TW201501174A - 接合片及其製造方法、以及放熱機構及其製造方法 - Google Patents

接合片及其製造方法、以及放熱機構及其製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明可形成自基體豎立且並列之多數CNT，並形成覆蓋CNT上端之片狀支持膜，且以金屬充填相鄰之CNT間而形成CNT-金屬複合結構。依據上述構成，可實現放熱效率極為良好且可靠度高之接合片及其製造方法，以及放熱機構及其製造方法。

Description

接合片及其製造方法、以及放熱機構及其製造方法 技術領域
本發明有關於一種接合片及其製造方法，以及放熱機構及其製造方法。
背景技術
碳奈米管(CNT)作為次世代之LSI之配線及放熱材料已備受期待，尤其為加以應用於放熱片及基板排熱孔，而已檢討藉高溫成長而形成長形之垂直配向CNT之使用。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2010-262928號公報
專利文獻2：日本專利特開2010-173862號公報
專利文獻3：日本專利特開2011-38203號公報
專利文獻4：日本專利特開2013-8940號公報
發明概要
為自LSI之半導體晶片之主要結構體之Si基板傳 熱至作為放熱材料使用之Cu等放熱體，而使用了稱為TIM(Thermal Interface Material)之金屬接合材料作為接合片。接合片之材料則使用In及錫。In及錫之導熱率為50W/(m．K)左右，低於Si之168及Cu之398。因此，放熱時將產生熱阻，而導致放熱效率降低。CNT已有超過1000之導熱率之報告。為加以使用作為放熱材料，雖已有於橡膠或樹脂中混合CNT之方法，但導熱率將較CNT單體更為大幅降低。 且，雖可能直接接合CNT，但CNT之密度小，故作為實際之TIM之導熱率為75程度，與習知材料幾無差別。此時，雖可將導電性之樹脂嵌入CNT間之間隙，但將導致CNT之配向性不佳，或樹脂之導熱率降低而造成作為複合結構體之導熱率較低之問題。
本發明乃有鑑於上述問題而設計，目的在藉較為 簡化之構成而提供放熱效率極為良好且可靠度較高之接合片及其製造方法，以及放熱機構及其製造方法。
本發明之接合片包含片狀支持膜、一端連接且豎立並列於前述支持膜表面上之多數碳奈米管、充填於相鄰之前述碳奈米管間之金屬。
本發明之放熱機構包含放熱體、與接合於前述放熱體表面上的接合片，前述接合片則包含前端連接且豎立並列於前述放熱體表面上之多數碳奈米管、與充填於相鄰之前述碳奈米管間之金屬。
本發明之接合片之製造方法包含以下步驟：形成 自基體豎立且並列之多數碳奈米管之步驟；形成覆蓋前述碳奈米管上端之片狀支持膜之步驟；及以金屬充填相鄰之前述碳奈米管間之步驟。
本發明之接合片之製造方法包含以下步驟：使對 基體表面朝垂直方向豎立且密集地重疊之垂直石墨烯成長，接著使以上端連接前述垂直石墨烯之下端且並列之多數碳奈米管成長之步驟，以及以金屬充填相鄰之前述碳奈米管間之步驟。
本發明之放熱機構之製造方法包含以下步驟：形 成自基體豎立且並列之多數碳奈米管之步驟；於前述碳奈米管前端抵接前述放熱體表面之狀態下，以金屬充填相鄰之前述碳奈米管間之步驟；及將前述碳奈米管及前述金屬進行熱處理之步驟。
依據本發明，可藉較為簡化之構成，而實現放熱效率極為良好之可靠度較高之接合片及放熱機構。
1‧‧‧矽基板
10‧‧‧接合片
11‧‧‧基體
12‧‧‧矽氧化膜
13‧‧‧觸媒
14‧‧‧CNT
15‧‧‧支持膜
16‧‧‧金屬微粒
17‧‧‧充填金屬
20‧‧‧放熱機構
21‧‧‧放熱體
22‧‧‧Au層
23‧‧‧In層
24‧‧‧Au層
25‧‧‧In層
26‧‧‧Au層
27‧‧‧Si基板
28‧‧‧元件層
29‧‧‧放熱用貫通孔
30‧‧‧半導體晶片
31‧‧‧MIS電晶體
32‧‧‧層間絕緣膜
33‧‧‧配線結構
40‧‧‧接合片
41‧‧‧基體
42‧‧‧底層
42a‧‧‧第1層
42b‧‧‧第2層
43‧‧‧橫向石墨烯
44‧‧‧縱向石墨烯
45‧‧‧支持膜
46‧‧‧觸媒
47‧‧‧CNT
48‧‧‧金屬微粒
49‧‧‧充填金屬
50‧‧‧放熱機構
51‧‧‧基體
52‧‧‧矽氧化膜
53‧‧‧觸媒
54‧‧‧CNT
55‧‧‧放熱體
56‧‧‧Au層
