KR100989643B1 - Method for manufacturing the thin film thermoelectric module and multi-chip pachage using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체용 웨이퍼를 이용하여 박막형 열전모듈을 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 적층 반도체칩 패키지(muti-chip package)에 사용되는 실리콘 기반 반도체 칩들의 방열 문제를 해결하기 위한 박막형 열전모듈 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a thin film type thermoelectric module using a wafer for a semiconductor, and in particular, a method for manufacturing a thin film type thermoelectric module for solving heat dissipation problems of silicon-based semiconductor chips used in a multilayer semiconductor chip package. It is about.
각종 반도체 칩의 고밀도 집적 배열로 인한 공간 활용의 극대화는 반도체 관련 기술분야에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 이러한 고밀도 집적 배열은 이 기술분야에서 초기에는 주로 나노 공정의 개발로 인한 반도체 칩의 소형화를 통하여 주도되는 것이었다.Maximization of space utilization due to high density integrated arrangement of various semiconductor chips occupies an important position in the semiconductor related art. This high density integrated arrangement was initially driven in the art through the miniaturization of semiconductor chips mainly due to the development of nano processes.
한편, 반도체 칩의 적층 배열을 통하여 제한된 면적 안에서 고밀도 집적을 이루려는 기술이 대두되었고(multi-chip package), 상하로 적층된 반도체 칩 간에 홀을 형성하여 서로 연결되게 하는 기술(Through silicon via, TSV)이 개발되었다.Meanwhile, a technology for achieving high density integration within a limited area through stacking arrangements of semiconductor chips has emerged (multi-chip package), and a technology for forming holes between semiconductor chips stacked up and down so as to be connected to each other (Through Silicon Via, TSV). ) Was developed.
이러한 반도체 칩의 적층기술에 있어서, 당면과제는 각 반도체 칩에서 발생되는 발열의 해결이다. 즉, 반도체 칩의 발열은 저전력 소모, 저항요소의 감소의 노력에도 불구하고 작동신호의 주파수 증가 등의 요인으로 인하여 항상 문제시되었다.In such a stacking technique of semiconductor chips, a challenge is to solve the heat generated in each semiconductor chip. That is, the heat generation of the semiconductor chip has always been a problem due to factors such as low power consumption and an increase in the frequency of the operating signal despite efforts to reduce the resistance element.
특히 상기와 같이 다수의 층을 이루어 서로 가깝게 위치하는 각 반도체 칩에서 발생한 열은 적층된 층 사이에 축적되므로 반도체 칩의 성능저하나 파손의 문제를 가져오게 된다.In particular, since the heat generated from each of the semiconductor chips, which are formed in a plurality of layers and located close to each other, is accumulated between the stacked layers, the performance of the semiconductor chips is reduced or the problem of damage is caused.
상기한 발열 문제를 해결하기 위한 기술로 열전소자를 이용한 냉각기술이 있다. As a technique for solving the heat generation problem, there is a cooling technique using a thermoelectric element.
열전소자(thermoelectric element)는 원래 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자의 총칭으로 정의되는 것인데, 본 발명과 관련하여서는 전류에 의해 열의 흡수(또는 발생)가 생기는 현상인 펠티에효과를 이용한 소자인 펠티에소자를 한정하여 의미한다.Thermoelectric element (thermoelectric element) is originally defined as a generic name of a device using a variety of effects represented by the interaction of heat and electricity, the device using the Peltier effect which is a phenomenon that the absorption (or generation) of heat caused by the current in the present invention It means by limiting the phosphorus Peltier element.
펠티에효과를 이용한 열전소자를 구성하기 위하여는 전기전도 방식이 다른 비스무트 텔루륨 등의 소재로 만들어지는 이종반도체를 상하 방향으로 수직되게 다수를 교대로 배열하고, 이웃하는 반도체들을 직렬이 되도록 전기연결한 후 이에 직류를 공급하여 흡열, 발열 반응을 얻어낸다.In order to construct a thermoelectric device using the Peltier effect, a plurality of hetero semiconductors made of bismuth tellurium or the like having different electric conduction methods are alternately arranged vertically in an up and down direction, and the adjacent semiconductors are electrically connected in series. This is followed by supplying a direct current to obtain an endothermic and exothermic reaction.
이러한 열전소자는 전류 방향에 따라 흡열ㅇ발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열ㅇ발열량이 조절되므로, 용량이 적은 냉동기 또는 상온 부근의 정밀한 항온조 제작에 응용된다.The thermoelectric element is capable of switching the endothermic heat generation in accordance with the current direction, and the endothermic heat generation amount is adjusted in accordance with the amount of current, so that the thermoelectric element is applied to the manufacture of a precision refrigerator or a small temperature chamber near room temperature.
따라서 적층 반도체칩 패키지에 열전소자기술의 적용을 생각해 볼 수 있고 도1에는 대한민국 특허등록 제10-0819852호에 개시된 기술에 따라 반도체 공정을 통해 제조된 박막형 열전모듈이 도시되어 있다.Therefore, the application of the thermoelectric device technology to the laminated semiconductor chip package can be considered and FIG. 1 shows a thin film type thermoelectric module manufactured through a semiconductor process according to the technology disclosed in Korean Patent Registration No. 10-0819852.
