DE102019121301A1

DE102019121301A1 - Wärmeabfuhrstrukturen

Info

Publication number: DE102019121301A1
Application number: DE102019121301.0A
Authority: DE
Inventors: Yun-Wei Cheng; Chun-Hao Chou; Kuo-Cheng Lee; Ying-Hao Chen
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2021-02-04
Also published as: KR20210016250A; US20240332115A1; TWI744830B; US20230253284A1; TW202121618A; CN112310051A; US10854530B1; US11670562B2; KR102318311B1; US12046528B2; US20210082784A1; CN112310051B

Abstract

Diese Offenbarung beschreibt Wärmeabfuhrstrukturen, die in funktionalen oder nichtfunktionalen Bereichen einer dreidimensionalen Chipstruktur gebildet sind. Diese Wärmeabfuhrstrukturen sind konfiguriert, die in der dreidimensionalen Chipstruktur erzeugte Wärme an vorgegebene Bereichen an oder außerhalb der dreidimensionalen Chipstruktur zu leiten. Beispielsweise kann die dreidimensionale Chipstruktur mehrere Chips umfassen, die vertikal auf einem Substrat gestapelt sind; eine erste Passivierungsschicht, die zwischen einem ersten Chip und einem zweiten Chip der mehreren Chips angeordnet sind; und eine Wärmeabfuhrschicht, die in die erste Passivierungsschicht eingebettet ist, und konfiguriert ist, die leitfähigen Strukturen hindurchreichen zu lassen.

Description

Dreidimensionale Systeme auf integrierten Chipstrukturen mit erhöhter Chipdichte können eine hohe Wärmedichte und schlechte Wärmeabfuhrleistung im Vergleich mit ihren zweidimensionalen Gegenstücken aufweisen. Eine erhöhte Wärmedichte in einem dreidimensionalen System auf integrierten Chipstrukturen kann zu Elektromigration und Zuverlässigkeitsproblemen führen.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind am besten über die folgende ausführliche Beschreibung zu verstehen, wenn diese zusammen mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es wird angemerkt, dass dem üblichen Verfahren der Branche entsprechend verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Die Abmessungen der verschiedenen Eigenschaften können tatsächlich willkürlich vergrößert oder verkleinert werden, um die Erklärung klarer zu machen.

1 ist eine Querschnittsansicht einer Stapelvorrichtung mit einem Wärmeabfuhrnetzwerk nach einigen Ausführungsformen.
2A und 2B sind Planansichten jeweiliger Wärmeabfuhrschichten mit Öffnungen nach einigen Ausführungsformen.
3 ist eine isometrische Ansicht einer Wärmeabfuhrschicht mit gestapelten Wärmeabfuhrstreifen nach einigen Ausführungsformen.
4 ist eine Querschnittsansicht einer Stapelvorrichtung mit einem Wärmeabfuhrnetzwerk nach einigen Ausführungsformen.
5 ist eine Wärmeabfuhrroute in einer Querschnittsansicht einer Stapelvorrichtung mit einem Wärmeabfuhrnetzwerk nach einigen Ausführungsformen.
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das die Bildung einer Stapelvorrichtung mit einem Wärmeabfuhrnetzwerk nach einigen Ausführungsformen beschreibt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zur Umsetzung verschiedener Funktionen des dargelegten Inhalts bereit. Spezifische Beispiele von Bestandteilen und Anordnungen sind nachfolgend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sind nicht als einschränkend vorgesehen. Beispielsweise kann die Bildung eines ersten Merkmals oder eines zweiten Merkmals in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen enthalten, bei denen das erste und das zweite Merkmale in direktem Kontakt ausgebildet sind, und sie kann außerdem Ausführungsformen enthalten, in denen weitere Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet werden können, sodass das erste und das zweite Merkmale nicht in direktem Kontakt stehen. Weiterhin kann die vorliegende Offenbarung Referenzziffern und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung diktiert nicht für sich eine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
Ferner können räumlich relative Begriffe wie „unter“, „darunter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und dergleichen hierin für eine einfachere Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Element(en) oder Merkmal(en) wie in den Figuren illustriert zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollten zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Figuren dargestellt ist, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung in Verwendung oder Betrieb umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die räumlich relativen Bezeichner, die hierin verwendet werden, können ebenfalls entsprechend ausgelegt werden.
Der Begriff „nominal“ wie hierin verwendet bezieht sich auf einen gewünschten Wert oder Zielwert einer Eigenschaft oder eines Parameters für ein Bauteil oder eine Prozessfunktion, der während der Designphase eines Produkts oder Prozesses eingestellt wird, zusammen mit einem Bereich von Werten über und/oder unter dem gewünschten Wert. Der Wertebereich kann an leichten Variationen der Herstellungsverfahren oder Toleranzen liegen.
Der Begriff „vertikal“ wie hierin verwendet bedeutet nominal rechtwinklig zur Oberfläche eines Substrats.
In einigen Ausführungsformen können die Begriffe „etwa“ und „im Wesentlichen“ einen Wert einer gegebenen Menge anzeigen, der im Rahmen von 5 % um den Wert variiert (z. B. ±1 %, ±2 %, ±3 %, ±4 %, ±5 % des Werts).
Eine dreidimensionale (3D) System-auf-einem-integrierten-Chip- („3D SoIC“) Struktur ist eine nichtmonolithische vertikale Struktur, die wenigstens zwei Chips umfasst, die vertikal aufeinander gestapelt sind. Verschiedene Arten von Chips, die verschiedene Funktionen ausführen, können in der 3D-SoIC-Struktur gestapelt sein. Beispielsweise kann die 3D-SoIC-Struktur Logikchips, Speicherchips, Funkfrequenz- (RF) Chips, usw. umfassen. Beispielhaft und nicht einschränkend können die Logikchips zentrale Prozessoreinheiten (CPUs) umfassen, und die Speicherchips können statische Direktzugriffsspeicher- (SRAM) Arrays, dynamische Direktzugriffsspeicher- (DRAM) Arrays, magnetische Direktzugriffsspeicher- (MRAM) Arrays, resistive Direktzugriffsspeicher- (RRAM) Arrays oder andere Arten von Speicherarrays umfassen. In der 3D-SoIC-Struktur können die Chips in dem Stapel elektrisch und mechanisch miteinander durch leitfähige Strukturen gekoppelt sein, wie etwa Mikrobump-Strukturen, Siliziumdurchkontaktierungs- (TSV) Strukturen, Oxiddurchkontaktierungs- (TOV) Strukturen, verschiedene Arten von Verbindungsstrukturen (z. B. homogene oder hybride), usw. Die obigen leitfähigen Strukturen können beispielsweise kürzer sein als die Verbindungsstrukturen, die in 2D-SoIC-Strukturen verwendet werden, wo zwei oder mehr Chips lateral statt vertikal angeordnet sind. Daher sind 3D-SoIC-Strukturen, im Gegensatz zu ihren 2D-Gegenstücken, schneller, dichter und weisen eine erhöhte Funktion auf. Ferner weisen die 3D-SoIC-Strukturen eine kleinere Grundfläche auf (sind z. B. kompakter) als 2D-SoIC-Strukturen.
Da 3D-SoIC-Strukturen eine höhere Chipdichte und eine geringere Grundfläche aufweisen, weisen sie auch eine höhere Wärmedichte pro Einheitenbereich auf und sind daher anfälliger für Wärmeabfuhrprobleme als 2D-SoIC-Strukturen. Die erhöhte Wärmedichte in 3D-SoIC-Strukturen kann etwa zu Elektromigration führen - was den Widerstand der leitfähigen Strukturen innerhalb der Chips erhöht, die Leistung der Chips verringert und die Lebensdauer der 3D-SoIC-Strukturen verringert. Zuverlässigkeitsbedenken ergeben sich auch aus den Chips im 3D-SoIC-Stapel, die im Betrieb verschiedene Mengen an Wärme erzeugen. Daher weisen einige Bereiche eine höhere Temperatur auf als andere Bereiche der 3D-SoIC-Struktur. Das Temperaturgefälle kann eine thermomechanische Belastung innerhalb der 3D-SoIC-Struktur auslösen und zu gebrochenen Schichten in den Chips führen.
Um die obigen Nachteile zu behandeln, sind die hierin beschriebenen Ausführungsformen auf Wärmeabfuhrstrukturen gerichtet, die in funktionalen und/oder nichtfunktionalen Bereichen von 3D-SoIC-Strukturen gebildet werden. Diese Wärmeabfuhrstrukturen leiten effektiv die Wärme, die innerhalb der 3D-SoIC-Struktur erzeugt wurde, an vorgegebene Bereiche an der 3D-SoIC-Struktur oder außerhalb der 3D-SoIC-Struktur weiter. In einigen Ausführungsformen können die Wärmeabfuhrstrukturen umfassen: (i) Wärmeabfuhrschichten, die sich lateral innerhalb eines Chips in der 3D-SoIC-Struktur erstrecken, (ii) vertikale oder laterale wärmeleitfähige Strukturen, die innerhalb von Metallisierungsschichten von Chips in der 3D-SoIC-Struktur angeordnet sind, (iii) vertikale wärmeleitfähige Strukturen, die zwischen zwei oder mehr Chips in der 3D-SoIC-Struktur angeordnet sind, und/oder (iv) Kombinationen daraus. In einigen Ausführungsformen können die Wärmeabfuhrschichten mehr als eine Schicht umfassen, die in einem Dielektrischen Material eingebettet sind, wie etwa einer Passivierungsschicht. Die Wärmeabfuhrschichten können ein Material umfassen, das eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als etwa 1 W/mK aufweist, wie etwa ein Metall oder eine Metalllegierung. Ferner können die Wärmeabfuhrstrukturen konfiguriert sein, Wärme von verschiedenen Bereichen der 3D-SoIC-Struktur (z. B. zwischen Chips oder innerhalb von Chips) an einen vorgegebenen Wärmeabfuhrort zu leiten, wie etwa eine Wärmesenke, die entweder an der 3D-SoIC-Struktur oder außerhalb der 3D-SoIC-Struktur angeordnet ist.
