三维集成电路的碳化硅微流道散热结构及其制作方法与流程

文档序号:11214262
三维集成电路的碳化硅微流道散热结构及其制作方法与流程

本发明属于微电子技术领域,特别涉及一种碳化硅微流道散热结构,可用于对三维集成电路的散热。

技术背景

在过去的几十年中,微电子器件的尺寸按照摩尔定律不断缩小,电子产品的性能不断提高。集成度密度越来越大,芯片上集成的晶体管的数目成倍的增加;随着电子产品多功能化、小型化,使得单位芯片功耗迅速增加,单位体积内的热流量增大,芯片温度迅速提高。由于温度对芯片的影响,使得芯片的寿命降低;不同区域的温度不同,过高的温度还可能导致芯片发生形变。

由于半导体制作工艺尺寸缩小到深亚微米量级后,工艺技术逐渐达到物理极限,量子效应、短沟道效应等小尺寸效应越来越凸显,使得二维集成电路的发展遇到瓶颈问题。此外,随着二维集成电路的集成度不断提高,每片芯片上的器件单元数量急剧增加,芯片面积增大,单元间连线的增长既影响电路工作速度又占用很多面积,严重影响集成度和工作速度的进一步提高。

为解决上述问题产生了三维集成电路,它通过在“Z轴”方向垂直集成多个芯片达到延伸摩尔定律的目的。三维集成电路能够大幅度得降低全局互连线的长度;提高数据传输带宽;减小芯片面积,提高集成度;实现异质芯片集成。但是三维芯片堆叠包含多个高性能处理器,它的功率密度超过了传统冷却技术的能力。当这些芯片堆叠时,电源分配和冷却变得更加严峻;多层芯片内部产生的热量必须通过相邻芯片层和键合层才能到达散热器,因而一层的温度增加将影响其他层。芯片温度是决定半导体器件可靠性的主要因素,超过 50%的集成电路失效是由于热问题。因此三维集成电路的散热问题变的异常严峻,需要新型的热管理策略解决散热问题。

1981年,美国的Tuckerman和Pease开创性的提出了一种微流道散热器并研究了这种应用在超大规模集成电路的情况。这种散热器采用的是用硅制造而成的水冷矩形微流道结构。流道间隔100μm、通道宽50μm、深300μm,可以在1cm2芯片上散去790w的热量,使芯片表面温度保持低于71℃。所以微流道是特别有效的冷却方式,这种散热方式使冷却液通过遍布热源区域的微流道进行热交换,能够满足三维集成电路高性能微处理器的要求。

与传统的空气冷却方式相比,由于液体的热转移系数高于空气冷却,所以微流道冷却可以有效散热并解决热点分布不均匀的问题。芯片采用倒装芯片封装,微流道集成在每层芯片的背面,每层芯片都能得到充分的冷却。

在现有的三维集成电路中,微流道结构主要采用硅材料,流道截面为矩形;由于液体与流道壁的接触面积小,硅的热导率低,导致散热能力低。要通过增大微流道的高度达到散热能力,这样势必增大了芯片的厚度,由于在三维集成电路中,垂直硅通孔TSV的纵深比要在一定的范围内,为满足纵深比的要求,由于微流道的存在使得芯片厚度增加,垂直硅通孔TSV的直径增大,使得垂直硅通孔TSV占据较大的硅面积,影响芯片的电学性能。



技术实现要素:

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足,提出一种三维集成电路的碳化硅微流道散热结构及其制造方法,提高微流道的散热能力,同时减小芯片厚度的增加。

为实现上述目的,本发明的三维集成电路的碳化硅微流道散热结构,包括上层芯片和下层芯片,每层芯片包括电路层、硅衬底、流道壁、微流道和硅流道帽,其特征在于:

所述流道壁,其包括硅流道壁和碳化硅流道壁,且碳化硅流道壁外延生长在硅流道壁的下方;

所述微流道,其横截面采用上部为半椭圆形下部为矩形的一体结构,位于硅流道壁的下方,且上部的半椭圆形与硅流道壁相邻,下部的矩形与碳化硅流道壁相邻。

为实现上述目的,本发明制备三维集成电路的碳化硅微流道散热结构的方法,包括:

