JP5714026B2 - 半田拡散保護を伴う半導体チップデバイス - Google Patents

半田拡散保護を伴う半導体チップデバイス Download PDF

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    • H01L2224/29138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/29147Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/29164Palladium [Pd] as principal constituent
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    • H01L2224/29163Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29169Platinum [Pt] as principal constituent
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    • H01L23/3157Partial encapsulation or coating
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Description

この発明は概して半導体処理に関し、より特定的には半導体チップパッケージングのための熱インタフェース材質構造及びそれを作製する方法に関する。
現在の多くの集積回路は、共通ウエハ上の多重ダイスとして形成される。ダイス上に回路を形成する基本プロセスステップが完了した後に、個々のダイがウエハから単一化される。単一化されたダイは次いで通常は、回路板等の構造体に実装され、又は何らかの封入形態にパッケージングされる。
よく用いられる1つのパッケージは、その上にダイが実装される基板からなる。基板の上面は電気的な相互接続を含む。ダイは複数のボンドパッドと共に製造される。ダイのボンドパッドと基板相互接続の間には一連の半田接合が設けられて抵抗接触を確立する。ダイが基板に実装された後に、ダイを覆うために蓋が基板に取り付けられる。マイクロプロセッサ等の幾つかの従来の集積回路は、デバイスの停止又は損傷を避けるために取り除かれる必要のある相当量の熱を生成する。蓋は、保護カバー及び熱伝達経路の両方として機能する。
集積回路から蓋への熱伝達経路を提供するために、集積回路の上面上には熱インタフェース材質が置かれる。理想的な状況においては、熱インタフェース材質は、集積回路の上面、及び集積回路を覆う蓋の下面の一部の両方と完全に接触する。従来の熱インタフェース材質は、種々のペーストを含み、場合によってはそれに加えて金属を含む。ジェルタイプの熱インタフェース材質は、アルミニウム等の熱伝導性粒子が分散させられたポリマーマトリクスからなる。最近になって、設計者達は、特に高電力−高温チップに対する熱インタフェース材質として半田材質を用い始めるようになってきた。
インジウムのような半田熱インタフェース材質は、高電力−高温ダイに対して効果的な望ましい熱的特性を有している。しかし、インジウムは、シリコンに対して比較的貧弱な接着を呈する。インジウムとの結合を容易にするために、シリコンダイの背面には金属化積層物が設けられることがあり、金属化積層物は、シリコンと容易に接着する層及びインジウムを容易に濡らす層を含み、場合によっては1つ以上の中間バリア又は他の層を更に含む。ダイスのウエハ全体には、ダイシングに先立ちそれぞれの金属化積層物が一斉に設けられることがある。従来の半田熱インタフェース材質と半導体チップ及びそれを囲む蓋との間での望ましい熱的接触を確立するために、リフロープロセスが行われて適用可能表面を濡らす。
積層されたダイスは、半田熱インタフェース材質の一体化に対して追加的な技術的課題を提示する。積層されたダイス配置は、下層のパッケージ基板と比較して非平坦ではあるが、それでも半田熱インタフェース材質、各チップ及び蓋の間での熱的な接触が多くの場合に望ましい。このことは、積層されたダイスの最上層の外側側壁を、臨界的回路構造内への半田の潜在的な拡散にさらす可能性がある。
本発明は、前述した1つ以上の不利益の影響を克服し又は低減することに向けられている。
本発明の1つの態様に従うと、基板と基板内へ第1の距離だけ延びる第1のアクティブ回路部分とを有する第1の半導体チップを提供することを含む製造の方法が提供される。第1のアクティブ回路部分を包囲するが第1のアクティブ回路部分からは横方向に隔てられ且つ基板内へ第1の距離よりも大きい第2の距離だけ延びるバリアが第1の半導体チップ内に形成される。
本発明の別の態様に従うと、第1の周囲壁を有する第1の半導体チップを第2の周囲壁を有する第2の半導体チップに第1及び第2の半導体チップの間の間隙を介して結合することを含む製造の方法が提供される。第1の半導体チップの少なくとも第1の周囲壁を覆うバリア層が形成される。第1の周囲壁の周囲に半田型熱インタフェース材質が位置させられる。バリア層は、第1の周囲壁内への半田型熱インタフェース材質の拡散を抑制する。
本発明の別の態様に従うと、第1及び第2の主面並びに第1の周囲壁を有する第1の半導体チップを第1及び第2の主面を有する第2の半導体チップに第1及び第2の半導体チップの間の間隙を介して結合することを含む製造の方法が提供される。第1の半導体チップの第2の主面上に第1の半田型熱インタフェース材質部分が位置させられ、第2の熱インタフェース材質部分は、第2の半導体チップの第1の主面上であるが第1の半田型熱インタフェースからは横方向に隔てられて空間を残すように位置させられる。