57‧‧‧In層
58‧‧‧Au層
59‧‧‧金屬微粒
61‧‧‧充填金屬
62‧‧‧接合片
101‧‧‧基體
102‧‧‧矽氧化膜
103‧‧‧觸媒材料
104‧‧‧CNT
圖1A為依步驟順序說明第1實施形態之接合片之製造方法之概略截面圖。
圖1B接續圖1A，為依步驟順序說明第1實施形態之接合片之製造方法之概略截面圖。
圖1C接續圖1B，為依步驟順序說明第1實施形態之接合片之製造方法之概略截面圖。
圖1D接續圖1C，為依步驟順序說明第1實施形態之接合 片之製造方法之概略截面圖。
圖2A接續圖1D，為依步驟順序說明第1實施形態之接合片之製造方法之概略截面圖。
圖2B接續圖2A，為依步驟順序說明第1實施形態之接合片之製造方法之概略截面圖。
圖2C接續圖2B，為依步驟順序說明第1實施形態之接合片之製造方法之概略截面圖。
圖3A為說明第1實施形態之比較例的接合片製作之問題之概略截面圖。
圖3B為說明第1實施形態之比較例的接合片製作之問題之概略截面圖。
圖4A為依步驟順序說明應用第1實施形態之接合片的半導體裝置之製造方法之概略截面圖。
圖4B為依步驟順序說明應用第1實施形態之接合片的半導體裝置之製造方法之概略截面圖。
圖5為顯示對應圖4B之半導體裝置之概略構成之立體圖。
圖6A為依步驟順序說明第1實施形態之變形例的接合片之製造方法之概略截面圖。
圖6B接續圖6A，為依步驟順序說明第1實施形態之變形例的接合片之製造方法之概略截面圖。
圖6C接續圖6B，為依步驟順序說明第1實施形態之變形例的接合片之製造方法之概略截面圖。
圖6D接續圖6C，為依步驟順序說明第1實施形態之變形 例的接合片之製造方法之概略截面圖。
圖7A接續圖6D，為依步驟順序說明第1實施形態之變形例的接合片之製造方法之概略截面圖。
圖7B接續圖7A，為依步驟順序說明第1實施形態之變形例的接合片之製造方法之概略截面圖。
圖7C接續圖7B，為依步驟順序說明第1實施形態之變形例的接合片之製造方法之概略截面圖。
圖7D接續圖7C，為依步驟順序說明第1實施形態之變形例的接合片之製造方法之概略截面圖。
圖8A為依步驟順序說明應用第1實施形態之變形例之接合片的半導體裝置之製造方法之概略截面圖。
圖8B接續圖8A，為依步驟順序說明應用第1實施形態之變形例之接合片的半導體裝置之製造方法之概略截面圖。
圖9為顯示對應圖8B之半導體裝置之概略構成之立體圖。
圖10A為依步驟順序說明第2實施形態之放熱機構之製造方法之概略截面圖。
圖10B接續圖10A，為依步驟順序說明第2實施形態之放熱機構之製造方法之概略截面圖。
圖10C接續圖10B，為依步驟順序說明第2實施形態之放熱機構之製造方法之概略截面圖。
圖10D接續圖10C，為依步驟順序說明第2實施形態之放熱機構之製造方法之概略截面圖。
圖11A接續圖10D，為依步驟順序說明第2實施形態之放 熱機構之製造方法之概略截面圖。
圖11B接續圖11A，為依步驟順序說明第2實施形態之放熱機構之製造方法之概略截面圖。
圖11C接續圖11B，為依步驟順序說明第2實施形態之放熱機構之製造方法之概略截面圖。
圖12A為依步驟順序說明應用第2實施形態之放熱機構的半導體裝置之製造方法之概略截面圖。
圖12B接續圖12A，為依步驟順序說明應用第2實施形態的放熱機構之半導體裝置之製造方法之概略截面圖。
圖13為顯示對應圖12B之半導體裝置之概略構成之立體圖。
用以實施發明之形態
以下，就應用本發明之接合片及其製造方法，以及放熱機構及其製造方法之較佳各實施形態，參照附圖加以詳細說明。
(第1實施形態)
本實施形態中，將說明接合片及其製造方法，以及應用前述接合片之半導體裝置。
圖1A~圖2C為依步驟順序說明第1實施形態之接合片之製造方法之概略截面圖。
圖4A、圖4B為依步驟順序說明應用第1實施形態之接合片的半導體裝置之製造方法之概略截面圖，圖5為顯示對應圖4B之半導體裝置之概略構成之立體圖。
-接合片及其製造方法-
首先，一併說明本實施形態之接合片之結構及其製造方法。
如圖1A所示，於基體11上形成矽氧化膜12。
準備諸如Si基板作為基體11。亦可使用SiC基板或各種絕緣基板等以取代Si基板。
基體11上則藉CVD法等而形成諸如矽氧化膜12。
接著，如圖1B所示，使碳奈米管(CNT)14成長於矽氧化膜12上。
