JP4823676B2

JP4823676B2 - 半導体デバイス・チップに熱放散物を形成する方法及び熱を放散させるための構造

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Publication number: JP4823676B2
Application number: JP2005364561A
Authority: JP
Inventors: エイチ・バーンハード・ポッジ
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: US7049695B1; JP2006196885A; CN1828876A; TWI366253B; CN100433313C; TW200631136A

Description

本発明は、半導体デバイス製造に関し、具体的には、高性能半導体デバイスにおける熱放散を促進するための方法および構造に関する。更に具体的には、本発明は、熱伝導を改善しながら熱発散チップをデバイス・チップに取り付けることに関する。

半導体デバイスは、絶えず性能の向上が続いており、同時に、動作中に発生する過剰な熱量がますます増えている。個々のデバイスのサイズが縮小し続け、小さくなった面積内に発生する熱が増大するにつれて、熱放散の問題は、デバイス性能に影響を及ぼす極めて重要な要因になっている。

デバイス・チップを効果的に冷却するために、通常、デバイス・チップの背面に熱発散チップを取り付ける。図１は、半導体モジュールの従来の構成を示し、デバイス・チップ１（その前面に近い領域１ａに実際のデバイスが製造されている）が、表を下にして、基板２に電気的に接続されている。多数のＣ４コネクタ３（controlled-collapse chip connectors）が、デバイスと基板との間の相互接続を形成する。デバイス・チップ１の背面１ｂに、熱伝導性材料の層４を適用する。この層は、熱発散チップ５をデバイス・チップに取り付けるように機能する。図１に示すように、熱発散チップ５は通常、デバイス・チップ１よりも大きい。熱発散チップ５の従来の材料はＳｉＣである。

熱発散物（heat spreader）をチップに取り付けるために層４において用いる従来の材料は、熱ペーストである。熱ペースト層は、典型的に５０〜１００μｍの厚さである。熱ペーストの熱伝導は、せいぜい０．０５Ｗ／ｃｍ℃であり、このため、チップから熱発散物への効率的な熱移動を得ることができない。層４に代わる材料として、はんだが用いられている。はんだは、熱ペーストよりも熱伝導が良好であるが（約０．２Ｗ／ｃｍ℃）、その物理的特性は、デバイス処理のこの目的のためには魅力がない。取り付け層４が熱ペーストよりも著しく高い熱伝導を有するような、熱発散チップをデバイス・チップに取り付けるための方法および構造が求められている。更に、かかる取り付け層の製造、ならびに熱発散物およびデバイス・チップの接着を、従来のデバイス製造プロセスに容易に統合することが望ましい。

本発明は、平坦な銅の膜あるいは銅スタッドを含む膜またはその両方を含む取り付け層（複数の層）を用いて、熱発散物をデバイス・チップに取り付けるためのプロセスを提供することによって、上述の必要性に対処する。本発明によれば、これを行うために、チップ１および熱発散物５をＣｕ層によって被覆し、これらの層を接着する。好ましくは、これらのＣｕ層間に、Ｃｕスタッドが形成されたポリイミドの追加層を加える。

本発明の第１の態様によれば、半導体デバイス・チップからの熱を放散させるための方法が提供される。チップの背面上に、第１の金属（典型的にはＣｕ）の第１の層を形成する。熱発散物（典型的にはＳｉまたはＳｉＣ）の前面上に、この金属の第２の層を形成する。第１の層あるいは第２の層またはその両方の上に、異なる金属（典型的にはＳｎ）の第３の層を形成する。次いで、第１の層と第２の層との間に第３の層を配置して、接着プロセスにおいて、第１の層、第２の層、および第３の層を接着し、これによって、第１の金属および第２の金属の合金を含む接着層を形成する。このため、接着層が、少なくとも１．０Ｗ／ｃｍ℃であり最大で４Ｗ／ｃｍ℃である熱伝導を有するチップから熱発散物への熱伝導経路を提供する。合金は、典型的にはＣｕ−Ｓｎ共晶合金であり、約４００℃以下の温度で形成される。

