KR101706847B1 - 실리콘을 이용한 칩 레벨의 열 방출을 하는 반도체 칩 - Google Patents

실리콘을 이용한 칩 레벨의 열 방출을 하는 반도체 칩 Download PDF

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Abstract

반도체 디바이스는 반대를 향하는 제1 표면과 제2 표면을 갖는 제1 실리콘 기판, 상기 제1 표면에 또는 내에 형성되는 반도체 디바이스, 상기 반도체 디바이스와 전기적으로 연결되는 상기 제1 표면에 형성되는 복수의 제1 콘택트 패드들, 상기 제2 표면 상의 열 전도 물질의 층, 및 상기 열 전도 물질의 층을 통해 부분적으로 형성되는 복수의 제1 비아들을 가지는 반도체 칩을 포함한다.

Description

실리콘을 이용한 칩 레벨의 열 방출을 하는 반도체 칩{SEMICONDUCTOR DEVICE WITH CHIP LEVEL HEAT DISSIPATION USING SILICON}
2014년 4월 23일에 출원된 미국 가출원 제61/983,402호 및 2015년 3월 18일에 출원된 미국 정규 출원 제14/662,088호에 대한 우선권을 주장하며, 당해 미국 가출원 및 미국 정규 출원은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본 발명은 반도체 디바이스들의 쿨링에 관한 것이다.
최근, 모바일 반도체들은 전력 처리와 열 발생의 양자에 있어서 큰 성장을 경험해왔다. 현재, 모바일 반도체들에 대한 쿨링 솔루션들은 그 초기 단계에 있다. 시장에는 견고한 반도체 쿨링 솔루션들이 많이 있지만, 그들은 모바일 디바이스들을 위해 설계된 것이 아니고, 매우 오래된 것이다. 현재의 쿨링 솔루션들은 너무 무겁고, 너무 크고, 효율적이지 않으며, 물질을 낭비하며, 일부 경우에는 너무 많은 전력을 소모하는 것으로 요약될 수 있다. 그러므로, 소형의, 경량의, 저 프로파일의, 효율적이고, 수동의, 높은 성능의 새로운 모바일 히트 싱크(heat sink) 구성이 요구된다.
반도체 패키지 위에 히트 싱크를 마운트하는 것은 당해 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허 제8,564,114호를 참조한다. 반도체 칩이 패키지된 후에, 큰 금속의 히트 싱크가 반도체 칩 위에 부착된다. 히트 싱크는 일반적으로 구리 및/또는 알루미늄을 이용하여 제조되고, 열 교환기들의 어레이들을 포함한다. 히트 싱크와 반도체 칩의 그 사이에 일부 타입의 높은 K 값의 열 인터페이스 물질(TIM, Thermal Interface Material)을 사용하는 것은 매우 일반적이다. TIM은 보통 약 9의 K 값을 가진다. 그러나, 열 전도성을 증가시키기 위하여 TIM으로 솔더(solder)를 사용하는 것도 알려져 있다. 솔더는 50의 K 값을 가지고, K 값을 약 80까지 증가시키기 위해서 구리 및/또는 은과 혼합될 수 있다. 그러나, 이와 같은 솔루션은 열 방출 솔루션에서 크기, 무게, 비효율성, 사용되는 물질 및 전력 소모를 줄일 필요가 있는 모바일 어플리케이션들에는 도움이 되지 않는다.
전술한 문제들과 필요들은 반대를 향하는(opposing) 제1 표면과 제2 표면을 갖는 제1 실리콘 기판, 상기 제1 표면에 또는 내에 형성된 반도체 디바이스, 상기 반도체 디바이스와 전기적으로 연결된 상기 제1 표면에 형성된 복수의 제1 콘택트 패드들, 상기 제2 표면 상의 열 전도 물질의 층, 및 상기 열 전도 물질의 층을 통해 부분적으로 형성된 복수의 제1 비아(via)들을 가지는 반도체 칩을 포함하는 반도체 디바이스에 의해 해결된다.
본 발명의 다른 목적들과 특징들은 명세서, 청구항들과 첨부된 도면들의 검토에 의해 명확해질 것이다.
본 발명의 반도체 디바이스에 따르면, 소형의, 경량의, 저 프로파일의, 효율적이고, 물질의 낭비가 적으며, 전력 소모가 적은, 높은 성능의 쿨링 솔루션들을 제공할 수 있다.
도 1a 내지 1c는 쿨링 피처들을 갖는 반도체 칩의 형성을 보여주는 측면 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2c는 쿨링 피처들을 갖는 반도체 칩의 다른 실시 예의 형성을 보여주는 측면 단면도들이다.
도 3은 쿨링 피처들을 갖는 반도체 칩의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 4는 쿨링 피처들을 갖는 반도체 칩의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 5a 내지 5c는 쿨링 피처들을 갖는 반도체 칩의 다른 실시 예의 형성을 보여주는 측면 단면도들이다.
도 6은 쿨링 피처들을 갖는 반도체 칩의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 7은 쿨링 피처들을 갖는 반도체 칩의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 8a 내지 8e는 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 형성을 보여주는 측면 단면도들이다.
도 9는 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 10은 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 11a 내지 11d는 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 형성을 보여주는 측면 단면도들이다.
도 12는 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 13은 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 14는 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 15는 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 16는 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 17은 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 18은 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 19는 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 20는 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 21은 쿨링 피처들을 갖는 히트 싱크의 다른 실시 예의 측면 단면도이다.