1)在厚度Hsi为70~250μm的硅衬底样品正面进行外延生长厚度Hb为2~10μm的外延层,用于制作芯片电路;

2)对完成外延层生长的样品背面依次进行化学机械抛光、涂光刻胶、烘干、曝光和显影光刻,形成光刻胶掩膜,再采用等离子体刻蚀工艺对硅衬底进行刻蚀,形成多个硅基矩形沟道,其中,中间沟道的宽度Ws为30~200μm,高度Hc为50~200μm,边缘两侧的沟道宽度为中间的沟道宽度的一半,高度相同;沟道壁的宽度Wc为30~200μm;

3)在沟道刻蚀完成后的样品背面外延生长碳化硅,使碳化硅填充满全部沟道;

4)对外延生长碳化硅后的样品背面进行抛光,直至背面能够观测到规律交替分布的硅材料和碳化硅材料;

5)在抛光后的样品背面边缘两侧的硅流道壁底面上涂光刻胶,对边缘两侧的硅进行保护;对中间裸露的硅进行刻蚀,并使硅刻蚀的深度超过碳化硅材料的厚度,形成新型微流道和碳化硅流道壁;

6)将刻蚀完成的样品底部与硅流道帽粘合,并在样品正面外延层制作电路,形成电路层,完成第一层芯片的制作;

7)重复步骤1)-6)得到第二层芯片;

8)将两层芯片在垂直方向根据电学连接特性连接到一起,形成三维集成电路的碳化硅微流道散热结构。

与现有结构相比,本发明具有下述优点:

1、本发明引入碳化硅材料作为流道壁,由于碳化硅的热导率高,所以提升了微流道散热结构的热导率,增强了流道壁与流道内液体的热交换能力,使得液体可以带走更多的热量;同时增强了相邻微流道间的辅助散热能力,从而大大提升了微流道散热结构的散热性能。

2、本发明由于引入了新型微流道形状,增加了微流道与流道壁的散热接触面积,缩短了与电路层的距离,使得液体可以带走更多的热量,增强了微流道的散热能力。

3、本发明由于引入碳化硅材料作为流道壁和新型微流道形状,提高了散热能力,减小了微流道的高度和芯片的厚度,使得三维集成电路中的垂直硅通孔TSV性能得到改善,同时,提高了集成电路的电学性能。

附图说明

图1是本发明三维集成电路的碳化硅微流道散热结构的整体结构示意图;

图2是本发明三维集成电路的碳化硅微流道散热结构的制作流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例,对本发明做进一步描述。

参照图1,本发明整体结构包括上层芯片1,下层芯片2,每层芯片包括电路层3、硅衬底4、硅流道壁5、碳化硅流道壁6、微流道7和硅微流道帽8,其中,

所述电路层3位于芯片正面的顶部,厚度Hb为2~10μm;

所述硅衬底4紧邻电路层并位于其下方,厚度为20~50μm;

所述硅流道壁5,紧邻硅衬底4并位于其下方,形状为半椭圆形;

所述碳化硅流道壁6,其外延生长在硅流道壁5的下方,形状为矩形,宽度Ws为30~200 μm,高度Hc为50~200μm;

所述微流道7,其横截面采用上部为半椭圆形下部为矩形的一体结构,位于硅流道壁5 的下方,其下部的矩形截面宽度Wc为30~200μm,高度Hc为50~200μm,并与碳化硅流道壁6相邻;其上部的半椭圆形截面长直径Wt为(Wc+0.2Ws)~(Wc+0.4Ws),高度Ht为20~50 μm,且上部的半椭圆形与硅流道壁5相邻;

所述硅流道帽8紧邻微流道7且位于其下方,并与芯片底部粘合,厚度Hm为20~100 μm。

参照图2,本发明的制作流程给出如下三种实施例:

实施例一,制作硅衬底样品厚度Hsi为70μm;碳化硅流道壁的宽度Ws为30μm,高度Hc为50μm;硅流道壁的长直径Wt为36μm,高度Ht为20μm的三维集成电路的碳化硅微流道散热结构。

