專利名稱：具有增強(qiáng)的熱和器件性能的可堆疊晶片或管芯封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實(shí)施例涉及微電子技術(shù)。具體地說，本發(fā)明實(shí)施例涉及熱和器件性能增強(qiáng)的堆疊晶片(stacked wafer)或管芯封裝(die packaging)。
技術(shù)背景在半導(dǎo)體制造中，晶體管可在半導(dǎo)體晶片上形成。晶體管和其它 器件可集成以形成執(zhí)行許多有用功能的集成電路(IC)。 一般情況下， 晶片可切割，并且各個(gè)IC管芯可封裝和銷售。為提高IC的性能，提高晶體管的性能可能有利。此外，隨著晶體管變得更小、更快和更先 進(jìn)，越來越難以從工作晶體管中散除熱量。此外，在晶片或管芯封裝 中，諸如堆疊式管芯封裝等較密集的封裝選擇可能是有利的。但是， 一般的堆疊管芯設(shè)置可能不適用于諸如熱沉等一般的散熱器件。


本發(fā)明通過示例方式示出，并不限于所附的附圖；附圖中，相似 的標(biāo)號(hào)表示類似的元件，其中圖1示出襯底的橫截面視圖，包括散熱和應(yīng)力工程區(qū)(heat spreading and stress engineering region)和連才妄到具有背側(cè)冷卻器件的 對(duì)十底的通孑L。圖2A-2F示出在襯底中形成散熱和應(yīng)力工程區(qū)及通孔的方法的橫截面視圖。圖3A-3H示出在襯底中形成散熱和應(yīng)力工程區(qū)及通孔的方法的橫 截面視圖。圖4示出在襯底中包括散熱和應(yīng)力工程區(qū)的系統(tǒng)示圖。
具體實(shí)施方式
在各種實(shí)施例中，描述了與堆疊晶片或管芯封裝有關(guān)的設(shè)備和方 法。但是，各種實(shí)施例可在不存在一個(gè)或多個(gè)特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐， 或者通過其它方法、材料或組件實(shí)踐。在其它實(shí)例中，熟知的結(jié)構(gòu)、 材料或操作未詳細(xì)示出或描述，以免不混淆本發(fā)明各種實(shí)施例方面。 類似地，為便于解釋，陳述了特定的數(shù)字、材料和配置以便提供本發(fā) 明的詳盡理解。不過，實(shí)踐本發(fā)明可無需這些特定的細(xì)節(jié)。此外，要 理解，圖中所示各種實(shí)施例是圖示表示，并且不一定按比例畫出。為減小微電子產(chǎn)品的大小，可增大半導(dǎo)體芯片的封裝密度。增大 封裝密度的一個(gè)方法可以是堆疊芯片。在操作中，堆疊式芯片的有源區(qū)域(activearea)可生成大量的熱，這可能需要散除，以便芯片可正確 地運(yùn)行。 一般情況下，在單芯片封裝中，諸如集成的散熱片或風(fēng)扇等 背側(cè)冷卻器件可用于散除熱量。但是，在堆疊式布置中，由于空間約 束或與電氣連接定線(co皿ectionrouting)不兼容的原因，為堆疊中的每 個(gè)芯片使用背側(cè)冷卻器件可能是不可行的。簡單地說，本發(fā)明實(shí)施例 可包括在芯片村底內(nèi)，可從芯片有源區(qū)域散除熱量的散熱區(qū)以允許多 種堆疊式芯片配置。此外，芯片的有源區(qū)域可包括具有晶體管的集成電路(IC)。 IC可 包括N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管和P溝道金屬氧化物半 導(dǎo)體(PMOS)晶體管。要提高任一晶體管類型的性能，可應(yīng)用應(yīng)力到晶 體管的溝道區(qū)(channel region)。具體而言，雙向張應(yīng)力(biaxial tensile stress)可增強(qiáng)NMOS和PMOS晶體管的性能。本發(fā)明實(shí)施例可包括在 允許多種堆疊式芯片配置的同時(shí)提供應(yīng)力到IC晶體管。圖1示出可以為堆疊晶片或管芯提供散熱和應(yīng)力誘導(dǎo)(stress inducement)的設(shè)備。圖1示出設(shè)備100的橫截面型視圖。設(shè)備100包括具有有源表面 (active surface)45的襯底140。襯底140接附到冷卻器件150并且通過 互連160連接到村底110。襯底110包括器件層115、金屬化區(qū)120、通孔170和區(qū)域180，并在其背側(cè)具有連接130。襯底140可包括任何合適的材料，并且有源表面145可包括任何 合適的器件。在實(shí)施例中，村底140可以為管芯。