詳而言之，首先，藉真空蒸鍍法等而於矽氧化膜12上沉積觸媒材料至諸如數nm左右之厚度。觸媒材料則使用自Co、Ni、Fe、Al等中選出之1種或2種以上之材料，或其中1種或2種以上與自Ti、TiN、TiO2、V等中選出之1種或2種以上之混合材料。諸如可選擇Co/Ti或Co/V。藉此，即可於矽氧化膜12上形成觸媒13。
其次，藉諸如熱CVD法，使成長溫度為基板材料及觸媒材料之昇華溫度以下，在此則設為諸如800℃左右，而執行CNT之成長處理。藉此，即可並列形成多條CNT14，並使其自存在矽氧化膜12上之觸媒13豎立。
接著，如圖1C所示，於CNT14上端上形成支持膜15。
詳而言之，乃藉諸如蒸鍍法，而於CNT14上端上沉積Au或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au。藉此，即可形成於CNT14上連接上述CNT14之上端而成之支持膜15。
然後，如圖1D~圖2B所示，形成CNT-金屬複合結 構。
本實施形態中，金屬微粒16使用導熱率較高之導電材料，諸如自Cu、Ag、Au、In、錫等中選出之1種，例如Cu之微粒(10nm直徑左右)。將上述金屬微粒16分散於甲苯或二甲苯等有機溶媒中而製作溶液。可對CNT14滴灑或旋塗該溶液，或藉浸泡而供給該溶液。本實施形態中，則例示諸如進行浸泡之情形。
首先，如圖1D所示，將形成有CNT14及支持膜 15之基體11浸泡於置有上述溶液之溶液槽中(第1次浸泡)。 溶液則藉浸泡而滲入相鄰之CNT14間。自溶液槽取出基體11後，使基體11乾燥。此時，CNT14將因有機溶媒之蒸發而彼此靠近至密著。然而本實施形態中，CNT14之下端連接固定於基體11之矽氧化膜12上，上端則連接固定於支持膜15上，故相鄰之CNT14間分離而不密著。因此，金屬微粒16將移入相鄰之CNT14間，而對多數CNT14整體均一地附著金屬微粒16。
接著，如圖2A所示，將形成有CNT14及支持膜 15之基體11再次浸泡於上述溶液槽中(第2次浸泡)。溶液則藉浸泡而滲入相鄰之CNT14間，並使已因基體11之乾燥而偏斜靠近中央部分之CNT14回復最初之豎立狀態。自溶液槽取出基體11後，則使基體11乾燥。此時，即便有機溶媒蒸發，金屬微粒16亦將以較第1次浸泡更高之密度附著於CNT14間，故可抑制CNT14間之靠近，而將CNT14保持為 大致直立狀態。金屬微粒16將對多數CNT14整體均一地依較第1次浸泡更高之密度而分布。
其次，如圖2B所示，將形成有CNT14及支持膜15 之基體11再度浸泡於上述溶液槽中(第3次浸泡)。溶液則藉浸泡而滲入相鄰之CNT14間。自溶液槽取出基體11後，則使基體11乾燥。此時，金屬微粒16將填滿相鄰之CNT14間之領域而大致無間隙，以金屬微粒16充填CNT14間，而形成Cu之充填金屬17。由上，即可形成以充填金屬17充填CNT14間而成之CNT-金屬複合結構。
另，本實施形態中，雖例示藉3次浸泡而形成 CNT-金屬複合結構，但亦可視溶液之微粒種類及濃度、浸泡條件等之差異，而藉諸如2次之浸泡形成CNT-金屬複合結構，或藉4次以上之預定次數之浸泡而形成CNT-金屬複合結構。
然後，如圖2C所示，去除基體11及觸媒13。 詳而言之，首先，使用緩衝氫氟酸(BHF)等，而使矽氧化膜12與形成有CNT14之觸媒13分離。藉此，而可一併去除矽氧化膜12與基體11。
接著，使用FeCl3水溶液、HCl等藥液而處理觸媒13。藉此而自CNT14去除觸媒13。
由上，而可形成包含於一端面上形成有片狀之支 持膜15之由CNT14與充填金屬17所構成之CNT-金屬複合結構之接合片。接合片則作為對Cu等放熱體接合半導體晶片時之TIM而使用。
本實施形態之接合片中，由CNT14與充填金屬17 所構成之CNT-金屬複合結構具有諸如100W/(m．K)程度之極高導熱率。因此，加以使用作為TIM時，可實現半導體晶片等之良好放熱，而不致降低Cu等放熱體之放熱效率。
在此，將本實施形態之比較例顯示於圖3A、圖 3B。
比較例中，將先進行與本實施形態之圖1A~圖C相同之各步驟。藉此，而於Si基板等基體101上之矽氧化膜102上形成Co等觸媒材料103，並自上述觸媒材料103並列形成多條CNT104。