本発明の別の態様に従うと、基板と基板内へ第1の距離だけ延びる第1のアクティブ回路部分とを有する第1の半導体チップを含む装置が提供される。第1の半導体チップ内にはバリアがあり、バリアは、第1のアクティブ回路部分を包囲するが第1のアクティブ回路部分からは横方向に隔てられ且つ基板内へ第1の距離よりも大きい第2の距離だけ延びる。
本発明の別の態様に従うと、第1及び第2の主面並びに第1の周囲壁を有する第1の半導体チップを含む装置が提供される。第2の半導体チップは、第1及び第2の半導体チップの間の間隙を介して第1の半導体チップの第1の主面に結合される第1の主面と、第2の主面と、第2の周囲壁と、を含む。バリア層は第1の半導体チップの少なくとも第1の周囲壁を覆い、また半田型熱インタフェース材質は第1の周囲壁を包囲する。バリア層は第1の周囲壁内への半田型熱インタフェース材質の拡散を抑制する。
本発明の別の態様に従うと、第1及び第2の主面並びに第1の周囲壁を有する第1の半導体チップを含む装置が提供される。第2の半導体チップは、第1及び第2の半導体チップの間の間隙を介して第1の半導体チップの第1の主面に結合される第1の主面と、第2の主面と、第2の周囲壁と、を含む。第1の半田型熱インタフェース材質部分は第1の半導体チップの第2の主面上に位置させられ、また第2の熱インタフェース材質部分は第2の半導体チップの第1の主面上であるが第1の半田型熱インタフェースからは横方向に隔てられて空間を残すように位置させられる。
本発明の上述の及び他の利点は、後述の詳細な説明を読むことによって、また図面を参照することによって明らかになるはずである。
図1は積層された半導体チップを含む半導体チップデバイスの例示的な実施形態の断面図である。
図2は図1の一部分を拡大して示す図である。
図3は図1に示される方位からひっくり返された半導体チップの1つの部分分解斜視図である。
図4は例示的なバリア溝形成に供されている半導体チップの1つの断面図である。
図5は溝内でのバリア材質の堆積を示す図4同様の断面図である。
図6は例示的なバリア材質の平坦化を示す図5同様の断面図である。
図7は図5同様の断面図であるが、バリア溝の代替的な例示的形成を示している。
図8は例示的なシード層形成に供されている図1に示される他の半導体チップの断面図である。
図9はマスク形成を示す図8同様の断面図である。
図10は図9同様の断面図であるが、半導体チップ上への例示的なダイク(dike)の形成を示している。
図11は積層された半導体チップの断面図である。
図12は半導体チップの積層物上への半田型熱インタフェース材質の配置を示す図11同様の断面図である。
図13は積層された半導体チップを含む半導体チップデバイスの代替的な例示的実施形態の断面図である。
図14はバリア層適用に供されている図13の半導体チップの断面図である。
図15は積層された半導体チップを含む半導体チップデバイスの別の代替的な例示的実施形態の断面図である。
図16は断面16−16でとられた図15の断面図である。
図17は積層された半導体チップを含む半導体チップデバイスの別の代替的な例示的実施形態の断面図である。
図18は断面18−18でとられた図17の断面図である。
図19は図18同様の断面図であるが、ポリマー熱インタフェース材質の適用に先立つ処理の段階を示している。
半導体チップデバイスの種々の実施形態がここに説明される。1つの例は、回路板に実装される2つの積層された半導体チップを含む。熱拡散器又は蓋がチップを覆う。半田型熱インタフェース材質は、蓋と半導体チップの間での熱経路を提供する。上部半導体チップには、敏感な回路構造内への半田型熱インタフェース材質の拡散を抑制するバリアが設けられる。以下、追加的な詳細を説明する。
以下に説明される図面において、同一の要素が2以上の図に現れる場合には、参照番号は概して繰り返される。図面、特に図1を参照すると、回路板25上に実装され且つ熱拡散器又は蓋30によって密閉される積層された半導体チップ15及び20を含む半導体チップデバイス10の例示的な実施形態の断面図が示されている。2つの半導体チップ15及び20が図示されているが、ここに開示される技術は、全てが積層され又はそうではない更に多数の半導体チップに適用され得ることが理解されるべきである。半導体チップ15は、主面32及び33と周囲壁34とを含む。半導体チップ20は同様に、主面35及び36と周囲壁37とを含む。半導体チップ15及び20はそれぞれのアクティブ回路領域38及び40を含み、アクティブ回路領域38及び40は、それぞれチップ15及び20の全体的な厚みと比較して相対的に厚みが小さい。アクティブ回路領域38及び40は、個々のチップ15及び20のための機能を提供する種々の論理及び他の種類の回路の他、複数の相互接続層、例えばメタライゼーション層又は他の種類の相互接続層、及び中間誘電体層を含む。半導体チップ15は、複数の導電性ポスト45を介して半導体チップ20に電気的に接続されてよい。随意的には、他の種類のダイからダイへの相互接続、例えば半田接合、導電性ピラー及び半田、又は他の種類の相互接続が用いられてよい。半導体チップ15及び20の両方に対する電力、接地及び信号の入力/出力を提供するために、導体パッド55で終端する複数のスルビア50が半導体チップ15に設けられていてよい。半導体チップ15は、複数の半田接合60を介して回路板25に実装されてよく、半田接合60は、対応する複数の導体パッド65に金属学的に接合される。半導体チップ15と回路板25の間には、CTE(熱膨張係数)差の影響を低減するために、アンダーフィル材質層70が介在していてよい。
半導体チップ15及び20は、エレクトロニクスにおいて用いられる多数の異なる種類の回路デバイスのいずれであってもよく、例えばマイクロプロセッサ、グラフィクスプロセッサ、組み合わされたマイクロプロセッサ/グラフィクスプロセッサ、特定用途向け集積回路、メモリデバイス等であってよく、また単一コア又は多重コアであってよく、あるいは追加的なダイスと共に積層されていてもよい。半導体チップ15及び20は、シリコン又はゲルマニウム等のバルク半導体、あるいは絶縁体上シリコン材質等の絶縁体上半導体材質から構成されていてよい。