在另一實(shí)施例中， 襯底140可以為晶片。在實(shí)施例中，襯底140可包括半導(dǎo)體。在其它 實(shí)施例中，襯底140可以包括硅、絕緣體上硅(silicon on insulator)、鍺 或其它材料。在實(shí)施例中，襯底140可以為厚度在大約2到10pm范 圍的薄襯底。在實(shí)施例中，有源表面145可以包括NMOS或PMOS 晶體管、其它器件、金屬化層、介電層、鈍化層和焊盤(bondpad)。在 實(shí)施例中，襯底140可以包括微處理器。在另一實(shí)施例中，村底140 可以包括存儲(chǔ)器件。互連160可以為任何合適的材料，并且可以電氣連4妄襯底140和 襯底IIO。在一些實(shí)施例中，互連可以包括導(dǎo)體，如銅。在實(shí)施例中， 互連160可以包括焊料。在實(shí)施例中，互連160可以為有源表面145 的器件提供電氣定線(electrical routing)。在實(shí)施例中，互連160可以 包括3維互連。冷卻器件150可以是從村底150散除熱量的任何合適的材料或結(jié) 構(gòu)。在實(shí)施例中，冷卻器件150可以包括熱沉。在另一實(shí)施例中，冷 卻器件150可以包括熱接口材料(thermal interface material)。在另 一 實(shí) 施例中，冷卻器件150可以包括風(fēng)扇。在實(shí)施例中，冷卻器件150可 以包括集成散熱件。在實(shí)施例中，由于有源表面145是^)"底140的前 側(cè)，因此，冷卻器件150可以為背側(cè)冷卻器件。在實(shí)施例中，可不提 供冷卻器件150。村底110可以包括任何合適的材料。在實(shí)施例中，襯底110可以 包括半導(dǎo)體。在其它實(shí)施例中，襯底110可以包括硅、絕緣體上硅、 鍺或其它材料。在實(shí)施例中，襯底110可以包括具有<100>;圭晶(silicon crystal)的硅。在另一實(shí)施例中，襯底110可以包括具有<110>珪晶的 硅。在實(shí)施例中，襯底110可以為管芯。在另一實(shí)施例中，襯底110 可以為晶片。在實(shí)施例中，襯底110可以為厚度在大約2到10 ium范圍的薄村底。在另 一實(shí)施例中，村底110可以為厚度在大約2到5 |i m范圍的薄襯底。器件層115可以包括任何合適的器件。在實(shí)施例中，器件層115 可以包括NMOS晶體管。在另 一 實(shí)施例中，器件層115可以包括PMOS 晶體管。在實(shí)施例中，器件層115可以包括平面晶體管。在另一實(shí)施 例中，器件層115可以包括非平面或三門晶體管。在實(shí)施例中，器件 層115可以包括晶體管和電容器。在實(shí)施例中，器件層115可以在襯 底110的前側(cè)上，并且與前側(cè)相對(duì)的側(cè)可以為襯底110的背側(cè)。器件 層115可以上述所列器件的任何組合。金屬化區(qū)120可以互連器件層115的器件，并且可以提供到外部 組件的連接定線。金屬化層120可以包括由介電材料分隔的任何數(shù)量 的互連金屬和通孔層(vialayer)。在實(shí)施例中，金屬化區(qū)120的金屬層中，金屬層可以通過通孔層的通孔連接到相鄰金屬層。在實(shí)施例中， 金屬化區(qū)120可以包括范圍大約在1到9的多個(gè)金屬層。在實(shí)施例中， 金屬化區(qū)120可以提供到互連160的連接。在另一實(shí)施例中，金屬化 區(qū)120可提供通過焊盤(未示出)到互連160的連接。金屬化區(qū)120的 金屬和通孔層可以包括任何合適的傳導(dǎo)材料。在實(shí)施例中，金屬化區(qū) 120的金屬和通孔層可以包括銅。通孔170可以為器件層115中的器件提供到外部組件的連接定線。 在實(shí)施例中，通孔170可以延伸通過襯底110、器件層115和部分金 屬化區(qū)120。在實(shí)施例中，通孔170可以連接到金屬化區(qū)120的金屬 層。在實(shí)施例中，通孔170可延伸通過器件層115部分和金屬化區(qū)120, 使得它不接觸或影響任何器件或金屬層。在實(shí)施例中，通孔170可以 為坤寸底通孑L。通孔170也可以連接到連接130。在實(shí)施例中，通孔170可以通 過焊盤(未示出)連接到連接130。在另一實(shí)施例中，通孔170可通過村 底110背側(cè)上的金屬跡線(trace)(未示出)連接到連接130。通孔170可以包括任何合適的傳導(dǎo)材料。在實(shí)施例中，通孔170可以包括銅。