(57)【要約】【課題】比較的簡易な構成で極めて熱抵抗が低く効率の良い放熱を実現する信頼性の高い電子デバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板１の表面に素子層１１が形成された半導体チップ１０と、半導体チップ１０の放熱を行うヒートシンク２０とが、ヒートスプレッダを介して接続される電子デバイスの製造方法であって、半導体チップ１０の裏面に、第１のカーボンナノチューブ１４を用いて第１のヒートスプレッダ２を形成し、ヒートシンク２０に、第２のカーボンナノチューブ２３を用いて第２のヒートスプレッダ４を形成し、第１のヒートスプレッダ２と第２のヒートスプレッダ４とを貼り合わせる。【選択図】図５
2015023256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に素子層が形成された電子部品と、
前記電子部品の放熱を行うヒートシンクと、
前記電子部品の裏面と前記ヒートシンクとの間に設けられるヒートスプレッダと
を含み、
前記ヒートスプレッダは、
前記電子部品の裏面に形成され、第１のカーボンナノチューブを有する第１のヒートスプレッダと、
前記ヒートシンクに形成され、第２のカーボンナノチューブを有する第２のヒートスプレッダと
を備えることを特徴とする電子デバイス。
【請求項２】
前記第１のヒートスプレッダは、前記第１のカーボンナノチューブと第１の金属との第１の複合材料を有し、
前記第２のヒートスプレッダは、前記第２のカーボンナノチューブと第２の金属との第２の複合材料を有し、
前記第１の複合材料及び前記第２の複合材料は、共に平坦面を有しており、前記平坦面同士で貼り合わされることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記第１の複合材料及び前記第２の複合材料は、前記平坦面同士で直接的に貼り合わされることを特徴とする請求項２に記載の電子デバイス。
【請求項４】
基板の表面に素子層が形成された電子部品と前記電子部品の放熱を行うヒートシンクとが、ヒートスプレッダを介して接続される電子デバイスの製造方法であって、
前記電子部品の裏面に、第１のカーボンナノチューブを用いて第１のヒートスプレッダを形成する工程と、
前記ヒートシンクに、第２のカーボンナノチューブを用いて第２のヒートスプレッダを形成する工程と、
前記第１のヒートスプレッダと前記第２のヒートスプレッダとを貼り合わせる工程と
を含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記第１のヒートスプレッダは、前記第１のカーボンナノチューブと第１の金属との第１の複合材料を用いて形成され、
前記第２のヒートスプレッダは、前記第２のカーボンナノチューブと第２の金属との第２の複合材料を用いて形成され、
前記第１の複合材料及び前記第２の複合材料は、共に平坦面を有しており、前記平坦面同士で貼り合わされることを特徴とする請求項４に記載の電子デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記第１の複合材料及び前記第２の複合材料は、前記平坦面同士で直接的に貼り合わされることを特徴とする請求項５に記載の電子デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイス及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子デバイス、例えば半導体デバイスにおいて、その放熱技術としては、半導体素子とヒートシンクとの間に、上下面に高熱伝導性接着材料であるＴＩＭ１，ＴＩＭ２を付加したヒートスプレッダを配するもの等がある。また、半導体素子とヒートシンクとの間にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を形成した放熱技術も案出されている（例えば、特許文献１〜３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１９２６５６号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２６６１号公報