回路板25は、半導体チップパッケージ基板、回路カード、又は実際上いかなる他の種類のプリント回路板であってもよい。回路板25に対してモノリシック構造も用いられ得るが、更なる典型的な構成はビルドアップ設計を利用することになる。この点において、回路板25は、1つ以上のビルドアップ層がその上に形成され且つ追加的な1つ以上のビルドアップ層がその下に形成される中央コアから構成され得る。コアそれ自身は、1つ以上の層の積層物から構成され得る。半導体チップパッケージ基板として実装される場合、回路板25内の層の数は4から16以上に及び得るが、4層未満が用いられてもよい。いわゆる「コアレス」設計が用いられてもよい。回路板25の層は、金属相互接続が組み込まれた絶縁材質、例えば種々の周知のエポキシから構成されてよい。ビルドアップ以外の多重層構造が用いられてもよい。随意的に、回路板25は周知のセラミックス又はパッケージ基板若しくは他のプリント回路板に適する他の材質から構成されていてよい。半導体チップ15,20と別のデバイス例えば別の回路板との間での電力、接地及び信号の移送を提供するために、複数の導体トレース及びビア並びに他の構造(図示せず)が回路板25に設けられる。回路板25は、図示されるボールグリッドアレイ等の入力/出力アレイを介して別のデバイス(図示せず)に電気的に接続されてよい。ボールグリッドアレイは複数の半田ボール75を含み、半田ボール75はそれぞれのボールパッド80に金属学的に結合される。ボールパッド80は、複数の相互接続トレース及びビア並びに図示しない他の構造を介して導体パッド65と相互接続される。随意的には、他の種類の相互接続、例えばピングリッドアレイ、ランドグリッドアレイ又は他の種類の相互接続構造が回路板25に対して用いられてよい。
蓋30は、図示されるようなバスタブ設計、トップハット(top hat)設計、又は必要に応じた何らかの他の構成であってよい。蓋30は、必要に応じて周知のセラミックス又は金属の材質から構成されてよい。幾つかの例示的な材質は、ニッケルメッキされた銅、陽極酸化アルミニウム、アルミニウム・シリコン・炭素、アルミニウム窒化物、ホウ素窒化物、等を含む。蓋30は、周知のチキソトロピック(thixotropic)接着剤、エポキシ、別の種類のポリマー又は半田から構成される接着剤85によって、基板25に固定されてよい。
半導体チップ20と蓋30の下面95との間には、半田型熱インタフェース材質90が置かれる。蓋30並びに半導体チップ15及び20の種々の表面への熱インタフェース材質90の濡れを容易にするために、種々の接着層が形成されてよい。例えば、半導体チップの主面32には接着層105が設けられてよい。接着層105はモノリシックであってよく、あるいは積層物であってよい。同様に蓋30の下面95には接着層110が設けられてよく、また半導体チップ20の主面35には接着層120が設けられてよく、これらは両方ともモノリシックであってよく、あるいは積層物であってよい。接着層105、110及び120の付加的な詳細については後で説明する。半田型熱インタフェース材質90は、熱インタフェース材質に適する種々の半田材質、例えばインジウム、インジウム半田、錫・銀、ビスマス・錫、他の錫半田、ガリウム付加ポリマー等から構成されてよい。
更に図1を参照すると、半導体チップ15及び20の間にはダイク(dike)125が置かれており、ダイク125は、相互接続構造45を囲み、そして電気的な短絡が生じ得るチップ15及び20の間の空間130内への熱インタフェース材質90の浸出を防止するように作用する。ダイク125は、種々の材質、例えば銅、銀、白金、金、アルミニウム、パラジウム、これらの合金、等から構成されてよい。加えて、バリア135が半導体チップ20の周囲内に形成されて半導体チップ20の周囲を囲むように延びており、バリア135は、特にアクティブデバイス領域40の近くでの半田型熱インタフェース材質90の半導体チップ20内への不所望な拡散に対するバリアとして作用する。後で更に詳細に説明されるように、バリア135は、種々の材質、例えば高密度シリコン窒化物、シリコンオキシ窒化物、金属拡散を抑制するイオンが大量に注入されたシリコン等から構成されてよい。
図1の破線楕円140で囲まれた部分が拡大して図2に示されており、これを用いてダイク125及びバリア135の付加的な詳細を説明する。次いで図2を参照する。図2は図1よりも高い倍率であるから、図1では見えていない幾つかの特徴が図2では見えている。例えば、相互接続構造45は、熱結合、半田又は何らかの他の技術によって互いに結合されるそれぞれのポスト145及び150から構成されてよい。ポスト145は半導体チップ20の導体パッド155に接続され、ポスト150は半導体チップ15の導体パッド160に接続される。半導体チップ15及び20のアクティブデバイス領域38及び40の小部分が見えている。上述したように、アクティブデバイス領域40の近くでの半導体チップ20の部分170内への半田型熱インタフェース材質90の部分又は粒子165の拡散を防止することが望ましい。バリア135は、粒子165のそのような拡散を妨げるように設計される。バリアが全ての拡散を妨げる必要はない。そこで、バリア135は、アクティブデバイス領域40の厚みxよりも大きい高さxを有するように有利に設けられる。このことは、アクティブデバイス領域40の厚みが通常は半導体チップ20の全体の厚みのほんの僅かであるという理由で、容易に達成される。熱インタフェース材質粒子165の仮想的な拡散が、破線のL字領域175によって表されている。半導体チップ20の部分180近傍でインジウム粒子165の何らかの拡散があるという事実は、アクティブデバイス領域40により近い領域170が拡散から保護されているので、問題ではない。尚、半導体チップ20は、バリア135及びダイク125が実質的に垂直位置合わせさせられるように、半導体チップ15上に置かれる。この垂直位置合わせは厳密には必要でない。半導体チップ15及び20の間の空間130は、空隙であってよく、あるいは必要に応じて何らかの種類のアンダーフィル材質層で充填されていてよい。
