo)熱層20提高了跨越所述半導(dǎo)體芯片的 導(dǎo)熱率，因此減少了熱點。諸如銅、銀、石墨烯的材料、碳相關(guān)的材料或任何其他公知的導(dǎo)熱 材料可以被使用。可以通過物理氣相沉積（PVD)或針對所選材料的任何其他適合的工藝來 執(zhí)行沉積。如果導(dǎo)熱層20不能兼任結(jié)合層，則可以涂敷單獨的結(jié)合層22。金屬對金屬結(jié)合 針對其導(dǎo)熱性特性而言是優(yōu)選的。如果使用銅，則可以使用通過熱壓結(jié)合工藝的傳統(tǒng)的銅 對銅結(jié)合。如果使用銀或銦，則可以使用銀銦室溫焊接工藝。所得到的結(jié)構(gòu)在圖IB中被顯 不。
[0036] 可以利用機械刀片劃切設(shè)備、激光切割或任何其他適當(dāng)?shù)墓に囋谒龈鱾€半導(dǎo)體 器件14及其相關(guān)聯(lián)的結(jié)合焊盤1