步骤1,生长外延层,如图2(a)。

在厚度Hsi为70μm的硅衬底样品正面进行外延生长厚度Hb为2μm的外延层,用于制作芯片电路。

步骤2,刻蚀硅基矩形沟道,如图2(b)。

(2.1)对完成外延层生长的样品背面依次进行化学机械抛光、涂光刻胶、烘干、曝光和显影光刻,形成光刻胶掩膜;

(2.2)形成光刻胶掩膜后,对样品背面没有被光刻胶保护的硅采用等离子体刻蚀工艺进行刻蚀,形成多个硅基矩形沟道,其中,中间沟道的宽度Ws为30μm,高度Hc为 50μm,边缘两侧的沟道宽度为中间的沟道宽度的一半,高度相同;沟道壁的宽度Wc为 30μm。

步骤3,外延生长碳化硅,如图2(c)。

在沟道刻蚀完成后的样品背面外延生长碳化硅,使碳化硅填充满全部沟道。

步骤4,抛光,如图2(d)。

由于外延生长碳化硅后,样品背面凹凸不平并且硅材料表面被碳化硅覆盖,所以需要对样品背面进行物理抛光,直至背面能够观测到规律交替分布的硅材料和碳化硅材料。

步骤5,刻蚀新型微流道,如图2(e)。

(5.1)在抛光后的样品背面边缘两侧的硅流道壁底面上涂光刻胶,用于对边缘两侧的硅进行保护;

(5.2)采用湿法刻蚀工艺刻蚀中间裸露的硅,由于只有硅被刻蚀掉,所以留下外延生长的碳化硅作为流道壁,碳化硅流道壁的宽度Ws为30μm,高度Hc为50μm;当硅刻蚀的深度与生长的碳化硅深度相同时,得到矩形微流道,其宽度Wc为30μm,高度Hc为50 μm;

(5.3)对矩形微流道继续进行刻蚀,使硅刻蚀的深度超过碳化硅材料的厚度。由于刻蚀会同时向竖直方向和水平方向进行,会形成半椭圆形的微流道。其长直径Wt为36μm,高度Ht为20μm,顶部与电路层的距离为20μm,得到上部为半椭圆形下部为矩形的一体结构的新型微流道。

步骤6,粘合硅流道帽并形成电路层,如图2(f)。

选用厚度Hm为20μm的硅流道帽,将刻蚀完成的样品底部与硅流道帽粘合;再在样品正面外延层制作电路,形成电路层,得到第一层完整的芯片结构。

步骤7,得到两层芯片。

重复步骤1-6,得到第二层芯片结构。

步骤8,将两层芯片在垂直方向根据电学连接特性连接到一起,形成三维集成电路的碳化硅微流道散热结构,如图2(g)。

实施例二,制作硅衬底样品厚度Hsi为150μm;碳化硅流道壁的宽度Ws为100μm,高度Hc为120μm;硅流道壁的长直径Wt为130μm,高度Ht为35μm的三维集成电路的碳化硅微流道散热结构。

步骤一,生长外延层,即在厚度Hsi为150μm的硅衬底样品正面外延生长厚度Hb为 6μm的外延层,用于制作芯片电路,如图2(a)。

步骤二,刻蚀硅基矩形沟道,如图2(b)。

(2a)对完成外延层生长的样品背面依次进行化学机械抛光、涂光刻胶、烘干、曝光和显影光刻,形成光刻胶掩膜;

(2b)形成光刻胶掩膜后,对样品背面没有被光刻胶保护的硅采用等离子体刻蚀工艺进行刻蚀,形成多个硅基矩形沟道,其中,中间沟道的宽度Ws为80μm,高度Hc为 120μm,边缘两侧的沟道宽度为中间的沟道宽度的一半,高度相同;沟道壁的宽度Wc为 100μm。

步骤三,外延生长碳化硅,如图2(c)。

本步骤的具体实现与实施例一的步骤3相同。

步骤四,抛光,如图2(d)。

本步骤的具体实现与实施例一的步骤4相同。

步骤五,刻蚀新型微流道,如图2(e)。

(5a)在抛光后的样品背面边缘两侧的硅流道壁底面上涂光刻胶,用于对边缘两侧的硅进行保护;