도 22는 반도체 칩 디바이스들 사이에 쿨링 피처들이 없는 웨이퍼의 평면도이다.
도 23은 열 별로 서로 직교하는 쿨링 피처 패턴들을 갖는 반도체 칩 디바이스들의 열들을 가지는 웨이퍼의 평면도이다.
도 24는 디바이스 별로 서로 직교하는 쿨링 피처 패턴들을 갖는 반도체 칩 디바이스들의 열들을 가지는 웨이퍼의 평면도이다.
도 25a 내지 25d는 다른 쿨링 핀 구성들을 갖는 히트 싱크들의 평면도들이다.
본 발명은 하나로 또는 실리콘 히트 싱크(heat sink)들과 결합하여, 집적 회로들이 형성된 실리콘 반도체 기판 내에 직접적으로 쿨링 피처(cooling feature)들을 형성하기 위한 기술들과 구성들을 포함한다.
도 1a 내지 1c는 제1 실시 예에 따라 반도체 칩의 뒷면에 위치하는 열 전도층(thermal conductive layer)을 특징으로 하는 쿨링 피처를 갖는 실리콘 반도체 디바이스의 형성을 나타낸다. 이 층은 반도체 칩의 전체에 걸쳐 높은 열 전도성을 갖게 한다. 그러한 층은 반도체 칩 내의 뜨거운 스팟(spot)들을 줄일 수 있으며, 열 방출율(heat dissipation rate)(예: 열 전도 및 배출)을 증가시킬 수 있다. 도 1a는 실리콘 기판(12), 기판(12)의 상부 표면 상에 또는 내에 형성된 하나 이상의 반도체 디바이스들(14), 및 칩 밖(off-chip)과의 연결을 위해 반도체 디바이스(들)(14)에 전기적으로 연결된 기판(12)의 상부 표면 상에 형성된 본드 패드들(16)을 포함하는 일반적인 반도체 칩(10)을 나타낸다. 도 1a는 그와 관련된 본드 패드들(16)을 갖는 단일 반도체 디바이스(14)를 도시하지만, 그러한 복수의 디바이스들이 단일 웨이퍼 상에 형성되고, 나중에 개별 디바이스 다이(die)로 싱귤레이션됨을 이해할 수 있어야 한다.
패시베이션 층(passivation layer)(18)은 반도체 기판(12)의 아래 표면 상에 증착된다. 이와 같은 패시베이션 층은 반도체 칩(10)에 대한 확산 방지막(diffusion barrier)으로 작용한다. 패시베이션 층(18)은 당해 기술 분야에 잘 알려진 스퍼터링(sputtering) 프로세스에 의해 증착될 수 있다. 패시베이션 층(18)의 바람직한 두께는 0.1㎛ 또는 그 이하이다. 바람직한 패시베이션 물질은 텅스텐, 니켈, 크롬, 및 전술한 물질들 또는 당해 기술 분야에서 잘 알려진 다른 적합한 패시베이션 물질들의 합금들과 같이, 높은 열 전도성을 가질 것이다. 높은 열 전도성을 갖는 물질의 층(20)은 패시베이션 층(18) 위에 증착된다. 열 전도층(20)은 반도체 칩의 전체에 걸쳐 열 전도성을 강화시키고, 이렇게 해서, 뜨거운 스팟들을 줄인다. 구리, 은, 그래핀(graphene), 탄소 관련 물질들, 또는 다른 잘 알려진 열 전도 물질들과 같은 물질이 사용될 수 있다. 물리 기상 증착법(PVD, physical vapor deposition) 또는 선택 물질에 대한 다른 적절한 프로세스에 의해 증착이 수행될 수 있다. 열 전도층(20)이 본딩층으로서의 기능을 겸할 수 없다면, 별도의 본딩층(22)이 적용될 수 있다. 그것의 열 전도 특성을 위해 금속 대 금속 본딩이 바람직하다. 만약에 구리가 사용된다면, 열 압착 본딩 프로세스를 통한 종래의 구리 대 구리 본딩이 사용될 수 있다. 만약에 은 또는 인듐이 사용된다면, 은 인듐 상온 접합(weld) 프로세스가 사용될 수 있다. 그 결과 구조는 도 1b에 나타난다.
기계적 블레이드 다이싱 장치, 레이저 커팅, 또는 다른 적절한 프로세스들을 이용하여 반도체 칩의 웨이퍼 레벨의 다이싱(dicing)/싱귤레이션(singulation)이 개별 반도체 디바이스들(14)과 그들과 관련된 본드 패드들(16) 사이의 스크라이브(scribe) 라인들에서 행해질 수 있다. 최종 다이 구조는 도 1c에 나타난다.
도 2a 내지 2c는 반도체 칩(10)의 다른 실시 예의 형성을 나타내고, 여기서 열 전도층(20) 이외에, 열 비아(thermal via)들이 기판(12)의 아래 표면 내에 형성되고, 이렇게 해서, 열 전도층(20)을 갖는 기판(12)의 전체 접촉 표면이 늘어나고, 강화된 열 추출(heat extraction)을 위해 반도체 기판(12) 내로 더 깊이 도달한다. 열 비아들은 열 전도층 물질로 채워질 수 있다. 그 프로세스는 도 1a의 반도체 칩으로 시작한다. 포토레지스트(photoresist)(24)의 층은 반도체 기판(12)의 아래 표면 상에 증착된다. 기판(12)의 밑에 있는 아래 표면을 선택적으로 노출시키는 패턴을 포토레지스트 내에 남기기 위해서, 포토레지스트(24)는 포토리소그래피(photolithographic) 프로세스를 이용하여 노출되고, 선택적으로 에칭된다. 포토레지스트 내의 패턴은 랜덤 또는 의사-랜덤일 수 있다. 그 결과 구조는 도 2a에 나타난다.
