CN105164803B - 形成集成电路冷却系统的选择性焊料密封连接结构的方法 - Google Patents

形成集成电路冷却系统的选择性焊料密封连接结构的方法 Download PDF

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Abstract

在连接结构中形成冷却通道以焊接到半导体结构的方法。该方法包括：在基板的表面上形成金属种晶层；将所述种晶层图案化为覆盖所述基板的某些部分且暴露基板的其它部分的图案化的镀覆用种晶层；使用所述图案化的镀覆用种晶层形成穿过所述基板的暴露部分的通道；以及用焊料镀覆所述图案化的镀覆用种晶层。在其中具有冷却通道的换热器被附连到连接结构的一个表面而半导体结构被焊接到连接结构的相反表面。换热器的冷却通道与连接结构中的通道对齐。

Description

形成集成电路冷却系统的选择性焊料密封连接结构的方法
技术领域
本申请总体上涉及集成电路冷却系统，并且更具体涉及其中微通道连接结构(interface)被焊接到半导体结构的背侧的微通道冷却系统。
背景技术
如本领域内已知的，用于冷却集成电路的一项技术是形成在其中具有液体冷却剂微通道的连接结构以及将该连接结构焊接到半导体结构的背面，所述半导体结构比如是单片微波集成电路(MMIC)或高功率半导体放大器器件。形成这种连接结构的一个方法是首先在连接结构中形成微通道，然后将焊料选择性地沉积在终止于形成这些微通道的连接结构侧壁处的连接结构的两端。这种在定义了蚀刻特征之后进行的选择性沉积通常通过喷溅或沉积金属到整个表面上、包括喷溅或沉积金属到蚀刻特征内然后必须除去它或覆盖它以防止焊料材料的沉积来实现的。这些典型的方法步骤需要厚膜的复杂起升或深腐蚀不需要的材料。这需要复杂的厚光刻步骤或很难控制蚀刻步骤。
发明内容
根据本公开，一种在连接结构中形成冷却通道以焊接到半导体结构的方法被提供。该方法包括：在基板的表面上形成种晶层；将所述种晶层图案化为覆盖所述基板的某些部分且暴露基板的其它部分的图案化的镀覆用种晶层；使用所述图案化的镀覆用种晶层形成穿过所述基板的暴露部分的通道；以及在所述图案化的镀覆用种晶层上镀覆焊料。在其中具有冷却通道的换热器被附连到所述连接结构的一个表面并且所述半导体结构被焊接到所述连接结构的相反表面。所述换热器的冷却通道与所述连接结构中的通道对齐。
利用这种方法，该图案化的镀覆用种晶层与蚀刻剂掩膜的形成同时形成。
在一个实施例中，该方法包括：在基板的表面上形成种晶层；以光刻形式形成第一材料的图案化层，所述第一材料的图案化层在其中具有暴露种晶层的被选区域的窗口；在种晶层的表面的、位于第一材料的窗口内的各部分上形成蚀刻剂掩膜；除去第一材料，留下位于种晶层该表面的那些部分上的蚀刻剂掩膜，然后，该方法包括，利用所述蚀刻剂掩膜，将蚀刻剂施加到所述蚀刻剂掩膜，以：蚀刻种晶层的暴露部分而形成图案化的镀覆用掩膜，以及蚀刻基板的下面部分的上部分，留下基板的下面部分的下部分。接着，该方法包括，利用所述蚀刻剂掩膜，除去基板的表面在基板的下部分和基板的位于蚀刻剂掩膜下面的相邻部分之间的部分，在基板的下部分和基板的位于蚀刻剂掩膜下面的相邻部分之间形成穿过基板的狭槽；除去所述蚀刻剂掩膜，留下种晶层的未蚀刻部分作为设置于基板上的图案化的镀覆用种晶层；以及将焊料镀覆在所述图案化的镀覆用种晶层上。
在一个实施例中，换热器被焊接到连接结构；
在一个实施例中，换热器被离子键合到连接结构。
在一个实施例中，提供了一种结构，包括：半导体结构；具有多个换热器冷却通道的换热器；和设置于半导体结构和换热器之间的连接结构。
连接结构具有与所述多个换热器冷却通道对齐的多个连接结构通道。连接结构包括：导热基板；设置于所述导热基板上的种晶层。连接结构通道穿过所述导热基板和下面的所述种晶层。连接结构包括镀覆在所述种晶层上的焊料层。
本公开的一个或多个实施例的细节在下面的附图和说明中进行了阐述。本发明的其它特征、目的和优势从本说明和附图以及从权利要求中变得显而易见。