接著，為與本實施形態之圖2B相同而形成CNT- 金屬複合結構，而將形成有CNT104之基體101浸泡於置有與本實施形態相同之溶液之溶液槽中。自溶液槽取出基體101後，則使基體101乾燥。此時，CNT104上端乃非固定狀態，故CNT14將因有機溶媒之蒸發而彼此靠近至密著成束狀(集束化)。此時，金屬微粒則無法移入CNT14之已集束化部位，而將對多數CNT14僅侷限於下端附近而附著金屬微粒16。此時，即便再次加以浸泡於溶液槽中，亦無法解除集束化之結合，將形成金屬微粒16僅偏向分布於CNT14之下端附近之不均一狀態之CNT-金屬複合結構。
比較例中，於CNT-金屬複合結構中形成金屬(Cu)之偏傾不均一之分布，故整體之導熱率將降低。
相對於此，本實施形態一如上述，在CNT14與充填金屬17所構成之CNT-金屬複合結構中，金屬(Cu)則充填CNT14 而整體均勻分布。藉此，而可實現極高之導熱率。
如以上之說明，依據本實施形態，可實現放熱效 率極為良好之可靠度較高之接合片。
-半導體裝置及其製造方法-
以下，一併說明使用上述接合片之半導體裝置之結構及其製造方法。在此，將本實施形態所製作之接合片設為接合片10。
如圖4A所示，對放熱體21接合接合片10。
準備諸如Cu之散熱體作為放熱體21。放熱體21表面上則藉諸如蒸鍍法而形成Au或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au層22。
於上述Au層22上則載置諸如In層23，並抵接製成如上之接合片10而配置之，以使支持膜15與In層23對向。該狀態下，進行諸如200℃左右之熱處理，而對放熱體21之表面接合接合片10，即構成放熱機構20。
其次，於接合片10上藉諸如蒸鍍法而形成Au或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au層24。該Au層24上則載置諸如In層25。
接著，如圖4B及圖5所示，對接合片10接合半導體晶片30。另，圖5中，為便於參考附圖，而省略支持膜15、Au層22、24、26、In層23、25之圖示。
準備半導體晶片30，半導體晶片30於Si基板27上形成有元件層28。元件層28形成有諸如MIS電晶體31等各種功能元件，其上層則構成於層間絕緣膜32內形成有連接MIS 電晶體31之配線結構33。Si基板27形成有予以貫通之放熱用貫通孔29。
半導體晶片30背面上已藉諸如蒸鍍法而形成Au 或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au層26。半導體晶片30上形成之Au層26並抵接In層25而配置於其上。該狀態下，進行諸如200℃左右之熱處理，即可對接合片10上接合半導體晶片30。由上，即可形成對放熱機構20接合半導體晶片30而成之本實施形態之半導體裝置。
本實施形態之半導體裝置中，放熱用貫通孔29 連接元件層28之配線結構33與接合片10，元件層28之產熱將經放熱用貫通孔29而朝接合片10及放熱體21放熱。本實施形態中，用於接合半導體晶片30與放熱體21之TIM之接合片10具有極高之導熱率。因此，可實現半導體晶片30之良好放熱，而不致降低放熱體21之放熱效率。
如以上之說明，依據本實施形態，可實現設有放 熱效率極為良好之可靠度較高之接合片之放熱性較高之半導體裝置。
(變形例)
以下，說明第1實施形態之變形例。本例中，雖將與第1實施形態同樣地揭示接合片及其製造方法，以及應用前述接合片之半導體裝置，但在接合片之結構上則有所不同。
圖6A~圖7D為依步驟順序說明第1實施形態之變形例的接合片之製造方法之概略截面圖。
圖8A、圖8B為依步驟順序說明應用第1實施形態之變形 例之接合片的半導體裝置之製造方法之概略截面圖，圖9為顯示對應圖8B之半導體裝置之概略結構之立體圖。
首先，如圖6A所示，於基體41上形成底層42。 準備諸如Si基板作為基體41。亦可使用SiC基板或各種絕緣基板等以取代Si基板。
將基體41送入真空處理系統之沉積室。沉積室中，則藉真空蒸鍍法或濺鍍法、原子層沉積法(Atomic Layer Deposition：ALD法)等而於基體41上依序積層第1層42a及第2層42b。
第1層42a乃自鈦(Ti)、鈦氮化物(TiN)、鈦氧化物 (TiO2)、鈮(Nb)、釩(V)中選出之至少1種，而形成膜狀。將諸如Ti沉積至0.5nm~1.5nm左右之厚度，而形成第1層42a。 第1層42a之功能在使第2層2b與基體41密著。
