专利名称：半导体器件及其形成方法、封装结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体器件及其形成方法、封装结构。
背景技术：
随着半导体工艺技术的不断发展，MOS晶体管等器件的特征尺寸(⑶，CriticalDimension)越来越小,芯片的集成度也越来越高,即集成在单个芯片中的器件也越来越多。对于某些高性能的应用产品，如CPU等，其中集成的器件的数量甚至已经超过10亿。高集成度使得芯片在工作时会产生大量的热量，热量导致的温度上升会影响芯片的性能。对于高集成度的芯片而言，散热变得非常困难，尤其是在较为高级的工艺节点下，铜互连和低介电常数(low k)材料相结合的技术大量使用，而低介电常数材料的导热性较差，更加剧了芯片的散热问题。现有技术中常用的散热技术是在芯片封装之后，在其封装外壳上加装散热片、散热风扇等，以促进散热，但是随着芯片集成度的不断上升，上述方法的散热效率较低，芯片长时间使用时，仍然可能导致芯片过热损坏。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种半导体器件及其形成方法、封装结构，提高散热效率。为解决上述问题，本发明提供了一种半导体器件，包括半导体衬底，所述半导体衬底中形成有MOS场效应晶体管；介质层，位于所述半导体衬底上并覆盖所述MOS场效应晶体管，所述介质层中形成有多个互连结构；散热通路，嵌于所述互连结构之间的介质层中，以供液体或气体在其中流通，所述介质层的表面暴露所述散热通路的开口。可选地，所述散热通路包括嵌于所述互连结构之间的介质层中的多个相互连通的沟槽。可选地，所述散热通路还包括位于所述沟槽中的散热微管，所述散热微管供液体或气体在其中流通。可选地，所述散热微管的材料为高分子聚合物、绝缘材料或金属材料纳米管。可选地，所述散热微管外侧的沟槽中填充有介质材料。可选地，所述沟槽的开口处、散热微管的外侧填充有介质材料，所述沟槽的底部、散热微管的外侧具有空隙。可选地，所述介质层为叠层结构，其中每一层内都形成有互连结构。本发明还提供了一种封装结构，包括上述任一项所述的半导体器件和包围所述半导体器件的封装外壳，还包括位于所述封装外壳外侧的循环泵，所述封装外壳具有与所述散热通路相通的第一开口和第二开口，所述循环泵驱动液体或气体通过所述第一开口、散热通路和第二开口循环流通。本发明还提供了一种半导体器件的形成方法，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有MOS场效应晶体管；在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层覆盖所述MOS场效应晶体管，所述介质层中形成有多个互连结构；对所述互连结构之间的介质层进行刻蚀，形成散热通路，以供液体或气体在其中流通。可选地，所述对所述互连结构之间的介质层进行刻蚀，形成散热通路包括对所述互连结构之间的介质层进行各向异性刻蚀及各向同性刻蚀，形成多个相互连通的沟槽。
可选地，形成所述多个相互连通的沟槽后还包括在所述多个相互连通的沟槽中设置散热微管，所述散热微管供液体或气体在其中流通。可选地，所述散热微管的材料为高分子聚合物、绝缘材料或金属材料纳米管。可选地，设置所述散热微管后还包括在所述散热微管外侧的沟槽中填充介质材料。可选地，设置所述散热微管后还包括在所述沟槽的开口处、散热微管的外侧填充介质材料，填充后所述沟槽的底部、散热微管的外侧具有空隙。可选地，所述介质层为叠层结构，其中每一层内都形成有互连结构。与现有技术相比，本发明的实施例有如下优点本发明实施例的半导体器件及其形成方法中，在互连结构之间的介质层中形成散热通路，以供液体或气体在其中流通，流通的液体或气体能够吸收半导体器件运行时其内部产生的热量，有利于改善芯片的散热。优选地，本实施例中的半导体器件及其形成方法中，所述散热通路包括形成于介质层中的多个相互连通的沟槽和设置于沟槽中的散热微管，液体或气体在所述散热微管中流通，在促进散热的同时，能够进一步避免液体或气体与所述介质层直接接触所导致的对器件性能的影响。此外，本实施例的封装结构中，封装外壳上具有与所述散热通路相连通的第一开口和第二开口，此外还包括位于封装外壳外侧的循环泵，所述循环泵驱动液体或气体通过所述第一开口、散热通路和第二开口循环流通。由于本封装结构是直接对封装外壳内的半导体器件内部直接进行散热，因而有利于提高散热效率。
