(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
対向する第１及び第２の面を有する第１のシリコン基板と、
前記第１の面に又は該面内に形成された半導体デバイスと、
前記第１の面に形成されて前記半導体デバイスに電気的に結合された複数の第１の接触パッドと、
前記第２の面上の熱伝導材料の第１の層と、
前記熱伝導材料の第１の層を部分的に通して形成された複数の第１のバイアと、
を含む半導体チップと；
対向する第１及び第２の面を有する第２のシリコン基板と、
複数の第２のバイアであって、該第２のバイア間に前記第２のシリコン基板の第１のフィンを定める前記第２のシリコン基板の前記第１の面内に形成された前記複数の第２のバイアと、
前記第２のバイア内の熱伝導材料の第２の層と、
を含むヒートシンクであって、前記第１のシリコン基板の前記第２の面は、前記第２のシリコン基板の前記第１の面に装着される、前記ヒートシンクと；
前記第２のシリコン基板の前記第２の面内に形成された複数の第３のバイアと；
前記第３のバイア内の熱伝導材料の第３の層と；
各々が前記第２の基板の前記第１及び第２の面の間を延び、かつ各々が熱伝導材料で裏打ちされるか又はそれで充填された複数の貫通孔と；
を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１のシリコン基板の前記第２の面内に形成され、前記熱伝導材料の第１の層で裏打ちされるか又はそれで充填された複数の第４のバイア、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１のバイアの各々が、前記第４のバイアのうちの１つに位置合わせされることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の面の間である前記第１のシリコン基板の側面内に形成された複数の第４のバイア、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２の基板の前記第１の面内に形成されたキャビティであって、前記半導体チップが該キャビティに配置される前記キャビティ、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記熱伝導材料の第２の層は、前記キャビティ内に延びることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記貫通孔の各々が、前記第３のバイアのうちの１つに位置合わせされることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記複数の第３のバイアが、該第３のバイアの間に前記第２のシリコン基板の第２のフィンを定めることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第２の基板の前記第２の面内に形成された第２のキャビティ、
を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第２のシリコン基板の前記フィンの各々は、細長く、かつ該フィンの他のものと平行に延びることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第２のシリコン基板の前記フィンの各々は、細長く、かつ該第２の基板の中心部分から離れるように延びることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第２のシリコン基板の前記フィンの各々は、柱であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願〕
本出願は、２０１４年４月２３日出願かつ引用によって本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第６１／９８３，４０２号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、半導体デバイスの冷却に関する。
【背景技術】
【０００３】
