专利名称：三维集成电路横向散热的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路(1C)，且更明确地说涉及多分层(3-D) 1C，且再更明确地说涉及用于增强3-D IC中的散热的系统及方法。
背景技术：
在IC技术中，存在将芯片(裸片)堆叠在一起以形成多层或三维(3-D) IC装置的需要。此3-D IC堆叠的一个结果为在信号处理期间的信号传播时间的减少，其归因于减小的距离信号必须在其保持处于单一封装内时行进。一种用于层接合的方法为使两个(或两个以上)裸片集合在一起，且接着将所述裸片囊封到单一结构中。相应裸片的表面上的电导体及/或电接触用以携载不同裸片上的组件之间的电信号。当紧靠着彼此来定位裸片时的一个问题在于热密度增加。此外，由于堆叠的IC的尺寸减小，(衬底厚度从700-100微米到20微米以下)，横向热传导率得以减小。因此，可能存在具有将热从热源移走的极小能力的热点。一种用于增加横向热传导率的方法为增加层中的至少一者的衬底厚度。另一方法为增加芯片中的金属层体以能够散热。此又负面地影响封装的所要纵横比，以及使信号传输速度降级。
当接合一个以上层时，存在额外的问题。在所述情形下，堆叠的IC装置在层之间含有多个氧化物层。为不良热导体的氧化物增加了散热问题。存在可采用以帮助热传导率问题的若干方法。一个此方法可使用穿硅通孔(through-silicon-via,TSV)将热从内部部分移到表面层,且接着使用传统方法移除热,例如，定位于IC封装的表面上的高热传导率材料。此解决方案的问题在于，由于装置接近产生热的热点而构造于各种层中，所以电路布局可阻止将TSV定位于必要的位置处。另一方法为经由堆叠的IC装置循环冷却材料以冷却各种热点。此制造成本高，因为移动液体需要抽吸机构及对于液体通道的紧密公差。又，可能不可能将冷却材料通道输送到必要的位置。通过迫使冷却液体通过衬底自身，可在一定程度上克服通道化问题，但此方法却伴随有另一组问题及成本。
发明内容
本发明的实施例用热传导材料填充堆叠的裸片之间的气隙，其允许横向转移在每一裸片内的一个或一个以上位置处产生的热。热的横向转移可沿着裸片的全部长度或沿着长度的一部分。在一个实施例中，热材料是电绝缘的。在一个实施例中，TSV (可能使用碳纳米管)可经构造于某些位置处以辅助远离受热干扰(thermally troubled)位置的散热(heat dissipation)。在一个实施例中，多分层(mult1-tiered)半导体具有热传导材料,其经安置于第一层与第二层之间，其中所述材料具有比所述第一层及第二层的热传导率高的热传导率。在另一实施例中，揭示一种制造分层半导体的方法，其中将热传导材料涂覆到第一裸片的至少一个配合表面，且使所述裸片的所述配合表面与第二裸片的配合表面配合接触。在又一实施例中，揭示一种用于堆叠的IC装置中的散热的方法，其允许来自多分层IC装置的一个层体(layer)的受热干扰区域的热流动到所述装置的邻近层之间的层体间，使得促进在所述层体间区域中到与所述层体间区域热连通的至少一个散热位置的横向热流动。在一个实施例中，散热区域为经构造穿过所述装置的层的至少一个层体的通孔。在另一实施例中，散热区域为同一层中的邻近裸片之间的间隙。前文已相当广泛地概述了本发明的特征及技术优势以便可较好地理解随后的详细描述。下文将描述形成本发明的权利要求书的主体的额外特征及优势。所属领域的技术人员应了解，所揭示的概念及特定实施例可易于用作修改或设计用于进行本发明的同样目的的其它结构的基础。所属领域的技术人员还应认识到，所述等效构造并不脱离如随附权利要求书中所阐明的本发明的精神及范围。当结合附图考虑时，从以下描述将更好地理解据信为本发明所特有的新颖特征(关于其组织及操作方法两者)以及其它目的及优势。然而应明确理解，仅为说明及描述的目的而提供所述图中的每一者，且无意作为本发明的限制的定义。
为了更完全理解本发明，现参看结合随附图式进行的以下描述。图1为说明可 与3-D集成电路一起存在的受热干扰条件的一个方面的横截面侧视图。图2为说明对热移除问题的一个示范性解决方案的横截面侧视图。图3为展示本发明的概念的一个实施例的横截面侧视图。图4展示根据本发明的教示的用于构造堆叠的IC装置的方法的一个实施例。