1 ist eine Querschnittsansicht einer Stapelvorrichtung 100 nach einigen Ausführungsformen. Beispielhaft und nicht einschränkend ist die Stapelvorrichtung 100 eine 3D-SoIC-Struktur. Beispielhaft und nicht einschränkend kann die Stapelvorrichtung 100 drei oder mehr Chips umfassen, die vertikal aufeinander gestapelt sind (z. B. vertikal). In dem Beispiel aus 1 umfasst die Stapelvorrichtung 100 den Chip 102, Chip 104, und Chip 106. Jeder oder alle der Chips 102, 104 und 106 können eine zentrale Prozessoreinheit (CPU), eine Grafikprozessoreinheit, ein Speicher, eine anwendungsspezifisch integrierte Schaltung (ASIC) oder eine andere Art von Verarbeitungsvorrichtung sein. In einigen Ausführungsformen unterscheiden sich die Chips 102, 104 und 106 voneinander. Beispielsweise können Chips 102, 104 und 106 konfiguriert sein, verschiedene Funktionen für die Stapelvorrichtung 100 auszuführen. In einigen Ausführungsformen sind die Chips 102, 104 und 106 konfiguriert, dieselben Funktionen auszuführen. Die Stapelvorrichtung 100 umfasst auch ein Trägersubstrat 108, das eine strukturelle Unterstützung für die Stapelvorrichtung 100 bereitstellt.
In einigen Ausführungsformen werden die Chips 102, 104 und 106 und separaten Substraten gebildet und nachfolgend mechanisch und elektrisch verbunden, um die Stapelvorrichtung 100 zu bilden. Beispielsweise wird Chip 102 auf dem Substrat 110 gebildet, Chip 104 wird auf dem Substrat 112 gebildet und Chip 106 wird auf dem Substrat 114 gebildet. Nach einigen Ausführungsformen kann jedes der Substrate 110, 112 und 114 ein Bulkhalbleiterwafer (z. B. ein Siliziumwafer) oder ein Halbleiter-auf-Isolator-Wafer (z. B. Silizium-auf-Isolator, SOI) sein. Beispielsweise können Substrat 110 und 112 SOI-Wafer sein und Substrat 114 kann ein Siliziumwafer sein. In einigen Ausführungsformen können die Substrate 110, 112 und 114 (i) Silizium, (ii) einen Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Indiumphosphid (InP), Indiumarsenid (InAs) und/oder Indiumantimonid (InSb), Siliziumgermanium (SiGe), (iii) einen Legierungshalbleiter, einschließlich Galliumarsenidphosphid (GaAsP), Aluminiumindiumarsenid (AlInAs), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Galliumindiumarsenid (GaInAs), Galliumindiumphosphid (GaInP) und/oder Galliumindiumarsenidphosphid (GaInAsP), oder (iv) Kombinationen daraus aufweisen.
In einigen Ausführungsformen werden die Substrate 110, 112 und 114 ausgedünnt (z. B. mechanisch geschliffen und poliert), bevor die Chips 102, 104 und 106 miteinander verbunden werden, um die Höhe der Stapelvorrichtung 100 zu verringern und die Bildung elektrisch leitfähiger Strukturen zu erleichtern, die die Chips innerhalb der Stapelvorrichtung 100 elektrisch verbinden. In einigen Ausführungsformen werden die Substrate 110, 112 und 114 vor der Verbindung der Chips 102, 104 und 106 miteinander nicht ausgedünnt. Beispielhaft und nicht einschränkend sind die Chips 102, 104 und 106 auf Grundlage von Ausführungsmarkierungen (nicht dargestellt) ausgerichtet und werden nachfolgend mit Verbindungsschichten (Passivierungsschichten) und Strukturen verbunden, die die Chips mechanisch sichern und elektrisch miteinander verbinden. Verbindungsschichten können beispielsweise Passivierungsschichten mit plasmabehandelten oder chemisch behandelten Flächen und Verbindungsstrukturen mit Hybridverbindungsstrukturen (z. B. Metallstrukturen an angrenzenden Flächen, die in einem dielektrischen Material eingelegt sind) umfassen.
In dem Beispiel aus 1 weisen die Chips 102 und 104 in Stapelvorrichtung 100 dieselbe vertikale Ausrichtung auf, während der Chip 106 von kopfüber (z. B. um bezüglich Chips 102 und 104 um 180° gedreht) angeordnet ist. Die Ausrichtung für jeden Chip ist nicht einschränkend und unterschiedliche Ausrichtungen sind möglich. Diese anderen Ausrichtungen liegen im Geist und Umfang dieser Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen umfasst jeder Chip 102, 104 und 106 eine oder mehrere mehrstufige Metallisierungsschichten. Beispielsweise umfasst Chip 102 eine mehrstufige Metallisierungsschicht 116, Chip 104 umfasst eine mehrstufige Metallisierungsschicht 118 und Chip 106 umfasst eine mehrstufige Metallisierungsschicht 120. Beispielhaft und nicht einschränkend können diese mehrstufigen Metallisierungsschichten Back-End-of-the-Line- (BEOL) Verdrahtungsschichten aufweisen. Jede der mehrstufigen Metallisierungsschichten 116, 118 und 120 können weiter ein Netz aus lateralen und vertikalen elektrisch leitfähigen Strukturen 122 und 124 aufweisen (in 1 und nachfolgenden Figuren grau schattiert), die elektrische Signale über jeden Chip weiterleiten. Laterale und vertikale elektrisch leitfähige Strukturen 122 und 124 in jeder mehrstufigen Metallisierungsschicht sind in eine dielektrische Schicht 126 eingebettet. In einigen Ausführungsformen ist die dielektrische Schicht 126 ein Dielektrikum mit niedrigem k-Wert (z. B. mit einer dielektrischen Konstante von weniger als 3,9) oder ein Stapel von Dielektrika wie etwa ein Dielektrikum mit niedrigem k-Wert und ein anderes Dielektrikum: (i) Ein Dielektrikum mit niedrigem k-Wert (z. B. kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid) und ein Siliziumkarbid mit Stickstoffdotierung; (ii) ein Dielektrikum mit niedrigem k-Wert (z. B. kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid) und ein Siliziumkarbid mit Sauerstoffdotierung; (iii) ein Dielektrikum mit niedrigem k-Wert (z. B. kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid) mit Siliziumnitrid; oder (iv) ein Dielektrikum mit niedrigem k-Wert (z. B. kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid) mit Siliziumoxid. Beispielhaft und nicht einschränkend kann die dielektrische Schicht 126 durch ein hochdichtes chemisches Dampfphasenabscheidungs- (HDCVD) Verfahren, ein plasmaverbessertes chemisches Dampfphasenabscheidungsverfahren (PECVD), ein plasmaverbessertes Atomlagenabscheidungsverfahren (PEALD) oder ein anderes geeignetes Abscheidungsverfahren.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Chips 102, 104 und 106 weitere Elemente oder Bauteilen, die in 1 um der Einfachheit Willen nicht dargestellt sind. Beispielhaft und nicht einschränkend können Chips 102, 104 und 106 Halbleitervorrichtungen (z. B. Transistoren), Kondensatoren, Widerstände oder Speicherstrukturen umfassen, die in 1 um der Einfachheit Willen nicht dargestellt sind.
In einigen Ausführungsformen ist ein Zwischenschichtdielektrikum 128 zwischen der mehrstufigen Metallisierungsschicht eines Chips und dem Chipsubstrat angeordnet. Beispielhaft und nicht einschränkend kann das Zwischenschichtdielektrikum 128 eine elektrische Isolierung für Bauteile bereitstellen, die auf oder in der Nähe des Chipsubstrats, gebildet sind, wie etwa Halbleitervorrichtungen (z. B. Transistoren), Kondensatoren, Widerstände-die in 1 um der Einfachheit Willen nicht dargestellt sind. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Zwischenschichtdielektrikum 128 ein Netz von vertikalen elektrisch leitfähigen Strukturen 130 (in 1 und in nachfolgenden Figuren grau schattiert) wie etwa Middle-of-the-Line- (MOL) Verdrahtungskontakte, die die obigen Halbleitervorrichtungen, Kondensatoren und Widerstände elektrisch mit jeweiligen elektrisch leitfähigen mehrstufigen Metallisierungsschichten verbinden.
In einigen Ausführungsformen sind die Chips in den Stapelvorrichtung 100 aus 1 mechanisch über Passivierungsschichten 132 verbunden. Aus diesem Grund können Passivierungsschichten 132 auf einer oberen Fläche der mehrstufigen Metallisierungsschicht und/oder einer Fläche des Chipsubstrats, das der mehrstufigen Metallisierungsschicht gegenüberliegt gebildet sein. Beispielsweise wird, wenn zwei Chips aufeinander gestapelt werden, die Passivierungsschicht des ersten Chips an der Passivierungsschicht des zweiten Chips befestigt und mechanisch damit verbunden. Aufgrund dessen wird eine Schnittstelle, die durch eine gepunktete Linie 134 dargestellt wird, zwischen den beiden verbundenen Passivierungsschichten gebildet. Beispielhaft und nicht einschränkend weist Chip 104, der an Chips 102 und 106 befestigt ist, zwei Passivierungsschichten 132 auf - eine an der mehrstufigen Metallisierungsschicht 118 und eine andere am Substrat 112. Ähnlich weist Chip 102, der an Chip 104 und Trägersubstrat 108 befestigt ist, ebenfalls zwei Passivierungsschichten 132 auf. Da Chip 106 nur an Chip 104 befestigt ist, umfasst er eine einzelne Passivierungsschicht 132, die an einer oberen Fläche seiner mehrstufigen Metallisierungsschicht 120 angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Passivierungsschichten 132 eine dielektrische Schicht, wie etwa Siliziumoxid, Siliziumoxynitrid oder Siliziumkarbid, die auf einer offengelegten Fläche des Chipsubstrats oder einer mehrstufigen Metallisierungsschicht des Chips aufgebaut werden können.