連接130可以提供到外部組件(未示出)的連接。在實(shí)施例中，連 接130可以為村底110提供連接和電氣定線。在另一實(shí)施例中，連接 130可以為村底140提供電氣定線。在實(shí)施例中，連接130可以為襯 底110和襯底140提供電氣定線，并且提供到諸如印刷電路板(PCB) 等外部襯底的連接。在實(shí)施例中，連接130可以包括銅。在另一實(shí)施 例中，連接130可以包括焊料。在實(shí)施例中，連接130可以為受控塌 陷芯片(collapse chip)連接(C4)凸出部(bump)。區(qū)域180可以在村底110中提供，并且可以與器件層115相鄰。 在實(shí)施例中，區(qū)域180可以為器件層115提供散熱區(qū)。在實(shí)施例中， 區(qū)域180可以為器件層115提供應(yīng)力誘導(dǎo)或應(yīng)力工程區(qū)。在實(shí)施例中， 區(qū)域180可以為器件層115提供散熱和應(yīng)力誘導(dǎo)區(qū)。在實(shí)施例中，區(qū) 域180可以包括銅。在實(shí)施例中，區(qū)域180可以包括銅，并且可以具 有范圍大約在10到30 pm的厚度。在另一實(shí)施例中，區(qū)域180可以 包括銅并且可以具有范圍大約在80到120 pm的厚度。在實(shí)施例中， 區(qū)域180可以包括銅并且可以具有范圍大約在80到120 pm的厚度。 在另 一實(shí)施例中，區(qū)域180可以包括具有金鋼石顆粒(diamond particle) 的銅。在另一實(shí)施例中，區(qū)域180可以包括金鋼石或類金鋼石石友 (diamond like carbon)材料。類金鋼石碳材料可以通過在360到4400 °C 范圍的溫度淀積,友而形成。在實(shí)施例中，區(qū)域180可以包括具有厚度 在大約1到100pm范圍的金鋼石或類金鋼石材料。在另一實(shí)施例中， 區(qū)域180可以包括具有厚度在大約1到10 pm范圍的金鋼石或類金鋼 石材料。在實(shí)施例中，區(qū)域180可以包括具有厚度在大約5到25 pm 范圍的金鋼石或類金鋼石材料。如上所述，區(qū)域180可以為器件層115提供散熱區(qū)。通常，材料 傳熱的能力可以為材料的熱傳導(dǎo)性(thermal conductivity),它以每米開 氏度瓦數(shù)(W/m.K)單位表示。在實(shí)施例中，區(qū)域180的熱傳導(dǎo)性可以大于村底110的熱傳導(dǎo)性，使得在使用區(qū)域180時(shí)熱量可比不使用時(shí) 更快地從器件層115散除。在各種實(shí)施例中，村底110可以包括硅(<100 W/m.K)，并且區(qū)域180可以包括金鋼石(> 1000 W/m*K)、類金鋼石材 料( 400-500 W/m.K),或銅(400 W/m.K)。在實(shí)施例中，區(qū)域180可以 通過從器件層115散除熱量而允許襯底IIO正常操作。在實(shí)施例中， 區(qū)域180可以具有大約比村底110熱傳導(dǎo)性高4到20倍的熱傳導(dǎo)性。 在另 一實(shí)施例中，區(qū)域180可以具有大約比村底110熱傳導(dǎo)性高2到 IO倍的熱傳導(dǎo)性。在實(shí)施例中，區(qū)域180可以具有大約比村底110熱 傳導(dǎo)性高4到10倍的熱傳導(dǎo)性。如上所述，區(qū)域180可以在器件層115上提供應(yīng)力誘導(dǎo)。在器件 層115上誘發(fā)的雙向張應(yīng)力可提高器件層115上NMOS和PMOS晶 體管的性能。在實(shí)施例中，區(qū)域180可以為應(yīng)力工程結(jié)構(gòu)(stress engineering structure)。在器件層115上誘發(fā)的應(yīng)力可以由襯底110與區(qū)域180材料之間 的熱膨脹系數(shù)(CTE)的不匹配引起。在實(shí)施例中，襯底110可以包括硅，器件層115可以在大約90 到110。C范圍的溫度操作，并且區(qū)域180可以包括在大約20到30°C 溫度施鍍(plated)的銅。在此類實(shí)施例中，可在操作溫度下在器件層115 上形成張應(yīng)力，這是因?yàn)殂~具有比硅更高的CTE，并且銅的無應(yīng)力溫 度是施鍍溫度。在實(shí)施例中，區(qū)域180可以具有比襯底110更高的 CTE,并且區(qū)域180可以在低于器件層115的操作溫度的溫度配置 (dispose)，從而在器件層115上形成張應(yīng)力(tensile stress)。