本発明の第２の態様によれば、半導体デバイス・チップからの熱を放散させるための別の方法が提供される。熱発散物（典型的にはＳｉまたはＳｉＣ）の前面上に、誘電材料（例えばポリイミド）の第１の層を形成する。この第１の層を貫通して、複数の開口を形成する。開口に金属（典型的にはＣｕ）を充填し、これによって、第１の層を貫通するように延在する金属スタッドを形成する。デバイス・チップの背面上に、金属の第２の層を形成する。次いで、第１の層および前記第２の層を接着プロセスにおいて接着し、これによって、金属スタッドが第２の層に接触する接着層を形成する。従って、接着層が、チップから熱発散物への熱伝導経路を提供する。熱発散物の前面上に、金属の別の層を形成して、スタッドを金属層間に延在させることができる。あるいは、この方法は、デバイス・チップの背面上に第１の層を形成し、熱発散物の上に第２の層を形成するように実施することも可能である。

スタッドは、デバイス・チップの熱発生特性に一致するように配置することができる。特に、スタッドの構成は、比較的大きい程度で熱が発生するデバイス・チップの領域（チップの過熱点（hot spot））に対応する第１の層において比較的高い面積密度のスタッドまたは大きいスタッドが配置されるようにすることができる。

本発明の第３の態様によれば、半導体デバイス・チップにおいて発生する熱を放散させるための構造が提供される。この構造は、熱発散物と、その前面上に配置された誘電材料の第１の層とを含む。第１の層（典型的にはポリイミド）は、複数の開口が貫通して延在するように形成され、複数の金属スタッドが開口を充填し、第１の層を貫通して延在する。デバイス・チップの背面上に、金属（典型的にはＣｕ）の第２の層が配置されている。金属スタッドが第２の層に接触する接着層において、第１の層および第２の層が接着される。従って、接着層が、チップから熱発散物への熱伝導経路を提供する。

本発明のプロセスが採用する方法は、移動および結合（Ｔ＆Ｊ：transfer-and-join）と呼ばれることがある。これらの実施形態では、これは、後工程（ＢＥＯＬ：back-end-of-the-line）デバイス処理において用いるリソグラフィおよび金属堆積等の標準的な技法を用いて実施することができる。熱発散チップは、好ましくはＳｉ（または適切な特性を有するＳｉＣ）として、熱発散チップとデバイス・チップとの間の熱膨張係数の差を最小限に抑える。デバイス・チップおよび熱発散チップの対向する表面は、別個のプロセスで接着層によって調製する。次いで、接着プロセスにおいて、比較的低い温度（約４００℃まで）でチップを取り付ける。デバイス・チップと熱発散チップとの間に結果として得られた取り付け層は、従来の熱ペースト層よりも薄く、熱伝導が高い。以下で述べるように、接着層は、平坦なＣｕ膜あるいはＣｕスタッドを有するポリイミドまたはその両方とすることができる。

第１の実施形態：Ｃｕ膜の接着
本発明のこの実施形態では、デバイス・チップ１の背面１ｂおよび熱発散チップ５の前面５ａを、各々、銅のブランケット平面膜２１、２２によって被覆する（図２を参照のこと）。熱発散効率は、接着層の厚さに反比例して変化するので、Ｃｕ層２１、２２は、各々、信頼性の高い接着を与える最小限の厚さとしなければならない。この厚さは約１．０μｍであることがわかっている。次いで、対向するＣｕ表面を接触させ、約４００℃未満の温度で接着する。Ｃｕ層２１および２２の一方の上に別の金属層２３を堆積することによって、層２１および２２のＣｕ−Ｃｕ接着を容易にすることができるので、接着プロセスにおいて、Ｃｕ層間に層２３がある。図３において、金属層２３は、デバイス・チップ上の層２１を覆うように堆積されているものとして示している。層２３に好適な金属はＳｎである。Ｃｕ層間に金属層２３を配置することによって、共晶合金（例えばＣｕ−Ｓｎ）の形成が可能となり、これによって、層２１、２３および層２２の接触領域が単一の接着層に有効に変換される。膜接着における合金形成のいくらかの詳細が、本発明と同一譲渡人に譲渡された米国特許第６，１１０，８０６号（Ｐｏｇｇｅ）において考察されている。この特許は引用により本願にも含まれるものとする。この接着層（Ｃｕ／Ｓｎ合金）の熱伝導は、約４Ｗ／ｃｍ℃であり、熱ペーストのものの少なくとも５０倍であると推定される。