图I是本发明实施例的半导体器件的形成方法的流程示意图；图2至图7是本发明实施例的半导体器件的形成方法的剖面结构和俯视示意图；图8是本发明实施例的封装结构的剖面结构示意图。
具体实施例方式随着芯片的集成度越来越高，其在运行时产生的热量也越来越大，散热成为急需解决的问题。现有技术的散热技术往往是在芯片封装之后，在其封装外壳上加装散热片、散热风扇等促进散热，散热过程并不能涉及芯片内部，散热效率较低。
本发明实施例的半导体器件及其形成方法中，在互连结构之间的介质层中形成散热通路，以供液体或气体在其中流通，流通的液体或气体能够吸收半导体器件运行时其内部产生的热量，有利于改善芯片的散热。优选地，本实施例中的半导体器件及其形成方法中，所述散热通路包括形成于介质层中的多个相互连通的沟槽和设置于沟槽中的散热微管，液体或气体在所述散热微管中流通，在促进散热的同时，能够进一步避免液体或气体与所述介质层直接接触导致的对器件性能的影响。此外，本实施例的封装结构中，封装外壳上具有与所述散热通路相连通的第一开口和第二开口，此外还包括位于封装外壳外侧的循环泵，所述循环泵驱动液体或气体通过所述第一开口、散热通路和第二开口循环流通。由于本封装结构是直接对封装外壳内的半导体器件内部直接进行散热，因而有利于提高散热效率。 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式
的限制。图I示出了本发明实施例的半导体器件的形成方法的实施例的流程示意图，包括步骤S11，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有MOS场效应晶体管；步骤S12，在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层覆盖所述MOS场效应晶体管，所述介质层中形成有多个互连结构；步骤S13，对所述互连结构之间的介质层进行刻蚀，形成散热通路，以供液体或气体在其中流通。图2至图7示出了本发明半导体器件的形成方法的实施例中各中间结构的剖面结构以及俯视结构示意图，下面结合图I和图2至图7对该实施例进行详细说明。结合图I和图2，执行步骤Sll，提供半导体衬底10，所述半导体衬底上形成有MOS场效应晶体管。所述半导体衬底10可以是硅衬底、硅锗衬底、III-V族元素化合物衬底、碳化硅衬底或其叠层结构。所述半导体衬底10中可以形成有包含源极、漏极和栅极的MOS场效应晶体管等器件(图中未示出)。结合图I和图3，执行步骤S12，在所述半导体衬底10上形成介质层11,所述介质层11覆盖所述MOS场效应晶体管，所述介质层11中形成有多个互连结构110。具体的，本实施例中所述介质层11为叠层结构，分别包括第一介质层111，位于第一介质层111之上的第二介质层112和位于第二介质层112之上的第三介质层113，其中每一层中都形成有互连结构110，各层介质层之间的材料也可以不完全相同。所述互连结构110可以为金属互连结构，如铜互连结构、铝互连结构、钨互连结构等，其中第一介质层111作为底层互连层，第三介质层113作为顶层互连层。当然，在其他具体实施例中，所述介质层11还可以是其他数量的介质薄膜形成的叠层结构，如5层、6层、10层等，其中，位于顶层的介质层中还可以形成有焊垫(pad)。以铜互连工艺为例，所述介质层11及其中的互连结构110的形成方法可以包括使用化学气相沉积(CVD)等方法在所述半导体衬底10上形成第一介质层111 ;对所述第一介质层111进行刻蚀，形成沟槽和/或通孔；在所述沟槽和/或通孔的底部和侧壁依次形成阻挡层、籽晶层，并使用电镀等方法在所述沟槽和/或通孔中填充金属铜；之后对填充的金属铜进行平坦化，形成互连结构110 ;之后重复前述步骤，依次形成第二介质层112及其中的互连结构110、第三介质层113及其中的互连结构110。结合图I和图4至图5，执行步骤S13，对所述互连结构110之间的介质层11进行刻蚀，形成散热通路，以供液体或气体在其中流通。