In einigen Ausführungsformen ist die Stapelvorrichtung 100 durch eine Reihe von Ball-Grid-Array- (BGA) Verbindern elektrisch und mechanisch mit externen elektronischen Bauteilen verbunden, wie etwa Platinen und Wärmesenken. Die BGA-Verbinder umfassen beispielsweise Lötbumpverbinder -wie Lötbumpverbinder 136 aus 1. In einigen Ausführungsformen ist der Lötbumpverbinder 136 intern über eine Unterbumpmetallurgie-(UBM) Struktur 138 (z. B. eine Padstruktur) mit der mehrstufigen Metallisierungsschicht 120 von Chip 106 verbunden.
Nach einigen Ausführungsformen umfasst die Stapelvorrichtung 100 ferner ein Wärmeabfuhrnetzwerk, bestehend aus Wärmeabfuhrschichten und wärmeleitfähigen Strukturen-die mit in 1 und nachfolgenden Figuren einem schraffierten Muster dargestellt sind. Die Wärmeabfuhrschichten und wärmeleitfähigen Strukturen sind konfiguriert, Wärme, die in den Chips 102, 104 und 106 erzeugt wird, an eine externe Wärmesenke weiterzuleiten, die in 1 um der Einfachheit Willen nicht dargestellt ist. In einigen Ausführungsformen sind die wärmeleitfähigen Strukturen des Wärmeabfuhrnetzwerks, die in 1 und nachfolgenden Figuren mit einem schraffierten Muster dargestellt sind, in Hinblick auf Form und Größe ähnlich wie die entsprechenden elektrisch leitfähigen Strukturen, die in 1 und in nachfolgenden Figuren grau schattiert sind und werden für die Weiterleitung elektrischer Signale in der Stapelvorrichtung 100 verwendet. In einigen Ausführungsformen ist der Unterschied zwischen den wärmeleitfähigen Strukturen des Wärmeabfuhrnetzwerks, in 1 und in nachfolgenden Figuren, mit einem schraffierten Muster dargestellt, und den elektrisch leitfähigen Strukturen, in 1 und in nachfolgenden Figuren in grau dargestellt, ihre Funktion. Die wärmeleitfähigen Strukturen werden für die Wärmeabfuhr verwendet und die elektrisch leitfähigen Strukturen werden für die Weiterleitung elektrischer Signale verwendet. Beispielsweise ist der wärmeleitfähige TOV und/oder TSV 148A, der mit einem schraffierten Muster dargestellt ist, ähnlich wie ein elektrisch leitfähiger TOV und/oder TSV 148B, der grau dargestellt ist, aber eine andere Funktion aufweist. Der wärmeleitfähige TOV und/oder TSV 148A führt Wärme ab, während der elektrisch leitfähige TOV und/oder TSV 148B elektrische Signale weiterleitet.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Wärmeabfuhrnetzwerk einzel- oder mehrstufige Wärmeabfuhrschichten, verbunden mit: (i) mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen, die innerhalb der mehrstufigen Metallisierungsschichten der Chips angeordnet sind (z. B. mehrstufige wärmeleitfähige Strukturen 150 und 154, die in mehrstufigen Metallisierungsschichten 118 bzw. 120 angeordnet sind), (ii) vertikale wärmeleitfähige Strukturen, die zwischen Paaren aneinander angrenzender Chips (z. B. Verbindungsstrukturen 152) angeordnet sind, (iii) vertikale wärmeleitfähige Strukturen, die zwischen zwei oder mehr Chips (z. B. wärmeleitfähige TOV und/oder TSV 148A) angeordnet sind, oder (iii) Kombinationen daraus. Alle wärmeleitfähigen Strukturen, die Teil des Wärmeabfuhrnetzwerks in der Stapelvorrichtung 100 sind, sind in 1 und in nachfolgenden Figuren mit einem schraffierten Muster dargestellt, während die elektrisch leitfähigen Strukturen, die für die Weiterleitung elektrischer Signale in der Stapelvorrichtung 100 verwendet werden, in 1 und in nachfolgenden Figuren grau markiert sind. Ferner sind die Strukturen in dem Wärmeabfuhrnetzwerk elektrisch von den elektrisch leitfähigen Strukturen isoliert, die zur Weiterleitung elektrischer Signale verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen bezieht sich der Begriff „wärmeleitfähig“ auf die Eigenschaft eines Materials, Wärme von einem Bereich des Chips zu einem anderen zu leiten und zu übertragen (z. B. die Wärme fließen zu lassen). In einigen Ausführungsformen ist ein wärmeleitfähiges Material auch ein elektrisch leitfähiges Material. Daher sind die wärmeleitfähigen Strukturen des Wärmeabfuhrnetzwerks elektrisch von den elektrisch leitfähigen Strukturen getrennt, die für die Weiterleitung elektrischer Signale verwendet werden. Materialien, die effizient Wärme leiten können (z. B. ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen) sind als wärmeleitfähige Materialien wünschenswert. In einigen Ausführungsformen können Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als etwa 1 W m^-1 K^-1 (z. B. etwa 200 W m^-1 K^-1), wie etwa Metalle oder Metalllegierungen, verwendet werden, um die wärmeleitfähigen Strukturen des Wärmeabfuhrnetzwerks zu bilden.
In einigen Ausführungsformen kann eine Wärmeabfuhrschicht eine „isolierte“ Schicht ein, die in die Passivierungsschicht eines Chips eingebettet ist (z. B. in einem nichtfunktionalen Bereich des Chips) oder in die mehrstufige Metallisierungsschicht (z. B. in einem funktionalen Bereich des Chips) eingebettet ist (z. B. Teil davon ist). Der Begriff „isoliert“ wie hierin verwendet bezieht sich auf eine Struktur oder Schicht, die nicht in eine andere Struktur integriert ist - z. B. Teil davon ist - wie etwa eine mehrstufige Metallisierungsschicht, und ist in einem nichtfunktionalen Bereich des Chips angeordnet. Beispielhaft und nicht einschränkend ist die Wärmeabfuhrschicht 140, dargestellt in 1, eine isolierte wärmeleitfähige Schicht, die sich parallel zu der x-y-Ebene erstreckt und in die Passivierungsschicht 132 von Chip 104 eingebettet ist. In einigen Ausführungsformen sind Wärmeabfuhrschichten, die in Passivierungsschichten eingebettet sind, wie etwa die Wärmeabfuhrschicht 140, auf einer Seite des Chipsubstrats angeordnet, das der mehrstufigen Metallisierungsschicht des Chips gegenüber liegt. Andererseits ist die Wärmeabfuhrschicht 142 eine wärmeleitfähige Schicht parallel zur x-y-Ebene und in einer Schicht der mehrstufigen Metallisierungsschicht 120 des Chips 106 platziert. In anderen Worten, die Wärmeabfuhrschicht 142 kann in einem funktionalen Bereich des Chips angeordnet und in eine Metallisierungsschicht der mehrstufigen Metallisierungsschicht 120 „eingebaut“ sein. In einigen Ausführungsformen steht die Wärmeabfuhrschicht 142 in direktem Kontakt mit der mehrstufigen wärmeleitfähigen Struktur 154. Wie jedoch oben besprochen, sind die Wärmeabfuhrschicht 142 und die mehrstufige wärmeleitfähige Struktur 154 elektrisch von den Metallisierungsschichten der mehrstufigen Metallisierungsschicht 120 isoliert.
Die Wärmeabfuhrschichten 140 und 142 können Öffnungen umfassen, um den leitfähigen Strukturen zwischen aneinander angrenzenden Chips und/oder innerhalb des Chips zu erlauben, sich durch die Wärmeabfuhrschicht zu bewegen, ohne in physischem Kontakt mit der Wärmeabfuhrschicht zu stehen. In einigen Ausführungsformen bedeutet dies, dass die Wärmeabfuhrschichten 140 und 142 dem Layout des Chips entsprechen, sodass die Wärmeabfuhrschicht elektrisch leitfähige Strukturen nicht blockiert, die sich von einem Chip zu einem anderen oder innerhalb des Chips erstrecken. Beispielsweise kann durch Verweis auf 1 die Wärmeabfuhrschicht 142 von Chip 106 eine Öffnung A umfassen, die elektrisch leitfähige Strukturen von einer mehrstufigen Metallisierungsschicht 120 durch diese hindurchgehen lässt. Die Wärmeabfuhrschicht 142 kann weitere Öffnungen wie Öffnung A an verschiedenen Orten aufweisen, um den Durchgang von elektrisch leitfähigen Strukturen von der mehrstufigen Metallisierungsschicht 120 zu ermöglichen. Ähnlich kann die Wärmeabfuhrschicht 140 eine oder mehr Öffnungen B aufweisen, die jeweilige in 1 in grau dargestellte elektrisch leitfähige TOV und/oder TSV 148B durch die Wärmeabfuhrschicht 140 gehen lassen. In einigen Ausführungsformen sind die Öffnungen A und B ausreichend groß, um zu verhindern, dass die elektrisch leitfähigen Strukturen mit den umgebenden Wärmeabfuhrschichten in physischen Kontakt kommen. Beispielsweise können Öffnungen A und B um die leitfähigen Strukturen gebildet und dem Layout des Chips entsprechend angeordnet sein.