具体实施例方式图1说明可与3-D集成电路一起存在的受热干扰条件的一个方面。如图1中所示，裸片11与裸片12堆叠。裸片11的有源层体为层体102，且裸片12的有源层体为层体103。此为示范性布置，因为裸片的有源层体可处于任何定向(上或下)上。通孔105延伸穿过裸片11的衬底层体101。可按需要将通孔构造于层体102、103及/或104中。电路径107及108形成裸片之间的互连。密封件109用以防止非所要污染物进入相应裸片11、12之间的区域120。元件108通常为30微米或30微米以下的级别，且通常形成铜或锡铜金属以进行金属接合。区域120通常为气隙。间隙120可处于小于10微米的范围中。热点110处于裸片12上，且挑战在于将热从此相对小的区域110移到裸片堆叠的外部部分。注意，元件111直接在热点Iio上方,且将受到从热点110向上移动穿过层体103、102、101的热的影响。图2说明对热移除问题的一个论述的解决方案。在此解决方案中，具有个别TSV20U202及203的TSV阵列200经定位以提供针对来自热点110的热的热传导率。热穿过层体103(其为底部裸片12的有源区域)。热接着穿过裸片11的有源层体102，且接着经由TSV阵列200而向外部散出。通孔201、202、203可为经加衬以增加热传导率的铜或钨，但任何热传导材料均将起作用。在一个实施例中，可使用碳纳米管(CNT)填充通孔201、202、203。在另一实施例中，CNT部分地填充通孔201、202、203且金属填充通孔201、202、203的剩余部分。CNT的优势为改进的电及热传导率，以及改进的电流密度。图3展示利用本发明的概念的一个实施例30。热传导材料320经定位于裸片31与32之间的间隙内。在另一实施例中，热传导材料320处于层31、32的有源层体302、303中的一者的金属层体(未图示)之间。热传导材料320理想地将具有大于10W/m/K的热传导率，以便促进横向热传递。材料320为热传导的，且在一个实施例中，为电绝缘的，使得其不使连接裸片31、32的电连接短路，使电连接短路将干扰裸片31、32中含有的元件的操作。可通过多种方法(例如，旋涂)来定位或通过化学气相沉积(CVD)及/或物理气相沉积(PVD)来沉积材料320。材料320可为金刚石基体或金刚石膜图案。虽然仅展示于裸片31中的一者的一个层体302上，但可将材料320定位于两个配合层体302、303中的每一者的表面上，使得当堆叠裸片31、32时，每一层体302、303上的材料320实际上彼此触碰。或者，可将材料320仅放置于配合层302、303中的一者上。在操作中，来自热点310的热向上穿过裸片32的层体303，且到材料320中。热接着沿着材料320横向行进到装置的边缘(例如，悬挂边缘330上方)，或更通常地，热将向上穿过一个或一个以上散热通孔，例如，穿过在裸片31的层体301中构造的通孔331。由于热的横向移动，在装置30上存在较好的温度均一性。此益处允许热在整个装置30上相对快地散布，从而致使装置30均匀地变热。从较大区域(例如，整个装置30或装置的封装)移除热比从小的内部区域移除热易于完成。注意，散热通孔331可向上穿过裸片31或向下穿过裸片32 (或两者)。热传导材料320的一个优势在于，可使散热通孔331从受热干扰区域310横向偏移，从而释放直接在受干扰区域上方的区域以用于电路或在各种层体301、302、303中构造的其它元件。又，注意，热不需要直接向上流过层体301、302、303，而是通孔331可(例如)有角度及/或弯曲。横向散热的另一优势在于，需要较少的TSV。对于具有两个以上层的多分层装置，可使用多个层体间散热材料结构。因此，热可在第一层体间区域中从热源横向移动第一距离，且接着借助通孔向上穿过一层，且接着再次在第二层体间区域中横向移动(在任一方向上)，假设热传导材料经定位于第一及第二层体间区域两者中。 允许从材料320的甚至更大热移除的一个系统将使层体中的一者(例如，裸片31)在周长上比另一裸片32大，从而在所述裸片中的较大者上的突出唇缘上产生表面区域，例如，表面区域330。注意，此同一技术将对若干层起作用，如果需要，可关于直径使所述若干层交错。材料320的组成在整个表面上未必相同，且可使用材料320的差异来辅助远离热点310的热传导率。