其中图5为俯视结构示意图，图4为图5沿A-A'方向的剖面结构示意图。所述刻蚀过程包括各向异性刻蚀和各向同性刻蚀，具体的，首先对所述介质层11在竖直方向上进行各向异性刻蚀，如干法刻蚀，在所述互连结构110之间的介质层11中形成沟槽121和122，刻蚀过程中，需要避开各个互连结构110，仅对互连结构110之间的介质层进行刻蚀；之后对所述竖直沟槽121和122的底部进行各向同性刻蚀，如湿法刻蚀，在沟槽121和沟槽122的底部形成横向的连通沟槽(图中未标示)，使得沟槽121和122连通。当然，在其他具体实施例中，可以先通过各向异性刻蚀形成沟槽的上半部分，再使用各向同性刻蚀使得沟槽的上半部分相连通，之后再通过各向异性刻蚀形成沟槽的下半部分，也即形成的竖直的沟槽之间是通过中部的连通沟槽相连通。相互连通的沟槽121和122组成了供液体或气体流通的散热通路，通入的液体可以是去离子水等杂质离子含量较低的液体，通入的气体可以是氮气、氦气等非活泼的气体。整个半导体器件在工作时，流通的液体或气体可以带走其内部产生的热量，有利于散热。当然，所述沟槽121和沟槽122之间也可以不连通，只要液体或气体能够在其中形成散热循环即可。参考图6，作为一个优选的实施例，本实施例还在所述沟槽121和122中设置散热微管(micro heat pipe) 13,所述散热微管13的材料为高分子聚合物、绝缘材料或金属材料纳米管。本实施例中，所述散热微管13的材料为高分子聚合物，其形成方法可以是自组装(self-assembly)。液体或气体在散热微管13中流通,可以避免直接与所述沟槽121和122侧壁的介质层11直接接触，从而避免对整个半导体器件的潜在的影响。参考图7，在所述沟槽的开口处，散热微管13的外侧填充介质材料14，填充后所述沟槽的底部、散热微管13的外侧具有空隙15。所述介质材料14可以是氧化硅、掺杂的硅玻璃、低介电常数材料等，所述介质材料14的形成方法可以是非共型(non-conformal)沉积。所述空隙15中填充有空气，其介电常数较小，有利于减小整个半导体器件的电阻电容延迟，所述介质材料14优选为低介电常数材料，有利于进一步减小电阻电容延迟。在其他具体实施例中，也可以使用共型沉积对所述散热微管13外侧的沟槽进行完全填充，即散热微管13外侧并不具有空隙。至此，本实施例形成的半导体器件的结构如图、7所示，包括半导体衬底10 ;介质层11，位于所述半导体衬底10上，所述介质层11中形成有多个互连结构110 ;散热通路，嵌于所述互连结构Iio之间的介质层11中，供液体或气体在其中流通，所述介质层11的表面暴露所述散热通路的开口。作为一个优选的实施例，所述散热通路包括多个相互连通的沟槽和设置于所述沟槽中的散热微管13，散热微管13外侧的沟槽中填充有介质材料14，介质材料14可以仅填充沟槽的开口部分，也可以全部填充。液体或气体在所述散热微管13中流通，吸收半导体器件在工作时其内部产生的热量。
图8示出了本实施例的封装结构的示意图，在上述半导体器件的外围包裹有封装外壳20，所述封装外壳20具有第一开口 201和第二开口 202，第一开口 201和第二开口 202和散热通路的开口相连，本实施例中具体和所述散热微管13的开口相连，在所述封装外壳20的外侧具有循环泵21，所述循环泵21驱动液体或气体通过第一开口 201、散热微管13以及第二开口 202循环流通，有利于带走所述半导体器件内部的热量。所述封装外壳20的材料可以是陶瓷、塑料等，在将所述半导体器件封装于封装外壳20之后，在封装外壳20上打孔，形成第一开口 201和第二开口 202，使得循环泵21能够通过第一开口 201和第二开口 202与散热通路相连，促进芯片内部的散热。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域 技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种半导体器件，其特征在于，包括 半导体衬底，所述半导体衬底中形成有MOS场效应晶体管； 介质层，位于所述半导体衬底上并覆盖所述MOS场效应晶体管，所述介质层中形成有多个互连结构； 散热通路，嵌于所述互连结构之间的介质层中，以供液体或气体在其中流通，所述介质层的表面暴露所述散热通路的开口。