(5b)采用湿法刻蚀工艺对没有被光刻胶保护的硅进行刻蚀,形成宽度Ws为80μm,高度Hc为120μm的碳化硅流道壁,并当硅刻蚀的深度与生长的碳化硅深度相同时,得到宽度Wc为100μm,高度Hc为120μm的矩形微流道;

(5c)在得到的矩形微流道内继续刻蚀,使硅刻蚀的深度超过碳化硅材料的厚度;由于刻蚀液体在碳化硅材料上方同时对水平方向和竖直方向上的硅进行刻蚀,所以可以刻蚀形成半椭圆形的微流道,其长直径Wt为130μm,高度Ht为35μm,顶部与电路层的距离为35μm,得到上部为半椭圆形下部为矩形的一体结构的新型微流道,能够增大微流道的散热面积,提高散热能力。

步骤六,粘合硅流道帽并形成电路层,如图2(f)。

将刻蚀完成的样品底部与厚度Hm为60μm的硅流道帽粘合;再在样品正面外延层制作电路,形成电路层,得到第一层完整的芯片结构。

步骤七,重复步骤一到步骤六,得到第二层芯片结构。

步骤八,将两层芯片在垂直方向根据电学连接特性连接到一起,形成三维集成电路的碳化硅微流道散热结构,如图2(g)。

实施例三,制作硅衬底样品厚度Hsi为250μm;碳化硅流道壁的宽度Ws为200μm,高度Hc为200μm;硅流道壁的长直径Wt为280μm,高度Ht为200μm的三维集成电路的碳化硅微流道散热结构。

步骤A,生长外延层,即在厚度Hsi为250μm的硅衬底样品正面外延生长厚度Hb为 10μm的外延层,用于制作芯片电路,如图2(a)。

步骤B,刻蚀硅基矩形沟道,如图2(b)。

(B1)对完成外延层生长的样品背面依次进行化学机械抛光;

(B2)对抛光后的样品涂光刻胶、烘干、曝光和显影光刻,在样品上形成光刻胶掩膜;

(B3)形成光刻胶掩膜后,对样品背面没有被光刻胶保护的硅采用等离子体刻蚀工艺进行刻蚀,形成多个硅基矩形沟道,其中,中间沟道的宽度Ws为200μm,高度Hc为 200μm,边缘两侧的沟道宽度为中间的沟道宽度的一半,高度相同;沟道壁的宽度Wc为 200μm。

步骤C,外延生长碳化硅,如图2(c)。

本步骤的具体实现与实施例一的步骤3相同。

步骤D,抛光,如图2(d)。

本步骤的具体实现与实施例一的步骤4相同。

步骤E,刻蚀新型微流道,如图2(e)。

(E1)在抛光后的样品背面边缘两侧的硅流道壁底面上涂光刻胶,用于对边缘两侧的硅进行保护;

(E2)在涂完光刻胶的样品背面进行湿法刻蚀工艺处理,刻蚀没有光刻胶保护的硅,当硅刻蚀的深度与生长的碳化硅深度相同时,形成矩形微流道,其宽度Wc为200μm,高度Hc为200μm;同时形成碳化硅流道壁,其宽度Ws为200μm,高度Hc为200μm;

(E3)在得到的矩形微流道内继续刻蚀,使硅刻蚀的深度超过碳化硅材料的厚度,由于刻蚀会同时在竖直方向和水平方向进行,所以可以刻蚀形成半椭圆形的微流道,得到上部为半椭圆形下部为矩形的一体结构,该半椭圆形微流道长的直径Wt为280μm,高度Ht 为50μm,顶部与电路层的距离为50μm。

步骤F,粘合硅流道帽并形成电路层,如图2(f)。

选用厚度Hm为100μm的硅流道帽,将刻蚀完成的样品底部与硅流道帽粘合;再在样品正面外延层制作电路,形成电路层,得到第一层完整的芯片结构。

步骤G,重复步骤A-F,得到第二层芯片结构。

步骤H,将两层芯片在垂直方向根据电学连接特性连接到一起,形成三维集成电路的碳化硅微流道散热结构,如图2(g)。

以上所述仅为本发明的具体实施例,不构成对本发明的任何限制。应当理解的是,对本领域专业技术人员来说,在了解发明原理和结构后,都可能在不背离发明原理和结构的情况下,根据上述说明形式、细节和参数等加以改进和变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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