In einigen Ausführungsformen weisen durch das Vorliegen der Öffnungen A und B die Wärmeabfuhrschichten 140 und 142 eine „netzartige“ Erscheinung auf. Beispielhaft und nicht einschränkend sind 2A und 2B Planansichten von beispielhaften „netzartigen“ Wärmeabfuhrschichten 200b und 200b mit jeweiligen Öffnungen 202-die nach einigen Ausführungsformen ähnlich wie Öffnungen A und B der Wärmeabfuhrschichten 142 und 140 aus 1 sind. In einigen Ausführungsformen kann die Anordnung, Größe, Form und Anzahl der Öffnungen 202 abhängig vom Layout des Chips schwanken (z. B. dem Ort, der Dichte und der Anordnung der Chipelemente und Strukturen in der x-y-Ebene). Nach einigen Ausführungsformen ist der gesamte Flächenbereich der Wärmeabfuhrschichten 200a und 200b gleich oder größer als 50 % des Chipflächenbereichs, um sicherzustellen, dass der Flächenbereich der Wärmeabfuhrschicht ausreichend groß ist, um den Chip abzukühlen und Überhitzen zu verhindern. In einigen Ausführungsformen kann jede Öffnung 202 eine andere Form und/oder Größe aufweisen, um das Layout des Chips aufzunehmen und sicherzustellen, dass die leitfähigen Strukturen, die durch die Wärmeabfuhrschicht führen, nicht die Wärmeabfuhrschicht berühren.
Nach einigen Ausführungsformen dienen Öffnungen 202 in netzartigen Wärmeabfuhrschichten 200a und 200b wie in 2A und 2B gezeigt, zwei Zwecken: i) anderen Strukturen (z. B. elektrisch leitfähigen Strukturen zur Weiterleitung elektrischer Signale) erlauben, durch die Wärmeabfuhrschichten 200a und 200b zu reichen, ohne mit der Wärmeabfuhrschicht in physischen Kontakt zu kommen, und/oder ii) das Dishing von einem Planarisierungsprozess (z. B. einem chemisch-mechanischen Politur- (CMP) Prozess) bei der Bildung der Wärmeabfuhrschichten 200a und 200b zu verringern. Dishing kann auftreten, wenn Bereiche mit einer geringen Öffnungsdichte schneller poliert werden als Bereiche mit einer hohen Öffnungsdichte. Daher kann Dishing zu einer uneinheitlichen Dicke über die Wärmeabfuhrschicht hinweg führen, was sich negativ auf die Leistung der Wärmeabfuhr auswirken kann. Beispielsweise können dünnere Bereiche der Wärmeabfuhrschichten 200a und 200b im Vergleich mit dickeren Bereichen der Wärmeabfuhrschichten 200 und 200b eine eingeschränkte Wärmetransferfähigkeit aufweisen, ähnlich wie ein Draht mit einem kleinen Querschnitt (z. B. ein dünner Draht) im Vergleich mit einem Draht mit einem großen Durchschnitt (z. B. einem dicken Draht einen hohen elektrischen Widerstand und eine geringe Stromleitfähigkeit aufweisen kann). Daher kann die Uneinheitlichkeit der Dicken in den Wärmeabfuhrschichten 200a und 200b den einheitlichen Fluss der Wärme von dem Chip beeinträchtigen und zu Hot Spots führen. Daher kann die Platzierung von Öffnungen über der Wärmeabfuhrschicht die Wirkungen des Dishing minimieren. Daher können in einigen Ausführungsformen Öffnungen selbst an Orten gebildet sein, an denen keine Notwendigkeit besteht, dass eine elektrisch leitfähige Struktur hindurchreicht.
Das Layout, die Größe, die Form und die Anzahl der Öffnungen 202 in netzartigen Wärmeabfuhrschichten 200a und 200b kann angepasst sein, um die Bildung von weiteren Strukturen in dem Chip zu erleichtern. Dies kann von Vorteil sein, wenn Wärmeabfuhrschichten 200a und 200b in die mehrstufige Metallisierungsschicht des Chips integriert werden, wie etwa bei der Wärmeabfuhrschicht 142 des Chip 106 aus 1. In einigen Ausführungsformen erlaubt diese Designflexibilität der netzartigen Wärmeabfuhrschicht ihre nahtlose Integration in eine oder mehrere Ebenen der mehrstufige Metallisierungsschicht. Beispielhaft und nicht einschränkend und mit Verweis auf 1 kann die Wärmeabfuhrschicht 142 gleichzeitig mit der ersten, zweiten, dritten oder n-ten Schicht (z. B. einer oberen Metallschicht) der mehrstufigen Metallisierungsschicht 120 gebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Wärmeabfuhrschicht 142 in jeder Kombination von Schichten gleichzeitig innerhalb einer mehrstufigen Metallisierungsschicht 120 gebildet sein, um eine Flächenbereichsdeckung zu erreichen, die 50 % des Chipbereichs entspricht oder übersteigt.
In einigen Ausführungsformen weisen die Wärmeabfuhrschichten 140 und 142 eine Dicke auf, die von etwa 10 nm bis etwa 1 µm reicht. Dickere Wärmeabfuhrschichten (z. B. dicker als etwa 1 µm) sind möglich. Dickere Wärmeabfuhrschichten können jedoch dickere Passivierungsschichten verlangen, die die Herstellungskosten und die allgemeine Höhe der Stapelvorrichtung 100 erhöhen. Dementsprechend sind auch dünnere Wärmeabfuhrschichten (z. B. dünner als etwa 10 µm) möglich. Dünnere Wärmeabfuhrschichten weisen jedoch eine eingeschränkte Wärmetransferfähigkeit auf, die Einschränkungen des Wärmeabfuhrverfahrens mit sich bringen kann. Beispielsweise ist eine dünne Wärmeabfuhrschicht möglicherweise nicht in der Lage, Wärme in einem zufriedenstellenden Tempo zu übertragen.
In einigen Ausführungsformen kann die Wärmeabfuhrschicht 200 eine Wärmeabfuhrschicht 144 vom „Streifentyp“ sein, wie in 1 dargestellt. In einigen Ausführungsformen ist die Wärmeabfuhrschicht 144 vom „Streifentyp“ eine zweischichtige Struktur, die durch Anordnung eines ersten Array Wärmeabfuhr- „Streifen“, die entlang einer ersten Richtung an einem zweiten Array der Wärmeabfuhr- „Streifen“, die entlang einer Richtung, die sich von der ersten Richtung unterschiedet, angeordnet sind, angeordnet sind. Die erste und zweiten Arrays der Wärmeabfuhrstreifen können durch wärmeleitfähige Strukturen 146 getrennt sein. Nach einigen Ausführungsformen ist 3 eine isometrische Ansicht eines Abschnitts von der streifenartigen Wärmeabfuhrschicht 144. Wie in 3 gezeigt, umfasst die streifenartige Wärmeabfuhrschicht 144 zwei Arrays Wärmeabfuhrstreifen, die vertikal gestapelt sind (z. B. entlang der z-Achse). Beispielsweise ist ein Array Wärmeabfuhrstreifen 144A entlang der x-Achse angeordnet und an einem Array Wärmeabfuhrstreifen 144B angeordnet, die jeweils entlang der y-Achse angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen sind die Wärmeabfuhrstreifen 144A und 144B so angeordnet, dass ein Winkel θ zwischen ihren jeweiligen Ausrichtungen ausbildet ist. In einigen Ausführungsformen kann der Winkel θ zwischen etwa 0° und etwa 180° (z. B. etwa 10°, etwa 25°, etwa 45°, etwa 60°, etwa 75°, etwa 90°) liegen. Beispielhaft und nicht einschränkend ist der Winkel θ in 1 und 3 etwa 90°.
Die Wärmeabfuhrstreifen 144A und 144B sind vertikal durch die wärmeleitfähigen Strukturen 146 getrennt. Die wärmeleitfähigen Strukturen 146 erlauben der Wärme, die durch Chip 102 (z. B. gezeigt in 1) erzeugt wird, zwischen den Wärmeabfuhrstreifen 144A und 144B und innerhalb der streifenartigen Wärmeabfuhrschicht 144 zu fließen. Die Anzahl, Größe, Neigung und Form der wärmeleitfähigen Strukturen 146 aus 3 sind nicht einschränkend. Daher sind weniger oder weitere wärmeleitfähige Strukturen 146 mit einer anderen Neigung, Form und Größe möglich. In einigen Ausführungsformen können die Wärmeabfuhrstreifen 144A und 144B gebildet werden, sodass die wärmeleitfähigen Strukturen 146 nicht erforderlich sind. Beispielsweise können die Wärmeabfuhrstreifen 144A direkt ohne eine vertikale Trennung auf den Wärmeabfuhrstreifen 144B gebildet sein, wie in 4 gezeigt. In einigen Ausführungsformen reicht die Trennung zwischen den Wärmeabfuhrstreifen 144A und 144B in der streifenartigen Wärmeabfuhrschicht 144 von 0 bis etwa 500 nm (z. B. etwa 0 nm, etwa 50 nm, etwa 150 nm, etwa 300 nm, etwa 450 nm, etwa 500 nm).