接着層105の小部分が見えている。接着層105は、熱インタフェース材質90のために選択される材質及び半導体チップ15の上面100を濡らすのに適する種々の材質から構成されてよい。例示的な実施形態においては、接着層105は、銅及び金の積層物から構成されてよい。実際上、そして図1を再び一時的に参照すると、半導体チップ20の接着層120は、同じ種類の材質から構成されてよい。例示的な実施形態においては、接着層120は、半導体チップ20上に形成されるアルミニウム被膜、アルミニウム被膜上に形成されるチタン被膜、チタン被膜上に形成されるニッケル・バナジウム被膜、及びニッケル・バナジウム被膜上に形成される金被膜から構成されてよい。アルミニウム被膜はシリコンとの有利な接着性を提供する。チタン被膜は、金及びインジウムが半導体チップ20内へ泳動することを防止すると共にニッケル・バナジウム被膜との接着を容易にするバリア層を提供し、またニッケル・バナジウム被膜は、金との所望の接着及びチタン層内への拡散を抑制するバリアを提供する。金被膜はインジウムに対する所望の濡れ表面を提供する。接着層110は、同じ種類の材質から構成されてよく、あるいは例えば金又は金合金のみから構成されてよい。
ダイク125、バリア135及び半導体チップ20の追加的な詳細は、次いで図3を参照することによって理解されるであろうし、ここで図3は、半導体チップ20から取り外されたダイク125及びバリア135を示す部分分解斜視図である。尚、半導体チップ20は、図1に示される方位からひっくり返されて図示されている。従って、相互接続構造45、及びアクティブデバイス領域40の一部分が見えている。この例示的な実施形態においては、バリア135は、例えば高密度シリコン窒化物からなるフレーム状構造で構成されてよい。バリア135は、アクティブデバイス領域40の外側で半導体チップ20の面190内に形成されるフレーム状溝185内に形成される。ダイク125は、概してバリア135のフットプリント(footprint)に追従するフットプリントを有していてよく、またダイク125及びバリア135の両方は、概して半導体チップ20のフットプリント、例えば正方形、長方形、等に追従するフットプリントを有するであろう。溝185の形成に関する追加的な詳細は、後続の図面と共に説明されることになる。
次に図4を参照すると、この図は図1に示される方位からひっくり返された半導体チップ20の断面図であり、材質除去のための種々の技術によって溝185が半導体チップ20内に形成されてよい。例示的な実施形態においては、エッチングマスク195が半導体チップ20の表面190に適用されてよく、エッチングマスク195は、溝185のための所望のフットプリントを有するように位置させられると共に形成される開口200を有するようにパターニングされてよい。マスク195は下層のアクティブデバイス領域40を保護する。この段階では、半導体チップ20には既に接着層120が設けられている。バリア135を確立するためのプロセスステップは、必要に応じてウエハレベル又はダイレベルの段階で半導体チップ上で行われてよいことが理解されるべきである。マスク195内での開口200のリソグラフィパターニングに次いで、半導体チップ20内に溝185を確立するために、深い溝エッチングが行われてよい。溝185は、上述したようにアクティブデバイス領域40の深さxよりも有利に大きいxの深さまで有利にエッチングされる。深い溝エッチングは、比較的異方性のエッチングプロファイルをもたらすように選択されるパラメータを伴うプラズマエッチングによって行われてよい。例示的なエッチング薬品は、CF、SF、NF、H/Cl/SiCl等を含む。随意的には、溝185を形成するために、保護マスクを伴う又は伴わないレーザ切除が用いられてよい。
次に図5を参照すると、図4に示されるマスク195は剥離され、アクティブデバイス領域40を覆って別のリソグラフィマスク205が形成され、そして溝185内に高密度シリコン窒化物210を確立するために堆積プロセスが行われる。高密度シリコン窒化物210は、プラズマ強化を伴う若しくは伴わない化学的気相堆積、又は他の堆積技術によって堆積させられてよい。言うまでもなく、いくらかのシリコン窒化物210はマスク205をオーバーコートしてしまうことになる。堆積に次いで、高密度シリコン窒化物210の過剰部分を除去するためにエッチングプロセスが行われてよく、そして図6に示されるように、完成したバリア135を残すようにマスク205が剥離されてよい。過剰なシリコン窒化物210は、CF、SF又はNF等の薬品を用いてドライエッチングによって除去されてよい。例えば加熱リン酸浸漬を伴うウエットエッチングが用いられてもよい。そのようなウエットエッチングによっても、過剰なシリコン窒化物210を除去することができる。マスク205は、灰化、溶媒剥離又は他のマスク除去技術によって除去されてよい。この段階では、半導体チップ20、特にそのアクティブデバイス領域40には、導電性ピラー145が設けられていてよく、そして半導体チップ20は、図1及び2に示される半導体チップ15にフリップチップ実装されてよい。
