專利名稱：半導(dǎo)體器件及其形成方法、封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體器件及其形成方法、封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，MOS晶體管等器件的特征尺寸(⑶，CriticalDimension)越來越小,芯片的集成度也越來越高,即集成在單個芯片中的器件也越來越多。對于某些高性能的應(yīng)用產(chǎn)品，如CPU等，其中集成的器件的數(shù)量甚至已經(jīng)超過10億。高集成度使得芯片在工作時會產(chǎn)生大量的熱量，熱量導(dǎo)致的溫度上升會影響芯片的性能。對于高集成度的芯片而言，散熱變得非常困難，尤其是在較為高級的工藝節(jié)點下，銅互連和低介電常數(shù)(low k)材料相結(jié)合的技術(shù)大量使用，而低介電常數(shù)材料的導(dǎo)熱性較差，更加劇了芯片的散熱問題。現(xiàn)有技術(shù)中常用的散熱技術(shù)是在芯片封裝之后，在其封裝外殼上加裝散熱片、散熱風(fēng)扇等，以促進(jìn)散熱，但是隨著芯片集成度的不斷上升，上述方法的散熱效率較低，芯片長時間使用時，仍然可能導(dǎo)致芯片過熱損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種半導(dǎo)體器件及其形成方法、封裝結(jié)構(gòu)，提高散熱效率。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底中形成有MOS場效應(yīng)晶體管；介質(zhì)層，位于所述半導(dǎo)體襯底上并覆蓋所述MOS場效應(yīng)晶體管，所述介質(zhì)層中形成有多個互連結(jié)構(gòu)；散熱通路，嵌于所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層中，以供液體或氣體在其中流通，所述介質(zhì)層的表面暴露所述散熱通路的開口?？蛇x地，所述散熱通路包括嵌于所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層中的多個相互連通的溝槽。可選地，所述散熱通路還包括位于所述溝槽中的散熱微管，所述散熱微管供液體或氣體在其中流通。可選地，所述散熱微管的材料為高分子聚合物、絕緣材料或金屬材料納米管?？蛇x地，所述散熱微管外側(cè)的溝槽中填充有介質(zhì)材料?？蛇x地，所述溝槽的開口處、散熱微管的外側(cè)填充有介質(zhì)材料，所述溝槽的底部、散熱微管的外側(cè)具有空隙。可選地，所述介質(zhì)層為疊層結(jié)構(gòu)，其中每一層內(nèi)都形成有互連結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了一種封裝結(jié)構(gòu)，包括上述任一項所述的半導(dǎo)體器件和包圍所述半導(dǎo)體器件的封裝外殼，還包括位于所述封裝外殼外側(cè)的循環(huán)泵，所述封裝外殼具有與所述散熱通路相通的第一開口和第二開口，所述循環(huán)泵驅(qū)動液體或氣體通過所述第一開口、散熱通路和第二開口循環(huán)流通。本發(fā)明還提供了一種半導(dǎo)體器件的形成方法，包括提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有MOS場效應(yīng)晶體管；在所述半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層覆蓋所述MOS場效應(yīng)晶體管，所述介質(zhì)層中形成有多個互連結(jié)構(gòu)；對所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，形成散熱通路，以供液體或氣體在其中流通?？蛇x地，所述對所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，形成散熱通路包括對所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層進(jìn)行各向異性刻蝕及各向同性刻蝕，形成多個相互連通的溝槽。
可選地，形成所述多個相互連通的溝槽后還包括在所述多個相互連通的溝槽中設(shè)置散熱微管，所述散熱微管供液體或氣體在其中流通。可選地，所述散熱微管的材料為高分子聚合物、絕緣材料或金屬材料納米管?？蛇x地，設(shè)置所述散熱微管后還包括在所述散熱微管外側(cè)的溝槽中填充介質(zhì)材料。可選地，設(shè)置所述散熱微管后還包括在所述溝槽的開口處、散熱微管的外側(cè)填充介質(zhì)材料，填充后所述溝槽的底部、散熱微管的外側(cè)具有空隙?？蛇x地，所述介質(zhì)層為疊層結(jié)構(gòu)，其中每一層內(nèi)都形成有互連結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的實施例有如下優(yōu)點本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體器件及其形成方法中，在互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層中形成散熱通路，以供液體或氣體在其中流通，流通的液體或氣體能夠吸收半導(dǎo)體器件運(yùn)行時其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，有利于改善芯片的散熱。