Mit Verweis auf 3 weisen die Wärmeabfuhrstreifen 144A und 144B eine jeweilige Dicke 144A_t und 144B_t, die von etwa 10 nm bis etwa 1µm reichen kann (z. B. von etwa 10 nm bis etwa 100 nm, von etwa 50 nm bis etwa 200 nm, von etwa 100 nm bis etwa 500 nm, von etwa 400 nm bis etwa 800 nm, von etwa 700 nm bis etwa 1 µm) und jeweilige Breiten 144A_w und 144B_w, die von etwa 30 nm bis etwa 3 µm reichen, auf. Ferner weisen die Wärmeabfuhrstreifen 144A und 144B eine jeweilige Neigung 144A_p und 144B_p auf, wobei jede Neigung 144A_p und 144B_p von etwa 100 nm bis etwa 10 µm reichen kann. In einigen Ausführungsformen sind das Chiplayout, die Breite der Wärmeabfuhrstreifen, die Fähigkeit eines Planarisierungsprozesses, das Dishing einzuschränken, und die gewünschte Grundfläche (z. B. Gesamtfläche) der entstehenden Wärmeabfuhrschicht 144 betragende Faktoren, die die Werte für die Neigung 144A_p und 144B_p bestimmten. In einigen Ausführungsformen muss die Wärmeabfuhrschicht 144 einen Bereich abdecken, der gleich oder größer 50 % des Gesamtbereichs des Chips 102 ist. Dickere oder breitere Wärmeabfuhrstreifen (z. B. dicker als etwa 1 µm und breiter als etwa 3 µm) sind möglich. Dickere und breitere Wärmeabfuhrschichten verlangen jedoch dickere Passivierungsschichten verlangen, die die Herstellungskosten und die allgemeine Höhe der Stapelvorrichtung 100 erhöhen. Ferner verringern breitere Wärmeabfuhrstreifen die Neigung zwischen den Wärmeabfuhrstreifen und können zu Dishing führen, wie oben besprochen. Dementsprechend sind auch dünnere oder schmälere Wärmeabfuhrstreifen (z. B. dünner als 10 nm und schmaler als 30 nm) möglich. Dünnere und schmälere Wärmeabfuhrstreifen weisen jedoch eine eingeschränkte Wärmetransferfähigkeit auf, was den Wärmeabfuhrprozess wie oben erklärt einschränken kann.
In einigen Ausführungsformen kann die Wärmeabfuhrschicht 144 weitere Arrays (z. B. Schichten) von Wärmeabfuhrstreifen umfassen, wobei jedes zweite Array der Wärmeabfuhrstreifen dieselbe Ausrichtung aufweist. In alternativen Ausführungsformen kann die Wärmeabfuhrschicht 144 weitere Arrays (z. B. Schichten) von Wärmeabfuhrstreifen umfassen, wobei jedes zweite Array der Wärmeabfuhrstreifen eine andere Ausrichtung aufweist. Eine solche Anordnung (z. B. eine mehrschichtige Anordnung von Streifentyp) erhöht jedoch die Herstellungskosten und Komplexität, weil sie eine dickere Passivierungsschicht und weitere Photolithographie- und Metallisierungsfunktionen verlangt. Weiterhin erhöht eine mehrschichtige streifenartige Anordnung die Höhe der Stapelvorrichtung 100.
In einigen Ausführungsformen kann die Stapelvorrichtung 100 zwei Arten von Wärmeabfuhrschichten umfassen; beispielsweise netzartige und streifenartige Wärmeabfuhrschichten. In einigen Ausführungsformen, in denen eine Wärmeabfuhrschicht mit Öffnungen, die komplexe Formen und Größen aufweisen, verlangt werden, kann eine streifenartige Wärmeabfuhrschicht der netzartigen aufgrund der Herstellungskomplexität von netzartigen Wärmeabfuhrschichten vorgezogen werden. In anderen Ausführungsformen können netzartige Wärmeabfuhrschichten vor streifenartigen bevorzugt werden. In einigen Ausführungsformen ist in einer einzigen Chipschicht eine Kombination von netzartigen und streifenartigen Wärmeabfuhrschichten möglich. Beispielsweise kann ein erster Abschnitt des Chips mit einer netzartigen Wärmeabfuhrschicht und ein zweiter Abschnitt des Chips mit einer streifenartigen Wärmepassivierungsschicht bedeckt sein.
In einigen Ausführungsformen umfassen Wärmeabfuhrschichten 140, 142, 144 und 200a/b Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als etwa 1 W m^-1 K¹. Beispielhaft und nicht einschränkend können die Wärmeabfuhrschichten 140, 142, 144 und 200a/b Kobalt, Titan, Wolfram, Kupfer, Aluminium, Tantal, Titannitrid, Tantalnitrid, Gold, Silber, ein anderes Metall, eine Metalllegierung oder Kombinationen daraus aufweisen. Beispielhaft und nicht einschränkend kann die Wärmeabfuhrschicht 142, die in die mehrstufige Metallisierungsschicht 120 integriert ist, dünner als die Wärmeabfuhrschichten 140 und 144 sein, die in die Passivierungsschichten 132 eingebettet sind.
In einigen Ausführungsformen sind die Wärmeabfuhrschichten, die in einer Passivierungsschicht (z. B. Wärmeabfuhrschichten 140 und 144) eingebettet sind, zwischen etwa 0,05 µm und etwa 20 µm von dem nächsten Substrat entfernt platziert (z. B. zwischen etwa 0.05 um und etwa 0.8 µm, zwischen etwa 0.5 µm und etwa 4 µm, zwischen etwa 2 µm und etwa 10 µm, zwischen etwa 7 µm und etwa 14 µm, zwischen etwa 10 µm und etwa 17 µm, zwischen etwa 16 µm und etwa 20 µm). Beispielsweise kann die Wärmeabfuhrschicht 144 zwischen etwa 0,05 µm und etwa 20 µm von Substrat 110 entfernt platziert sein und die Wärmeabfuhrschicht 140 kann zwischen etwa 0,05 µm und etwa 20 µm vom Substrat 112 entfernt platziert sein. Dies liegt daran, dass die Wärmeabfuhrschichten 140 und 144 elektrisch leitfähig sind. Wenn sie zu nahe am Substrat platziert sind (z. B. näher als etwa 0,05 µm), können sie zu einem Leckpfad für die Halbleitervorrichtungen auf dem Chip (z. B. die Transistoren) werden. Wenn sie andererseits zu weit von dem Substrat entfernt platziert sind (z. B. in einem Abstand von mehr als etwa 20 µm), kann die Wärmeabfuhrschicht die von dem Chip erzeugte Wärme nicht „erfassen“. Beispielsweise wird die durch den Chip erzeugte Wärme durch die Passivierungsschicht, die zwischen dem Chipsubstrat und der Wärmeabfuhrschicht angeordnet ist, abgeschirmt.
Wärmeabfuhrschichten, die in einer Passivierungsschicht eingebettet sind, wie etwa die Wärmeabfuhrschichten 140 und 144, können durch Bildung von Öffnungen in der Passivierungsschicht, und nachfolgendes Füllen der Öffnungen mit einem leitfähigen Material wie Kobalt, Titan, Wolfram, Kupfer, Aluminium, Tantal, Titannitrid, Tantalnitrid, Gold, Silber, einem anderen Metall, einer Metalllegierung oder einer Kombination daraus gebildet werden. Öffnungen in der Passivierungsschicht können mit einer Kombination aus Photolithographie und Ätzoperationen gebildet werden. Während der Photolithographie- und Ätzfunktionen werden Abschnitte der Passivierungsschicht geätzt, um Öffnungen in der Passivierungsschicht zu bilden. Nach der Abscheidung des leitfähigen Materials poliert (z. B. entfernt) ein Planarisierungsprozess (z. B. ein chemisch-mechanischer Planarisierung- (CMP) Prozess) überschüssiges leitfähiges Material von einer oberen Fläche der Passivierungsschicht, sodass eine obere Fläche des polierten leitfähigen Materials in der Wärmeabfuhrschicht im Wesentlichen koplanar mit der oberen Fläche der Passivierungsschicht ist. Diese Funktion schließt die Bildung der mindestens einen Wärmeabfuhrschicht (z. B. Wärmeabfuhrschicht 140 oder Wärmeabfuhrstreifen 144B) ab. Weiteres Passivierungsmaterial wird dann auf der Wärmeabfuhrschicht abgeschieden, sodass die gebildete Wärmeabfuhrschicht in der Passivierungsschicht eingebettet wird.
Wenn eine zweite Wärmeabfuhrschicht gewünscht wird -wie im Fall der Wärmeabfuhrschicht 144-werden vertikale Öffnungen in der Passivierungsschicht gebildet, um Abschnitte der Wärmeabfuhrstreifen 144B offenzulegen, und ein wärmeleitfähiges Material wird in den Öffnungen abgeschieden, um die wärmeleitfähigen Strukturen 146 zu bilden. Ein CMP-Prozess kann verwendet werden, um überschüssiges wärmeleitfähiges Material von der oberen Fläche der Passivierungsschicht zu entferne, sodass eine obere Fläche des polierten wärmeleitfähigen Materials in wärmeleitfähigen Strukturen 146 im Wesentlichen koplanar mit einer oberen Fläche der Passivierungsschicht ist. Weiteres Passivierungsmaterial kann auf wärmeleitfähigen Strukturen 146 abgeschieden werden. Nachfolgend können Photolithographie- und Ätzfunktionen verwendet werden, um die Öffnungen in dem abgeschiedenen Passivierungsmaterial zu bilden. In anderen Worten, die abgeschiedene Passivierungsschicht wird so strukturiert, dass Wärmeabfuhrstreifen 144A gebildet werden können. Die Öffnungen in der abgeschiedenen Passivierungsschicht legen auch die obere Fläche jeder wärmeleitfähigen Struktur 146 offen. Ein leitfähiges Material (z. B. Kobalt, Titan, Wolfram, Kupfer, Aluminium, Tantal, Titannitrid, Tantalnitrid, Gold, Silber, ein anderes Metall, eine Metalllegierung, oder Kombinationen davon) wird in den Öffnungen abgeschieden und ein CMP-Prozess poliert (z. B. entfernt) überschüssiges leitfähiges Material von einer oberen Fläche der Passivierungsschicht, sodass eine obere Fläche des polierten leitfähigen Materials in der Wärmeabfuhrschicht im Wesentlichen koplanar mit einer oberen Fläche der Passivierungsschicht ist. Die CMP-Funktion schließt die Bildung der Wärmeabfuhrstreifen 144A ab. Weiteres Passivierungsmaterial wird dann auf der Wärmeabfuhrschicht abgeschieden, sodass die Wärmeabfuhrstreifen 144A in der Passivierungsschicht eingebettet werden.