第2層42b乃自鈷(Co)、鎳(Ni)、鐵(Fe)中選出之 至少1種，形成後即為膜狀。將諸如Co沉積至2nm~5nm左右之厚度，即形成第2層42b。第2層42b之功能在作為石墨烯成長之直接觸媒。
接著，連續地形成由橫向石墨烯及縱向石墨烯所 構成之支持膜與CNT之一體結構。
詳而言之，乃朝CVD室送入基體41。並朝CVD室內導入原料氣體。原料氣體則使用乙炔(C2H2)氣體。C2H2氣體之流量設為50sccm左右。成長溫度(CVD法104內之環境溫度)設為400℃~450℃之低溫範圍內之值，在此則為450℃左右，而昇溫至450℃為止。
以第2層42b之Co膜為觸媒，使石墨烯對基體41 之表面朝水平方向(橫向)成長。上述石墨烯則稱為橫向石墨烯43。橫向石墨烯43可積層至1層乃至多層。此時之狀態顯示於圖6B。
橫向石墨烯43之成長持續進行，則第2層42b之 Co膜將逐漸凝聚，而形成微粒狀或島狀之Co。此時，Co為微粒狀或島狀，故石墨烯將對基體41之表面朝垂直方向(縱向)成長。上述石墨烯稱為縱向石墨烯44。縱向石墨烯44之上端連接橫向石墨烯43而與之一體形成，並朝垂直方向豎立而積層為密集地重疊之多數層。此時之狀態顯示於圖6C。
接著，繼續導入原料氣體，並將成長溫度(CVD 法104內之環境溫度)設為250℃~1000℃之高溫範圍內之值，在此則為800℃左右，而自450℃徐緩昇溫至800℃為止。此時，第2層42b之微粒狀或島狀之Co之凝聚將進而發展，而使第2層42b之Co開始微粒化(以微粒化後之Co為觸媒46而加以圖示於圖6D)，並使CNT47對矽基板1之表面朝垂直方向(縱向)成長。CNT47以其上端連接縱向石墨烯44之下端而與之一體形成，並朝垂直方向密集地豎立多條。此時之狀態顯示於圖6D。可藉改變自450℃昇溫至800℃時之昇溫率(溫度梯度)而改變CNT47之粗細。若將溫度梯度設為和緩，則CNT47將形成較大直徑。而，若將溫度梯度設為陡峻，則CNT47將形成較小直徑。
如上所述，可形成橫向石墨烯43與縱向石墨烯44 所構成之支持膜45與CNT47之一體結構。已確認前述一體結構中，可於橫向石墨烯43下以極高密度形成多片縱向石墨烯44，並於縱向石墨烯44下以極高密度形成CNT47。
接著，如圖7A~圖7C所示而形成CNT-金屬複合結 構。
本例中，金屬微粒48使用導熱率較高之導電材料，諸如自Cu、Ag、Au、In、錫等中選出之1種，例如Cu之微粒(10nm直徑左右)。將上述金屬微粒48分散於甲苯或二甲苯等有機溶媒中而製作溶液。可對CNT47滴灑或旋塗上述溶液，或藉浸泡而供給上述溶液。本例中，則例示諸如進行浸泡之情形。
首先，如圖7A所示，將形成有CNT47及支持膜45之基體41浸泡於置有上述溶液之溶液槽中(第1次浸泡)。溶液則藉浸泡而滲入相鄰之CNT47間。自溶液槽取出基體41後，則使基體41乾燥。此時，CNT47則因有機溶媒之蒸發而彼此靠近至密著。然而本實施形態中，CNT47之下端連接固定於基體41之底層42上，上端則連接固定於支持膜45上，故相鄰之CNT47間分離而不密著。因此，金屬微粒48可移入相鄰之CNT47間，並對多數之CNT47整體均一地附著金屬微粒48。
其次，如圖7B所示，將形成有CNT47及支持膜45之基體41再次浸泡於上述溶液槽中(第2次浸泡)。溶液將藉浸泡而滲入相鄰之CNT47間，並使已因基體41之乾燥而偏斜靠近中央部分之CNT47回復最初之豎立狀態。自溶液槽 取出基體41後，則使基體41乾燥。此時，即便有機溶媒蒸發，金屬微粒48亦將以較第1次浸泡更高之密度附著於CNT47間，故可抑制CNT47間之靠近，而將CNT47保持為大致直立狀態。金屬微粒48則對多數CNT47整體均一地依較第1次浸泡更高之密度而分布。
其次，如圖7C所示，將形成有CNT47及支持膜45 之基體41再度浸泡於上述溶液槽中(第3次浸泡)。溶液則藉浸泡而滲入相鄰之CNT47間。自溶液槽取出基體41後，則使基體41乾燥。此時，金屬微粒48將填滿相鄰之CNT47間之領域而大致無間隙，以金屬微粒48充填CNT47間，而形成Cu之充填金屬49。由上，即可形成以充填金屬49充填CNT47間而成之CNT-金屬複合結構。
另，本例中，雖例示藉3次浸泡而形成CNT-金屬 複合結構，但亦可視溶液之微粒種類及濃度、浸泡條件等之差異，而藉諸如2次之浸泡形成CNT-金屬複合結構，或藉4次以上之預定次數之浸泡而形成CNT-金屬複合結構。
