KR100798474B1 - 전도성 도핑층과 금속층을 갖는 반도체 칩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 집적 회로부(12)에서 발생한 열을 방열 장치(20)로 효과적으로 전달하여, 반도체 칩을 효과적으로 냉각할 수 있는 반도체 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 반도체 단결정 기판(11), 단결정 기판(11)의 일면에 형성된 집적 회로부(12), 반도체에 불순물이 도핑되어 단결정 기판(11)의 타면에 형성된 도핑층(13), 및 도핑층(13) 상에 부착되는 금속층(14)을 포함하는 반도체 칩을 제공한다. 반도체 단결정 기판(11)으로부터 도핑층(13)으로 격자 진동에 의해 열이 전달되고, 도핑층(13) 내부에서 격자 진동 운동이 일부 전자 이동 운동으로 전환되며, 도핑층(13)으로부터 금속층(14)을 통해 방열 장치(20)로 전자 이동에 의해 열이 전달되기 때문에, 열전달이 빨리 이루어질 수 있다.
반도체칩, 도핑, 열전달, 격자진동, 전자이동
Description
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 칩 및 방열 장치를 도시하는 측단면도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 설명하기 위한 반도체 칩 및 방열 장치를 도시하는 측단면도, 및
도 3은 본 발명의 제 2 실시예를 설명하기 위한 반도체 칩 및 방열 장치를 도시하는 측단면도.
<도면의 부분에 대한 설명>
10, 10': 반도체 칩 11: 단결정 기판
12: 집적 회로부 13: 도핑층
14: 금속층 15: 히트 스프레더
20: 방열 장치 30: 열전도성 그리스
40: 패키지부
본 발명은 방열 장치로의 열전달을 향상시키기 위해 전도성 도핑층 및 금속 층을 갖는 반도체 칩에 관한 것이다.
근래에 CPU, 그래픽 칩셋, 메인 보드 칩셋, 메모리 등에 사용되는 반도체 칩의 집적도는 매우 빠른 속도로 증가하고 있다. 집적도의 증가로 인해 반도체 칩 내의 소자의 갯수와 소모되는 전력의 양이 매우 빠른 속도로 증가하고, 소모되는 전력에 의한 반도체 칩의 발열량도 크게 증가하고 있다. 이에 따라 많은 고집적도 반도체 칩에 방열 장치를 요구한다. 반도체 칩에 방열 장치가 없는 경우, 반도체 칩이 과열되어 반도체 칩이 타거나 배선이 끊어질 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 칩(1)과 방열 장치(20)를 도시한다. 반도체 칩(1)은 실리콘 등의 반도체 단결정 기판(11)과, 단결정 기판(11)의 일면에, 소정의 회로도를 따라, 일부에 불순물을 침투시켜 반도체 소자를 형성하고 다른 일부에 금속막을 입혀서 도선을 형성하여 생성된 집적 회로부(12)를 가지고, 패키지부(40)에 실장된다. 또한, 반도체 칩(1)은 단결정 기판(11)의 타면에 금박 등의 금속층(14)을 가진다. 금속층(14)은 단결정 기판(11)의 타면에 증착 등의 방법에 의해 생성될 수 있다. 금속층(14)은 반도체 칩(1)의 냉각을 위한 방열 장치(20)와 열전도성 그리스(30) 등에 의해 부착된다. 방열 장치(20)는 공냉식, 수냉식, 히트파이프 등이 사용된다. 열전도성 그리스(30)는 금속층(14)과 방열 장치(20) 사이의 간극을 메워서 금속층(14)과 방열 장치(20) 사이의 열저항을 줄이는 역할을 한다.
이러한 구성에서, 집적 회로부(12)에서 발생한 열은 단결정 기판(11), 금속층(14), 열전도성 그리스(30)를 통해 방열 장치(20)로 전달되고, 방열 장치(20)에 의해 외부로 열을 방출한다. 열 전도성 그리스(30)를 사용하는 경우 금속층(14)으 로부터 방열 장치(20)까지는 전자 이동에 의해서도 열이 전달되기 때문에 열저항이 낮고 열전달율이 높다. 그러나, 이종물질의 접합인 단결정 기판(11)과 금속층(14) 사이에서는 열저항이 높고 열전달율이 낮다. 단결정 기판(11)과 금속층(14) 사이의 낮은 열전달율은 집적 회로부(12)로부터 방열 장치(20)로의 열전달률을 결정하는 인자로서 작용한다.