在另一實(shí)施例中，襯底110可以包括>眭，器件層115可以在大約 90到110°C的溫度操作，并且區(qū)域180可以包括在大約360到440°C 范圍溫度淀積的金鋼石或類金鋼石材料。在此類實(shí)施例中，可在操作 溫度下在器件層115上引起張應(yīng)力，這是因?yàn)榻痄撌蝾惤痄撌牧?具有比硅更低的CTE，并且金鋼石或類金鋼石材料的無應(yīng)力溫度為淀 積溫度(deposition temperature)。在實(shí)施例中，區(qū)域180可以具有比襯底110更低的CTE,并且區(qū)域180可以在高于器件層115操作溫度的 溫度配置，從而在器件層115上形成張應(yīng)力。器件層上的張應(yīng)力可以為任何量的張應(yīng)力。在實(shí)施例中，張應(yīng)力 可以在大約0.1到5 GPa范圍。在另一實(shí)施例中，張應(yīng)力可以在大約 l到2 GPa范圍。在另一實(shí)施例中，張應(yīng)力可以在大約0.5到3 GPa 范圍。圖1示出通過互連160由其活動(dòng)或前表面連接的兩個(gè)襯底110、 140。襯底140包括接附到其背側(cè)的冷卻器件150，并且襯底110包括 散熱和應(yīng)力誘導(dǎo)區(qū)域180和襯底通孔180,并且在其背側(cè)具有外部連 接130。但是，許多其它配置也可以提供。如圖l所示，襯底110可 以包括連接130。連接130可以有利于連接到類似于村底110的包括 散熱和應(yīng)力誘導(dǎo)區(qū)及襯底通孔的另一村底的背側(cè)。類似于襯底110的 若干村底可以用類似的方式堆疊。圖2A-2F示出可以為堆疊晶片或管芯提供散熱和應(yīng)力誘導(dǎo)區(qū)的方法。圖2A示出設(shè)備200，包括具有器件層220的襯底210和金屬化區(qū) 230。在實(shí)施例中，如下面參照?qǐng)D3A-3H所述，i殳備200可通過結(jié)合 層(bonding layer)(未示出)接附到載體(carrier)(未示出)。金屬化區(qū)域230 可以包括由介電材料分隔的任何數(shù)量的金屬層和通孔層(vialayer)。為 清晰起見，圖2A只示出包括金屬化物(metallization)250和介電質(zhì)240 的一個(gè)金屬層。在實(shí)施例中，金屬化區(qū)230可以包括范圍大約在1到 9的多個(gè)金屬層。襯底210可以包括任何合適的材料。在實(shí)施例中，村底210可以 包括半導(dǎo)體。在其它實(shí)施例中，襯底210可以包括硅、絕緣體上硅、 鍺或其它材料。在實(shí)施例中，襯底210可以為管芯。在另一實(shí)施例中， 襯底210可以為晶片。在實(shí)施例中，襯底210可以為厚度在大約2到 10pm范圍的薄襯底。在另一實(shí)施例中，襯底210可以為厚度在大約 2到5lam范圍的薄襯底。器件層220可以包括任何合適的器件。在實(shí)施例中，器件層220 可以包括NMOS晶體管。在另 一 實(shí)施例中，器件層220可以包括PMOS 晶體管。在實(shí)施例中，器件層220可以包括平面晶體管。在另一實(shí)施 例中，器件層220可以包括非平面或三門晶體管。在實(shí)施例中，器件 層220可以包括晶體管和電容器。器件層220可以包括上述所列器件 的任何組合。通常，襯底210的前側(cè)可視為具有器件層220和金屬化 區(qū)240的側(cè)，并且襯底210的背側(cè)可以相對(duì)于正側(cè)。金屬化區(qū)230可以互連器件層220的器件，并且可以提供到外部 組件的連接定線。金屬化區(qū)230的金屬和通孔層可以包括任何合適的 傳導(dǎo)材料。在實(shí)施例中，金屬化區(qū)230的金屬和通孔層可以包括銅。如圖2B所示，層260可在襯底210的背側(cè)形成。層260可以通 過任何合適的4支術(shù)形成，并且可以為任何合適的材料。在實(shí)施例中， 層260可以包括銅，并且可以通過施鍍形成。在另一實(shí)施例中，層260 可以包括銅，并且可以通過在大約20到30°C范圍的溫度施鍍形成。 在實(shí)施例中，層260可以包括銅并且可以具有范圍大約在10到30 pm 的厚度。在另一實(shí)施例中，層260可以包括銅并且可以具有范圍大約 在10到120 pm的厚度。在實(shí)施例中，層260可以包括銅并且可以具 有范圍大約在80到120pm的厚度。在實(shí)施例中，層260可以包括具 有金鋼石顆粒的銅。在實(shí)施例中，層260可以包括金鋼石或類金鋼石材料。