WO2015011849A1 - 電子デバイス及びその製造方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an electronic device and a manufacturing method thereof.
  • a heat dissipation technique there is a technique in which a heat spreader in which TIM1 and TIM2 which are high thermal conductive adhesive materials are added on the upper and lower surfaces between a semiconductor element and a heat sink. Further, a heat dissipation technique has been devised in which carbon nanotubes (CNT) are formed between a semiconductor element and a heat sink (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
  • CNT carbon nanotubes
  • any of the above heat dissipation techniques using CNTs has a problem that heat resistance becomes high at the junction between the semiconductor element and the heat sink, and sufficient heat dissipation cannot be performed.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a highly reliable electronic device that realizes efficient heat dissipation with a relatively simple configuration and extremely low thermal resistance, and a method for manufacturing the same.
  • the electronic device of the present invention includes an electronic component having an element layer formed on a surface of a substrate, a heat sink that radiates heat from the electronic component, and a heat spreader provided between the back surface of the electronic component and the heat sink,
  • the heat spreader includes a first heat spreader formed on the back surface of the electronic component and having a first carbon nanotube, and a second heat spreader formed on the heat sink and having a second carbon nanotube.
  • An electronic device manufacturing method of the present invention is an electronic device manufacturing method in which an electronic component having an element layer formed on a surface of a substrate and a heat sink that radiates heat from the electronic component are connected via a heat spreader, Forming a first heat spreader using the first carbon nanotubes on the back surface of the electronic component; forming a second heat spreader using the second carbon nanotubes on the heat sink; and And a step of bonding the second heat spreader to the second heat spreader.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in the order of steps.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 1A, illustrating the method for manufacturing the electronic device according to the present embodiment in the order of steps.
  • FIG. 1C is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in order of processes following FIG. 1B.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in order of processes following FIG. 1C.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in order of processes following FIG. 2A.
  • FIG. 2C is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 2B.
  • FIG. 3A is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 2C.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in order of processes following FIG. 3A.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in order of processes following FIG. 3B.
  • FIG. 4B is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 4A.
  • FIG. 4A is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 4B.
  • FIG. 4D is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the electronic device according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 4C.
  • FIG. 5A is a schematic cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the electronic device according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 4D.
  • FIG. 5B is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 5A, illustrating the method for manufacturing the electronic device according to the present embodiment in the order of steps.
  • a semiconductor device including a MOS structure transistor element as a functional element is disclosed as an electronic device together with a manufacturing method thereof.
  • a semiconductor device having various memory elements, capacitor elements, and the like as functional elements can be applied.
  • 1A to 5B are schematic cross-sectional views showing the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment in the order of steps.
  • each semiconductor chip is formed.
  • a semiconductor substrate for example, a silicon substrate 1 on which an element layer 11 is formed is prepared.
  • the element layer 11 is formed, for example, by forming a MOS transistor element as a functional element and its wiring structure in an insulating film.
  • the surface side of the silicon substrate 1 (the element layer 11 side) is placed and fixed on the support substrate 30.
  • the back surface of the silicon substrate 1 is ground by back grinding to thin the silicon substrate 1 to a predetermined thickness.
  • CNTs 14 are grown on the back surface of the silicon substrate 1. Specifically, first, for example, Ti, TiN, Ta, TaN or the like is deposited to a thickness of about several nm to 20 nm by sputtering or the like. Thereby, the base material 12 which is a barrier metal is formed on the back surface of the silicon substrate 1. Next, the catalyst material is deposited to a thickness of, for example, about several nm by a vacuum evaporation method or the like. As the catalyst material, one or two or more mixed materials selected from Co, Ni, Fe, Ti, V and the like are used. For example, Co / Ti or Co / V is selected. As a result, the catalyst material 13 is formed on the base material 12 on the back surface of the silicon substrate 1.
  • the growth temperature is set to a value within a low temperature range of 400 ° C. to 450 ° C., for example, about 450 ° C. by, for example, thermal CVD, and a carbon nano tube (CNT) growth process is executed.
  • CNT carbon nano tube
  • the CNT 14 is formed so as to stand up from the catalyst material 13 existing on the back surface of the silicon substrate 1.
  • the CNT 14 is formed to have a length of about several ⁇ m to several hundred ⁇ m, for example.
  • CNT is a material having a higher thermal conductivity and better heat dissipation than silicon, which is a substrate material.