ここでのどこか他の箇所で述べられるように、バリア135は、高密度シリコン窒化物等の特定の材質の堆積以外によって形成されてもよい。例えば図7に示されるように、イオン注入によってバリアが形成されてもよい。図7は図4と同様に上述したようなパターニングされた開口200を有するリソグラフィマスク195が取り付けられた半導体チップ15の断面図を示している。ここでは、エッチング及びそれに続く材質堆積プロセスに代えて、バリア135’を確立するためにイオン215が注入されてよい。注入のために選択されるイオン種215の種類は、多岐にわたる。例示的な実施形態においては、イオン215は、例えばタンタル又はチタンであってよい。そのような種は、運動エネルギー移行を通して、半導体チップの注入された部分の格子構造を分断させる。分断された領域は、アクティブデバイス領域40近傍での半田型熱インタフェース材質90のチップ20の部分内への拡散に対して更なる抵抗力を示すようになる。タンタル及びチタン等の種は、コスト効率的であり、また半導体製造において十分に理解されている。適切なエネルギー範囲は約300keV〜約1.0MeVである。注入に次いで、マスク195は灰化、溶媒剥離、等によって除去されてよい。
次いで、図1及び2に示されるダイク125のための例示的な製造プロセスを説明する。これに関して図8を参照すると、この図は図1及び2におけるのと同じ方位で示される半導体チップ15の断面図である。半導体チップ15は、半導体チップ15への半導体チップ20の適用及びチップ15を図1に示されるように回路板25にリンクするために用いられる半田接合60の適用に先立つ処理の段階で図示されている。この段階では、半導体チップ15のアクティブデバイス領域38には、導体スタッド(studs)150の他、スルーシリコンビア50及び導体パッド55が既に設けられている。相互接続スタッド150とアクティブデバイス領域38の全体とを覆うように、フォトリソグラフィマスク220が形成される。次いで、極めて薄い銅のシード層(seed layer)225が半導体チップ15の主面32に適用される。銅以外の材質が用いられてもよい。シード層225は、メッキ、スパッタリング等によって適用されてよい。シード層225の目的は、図1及び2に示されるダイク125の後続のメッキを容易にすることである。
次いで、図9に示されるように、第2のフォトリソグラフィマスク230がシード層225上に形成されるが、マスク230は、後で形成されるダイクの所望のフットプリントを有する溝235を残すように、シード層225とは同延ではない。溝235は、周知のリソグラフィプロセスによってマスク230内にパターニングされてよい。マスク230のリソグラフィ処理の間、マスク220はそのままである。
次いで、図10に示されるように、フォトリソグラフィマスク230とフォトリソグラフィマスク220の間の溝235内にダイク125を確立するために、メッキプロセスが用いられてよい。シード層225は、ダイク125のメッキを促進するために必須な電気経路を確立するために用いられる。例示的な実施形態においては、ダイク125は銅から構成されてよい。しかし、銅、金、白金、パラジウム、アルミニウム等の合金等の他の導体材質が用いられてもよい。実際上は、ダイク125を確立するために、メッキ以外の技術、例えば物理的気相堆積又は他の技術が用いられてよい。ダイク125は、アクティブデバイス領域35から横方向に隔てられ且つチップ15の上方に位置するであろう構造を構成するので、ダイク125は、後で半導体チップ15上に着座させられ且つ例えば接着剤、半田又は何らかの他の材質接合技術によって半導体チップ15に固定される別個の部品として製造されてもよい。ダイク125の形成に次いで、リソグラフィマスク220及び235は、灰化、溶媒剥離、等によって剥離されてよい。
次に図11を参照すると、半導体チップ20が半導体チップ15に実装されてよく、そしてそれぞれの導体スタッド145及び150が接合されて複数の相互接続構造45を確立してよい。後で用いられることになる半田熱インタフェース材質としてインジウムが選択される場合には、接着層105は、インジウムを濡らす金等の被膜を堆積させて完成されてよい。ここで、金被膜240は、例えばフラッシュメッキプロセス(flash plating process)又は金皮膜を堆積させるのに適する他のプロセスによって、先に形成された銅のシード層225に適用されてよい。導体パッド55上への金の堆積を避けるために、保護リソグラフィマスク245が半導体チップ15の反対面250に適用されてよい。ダイク125は金被膜240のメッキを制約する。必要に応じて、金被膜240を確立するためのメッキプロセスは、半導体チップ20上に接着層120の最上部分を確立するために用いられてよい。ここでのどこか他の箇所で述べられているように、半導体チップ20内のバリア135は、ダイク125に対して垂直に位置合わせされていてよい。金被膜240の堆積に次いで、マスク245が灰化、溶媒剥離、等を用いて剥離されてよい。
次いで図12を参照する。熱インタフェース材質90は、種々の方法において半導体チップ15及び20の組み合わせに適用されてよい。例えば熱インタフェース材質90は、プリフォーム(preform)として半導体チップ20の接着層120上の着座させられてよい。その後、図1に示される蓋30が熱インタフェース材質90上に着座させられてよく、そして熱インタフェース材質90の一部が液化して次いで接着層105をも濡らすことを可能にするリフロープロセスが確立されてよい。必要に応じて、半田熱インタフェース材質90は、半導体チップ20上でのその配置に先立ち、接着層105への更に均一な濡れを容易にするために、バスタブ形状で設けられてよい。別の選択肢においては、半田熱インタフェース材質のプリフォーム90は、先ず蓋30に取り付けられてよく、その後に蓋30が回路板25上に着座させられてよい。この選択肢においては、図1に示されるように、半導体チップ15及び20が回路板25に実装され、半田接合60を確立するために必要に応じて任意の半田リフローが行われた後に、熱インタフェース材質90及び蓋30が回路板25上に着座させられてよい。