본 발명은 집적 회로부에서 발생한 열을 방열 장치로 효과적으로 전달하여, 반도체 칩을 효과적으로 냉각하기 위한 반도체 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 반도체 단결정 기판, 단결정 기판의 일면에 형성된 집적 회로부, 반도체에 불순물이 도핑되어 단결정 기판의 타면에 형성된 도핑층, 및 도핑층 상에 부착되는 금속층을 포함하는 반도체 칩을 제공한다. 반도체 단결정 기판으로부터 도핑층으로 격자 진동에 의해 열이 전달되고, 도핑층 내부에서 격자 진동 운동이 전자 이동 운동으로 전환되며, 도핑층으로부터 금속층을 통해 방열 장치로 전자 이동에 의해 열이 전달되기 때문에, 열전달이 빨리 이루어질 수 있다.
도핑층은 확산법이나 이온 임플란트법에 의해 단결정 기판의 타면에 형성될 수 있다.
금속층은 산화가 잘 되지 않는 귀금속류인 것이 바람직하며, 증착법에 의해 도핑층 상에 부착될 수 있다.
또한, 본 발명은, 반도체 칩을 외부로부터 보호하고 열을 전달하기 위해, 금 속으로 형성되고, 금속층 상에 밀착되며, 반도체 칩이 부착되는 기판에 의해 고정되는 히트 스프레더를 더 포함할 수 있다. 금속박 및 히트 스프레더는 전도성 그리스에 의해 밀착될 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 기술하도록 한다.
[제 1 실시예]
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 칩(10)을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 칩(10)은 반도체 단결정 기판(11), 단결정 기판(11)의 일면에 형성된 집적 회로부(12), 단결정 기판(12)의 타면에 형성된 도핑층(13), 및 도핑층(13) 상에 부착되는 금속층(14)을 포함하고, 반도체 칩(10)의 냉각을 위한 방열 장치(20)는 금속층(14)에 밀착된다.
반도체 단결정 기판(11)은 반도체 회로를 집적 회로부(12)에 형성하기 위한 모재이다. 통상적으로, 단결정 기판(11)은 실리콘(Si), 갈륨비소 또는 사파이어 재질의 단결정 봉을 성장시킨 후 절단한 웨이퍼로부터 제작된다.
집적 회로부(12)는 단결정 기판(11)의 일면(도 1에서 단결정 기판(11)의 하측)에 형성된다. 집적 회로부(12)는 단결정 기판(11)의 표면에 산화 공정, 감광액 도포 공정, 노광 공정, 현상 공정, 에칭 공정, 이온 임플란트 공정, CVD 공정, 금속 배선 공정 등의 과정을 거쳐 제작된다. 집적 회로부(12)에는 많은 미세한 반도 체 부품과 배선이 배치되고, 집적 회로부(12)에 전류가 흐르면서 열을 발생한다. 집적 회로부(12)의 집적도가 증가함에 따라 집적 회로부(12)에서 발생하는 열은 증가하는 추세이다.
도핑층(13)은 단결정 기판(11)의 타면(도 1에서 단결정 기판(11)의 상측)에 형성된다. 도핑층(13)은 단결정 기판(11)의 표면에 불순물을 침투시키기 위해 확산 공정 또는 이온 임플란트 공정을 실행함으로써 전자 또는 정공의 캐리어를 가지게 된다. 단결정 기판(11)의 일면에 있는 집적 회로부(12)에서는 트랜지스터, 다이오드 등의 반도체 부품이 필요한 곳에만 일부 도핑을 실행하는 것에 비해, 단결정 기판(11)의 타면에는 전체 면에 대하여 도핑을 실행하여 전도성 도핑층(13)을 형성한다.
금속층(14)은 도핑층(13) 상에 부착된다. 금속층(14)은 금, 은, 구리, 알루미늄 등의 열전도성 금속으로 제작된다. 금속층(14)의 두께는 얇을수록 바람직하다. 본 실시예에서 금속층(14)으로는 열전도성과 전성이 우수하고 산화가 용이하지 않은 귀금속류가 사용되는 것이 바람직하다. 금속층(14)은 도핑층(13) 상에 금속박이 부착되어 형성되거나 증착에 의해 형성될 수 있고, 도핑층(13)과 금속층(14) 사이의 간극을 제거하기 위해 증착에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
실리콘 웨이퍼에서 도핑층(13) 및 금속층(14)이 먼저 형성되고 반대면의 집적 회로부(12)가 형성되거나, 집적 회로부(12)가 먼저 형성되고 반대면의 도핑층(13) 및 금속층(14)이 형성되는 것이 가능할 것이다. 그러나, 도핑층(13) 및 금속층(14)은 집적 회로부(12)에 비해 정교할 필요가 없기 때문에, 도핑층(13) 및 금속 층(14)이 먼저 형성되고 집적 회로부(12)가 후에 형성되는 것이 바람직하다. 단결정 기판(11)의 일면에 집적 회로부(12)가 형성되고 타면에 도핑층(13) 및 금속층(14)이 형성된 후, 실리콘 웨이퍼는 반도체 칩(10)으로 절단된다. 반도체 칩(10)은 회로부(12)를 아래로 하여 패키지부(40)에 부착되고 금속층(14)이 상부로 노출된다.