附图说明
图1A-1I是在根据本公开的冷却结构制造过程的各步骤中冷却结构的简化截面图；和
图2A是根据本公开的设置于MMIC和换热器之间的图1H的冷却用连接结构的分解图；和
图2B是根据本公开的结合到MMIC和换热器之间的图1H的冷却用连接结构的剖面图。
各图中相同的参考标记表示相同的元件。
具体实施方式
现在参考图1A，提供导热基板12，例如在这里是金刚石或SiC或Si。如图1B中所示，在基板12的上表面上沉积、例如在这里是喷溅或蒸发种晶层14、例如在这里是金属种晶层，例如，所述种晶层是两层结构，具有钛钨合金下层和金(TiW/Au)上层，或是三层结构，具有钛钨合金下层、镍中层和金(TiW/Ni/Au)上层。如图1B中所示，在基板12的底表面上沉积、例如在这里是喷溅或蒸发类似的金属种晶层14’。请注意这些种晶层14，14’将被图案化为承载电流的镀覆用(plating)种晶层，以利用在下面描述的方式用焊料镀覆该图案化的种晶层。请注意，该镀覆(plating)可以是电镀或无电镀。在这里只要说光致抗蚀剂层16被沉积在位于基板12的上表面上的金属种晶层14上并且进行光刻处理即可，例如在这里是利用未图示的传统掩膜进行光刻处理，光学光刻技术将光致抗蚀剂层16图案化为具有窗口18，这使得暴露金属种晶层14的该表面的一些部分，如图1C中所示。
然后，蚀刻剂掩膜材料20，在这里是镍，被沉积在金属种晶层14的暴露部分上，例如在这里是通过在金属种晶层14的暴露部分上电镀而实现，如图1D中所示。下一步，光致抗蚀剂层16被以任何传统的方式除去，留下材料20提供蚀刻剂掩膜22，如图1E中所示的。更具体地，材料20的部分24被沉积在其下面的金属种晶层14的部分上，材料20中的窗口25暴露金属种晶层14的一些部分。蚀刻剂掩膜是用于以将要进行描述的方式蚀刻基板12所需要的硬掩膜。
然后，使用蚀刻剂掩膜26，蚀刻剂、例如在这里是SF6和O2被致使与金属种晶层14的带掩膜部分24和不带掩膜部分(被窗口25暴露的部分)相接触。蚀刻剂是选择性的并且完全蚀刻穿过金属种晶层14的暴露部分并且部分地蚀刻到位于下面的基板12暴露部分的上面部分34内，如图1F中所示的。应注意，剩余部分、即金属种晶层14的未蚀刻部分将提供上述的图案化的镀覆用种晶层。这里，蚀刻剂例如是含氟等离子体并且蚀刻基于蚀刻到基板12内的、已知的蚀刻速率和预期深度而终止。
下面，使用蚀刻剂掩膜26，基板12的该表面上位于基板12的下面部分34’和基板12的、位于蚀刻剂掩膜26下面的相邻部分之间的那些部分被去除，在这里例如用激光或感应耦合等离子体(ICP)蚀刻，这在图中未示出，从而在基板12的下面部分34’和基板12的、位于蚀刻剂掩膜26下面的相邻部分之间形成穿过基板12的狭槽30，如图1G中所示。激光去除可以利用任何传统的电脑辅助画样(激光刻划的一个例子)进行。请注意激光也被用于去除下面的层14’的那些部分，如图1H中所示，从而形成穿过基板12和层14”的狭槽30，如图所示。
然后，掩膜26被去除，例如使用对于金属种晶层图案14来说是选择性的湿蚀刻，比如H2SO4：H2O2：H2O，留下金属种晶层14的图案化的部分，如图1G中所示，种晶层14的此图案化的部分提供上述图案化的镀覆用种晶层，在这里用数字标记40表示。
之后，焊料33，33’分别被镀覆到层14和14’的图案化部分上(也就是，分别镀覆到图案化的镀覆用种晶层40，40’上)，如图1H中所示，从而完成冷却用连接结构35。在这里，焊料33，33’例如是Au/Sn或Sn/Pb的薄(3-8um厚)共晶体或适合于附接到半导体结构(MMIC或功率放大器芯片，例如)的其它共晶体材料。首先要注意，焊料33，33’只被镀覆到层14，14’的顶表面上而不镀覆到通道内，由于是选择性的金属种晶层(也就是，图案化的镀覆金属种晶层14)，所述选择性的金属种晶层是在通道形成蚀刻过程中共同定义的，也就是，利用蚀刻剂掩膜。