그러나 이 경우에는 실리콘 기판(10)에 절연층(1) 및 N형 반도체(또는 P형 반도체)(2)의 두께를 더한 만큼 열전모듈의 두께가 두꺼워져 컴팩트화가 요구되는 적층 반도체칩 패키지에 적당하지 못하다는 문제가 있다.However, in this case, the thickness of the thermoelectric module is increased by adding the thickness of the
따라서 적층 반도체칩 패키지에서 상하로 적층되는 반도체 칩의 사이에 개재되는 것에 적합한 컴팩트한 구성으로 각 반도체 칩에서 발생된 열을 배출 가능하게 함으로써 반도체 칩의 성능저하나 파손을 방지할 수 있는 박막형 열전모듈의 제조방법이 필요하다.Therefore, the thin film type thermoelectric module which can prevent the performance degradation or damage of the semiconductor chip by discharging heat generated from each semiconductor chip in a compact configuration suitable for being interposed between the semiconductor chips stacked up and down in the stacked semiconductor chip package. There is a need for a method of preparation.
본 발명의 목적은, 적층 반도체칩 패키지에 사용하기 적합한 컴팩트한 구성으로 각 반도체 칩에서 발생된 열을 배출 가능하게 함으로써 반도체 칩의 성능저하나 파손을 방지할 수 있는 박막형 열전모듈의 제조방법을 제공한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a thin film type thermoelectric module that can prevent the performance degradation or damage of a semiconductor chip by discharging heat generated from each semiconductor chip in a compact configuration suitable for use in a laminated semiconductor chip package. do.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 제조방법을 통해 제조된 박막형 열전모듈을 사용한 적층 반도체칩 패키지를 제공한다.Another object of the present invention to provide a laminated semiconductor chip package using a thin film thermoelectric module manufactured by the above manufacturing method.
본 발명의 일 특징에 따른 박막형 열전모듈의 제조방법은, 반도체 공정을 이용하여 박막형 열전모듈을 제조하는 방법으로서, (a) 실리콘 기판의 상면을 통하여 상기 실리콘 기판 내부에 P형 반도체를 일정 간격으로 실장하는 단계, (b) 상기 실리콘 기판의 하면을 통하여 이웃하는 상기 P형 반도체 사이에 N형 반도체를 일정 간격으로 실장하는 단계, (c) 상기 실리콘 기판의 상, 하면에서 상기 P, N형 반도체를 노출시키고, 이웃하는 P,N형 반도체를 서로 통전 가능하게 연결하는 전극을 형성하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a thin film type thermoelectric module according to an aspect of the present invention is a method of manufacturing a thin film type thermoelectric module using a semiconductor process, the method comprising: (a) P-type semiconductor inside a silicon substrate at a predetermined interval through an upper surface of a silicon substrate; Mounting, (b) mounting an N-type semiconductor at regular intervals between the adjacent P-type semiconductors through a lower surface of the silicon substrate, and (c) the P and N-type semiconductors on the upper and lower surfaces of the silicon substrate. And forming an electrode for electrically connecting neighboring P and N-type semiconductors to each other.
상기 박막형 열전모듈의 제조방법은, 상기 P형 반도체를 실장하는 단계가, (a-1) 상기 실리콘 기판의 상면에 감광성수지(Phtoresist)를 코팅하여 감광성수지층(15)을 형성하는 단계, (a-2) 상기 감광성수지층 상에 P형 반도체가 실장될 위치에 따라 천공된 마스크(mask)를 배열하고, 자외선을 조사하여 감광성수지층 중 자 외선에 노출된 부분을 제거하는 단계, (a-3) 제거된 감광성수지층을 통하여 노출된 실리콘 기판을 식각하여 P형 반도체자리를 형성하는 단계, (a-4) 상기 P형 반도체자리에 절연층을 형성하는 단계, (a-5) 상기 실리콘 기판의 상면에서 감광성수지층을 제거한 후 상기 P형 반도체자리에 P형 반도체를 증착하는 단계를 포함할 수 있다.In the manufacturing method of the thin film type thermoelectric module, the step of mounting the P-type semiconductor, (a-1) forming a
상기 박막형 열전모듈의 제조방법은, 상기 N형 반도체를 실장하는 단계가, (b-1) 상기 실리콘 기판의 하면에 감광성수지를 코팅하여 감광성수지층을 형성하는 단계, (b-2) 상기 감광성수지층 상에 이웃하는 P형 반도체의 중간 위치가 천공된 마스크를 배열하고, 자외선을 조사하여 감광성수지층 중 자외선에 노출된 부분을 제거하는 단계, (b-3) 제거된 감광성수지층을 통하여 노출된 실리콘 기판을 식각하여 N형 반도체자리를 형성하는 단계, (b-4) 상기 N형 반도체자리에 절연층을 형성하는 단계, (b-5) 상기 실리콘 기판의 하면에서 감광성수지층을 제거한 후 상기 N형 반도체자리에 N형 반도체를 증착하는 단계를 포함할 수 있다.In the manufacturing method of the thin-film thermoelectric module, the step of mounting the N-type semiconductor, (b-1) forming a photosensitive resin layer by coating a photosensitive resin on the lower surface of the silicon substrate, (b-2) the photosensitive Arranging a mask in which intermediate positions of neighboring P-type semiconductors are perforated on the resin layer, and irradiating ultraviolet rays to remove portions of the photosensitive resin layer exposed to ultraviolet rays, (b-3) through the removed photosensitive resin layer Etching the exposed silicon substrate to form an N-type semiconductor site, (b-4) forming an insulating layer on the N-type semiconductor site, (b-5) removing the photosensitive resin layer from the bottom surface of the silicon substrate And then depositing an N-type semiconductor on the N-type semiconductor site.