デバイス・チップおよび熱発散チップを接着するためにブランケット膜を用いることによって、リソグラフィ・プロセスの必要性を回避する。従って、この方法は、比較的低コストで実施することができる。しかしながら、ブランケット金属膜の接着において、膜を接着させる際に膜間にいくらかの空隙が形成される場合があることは、当業者には認められよう。これによって、金属−金属接着の有効性が低下する。この問題は、パターニングしたＣｕスタッドの接着層を用いることによって回避することができる。これについて以下で詳述する。

第２の実施形態：パターニングした銅スタッド
この実施形態では、熱発散チップ５の前面５ａを覆うように、ポリイミド膜３１を形成する。表面５ａは、最初にブランケットＣｕ層２２によって被覆して、その上にポリイミド層３１を形成する（図４）ことが好ましいが、これは必須ではない。ポリイミド層３１は、標準的なリソグラフィ技法を用いてパターニングし、次いでエッチングして、層３１にバイアを形成し、各バイアの下部において、下にある材料を露出させる（図４におけるＣｕ層２２）。次いで、金属堆積プロセスでバイアを充填して、ポリイミド層を貫通するように延在する銅のスタッド３２を形成する。ポリイミド層３１の厚さは、通常、約５μｍ以下である。熱発散チップ上のスタッドのパターンは、デバイス・チップの領域とほぼ一致する領域を有するアレイにスタッドが並ぶようになっている。

背面１ｂ上にブランケットＣｕ層２１を形成したデバイス・チップを調製する。チップの接着のための用意ができるまで、Ｃｕ層を一時的な絶縁膜３５によって保護する（図５）。図５において、Ｃ４コネクタ３およびアンダーフィル（underfill）３６の形成を含め、Ｃ４プロセスによって基板２にすでに接着されているものとしてデバイス・チップ１を示す。（むろん、基板に接着する前にデバイス・チップおよび熱発散チップを接着することも可能である。これは、接着プロセスの間にＣ４コネクタがつぶれる恐れがある場合に好ましい。）図６は、接着プロセスの結果を示す。熱発散チップ５がデバイス・チップ１に接着されて、完全なモジュール４０を形成している。図６に示すように、ポリイミド層３１の上面は、チップ１上のＣｕ層２１の上面に対向する（保護膜３５は接着プロセスの前に除去されている）。接着プロセスにおいて、ポリイミド層３１がＣｕ層２１に付着し、Ｃｕスタッド３２はＣｕ層２１に接触する。従って、多数のＣｕの熱経路が、デバイス・チップ１から熱発散チップ５へと至る。ポリイミド・バイアにおける金属スタッドの形成およびポリイミドの金属層への接着のいくらかの詳細が、本発明と同一譲渡人に譲渡された米国特許第６，４４４，５６０号（Ｐｏｇｇｅ等）において考察されている。この特許は引用により本願にも含まれるものとする。接着層（この実施形態では層２１、３１、および２２を含む）の全体的な厚さは、通常、６〜８μｍの範囲である。

上に述べた方法は、デバイス・チップおよび熱発散チップを逆にしても実施可能であることは認められよう。すなわち、Ｃｕスタッドを有するポリイミド膜を、代わりに、デバイス・チップの背面上（好ましくはブランケットＣｕ層上）に形成することができ、接着プロセスの前に、熱発散チップを調製し、ブランケットＣｕ層を絶縁体によって被覆する。

Ｃｕスタッド３２のパターンまたはサイズは均一である必要はないが、デバイス・チップ１の熱発生特性に適合させることができることに留意すべきである。例えば、図７に示すように、チップ１のアクティブ・デバイス領域における領域１０には、特に過大な程度で熱を発生するデバイスが実装され、チップ上に過熱点を生じる恐れがある。そのため、過熱点の上のＣｕスタッド５１を、高密度のパターンで配置して（すなわち比較的高い面積密度で配置する）、図７に示すように、過熱点の上の熱発散を増大させることができる。あるいは、図８に示すように、過熱点の上でポリイミド層の開口を大きくして（開口の数も配置も変更せずに）、過熱点からの熱を伝えるスタッド６１が、デバイス・チップの他の部分上のスタッドよりも大きくなっている（すなわち横方向の寸法が大きい）。いずれの手法においても、熱伝導スタッドを用いることによって、デバイス・チップの特定の領域上に熱放散を集中させることが可能となることは認められよう。