然後，如圖7D所示，去除基體41、底層42及觸 媒46。
詳而言之，首先，使用緩衝氫氟酸(BHF)等，而使基體41與底層42分離。藉此，而可去除基體41。
接著，使用FeCl3水溶液、HCl等藥液而處理底層42及觸媒46。藉此而自CNT47去除底層42及觸媒46。
由上，而可形成包含於一端面上形成有片狀之支持膜45之由CNT47與充填金屬49所構成之CNT-金屬複合結 構之接合片。接合片則作為對Cu等放熱體接合半導體晶片時之TIM而使用。
本例之接合片中，橫向石墨烯43及縱向石墨烯44 所構成之支持膜45與CNT47之一體結構以極高密度積層，而使由CNT47與充填金屬49所構成之CNT-金屬複合結構具有諸如100W/(m．K)程度之極高導熱率。因此，加以使用作為TIM時，可實現半導體晶片等之良好放熱，而不致降低Cu等放熱體之放熱效率。
-半導體裝置及其製造方法-
以下，一併說明使用上述之接合片之半導體裝置之結構及其製造方法。在此，本例中製作之接合片稱為接合片40。
如圖8A所示而對放熱體21接合接合片40。
準備諸如Cu之散熱體作為放熱體21。放熱體21之表面則藉諸如蒸鍍法而形成Au或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au層22。
上述Au層22上載置諸如In層23，並抵接製作如上之接合片40而加以配置，以使支持膜45與In層23對向。該狀態下，進行諸如200℃左右之熱處理，即可對放熱體21之表面接合接合片40，而構成放熱機構20。
其次，於接合片40上藉諸如蒸鍍法而形成Au或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au層24。該Au層24上則載置諸如In層25。
接著，如圖8B及圖9所示，對接合片40接合半導體晶片30。另，圖9中，為便於參考附圖，而省略支持膜15、 Au層22、24、26、In層23、25之圖示。
準備半導體晶片30。半導體晶片30於Si基板27上 形成有元件層28。元件層28形成有諸如MIS電晶體31等各種功能元件，其上層則構成於層間絕緣膜32內形成有連接MIS電晶體31之配線結構33。Si基板27形成有予以貫通之放熱用貫通孔29。
半導體晶片30背面上已藉諸如蒸鍍法而形成Au 或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au層26。半導體晶片30上形成之Au層26並抵接In層25而配置於其上。該狀態下，進行諸如200℃左右之熱處理，即可於接合片40上接合半導體晶片30。由上，而可形成對放熱機構20接合半導體晶片30而成之本例之半導體裝置。
本例之半導體裝置中，放熱用貫通孔29連接元件 層28之配線結構33與接合片40，元件層28之產熱可經放熱用貫通孔29而朝接合片40及放熱體21放熱。本例中，用於接合半導體晶片30與放熱體21之TIM之接合片40具有極高之導熱率。因此，可實現半導體晶片30之良好放熱，而不致降低放熱體21之放熱效率。
如以上之說明，依據本實施形態，可實現設有放 熱效率極為良好之可靠度較高之接合片之放熱性較高之半導體裝置。
(第2實施形態)
本實施形態中，將說明放熱機構及其製造方法，以及應用前述放熱機構之半導體裝置。
圖10A~圖11C為依步驟順序說明第2實施形態之放熱機構之製造方法之概略截面圖。
圖12A、圖12B為依步驟順序說明應用第2實施形態之放熱機構之半導體裝置之製造方法之概略截面圖，圖13為對應圖12B之半導體裝置之概略結構之立體圖。
-放熱機構及其製造方法-
首先，一併說明本實施形態之放熱機構之結構及其製造方法。
如圖10A所示而於基體51上形成矽氧化膜52。
準備諸如Si基板作為基體51。亦可使用SiC基板或各種絕緣基板等以取代Si基板。
基體51上則藉CVD法等而形成諸如矽氧化膜52。
接著，如圖10B所示，使CNT54成長於矽氧化膜 52上。
詳而言之，首先，藉真空蒸鍍法等，於矽氧化膜12上將觸媒材料沉積至諸如數nm左右之厚度。觸媒材料則使用自Co、Ni、Fe、Al等中選出之1種或2種以上之材料，或者其中1種或2種以上與Ti、TiN、TiO2、V等中選出之1種或2種以上之混合材料。可諸如選擇Co/Ti或Co/V。藉此，而可於矽氧化膜52上形成觸媒53。