상기 박막형 열전모듈의 제조방법은, 상기 P형 반도체자리를 형성하는 단계 및 N형 반도체자리를 형성하는 단계가 심도반응성이온에칭(Deep Reactive Ion Eching)법을 통하여 이루어질 수 있다.In the method of manufacturing the thin film type thermoelectric module, the forming of the P-type semiconductor site and the forming of the N-type semiconductor site may be performed through a deep reactive ion etching method.
상기 박막형 열전모듈의 제조방법은, 상기 P형 반도체자리를 형성하는 단계 및 N형 반도체자리를 형성하는 단계가 웨트 에칭(Wet Etching)법을 통하여 이루어질 수 있다.In the method of manufacturing the thin film type thermoelectric module, the forming of the P-type semiconductor site and the forming of the N-type semiconductor site may be performed by wet etching.
상기 박막형 열전모듈의 제조방법은, 상기 P형 반도체자리를 형성하는 단계 및 N형 반도체자리를 형성하는 단계를 수행하기 전에 시드레이어를 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다.The method of manufacturing the thin film type thermoelectric module may further include forming a seed layer before the forming of the P-type semiconductor site and the forming of the N-type semiconductor site.
상기 박막형 열전모듈의 제조방법은, 상기 P형 반도체를 증착하는 단계 및 N형 반도체를 증착하는 단계가 전기도금법(electroplating)을 통하여 이루어질 수 있다.In the method of manufacturing the thin film type thermoelectric module, the depositing of the P-type semiconductor and the depositing of the N-type semiconductor may be performed through electroplating.
상기 박막형 열전모듈의 제조방법은, 상기 P형 반도체를 증착하는 단계 및 N형 반도체를 증착하는 단계가 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)법을 통하여 이루어질 수 있다.In the method of manufacturing the thin film type thermoelectric module, depositing the P-type semiconductor and depositing the N-type semiconductor may be performed through a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.
상기 박막형 열전모듈의 제조방법은, 상기 전극을 형성하는 단계가, (c-1) 상기 실리콘 기판의 내부에 증착된 P형 반도체 및 N형 반도체가 상기 실리콘 기판의 표면에 드러나도록 상기 실리콘 기판의 상면 및 하면을 폴리싱하는 단계, (c-2) 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판의 상면에 P형 반도체와 N형 반도체가 쌍을 이루도록 노출시키고, 마스크로부터 노출된 부분에 P형 반도체와 N형 반도체를 연결하는 전극을 형성하는 단계, (c-3) 마스크를 이용하여 상기 실리콘 기판의 하면에 상면과 교대로 P형 반도체와 N형 반도체가 쌍을 이루도록 노출시키고 마스크로부터 노출된 부분에 P형 반도체와 N형 반도체를 연결하는 전극을 형성하여 P형 반도체와 N형 반도체가 전체적으로 직렬로 연결되도록 하는 단계를 포함할 수 있다.In the method of manufacturing the thin film type thermoelectric module, the step of forming the electrode may include: (c-1) the silicon substrate such that the P-type semiconductor and the N-type semiconductor deposited inside the silicon substrate are exposed on the surface of the silicon substrate. Polishing the upper and lower surfaces, (c-2) exposing P-type semiconductors and N-type semiconductors to be paired on the upper surface of the silicon substrate by using a mask, and P-type semiconductors and N-type semiconductors on portions exposed from the mask; (C-3) exposing the P-type semiconductor and the N-type semiconductor in pairs with the upper surface on the lower surface of the silicon substrate using a mask, and forming a P-type semiconductor on the exposed portion of the mask. And forming an electrode connecting the N-type semiconductor to the P-type semiconductor and the N-type semiconductor as a whole.
본 발명의 일 특징에 따른 적층 반도체칩 패키지는, 상기한 방법 중의 하나를 사용하여 제조된 박막형 열전모듈이 반도체모듈 사이에 삽입되는 것을 특징으로 한다.In a multilayer semiconductor chip package according to an aspect of the present invention, a thin film type thermoelectric module manufactured using one of the above methods is inserted between semiconductor modules.
상기 적층 반도체칩 패키지는, 열 배출 통로로 사용되는 더미모듈이 더 삽입될 수 있다.The stacked semiconductor chip package may further include a dummy module used as a heat discharge passage.