기판(12)의 아래 표면의 노출된 부분들은 비아들(26)(즉, 홀들, 슬롯들, 트렌치(trench)들, 채널들, 또는 다른 형태의 캐비티들이나 캐비티 패턴)을 형성하기 위해서 포토레지스트(24) 내의 개구들을 통해 에칭된다. 에칭 프로세스로 건식 에칭이 바람직하다. 각 비아의 마주보는 벽들은 수직이거나, 폭이 점진적으로 줄어들(tapered) 수 있다. 비아들(26)의 깊이, 폭, 형태, 및 위치는 랜덤이거나 의사-랜덤일 수 있다. (수직의 비아 측벽들을 갖는) 그 결과 구조는 도 2b에 나타난다.
포토레지스트(24)가 제거된 후에, 패시베이션 층(18)은 전술한 바와 같이 반도체 기판(12)의 뒷면 상에 증착된다. 그리고 나서, 열 전도층(20)은 전술한 바와 같이 패시베이션 층(18) 위에 증착된다. 비아들(26)은 열 전도층(20) 물질로 채워지거나 코팅된다. 그리고 나서, 기판(12)은, 도 2c에 나타난 최종 구조로, 전술한 바와 같이 싱귤레이션된다. 도 2c에서, 비아들(26)은 열 전도층(20) 물질로 채워지고, 수직의 측벽들을 가진다. 대조적으로, 도 3은 비아들(26)이 열 전도층(20)으로 코팅되지만 채워지지는 않으며, 폭이 점진적으로 줄어드는 측벽들을 갖는 다른 실시 예를 나타낸다.
여기에 기술된 어떠한 실시 예들에서도, 선택적인 열 방사율(emissivity) 강화층(28)이 본딩 영역을 제외한 열 전도층 위에 랜덤 또는 의사-랜덤으로 선택적으로 증착될 수 있다. 하나의 예시가 도 4에 나타난다. 대안적으로, 본딩 영역은 본딩 영역을 노출시키기 위하여 화학적 또는 기계적 프로세스들을 이용하여 선택적으로 제거될 수 있는 열 방사율 강화층(28)으로 코팅될 수 있다. 열 방사율 강화층(28)의 목적은, 아래에 더 논의되는 바와 같이, 산화에도 강한, 매우 높은 열 방사성의 물질을 이용하여 칩의 열 방사율을 강화시키는 것이다. 구리 니켈 합금이나, 금, 또는 열 방사성이 높으며 산화에 강한 다른 물질과 같은 물질이 이상적이다. 증착 방법은 물리 기상 증착법(PVD) 또는 선택 물질에 대한 다른 적절한 프로세스일 수 있다. 마지막으로, 표면은 열 방사율을 강화시키기 위해서 선택적으로, 선별적으로 화학적으로 폴리싱(polished)될 수 있다.
도 5a 내지 5c는 또 다른 실시 예의 형성을 나타내고, 여기서 열 전도층은 반도체 기판의 아래 표면 상에 형성되고, 비아들은 그 안에 추가적인 열 교환 표면들을 제공하는 열 전도층 내에 형성된다. 패시베이션 층(18) 및 열 전도층(20)은 도 1b에 관하여 전술한 바와 같이 형성된다. 그러나, 열 전도층(20)의 두께는, 도 5a에 나타난 바와 같이, 더 커진다.
포토레지스트(24)의 층은 열 전도층(20) 위에 증착된다. 밑에 있는 열 전도층(20)을 선택적으로 노출시키는 패턴을 포토레지스트 내에 남기기 위하여, 포토레지스트(24)는 포토리소그래피(photolithographic) 프로세스를 이용하여 노출되고, 선택적으로 에칭된다. 포토레지스트 내의 패턴은 랜덤 또는 의사-랜덤일 수 있다. 그 결과 구조는 도 5b에 나타난다.
열 전도층(20)의 노출된 부분들은 열 전도층(20) 내에 비아들(30)(즉, 홀들, 슬롯들, 트렌치들, 채널들, 또는 다른 형태의 캐비티들이나 캐비티 패턴)을 형성하기 위해서 포토레지스트(24) 내의 개구들을 통해 에칭된다. 에칭 프로세스로 건식 에칭이 바람직하다. 더 나은 공기 흐름을 위해 비아 벽들은 바람직하게는 폭이 점진적으로 줄어든다. 비아들(26)의 깊이, 폭, 형태, 및 위치는 랜덤이거나 의사-랜덤일 수 있다. 필수는 아니지만, 바람직하게는, 비아들(30)은 패시베이션 층(18) 또는 기판(12)을 노출시키기 위하여 열 전도층(20)을 완전히 통과하도록 확장하지는 않는다. 전술한 바와 같이, 선택적인 열 방사율 강화층(28)이 본딩 영역들을 제외한 열 전도층(20) 위에 선택적으로 증착될 수 있다. (포토레지스트(24)가 제거된 후에) 최종 구조는 도 5c에 나타난다.