其次，藉諸如熱CVD法而將成長溫度設在基板材 料及觸媒材料之昇華溫度以下，在此則為諸如800℃左右，而執行CNT之成長處理。藉此，而可並列形成多數條CNT54，並使其等自存在矽氧化膜52上之觸媒53豎立。
接著，如圖10C所示，對放熱體55接合CNT54之 前端。
準備諸如Cu之散熱體作為放熱體55。放熱體55之表面則藉諸如蒸鍍法而形成Au或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au層56。
上述Au層56上則經諸如In層57而形成Au層58。其次，抵接CNT54之前端而加以配置，以使其與Au層58對向。該狀態下，進行諸如200℃左右之熱處理，即可對放熱體51之表面接合CNT54之前端。以下，將CNT54之放熱體51側之前端稱為下端，並將基體51側之前端稱為上端。
然後，如圖10D~圖11B所示而形成CNT-金屬複合 結構。
本實施形態中，金屬微粒59使用導熱率較高之導電材料，諸如自Cu、Ag、Au、In、錫等中選出之1種，例如Cu之微粒(10nm直徑左右)。將上述金屬微粒59分散於甲苯或二甲苯等有機溶媒中而製作溶液。可對CNT54滴灑或旋塗上述溶液，或藉浸泡而供給上述溶液。本實施形態中，則例示諸如進行浸泡之情形。
首先，如圖10D所示，將已接合CNT54之放熱體 55浸泡於置有上述溶液之溶液槽中(第1次浸泡)。溶液將藉浸泡而滲入相鄰之CNT54間。自溶液槽取出放熱體55後，則使放熱體55乾燥。此時，CNT54將因有機溶媒之蒸發而彼此靠近至密著。然而本實施形態中，CNT54之下端連接固定於放熱體55之Au層58上，上端連接固定於基體51之矽 氧化膜52上，故相鄰之CNT54間分離而不密著。因此，金屬微粒59可移入相鄰之CNT54間，而對多數CNT54整體均一地附著金屬微粒59。
其次，如圖11A所示，將接合有CNT54之放熱體 55再次浸泡於上述溶液槽中(第2次浸泡)。溶液則藉浸泡而滲入相鄰之CNT54間，並使已因放熱體55之乾燥而偏斜靠近中央部分之CNT54回復最初之豎立狀態。自溶液槽取出放熱體55後，則使放熱體55乾燥。此時，即便有機溶媒蒸發，金屬微粒59亦將以較第1次浸泡更高之密度而附著於CNT54間，故可抑制CNT54間之靠近，而將CNT54保持為大致直立狀態。金屬微粒59對多數CNT54整體則均一地依較第1次浸泡更高之密度而分布。
接著，如圖11B所示，將接合有CNT54之放熱體 55再度浸泡於上述溶液槽中(第3次浸泡)。溶液將藉浸泡而滲入相鄰之CNT54間。自溶液槽取出放熱體55後，則使放熱體55乾燥。此時，金屬微粒59將填滿相鄰之CNT54間之領域而大致無間隙，以金屬微粒59充填CNT54間，而形成Cu之充填金屬61。由上，而可形成以充填金屬61充填CNT54間而成之CNT-金屬複合結構。
另，本實施形態中，雖例示藉3次浸泡而形成 CNT-金屬複合結構，但亦可視溶液之微粒種類及濃度、浸泡條件等之差異，而藉諸如2次之浸泡形成CNT-金屬複合結構，或藉4次以上之預定次數之浸泡而形成CNT-金屬複合結構。
然後，如圖11C所示，去除基體51及觸媒53。 詳而言之，首先，使用緩衝氫氟酸(BHF)等，而使矽氧化膜52與形成有CNT54之觸媒53分離。藉此，而一併去除矽氧化膜52及基體51。
接著，使用FeCl3水溶液、HCl等藥液而處理觸媒53。藉此而自CNT54去除觸媒53。
由上，而可形成設有包含由CNT14與充填金屬17 所構成之CNT-金屬複合結構之接合片62之放熱機構50。放熱機構50中，接合片62則作為接合半導體晶片時之TIM而使用。
本實施形態之放熱機構50中，CNT54與充填金屬 61所構成之CNT-金屬複合結構具有諸如100W/(m．K)程度之極高導熱率。因此，加以使用作為TIM時，可實現半導體晶片等之良好放熱，而不致降低放熱機構50之放熱效率。
-半導體裝置及其製造方法-
以下，一併說明使用上述放熱機構之半導體裝置之結構及其製造方法。
如圖12A所示，於放熱機構50形成Au層22及In層 23。
詳而言之，乃於放熱機構50之接合片62上藉諸如蒸鍍法而形成Au或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au層24。上述Au層24上則載置諸如In層25。