상기 적층 반도체칩 패키지는, 각 모듈간이 열 인터페이스 재료(thermal interface materials)를 사용하여 연결될 수 있다.The multilayer semiconductor chip package may be connected between thermal modules using thermal interface materials.
본 발명의 박막형 열전모듈의 제조방법에 따르면, 적층 반도체칩 패키지에 사용하기 적합한 컴팩트한 구성으로 각 반도체 칩에서 발생된 열을 배출 가능하게 함으로써 반도체 칩의 성능저하나 파손을 방지할 수 있는 박막형 열전모듈 및 이를 사용한 적층 반도체칩 패키지를 제조할 수 있다.According to the manufacturing method of the thin film type thermoelectric module of the present invention, the thin film type thermoelectric which can prevent the performance degradation or damage of the semiconductor chip by discharging the heat generated from each semiconductor chip in a compact configuration suitable for use in the laminated semiconductor chip package A module and a multilayer semiconductor chip package using the same can be manufactured.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것 으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.The above-described features and effects of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, and thus, those skilled in the art to which the present invention pertains may easily implement the technical idea of the present invention. Could be. As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosure, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 π형으로 접속되는 P형 반도체 패턴과 N형 반도체 패턴이 직렬로 연결된 박막형 열전모듈을 제조하는 방법에 관한 것으로서 도2 내지 도4는 본 발명의 실시예를 나타낸 순차적인 공정 단면도이다.The present invention relates to a method of manufacturing a thin film thermoelectric module in which a P-type semiconductor pattern and an N-type semiconductor pattern connected in a π-type are connected in series. FIGS. 2 to 4 are sequential process cross-sectional views showing an embodiment of the present invention.
먼저 실리콘 기판의 상면을 통하여 실리콘 기판 내부에 P형 반도체를 실장하는 단계를 도2a 내지 도2h를 참고하여 상세하게 설명한다.First, the step of mounting the P-type semiconductor inside the silicon substrate through the upper surface of the silicon substrate will be described in detail with reference to FIGS. 2A to 2H.
먼저 도2a에 도시되어 있는 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 상면(11)에 감광성수지(Photoresist)를 코팅하여 감광성수지층(15)을 형성한다. 여기에서 실리콘 기판(10)은 예를 들면 550㎛ 두께의 실리콘 웨이퍼를 이용한다.First, as shown in FIG. 2A, a photoresist is coated on the
또한 감광성수지층(15)은 스핀 코팅(Spin coating) 방식으로 증착한 후 프리베이크(Prebake) 공정을 통해 형성할 수 있다.In addition, the
다음으로 상기 감광성수지층(15) 상에 P형 반도체가 실장되는 위치가 천공되어 있는 마스크(16)를 배열하고 자외선(17)을 조사한 후 자외선(17)에 노출된 감광성수지층(15)을 제거한다.Next, the
이에 따라 실리콘 기판(10)에 있어서 P형 반도체가 실장되는 위치는 감광성수지층(15)이 제거되고 나머지 부분에만 감광성수지층(15)이 남게 되어 도2b의 상태가 된다.Accordingly, the position where the P-type semiconductor is mounted in the
다음으로 노출되어 있는 실리콘 기판(10)을 식각하여 P형반도체자리(20)를 형성한다. 상기 식각방법으로는 예를 들면 실리콘 기판(10)의 깊은 부분까지 식각 이 가능한 심도반응성이온에칭(Deep Reactive Ion Eching) 기법을 사용한다.Next, the exposed
이에 따라 실리콘 상면(11)에서 실리콘 내부로 P형반도체자리(20)가 일정한 간격으로 형성되어 도2c의 상태가 된다.Accordingly, the P-
이 상태에서 기판상에 절연층(21)을 형성한다. 절연층(21)은 스퍼터링 등 저온 공정을 통해 형성되는 실리콘 산화막(SiO2)을 사용할 수 있다. 이에 따라 제거되지 않고 남아있는 감광성수지층(15) 및 상기 P형반도체자리(20)에 절연층(21)이 형성되어 도2d의 상태가 된다.In this state, the
다음으로 절연층(21) 위에 P형 반도체와 실리콘간의 확산을 방지하기 위하여 확산방지층(22)을 형성한다. 상기 확산방지층(22)은 예를 들면 타이나이트(TiN) 또는 탄탈륨(Ta)을 스퍼터링 공정을 사용하여 형성할 수 있다.Next, a