也就是说，图案化的镀覆用种晶层与蚀刻剂掩膜的形成同时形成。然后，带有焊料密封层33，33’的基板12被单体化并且附接到相配合的半导体结构基板上，附接后通道保持敞开，并且密封被建立以盛纳用于除去来自半导体结构背侧的有源器件的热量的冷却流体。还要注意狭槽30形成冷却通道52的侧壁并且基板12的下面部分34’的表面39形成通道53的顶部39。还要注意，目前焊料33仅位于通道52的高出部分上并且被用于将连接结构35直接密封地附接到半导体结构37(在半导体基板36的顶侧上具有有源和无源器件并且在背侧上具有导电层41的MMIC芯片(图2A和2B)，半导体结构37将如在图2A和2B中所示地进行冷却；而连接结构35背侧上的焊料33’被用于将连接结构35的底表面(图1I)焊接到换热器50，如图2A和2B中所示。因此，焊料33被用于将冷却用连接结构35直接结合到MMIC芯片的背侧。换热器50具有用于接收流体冷却剂并且用于排出已经经过了通道52的冷却剂的通道52，如图2B中的箭头所示。请注意冷却结构的通道52与连接结构上的通道对齐并且形成与半导体结构37(MMIC芯片)的底表面邻接的冷却用闭环部分。目前这种至半导体结构37的附接可以在不用焊料填充通道的情况下发生，从而由于热连接结构薄而允许最大程度地直接冷却到半导体结构的背侧。
现在应了解，根据本公开的、用于在连接结构上形成冷却通道以焊接到半导体结构的方法包括在基板的表面上形成种晶层；将种晶层图案化为图案化的镀覆用种晶层，所述图案化的镀覆用种晶层覆盖基板的一些部分而暴露基板的其它部分；使用图案化的镀覆用种晶层形成穿过基板的暴露部分的通道；以及用焊料镀覆图案化的镀覆用种晶层。下述步骤或特征中的一个或多个可包括，独立地或与包括下述的另一步骤或特征组合：将连接结构的镀覆用种晶层上的焊料焊接到半导体结构；将连接结构附连到流体冷却换热器；其中换热器在其中具有通道并且换热器通道与连接结构通道对齐；其中换热器被附连到连接结构的一个表面而半导体结构被焊接到连接结构的相反表面；其中换热器被焊接到该连接结构；其中换热器被离子键合到连接结构。还应了解用于在连接结构上形成冷却通道以焊接到半导体结构的方法包括在基板的表面上形成种晶层；以光刻的形式形成在其中具有窗口的第一材料的图案化层，从而所述窗口暴露种晶层的被选区域；在种晶层的表面的、位于第一材料的窗口中的部分上形成蚀刻剂掩膜；除去第一材料将蚀刻剂掩膜留在种晶层的表面的这些部分上；使用蚀刻剂掩膜，施用蚀刻剂到该蚀刻剂掩膜来：蚀刻种晶层的暴露部分，形成镀覆用掩膜(plating mask)，并且蚀刻位于下面的基板部分的上面部分而留下位于下面的基板部分的下面部分；使用蚀刻剂掩膜，去除基板的表面的、位于基板的下面部分和基板的位于蚀刻剂掩膜下面的相邻部分之间的部分，在基板的下面部分和基板位于蚀刻剂掩膜下面的相邻部分之间形成穿过基板的狭槽；去除蚀刻剂掩膜而留下种晶层的未蚀刻部分作为设置于基板上的图案化的镀覆用种晶层；在图案化的镀覆用种晶层上镀覆焊料。下述步骤和特征中的一个或多个可包括与另一个步骤或特征独立和组合包括：将连接结构上的焊料焊接到半导体结构；将连接结构附连到流体冷却换热器；其中换热器在其中具有通道并且换热器通道与连接结构通道对齐；其中换热器被附连到连接结构的一个表面并且半导体结构被焊接到连接结构的相反表面；其中换热器被焊接到该连接结构；其中换热器被离子键合到连接结构。
现在应了解根据本公开，一种装置包括半导体结构；具有多个换热器冷却通道的换热器；设置于半导体结构和换热器之间的连接结构，连接结构具有与多个换热器冷却通道对齐的多个连接结构通道，连接结构包括：导热基板；设置于导热基板上的种晶层；其中连接结构通道穿过导热基板和下面的种晶层；和镀覆在种晶层上的焊料层。