近年のモバイル半導体は、処理パワー及び発熱の両方で巨大な増大を体験している。現在、モバイル半導体に対する冷却ソリューションは、その揺籃期にある。多くのロバストな半導体冷却ソリューションが市場にあるが、それらは、モバイルデバイスのためには設計されておらず、かつ非常に時代遅れである。現在の冷却ソリューションは、過度に重く、過度に大きく、非効率的、材料の浪費として要約することができ、一部の場合には、電力消費が過大である。従って、小型、軽量、薄型、効率的、パッシブ、かつ高性能の最新モバイルヒートシンク構成が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，５６４，１１４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒートシンクを半導体パッケージの上に装着することは当業技術で公知である。例えば、米国特許第８，５６４，１１４号明細書を参照されたい。半導体チップがパッケージ化された後に、大型金属ヒートシンクが半導体チップの上に取り付けられる。このヒートシンクは、一般的に銅及び／又はアルミニウムを用いて構成され、かつ熱交換器のアレイを組み込んでいる。何らかのタイプの高Ｋ「熱界面材料（ＴＩＭ）」をヒートシンクと半導体チップの間に使用することは非常に典型的である。ＴＩＭは、一般的に約９のＫ値を有する。しかし、半田をＴＩＭとして使用して熱伝導性を増大させることも公知である。半田は、５０のＫ値を有し、かつ銅及び／又は銀と混合してＫ値を約８０まで増大させることができる。しかし、このソリューションは、熱放散ソリューションにおいてサイズ、重量、非効率性、使用材料、及び電力消費を最小にする必要があるモバイル用途には貢献しない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の問題及び必要性は、対向する第１及び第２の面を有する第１のシリコン基板と、第１の面に又は面内に形成された半導体デバイスと、第１の面に形成されて半導体デバイスに電気的に結合された複数の第１の接触パッドと、第２の面上の熱伝導材料の層と、熱伝導材料の層を部分的に通して形成された複数の第１のバイアとを有する半導体チップを含む半導体デバイスによって対処される。
【０００７】
本発明の他の目的及び特徴は、本明細書、特許請求の範囲、及び添付図面の精査によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】冷却特徴部を有する半導体チップの形成を示す側面断面図である。
【図１Ｂ】冷却特徴部を有する半導体チップの形成を示す側面断面図である。
【図１Ｃ】冷却特徴部を有する半導体チップの形成を示す側面断面図である。
【図２Ａ】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図２Ｂ】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図２Ｃ】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図３】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の側面断面図である。
【図４】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の側面断面図である。
【図５Ａ】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図５Ｂ】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図５Ｃ】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図６】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の側面断面図である。
【図７】冷却特徴部を有する半導体チップの代替実施形態の側面断面図である。
【図８Ａ】冷却特徴部を有するヒートシンクの形成を示す側面断面図である。
【図８Ｂ】冷却特徴部を有するヒートシンクの形成を示す側面断面図である。
【図８Ｃ】冷却特徴部を有するヒートシンクの形成を示す側面断面図である。
【図８Ｄ】冷却特徴部を有するヒートシンクの形成を示す側面断面図である。
【図８Ｅ】冷却特徴部を有するヒートシンクの形成を示す側面断面図である。