이에 따라 제거되지 않고 남아있는 감광성수지층(15) 및 상기 절연층(21)에 확산방지층(22)이 형성되어 도2e의 상태가 된다.As a result, a
상기의 절연층(21)과 확산방지층(22)은 어닐링(annealing) 공정시에 증착된 P형 반도체와 실리콘 기판(10)이 융착되는 것을 방지하는 디퓨젼베리어(diffusion barrier)로서의 역할을 한다.The insulating
다음으로 시드레이어(seed layer)(23)를 증착한다. 시드레이어(23)로는 예를 들면 구리(Cu)나 금(Au)을 사용한다. 이에 따라 상기의 확산방지층(22)에 시드레이어(23)가 적층 형성되어 도2f의 상태가 된다.Next, a
상기의 시드레이어(23)는 후술하는 P형 반도체를 증착하는 공정에서 P형 반 도체가 P형반도체자리(20)에 원활하고 빠르게 증착할 수 있도록 보조하는 역할을 한다.The
다음으로 감광성수지층(15)을 제거한다. 이 때 감광성수지층(15)을 제거하는 경우 상기 감광성수지층(15) 위에 적층되어 있던 절연층(21), 확산방지층(22), 시드레이어(23)도 함께 제거되어 도2g의 상태가 된다.Next, the
이 때 P형반도체자리(20)의 폭과 깊이의 비율(aspect ratio)은 1:10 이하가 되도록 하고 바람직하게는 1:5 이하가 되도록 한다. 이는 P형 반도체가 P형반도체자리의 깊은 부분까지 안정적으로 형성되게 하기 위함이다.At this time, the aspect ratio of the width and depth of the P-
다음으로 P형반도체자리(20)에 P형 반도체(25)를 증착한다. 증착방법은 예를 들면 스퍼터링(sputtering)이나 이베퍼레이팅(evaporating)을 사용할 수도 있으나 깊은 부분까지 안정적으로 증착이 가능한 전기기도금법(electroplating) 또는 MOCVD법(metal organic chemical vapor deposition)을 사용하는 것이 바람직하다. MOCVD법을 사용하는 경우에는 상기한 시드레이어(23)를 증착하는 과정은 생략이 가능하다.Next, the P-
이에 따라 P형 반도체(25)가 P형반도체자리(20)에 적층됨과 아울러 실리콘 기판(10)의 상면(11)으로 적층부분이 볼록하게 튀어나온 도2h의 상태가 된다.As a result, the P-
다음으로 증착된 상기 P형 반도체(25)의 볼록하게 돌출된 부분을 제거하여 실리콘 기판(10)의 상면(11)과 대략 일치하도록 평탄하게 한다. 상기 평탄화 공정은 예를 들면 CMP(Chemical Mechanical Polishing)에 의하여 수행되고 이에 따라 도2i의 상태가 된다.Next, the convexly protruding portions of the deposited P-
이상의 공정에 따라 실리콘 기판(10)의 상면(11)을 통하여 실리콘 기판(10) 내부에 P형 반도체(25)를 실장하는 단계가 종료된다.According to the above process, the step of mounting the P-
다음으로 실리콘 기판(10)의 하면(12)을 통하여 실리콘 기판(10) 내부에 N형 반도체를 실장하는 단계를 도3a 내지 도3h를 참조하여 상세하게 설명한다. 전체적인 공정은 P형 반도체(25)를 실장하는 경우와 동일하다.Next, the step of mounting the N-type semiconductor inside the
먼저 도3a에 도시되어 있는 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 상면(11)을 아래로 하고 실리콘 기판(10)의 하면(12)을 위로 위치시킨 다음 실리콘 기판(10)의 하면(12)에 감광성수지(Photoresist)를 코팅하여 감광성수지층(15)을 형성한다.First, as shown in FIG. 3A, the
상면(11)과 마찬가지로 감광성수지층(15)은 스핀 코팅(Spin coating) 방식으로 증착한 후 프리베이크(Prebake) 공정을 통해 형성할 수 있다.Similar to the
다음으로 상기 감광성수지층(15) 상에 N형 반도체가 실장되는 위치가 천공되어 있는 마스크(16)를 배열하고 자외선(17)을 조사한 후 자외선(17)에 노출된 감광성수지층(15)을 제거한다. 이 때 N형 반도체가 실장되는 위치는 P형 반도체(25)가 실장된 사이부분이다.Next, the
이에 따라 실리콘 기판(10)에서 N형 반도체가 실장될 부분은 감광성수지층(15)이 제거되고 나머지 부분에만 감광성수지층(15)이 남게 되어 도3b의 상태가 된다.Accordingly, the
다음으로 노출되어 있는 실리콘 기판(10)을 식각하여 N형반도체자리(30)를 형성한다. 상기 식각방법으로는 예를 들면 실리콘 기판(10)의 깊은 부분까지 식각이 가능한 심도반응성이온에칭(Deep Reactive Ion Eching) 기법을 사용한다.Next, the exposed
이에 따라 실리콘 기판(10) 하면(12)에서 실리콘 기판(10) 내부로 N형반도체자리(30)가 P형반도체자리(20) 사이에 일정한 간격으로 형성되어 도3c의 상태가 된다.Accordingly, the N-
이 상태에서 기판상에 절연층(31)을 형성한다. 절연층(31)은 스퍼터링 등 저온 공정을 통해 형성되는 실리콘 산화막(SiO2)을 사용할 수 있다. 이에 따라 제거되지 않고 남아있는 감광성수지층(15) 및 상기 N형반도체자리(30)에 절연층(31)이 형성되어 도3d의 상태가 된다.In this state, the insulating
다음으로 절연층(31) 위에 후술하는 N형 반도체와 실리콘간의 확산을 방지하기 위하여 확산방지층(32)을 형성한다. 상기 확산방지층(32)은 예를 들면 타이나이트(TiN) 또는 탄탈륨(Ta)을 스퍼터링 공정을 사용하여 형성할 수 있다.Next, a
이에 따라 제거되지 않고 남아있는 감광성수지층(15) 및 상기 절연층(31)에 확산방지층(32)이 형성되어 도3e의 상태가 된다.As a result, a
상기의 절연층(31)과 확산방지층(32)은 어닐링(annealing) 공정시에 증착된 N형 반도체와 실리콘 기판(10)이 융착되는 것을 방지하는 디퓨젼베리어(diffusion barrier)로서의 역할을 한다.The insulating