次に、断面図である図13を参照することによって、代替的な例示的実施形態の半導体チップデバイス260が理解されるであろう。半導体チップデバイス260は、図1及び2に示される半導体チップデバイス10の例示的な実施形態と幾つかの属性を共有してよい。この点において、半導体チップ15及び20は、ここでのどこか他の箇所で説明されているように、回路板25に積層されて実装されてよい。蓋30は回路板25に固定されてよく、また熱伝導を容易にするために半田熱インタフェース材質90が用いられてよい。しかし、アクティブデバイス領域40近傍のチップ20の部分内への熱インタフェース材質90の拡散を抑制するために図1及び2に示されるバリア135を利用する代わりに、バリア材質265のブランケット被覆(blanket coating)が半導体チップ15及び半導体チップ20を覆うように適用されてよい。層265は、半田型熱インタフェース材質90を濡らす単一又は複数の材質から有利に構成される。例示的な実施形態においては、層265は金から構成されてよい。必要に応じて層265の接着を容易にするために、シード層270がチップ15の上面100及び側面275に適用されてよく、また同様のシード層280が半導体チップ20の主面35及び周囲壁37に適用されてよい。所望に応じて、シード層280は、チップ20の主面35に通常であれば適用されるであろう背面メタライゼーション積層物(backside metallization stack)の種々の層から構成されてよい。ここでのどこか他の箇所で説明されているように、半導体チップ15上にはダイク125が形成されてよく、そしてダイク125は、接着層265がチップ20及び15の間の空間130に侵入するのを防止するために用いられてよい。
図14と共に接着層265の形成を説明する。上述したように、半導体チップ15及び20への接着層265の濡れを容易にするために、図8に示されるシード層225の製造と共に上述したのと同じ本質的プロセスを用いて製造されてよいシード層270が、半導体チップ15に設けられてよい。しかし、シード層270は、側面275で下方向に延びるように製造されるであろう。また、接着層280は、チップ20上の背面メタライゼーション積層物と共に形成されてよく、あるいは所望に応じて別個のプロセスとして形成されてよい。マテリアルポイント(material point)は、接着層280がチップ20の周囲壁37で下方向に延びるところである。接着層270及び280が所定位置に設けられたならば、図1及び2に示される実施形態と共に上述した技術を用いてチップ20がチップ15に実装されてよい。次いで、適切な保護マスク290がチップ15の表面250に適用されてよく、また接着層265ブランケットがチップ15及び20の非マスク部分を覆うように適用されてよい。接着層265は、後で適用されることになる熱インタフェース材質を濡らすのに適する材質から構成されてよい。例示的な実施形態においては、接着層265は金から構成されてよく、そして周知のメッキプロセスによって適用されてよい。接着層265の適用に次いで、マスク290は灰化、溶媒剥離、等によって剥離されてよい。接着層265が所定の位置に設けられたならば、チップ15及び20の積層物は図13に示される回路板25に実装されてよく、また蓋30及び半田熱インタフェース材質90が、ここでのどこか他の箇所に説明されているように固定されてよい。接着層265と必要に応じて設けられるシード層280との組み合わせは、図13に示されるようなアクティブデバイス領域40近傍の半導体チップ20の部分内への半田熱インタフェース材質90の拡散に対するバリアを提供する。
次に、断面図である図15を参照することによって、代替的な例示的実施形態の半導体チップデバイス300が理解されるであろう。半導体チップデバイス300は、積層された配置で回路板25上に実装される前述した半導体チップ15及び20を含んでいてよく、半導体チップ15及び20は、幾つかの明らかな例外を伴って、ここでのどこか他の箇所に説明されているように蓋30によって覆われている。この例示的な実施形態においては、半導体チップ15及び20と蓋30との間での熱的な経路は、2つの熱インタフェース材質部分305及び310によって提供される。熱インタフェース材質部分305は半導体チップ15と蓋30の間での熱的な経路を提供し、また熱インタフェース材質部分310は半導体チップ20と蓋30の間での熱的な経路を提供する。部分305及び310の間には間隙が意図的に設けられており、アクティブデバイス領域40近傍のチップ20の部分内への任意の熱インタフェース材質の拡散の可能性を回避している。熱インタフェース材質部分305は、対応して熱インタフェース材質部分310よりも厚く、そしてチップ15の主面32上に形成される周囲接着層315と蓋30の下面95上に形成される周囲接着層320とを濡らさせられている。熱インタフェース材質部分310は、チップ20の接着層120と蓋30の下面95上の中央接着層325とを濡らさせられている。熱インタフェース材質部分305及び310は、蓋30を回路板25上に着座させるのに先立ちプリフォームとして蓋30に固定されてよく、あるいは最初にプリフォームとしてそれぞれチップ15及び20に固定されてよい。熱インタフェース材質部分305及び310を種々の接着層320及び325に金属学的に結合するためのリフロープロセスの間に熱インタフェース材質部分305がチップ15及び20の間の空間130に確実に侵入しないようにするために、何らかの配慮がなされる必要があるかもしれない。
次に断面16−16でとられた図15の断面図である図16を参照することによって、周囲接着層部分320及び中央接着層部分325の追加的な詳細が理解されるであろう。周囲部分320及び中央部分325は、間隙327によって隔てられている。ここに開示される他の接着層と同様に、接着層320及び325は、上方及び下方に位置させられるいかなる被膜をも濡らす単一又は複数の材質から構成されてよい。例示的な実施形態においては、接着層320及び325は金から構成されてよい。周囲部分320と蓋側壁335の間の間隙330は随意的である。