금속층(14)은 방열 장치(20)에 밀착된다. 방열 장치(20)는, 공기와 접하는 접촉 면적을 넓혀 자연 대류를 이용해 열을 식히는 단순한 방열판 방식, 방열판과 방열판에 강제로 공기를 대류시키는 냉각팬으로 구성된 공냉식, 반도체 칩(10)과 접촉하여 열을 물로 전달하는 워터 자켓, 데워진 물을 공기 중으로 방출하는 라디에이터, 물을 강제로 순환시키기 위한 펌프, 워터 자켓, 라디에이터, 펌프를 연결하는 호스 등으로 구성된 수냉식, 그리고 액체의 증발 및 응축을 이용하기 위해 증발부, 단열부, 응축부, 윅(wick) 등으로 구성된 히트파이프 방식 등이 사용될 수 있다. 어떤 방식의 방열 장치(20)를 사용하는지에 상관없이, 금속층(14)에 밀착하는 방열 장치(20)의 하부는 구리, 알루미늄 등과 같은 열전달율이 높은 금속으로 제작된다.
금속층(14)과 방열 장치(20)는 간극 없이 밀착되어야 한다. 그리하여, 금속층(14) 및 방열 장치(20)의 표면 평탄도를 높게 한 후 밀착시키거나, 금속층(14)과 방열 장치(20) 사이를 열 및 전기 전도성 그리스(30)로 메우는 방식이 사용될 수 있다. 금속층(14) 및 발열 장치(20)의 표면 평탄도를 향상시키는 것은 한계가 있으므로, 열 및 전기 전도성 그리스(30)를 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 구성에서, 집적 회로부(12)에서 발생한 열의 전달 과정을 기술하도록 한다.
집적 회로부(12)는 실리콘 등의 반도체에 n형 및 p형 반도체, 금속 배선 등이 형성되어 있다. 집적 회로부(12)의 실리콘 등의 반도체에서 전자의 이동은 제한되므로, 열은 실리콘 등의 결정의 격자 진동 운동에 의해 주로 전달된다.
집적 회로부(12)는 단결정 기판(11)의 일면에 일체로 형성되어 있으므로, 집적 회로부(12)로부터의 열은 격자 진동 운동에 의해 단결정 기판(11)으로 전달된다.
도핑층(13)은 단결정 기판(11)의 타면에 불순물을 침투시켜 형성된 것으로서, 실리콘 등의 반도체 결정에 전자 또는 정공의 캐리어를 가진 층이다. 그러므로, 도핑층(13) 내에서는 반도체 결정의 격자 운동 및 전자(또는 정공)의 이동에 의해 열이 전달될 수 있다. 집적 회로부(12)에서 생성된 열은 단결정 기판(11)을 통해 격자 운동에 의해 도핑층(13)으로 전달되고, 도핑층(13) 내에서는 격자 운동에 의한 열전달에 전자 이동에 의한 열전달이 추가되므로 열전달 속도가 빨라진다.
전자는 용이하게 도핑층(13)과 금속층(14) 사이를 이동할 수 있으므로, 도핑층(13)으로부터 금속층(14)으로는 전자 이동에 의해 열이 전달된다. 또한, 금속층(14)으로부터 발열 장치(20)로 전자 이동에 의해 열이 전달된다. 그리고, 발열 장치(20)로 전달된 열은 외부로 방출된다.
종래 기술에서 단결정 기판(11)의 격자 운동에 의한 열전달이 금속층(14)에서 전자 이동에 의한 열전달로 전환되는 과정에서 열저항이 크고 열전달율이 낮았 으나, 본 발명에서는 도핑층(13)에서 격자 운동에 의한 열전달에 전자 이동에 의한 열전달이 추가되기 때문에 열저항이 작고 열전달율이 높아진다.