도 6은 도 2a 내지 2c에 관하여 전술한 바와 같이 기판(12)의 아래 표면 내에 형성된 비아들(26)을, 도 5a 내지 5c에 관하여 전술한 바와 같이 열 전도층(20) 내에 형성된 비아들(30)에 결합하는 또 다른 실시 예를 나타낸다. 열 전도층(20) 내의 비아들(30)은, 그럴 필요는 없지만, 기판(12) 내의 비아들(26) 위에 일렬로 위치할 수 있다. 도 6에 도시된 구성의 형성은 도 2c의 구조로 (그러나 더 두꺼운 열 전도층을 가지고) 시작할 수 있고, 처리는 도 5a 내지 5c에 관하여 전술한 바와 같이 계속된다.
도 7은 측면 비아들(32)을 추가로 갖는 도 6의 칩을 나타낸다. 싱귤레이션 후에, 비아들(32)은 포토리소그래피 및 에칭 프로세스에 의해 싱귤레이션된 다이의 측면들 내로 형성된다. 측면 비아들(32)은 추가 열 교환기로 동작한다. 측면 비아들은 패시베이션 층(18)으로 코팅될 수 있고, 및/또는 열 전도층(20) 그리고 선택적으로 열 방사율 강화층(28)으로 코팅되거나 채워질 수 있다. 측면 비아들(32)은 여기에 기술된 어떠한 실시 예들에도 포함될 수 있다.
효과적인 열 방출(예를 들면, 열 전도 및 배출)을 위해서, 전술한 반도체 칩들 중 어느 것이라도 실리콘 기반(silicon-based)의 히트 싱크 상에 마운트하는 것이 (필수적으로 요구되는 것은 아니지만) 바람직하다. 실리콘 히트 싱크들의 다양한 실시 예들이 이하에서 설명되고, 전술한 칩 구성들 중 어떠한 것과도 함께, 또는 효과적인 열 방출을 필요로 하는 다른 반도체 칩 구조와 함께 사용될 수 있다.
도 8a 내지 8e는 실리콘 기판(42)로 시작하는 실리콘 히트 싱크(40)의 형성을 나타낸다. 포토레지스트(44)의 층은 실리콘 기판(42)의 상부 표면 상에 증착된다. 뿐만 아니라 노출된 인접한 더 작은 상부 표면 영역들과 함께, 상부 기판 표면의 가운데 영역을 노출된 채로 남기기 위해서, 도 8a에 나타난 바와 같이, 포토레지스트(44)는 적절한 포토리소그래피 프로세스들을 이용하여 노출되고, 에칭된다.
노출된 실리콘 기판 표면은 기판(42)의 상부 표면 내에 캐비티(46) 및 복수의 깊은 트렌치들, 채널들, 홀들, 또는 다른 캐비티 타입의 공동(void)들(48)을 형성하기 위해서 에칭된다. 에칭 프로세스로 건식 에칭이 바람직하다. 캐비티(46) 및 트렌치들(48)의 깊이, 폭, 형태, 및 위치는 랜덤이거나 의사-랜덤일 수 있다. 트렌치들(48)은 기판(42)의 쿨링 핀(cooling fin)들(50)을 규정한다. 더 나은 공기 흐름을 위해 트렌치들(48)의 벽들은 바람직하게는 폭이 점진적으로 줄어든다. 그 결과 구조는 도 8b에 나타난다.
포토레지스트(44)가 제거된 후에, 열 전도층(52)은 내부에 캐비티(46)와 트렌치들(48)를 포함하는 기판(42)의 상부 표면 상에 증착된다. 선택적으로, 이 층은 기판(42)의 아래 표면 상에도 증착될 수 있다. 열 전도층(52)의 목적은 히트 싱크의 전체에 걸쳐 열 전도성을 강화하는 것으로, 이렇게 해서 열 방출 성능을 향상시킨다. 구리, 은, 그래핀, 탄소 관련 물질들, 또는 다른 잘 알려진 열 전도 물질과 같은 물질이 사용될 수 있다. 물리 기상 증착법(PVD) 또는 선택 물질에 대한 다른 적절한 프로세스에 의해 증착이 수행될 수 있다. 열 전도층(52)이 본딩층으로서의 기능을 겸할 수 없다면, 본딩층이 별개로 적용될 수 있다. 그것의 열 전도 특성을 위해 금속 대 금속 본딩이 바람직하다. 만약에 구리가 사용된다면, 열 압착 본딩 프로세스를 통한 종래의 구리 대 구리 본딩이 사용될 수 있다. 만약에 은 또는 인듐이 사용된다면, 은 인듐 상온 접합(weld) 프로세스가 사용될 수 있다. 그 결과 구조는 도 8c에 나타난다.
반도체 칩(10)에 관하여 전술한 바와 같이 열 방사율 강화층은 본딩 영역을 제외하고 히트 싱크(40) 위의 어느 곳이든 랜덤 또는 의사-랜덤으로 선택적으로 그리고 선별적으로 증착될 수 있다. 열 방사율 강화 물질은 실리콘 기판(42) 위에 또는 열 전도층(52) 위에 직접적으로 증착될 수 있다. 최종 히트 싱크 표면은 열 방사율을 강화시키기 위해서 선택적으로, 선별적으로 화학적으로 폴리싱될 수 있다. 바람직하게는, 복수의 히트 싱크들(40)이 단일 기판(42) 위에 동시에 형성되고, 그리고 나서, 도 8d에 나타난 바와 같이, 개별의 그리고 분리된 히트 싱크들(40)이 되기 위해서 스크라이브 라인들을 따라 기판(42)의 싱귤레이션을 요구한다.