【特許文献３】特開２０１０−２６７７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のＣＮＴを用いた放熱技術では、いずれも半導体素子とヒートシンクとの接合箇所で熱抵抗が高くなり、十分な放熱ができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構成で極めて熱抵抗が低く効率の良い放熱を実現する信頼性の高い電子デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電子デバイスは、基板の表面に素子層が形成された電子部品と、前記電子部品の放熱を行うヒートシンクと、前記電子部品の裏面と前記ヒートシンクとの間に設けられるヒートスプレッダとを含み、前記ヒートスプレッダは、前記電子部品の裏面に形成され、第１のカーボンナノチューブを有する第１のヒートスプレッダと前記ヒートシンクに形成され、第２のカーボンナノチューブを有する第２のヒートスプレッダとを備える。
【０００７】
本発明の電子デバイスの製造方法は、基板の表面に素子層が形成された電子部品と前記電子部品の放熱を行うヒートシンクとが、ヒートスプレッダを介して接続される電子デバイスの製造方法であって、前記電子部品の裏面に、第１のカーボンナノチューブを用いて第１のヒートスプレッダを形成する工程と、前記ヒートシンクに、第２のカーボンナノチューブを用いて第２のヒートスプレッダを形成する工程と、前記第１のヒートスプレッダと前記第２のヒートスプレッダとを貼り合わせる工程とを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、比較的簡易な構成で極めて熱抵抗が低く効率の良い放熱を可能とする信頼性の高い電子デバイスが実現する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図２】図１に引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図３】図２に引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図４】図３に引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図５】図４に引き続き、本実施形態による電子デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態では、電子デバイスとして、ＭＯＳ構造のトランジスタ素子を機能素子として備えた半導体デバイスを、その製造方法と共に開示する。なお、半導体デバイスとして、本実施形態のＭＯＳトランジスタ以外でも各種のメモリ素子、キャパシタ素子等を機能素子として有するものが適用できる。
図１〜図５は、本実施形態による半導体デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【００１１】
先ず、各半導体チップを形成する。
図１（ａ）に示すように、表面に素子層１１が形成された半導体基板、例えばシリコン基板１を用意する。
素子層１１は、例えば、機能素子としてＭＯＳ構造のトランジスタ素子及びその配線構造等が絶縁膜内に形成されてなるものである。
【００１２】
続いて、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１の表面側（素子層１１の側）を、支持基板３０に載置固定する。
続いて、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１の裏面をバックグラインドで研削し、シリコン基板１を所定厚に薄化する。
【００１３】
続いて、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１の裏面にＣＮＴ１４を成長する。
詳細には、先ず、スパッタ法等により、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ等を数ｎｍ程度〜２０ｎｍ程度の厚みに堆積する。これにより、シリコン基板１の裏面上には、バリアメタルである下地材料１２が形成される。
次に、真空蒸着法等により、触媒材料を例えば、数ｎｍ程度の厚みに堆積する。触媒材料としては、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｖ等から選ばれた１種又は２種以上の混合材料を用いる。例えばＣｏ／Ｔｉ又はＣｏ／Ｖが選ばれる。これにより、シリコン基板１の裏面には、下地材料１２上に触媒材料１３が形成される。
【００１４】