在另一實(shí) 施例中，層260可以包括具有金鋼石或在大約360到440。C范圍溫度 淀積的類金鋼石材料。在實(shí)施例中，層260可以包括金鋼石或類金鋼 石材料，村底210可以包括硅，并且相對(duì)于襯底210,層260可以是 薄的，這是因?yàn)榻痄撌蝾惤痄撌牧铣浞直裙栌?大約IO倍)。在實(shí) 施例中，層260可以包括金鋼石或類金鋼石材料，并且可以具有在大 約1到100 pm范圍的厚。在實(shí)施例中，層260可以包括金鋼石或類 金鋼石材料，并且可以具有在大約1到10 pin范圍的厚度。在實(shí)施例 中，層260可以包括金鋼石或類金鋼石材料，并且具有在大約5到25pm范圍的厚度。如上所述，層260與襯底210之間的CTE不匹配可以導(dǎo)致在操作 期間在器件層220的器件上i秀發(fā)的張應(yīng)力。在實(shí)施例中，層260的CTE 可大于襯底210的CTE，并且層260可在低于器件層220操作溫度的 溫度形成。在實(shí)施例中，層260的CTE可小于襯底210的CTE，并 且層260可在高于器件層220操作溫度的溫度形成。如圖2C所示，開口(opening)270可在層260、襯底210、器件層 220、部分金屬化層230中形成以顯露(expose)金屬化物250。開口 270 可以由任何合適的技術(shù)形成。在實(shí)施例中，可以通過先在層260上形 成圖樣(pattern)(未示出)，然后蝕刻層260、襯底210、器件層220及 部分金屬化區(qū)230,并且最后去除圖樣而形成開口 270。在實(shí)施例中， 金屬化物250可充當(dāng)在層260、襯底210、器件層220及部分金屬化 區(qū)230蝕刻期間的蝕刻停止層。在實(shí)施例中，圖樣可以包括光刻月交 (photoresist)。在另一實(shí)施例中，開口 270可以通過鉆通層260、襯底 210、器件層220及部分金屬化區(qū)230而形成。如圖2D所示，絕緣體280可在開口 270和層260上形成。絕緣 體280可以通過任何合適的^1術(shù)形成，并且可以包括任何合適的材料。 在實(shí)施例中，絕緣體280可以包括氮化物或氧化物。在實(shí)施例中，絕 緣體280可通過淀積法(d印osition)形成。如圖2E所示，可形成側(cè)壁290。側(cè)壁290可以由任何合適的技術(shù) 形成。在實(shí)施例中，側(cè)壁290可以通過絕緣體280的非等向性蝕刻 (anisotropic etch)形成。如圖2F所示，通孔295可在開口 270中形成。通孔295可以通 過任何合適的技術(shù)形成，并且可以包括任何合適的材料。在實(shí)施例中， 通孔295可以延伸通過層260、村底210、器件層220及部分金屬化 區(qū)230。在實(shí)施例中，通孔295可以為傳導(dǎo)材料(conductive material)。 通孔295可以包括任何傳導(dǎo)材料。在實(shí)施例中，通孔295可以包括銅。 在實(shí)施例中，通孔295可通過施鍍(plating)形成。在實(shí)施例中，側(cè)壁290可以將通孔295與層260、襯底210、器件層220及部分金屬化區(qū) 230電絕緣。
在實(shí)施例中，連接可在襯底210(未示出)背側(cè)上形成。在實(shí)施例中， 連接可以為C4凸出部(C4bumps)。在另一實(shí)施例中，連接可以包括銅。 圖3 A-3 H示出可以為堆疊晶片或管芯提供散熱和應(yīng)力誘導(dǎo)區(qū)的方法。
圖3A示出設(shè)備300，包括具有器件層310的襯底305和金屬化區(qū) 315。金屬化層315可以包括由介電材料分隔的任何數(shù)量的金屬層和 通孔層。為清晰起見，圖3A只示出包括金屬化物325和介電質(zhì)320 的一個(gè)金屬層。在實(shí)施例中，金屬化區(qū)315可以包括范圍大約在1到 9的任何數(shù)量的金屬層。
設(shè)備300也包括結(jié)合層330和栽體335。結(jié)合層330和載體335 可以為任何合適的材料。在實(shí)施例中，載體335可以為厚-圭。在實(shí)施 例中，載體335可以包括活動(dòng)層和金屬化層(未示出)。在實(shí)施例中， 可不使用結(jié)合層330和載體335。
襯底305可以包括任何合適的材料。在實(shí)施例中，襯底305可以 包括半導(dǎo)體。在其它實(shí)施例中，村底305可以包括硅、絕緣體上石圭、 鍺或其它材料。在實(shí)施例中，襯底305可以為管芯。在另一實(shí)施例中， 襯底305可以為晶片。在實(shí)施例中，襯底305可以為厚度在大約2到 10pm范圍的薄襯底。在另一實(shí)施例中，襯底305可以為厚度在大約 2到5 pim范圍的薄襯底。