싱귤레이션 이전 또는 이후에, 반도체 디바이스는 캐비티(46) 내에 마운트되고, 여기에서 열은, 기판(42)과 열 전도층(52)을 통해서, 디바이스로부터 전도되고, 쿨링 핀들(50)에 의해 기판(42)으로부터 제거된다. 예를 들면, 도 8e는 히트 싱크(40)의 캐비티(46) 내에 마운트된 도 6의 칩(10)을 나타낸다. 히트 싱크(40)는 실리콘 기판을 포함하는 모놀리식(monolithic) 실리콘 히트 싱크 구조, 실리콘 열 교환기(즉, 기판 내에 형성된 깊은 트렌치들), 반도체 칩을 마운트하는 캐비티 내의 열 전도 본딩 인터페이스, 강화된 열 코팅들, 그리고 히트 싱크 및 거기에 마운트되는 반도체 칩의 스너그(snug) 집적을 특징으로 한다. 이러한 구조는 소형화 크기로 최적의 반도체 칩의 열 방출을 가능하게 한다.
도 9는 도 8d의 히트 싱크(40)의 다른 실시 예를 나타내고, 여기서 추가적인 열 방출을 위해 열 교환 피처들이 기판(42)의 아래 표면 상에 형성된다. 구체적으로, 폭이 점진적으로 좁아지는 비아들(54)이, 도 3의 기판(12)의 아래 표면 내에 형성된 비아들(26) 및 열 전도층(20)에 관하여 전술한 바와 동일한 방식으로, 기판(42)의 아래 표면에 형성되고, 열 전도층(56)으로 코팅된다(즉, 막을 형성한다(lined)).
도 10은 도 9의 히트 싱크(40)의 다른 실시 예를 나타내고, 여기서 추가적인 열 방출을 위해 열 교환 피처들이 기판(42)의 아래 표면 상에 위치하는 열 전도층 내에 형성된다. 구체적으로, 더 두꺼운 열 전도층(56)이 기판(42)의 아래 표면 상에 형성되고, 폭이 점진적으로 좁아지는 비아들(58)이, 도 5c의 기판(12)의 아래 표면 상의 열 전도층(20) 내에 형성된 비아들(30)에 관하여 전술한 바와 동일한 방식으로, 열 전도층(56) 내에 형성된다.
도 11a 내지 11d는 기판(42)의 우묵 패여진(recessed) 위와 아래 표면들을 열적으로 연결하기 위해서 기판(42)을 통해 확장하는 열 비아들을 포함하는 실리콘 히트 싱크(40)의 다른 실시 예의 형성을 나타낸다. 도 8b의 구조로 시작하여, 포토레지스트(44)의 제거 이후에, 비아들(60)이, 기판(12)의 아래 표면 내에 형성된 비아들(26)에 관하여 전술한 바와 동일한 방식으로, 기판(60)의 아래 표면 내에 형성된다. 그 결과 구조가 도 11a에 나타난다.
포토레지스트(62)는 (비아들(60)을 포함하는) 기판(42)의 아래 표면 상에 증착된다. 캐비티(46) 밑에 위치한 그와 같은 비아들(60)의 꼭대기 부분들에 위치하는 포토레지스트의 선택 부분들을 제거하기 위해서 포토레지스트(62)는 포토리소그래피를 통하여 노출되고, 에칭되며, 도 11b에 나타난 바와 같이, 기판(42)의 아래 표면의 선택된 부분들을 노출된 채로 남긴다.
그리고 나서, 기판(42)을 통하여 캐비티(46)로 확장하는 쓰루-홀들(64)을 형성하기 위해서 실리콘 에칭이 기판(42)의 아래 표면 상에 수행된다. 바람직하게는, 실리콘 에칭은 건식 에칭이다. 쓰루 홀들(64)은 수직의 또는 폭이 점진적으로 좁아지는 측벽들을 가질 수 있다. 도 11c는 (포토레지스트(62)가 제거된 후에) 그 결과 구조를 나타낸다. 열 전도층(66)은 전술한 바와 유사한 방식으로 기판(42)의 위와 아래 표면들 모두 위에 형성된다. 열 전도층(66)은 다양한 캐비티들, 트렌치들, 및 비아들에 막을 형성하거나 채운다. 바람직하게는, 열 전도층(66)은, 도 11d에 도시된 바와 같이, 캐비티(46), 트렌치들(48), 및 비아들(60)에 막을 형성하고, 쓰루 홀들(64)을 채운다. 쓰루 홀들(64) 내의 열 전도 물질(66)은, 특히, 열 전도 물질(66)이 실리콘보다 열 전도성이 더 좋으면, 캐비티(46) 내에 마운트된 디바이스로부터, 기판(42)을 통하여, 비아들(60)까지 열을 효과적을 전달한다.