次に、例えば熱ＣＶＤ法により、成長温度を４００℃〜４５０℃の低温範囲内の値、ここでは４５０℃程度に設定し、カーボン・ナノ・チューブ（ＣＮＴ）の成長処理を実行する。これにより、シリコン基板１の裏面に存する触媒材料１３から起立するようにＣＮＴ１４が形成される。ＣＮＴ１４は、例えば、数μｍ程度〜数百μｍ程度の長さに形成される。ＣＮＴは基板材料であるシリコンよりも熱伝導率が高く放熱性に優れた材料である。
【００１５】
続いて、図２（ｂ）に示すように、ＣＮＴ１４を埋め込む金属材料１５を形成する。
詳細には、熱伝導性の高い金属材料１５として例えばＣｕを、電解メッキ法等によりＣＮＴ１３を埋め込むように、シリコン基板１の裏面に形成する。これにより、シリコン基板１の裏面には、ＣＮＴ１４とＣＮＴ１４を埋め込む金属材料１５との複合材料が形成される。金属材料１５としては、Ｃｕの代わりに、例えばＡｇ，Ａｕ等を用いることができる。また、メッキの代わりに、金属ナノ粒子分散液等を用いることもできる。
【００１６】
続いて、図２（ｃ）に示すように、複合材料の余分な金属材料１５を除去する。
詳細には、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法により、複合材料内のＣＮＴ１４の先端が露出するまで、複合材料の金属材料１５を研磨除去する。これにより、複合材料からなり、平坦な表面からＣＮＴ１４の先端が露出する、第１のヒートスプレッダ２が形成される。
【００１７】
続いて、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１をダイシング処理して、半導体チップごとにダイシングライン１ａに沿ってダイシングする。
続いて、図３（ｂ）に示すように、支持基板３０から各半導体チップ１０を離間させる。
半導体チップ１０は、シリコン基板１の表面に素子層１１が形成されてなる。半導体チップ１０の裏面には、第１のヒートスプレッダ２が形成されている。
【００１８】
次いで、ヒートシンクを形成する。
図４（ａ）に示すように、ヒートシンクの基台３を用意する。基台３は、例えばＣｕ又はＡｌ等の熱伝導性の高い金属材料からなる。
【００１９】
続いて、図４（ｂ）に示すように、基台３の裏面にＣＮＴ２３を成長する。
詳細には、先ず、スパッタ法等により、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ等を数ｎｍ程度〜２０ｎｍ程度の厚みに堆積する。これにより、基台３の裏面上には、バリアメタルである下地材料２１が形成される。
次に、真空蒸着法等により、触媒材料を例えば、数ｎｍ程度の厚みに堆積する。触媒材料としては、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｖ等から選ばれた１種又は２種以上の混合材料を用いる。例えばＣｏ／Ｔｉ又はＣｏ／Ｖが選ばれる。これにより、基台３の裏面には、下地材料２１上に触媒材料２２が形成される。
【００２０】
次に、例えば熱ＣＶＤ法により、成長温度を４００℃〜４５０℃の低温範囲内の値、ここでは４５０℃程度に設定し、カーボン・ナノ・チューブ（ＣＮＴ）の成長処理を実行する。これにより、基台３の裏面に存する触媒材料２２から起立するようにＣＮＴ２３が形成される。ＣＮＴ２３は、例えば、数μｍ程度〜数百μｍ程度の長さに形成される。ＣＮＴは土台材料であるＣｕ等よりも熱伝導率が高く放熱性に優れた材料である。
【００２１】
続いて、図４（ｃ）に示すように、ＣＮＴ２３を埋め込む金属材料２４を形成する。
詳細には、熱伝導性の高い金属材料２４として例えばＣｕを、電解メッキ法等によりＣＮＴ２３を埋め込むように、基台３の裏面に形成する。これにより、基台３の裏面には、ＣＮＴ２３とＣＮＴ２３を埋め込む金属材料２４との複合材料が形成される。金属材料２４としては、Ｃｕの代わりに、例えばＡｇ，Ａｕ等を用いることができる。また、メッキの代わりに、金属ナノ粒子分散液等を用いることもできる。
【００２２】
続いて、図４（ｄ）に示すように、複合材料の余分な金属材料２４を除去する。
詳細には、例えばＣＭＰ法により、複合材料内のＣＮＴ２３の先端が露出するまで、複合材料の金属材料２４を研磨除去する。これにより、複合材料からなり、平坦な表面からＣＮＴ２３の先端が露出する、第２のヒートスプレッダ４が形成される。
【００２３】
続いて、図５（ａ）に示すように、基台３の表面に放熱フィン５を形成する。放熱フィン５は、基台３と同一の高い熱伝導性の金属で形成することが望ましい。以上により、基台３の表面に放熱フィン５が設けられてなるヒートシンク２０が形成される。ヒートシンク２０の裏面には、第２のヒートスプレッダ４が形成されている。