已经描述了本公开的许多实施例。然而，应了解在不偏离本公开的实质和范围的情况下可以进行各种修改。例如，连接结构的底部可以通过除焊接之外的方式结合到换热器；例如通过本领域内已知的氧化物离子键合或氧化物热结合或原地等离子体键合方法。因此，其它实施例也在下述权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种在连接结构中形成冷却通道以焊接到半导体结构的方法，包括：
在基板的表面上形成种晶层；
将所述种晶层图案化为覆盖所述基板的某些部分且暴露基板的其它部分的图案化的镀覆用种晶层；
在所述图案化的镀覆用种晶层中形成穿过所述基板的暴露部分的通道；以及
用焊料镀覆所述图案化的镀覆用种晶层。
2.根据权利要求1所述的方法，包括将所述连接结构的镀覆用种晶层上的焊料焊接到半导体结构。
3.根据权利要求1所述的方法，包括将所述连接结构附连到流体冷却换热器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述换热器在其中具有通道并且所述换热器的通道与所述连接结构的通道对齐。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述换热器被附连到所述连接结构的一个表面并且所述半导体结构被焊接到所述连接结构的相反表面。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述换热器被焊接到所述连接结构。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述换热器被离子键合到所述连接结构。
8.一种在连接结构中形成冷却通道以焊接到半导体结构的方法，包括：
在基板的表面上形成种晶层；
以光刻形式形成第一材料的图案化层，所述第一材料的图案化层在其中具有暴露种晶层的被选区域的窗口；
在种晶层的表面的、位于第一材料的窗口中的各部分上形成蚀刻剂掩膜；
除去第一材料，留下位于种晶层该表面的那些部分上的蚀刻剂掩膜；
利用所述蚀刻剂掩膜，将蚀刻剂施加到所述蚀刻剂掩膜，以：
蚀刻种晶层的暴露部分而形成镀覆用掩膜，以及
蚀刻位于下面的基板部分的上面部分，留下位于下面的基板部分的下面部分；
利用所述蚀刻剂掩膜，除去基板的表面在基板的下面部分和基板的位于蚀刻剂掩膜下面的相邻部分之间的部分，在基板的下面部分和基板的位于蚀刻剂掩膜下面的相邻部分之间形成穿过基板的狭槽；
除去所述蚀刻剂掩膜，留下种晶层的未蚀刻部分作为设置于基板上的图案化的镀覆用种晶层；
将焊料镀覆在所述图案化的镀覆用种晶层上。
9.根据权利要求8所述的方法，包括将所述连接结构上的焊料焊接到半导体结构。
10.根据权利要求8所述的方法，包括将所述连接结构附连到流体冷却换热器。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述换热器在其中具有通道并且所述换热器的通道与所述连接结构的通道对齐。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述换热器被附连到所述连接结构的一个表面并且所述半导体结构被焊接到所述连接结构的相反表面。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述换热器被焊接到所述连接结构。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述换热器被离子键合到所述连接结构。
15.一种包括位于半导体结构和换热器之间的连接结构的组合结构，包括：
半导体结构；
具有多个换热器冷却通道的换热器；
设置于半导体结构和换热器之间的连接结构，所述连接结构具有与所述多个换热器冷却通道对齐的多个连接结构通道，所述连接结构包括：
导热基板；
设置于所述导热基板上的种晶层；
其中，所述连接结构通道穿过所述导热基板和所述种晶层；和
镀覆在所述种晶层上的焊料层。
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