Es wird angemerkt, dass die obige Bildungssequenz für die Abfuhrstreifen 144A und 144B nicht einschränkend ist und durch Bildung von, beispielsweise, Wärmeabfuhrstreifen 144A zuerst und Wärmeabfuhrstreifen 144B als zweites geändert werden kann, davon abhängig, ob die Wärmeabfuhrschicht 144 mit Chip 102 oder auf Substrat 108 gebildet wird. Beispielsweise die Wärmeabfuhrschicht 144 auf Substrat 108 gebildet wird und Substrat 108 und Wärmeabfuhrschicht 144 nachfolgend an dem Chip 102 befestigt werden, können die Wärmeabfuhrstreifen 144B erst gebildet werden und die Wärmeabfuhrstreifen 144A können als zweites gebildet werden. Wenn die Wärmeabfuhrschicht 144 mit Chip 102 gebildet werden sollen, kann der Chip 102 kopfüber gedreht werden (z. B. wenn die mehrstufige Metallisierungsschicht 116 von Chip 102 gebildet wird), sodass die Wärmeabfuhrschicht 144 an der Rückseite des Substrats 108 in einer umgekehrten Sequenz gebildet wird -beispielsweise werden die Wärmeabfuhrstreifen 144A zuerst gebildet, gefolgt von den Wärmeabfuhrstreifen 144B, unter Verwendung von Photolithographie-, Ätz- und Abscheidungsfunktionen wie oben beschrieben.
Die oben zur Bildung von Wärmeabfuhrschichten 144 und 140 beschriebenen Funktionen sind nicht einschränkend und alternative Funktionen oder „Integrationspläne“ können verwendet werden, um Wärmeabfuhrschichten 144 und 140 zu bilden. Diese alternativen Funktionen oder Integrationspläne liegen im Geist und Umfang dieser Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen erfassen die Wärmeabfuhrschichten 140, 142 und 144 die Wärme, die von den jeweiligen Chips 102, 104 und 106 erzeugt wird und „kanalisieren“ sie anschließend vertikal (z. B. entlang der z-Achse) durch „dedizierte“ wärmeleitfähige Strukturen zu einem zentralen Ort hin (z. B. einer Wärmesenke) -wie etwa die wärmeleitfähigen Strukturen in mehrstufigen Metallisierungsschichten, TOVs, TSVs, Verbindungsstrukturen oder Kombinationen davon. In einigen Ausführungsformen sind die dedizierten wärmeleitfähigen Strukturen (z. B. in 1 in einem schraffierten Muster dargestellt), die mit Wärmeabfuhrschichten 140, 142 und 144 verbunden sind, nicht Teil eines elektrischen Signalverteilungsnetzes von Stapelvorrichtung 100. In anderen Worten, die dedizierten wärmeleitfähigen Strukturen, die mit den Wärmeabfuhrschichten 140, 142 und 144 verbunden sind, führen keinen Strom und sind von den stromführenden Strukturen der Stapelvorrichtung 100 (in 1 grau schattiert) „isoliert“.
In einigen Ausführungsformen sind die wärmeleitfähigen Strukturen, die zur Wärmeleitung verwendet werden, in Form und Größe ähnlich wie die elektrisch leitfähigen Strukturen, die in der gesamten Stapelvorrichtung 100 verwendet werden. Eine Differenz zwischen den zweiten Typen der Strukturen ist ihre Funktion. Beispielsweise „führen“ die wärmeleitfähigen Strukturen (in 1 in einem schraffierten Muster dargestellt) Wärme, während die elektrisch leitfähigen Strukturen (in 1 grau schattiert) Strom „führen“. In einigen Ausführungsformen leitet das TOV und/oder TSV 148A Wärme von den Wärmeabfuhrschichten 144 und 140 an die mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen 150 und 154. In einigen Ausführungsformen verbindet das wärmeleitfähige TOV und/oder TSV 148A „thermal“ zwei oder mehr Wärmeabfuhrschichten, die in einem nichtfunktionalen Bereich eines Chips gebildet sind, wie etwa Wärmeabfuhrschichten 144 und 140, mit einer mehrstufigen wärmeleitfähigen Struktur wie der mehrstufigen wärmeleitfähigen Struktur 150, die in einem funktionalen Bereich eines Chips gebildet ist. In einigen Ausführungsformen umfassen die mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen 150 und 154 ein Netz aus lateralen und vertikalen wärmeleitfähigen Strukturen, die den mehrstufigen Metallisierungsschichten 118 und 120 ähnlich sind, die stattdessen ein Netz aus lateralen und vertikalen elektrisch leitfähigen Strukturen aufweisen. Die Anzahl der Schichten und das Layout der mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen 150 und 154 wie in 1 dargestellt ist nicht einschränkend und kann auf Grundlage des Chipdesigns und der Wärmeabfuhranordnungen angepasst werden. Beispielsweise können mehrstufige wärmeleitfähige Strukturen 150 und 154 für effiziente Wärmeabfuhr an Orten gebildet werden, die neben einem Hotspot liegen. In einigen Ausführungsformen leitet eine mehrstufige wärmeleitfähige Struktur 150 erzeugte Wärme von Chips 102 und 104 zu den wärmeleitfähigen Verbindungsstrukturen 152. In einigen Ausführungsformen umfassen wärmeleitfähige Verbindungsstrukturen 152 hybride Verbindungsstrukturen -z. B. eine Kombination aus Dielektrikum-zu-Dielektrikums-Verbindungsstrukturen zwischen den Passivierungsschichten und Metall-zu-Metallverbindungsstrukturen zwischen wärmeleitfähigen Strukturen 150 und der Wärmeabfuhrschicht 142. Wärmeleitfähige Verbindungsstrukturen 152 sind in die Passivierungsschichten aneinander angrenzender Chips eingelegt und bilden einen Verbindungspunkt an der Schnittstelle 134, wenn die Chips miteinander verbunden werden. In einigen Ausführungsformen bilden wärmeleitfähige Verbindungsstrukturen 152 eine thermale Verbindung zwischen einer mehrstufigen wärmeleitfähigen Struktur, wie der mehrstufigen wärmeleitfähigen Struktur 150, und der Wärmeabfuhrschicht 142. Eine Wärmeabfuhrschicht, die in einem funktionalen Bereich eines Chips gebildet ist, wie der Wärmeabfuhrschicht 142, kann mit einer mehrstufigen wärmeleitfähigen Struktur wie einer mehrstufigen wärmeleitfähigen Struktur 154 verbunden werden, die nachfolgende Wärme von der Wärmeabfuhrschicht 142 an den Lötbumpverbinder 136 übertragen kann.
In einigen Ausführungsformen können die wärmeleitfähigen Strukturen elektrisch leitfähige Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als etwa 1 W m-¹ K^-1 umfassen. Beispielhaft und nicht einschränkend kann jedes der wärmeleitfähigen TOV und/oder TSV 148A, der mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen 150, der mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen 154, und der wärmeleitfähigen Verbindungsstrukturen 152 aus 1 ein wärmeleitfähiges Material wie Kobalt, Titan, Wolfram, Kupfer, Aluminium, Tantal, Titannitrid, Tantalnitrid, Gold, Silber, ein anderes Metall, eine Metalllegierung, ein oder mehrere Silizide oder Kombinationen davon umfassen. In einigen Ausführungsformen können elektrisch leitfähige Strukturen in Stapelvorrichtung 100 „zweckentfremdet“ werden, um als wärmeleitfähige Strukturen zu dienen, die Wärme zwischen den Wärmeabfuhrschichten 140, 142 und 144 leiten. Dies kann von Vorteil sein, weil keine Notwendigkeit für spezialisierte wärmeleitfähige Strukturen besteht, die erweiterte Maskenmodifizierungen oder Verwendung getrennter Bildungsschritte oder Materialien benötigen. Beispielsweise können bestehende elektrisch leitfähige Netzwerke mit redundanten elektrisch leitfähigen Strukturen gebildet werden, die in das Chiplayout integriert sind, um als wärmeleitfähige Strukturen zu dienen. Es wird jedoch angemerkt, dass die „zweckentfremdeten“ elektrisch leitfähigen Strukturen zum Zweck der Wärmeabfuhr elektrisch von angrenzenden elektrisch leitfähigen Strukturen getrennt sind, die zur Weiterleitung elektrischer Signale wie oben besprochen verwendet werden.