接著，如圖12B及圖13所示，對放熱機構50接合 半導體晶片30。另，圖13中，為便於參考附圖，而省略Au層56、58、24、26、In層57、25之圖示。
準備半導體晶片30。半導體晶片30於Si基板27上 形成有元件層28。元件層28形成有諸如MIS電晶體31等各種功能元件，其上層則構成於層間絕緣膜32內形成有連接MIS電晶體31之配線結構33。Si基板27形成有予以貫通之放熱用貫通孔29。
半導體晶片30背面上已藉諸如蒸鍍法而形成Au 或Au-Sn合金等導電材料，在此則為Au層26。半導體晶片30上形成之Au層26並抵接In層25而配置於其上。該狀態下，進行諸如200℃左右之熱處理，即可於接合片62上接合半導體晶片30。由上，而可形成對放熱機構50接合半導體晶片30而成之本實施形態之半導體裝置。
本實施形態之半導體裝置中，放熱用貫通孔29 連接元件層28之配線結構33與接合片62，元件層28之產熱則經放熱用貫通孔29而朝接合片62及放熱體55放熱。本實施形態中，用於接合半導體晶片30與放熱體55之TIM之接合片62具有極高之導熱率。因此，可實現半導體晶片30之良好放熱，而不致降低放熱體55之放熱效率。
如以上之說明，依據本實施形態，可實現設有放 熱效率極為良好之可靠度較高之放熱機構之放熱性較高之半導體裝置。
產業上之可利用性
依據本發明，可藉較為簡化之結構，而實現放熱 效率極為良好之可靠度較高之接合片及放熱機構。
10‧‧‧接合片
11‧‧‧基體
12‧‧‧矽氧化膜
13‧‧‧觸媒
14‧‧‧CNT
15‧‧‧支持膜
16‧‧‧金屬微粒
17‧‧‧充填金屬

Claims (15)

  1. 一種接合片，其特徵在於包含有：片狀支持膜；多數碳奈米管，係一端連接且豎立並列於前述支持膜之表面上；及充填於相鄰之前述碳奈米管間的金屬。
  2. 如請求項1之接合片，其中前述支持膜係由金屬材料所構成。
  3. 如請求項1之接合片，其中前述支持膜包含垂直石墨烯，該垂直石墨烯係沿前述碳奈米管之長邊方向豎立並密集地重疊。
  4. 如請求項3之接合片，其中前述支持膜包含水平石墨烯，該水平石墨烯係與前述垂直石墨烯上端連接而與前述垂直石墨烯一體形成而成，且對前述基體表面朝水平方向成長。
  5. 一種放熱機構，其特徵在於包含有：放熱體；及接合於前述放熱體表面的接合片；前述接合片包含：多數碳奈米管，係前端連接且豎立並列於前述放熱體之表面上；及充填於相鄰之前述碳奈米管間的金屬。
  6. 如請求項5之放熱機構，其中前述接合片係藉密著層而 與前述放熱體表面接合。
  7. 一種接合片之製造方法，其特徵在於包含以下步驟：形成自基體豎立且並列之多數碳奈米管之步驟；形成覆蓋前述碳奈米管上端之片狀支持膜之步驟；及以金屬充填相鄰之前述碳奈米管間之步驟。
  8. 如請求項7之接合片之製造方法，其中前述支持膜係由金屬材料所構成。
  9. 一種接合片之製造方法，其特徵在於包含以下步驟：使對基體表面朝垂直方向豎立且密集重疊之垂直石墨烯成長，接著使以上端連接前述垂直石墨烯之下端且並列之多數碳奈米管成長之步驟；及以金屬充填相鄰之前述碳奈米管間之步驟。
  10. 如請求項9之接合片之製造方法，其係使水平石墨烯對前述基體表面朝水平方向成長，並使上端與前述水平石墨烯連接而一體形成而成之前述垂直石墨烯朝前述水平石墨烯下成長。
  11. 如請求項7至10中任一項之接合片之製造方法，其係於前述碳奈米管間供給溶媒中分散有前述金屬微粒而成之溶液，以前述微粒充填前述相鄰之前述碳奈米管間。
  12. 如請求項11之接合片之製造方法，其係對前述碳奈米管間進行多次前述溶液之供給。
  13. 一種放熱機構之製造方法，其特徵在於包含以下步驟：形成自基體豎立且並列之多數碳奈米管之步驟； 於使前述碳奈米管前端抵接前述放熱體表面之狀態下，以金屬充填相鄰之前述碳奈米管間之步驟；及將前述碳奈米管及前述金屬進行熱處理之步驟。
  14. 如請求項13之放熱機構之製造方法，其係朝前述碳奈米管間供給溶媒中分散有前述金屬微粒而成之溶液，以前述微粒充填前述相鄰之前述碳奈米管間。
  15. 如請求項14之放熱機構之製造方法，其係對前述碳奈米管間進行多次前述溶液之供給。
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