【図９】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図１０】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図１１Ａ】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図１１Ｂ】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図１１Ｃ】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図１１Ｄ】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の形成を示す側面断面図である。
【図１２】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図１３】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図１４】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図１５】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図１６】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図１７】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図１８】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図１９】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図２０】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図２１】冷却特徴部を有するヒートシンクの代替実施形態の側面断面図である。
【図２２】半導体チップデバイス間に冷却特徴部を欠くウェーハの上面図である。
【図２３】冷却特徴部パターンが横列毎のベースで互いに直交する半導体チップデバイスの横列を有するウェーハの上面図である。
【図２４】冷却特徴部パターンがデバイス毎のベースで互いに直交する半導体チップデバイスの横列を有するウェーハの上面図である。
【図２５Ａ】異なる冷却フィン構成を有するヒートシンクの上面図である。
【図２５Ｂ】異なる冷却フィン構成を有するヒートシンクの上面図である。
【図２５Ｃ】異なる冷却フィン構成を有するヒートシンクの上面図である。
【図２５Ｄ】異なる冷却フィン構成を有するヒートシンクの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、集積回路が形成されたシリコン半導体基板に単独又はシリコンヒートシンクと組み合わせて冷却特徴部を直接に形成するための技術及び構成を含む。
【００１０】
図１Ａ〜図１Ｃは、半導体チップの裏面上の熱伝導層を特徴とする第１の実施形態による冷却特徴部を有するシリコン半導体デバイスの形成を示している。この層は、半導体チップにわたる高い熱伝導性を可能にする。このような層は、半導体チップ内のホットスポットを低減し、かつ熱放散速度（例えば、熱伝導及び熱放射）を増大させることができる。図１Ａは、シリコン基板１２と、基板１２の上面上又は上面内に形成された１つ又はそれよりも多くの半導体デバイス１４と、基板１２の上面上に形成されてオフチップ接続性に対して半導体デバイス１４に電気的に結合されたボンドパッド１６とを含む汎用半導体チップ１０を示している。図１Ａは関連付けられたボンドパッド１６を有する単一の半導体デバイス１４のみを示すが、複数のこのようなデバイスが単一ウェーハ上に形成され、個々のデバイスダイに後で個別化されることを理解しなければならない。
【００１１】
不動態化層１８が、半導体基板１２の底面上に堆積される。この不動態化層は、半導体チップ１０のための拡散障壁として作用する。不動態化層１８は、当業技術で公知のスパッタリング処理によって堆積させることができる。不動態化層１８の好ましい厚みは、０．１μｍ又はそれ未満である。タングステン、ニッケル、クロミウム、及び以上の材料の合金、又は当業技術で公知のあらゆる他の適切な不動態化材料のような好ましい不動態化材料は、高い熱伝導性を有すると考えられる。高い熱伝導性を有する材料の層２０が、不動態化層１８の上に堆積される。この熱伝導層２０は、半導体チップにわたる熱伝導性を高め、従って、ホットスポットが低減される。銅、銀、グラフェン、炭素関連の材料、又はあらゆる他の公知の熱伝導材料のような材料を使用することができる。堆積は、物理蒸着（ＰＶＤ）又は選択材料に対して適切なあらゆる他の処理によって実行することができる。熱伝導層２０がボンディング層を兼ねることができない場合に、個別のボンディング層２２を適用することができる。金属間ボンディングは、その熱伝導性特性のために好ましいものである。銅が使用される場合に、熱圧縮ボンディング処理を通じた従来の銅間ボンディングを用いることができる。銀又はインジウムが使用される場合に、銀インジウム室温溶接処理を用いることができる。得られる構造を図１Ｂに示している。