次に、断面図である図17を参照することによって、代替的な例示的実施形態の半導体チップデバイス340が理解されるであろう。この例示的な実施形態の半導体チップデバイス340は、図15及び16に示され且つここでのどこか他の箇所で説明されている半導体チップデバイス300の例示的な実施形態と幾つかの属性を共有してよい。この点において、デバイス340は、蓋30で密閉されて積層された配置で回路板25上に実装される半導体チップ15及び20を含んでいてよく、半導体チップ15及び20には、熱インタフェース材質部分305及び310による熱的な経路が設けられていてよい。しかし、この例示的な実施形態においては、ポリマー熱インタフェース材質345が蓋30内部の種々のキャビティ内に注入されることを可能にするために、蓋30及び熱インタフェース材質部分305が修正されていてよい。図17はポリマー熱インタフェース材質345の注入後の半導体チップデバイス340を示しているので、熱インタフェース材質部分305は見えなくなっており、従って仮想線で示されている。ポリマー熱インタフェース材質345の注入を容易にするために、蓋30には流入開口350及び流出開口355が設けられていてよい。流出開口355は、注入プロセスの間に空気が逃げることを可能にするように設計される。ポリマー材質345が半導体チップ20を包囲し従って半導体チップ15の主面32の一部に接触することを可能にするために、熱インタフェース材質部分305は、半導体チップ20と熱インタフェース材質部分305の間の間隙357内へのポリマー熱インタフェース材質345の移動を容易にするための何らかの種類の開口を有している必要がある。
次に断面18−18でとられた図17の断面図である図18を参照することによって、熱インタフェース材質部分305の追加的な詳細が理解されるであろう。尚、断面18−18は、流入開口350、熱インタフェース材質部分305、半導体チップ20、注入された熱インタフェース材質345、蓋30及び間隙357を通過している。また、熱インタフェース材質部分305には開口360及び365が形成されており、熱インタフェース材質部分305と蓋壁の間の空間内へだけでなく、半導体チップ20と熱インタフェース材質部分305の間の間隙357内への熱インタフェース材質345の注入をも容易にしている。熱インタフェース材質345は、熱インタフェース材質に適する種々のポリマー材質、例えば亜鉛酸化物配合のシリコーンゴムから構成されてよい。随意的には、シリコーンゴム以外の柔軟ベース材質(compliant base material)及び熱伝導性であるが電気伝導性ではない粒子が用いられてもよい。
図18と同じ断面であるがポリマー熱インタフェース材質345の注入のない断面を概観することは有用であろう。この点に関して次に図19を参照すると、この図は熱インタフェース材質部分305内の開口360及び365を示している。接着層320、325及び315は、熱インタフェース材質部分と同じフットプリントで形成されるべきであり且つこれに伴い開口360及び365が確立されるように不連続であるべきであることが理解されるはずである。
本発明は種々の修正及び代替的な形態を許容し得る一方で、特定の実施形態が例示を目的として図面に示されまたここに詳細に説明されてきた。しかし、本発明は開示されている特定の形態に限定されることを意図していないことが理解されるべきである。むしろ、本発明は、以下に添付される特許請求の範囲によって画定される本発明の精神及び範囲内に含まれる全ての修正、均等なもの及び代替案に及ぶものである。

Claims (20)

  1. 第1の主面(35)及び反対側の第2の主面(36)を有する基板と、前記基板内へ第1の距離だけ延びる第1のアクティブ回路部分(40)と、を含む第1の半導体チップ(20)を提供することと、
    前記第1のアクティブ回路部分(40)を包囲するが前記第1のアクティブ回路部分(40)からは横方向に隔てられ且つ前記基板内へ前記第1の距離よりも大きい第2の距離だけ延びるバリア(135)を前記第1の半導体チップ(20)内に形成することと、
    複数の相互接続構造(45)を用いて第2の半導体チップ(15)を前記第1の半導体チップ(20)に結合することであって、前記第2の半導体チップは、前記第1の半導体チップの前記第2の主面(36)に対向するが間隙(130)を介して隔てられた第3の主面を有することと、
    前記第1の半導体チップの前記第1の主面と、前記相互接続構造から横方向に隔てられた前記第3の主面の一部とに半田型熱インタフェース材質(90)を位置させることと、
    を備える製造の方法。
  2. 材質が前記間隙(130)に入ることを防止するために前記第1のアクティブ回路(40)部分を包囲するダイク(125)を前記第1及び第2の半導体チップの間に位置させることを備える請求項の方法。
  3. 前記バリア(135)を形成することは、前記第1の半導体チップ(20)内に溝(185)を形成することと、前記溝内に絶縁性材質(210)を堆積させることと、を備える請求項1の方法。
  4. 前記バリア(135’)を形成することは、金属粒子移動を妨げるイオン(215)を前記基板の部分内に注入することを備える請求項1の方法。
  5. 第1及び第2の主面(35)(36)と第1の周囲壁(37)を含む第1の半導体チップ(20)を第2の周囲壁(34)を含む第2の半導体チップ(15)に前記第1及び第2の半導体チップの間の間隙(130)を介して結合することと、
    少なくとも前記第1の半導体チップの前記第1の周囲壁(37)、前記第1の半導体チップの前記第2の主面、前記第2の半導体チップの第1の主面の一部及び前記第2の周囲壁を覆うバリア層(265)を形成することと、
    前記第1の周囲壁(37)の周囲に半田型熱インタフェース材質(90)を位置させることと、を備え、
    前記バリア層(265)は前記第1の周囲壁内への前記半田型熱インタフェース材質の拡散を抑制する製造の方法。