전술한 히트 싱크들의 다른 특징들을 섞은 히트 싱크(40)의 다른 변형들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 12는 도 10에 도시된 기판(42)의 아래 표면 상에 위치한 열 전도층(56) 내에 형성된 비아들(58)을 도 11d에 도시된 열 전도 물질로 채워진 쓰루 홀들(64)과 결합하는 히트 싱크(40)를 나타낸다. 도 13은 기판(42)의 아래 표면 상에도 형성된 열 전도층(52)을 갖는 도 8c의 히트 싱크(40)를 나타낸다. 도 14는 기판(42)의 아래 표면에 형성된 캐비티(46), 트렌치들(48), 및 핀들(50)도 갖는 도 8c의 히트 싱크(40)를 나타낸다. 도 15는 기판(42)을 통하여 확장하고, 열 전도 물질(52)로 채워진 쓰루 홀들(64)을 갖는 도 14의 히트 싱크(40)를 나타낸다. 도 16은 상부 표면의 캐비티(46)에 대향하는 기판(42)의 아래 표면 내에 형성되는 부가적인 트렌치들(48)과 핀들(50)을 갖는 도 14의 히트 싱크(40)를 나타낸다. 도 17은 캐비티(46)에 인접하고 기판(42)을 통하여 확장되고 열 전도 물질(52)로 채워진 쓰루 홀들(64)을 갖는 도 16의 히트 싱크(40)를 나타낸다. 도 18은 기판(42)의 상부 표면 상에 형성된 트렌치들(48)과 핀들(50)이 없는(즉, 기판은 평면의 상부 표면을 가짐) 도 17의 히트 싱크(40)를 나타낸다. 도 19는 쓰루 홀들(64)이 결여된 기판(42) 부분이 없는(즉, 기판(42)의 크기는 그것에 마운트되는 기판(12)의 크기에 매칭될 수 있음) 도 18의 히트 싱크(40)를 나타낸다. 도 20은 트렌치들(48)과 핀들(50)이 기판(42)의 아래 표면의 가운데 부분 위에만 형성된 도 19의 히트 싱크(40)를 나타낸다. 도 21은 기판(42)의 아래 표면의 캐비티들(46)이 기판(42)의 상부 표면의 캐비티(46)와 상충하는 도 15의 히트 싱크(40)를 나타낸다.
실리콘 기반의 칩들(10)과 히트 싱크들(40)은 많은 이점들을 가진다. 히트 싱크를 생성하기 위해서 실리콘을 사용하는 것은 향상된 에칭 프로세스들을 가능하게 하고, 그것은 매우 높은 밀도로 소형화 구조들의 생성을 가능하게 하고, 이로 인해, 물질의 부피당 더 많은 표면 영역을 가능하게 한다. 또한, 히트 싱크 피처들의 소형화는 종래 기술의 디자인들에서 접근할 수 없었던, 또는 사용되지 않은 채로 남겨졌던 공간들의 활용을 가능하게 한다. 예를 들면, 반도체 칩들의 측면들은 통상적으로 빈 공간이거나, 몰딩 물질에 의해 덮인다. 히트 싱크 기판으로 실리콘을 사용하는 것은 히트 싱크의 축소를 칩 레벨까지 가능하게 하고, 매우 높은 효율로 모든 이용 가능한 공간들을 활용하게 한다. 열 방출을 위해서 향상된 실리콘 에칭 기술들을 활용하는 것을 가능하게 하는 실리콘 기판을 사용하는 것은 이전에는 너무 비싸거나 종래의 열 싱크 제조 기술들을 이용해서는 제조가 불가능했던 많은 형태들과 디자인들을 이용 가능하게 하고, 이것은 반도체 히트 싱크들을 위한 향상된 공기 흐름 디자인들을 열어준다.
열 인터페이스 물질(TIM, Thermal Interface Material)은 약 9의 평균의 열 K 값과 최대 80의 열 K 값을 가진다. 그리스(grease)와 테이프(tape) 기반의 TIM은 빠르게 닳을 수 있으며, 본 발명과 비교하여 열 절연체(heat insulator)로 고려될 수 있다. 솔더 기반의 TIM은 본 발명의 성능의 1/4로 수행할 뿐이고, 그것은 훨씬 더 두껍다. 본 발명은 350 이상의 목표 열 K 값들을 갖는 실리콘 히트 싱크(40)와 반도체 칩(10) 사이에서 금속 대 금속 본딩을 제공한다. 실리콘 기반의 반도체 칩들과 함께 실리콘 기반의 히트 싱크들을 사용함으로써, 변화하는 열 팽창의 계수들(CTE, coefficients of thermal expansion)이 더 이상 문제되지 않으며, 이렇게 해서 TIM 없이 히트 싱크에 직접적으로 본딩되는 반도체 칩을 가능하게 하고, 열 방사율을 급격히 증가시킨다.
반도체 칩들은 특정 영역들 또는 지점들에서 종종 과열되고, 그로 인해 전체 칩, 모바일 디바이스, 및 그것의 쿨링 시스템의 연산(computation) 성능에 병목(bottle neck)을 발생시킨다. 본 발명은 반도체 칩 상에서 뜨거운 스팟들로부터 열을 빠르게 가져가 버리는 열 전도 강화층을 포함하고, 그렇게 해서 더 높은 연산 성능과 열 방사율을 가능하게 한다. 열 전도 강화층은 동일한 목적을 위하여 실리콘 히트 싱크에도 적용된다.