5 zeigt den beispielhaften Wärmeabfuhrpfad 500, der oben für Stapelvorrichtung 100 beschrieben wurde. Nach einigen Ausführungsformen ist der Wärmeabfuhrpfad 500 nicht auf die Darstellung von 5 beschränkt. Stattdessen können auch alternative Kombinationen und Permutationen von Wärmeabfuhrschichten und wärmeleitfähigen Strukturen verwendet werden, um die in Chips 102, 104 und 106 erzeugte Wärme aus der Stapelvorrichtung 100 herauszuleiten. Diese Kombinationen der Wärmeabfuhrschichten und wärmeleitfähigen Strukturen liegen im Geist und Umfang der Offenbarung. In einigen Ausführungsformen tritt die Wärmeabfuhr enthält der x-y-Eben auf und die Wärme, die durch die Chips 102, 104 und 106 erzeugt wird, wird durch die jeweiligen Wärmeabfuhrschichten 140, 142 und 144 aufgenommen und über Lötbumpverbinder 136 durch das wärmeleitfähige TOV und/oder TSV 148A, die wärmeleitfähigen Verbindungsstrukturen 152 und die mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen 150 und 154 an eine externe Wärmesenke 500 geleitet.
In einigen Ausführungsformen sind die Orte der Wärmeabfuhrschichten 140, 142 und 144 in der Stapelvorrichtung 100 nicht auf das Beispiel aus 1, 4 und 5 beschränkt. In anderen Worten, die Wärmeabfuhrschichten 140, 142 und 144 können in alternativen Orten innerhalb der Stapelvorrichtung 100 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Wärmeabfuhrschicht 144 zwischen Chips 104 und 102 oder zwischen 104 und 106 gebildet werden; die Wärmeabfuhrschicht 140 kann zwischen Chip 102 und Substrat 108 oder zwischen Chip 104 und 106 gebildet werden; und die Wärmeabfuhrschicht 142 kann in mehrstufigen Metallisierungsschichten 118 und/oder 116 gebildet werden; oder keine Kombination daraus. Ferner kann die Stapelvorrichtung 100 weitere Chips mit weiteren Wärmeabfuhrschichten (z. B. wie Wärmeabfuhrschichten 140 und 144) dazwischen oder in den jeweiligen mehrstufigen Metallisierungsschichten der Chips integrierten Wärmeabfuhrschichten (z. B. wie Wärmeabfuhrschicht 142) umfassen. Alle der obigen Kombinationen und Permutationen liegen in Geist und Umfang dieser Offenbarung.
Nach einigen Ausführungsformen ist 6 ein Ablaufdiagramm von Verfahren 600, das die Bildung der Stapelvorrichtung 100 beschreibt. Andere Herstellungsoperationen können zwischen den verschiedenen Operationen von Verfahren 600 ausgeführt werden und können rein der Klarheit Willen ausgelassen werden. Weiter können alternative Herstellungsfunktionen statt der Funktonen aus Verfahren 600 durchgeführt werden. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf Verfahren 600 beschränkt. Verfahren 600 wird mit Bezug auf 1 bis 5 beschrieben.
Verfahren 600 beginnt mit Funktion 610 und dem Prozess der Anordnung eines ersten Chips mit einer ersten Wärmeabfuhrschicht an einem Substrat, die mit einer ersten Wärmeabfuhrstruktur verbunden ist. Beispielsweise kann der erste Chip der Funktion 610 ähnlich wie Chip 102 sein (z. B. dargestellt in 1, 4 und 5), der auf Wafer 108 angeordnet ist. Dementsprechend kann die erste Wärmeabfuhrschicht und die erste Wärmeabfuhrstruktur jeweils der streifenartigen Wärmeabfuhrschicht 144 und dem wärmeleitfähigen TOV und/oder TSV 148A entsprechen. In einigen Ausführungsformen ist der erste Chip mit dem Substrat über eine Passivierungsschicht verbunden, wie etwa der Passivierungsschicht 132, die zwischen Chip 102 und Substrat 108 angeordnet ist. Die streifenartige Wärmeabfuhrschicht 144 kann in der Nähe von Substrat 100 von Chip 102 und innerhalb der Passivierungsschicht 132 und unter Einsatz der Herstellungsoperationen wie zuvor beschrieben gebildet werden.
Mit Verweis auf 6, fährt Verfahren 600 mit Funktion 620 und dem Prozess der Anordnung eines zweiten Chips mit einer zweiten Wärmeabfuhrschicht und einer zweiten Wärmeabfuhrstruktur auf dem ersten Chip fort, wobei die erste Wärmeabfuhrstruktur die erste Wärmeabfuhrschicht mit der zweiten Wärmeabfuhrschicht und der zweiten Wärmeabfuhrstruktur verbindet. Nach einigen Ausführungsformen kann der zweite Chip der Funktion 620 ähnlich sein wie der Chip 104 aus 1, 4 und 5. Ähnlich kann die zweite Wärmeabfuhrschicht der Wärmeabfuhrschicht 140 entsprechen und die zweiten Wärmeabfuhrstrukturen können den mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen 150 entsprechen. Wie in 1, 4, und 5 gezeigt, verbindet das wärmeleitfähige TOV und/oder TSV 148A die streifenartige Wärmeabfuhrschicht 144 mit der Wärmeabfuhrschicht 140 und mit mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen 150. In einigen Ausführungsformen sind die mehrstufigen wärmeleitfähigen Strukturen 150 mit der streifenartigen Wärmeabfuhrschicht 144 über ein Array von wärmeleitfähigen TOV und/oder TSV 148A verbunden, die durch Chip 102 verteilt sind.
In einigen Ausführungsformen kann das wärmeleitfähige TOV und/oder TSV 148A teilweise in Chip 102 und teilweise in Chip 104 gebildet werden. So werden, wenn Chip 104 auf Chip 102 angeordnet ist, jeweilige Abschnitte des wärmeleitfähigen TOV und/oder TSV 148A in den beiden Chips aneinander ausgerichtet, um eine fortlaufende Wärmeverbindung zu bilden. Ferner weist die Wärmeabfuhrschicht 140, wie oben erklärt, Öffnungen auf (wie etwa Öffnung B), die in Bereichen platziert sind, in denen die elektrisch leitfähigen Strukturen, die für die Weiterleitung des elektrischen Signals zuständig sind (z. B. elektrisch leitfähiges TOV und/oder TSV 148B) hindurchgehen.
Mit Verweis auf 6, fährt Verfahren 600 mit Funktion 630 und dem Prozess der Anordnung eines dritten Chips mit einer dritten Wärmeabfuhrschicht, die mit einer dritten Wärmeabfuhrstruktur verbunden ist, auf dem zweiten Chip fort, wobei die dritte Wärmeabfuhrschicht über Wärmeabfuhrverbindungsstrukturen mit der zweiten Wärmeabfuhrstruktur verbunden ist. In einigen Ausführungsformen kann der dritte Chip der Funktion 630 ähnlich sein wie der Chip 106 aus 1, 4 und 5. Dementsprechend kann die dritte Abfuhrschicht der Wärmeabfuhrschicht 142 entsprechen, die dritte Wärmeabfuhrstruktur kann der mehrstufigen wärmeleitfähigen Struktur 154 entsprechen und die Wärmeabfuhrverbindungsstrukturen können wärmeleitfähigen Verbindungsstrukturen 152 entsprechen.
In einigen Ausführungsformen ist der Chip 106 bei Anordnung auf Chip 104 um 180° bezüglich Chips 102 und 104 ausgerichtet. In anderen Worten, die Wärmeabfuhrschicht 142 kann auf BEOL-Metallisierungsschichten von Chip 106 gebildet werden, bevor Chip 106 auf Chip 104 platziert wird. Daher scheint, wie in 1, 4 und 5 gezeigt, die Wärmeabfuhrschicht 142 näher an Chip 104 platziert zu sein.
Mit Verweis auf 6 fährt Verfahren 600 mit Funktion 640 und dem Prozess der Anordnung einer Wärmesenke auf dem dritten Chip fort, um die Wärmesenke mit der dritten Wärmeabfuhrstruktur zu verbinden. In einigen Ausführungsformen kann die Wärmesenke aus Funktion 640 ähnlich sein wie die Wärmesenke 500 aus 5. Nach einigen Ausführungsformen ist die Wärmesenke 500 über den Lötbumpverbinder 136 mit der mehrstufigen wärmeleitfähigen Struktur 154 und allen Wärmeabfuhrschichten der Stapelvorrichtung 100 aus 5 verbunden.