【００１２】
半導体チップのウェーハレベルのダイスカット／個別化は、機械式ブレードダイスカット機器、レーザ切削、又はあらゆる他の適切な処理を用いて個々の半導体デバイス１４とそれらの関連付けられたボンドパッド１６との間のスクリブ線で行うことができる。最終ダイ構造を図１Ｃに示している。
【００１３】
図２Ａ〜図２Ｃは、熱伝導層２０に加えて、熱バイアが、基板１２の底面内に形成され、従って、熱伝導層２０との基板１２の全体的な接触面を増大させ、かつ熱除去強化のために半導体基板１２内へより深く到達する半導体チップ１０の代替実施形態の形成を示している。熱バイアは、熱伝導層材料で充填することができる。この処理は、図１Ａの半導体チップで始まる。フォトレジスト２４の層が、半導体基板１２の底面上に堆積される。フォトレジスト２４は、基板１２の下にある底面を選択的に露出するパターンをフォトレジストに残すためにフォトリソグラフィ処理で露出されて選択的にエッチングされる。フォトレジスト内のパターンは、ランダム又は疑似ランダムとすることができる。得られる構造を図２Ａに示している。
【００１４】
基板１２の露出された底面部分は、バイア２６（すなわち、孔、スロット、トレンチ、チャネル、又は他の形態のキャビティ又はキャビティパターン）を基板１２の底面に形成するためにフォトレジスト２４の開口部を通してエッチングされる。ドライエッチが、エッチング処理に好ましい。各バイアの対向する壁は、垂直又はテーパ付きとすることができる。バイア２６の深さ、幅、形状、及び位置は、ランダム又は疑似ランダムとすることができる。得られる構造（垂直バイア側壁を有する）を図２Ｂに示している。
【００１５】
フォトレジスト２４が除去された後に、不動態化層１８が、上述したように半導体基板１２の裏面上に堆積される。その後に、熱伝導層２０が、上述したように不動態化層１８の上に堆積される。バイア２６は、熱伝導層２０材料で充填され、又は熱伝導層２０材料で被覆される。その後に、基板１２は、図２Ｃに示す最終構造を有して上述したように個別化される。図２Ｃでは、バイア２６は、熱伝導層材料２０で充填されて垂直な側壁を有する。これとは対照的に、図３は、バイア２６が、熱伝導層２０で被覆されるが熱伝導層２０で充填されず、テーパ付きの側壁を有する代替実施形態を示している。
【００１６】
本明細書の実施形態のいずれにおいても、任意的な熱放射率強化層２８は、ボンディング区域を除く熱伝導層上にランダムに又は疑似ランダムに選択的に堆積させることができる。１つの実施例を図４に示している。これに代えて、ボンディング区域は、ボンディング区域を露出させるために化学的又は機械的処理で任意的に除去することができる熱放射率強化層２８で被覆することができる。層２８の目的は、以下で更に説明するように、酸化耐性でもある熱放射率が非常に高い材料を使用することによってチップの熱放射率を強化することである。銅ニッケル合金、金、又はあらゆる他の高い熱放射性かつ酸化耐性の材料のような材料が理想的である。堆積方法は、物理蒸着（ＰＶＤ）又は選択材料に対して適切なあらゆる他の処理とすることができる。最後に、この面は、任意的に、熱放射率を強化するために選択的に化学研磨することができる。
【００１７】
図５Ａ〜図５Ｃは、熱伝導層が、半導体基板底面上に形成され、バイアが、熱伝導層内に形成され、これが、追加の熱交換面をそこにもたらす別の代替実施形態の形成を示している。不動態化層及び熱伝導層１８及び２０は、図１Ｂに関して上述したように構成される。しかし、熱伝導層２０の厚みの方が、図５Ａに示すように大きい。
【００１８】
フォトレジスト２４の層が、熱伝導層２０上に堆積される。フォトレジスト２４は、下にある熱伝導層２０を選択的に露出するパターンをフォトレジスト内に残すためにフォトリソグラフィ処理で露出されて選択的にエッチングされる。フォトレジスト内のパターンは、ランダム又は疑似ランダムとすることができる。得られる構造を図５Ｂに示している。
【００１９】