器件層310可以包括任何合適的器件。在實(shí)施例中，器件層310 可以包括NMOS晶體管。在另 一實(shí)施例中，器件層310可以包括PMOS 晶體管。在實(shí)施例中，器件層310可以包括平面晶體管。在另一實(shí)施 例中，器件層310可以包括非平面或三門晶體管。在實(shí)施例中，器件 層310可以包括晶體管和電容器。器件層310可以以上所列器件的任 何組合。通常，襯底305的前側(cè)可視為具有器件層310和金屬化區(qū)315 的側(cè)，并且襯底305的背側(cè)可以與前側(cè)相對(duì)。金屬化區(qū)315可以互連器件層310的器件，并且可以提供到外部 組件的連接定線。金屬化區(qū)315的金屬和通孔層可以包括任何合適的 傳導(dǎo)材料。在實(shí)施例中，金屬化區(qū)315的金屬和通孔層可以包括銅。
如圖3B所示，溝槽340可在襯底305中形成。溝槽340可以由 任何合適的材料形成。在實(shí)施例中，可以通過先在襯底305上形成圖 樣(未示出)，然后蝕刻襯底305，并最后去除圖樣而形成溝槽340。在 實(shí)施例中，圖樣可以包括光刻膠。
如圖3C所示，絕緣體345可在溝槽340和4t底305上形成。絕 緣體345可以通過任何合適的技術(shù)形成，并且可以為任何合適的材料。 在實(shí)施例中，絕緣體345可以包括氮化物或氧化物。
如圖3D所示，開口 350可以在絕緣體345、襯底305和器件層 310中形成以顯露金屬化區(qū)315。開口 350可以由任何合適的技術(shù)形 成。在實(shí)施例中，可以通過先在絕緣體345上形成圖樣(未示出)，然 后蝕刻絕緣體345、襯底305和器件層310，并且最后去除圖樣而形 成開口 350。在實(shí)施例中，圖樣可以包括光刻膠。在實(shí)施例中，金屬 化區(qū)315中的介電材料可以充當(dāng)蝕刻停止層。
如圖3E所示，絕緣體355可在開口 350和絕緣體345上形成。 絕緣體355可以通過任何合適的才支術(shù)形成，并且可以為任何合適的材 料。在實(shí)施例中，絕緣體355可以包括氮化物或氧化物。在實(shí)施例中， 絕緣體355可以將通孔(下面進(jìn)一步論述)與襯底305和器件層310電 絕緣。
如圖3F所示，可執(zhí)行蝕穿(break-through etch)以顯示金屬化物 325。蝕穿可通過任何合適的技術(shù)執(zhí)行。在實(shí)施例中，蝕穿可包括非 等向性蝕刻。
如圖3G所示，可形成圖樣360和傳導(dǎo)填充(conductive fil1)365。 圖樣360可以通過任何合適的技術(shù)形成，并且可以包括任何合適的材 料。在實(shí)施例中，圖樣360可以包括光刻膠，并且可以通過光刻工藝 (photolithography process)形成。傳導(dǎo)填充365可以通過任何合適的技術(shù)形成，并且可以為任何合
適的材料。在實(shí)施例中，傳導(dǎo)填充365可以包括銅。在實(shí)施例中，傳 導(dǎo)填充365可通過施鍍形成。在實(shí)施例中，傳導(dǎo)填充365可以通過在 大約20到30。C范圍的溫度施鍍而形成。在實(shí)施例中，開口 350中傳 導(dǎo)填充的部分可形成傳導(dǎo)通孔(conductive through via)。在實(shí)施例中， 溝槽340中的傳導(dǎo)填充365部分可以形成應(yīng)力工程區(qū)，并且在器件層 310上形成張應(yīng)力。在實(shí)施例中，傳導(dǎo)填充365可以具有大于襯底305 的CTE的CTE,并且傳導(dǎo)填充365可以在低于器件層310操作溫度 的溫度形成。在實(shí)施例中，傳導(dǎo)填充365可以具有小于襯底305的CTE 的CTE，并且傳導(dǎo)填充365可以在高于器件層310操作溫度的溫度形 成。在實(shí)施例中，溝槽340中的傳導(dǎo)填充365部分可以為器件層310 提供散熱區(qū)。
如圖3H所示，圖樣360可以#1去除，并且介電質(zhì)370、導(dǎo)體375 和連接380可以在傳導(dǎo)填充345上形成。介電質(zhì)370、導(dǎo)體375和連 接380可以通過任何合適的技術(shù)形成，并且可以包括任何合適的材料。 在實(shí)施例中，介電質(zhì)370可以通過旋轉(zhuǎn)涂布法(spin on method)形成。 在實(shí)施例中，導(dǎo)體375可以通過圖樣、蝕刻、圖樣去除和施鍍工藝形 成。在實(shí)施例中，導(dǎo)體可以包括銅。在實(shí)施例中，連接380可以包括 凸出部。在實(shí)施例中，連接380可通過C4工藝形成。在實(shí)施例中， 連接380可允許到諸如印刷電路板等襯底的倒轉(zhuǎn)片連接(flip-chip connection)。