일부 물질들은 열 전도에서 매우 훌륭하지만, 그들이 열 방사율(복사열(radiation heat) 전달)에 대해서도 항상 최고는 아니다. 예를 들면, 구리와 은은 가장 좋은 열 전도성과 열 방사율 계수들의 일부를 가진다. 그러나, 이와 같은 금속들은 산화될 것이고, 이것은 방사 성능을 크게 떨어뜨리지만, 그들의 열 전도성은 손상되지 않은 채로 유지된다. 높은 열 방사율 계수를 유지하면서, 산화로부터 열 전도층을 보호하는 것이 바람직하다. 그러므로, 열 전도층을 갖는 전술한 실시 예들 중 어떠한 것이라도 열 전도층(예: 열 전도성을 위한 구리 또는 은) 위에 형성된 열 방사율 강화층(예: 방사율을 위한 니켈 또는 금)을 포함할 수 있다. 아래는 열 방사율 강화층에 이상적인 물질들의 목록이다.
물질 방사율 계수
니켈, 전기 도금됨(electroplated) 0.03
니켈, 폴리싱됨 0.072
니켈, 산화됨 0.59-0.86
구리, 전기 도금됨 0.03
가열되고 두꺼운 산화층으로 덮인 구리 0.78
구리, 폴리싱됨 0.023-0.052
구리 니켈 합금, 폴리싱됨 0.059
은, 폴리싱됨 0.02-0.03
금, 폴리싱 DKS됨 0.47
금, 폴리싱됨 0.025
실리콘 웨이퍼들 (또는 다른 물질들) 상에 패턴들을 생성할 때, 실리콘 기판의 뒤틀림(warpage)이 발생할 수 있고, 그것은 구조 상에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그러므로, 전술한 바와 같이 기판들(12 내지 42) 내에 비아들 또는 트렌치들의 패턴들을 형성할 때, 싱귤레이션 전에 웨이퍼의 뒤틀림을 최소화하는데 이용될 수 있는 몇 가지 기술들이 있다. 웨이퍼 뒤틀림을 최소화하기 위한 첫 번째 기술은 결국에 서로 싱귤레이션되는 칩들과 히트 싱크들 사이의 비아들 또는 트렌치들을 중단하는 것이다. 더욱 구체적으로, 스크라이브 라인들이 위치하는 또는 위치될 웨이퍼의 그러한 영역들에, 도 22에 나타난 바와 같이, 비아들 또는 트렌치들이 없어야 한다. 비아/트렌치 패턴들(70)은 디바이스들(74)(예: 칩들(10), 히트 싱크들(40) 등) 사이의 실리콘 웨이퍼(72)의 부분들 내에 형성되지 않는다.
웨이퍼 뒤틀림을 최소화하기 위한 두 번째 기술은, 도 23에 나타난 바와 같이, 인접한 열의 비아/트렌치 패턴에 대해 직교하도록 비아/트렌치 패턴(70)을 지향시키는 것이다. 구체적으로, 비아/트렌치 패턴(70)은 디바이스들(74)의 첫 번째 열에서는 수평으로 지향하고 있고, 디바이스들(74)의 두 번째 열에서는 수직으로 지향하고 있는 등등이다.
웨이퍼 뒤틀림을 최소화하기 위한 세 번째 기술은, 도 24에 나타난 바와 같이, 각 디바이스(74)에 대한 비아/트렌치 패턴(70)을 모든 이웃하는 디바이스들(740)에 대해 직교하도록 지향시키는 것이다.
본 발명은 전술한, 그리고 여기에 설명한 실시예(들)에 한정되지 않고, 첨부된 청구항들의 범위 내에 있는 어떠한 변형 또는 모든 변형들을 포함함을 이해할 수 있다. 예를 들면, 여기에서 본 발명에 대해 언급한 것들은 어떠한 청구항 또는 청구항 용어의 범위를 제한하도록 의도되지 않지만, 대신에 하나 이상의 청구항들에 의해 포함될 수 있는 하나 이상의 특징들을 단순히 참조할 수 있다. 위에서 언급된 물질들, 프로세스들과 수치 예들은 단지 예시적인 것으로, 청구항들을 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다. 또한, 청구항들과 명세서로부터 명백한 것과 같이, 모든 방법 단계들이 설명된 또는 청구된 정확한 순서로 수행될 필요가 있는 것은 아니고, 오히려, 본 발명의 반도체 칩 및/또는 히트 싱크의 적절한 형성을 허용하는 임의의 순서로 수행될 수 있다. 물질의 단일 층들은 그러한 또는 그와 유사한 물질들의 복수의 층들로, 그리고 반대로도, 형성될 수 있다. 마지막으로, 쿨링 핀들(50)은 일직선으로 서로 평행하게 나타나고 기술되지만, 원하는 열 배출을 이루기 위해서 다른 핀 구성들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 25a는 일직선의 평행한 핀들(25)을 나타낸다. 그러나, 핀들(25)은 (도 25b에 나타난 바와 같이) 불연속적이거나, (도 25c에 나타난 바와 같이) 별 구성(star configuration)과 같은 평행하지 않은 구성을 지향하거나, 또는 (도 25d에 나타난 바와 같이) 둥근 기둥들로 구성될 수 있다.