【００２４】
続いて、図５（ｂ）に示すように、半導体チップ１０の第１のヒートスプレッダ２の表面と、ヒートシンク２０の第２のヒートスプレッダ４の表面とを対向させ、両者を直接的に接触させる。第１及び第２のヒートスプレッダ２，４の各表面はＣＭＰ法で平坦化されており、平坦性に優れた状態とされており、両者は真空雰囲気にて所定圧で接触させることで接着固定される。このとき接合面にインジウム層を形成し、加圧と同時に加熱接合しても良い。
【００２５】
半導体チップ１０の素子層１１には、表面の端子上に例えばハンダボール６が配設され、所定の実装基板４０と電気的に接続される。以上により、本実施形態の半導体デバイスが形成される。
【００２６】
本実施形態の半導体デバイスでは、第１及び第２のヒートスプレッダ２，４が表面を対向させて接着固定され、ヒートスプレッダが構成されている。この場合、第１及び第２のヒートスプレッダ２，４からなるヒートスプレッダ自身、ヒートスプレッダと半導体チップ１０との間、ヒートスプレッダとヒートシンク２０との間には、熱抵抗の高い介在物はない。このように本実施形態によれば、比較的簡易な構成で極めて熱抵抗が低く効率の良い放熱を実現する信頼性の高い半導体デバイスが得られる。
【００２７】
以下、電子デバイス及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００２８】
（付記１）基板の表面に素子層が形成された電子部品と、
前記電子部品の放熱を行うヒートシンクと、
前記電子部品の裏面と前記ヒートシンクとの間に設けられるヒートスプレッダと
を含み、
前記ヒートスプレッダは、
前記電子部品の裏面に形成され、第１のカーボンナノチューブを有する第１のヒートスプレッダと、
前記ヒートシンクに形成され、第２のカーボンナノチューブを有する第２のヒートスプレッダと
を備えることを特徴とする電子デバイス。
【００２９】
（付記２）前記第１のヒートスプレッダは、前記第１のカーボンナノチューブと第１の金属との第１の複合材料を有し、
前記第２のヒートスプレッダは、前記第２のカーボンナノチューブと第２の金属との第２の複合材料を有し、
前記第１の複合材料及び前記第２の複合材料は、共に平坦面を有しており、前記平坦面同士で貼り合わされることを特徴とする付記１に記載の電子デバイス。
【００３０】
（付記３）前記第１の複合材料及び前記第２の複合材料は、前記平坦面同士で直接的に貼り合わされることを特徴とする付記２に記載の電子デバイス。
【００３１】
（付記４）基板の表面に素子層が形成された電子部品と前記電子部品の放熱を行うヒートシンクとが、ヒートスプレッダを介して接続される電子デバイスの製造方法であって、
前記電子部品の裏面に、第１のカーボンナノチューブを用いて第１のヒートスプレッダを形成する工程と、
前記ヒートシンクに、第２のカーボンナノチューブを用いて第２のヒートスプレッダを形成する工程と、
前記第１のヒートスプレッダと前記第２のヒートスプレッダとを貼り合わせる工程と
を含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【００３２】
（付記５）前記第１のヒートスプレッダは、前記第１のカーボンナノチューブと第１の金属との第１の複合材料を用いて形成され、
前記第２のヒートスプレッダは、前記第２のカーボンナノチューブと第２の金属との第２の複合材料を用いて形成され、
前記第１の複合材料及び前記第２の複合材料は、共に平坦面を有しており、前記平坦面同士で貼り合わされることを特徴とする付記４に記載の電子デバイスの製造方法。
【００３３】
（付記６）前記第１の複合材料及び前記第２の複合材料は、前記平坦面同士で直接的に貼り合わされることを特徴とする付記５に記載の電子デバイスの製造方法。
【符号の説明】
【００３４】
１  シリコン基板
２  第１のヒートスプレッダ
３  基台
４  第２のヒートスプレッダ
５  放熱フィン
６  ハンダボール
１０  半導体チップ
２０  ヒートシンク
１１  素子層
１２，２１  下地材料
１３，２２  触媒材料
１４，２３  ＣＮＴ
１５，２４  金属材料
３０  支持基板
４０  実装基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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