다음으로 시드레이어(seed layer)(33)를 증착한다. 시드레이어(33)로는 예를 들면 구리(Cu)나 금(Au)을 사용한다. 이에 따라 상기의 확산방지층(32)에 시드레이어(33)가 적층 형성되어 도3f의 상태가 된다.Next, a
상기의 시드레이어(33)는 후술하는 N형 반도체를 증착하는 공정에서 N형 반 도체가 N형반도체자리(30)에 원활하고 빠르게 증착될 수 있도록 보조하는 역할을 한다.The
다음으로 감광성수지층(15)을 제거한다. 이 때 감광성수지층(15)을 제거하는 경우 상기 감광성수지층(15) 위에 적층되어 있던 절연층(31), 확산방지층(32), 시드레이어(33)도 함께 제거되어 도3g의 상태가 된다.Next, the
이 때 N형 반도체의 안정적인 형성을 위하여 N형반도체자리(30)의 폭과 깊이의 비율(aspect ratio)은 1:10 이하가 되도록 하고 바람직하게는 1:5 이하가 되도록 한다.In this case, in order to stably form the N-type semiconductor, an aspect ratio of the width and depth of the N-
다음으로 N형반도체자리(30)에 N형 반도체(35)를 증착한다. 증착방법은 스퍼터링(sputtering)이나 이베퍼레이팅(evaporating)을 사용할 수도 있으나 깊은 부분까지 안정적으로 증착이 가능한 전기기도금법(electroplating) 또는 MOCVD법(metal organic chemical vapor deposition)을 사용하는 것이 바람직하다. MOCVD법을 사용하는 경우에는 상기한 시드레이어(33)를 증착하는 과정은 생략이 가능하다.Next, the N-
이에 따라 N형 반도체(35)가 N형반도체자리(30)에 적층됨과 아울러 실리콘 기판(10)의 하면(12)으로 N형 반도체(35)의 적층부분의 일부가 볼록하게 튀어나온 도3h의 상태가 된다.Accordingly, the N-
다음으로 증착된 상기 N형 반도체(35)의 볼록하게 돌출된 부분을 제거하여 실리콘 기판(10)의 하면(12)과 대략 일치하도록 평탄하게 한다. 상기 평탄화 공정은 예를 들면CMP(Chemical Mechanical Polishing)에 의하여 수행되고 이에 따라 도3i의 상태가 된다. 이 때 P형 반도체(25)의 일부도 폴리싱된다.Next, the convexly protruding portion of the deposited N-
이상의 공정에 따라 실리콘 기판(10)의 하면(12)을 통하여 실리콘 기판(10) 내부에 N형 반도체(35)를 실장하는 단계가 종료하게 된다.According to the above process, the step of mounting the N-
다음으로 P형 반도체(25)와 N형 반도체(35)가 실장된 상기 실리콘 기판(10)에 전극을 형성하는 방법에 대해 도4a 내지 도4e를 참조하여 상세하게 설명한다.Next, a method of forming an electrode on the
먼저 상기 P형 반도체(25)와 N형 반도체(35)가 실장된 상기 실리콘 기판(10)의 상면(11)과 하면(12)을 평탄하게 하여 상기 실리콘 기판(10)의 내부에 증착된 P형 반도체(25) 및 N형 반도체(35)가 상기 실리콘 기판(10)의 양쪽 표면에 드러나도록 한다.First, the
상기 평탄화 공정은 예를 들면 CMP(Chemical Mechanical Polishing)에 의하여 수행되고 이에 따라 P형 반도체(25)와 N형 반도체(35)의 열전박막 일부가 폴리싱되어 도4a의 상태가 된다.The planarization process is performed by, for example, chemical mechanical polishing (CMP), whereby a portion of the thermal thin film of the P-
다음으로 도4b와 같이 하드 마스크(hard mask)(18)를 사용하여 상기 실리콘 기판(10)의 상면(11)에 P형 반도체(25)와 N형 반도체(35)가 쌍을 이루도록 노출시키고, 도4c와 같이 하드 마스크(18)로부터 노출된 부분에 P형 반도체(25)와 N형 반도체(35)를 연결하는 전극층(40)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4B, the P-
이 때 전극층(40)의 형성은 예를 들면 스퍼터링(sputtering)이나 이베퍼레이팅(evaporating)에 의하여 수행하고 전극층(40)은 열전도성 및 전기 전도성이 우수한 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al)을 이용함이 바람직하다.At this time, the formation of the
다음으로 도4d와 같이 하드 마스크(18)를 사용하여 상기 실리콘 기판(10)의 하면(12)에 상면(11)과 교대로 P형 반도체(25)와 N형 반도체(35)가 쌍을 이루도록 노출시키고, 도4e와 같이 하드 마스크(18)로부터 노출된 부분에 P형 반도체(25)와 N형 반도체(35)를 연결하는 전극층(40)을 형성하여 P형 반도체(25)와 N형 반도체(35)가 전체적으로 직렬로 연결되도록 한다.Next, as shown in FIG. 4D, the P-
이 때 전극층(40)의 형성은 예를 들면 스퍼터링(sputtering)이나 이베퍼레이팅(evaporating)에 의해 수행하고 전극층(40)은 열전도성 및 전기 전도성이 우수한 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al)을 이용함이 바람직하다.At this time, the formation of the
상기와 같은 과정을 수행하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 열전모듈이 완성된다. 도4e에는 완성된 박막형 열전모듈이 도시되어 있다.By performing the above process, a thin film type thermoelectric module according to an embodiment of the present invention is completed. 4E shows a completed thin film thermoelectric module.