Hierein beschriebene Ausführungsformen sind auf Wärmeabfuhrstrukturen gerichtet, die in funktionalen oder nichtfunktionalen Bereichen von 3D-SoIC-Strukturen gebildet werden. Diese Wärmeabfuhrstrukturen sind konfiguriert, effektiv die Wärme, die innerhalb der 3D-SoIC-Struktur erzeugt wurde, an vorgegebene Bereiche an der 3D-SoIC-Struktur oder außerhalb der 3D-SoIC-Struktur weiterzuleiten. In einigen Ausführungsformen können die Wärmeabfuhrstrukturen umfassen: (i) Wärmeabfuhrschichten, die sich lateral innerhalb eines Chips in der 3D-SoIC-Struktur erstrecken, (ii) vertikale oder laterale wärmeleitfähige Strukturen, die innerhalb von Metallisierungsschichten von Chips in der 3D-SoIC-Struktur angeordnet sind, (iii) vertikale wärmeleitfähige Strukturen, die zwischen zwei oder mehr Chips in der 3D-SoIC-Struktur angeordnet sind, und/oder (iv) Kombinationen daraus. In einigen Ausführungsformen denken die Wärmeabfuhrschichten einen Bereich ab, der gleich oder größer als 50 % des Flächenbereichs des Chips ist und mehr als eine Schicht umfassen kann, die in ein dielektrisches Material eingebettet ist, wie etwa eine Passivierungsschicht oder eine dielektrische Schicht einer mehrstufigen Metallisierungsschicht. Die Wärmeabfuhrschichten können ein Material umfassen, das eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als etwa 1 W/m-¹ K^-1 aufweist, wie etwa ein Metall oder eine Metalllegierung. Ferner können die Wärmeabfuhrstrukturen konfiguriert sein, Wärme von verschiedenen Bereichen der 3D-SoIC-Struktur (z. B. zwischen Chips oder innerhalb von Chips) an einen vorgegebenen Wärmeabfuhrort zu leiten, wie etwa eine Wärmesenke, die entweder an der 3D-SoIC-Struktur oder außerhalb der 3D-SoIC-Struktur angeordnet ist. Nach einigen Ausführungsformen können die Wärmeabfuhrschichten ein Netzdesign oder ein Streifendesign mit vertikal gestapelten Arrays von Wärmepassivierungsstreifen in unterschiedlichen Ausrichtungen aufweisen.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Struktur mehrere Chips, die vertikal auf einem Substrat gestapelt sind; eine erste Passivierungsschicht, die zwischen einem ersten Chip und einem zweiten Chip der mehreren Chips angeordnet sind; und eine Wärmeabfuhrschicht, die in die erste Passivierungsschicht eingebettet ist, wobei die Wärmeabfuhrschicht konfiguriert ist, die leitfähigen Strukturen hindurchreichen zu lassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Struktur mehrere vertikal gestapelte Chips, die durch jeweilige Passivierungsschichten miteinander verbunden sind. Die Struktur umfasst auch eine erste Wärmeabfuhrschicht, die in eine erste Passivierungsschicht eingebettet ist, die konfiguriert ist, leitfähigen Strukturen hindurchreichen zu lassen, und eine zweite Wärmeabfuhrschicht, die in eine zweite Passivierungsschicht eingebettet ist, wobei die zweite Wärmeabfuhrschicht ein erstes Array Wärmeabfuhrstreifen umfasst, die an einem zweiten Array Wärmeabfuhrstreifen angeordnet sind. Die Struktur umfasst ferner eine dritte Wärmeabfuhrschicht, die in einer Metallisierungsschicht eines der vertikal gestapelten Chips angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine gestapelte Struktur einen ersten Chip, einen zweiten Chip und einen dritten Chip, die vertikal auf einem Substrat gestapelt sind, wobei der zweite Chip zwischen dem erste und dem zweiten Chip eingesetzt ist. Die gestapelte Struktur umfasst ferner eine erste Wärmeabfuhrschicht, die in eine Passivierungsschicht eingebettet ist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Chip angeordnet ist, und wobei die erste Wärmeabfuhrschicht gestapelte Schichten von Wärmeabfuhrstreifen umfasst. Weiterhin umfasst die gestapelte Struktur eine zweite Wärmeabfuhrschicht, die in den dritten Chip integriert ist, und konfiguriert ist, die leitfähigen Strukturen des dritten Chips hindurchzulassen.
Es ist zu verstehen, dass der Abschnitt der detaillierten Beschreibung und nicht der Abschnitt der Zusammenfassung der Offenbarung verwendet werden soll, um die Ansprüche zu interpretieren. Die Zusammenfassung der Offenbarung kann eine oder mehr, aber nicht alle beispielhaften Ausführungsformen dieser Offenbarung darlegen, die durch den/die Erfinder betrachtet werden, und soll daher die beiliegenden Ansprüche in keiner Weise einschränken.
Obige Offenbarung beschreibt Merkmale mehrerer Ausführungsformen, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen. Fachleuten wird bekannt sein, dass sie die vorliegende Offenbarung leicht als Grundlage für den Entwurf oder die Modifizierung anderer Verfahren und Strukturen verwenden können, um dieselben Zwecke zu erfüllen und/oder dieselben Vorteile der hierin vorgestellten Ausführungsformen zu erreichen. Fachleute werden außerdem verstehen, dass solche entsprechenden Konstruktionen nicht vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass sie verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen hieran vornehmen können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.

Claims

Stapelstruktur, umfassend: mehrere Chips, die vertikal auf einem Substrat gestapelt sind; eine erste Passivierungsschicht, die zwischen einem ersten Chip und einem zweiten Chip der mehreren Chips eingesetzt ist; und eine Wärmeabfuhrschicht, die in der ersten Passivierungsschicht eingebettet ist, wobei die Wärmeabfuhrschicht konfiguriert ist, die leitfähigen Strukturen hindurchzulassen.
Stapelstruktur nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Strukturen in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
Stapelstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Chips eine mehrstufige Metallisierungsschicht umfassen.
Stapelstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeabfuhrschicht eine Dicke zwischen etwa 500 Å und etwa 5 µm aufweist.
Stapelstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis zwischen einem Bereich der Wärmeabfuhrschicht und einem Bereich des ersten Chips gleich oder größer als etwa 0,5 ist.
Stapelstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis zwischen einem Bereich der Wärmeabfuhrschicht und einem Bereich des zweiten Chips gleich oder größer als etwa 0,5 ist.
Stapelstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine zweite Passivierungsschicht, umfassend eine zweilagige Wärmeabfuhrstruktur, die umfasst: ein erstes Array Wärmepassivierungsstreifen, die in einer ersten Richtung ausgerichtet sind; und ein zweites Array Wärmeabfuhrstreifen, die an dem ersten Array Wärmepassivierungsstreifen angeordnet und in einer zweiten Richtung ausgerichtet sind, wobei die erste und die zweite Richtung einen Winkel θ bilden; wobei die leitfähigen Strukturen die zweilagige Wärmeabfuhrstruktur, die in die zweite Passivierungsschicht eingebettet ist, mit der Wärmeabfuhrschicht verbinden, die in der ersten Passivierungsschicht eingebettet ist.
Stapelstruktur nach Anspruch 7, wobei die zweilagige Wärmeabfuhrstruktur ferner andere leitfähige Strukturen umfasst, die zwischen dem ersten und dem zweiten Array der Wärmeabfuhrstreifen angeordnet sind.
Stapelstruktur nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Winkel, der durch die erste und die zweite Richtung gebildet wird, zwischen etwa 0° und etwa 180° liegt.
Struktur, umfassend: mehrere vertikal gestapelte Chips, die durch jeweilige Passivierungsschichten verbunden sind; eine erste Wärmeabfuhrschicht, die in eine erste Passivierungsschicht eingebettet ist und konfiguriert ist, leitfähigen Strukturen hindurchzulassen; eine zweite Wärmeabfuhrschicht, die in eine zweite Passivierungsschicht eingebettet ist und ein erstes Array Wärmeabfuhrstreifen umfasst, die an einem zweiten Array Wärmeabfuhrstreifen angeordnet sind; und eine dritte Wärmeabfuhrschicht, die in einer Metallisierungsschicht eines der vertikal gestapelten Chips angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 10, ferner umfassend: eine Wärmesenke, wobei die leitfähigen Strukturen konfiguriert sind, die ersten, zweiten und dritten Wärmeabfuhrschichten zu verbinden und Wärme von den jeweiligen ersten, zweiten und dritten Wärmeabfuhrschichten zur Wärmesenke zu leiten.
Struktur nach Anspruch 10 oder 11, wobei die leitfähigen Strukturen Siliziumdurchkontaktierungen, Oxiddurchkontaktierungen, Chipverbindungsstrukturen, einen Abschnitt der Metallisierungsschicht des einen vertikal gestapelten Chips oder Kombinationen davon umfassen.
Struktur nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei jede der ersten, zweiten und dritten Wärmeabfuhrschichten ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit umfasst, die größer ist als etwa 1 W m^-1 K^-1.
Struktur nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die erste Passivierungsschicht zwischen der Metallisierungsschicht eines vertikal gestapelten Chips oder einem Substrat eines zweiten Chips eingefügt ist, und wobei die erste Wärmeabfuhrschicht, die in die erste Passivierungsschicht eingebettet ist, zwischen etwa 0,05 µm und etwa 20 µm von dem Substrat des zweiten Chips entfernt angeordnet ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die ersten, zweiten und dritten Wärmeabfuhrschichten einen Bereich von mindestens 50 % der mehreren vertikal gestapelten Chips einnehmen.
Struktur nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die leitfähigen Strukturen in einem Netzmuster mit Zeilen und Spalten angeordnet sind.
Struktur nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das erste und das zweite Array der Wärmeabfuhrstreifen vertikal durch die leitfähigen Strukturen getrennt sind.
Stapelstruktur, umfassend: einen ersten Chip, einen zweiten Chip und einen dritten Chip, die vertikal auf einem Substrat gestapelt sind, wobei der zweite Chip zwischen dem ersten und dem zweiten Chip eingesetzt ist; eine erste Wärmeabfuhrschicht, die in eine Passivierungsschicht eingebettet ist, die zwischen dem ersten und dem zweiten Chip angeordnet ist, und wobei die erste Wärmeabfuhrschicht gestapelte Schichten von Wärmeabfuhrstreifen aufweist; und eine zweite Wärmeabfuhrschicht, die in den dritten Chip integriert ist, und konfiguriert ist, die leitfähigen Strukturen des dritten Chips hindurchzulassen.
Stapelstruktur nach Anspruch 18, wobei die leitfähigen Strukturen, die durch die Öffnungen reichen, elektrisch von der zweiten Wärmeabfuhrschicht isoliert sind.
Stapelstruktur nach Anspruch 18 oder 19, wobei jede Schicht von Wärmeabfuhrstreifen in einer anderen Richtung ausgerichtet ist.