圖4示出系統(tǒng)400。系統(tǒng)400可以包括處理器410、存儲(chǔ)器420、 存儲(chǔ)器440、圖形處理器440、顯示處理器450、網(wǎng)絡(luò)接口 460、 I/O 接口 470及通信總線480。在實(shí)施例中，存儲(chǔ)器420可以包括易失性 存儲(chǔ)器組件。系統(tǒng)400的任何組件可以包括如上所述的散熱和應(yīng)力工 程區(qū)。此外，如上所述，/>開的發(fā)明允許包括散熱和應(yīng)力工程區(qū)的芯 片堆疊。包括散熱和應(yīng)力工程區(qū)等堆疊組件的大量組合可以實(shí)現(xiàn)。在 實(shí)施例中，存儲(chǔ)器420可以包括散熱和應(yīng)力工程區(qū)，并且存儲(chǔ)器420可以與處理器410堆疊。在實(shí)施例中，系統(tǒng)400可以包括第二處理器
(未示出)，并且第二處理器可以包括散熱和應(yīng)力工程區(qū)，并且第二處
理器可以與410堆疊。
此說明書通篇對(duì)"一個(gè)實(shí)施例"或"實(shí)施例"的引用指結(jié)合該實(shí)施例 描述的特定特性、結(jié)構(gòu)、材料或特征包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例 中。因此，在說明書通篇各個(gè)位置出現(xiàn)的"在一個(gè)實(shí)施例"或"在實(shí)施例 中"短語不一定全部指本發(fā)明的同一實(shí)施例。此外，特定的特性、結(jié)構(gòu)、 材料或特征可在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中以任何適合的方式組合。
要理解，上迷描述旨在說明而不是限制。在查看上述說明后，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白許多其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)參照 隨附權(quán)利要求書及此類權(quán)利要求書授權(quán)的等效物完全范圍定義。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括金屬化區(qū)，包括襯底器件層上的多個(gè)金屬層；通孔，延伸通過所述襯底和所述器件層，并接觸所述金屬化區(qū)中的金屬層；以及散熱和應(yīng)力工程區(qū)，位于所述襯底中并與所述器件層相鄰。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述散熱和應(yīng)力工程 區(qū)包括銅。
3. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述散熱和應(yīng)力工程 區(qū)至少包括如下之一金鋼石、類金鋼石材料或帶有金鋼石顆粒的銅。
4. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述散熱和應(yīng)力工程 區(qū)在所述器件層中的晶體管上造成范圍大約0.5到3 GPa的雙向張應(yīng) 力。
5. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，所述散熱和應(yīng)力工程 區(qū)具有在比所述襯底的熱傳導(dǎo)性高大約4到20倍范圍中的熱傳導(dǎo)性。
6. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，還包括 所述金屬化區(qū)上的互連，其中所述互連連接到第二襯底的有源表面；以及接附到與所述有源表面相對(duì)的所述第二村底的表面的冷卻器件。
7. —種設(shè)備，包括有源表面，包括通過互連耦合到第二襯底的有源表面的第 一襯底 的金屬化區(qū)，其中所述第一村底包括與所述有源表面相鄰的散熱和應(yīng) 力工程區(qū)，及延伸通過所述第一村底并接觸所述金屬化區(qū)的金屬層的 通孔；以及冷卻器件，位于與所迷第二村底的有源表面相對(duì)的表面上。
8. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，還包括印刷電路板，連接到與所述第一村底的有源表面相對(duì)的所述第一村底的表面上的凸出部。
9. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述散熱和應(yīng)力工程區(qū)至少包括如下之一銅、金鋼石、類金鋼石碳或帶金鋼石顆粒的銅。
10. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述散熱和應(yīng)力工 程區(qū)在所述第一襯底中的晶體管上造成范圍大約0.5到3 GPa的雙向 張應(yīng)力，并且所述散熱和應(yīng)力工程區(qū)具有在比所述第 一村底熱傳導(dǎo)性 高大約4到20倍范圍內(nèi)的熱傳導(dǎo)性。
11. 一種方法，包括在襯底表面上提供散熱和應(yīng)力工程層，其中所述村底表面與所述 襯底器件層上的金屬化區(qū)相對(duì)；顯露所述金屬化區(qū)的金屬層，其中顯露所述金屬層包括提供通過 所述散熱和應(yīng)力工程層、所述襯底和所述活動(dòng)區(qū)的通孔開口 ；在所述通孔開口側(cè)壁上提供側(cè)壁絕緣體；以及在所述通孔開口中提供傳導(dǎo)填充。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括 將所述金屬化區(qū)上的互連電氣連接到第二村底的有源表面上的第二互連。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，提供所述散熱和應(yīng) 力工程層包括在低于所述器件層操作溫度的溫度提供所述散熱和應(yīng) 力工程區(qū)，并且所述散熱和應(yīng)力工程層的熱膨脹系數(shù)大于所述襯底的 熱膨脹系數(shù)。
14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，提供所述散熱和應(yīng) 力工程層包括在高于所述器件層操作溫度的溫度提供所述散熱和應(yīng) 力工程區(qū)，并且所述散熱和應(yīng)力工程層的熱膨脹系數(shù)小于所述襯底的 熱膨脹系數(shù)。
15. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述散熱和應(yīng)力工 程層至少包括如下之一銅、金鋼石、類金鋼石碳或帶金鋼石顆粒的 銅。
16. —種方法，包括在村底表面中提供溝槽，其中所述襯底表面與所述襯底器件層上 的金屬化區(qū)相對(duì)；在所述村底表面和所述溝槽上形成絕緣層；通過提供通過所述絕緣層、所述襯底和所述器件層的通孔開口而 顯露所述金屬化區(qū)；在所述絕緣層和所述通孔開口上形成第二絕緣層；顯露所述金屬化區(qū)的金屬化層；以及選擇性地在所述溝槽和所述通孔開口中提供傳導(dǎo)填充，以便形成 所述溝槽中的散熱和應(yīng)力工程區(qū)和所述通孔開口中的全通通孔。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括 在所述村底表面和所述傳導(dǎo)填充上形成介電層； 在所述介電層上形成凸出部；以及將所述凸出部電氣連接到第二襯底有源表面上的互連，其中與所 述有源表面相對(duì)的所述第二襯底的表面接附到冷卻器件。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述傳導(dǎo)填充包括銅。
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，選擇性地提供傳導(dǎo) 填充包括形成圖樣，包括所述溝槽上的開口和所述襯底上方的所述通 孔開口 。
全文摘要
本發(fā)明提供一種襯底，該襯底具有器件層(210，310)和金屬化區(qū)(230，315)。在襯底內(nèi)，提供了導(dǎo)電通孔(270，350)和導(dǎo)熱區(qū)(260，365)。熱傳導(dǎo)區(qū)可通過到溝槽內(nèi)的淀積或形成圖樣而形成。襯底可在堆疊設(shè)置中提供。
文檔編號(hào)H01L23/367GK101292348SQ200680039351
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2006年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者P·莫羅, R·巴斯卡蘭, S·拉馬納坦 申請(qǐng)人:英特爾公司