熱伝導層２０の露出された部分は、バイア３０（すなわち、孔、スロット、トレンチ、チャネル、又は他の形態のキャビティ又はキャビティパターン）を熱伝導層２０内へ形成するためにフォトレジスト２４の開口部を通してエッチングされる。ドライエッチが、エッチング処理に好ましい。バイア壁は、空気流改善のためにはテーパ付きであることが好ましい。バイアの深さ、幅、形状、及び位置は、ランダム又は疑似ランダムとすることができる。バイア３０は、不動態化層１８又は基板１２を露出するために熱伝導層２０全体を通して延びないことが好ましいが、必ずしもそれが必要であるとは限らない。上述したように、任意的な熱放射率強化層２８は、ボンディング区域を除く熱伝導層２０上に選択的に堆積させることができる。最終構造（フォトレジスト２４除去後）を図５Ｃに示している。
【００２０】
図６は、図２Ａ〜図２Ｃに関して上述したように基板１２の底面に形成されたバイア２６と、図５Ａ〜図５Ｃに関して上述したように熱伝導層２０に形成されたバイア３０とを兼ね備える別の代替実施形態を示している。熱伝導層２０のバイア３０は、基板１２のバイア２６の上に配置されかつそれに位置合わせされるが、そうである必要はない。図６の構成の形成は、図２Ｃの構造で始めることができ（但し、より厚い熱伝導層を用いて）、処理は、図５Ａ〜図５Ｃに関して上述したように続く。
【００２１】
図７は、図６のチップを示すが、側面バイア３２が追加されている。個別化後に、バイア３２は、フォトリソグラフィ及びエッチング処理によって個別化されたダイの側面内に形成される。側面バイア３２は、追加の熱交換体として作用する。側面バイアは、不動態化層１８で被覆され、及び／又は熱伝導層２０及び任意的に熱放射率強化層２８で被覆又は充填することができる。側面バイア３２は、本明細書に説明する実施形態のいずれにおいても組み込むことができる。
【００２２】
有効な熱放散（例えば、熱伝導及び熱放射）のために、上述の半導体チップのいずれもシリコンベースのヒートシンク上に装着することが好ましい（しかし、必ずしも必要であるわけではない）。シリコンヒートシンクの様々な実施形態を以下に説明するが、シリコンヒートシンクは、上述のチップ構成のいずれか又は有効な熱放散を必要とするあらゆる他の半導体チップ構造と共に使用することができる。
【００２３】
図８Ａ〜図８Ｅは、シリコン基板４２で始まるシリコンヒートシンク４０の形成を示している。フォトレジスト４４の層が、シリコン基板４２の上面上に堆積される。フォトレジスト４４は、図８Ａに示すように、同じく露出されたより小さい隣接上面区域と共に、露出された上部基板面の中心区域を残すために適切なフォトリソグラフィ処理で露出されてエッチングされる。
【００２４】
露出されたシリコン基板面は、キャビティ４６及び複数の深いトレンチ、チャネル、孔、又は他のキャビティタイプの空隙４８を基板４２の上面内へ形成するためにエッチングされる。ドライエッチが、エッチング処理に好ましい。キャビティ４６及びトレンチ４８の深さ、幅、形状、及び位置は、ランダム又は疑似ランダムとすることができる。トレンチ４８は、基板４２の冷却フィン５０を定める。トレンチ４８の壁は、空気流改善のためにテーパ付きであることが好ましい。得られる構造を図８Ｂに示している。
【００２５】
フォトレジスト４４が除去された後に、熱伝導層５２が、内側キャビティ４６及びトレンチ４８を含む基板４２の上面上に堆積される。任意的に、この層は、同じく基板４２の底面上に堆積させることができる。層５２の目的は、ヒートシンクにわたって熱伝導性を強化し、従って、熱放散機能を増大させることである。銅、銀、グラフェン、炭素関連の材料、又はあらゆる他の公知の熱伝導材料のような材料を使用することができる。堆積は、物理蒸着（ＰＶＤ）又は選択材料に対して適切なあらゆる他の処理によるものとすることができる。熱伝導層５２がボンディング層を兼ねることができない場合は、ボンディング層を個別に適用することができる。金属間ボンディングが、熱伝導性特性のために好ましい。銅が使用される場合に、熱圧縮ボンディング処理を通じた従来の銅間ボンディングを用いることができる。銀又はインジウムが使用される場合に、銀インジウム室温溶接処理を用いることができる。得られる構造を図８Ｃに示している。
【００２６】