第１の実施形態においてと同様に、デバイス・チップ１の背面上のＣｕ層２１へのＣｕスタッド３２の接着は、金属合金を形成することによって向上させることができる。図９は、接着プロセスの前に層２１を覆うように金属層６３（例えばＳｎ）を堆積した接着層の配置を示す。このため、層２１のＣｕおよびスタッド３２および層６３の金属から、合金が形成される。接着層（層２１、６３、３１、および２２を含む）の全体的な厚さは、８μｍ以下である。

本発明（Ｃｕ層およびスタッドを用いてＳｉ熱発散チップをデバイス・チップに接着する）は、従来の手法（熱ペースト層によってＳｉＣ熱発散物をデバイス・チップに接着する）に比べて、熱放散において著しい利点を提供する。Ｃｕの熱伝導は４Ｗ／ｃｍ℃であり、これは熱ペーストのものの約１００倍である。本発明における接着層の厚さは、通常６〜８μｍの範囲である。これは、典型的な熱ペースト層の約１０分の１である。更に、本発明のＳｉ熱放散物は、従来のＳｉＣ熱発散物よりもコストが１０分の１であると推定される。更に、本発明のＳｉ熱発散チップは、デバイス・チップと熱発散物との間の熱膨張係数の差を最小限に抑えることによって、ほとんどの従来のＳｉＣ熱発散物よりも優れた利点を提供することは留意すべきである。

また、本発明の熱発散物／デバイス・チップの接着は、通常用いられる冷却液と適合することは注目すべきである。従って、本発明の熱放散手法は、空冷式および液冷式のチップ／モジュール・システムの双方に適用可能である。

本発明について、具体的な好適実施形態に関連付けて記載してきたが、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、多くの代替、変更、および変形を実施可能であることは、当業者には認められよう。従って、本発明は、本発明の範囲および精神ならびに特許請求の範囲内に該当する全てのかかる代替、変更、および変形を包含することが意図される。

熱ペーストを用いてデバイス・チップに取り付けた熱発散物を含む従来の半導体デバイス・モジュールを概略的に示す。本発明の第１の実施形態に従って、ブランケット金属層の接着によりデバイス・チップに熱発散物を取り付けるためのプロセスを示す。本発明の第１の実施形態に従って、ブランケット金属層の接着によりデバイス・チップに熱発散物を取り付けるためのプロセスを示す。本発明の第２の実施形態に従って、Ｃｕスタッドが形成されたポリイミド膜を有する熱発散物を示す。モジュールにおけるデバイス・チップを示し、このデバイス・チップは、図４の熱発散物に接着するために用意されている。本発明の第２の実施形態に従って、図４の熱発散物および図５のデバイス・チップを接着して半導体モジュールを形成することを示す。本発明に従って、デバイス・チップの局所領域からの熱を放散させるための代替的な構造および方法を示す。本発明に従って、デバイス・チップの局所領域からの熱を放散させるための代替的な構造および方法を示す。本発明に従って、デバイス・チップに図４の熱発散物を取り付けて半導体モジュールを形成するための代替的なプロセスを示す。

符号の説明

１デバイス・チップ
１ｂ背面
３Ｃｕコネクタ
５熱放散チップ
５ａ前面
２１、２２Ｃｕ層
２３金属層
３１ポリイミド層
３２スタッド
３５絶縁膜
３６アンダーフィル
４０モジュール