상기의 설명에서는 P형 반도체(25)를 증착한 후에 N형 반도체(35)를 증착하는 것으로 설명하였으나 상기의 순서에 구속되는 것은 아니고 N형 반도체(35)를 먼저 증착한 후 P형 반도체(25)를 증착하여도 무방하다.In the above description, the N-
또한 P형 반도체(25) 증착 후 및 N형 반도체(35) 증착 후에 평탄화공정을 수행하는 것으로 설명하였으나 이를 생략해도 무방하다.In addition, although the planarization process is performed after the deposition of the P-
또한 상기의 설명에서는 P형반도체자리와 N형반도체자리를 형성하는 식각방법으로서 심도이온성이온에칭법을 예로 들었으나 웨트에칭(Wet Eching)법을 사용할 수도 있다.In the above description, the depth ion ion etching method is used as an etching method for forming the P-type semiconductor site and the N-type semiconductor site, but the wet etching method may be used.
웨트에칭법을 사용할 경우 P형반도체자리와 N형반도체자리를 사다리꼴로 형성하는 것이 가능하므로 P형 반도체와 N형 반도체를 증착할 때 깊은 부분까지 더 안정적으로 증착이 가능하다. 도5에 상기 웨트에칭법을 사용한 박막형 열전모듈이 도시되어 있다.When the wet etching method is used, it is possible to form a P-type semiconductor site and an N-type semiconductor site in a trapezoidal shape, so that deposition of P-type semiconductors and N-type semiconductors can be more stably deposited to deep portions. 5 shows a thin film thermoelectric module using the wet etching method.
다음으로 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 박막형 열전모듈을 사용한 적층 반도체칩 패키지의 작동관계에 대하여 설명한다.Next, an operation relationship of a multilayer semiconductor chip package using a thin film thermoelectric module manufactured according to an exemplary embodiment of the present invention will be described.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈을 사용한 적층 반도체칩 패키지를 나타내는 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a multilayer semiconductor chip package using a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
도6을 참조하면, 상기 적층 반도체칩 패키지(50)는 위로부터 제1반도체모듈(51), 제1열전모듈(52), 더미모듈(53), 제2열전모듈(54), 제2반도체모듈(55)이 적층되어 있다. 더미모듈은 열전도도가 좋은 물질인 구리(Cu) 또는 백금(Pt) 박막으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 6, the multilayer
적층 반도체칩 패키지(50)에 전압이 인가되면 열전모듈(52,54)에 전류가 흐르게 되고 펠티에 효과에 의해 열전모듈(52,54)의 일측에서는 발열이 타측에서는 흡열이 이루어진다.When a voltage is applied to the stacked
상기의 적층 반도체칩 패키지(50)에서 상부에 적층된 제1열전모듈(52)은 상측이 흡열부가 되고 하측이 발열부가 되도록 전극을 연결한다. 흡열부와 발열부는 전극의 연결에 따라 달라질 수 있으므로 이에 맞도록 전극을 연결하도록 한다.The first
열의 이동은 전자나 정공의 이동방향과 같으므로 제1열전모듈(52)에 있어서 P형 반도체에는 (+)극을 연결하고 N형 반도체에는 (-)극을 연결하면 제1열전모듈(52)은 상측이 흡열부가 되고 하측이 발열부가 된다.Since the movement of heat is the same as the direction of movement of electrons or holes, when the positive electrode is connected to the P-type semiconductor and the negative electrode is connected to the N-type semiconductor in the first
상기와 같이 구성한 경우 제1열전모듈(52)의 흡열부에서는 제1반도체모듈(51)에 실장된 칩(56)에서 발생되는 열을 구리로 이루어진 포스트(post)(57)을 통하여 흡수하여 발열부로 전달하고 전달된 열은 더미모듈(53)을 통해 적층 반도체 칩 패키지(50)의 외부로 배출된다.In the above configuration, the heat absorbing portion of the first
한편 하부에 적층된 제2열전모듈(54)은 상측이 발열부가 되고 하측이 흡열부가 되도록 전극을 연결한다. 연결되는 전극은 제1열전모듈(52)과 반대가 되어 P형 반도체에는 (-)극이 N형 반도체에는 (+)극이 연결되게 한다.On the other hand, the second
제2박막형 열전 모듈의 흡열부에서는 제2반도체모듈(55)에 실장된 칩(56)에서 발생되는 열을 구리로 이루어진 포스트(57)를 통하여 흡수하여 발열부로 전달하고 전달된 열은 더미모듈(53)을 통해 적층 반도체칩 패키지(50)의 외부로 배출된다.In the heat absorbing part of the second thin film type thermoelectric module, heat generated from the
또한 상기에서 각 모듈간의 연결 즉 반도체 모듈과 열전 모듈, 열전 모듈과 더미모듈간의 연결은 열전도성과 접합력이 좋은 열 인터페이스 재료(thermal interface materials)를 사용하여 연결할 수 있다. 상기의 열 인터페이스 재료로는 예를 들면 열 패드(thermal pad)나 열 그리스(thermal grease) 등을 사용할 수 있다.In addition, the connection between each module, that is, the connection between the semiconductor module and the thermoelectric module, the thermoelectric module and the dummy module may be connected using thermal interface materials having good thermal conductivity and bonding strength. As the thermal interface material, for example, a thermal pad or a thermal grease may be used.