半導体チップ１０に関して上述したような熱放射率強化層は、ボンディング区域を除くヒートシンク４０上のあらゆる位置に任意的にかつランダムに又は疑似ランダムに選択的に堆積させることができる。熱放射率強化材料は、シリコン基板４２又は熱伝導層５２のすぐ上に堆積させることができる。最終ヒートシンク面は、任意的に、熱放射率を強化するために選択的に化学研磨することができる。複数のヒートシンク４０が、単一基板４２上に同時に形成されることが好ましいが、これには、次に、図８Ｄに示すように、結果的に個々の別々のヒートシンク４０が得られるようにスクリブ線に沿った基板４２の個別化が必要である。
【００２７】
個別化前又は後のいずれかに、半導体デバイスは、キャビティ４６の内側に取り付けられ、キャビティ内では、熱は、デバイスから伝導され、基板４２及び熱伝導層５２を通り、かつ冷却フィン５０によって基板４２から出る。一例として、図８Ｅは、ヒートシンク４０のキャビティ４６内へ取り付けられた図６のチップ１０を示している。ヒートシンク４０は、シリコン基板と、シリコン熱交換体（すなわち、基板内に形成された深いトレンチ）と、半導体チップが取り付けられたキャビティの内側の熱伝導ボンディング界面と、強化熱コーティングと、ヒートシンク及びそれに取り付けられた半導体チップのぴったりとした一体物とを含むモノリシックシリコンヒートシンク構造を特徴とする。この構造は、小型規模での最適な半導体チップ熱放散を可能にする。
【００２８】
図９は、追加の熱放散のための熱交換特徴が基板４２の底面上に形成された図８Ｄのヒートシンク４０の代替実施形態を示している。具体的には、テーパ付きのバイア５４が、基板４２の底面に形成され、かつ図３で基板１２の底面に形成されたバイア２６及び熱伝導層２０に関して上述したのと同じ方法で熱伝導層５６で被覆（すなわち、裏打ち）される。
【００２９】
図１０は、追加の熱放散のための熱交換特徴が、基板４２の底面上に配置された熱伝導層内に形成された図９のヒートシンク４０の代替実施形態を示している。具体的には、より厚い熱伝導層５６が、基板４２の底面上に形成され、テーパ付きのバイア５８が、図５Ｃで基板１２の底面上の熱伝導層２０内に形成されたバイア３０に関して上述したのと同じ方法で熱伝導層５６内に形成される。
【００３０】
図１１Ａ〜図１１Ｄは、基板４２を通って延びて基板４２の凹んだ上面及び底面を熱的に接続する熱バイアを含むシリコンヒートシンク４０の代替実施形態の形成を示している。図８Ｂの構造で開始されて、フォトレジスト４４除去後に、バイア６０は、基板１２の底面内に形成されたバイア２６に関して上述したのと同じ方法で基板６０の底面内に形成される。得られる構造を図１１Ａに示している。
【００３１】
フォトレジスト６２が、基板４２の底面上に堆積される（バイア６０内を含む）。フォトレジスト６２は、キャビティ４６の下に配置されたバイア６０の頂点部分でフォトレジストの選択された部分を除去するためにフォトリソグラフィを通して露出されてエッチングされ、図１１Ｂに示すように、露出された基板４２の底面の選択された部分が残る。
【００３２】
その後に、シリコンエッチングが、基板４２を通ってキャビティ４６まで延びる貫通孔６４を形成するために基板４２の底面に実行される。シリコンエッチングは、ドライエッチであることが好ましい。貫通孔６４は、垂直又はテーパ付きの側壁を有することができる。図１１Ｃは、得られる構造（フォトレジスト６２が除去された後）を示している。熱伝導層６６は、上述のものと類似の方法で基板４２の上面及び底面の両方に形成される。層６６により、様々なキャビティ、トレンチ、及びバイアが裏打ち又は充填される。層６６により、図１１Ｄに示すように、キャビティ４６、トレンチ４８、及びバイア６０が裏打ちされ、貫通孔６４を充填することが好ましい。貫通孔６４内の熱伝導材料６６は、特に材料６６がシリコンよりも熱伝導性である場合に、キャビティ４６内に取り付けられたデバイスから基板４２を通ってバイア６０に熱を効率的に伝達する。
【００３３】
上述のヒートシンクの異なる特徴を混在かつ適合させるヒートシンク４０の他の変形を使用することができる。例えば、図１２は、図１１Ｄに示す熱伝導性材料で充填された貫通孔６４と共に、図１０に示す基板４２の底面上の熱伝導層５６内に形成されたバイア５８を兼ね備えるヒートシンク４０を示している。図１３は、図８Ｃのヒートシンク４０を示すが、熱伝導層５２は、基板４２の底面上にも形成される。図１４は、図８Ｃのヒートシンク４０を示すが、キャビティ４６、トレンチ４８、及びフィン５０は、同じく基板４２の底面内に形成される。図１５は、図１４のヒートシンク４０を示すが、貫通孔６４は、基板４２を通って延び、かつ熱伝導材料で充填される。