在一个实施例中，底部裸片比顶部裸片大。因此，在搁置于底部裸片上的(单一层的)两个顶部裸片之间将存在间隙。根据本发明，可将间隙填充材料提供于顶部裸片之间的此间隙中。间隙填充材料可为热传导的，且可为具有良好热传导率的任何材料，例如，金刚石膜。在一个实施例中，将热传导间隙填充材料热耦合到材料320以帮助将热传递出堆叠的IC装置。图4展示根据本发明的教示的用于构造堆叠的IC装置的方法的一个实施例40。过程401确定是否已选择用于构造堆叠的IC装置的裸片。如果否，则过程402控制等待时间。在已选择裸片后，过程403确定是否应将热传导材料添加到所述裸片的至少一个横向表面。可通过以上论述的方法中的任一者(例如，CVD或PVD处理)在过程404的控制下沉积热传导材料，或材料可经旋涂或涂覆为膜。过程405及406等待将选择用于与先前选定裸片配合的下一裸片。过程407及408将热传导材料添加到此下一裸片(如果适当)，且过程409接着将所述裸片接合在一起。过程410确定是否待添加更多裸片。当所有裸片已经选择且涂布有热传导材料(如果适当)时，过程411完成接着可用于测试及/或使用的IC封装。虽然已详 细地描述了本发明及其优势，但应理解，在不脱离如由所附权利要求书界定的本发明的精神及范围的情况下，本文中可进行各种改变、替代及更改。举例来说，虽然材料320已被描述为非导电的，但可能使材料导电。在此实施例中，导电材料应可图案化(即，能够被图案化)，使得可将其与一些通孔分开以防止在仍以热方式散热的同时的电连接。无意将本申请案的范围限于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法及步骤的特定实施例。如所属领域的技术人员将易于从本发明了解，根据本发明，可利用当前存在或日后将开发的执行与本文中描述的对应实施例大体上相同功能或实现大体上相同结果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，希望随附权利要求书在其范围中包括所述过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。
权利要求
1.一种三维集成电路(IC)装置，包括: 堆叠在第二裸片上的第一裸片，所述第一裸片在周长上大于所述第二裸片； 所述第一裸片和所述第二裸片通过层体到层体的连接耦合起来，所述层体到层体的连接在所述第一裸片和所述第二裸片之间造成了间隙； 填充了第一热传导材料的穿硅通孔，所述穿硅通孔安置在所述第一裸片中；以及所述第二裸片包括热传导层体，其中，所述第二裸片包括至少两个裸片，所述两个裸片中的至少之一还包括第二热传导层。
2.一种集成电路(IC)装置，包括: 第一裸片，包括衬底上的有源层 体； 填充了热传导材料的穿硅通孔，所述穿硅通孔安置在所述第一裸片中；以及 仅直接耦合到远离所述衬底的所述第一裸片的所述有源层体的热传导及电绝缘层体。
3.根据权利要求2所述的集成电路(IC)装置，其中，所述热传导材料的热传导率为10ff/m/Ko
4.根据权利要求2所述的集成电路(IC)装置，其中，所述热传导材料是电绝缘的。
5.根据权利要求2所述的集成电路(IC)装置，其中，所述传导材料是经图案化的膜。
6.根据权利要求2所述的集成电路(IC)装置，还包括: 第二裸片，所述第二裸片具有衬底上的有源层体； 所述第一裸片和所述第二裸片通过层体到层体的连接耦合起来，所述层体到层体的连接在所述第一裸片和所述第二裸片之间造成了间隙； 所述热传导层体在所述间隙内提供。
7.根据权利要求2所述的集成电路(IC)装置，其中，所述热传导材料是选自以下各物的列表: 金刚石基体、金刚石膜图案。
8.根据权利要求6所述的集成电路(IC)装置，其中，所述第一裸片在周长上大于所述第二裸片。
9.根据权利要求2所述的集成电路(IC)装置，其中，所述热传导层体是沉积得到的，沉积方式包括如下中的至少之一: CVD、PVD、旋涂、丝网印刷。
10.根据权利要求2所述的集成电路(IC)装置，其中，所述热传导材料是导电性的。
11.根据权利要求10所述的集成电路(IC)装置，其中，所述热传导材料至少包括碳纳米管。
全文摘要
本申请涉及三维集成电路横向散热。通过用热传导材料(320)填充堆叠的IC装置的层(31、32)之间的气隙，可横向转移在所述层中的一者内的一个或一个以上位置处产生的热。所述热的所述横向转移可沿着所述层的全部长度，且所述热材料可为电绝缘的。可将穿硅通孔(331)构造于某些位置处以辅助远离受热干扰位置(310)的散热。
文档编号H01L25/065GK103219328SQ20131011941
公开日2013年7月24日 申请日期2009年4月27日 优先权日2008年5月5日
发明者肯尼斯·卡斯考恩, 顾士群, 马修·M·诺瓦克 申请人:高通股份有限公司