  • a metal material 15 for embedding the CNTs 14 is formed.
  • Cu is formed on the back surface of the silicon substrate 1 so as to embed the CNTs 13 by electrolytic plating or the like as the metal material 15 having high thermal conductivity.
  • a composite material of the CNT 14 and the metal material 15 embedding the CNT 14 is formed on the back surface of the silicon substrate 1.
  • the metal material 15 for example, Ag, Au or the like can be used instead of Cu.
  • a metal nanoparticle dispersion liquid etc. can also be used instead of plating.
  • the excess metal material 15 of the composite material is removed. More specifically, the metal material 15 of the composite material is polished and removed by chemical mechanical polishing (CMP), for example, until the tips of the CNTs 14 in the composite material are exposed. Thereby, the 1st heat spreader 2 which consists of a composite material and the front-end
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the silicon substrate 1 is diced and diced along the dicing line 1a for each semiconductor chip.
  • the semiconductor chips 10 are separated from the support substrate 30.
  • the semiconductor chip 10 has an element layer 11 formed on the surface of a silicon substrate 1.
  • a first heat spreader 2 is formed on the back surface of the semiconductor chip 10.
  • a heat sink is formed. As shown in FIG. 4A, a heat sink base 3 is prepared.
  • the base 3 is made of a metal material having high thermal conductivity such as Cu or Al.
  • CNTs 23 are grown on the back surface of the base 3. Specifically, first, for example, Ti, TiN, Ta, TaN or the like is deposited to a thickness of about several nm to 20 nm by sputtering or the like. Thereby, the base material 21 which is a barrier metal is formed on the back surface of the base 3. Next, the catalyst material is deposited to a thickness of, for example, about several nm by a vacuum evaporation method or the like. As the catalyst material, one or two or more mixed materials selected from Co, Ni, Fe, Ti, V and the like are used. For example, Co / Ti or Co / V is selected. As a result, the catalyst material 22 is formed on the base material 21 on the back surface of the base 3.
  • the growth temperature is set to a value within a low temperature range of 400 ° C. to 450 ° C., for example, about 450 ° C. by, for example, thermal CVD, and a carbon nano tube (CNT) growth process is executed.
  • CNT23 is formed so that it may stand up from the catalyst material 22 which exists in the back surface of the base 3.
  • the CNT 23 is formed to have a length of about several ⁇ m to several hundred ⁇ m, for example.
  • CNT is a material having higher thermal conductivity and excellent heat dissipation than Cu, which is a base material.
  • a metal material 24 for embedding the CNTs 23 is formed.
  • Cu is formed on the back surface of the base 3 so as to embed the CNTs 23 by an electrolytic plating method or the like as the metal material 24 with high thermal conductivity.
  • a composite material of the CNT 23 and the metal material 24 for embedding the CNT 23 is formed on the back surface of the base 3.
  • the metal material 24 for example, Ag, Au or the like can be used instead of Cu.
  • a metal nanoparticle dispersion liquid etc. can also be used instead of plating.
  • the excess metal material 24 of the composite material is removed. Specifically, the metal material 24 of the composite material is polished and removed by CMP, for example, until the tip of the CNT 23 in the composite material is exposed. Thereby, the 2nd heat spreader 4 which consists of a composite material and from which the front-end
  • the radiation fins 5 are formed on the surface of the base 3.
  • the radiating fins 5 are preferably formed of the same highly heat conductive metal as the base 3.
  • the heat sink 20 in which the radiation fins 5 are provided on the surface of the base 3 is formed.
  • a second heat spreader 4 is formed on the back surface of the heat sink 20.
  • the surface of the first heat spreader 2 of the semiconductor chip 10 and the surface of the second heat spreader 4 of the heat sink 20 are opposed to each other, and both are brought into direct contact with each other.
  • Each surface of the first and second heat spreaders 2 and 4 is flattened by the CMP method and is in a state of excellent flatness, and both are bonded and fixed by contacting them with a predetermined pressure in a vacuum atmosphere.
  • an indium layer may be formed on the bonding surface, and heat bonding may be performed simultaneously with pressurization.
  • solder balls 6 are disposed on the surface terminals and are electrically connected to a predetermined mounting substrate 40. As described above, the semiconductor device of this embodiment is formed.
  • the first and second heat spreaders 2 and 4 are bonded and fixed with their surfaces facing each other to constitute a heat spreader.