Claims

半導体デバイス・チップに熱放散物を形成する方法であって、
前記デバイス・チップの背面上に銅の第１の層を形成するステップと、
前記熱発散物の前面上に前記銅の第２の層を形成するステップと、
前記第１の層および前記第２の層の少なくとも一方の上に、すずの第３の層を形成するステップと、
前記第１の層、第２の層、および第３の層を接着プロセスにおいて接着するステップであって、前記第３の層が前記第１の層と前記第２の層との間にあり、これによって、前記第１の金属および前記第２の金属の合金を含む接着層を形成し、前記接着層が、１．０Ｗ／ｃｍ℃から４Ｗ／ｃｍ℃の範囲の熱伝導で、前記デバイス・チップから前記熱発散物への熱伝導経路を提供する、ステップと、
を含む、方法。
前記接着ステップを４００℃以下の温度で行って銅およびすずの共晶合金を形成する、請求項１に記載の方法。
前記熱発散物がシリコンおよび炭化ケイ素（ＳｉＣ）の一方である、請求項１に記載の方法。
半導体デバイス・チップに熱放散物を形成する方法であって、
シリコン若しくは炭化ケイ素の前記熱発散物の前面および前記デバイス・チップの背面の一方の上に、ポリイミドの第１の層を形成するステップと、
前記シリコン若しくは炭化ケイ素の前記熱発散物の前面および前記デバイス・チップの背面の一方に垂直な方向に、前記ポリイミドの第１の層を貫通する複数の開口を形成するステップと、
金属堆積プロセスにより、前記開口に銅を充填し、これによって、前記ポリイミドの第１の層を貫通するように延在する銅のスタッドを形成するステップと、
前記ポリイミドの第１の層が形成されていない、前記熱発散物の前記前面および前記デバイス・チップの前記背面の一方の上に、銅の第２の層を形成するステップと、
前記ポリイミドの第１の層および前記銅のスタッドと前記銅の第２の層とを接着プロセスにおいて接着するステップであって、これによって、前記銅のスタッドが前記銅の第２の層に接触する接着層を形成し、前記接着層が、前記デバイス・チップから前記シリコン若しくは炭化ケイ素の熱発散物への熱伝導経路を提供する、ステップと、
を含む、方法。
前記接着プロセスが４００℃以下の温度で行われる、請求項４に記載の方法。
前記銅のスタッドが、前記デバイス・チップの前記背面の領域に一致する領域を有するアレイに配置される、請求項４に記載の方法。
前記第１の層が前記熱発散物の前記前面上に形成され、前記第２の層が前記デバイス・チップの前記背面上に形成される、請求項４に記載の方法。
前記第１の層が前記デバイス・チップの前記背面上に形成され、前記第２の層が前記熱発散物の前記前面上に形成される、請求項４に記載の方法。
前記熱発散物の前面に前記ポリイミドの第１の層を形成するステップの前に、前記熱発散物の前記前面に銅の第３の層を形成するステップを更に含み、
前記銅のスタッドが前記第２の層および前記第３の層に接触し、前記接着層が、前記第１の層、前記第２の層、および前記第３の層を含む、請求項４に記載の方法。
前記接着層が、４Ｗ／ｃｍ℃の熱伝導を有する前記デバイス・チップから前記熱発散物への熱伝導経路を提供する、請求項９に記載の方法。
前記接着ステップの前に、すずの第４の層を前記銅の第２の層の上に形成するステップを更に含み、これによって、前記接着ステップの間、前記すずの第４の層が前記ポリイミドの第１の層及び前記銅のスタッドと前記銅の第２の層との間にあり、前記接着ステップが、前記ポリイミドの第１の層及び前記銅のスタッドと、前記すずの第４の層と、前記銅の第２の層とを接着して、前記銅及びすずの合金を含む接着層を形成するステップを含む、請求項９に記載の方法。
前記接着ステップが４００℃以下の温度で行われて銅およびすずの共晶合金を形成する、請求項１１に記載の方法。
前記銅のスタッドが前記デバイス・チップの熱発生特性に一致するように配置される、請求項４に記載の方法。
前記銅のスタッドが、過大な熱が発生する前記デバイス・チップの領域に対応する前記第１の層の領域において高い面積密度で配置されている、請求項４に記載の方法。
前記銅のスタッドが、過大な熱が発生する前記デバイス・チップの領域に対応する前記第１の層の領域において大きい横方向の寸法を有する、請求項４に記載の方法。
半導体デバイス・チップにおいて発生する熱を放散させるための構造であって、
シリコン若しくは炭化ケイ素の熱発散物と、
前記シリコン若しくは炭化ケイ素の熱発散物の前面上に配置されたポリイミドの第１の層であって、前記熱発散物の前面に垂直な方向に複数の開口が貫通して延在するように形成されている、前記ポリイミドの第１の層と、
前記開口を充填し、前記ポリイミドの第１の層を貫通して延在する複数の銅のスタッドと、
前記デバイス・チップの背面上に配置された銅の第２の層とを備え、
前記ポリイミドの第１の層および前記銅のスタッドと前記銅の第２の層とが接着されており、前記デバイス・チップから前記シリコン若しくは炭化ケイ素の熱発散物への熱伝導経路を提供する、構造。