이에 따라 각 모듈간의 열전도가 더욱 원활하게 되어 열손실을 줄임과 아울러 각 모듈간의 견고한 접합이 가능하여 성능이 우수한 적층 반도체칩 패기지를 생산할 수 있다. As a result, the heat conduction between the modules is more smoothly, reducing the heat loss and making the solid bonding between the modules possible, thereby producing a multilayer semiconductor chip package having excellent performance.
이렇게 하여 컴팩트한 구성으로 적층 반도체칩 패키지(50)의 각 반도체 칩(56)에서 발생된 열을 배출을 효율적으로 배출하는 것이 가능하다.In this way, it is possible to efficiently discharge the heat generated in each
상기에서 본 발명의 예시로 두 개의 반도체 모듈이 적층된 적층 반도체칩 패키지를 예로 들었지만, 본 발명은 상술한 설명에 따라 더 많은 반도체 모듈이 적층 된 적층 반도체칩 패키지의 효율적인 방열을 위하여 사용 될 수 있다In the above, as an example of the present invention, a stacked semiconductor chip package in which two semiconductor modules are stacked is exemplified, but the present invention may be used for efficient heat dissipation of a stacked semiconductor chip package in which more semiconductor modules are stacked according to the above description.
또한, 상기에 설명한 예에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 박막형 열전모듈이 적층 반도체칩 패키지에 사용되는 경우에 대하여 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니고 소형 LED 기판 등 일반적인 반도체 회로 기판에도 사용이 가능함은 자명하다고 할 것이다.In addition, in the above-described example, the thin film type thermoelectric module manufactured according to an exemplary embodiment of the present invention has been described for use in a multilayer semiconductor chip package. However, the present invention is not limited thereto and may be used in a general semiconductor circuit board such as a small LED substrate. Will be self explanatory.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In the detailed description of the present invention described above with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art or those skilled in the art having ordinary skill in the art will be described in the claims to be described later And it will be understood that various modifications and changes of the present invention can be made without departing from the scope of the art.
도1은 일반적인 박막형 열전모듈의 단면도1 is a cross-sectional view of a typical thin-film thermoelectric module
도2a 내지 도2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 열전모듈의 P형 반도체를 실장하는 공정을 나타내는 단면도2A to 2I are cross-sectional views illustrating a process of mounting a P-type semiconductor of a thin film thermoelectric module according to an exemplary embodiment of the present invention.
도3a 내지 도3i는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 열전모듈의 N형 반도체를 실장하는 공정을 나타내는 단면도3A to 3I are cross-sectional views illustrating a process of mounting an N-type semiconductor of a thin film thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
도4a 내지 도4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 열전모듈의 전극을 형성하는 공정을 나타내는 단면도4A to 4E are cross-sectional views illustrating a process of forming an electrode of a thin film thermoelectric module according to an exemplary embodiment of the present invention.
도5a는 웨트에칭법을 사용하여 P형 반도체와 N형 반도체를 실장하는 공정이 종료된 후의 박막형 열전모듈을 나타내는 단면도, 도5b는 웨트에칭법을 사용하여 제조된 박막형 열전모듈을 나타내는 단면도5A is a cross-sectional view showing a thin film thermoelectric module after the process of mounting the P-type semiconductor and the N-type semiconductor using the wet etching method, and FIG. 5B is a cross-sectional view showing a thin film thermoelectric module manufactured using the wet etching method.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈을 사용한 적층 반도체칩 패키지를 나타내는 단면도6 is a cross-sectional view illustrating a multilayer semiconductor chip package using a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 실리콘 기판 21, 31 : 절연층10:
22, 32 : 확산방지층 23, 33 : 시드레이어 22, 32:
25 : P형 반도체 35 : N형 반도체25: P-type semiconductor 35: N-type semiconductor
50 : 적층 반도체칩 패키지50: stacked semiconductor chip package
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