  • a highly reliable semiconductor device that achieves efficient heat dissipation with a relatively simple configuration and extremely low thermal resistance can be obtained.

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Abstract

 基板(1)の表面に素子層(11)が形成された半導体チップ(10)と、半導体チップ(10)の放熱を行うヒートシンク(20)とが、ヒートスプレッダを介して接続される電子デバイスの製造するに際して、半導体チップ(10)の裏面に、第1のカーボンナノチューブ(14)を用いて第1のヒートスプレッダ(2)を形成し、ヒートシンク(20)に、第2のカーボンナノチューブ(23)を用いて第2のヒートスプレッダ(4)を形成し、第1のヒートスプレッダ(2)と第2のヒートスプレッダ(4)とを貼り合わせる。この構成により、比較的簡易な構成で極めて熱抵抗が低く効率の良い放熱を実現する信頼性の高い電子デバイスが実現する。

Description

電子デバイス及びその製造方法
 本発明は、電子デバイス及びその製造方法に関するものである。
 近年、電子デバイス、例えば半導体デバイスにおいて、その放熱技術としては、半導体素子とヒートシンクとの間に、上下面に高熱伝導性接着材料であるTIM1,TIM2を付加したヒートスプレッダを配するもの等がある。また、半導体素子とヒートシンクとの間にカーボンナノチューブ(CNT)を形成した放熱技術も案出されている(例えば、特許文献1~3を参照)。
特開2010-192656号公報 特開2010-192661号公報 特開2010-267706号公報
 しかしながら、上記のCNTを用いた放熱技術では、いずれも半導体素子とヒートシンクとの接合箇所で熱抵抗が高くなり、十分な放熱ができないという問題がある。
 本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構成で極めて熱抵抗が低く効率の良い放熱を実現する信頼性の高い電子デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
 本発明の電子デバイスは、基板の表面に素子層が形成された電子部品と、前記電子部品の放熱を行うヒートシンクと、前記電子部品の裏面と前記ヒートシンクとの間に設けられるヒートスプレッダとを含み、前記ヒートスプレッダは、前記電子部品の裏面に形成され、第1のカーボンナノチューブを有する第1のヒートスプレッダと前記ヒートシンクに形成され、第2のカーボンナノチューブを有する第2のヒートスプレッダとを備える。
 本発明の電子デバイスの製造方法は、基板の表面に素子層が形成された電子部品と前記電子部品の放熱を行うヒートシンクとが、ヒートスプレッダを介して接続される電子デバイスの製造方法であって、前記電子部品の裏面に、第1のカーボンナノチューブを用いて第1のヒートスプレッダを形成する工程と、前記ヒートシンクに、第2のカーボンナノチューブを用いて第2のヒートスプレッダを形成する工程と、前記第1のヒートスプレッダと前記第2のヒートスプレッダとを貼り合わせる工程とを含む。
 本発明によれば、比較的簡易な構成で極めて熱抵抗が低く効率の良い放熱を可能とする信頼性の高い電子デバイスが実現する。
図1Aは、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図1Bは、図1Aに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図1Cは、図1Bに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図2Aは、図1Cに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図2Bは、図2Aに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図2Cは、図2Bに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図3Aは、図2Cに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図3Bは、図3Aに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図4Aは、図3Bに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図4Bは、図4Aに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図4Cは、図4Bに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図4Dは、図4Cに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図5Aは、図4Dに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図5Bは、図5Aに引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