  6. 前記第1の半導体チップ(20)は第1のアクティブ回路部分(40)を備え、前記方法は、材質が前記間隙(130)に入ることを防止するために前記第1のアクティブ回路部分を包囲するダイク(125)を前記第1及び第2の半導体チップの間に位置させることを備える請求項の方法。
  7. 前記第1の半導体チップ(20)は第1及び第2の主面(35)(36)を含み、前記第2の半導体チップ(15)は第1及び第2の主面(32)(33)並びに第2の周囲壁(34)を含み、前記方法は、前記第1の半導体チップ(20)の前記第2の主面(36)、前記第2の半導体チップ(15)の前記第1の主面(32)の一部分、及び前記第2の周囲壁(34)を覆うように前記バリア層(265)を形成することを備える請求項の方法。
  8. 第1及び第2の主面(35)(36)並びに第1の周囲壁(37)を含む第1の半導体チップ(20)を第1及び第2の主面を含む第2の半導体チップ(15)に前記第1及び第2の半導体チップの間の間隙(130)を介して結合することと、
    前記第1の半導体チップの前記第2の主面(35)上に第1の半田型熱インタフェース材質部分(310)を位置させることと、
    第2の熱インタフェース材質部分(305)を、前記第2の半導体チップ(15)の前記第1の主面(32)上であるが前記第1の半田型熱インタフェース材質部分310)からは横方向に隔てられて空間を残すように位置させることと、を備える製造の方法。
  9. 前記空間内にポリマー熱インタフェース材質(345)を位置させることを備える請求項の方法。
  10. 前記第1及び第2の半田型熱インタフェース材質部分と熱的に接触する熱拡散器(30)を置くことを備える請求項の方法。
  11. 基板及び前記基板内へ第1の距離だけ延びる第1のアクティブ回路部分(40)を含む第1の半導体チップ(20)と、
    前記第1の半導体チップ(20)内のバリア(135)であって前記第1のアクティブ回路部分(40)を包囲するが前記第1のアクティブ回路部分(40)からは横方向に隔てられ且つ前記基板内へ前記第1の距離よりも大きい第2の距離だけ延びるバリア(135)と、
    前記第1の半導体チップ(20)に結合された第2の半導体チップ(15)であって、前記第1の半導体チップの第2の主面に対向するが間隙(130)を介して隔てられた第3の主面を有する第2の半導体チップと、
    前記第2の主面を前記第3の主面に結合する複数の相互接続構造(45)と、
    前記第1の半導体チップの第1の主面と、前記相互接続構造から横方向に隔てられた前記第2の半導体チップの前記第3の主面の一部とに位置する半田型熱インタフェース材質(90)と、
    を備える装置。
  12. 前記第1及び第2の半導体チップの間に位置させられるダイク(125)であって材質が前記間隙(130)に入ることを防止するために前記第1のアクティブ回路部分を包囲するダイク(125)を備える請求項11の装置。
  13. 前記バリア(135)は前記第1の半導体チップ内の溝(185)と前記溝内の絶縁性材質(210)とを備える請求項11の装置。
  14. 前記バリア(135)は金属粒子移動を妨げる注入されたイオン(215)を含む前記基板の部分を備える請求項11の装置。
  15. 第1及び第2の主面(35)(36)と、前記第1の主面(35)及び前記第2の主面(36)間に延在する第1の周囲壁(37)を含む第1の半導体チップ(20)と、
    第1の主面(32)、第2の主面(33)及び第2の周囲壁(34)を含む第2の半導体チップ(15)であって前記第2の半導体チップ(15)の前記第1の主面(32)は前記第1及び第2の半導体チップの間の間隙(130)を介して前記第1の半導体チップ(20)の前記第1の主面(36)に結合される第2の半導体チップ(15)と、
    前記第1の半導体チップの少なくとも前記第1の周囲壁を覆うバリア層(265)と、
    前記第1の周囲壁を包囲する半田型熱インタフェース材質(90)と、を備え、
    前記バリア層(265)は前記第1の周囲壁(37)内への前記半田型熱インタフェース材質(90)の拡散を抑制する装置。
  16. 前記第1の半導体チップ(20)は第1のアクティブ回路部分(40)を備え、前記装置は、前記第1及び第2の半導体チップの間に位置させられるダイク(125)であって材質が前記間隙(130)に入ることを防止するために前記第1のアクティブ回路部分を包囲するダイク(125)を備える請求項15の装置。
  17. 前記バリア層(265)は前記第1の半導体チップの前記第2の主面、前記第2の半導体チップの前記第1の主面の一部分、及び前記第2の周囲壁を覆う請求項15の装置。
  18. 第1及び第2の主面並びに第1の周囲壁を含む第1の半導体チップ(20)と、
    第1の主面、第2の主面及び第2の周囲壁を含む第2の半導体チップ(15)であって前記第2の半導体チップ(15)の前記第1の主面は前記第1及び第2の半導体チップの間の間隙(130)を介して前記第1の半導体チップの前記第1の主面に結合される第2の半導体チップ(15)と、
    前記第1の半導体チップの前記第2の主面上に位置させられる第1の半田型熱インタフェース材質部分(310)と、
    前記第2の半導体チップ(15)の前記第1の主面上であるが前記第1の半田型熱インタフェース材質部分(310)からは横方向に隔てられて空間を残すように位置させられる第2の熱インタフェース材質部分(305)と、を備える装置。
  19. 前記空間内に位置させられるポリマー熱インタフェース材質(345)を備える請求項18の装置。
  20. 前記第1及び第2の半田型熱インタフェース材質部分と熱的に接触する熱拡散器(30)を備える請求項18の装置。
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