2.根据权利要求I所述的半导体器件，其特征在于，所述散热通路包括嵌于所述互连结构之间的介质层中的多个相互连通的沟槽。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述散热通路还包括位于所述沟槽中的散热微管，所述散热微管供液体或气体在其中流通。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，所述散热微管的材料为高分子聚合物、绝缘材料或金属材料纳米管。
5.根据权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，所述散热微管外侧的沟槽中填充有介质材料。
6.根据权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，所述沟槽的开口处、散热微管的外侧填充有介质材料，所述沟槽的底部、散热微管的外侧具有空隙。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述介质层为叠层结构，其中每一层内都形成有互连结构。
8.一种封装结构，其特征在于，包括权利要求I至7中任一项所述的半导体器件和包围所述半导体器件的封装外壳，还包括位于所述封装外壳外侧的循环泵，所述封装外壳具有与所述散热通路相通的第一开口和第二开口，所述循环泵驱动液体或气体通过所述第一开口、散热通路和第二开口循环流通。
9.一种半导体器件的形成方法，其特征在于，包括 提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有MOS场效应晶体管； 在所述半导体衬底上形成介质层，所述介质层覆盖所述MOS场效应晶体管，所述介质层中形成有多个互连结构； 对所述互连结构之间的介质层进行刻蚀，形成散热通路，以供液体或气体在其中流通。
10.根据权利要求9所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述对所述互连结构之间的介质层进行刻蚀，形成散热通路包括对所述互连结构之间的介质层进行各向异性刻蚀及各向同性刻蚀，形成多个相互连通的沟槽。
11.根据权利要求10所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，形成所述多个相互连通的沟槽后还包括在所述多个相互连通的沟槽中设置散热微管，所述散热微管供液体或气体在其中流通。
12.根据权利要求11所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述散热微管的材料为高分子聚合物、绝缘材料或金属材料纳米管。
13.根据权利要求11所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，设置所述散热微管后还包括在所述散热微管外侧的沟槽中填充介质材料。
14.根据权利要求11所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，设置所述散热微管后还包括在所述沟槽的开口处、散热微管的外侧填充介质材料，填充后所述沟槽的底部、散热微管的外侧具有空隙。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述介质层为叠层结构，其中每一层内都形成有互连结构。
全文摘要
一种半导体器件及其形成方法、封装结构，所述半导体器件包括半导体衬底，所述半导体衬底中形成有MOS场效应晶体管；介质层，位于所述半导体衬底上并覆盖所述MOS场效应管晶体管，所述介质层中形成有多个互连结构；散热通路，嵌于所述互连结构之间的介质层中，以供液体或气体在其中流通，所述介质层的表面暴露所述散热通路的开口。本发明有利于提高散热效率，避免芯片过热。
文档编号H01L29/78GK102769002SQ20111011256
公开日2012年11月7日 申请日期2011年4月30日 优先权日2011年4月30日
发明者梁擎擎, 赵超, 钟汇才, 闫江 申请人:中国科学院微电子研究所