 以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
 本実施形態では、電子デバイスとして、MOS構造のトランジスタ素子を機能素子として備えた半導体デバイスを、その製造方法と共に開示する。なお、半導体デバイスとして、本実施形態のMOSトランジスタ以外でも各種のメモリ素子、キャパシタ素子等を機能素子として有するものが適用できる。
 図1A~図5Bは、本実施形態による半導体デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
 先ず、各半導体チップを形成する。
 図1Aに示すように、表面に素子層11が形成された半導体基板、例えばシリコン基板1を用意する。
 素子層11は、例えば、機能素子としてMOS構造のトランジスタ素子及びその配線構造等が絶縁膜内に形成されてなるものである。
 続いて、図1Bに示すように、シリコン基板1の表面側(素子層11の側)を、支持基板30に載置固定する。
 続いて、図1Cに示すように、シリコン基板1の裏面をバックグラインドで研削し、シリコン基板1を所定厚に薄化する。
 続いて、図2Aに示すように、シリコン基板1の裏面にCNT14を成長する。
 詳細には、先ず、スパッタ法等により、例えば、Ti、TiN、Ta、TaN等を数nm程度~20nm程度の厚みに堆積する。これにより、シリコン基板1の裏面上には、バリアメタルである下地材料12が形成される。
 次に、真空蒸着法等により、触媒材料を例えば、数nm程度の厚みに堆積する。触媒材料としては、Co,Ni,Fe,Ti,V等から選ばれた1種又は2種以上の混合材料を用いる。例えばCo/Ti又はCo/Vが選ばれる。これにより、シリコン基板1の裏面には、下地材料12上に触媒材料13が形成される。
 次に、例えば熱CVD法により、成長温度を400℃~450℃の低温範囲内の値、ここでは450℃程度に設定し、カーボン・ナノ・チューブ(CNT)の成長処理を実行する。これにより、シリコン基板1の裏面に存する触媒材料13から起立するようにCNT14が形成される。CNT14は、例えば、数μm程度~数百μm程度の長さに形成される。CNTは基板材料であるシリコンよりも熱伝導率が高く放熱性に優れた材料である。
 続いて、図2Bに示すように、CNT14を埋め込む金属材料15を形成する。
 詳細には、熱伝導性の高い金属材料15として例えばCuを、電解メッキ法等によりCNT13を埋め込むように、シリコン基板1の裏面に形成する。これにより、シリコン基板1の裏面には、CNT14とCNT14を埋め込む金属材料15との複合材料が形成される。金属材料15としては、Cuの代わりに、例えばAg,Au等を用いることができる。また、メッキの代わりに、金属ナノ粒子分散液等を用いることもできる。
 続いて、図2Cに示すように、複合材料の余分な金属材料15を除去する。
 詳細には、例えば化学機械研磨(CMP)法により、複合材料内のCNT14の先端が露出するまで、複合材料の金属材料15を研磨除去する。これにより、複合材料からなり、平坦な表面からCNT14の先端が露出する、第1のヒートスプレッダ2が形成される。
 続いて、図3Aに示すように、シリコン基板1をダイシング処理して、半導体チップごとにダイシングライン1aに沿ってダイシングする。
 続いて、図3Bに示すように、支持基板30から各半導体チップ10を離間させる。
 半導体チップ10は、シリコン基板1の表面に素子層11が形成されてなる。半導体チップ10の裏面には、第1のヒートスプレッダ2が形成されている。
 次いで、ヒートシンクを形成する。
 図4Aに示すように、ヒートシンクの基台3を用意する。基台3は、例えばCu又はAl等の熱伝導性の高い金属材料からなる。
 続いて、図4Bに示すように、基台3の裏面にCNT23を成長する。
 詳細には、先ず、スパッタ法等により、例えば、Ti、TiN、Ta、TaN等を数nm程度~20nm程度の厚みに堆積する。これにより、基台3の裏面上には、バリアメタルである下地材料21が形成される。
 次に、真空蒸着法等により、触媒材料を例えば、数nm程度の厚みに堆積する。触媒材料としては、Co,Ni,Fe,Ti,V等から選ばれた1種又は2種以上の混合材料を用いる。例えばCo/Ti又はCo/Vが選ばれる。これにより、基台3の裏面には、下地材料21上に触媒材料22が形成される。
 次に、例えば熱CVD法により、成長温度を400℃~450℃の低温範囲内の値、ここでは450℃程度に設定し、カーボン・ナノ・チューブ(CNT)の成長処理を実行する。これにより、基台3の裏面に存する触媒材料22から起立するようにCNT23が形成される。CNT23は、例えば、数μm程度~数百μm程度の長さに形成される。CNTは土台材料であるCu等よりも熱伝導率が高く放熱性に優れた材料である。