여기에서 사용된, 용어 “위”는 ”직접적으로 위”(그 사이에 위치한 중개의 물질들, 구성요소들 또는 공간이 없음)와 “간접적으로 위”(그 사이에 위치한 중개의 물질들, 구성요소들 또는 공간이 있음)를 포괄적으로 포함함을 알아야 한다. 이와 유사하게, 용어 ”인접한”은 “직접적으로 인접한”(그 사이에 위치한 중개의 물질들, 구성요소들 또는 공간이 없음)과 “간접적으로 인접한”(그 사이에 위치한 중개의 물질들, 구성요소들 또는 공간이 있음)을 포함하고, “마운트된”은 “직접적으로 마운트된”(그 사이에 위치한 중개의 물질들, 구성요소들 또는 공간이 없음)과 “간접적으로 마운트된”(그 사이에 위치한 중개의 물질들, 구성요소들 또는 공간이 있음)을 포함하고, “전기적으로 연결된”은 “직접적으로 전기적으로 연결된”(구성요소들을 서로 전기적으로 연결하는 그 사이의 중개의 물질들 또는 구성요소들이 없음)과 “간접적으로 전기적으로 연결된”(요소들을 서로 전기적으로 연결하는 그 사이의 중개의 물질들 또는 구성요소들이 있음)을 포함한다. 예를 들면, “기판 위로” 구성요소를 형성하는 것은 그 사이에 하나 이상의 중개의 물질들/요소들을 갖는 기판 위에 간접적으로 구성요소를 형성하는 것뿐 아니라, 그 사이에 중개의 물질들/요소들 없이 기판 위에 직접적으로 구성요소를 형성하는 것을 포함할 수 있다.

Claims (19)

  1. 반대를 향하는(opposing) 제1 표면과 제2 표면을 갖는 제1 실리콘 기판;
    상기 제1 표면에 또는 내에 형성되는 반도체 디바이스;
    상기 반도체 디바이스와 전기적으로 연결되는 상기 제1 표면에 형성되는 복수의 제1 콘택트 패드들;
    상기 제2 표면 상의 열 전도 물질의 층;
    상기 열 전도 물질의 층을 통해 부분적으로 형성되는 복수의 제1 비아들; 및
    상기 제1 실리콘 기판의 상기 제2 표면 내에 형성되는 복수의 제2 비아들을 포함하는 반도체 칩을 포함하고,
    상기 제2 비아들은 상기 열 전도 물질의 층으로 막이 형성되거나 채워지는 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 비아들의 각각은 상기 제2 비아들 중 하나와 나란히 하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에 위치하는 상기 제1 실리콘 기판의 측면에 형성되는 복수의 제2 비아들을 더 포함하는 것을 반도체 칩.
  5. 청구항 1에 있어서,
    반대를 향하는 제1 표면과 제2 표면을 갖는 제2 실리콘 기판;
    제2 비아들 사이에서 상기 제2 실리콘 기판의 제1 핀들을 규정하는 상기 제2 실리콘 기판의 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 중 하나에 형성되는 복수의 상기 제2 비아들; 및
    상기 제2 비아들 내의 열 전도 물질의 층을 포함하고,
    상기 제1 실리콘 기판의 상기 제2 표면은 상기 제2 실리콘 기판의 상기 제1 표면에 마운트되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크를 더 포함하는 반도체 칩.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수의 제2 비아들은 상기 제2 실리콘 기판의 상기 제1 표면 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 실리콘 기판의 상기 제1 표면 내에 형성되는 캐비티를 더 포함하고,
    상기 반도체 칩은 상기 캐비티 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 열 전도 물질의 층은 상기 캐비티로 확장하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
  9. 청구항 6 에 있어서,
    상기 제2 실리콘 기판의 상기 제2 표면 내에 형성되는 복수의 제3 비아들; 및
    상기 제3 비아들 내에 제2 열 전도 물질의 층을 더 포함하는 반도체 칩.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 실리콘 기판의 상기 제2 표면 상의 제2 열 전도 물질의 층; 및
    상기 제2 열 전도 물질의 층을 통해 부분적으로 형성되는 복수의 제3 비아들을 더 포함하는 반도체 칩.
  11. 청구항 9에 있어서,
    각각 상기 제2 실리콘 기판의 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에서 확장하고, 각각 열 전도 물질로 막이 형성되거나 채워지는 복수의 쓰루 홀을 더 포함하는 반도체 칩.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 쓰루 홀들의 각각은 상기 제3 비아들 중 하나와 나란히 하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
  13. 청구항 10에 있어서,
    각각 상기 제2 실리콘 기판의 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이에서 확장하고, 각각 열 전도 물질로 막이 형성되거나 채워지는 복수의 쓰루 홀을 더 포함하는 반도체 칩.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 쓰루 홀들의 각각은 상기 제3 비아들 중 하나와 나란히 하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
  15. 청구항 7에 있어서,
    제3 비아들 사이에서 상기 제2 실리콘 기판의 제2 핀들을 규정하는 상기 제2 실리콘 기판의 상기 제2 표면 내에 형성되는 복수의 제3 비아들을 더 포함하는 반도체 칩.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 실리콘 기판의 상기 제2 표면 내에 형성되는 제2 캐비티를 더 포함하는 반도체 칩.
  17. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 실리콘 기판의 상기 핀들의 각각은 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향으로 연장되고, 상기 핀들의 다른 것들과 평행하게 확장하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
  18. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 실리콘 기판의 상기 핀들의 각각은 제1 표면 및 제2 표면에 평행한 방향으로 연장되고, 상기 제2 실리콘 기판의 중앙 부분으로부터 멀어지도록 확장하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
  19. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 실리콘 기판의 상기 핀들의 각각은 기둥인 것을 특징으로 하는 반도체 칩.
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