図１６は、図１４のヒートシンク４０を示すが、追加のトレンチ４８及びフィン５０が、上面のキャビティ４６の反対側で基板４２の底面内に形成される。図１７は、図１６のヒートシンク４０を示すが、貫通孔６４は、基板４２を通って延び、かつキャビティ４６に隣接して熱伝導材料で充填される。図１８は、図１７Ｃのヒートシンク４０を示すが、トレンチ４８及びフィン５０は、基板４２の上面上に形成されない（すなわち、基板は、平面の上面を有する）。図１９は、図１８のヒートシンク４０を示すが、貫通孔６４を欠く基板４２の部分はない（例えば、基板４２のサイズは、基板に取り付けられた基板１２のサイズに適合することができる）。図２０は、図１９のヒートシンク４０を示すが、トレンチ４８及びフィン５０は、基板４２の底面の中心部分上にのみ形成される。図２１は、図１５のヒートシンク４０を示すが、基板４２の上面のキャビティ４６からオフセットされた基板４２の底面のキャビティ４６を有する。
【００３４】
シリコンベースのチップ１０及びヒートシンク４０は、多くの利点を有する。シリコンでヒートシンクを製造すると、高度エッチング処理を利用することができ、それによって超高密度での小型構造の製造が可能であり、従って、材料の容積当たりより多くの面積が可能である。また、ヒートシンク特徴部の小型化により、従来技術の設計では利用できなかったか、又は利用されないままであった空間の利用が可能である。例えば、半導体チップの側面は、通常は空き空間であるか、又は成型材料で覆われる。シリコンをヒートシンク基板として使用すると、チップレベルまでのヒートシンクの収縮が可能であり、かつ全ての利用可能な空間が非常に高い効率で利用される。高度シリコンエッチング技術が可能になるシリコン基板を熱放散に使用すると、それまでは従来のヒートシンク製造技術を利用するには過度に高価であり、又は不可能であった多くの形状及び設計が利用可能になり、それによって半導体ヒートシンクのための高度な空気流設計が開かれる。
【００３５】
「熱界面材料（ＴＩＭ）」は、約９及び高くても８０の平均熱Ｋ値を有する。グリース及びテープベースのＴＩＭは、摩損しやすく、本発明と比較すると断熱体と見なすことができる。半田ベースのＴＩＭは、本発明の性能の単に１／４の性能であり、かつ遥かに肉厚である。本発明は、３５０及びそれを超えるターゲット熱Ｋ値で半導体チップ１０とシリコンヒートシンク４０の間の金属間ボンディングを提供する。シリコンベースのヒートシンクをシリコンベースの半導体チップと共に使用することにより、熱膨張（ＣＴＥ）係数の変動は、もはや問題ではなく、従って、半導体チップをＴＩＭなしでヒートシンクに直接にボンディングすることができ、従って、熱放散速度の大きい増加が得られる。
【００３６】
半導体チップは、特定の区域又は点が過熱することが多く、それによってチップ全体、モバイルデバイス、及びその冷却システムの計算性能に対する障害が発生する。本発明は、熱をホットスポットから迅速に取り除き、従って、より高い計算性能及び熱放射速度を可能にするために半導体チップ上の熱伝導性強化層を含む。熱伝導性強化層はまた、同じ目的でシリコンヒートシンクに適用される。
【００３７】
一部の材料は、熱伝導において極めて良好であるが、必ずしも熱放射率（放射熱伝達）に最良というわけではない。例えば、銅及び銀は、最良の熱伝導性及び熱放射率係数の一部を有している。しかし、これらの金属は、急速に酸化することになり、これは、熱伝導性は無傷のままであるが、放射率性能を実質的に低下させる。高い熱放射率係数を保持しながら熱伝導層を酸化から保護することが好ましい。従って、熱伝導層を有する上述の実施形態のいずれも、熱伝導層（例えば、熱伝導性のための銅又は銀）上に形成された熱放射率強化層（例えば、放射率のためのニッケル又は金）を含むことができる。下記は、熱放射率強化層に理想的である材料のリストである。
【００３８】
（表）
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【００３９】
パターンをシリコンウェーハ（又はあらゆる他の材料）上に生成する時に、シリコン基板の反りが発生し、構造に悪影響を与える可能性がある。従って、バイア又はトレンチのパターンを上述したように基板１２及び４２に形成する時に、個別化前にウェーハの反りを最小にするために使用することができるいくつかの技術がある。ウェーハ反りを最小にする第１の技術は、互いから最終的に個別化されるチップ又はヒートシンク間のバイア又はトレンチを中断することである。より具体的には、スクリブ線が位置するか又は位置することになるウェーハのそれらの区域は、図２２に示すようにバイア及びトレンチなしであるべきである。バイア／トレンチパターン７０は、デバイス７４（例えば、チップ１０、ヒートシンク４０のような）間に存在するシリコンウェーハ７２の部分には形成されない。