[제 2 실시예]
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 칩(10')을 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 칩(10')은 반도체 단결정 기판(11), 단결정 기판(11)의 일면에 형성된 집적 회로부(12), 단결정 기판(12)의 타면에 형성된 도핑층(13), 도핑층(13) 상에 부착되는 금속층(14), 및 금속층(14) 상에 밀착되는 히트 스프레더(heat spreader)(15)를 포함한다. 반도체 칩(10')의 단결정 기판(11), 집적 회로부(12), 도핑층(13) 및 금속층(14)의 구성은 제 1 실시예에 기재된 구성과 동일하며 그 상세한 설명은 생략한다.
히트 스프레더(15)는 구리, 알루미늄 등의 금속으로 제작된다. 히트 스프레더(15)의 하면 중 금속층(14)에 상응하는 부분은 금속층에 밀착되고, 히트 스프레더(15)와 금속층(14) 사이의 간극을 제거하기 위해 열전도성 그리스(30)가 히트 스프레더(15)와 금속층(14) 사이에 삽입되는 것이 바람직하다. 히트 스프레더(15)는 반도체 칩(20)이 실장되는 패키지부(40)에 결합 물질(41)에 의해 고정된다. 히트 스프레더(15)는 반도체 칩(10')을 외부 충격 등으로부터 보호하는 동시에, 반도체 칩(10')으로부터의 열을 발열 장치로 전달하는 기능을 한다. 또한, 별도의 발열 장치가 없는 경우, 히트 스프레더(15)는 열을 외부로 방출하는 발열 장치로서의 역할도 할 수 있다.
상술한 구성에서, 집적 회로부(12)에서 발생한 열은 격자 운동에 의해 단결정 기판(11)을 통해 도핑층(13)으로 전달된다. 도핑층(13)에서 격자 운동에 의한 열전달은 전자 이동에 의한 열전달로 전환된다. 열은 전자 이동에 의해 도핑층(13)으로부터 금속층(14) 및 히트 스프레더(15)를 통해 발열 장치(20)로 전달된다. 발열 장치(20)로 전달된 열은 외부로 방출된다. 본 발명에서는 도핑층(13)에서 격자 운동에 의한 열전달이 전자 이동에 의한 열전달로 효과적으로 전환되어 열전달 채널이 추가되기 때문에 열저항이 작고 열전달율이 높아진다.
본 발명에 따른 도핑층(13)을 더 포함하는 반도체 칩(10, 10')은 실리콘 격자 운동에 의한 열전달을 전자 이동에 의한 열전달로 효과적으로 전환시키기 때문에, 열저항이 작고 열전달율이 높으며, 따라서 효과적으로 집적 회로부(12)에서 발생한 열을 방출할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.
Claims (7)
- 반도체 단결정 기판(11);상기 단결정 기판(11)의 일면에 형성된 집적 회로부(12);반도체에 불순물이 도핑되어 상기 단결정 기판(11)의 타면에 형성된 도핑층(13); 및상기 도핑층(13) 상에 부착되는 금속층(14);을 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 도핑층과 금속층을 갖는 반도체 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 단결정 기판(11)은 실리콘, 갈륨비소 또는 사파이어로 제작되는 것을 특징으로 하는 전도성 도핑층과 금속층을 갖는 반도체 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 도핑층(13)은 확산법 또는 이온 임플란트법에 의해 상기 단결정 기판(11)의 타면에 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 도핑층과 금속층을 갖는 반도체 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속층(14)은 귀금속으로 제작되는 것을 특징으로 하는 전도성 도핑층 과 금속층을 갖는 반도체 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속층(14)은 증착법에 의해 상기 도핑층(13) 상에 부착되는 것을 특징으로 하는 전도성 도핑층과 금속층을 갖는 반도체 칩.
- 제 1 항에 있어서,금속으로 형성되고, 상기 금속층(14) 상에 밀착되며, 상기 반도체 칩이 부착되는 패키지부(40)에 부착되어 고정되는, 히트 스프레더(15)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 도핑층과 금속층을 갖는 반도체 칩.
- 제 6 항에 있어서,상기 금속층(14) 및 상기 히트 스프레더(15)는 열전도성 그리스에 의해 밀착되는 것을 특징으로 하는 전도성 도핑층과 금속층을 갖는 반도체 칩.
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ID=39219459
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Citations (3)
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| JP2001135757A (ja) | 1999-11-05 | 2001-05-18 | Sumitomo Metal Electronics Devices Inc | 半導体モジュール用基板 |
| JP2004221547A (ja) | 2002-12-27 | 2004-08-05 | Mitsubishi Materials Corp | 熱伝導性複層基板及びパワーモジュール用基板 |
| JP2006294699A (ja) | 2005-04-06 | 2006-10-26 | Toyota Industries Corp | 放熱装置 |
-
2006
- 2006-11-22 KR KR1020060116054A patent/KR100798474B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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