 続いて、図4Cに示すように、CNT23を埋め込む金属材料24を形成する。
 詳細には、熱伝導性の高い金属材料24として例えばCuを、電解メッキ法等によりCNT23を埋め込むように、基台3の裏面に形成する。これにより、基台3の裏面には、CNT23とCNT23を埋め込む金属材料24との複合材料が形成される。金属材料24としては、Cuの代わりに、例えばAg,Au等を用いることができる。また、メッキの代わりに、金属ナノ粒子分散液等を用いることもできる。
 続いて、図4Dに示すように、複合材料の余分な金属材料24を除去する。
 詳細には、例えばCMP法により、複合材料内のCNT23の先端が露出するまで、複合材料の金属材料24を研磨除去する。これにより、複合材料からなり、平坦な表面からCNT23の先端が露出する、第2のヒートスプレッダ4が形成される。
 続いて、図5Aに示すように、基台3の表面に放熱フィン5を形成する。放熱フィン5は、基台3と同一の高い熱伝導性の金属で形成することが望ましい。以上により、基台3の表面に放熱フィン5が設けられてなるヒートシンク20が形成される。ヒートシンク20の裏面には、第2のヒートスプレッダ4が形成されている。
 続いて、図5Bに示すように、半導体チップ10の第1のヒートスプレッダ2の表面と、ヒートシンク20の第2のヒートスプレッダ4の表面とを対向させ、両者を直接的に接触させる。第1及び第2のヒートスプレッダ2,4の各表面はCMP法で平坦化されており、平坦性に優れた状態とされており、両者は真空雰囲気にて所定圧で接触させることで接着固定される。このとき接合面にインジウム層を形成し、加圧と同時に加熱接合しても良い。
 半導体チップ10の素子層11には、表面の端子上に例えばハンダボール6が配設され、所定の実装基板40と電気的に接続される。以上により、本実施形態の半導体デバイスが形成される。
 本実施形態の半導体デバイスでは、第1及び第2のヒートスプレッダ2,4が表面を対向させて接着固定され、ヒートスプレッダが構成されている。この場合、第1及び第2のヒートスプレッダ2,4からなるヒートスプレッダ自身、ヒートスプレッダと半導体チップ10との間、ヒートスプレッダとヒートシンク20との間には、熱抵抗の高い介在物はない。このように本実施形態によれば、比較的簡易な構成で極めて熱抵抗が低く効率の良い放熱を実現する信頼性の高い半導体デバイスが得られる。
 本発明によれば、比較的簡易な構成で極めて熱抵抗が低く効率の良い放熱を可能とする信頼性の高い電子デバイスが実現する。

Claims (6)

  1.  基板の表面に素子層が形成された電子部品と、
     前記電子部品の放熱を行うヒートシンクと、
     前記電子部品の裏面と前記ヒートシンクとの間に設けられるヒートスプレッダと
     を含み、
     前記ヒートスプレッダは、
     前記電子部品の裏面に形成され、第1のカーボンナノチューブを有する第1のヒートスプレッダと、
     前記ヒートシンクに形成され、第2のカーボンナノチューブを有する第2のヒートスプレッダと
     を備えることを特徴とする電子デバイス。
  2.  前記第1のヒートスプレッダは、前記第1のカーボンナノチューブと第1の金属との第1の複合材料を有し、
     前記第2のヒートスプレッダは、前記第2のカーボンナノチューブと第2の金属との第2の複合材料を有し、
     前記第1の複合材料及び前記第2の複合材料は、共に平坦面を有しており、前記平坦面同士で貼り合わされることを特徴とする請求項1に記載の電子デバイス。
  3.  前記第1の複合材料及び前記第2の複合材料は、前記平坦面同士で直接的に貼り合わされることを特徴とする請求項2に記載の電子デバイス。
  4.  基板の表面に素子層が形成された電子部品と前記電子部品の放熱を行うヒートシンクとが、ヒートスプレッダを介して接続される電子デバイスの製造方法であって、
     前記電子部品の裏面に、第1のカーボンナノチューブを用いて第1のヒートスプレッダを形成する工程と、
     前記ヒートシンクに、第2のカーボンナノチューブを用いて第2のヒートスプレッダを形成する工程と、
     前記第1のヒートスプレッダと前記第2のヒートスプレッダとを貼り合わせる工程と
     を含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
  5.  前記第1のヒートスプレッダは、前記第1のカーボンナノチューブと第1の金属との第1の複合材料を用いて形成され、
     前記第2のヒートスプレッダは、前記第2のカーボンナノチューブと第2の金属との第2の複合材料を用いて形成され、
     前記第1の複合材料及び前記第2の複合材料は、共に平坦面を有しており、前記平坦面同士で貼り合わされることを特徴とする請求項4に記載の電子デバイスの製造方法。
  6.  前記第1の複合材料及び前記第2の複合材料は、前記平坦面同士で直接的に貼り合わされることを特徴とする請求項5に記載の電子デバイスの製造方法。
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