【００４０】
ウェーハ反りを最小にする第２の技術は、図２３に示すように、バイア／トレンチパターン７０を隣接横列のバイア／トレンチパターン７０に対して直交するように向けることである。具体的には、バイア／トレンチパターン７０は、第１の横列のデバイス７４内で水平に向けられ、第２の横列のデバイス７４内で垂直に向けられる等々である。
【００４１】
ウェーハ反りを最小にする第３の技術は、図２４に示すように、各デバイス７４に対するバイア／トレンチパターン７０を全ての隣接デバイス７４内のものに対して直交するように向けることである。
【００４２】
本発明は、以上の及び本明細書に示す実施形態に限定されず、添付された特許請求の範囲に該当する全ての変形を包含することは理解されるものとする。例えば、本明細書での本発明への言及は、いずれの特許請求の範囲又は特許請求の範囲の用語の範囲も制限することは意図しておらず、これに代えて、特許請求の範囲の１つ又はそれよりも多くによって包含することができる１つ又はそれよりも多くの特徴に単に言及するに過ぎない。上述の材料、処理、及び多くの実施例は、例示的にすぎず、かつ特許請求の範囲を制限すると見なされるものではない。更に、特許請求の範囲及び本明細書から明らかなように、全ての方法段階は、示すか又は主張する正確な順序で実行する必要があるわけではなく、むしろ本発明の半導体チップ及び／又はヒートシンクの適切な形成を可能にするいずれかの順序で実行される必要がある。材料の単層は、そのような又は類似の材料の複数の層として構成することができ、そのような又は類似の材料の複数の層は、材料の単層として構成することができる。最後に、冷却フィン５０は、直線的かつ互いに平行に図示して説明したが、他のフィン構成も望ましい熱放射をもたらすのに使用することができる。例えば、図２５Ａは、直線的で平行なフィン２５を示している。しかし、フィン２５は、不連続とすることができ（図２５Ｂに示すように）、星印構成のような非平行の構成に向けることができ（図２５Ｃに示すように）、又は丸い柱として構成することができる（図２５Ｄに示すように）。
【００４３】
本明細書に使用する時に用語「の上」及び「上」は、両方とも「直接的に上」（その間に配置された中間材料、要素、又は空間なし）及び「間接的に上」（その間に配置された中間材料、要素、又は空間あり）を網羅的に含むことに注意しなければならない。同じく、用語「隣接して」は、「直接的に隣接して」（その間に配置された中間材料、要素、又は空間なし）及び「間接的に隣接して」（その間に配置された中間材料、要素、又は空間あり）を含み、「に装着された」は、「直接的に装着された」（その間に配置された中間材料、要素、又は空間なし）及び「間接的に装着された」（その間に配置された中間材料、要素、又は空間あり）を含み、「電気的に結合された」は、「直接的に電気的に結合された」（要素を互いに電気的に結合するものの間に中間材料又は要素なし）及び「間接的に電気的に結合された」（要素を互いに電気的に結合するものの間に中間材料又は要素あり）を含む。例えば、要素を「基板の上に」形成する段階は、中間材料／要素がその間になく要素を基板上に直接的に形成する段階、並びに１つ又はそれよりも多くの中間材料／要素がその間にあって要素を基板上で間接的に形成する段階を含むことができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  半導体チップ
１２  シリコン基板
１４  半導体デバイス
１６  ボンドパッド
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
0005975449.tif 000012
【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【図１０】
0005975449.tif 000022
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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