優(yōu)選地，本實施例中的半導(dǎo)體器件及其形成方法中，所述散熱通路包括形成于介質(zhì)層中的多個相互連通的溝槽和設(shè)置于溝槽中的散熱微管，液體或氣體在所述散熱微管中流通，在促進(jìn)散熱的同時，能夠進(jìn)一步避免液體或氣體與所述介質(zhì)層直接接觸所導(dǎo)致的對器件性能的影響。此外，本實施例的封裝結(jié)構(gòu)中，封裝外殼上具有與所述散熱通路相連通的第一開口和第二開口，此外還包括位于封裝外殼外側(cè)的循環(huán)泵，所述循環(huán)泵驅(qū)動液體或氣體通過所述第一開口、散熱通路和第二開口循環(huán)流通。由于本封裝結(jié)構(gòu)是直接對封裝外殼內(nèi)的半導(dǎo)體器件內(nèi)部直接進(jìn)行散熱，因而有利于提高散熱效率。


圖I是本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體器件的形成方法的流程示意圖；圖2至圖7是本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體器件的形成方法的剖面結(jié)構(gòu)和俯視示意圖；圖8是本發(fā)明實施例的封裝結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式隨著芯片的集成度越來越高，其在運(yùn)行時產(chǎn)生的熱量也越來越大，散熱成為急需解決的問題。現(xiàn)有技術(shù)的散熱技術(shù)往往是在芯片封裝之后，在其封裝外殼上加裝散熱片、散熱風(fēng)扇等促進(jìn)散熱，散熱過程并不能涉及芯片內(nèi)部，散熱效率較低。
本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體器件及其形成方法中，在互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層中形成散熱通路，以供液體或氣體在其中流通，流通的液體或氣體能夠吸收半導(dǎo)體器件運(yùn)行時其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，有利于改善芯片的散熱。優(yōu)選地，本實施例中的半導(dǎo)體器件及其形成方法中，所述散熱通路包括形成于介質(zhì)層中的多個相互連通的溝槽和設(shè)置于溝槽中的散熱微管，液體或氣體在所述散熱微管中流通，在促進(jìn)散熱的同時，能夠進(jìn)一步避免液體或氣體與所述介質(zhì)層直接接觸導(dǎo)致的對器件性能的影響。此外，本實施例的封裝結(jié)構(gòu)中，封裝外殼上具有與所述散熱通路相連通的第一開口和第二開口，此外還包括位于封裝外殼外側(cè)的循環(huán)泵，所述循環(huán)泵驅(qū)動液體或氣體通過所述第一開口、散熱通路和第二開口循環(huán)流通。由于本封裝結(jié)構(gòu)是直接對封裝外殼內(nèi)的半導(dǎo)體器件內(nèi)部直接進(jìn)行散熱，因而有利于提高散熱效率。 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細(xì)的說明。在以下描述中闡述了具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施方式
的限制。圖I示出了本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體器件的形成方法的實施例的流程示意圖，包括步驟S11，提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有MOS場效應(yīng)晶體管；步驟S12，在所述半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層覆蓋所述MOS場效應(yīng)晶體管，所述介質(zhì)層中形成有多個互連結(jié)構(gòu)；步驟S13，對所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，形成散熱通路，以供液體或氣體在其中流通。圖2至圖7示出了本發(fā)明半導(dǎo)體器件的形成方法的實施例中各中間結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)以及俯視結(jié)構(gòu)示意圖，下面結(jié)合圖I和圖2至圖7對該實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。結(jié)合圖I和圖2，執(zhí)行步驟Sll，提供半導(dǎo)體襯底10，所述半導(dǎo)體襯底上形成有MOS場效應(yīng)晶體管。所述半導(dǎo)體襯底10可以是硅襯底、硅鍺襯底、III-V族元素化合物襯底、碳化硅襯底或其疊層結(jié)構(gòu)。所述半導(dǎo)體襯底10中可以形成有包含源極、漏極和柵極的MOS場效應(yīng)晶體管等器件(圖中未示出)。結(jié)合圖I和圖3，執(zhí)行步驟S12，在所述半導(dǎo)體襯底10上形成介質(zhì)層11,所述介質(zhì)層11覆蓋所述MOS場效應(yīng)晶體管，所述介質(zhì)層11中形成有多個互連結(jié)構(gòu)110。具體的，本實施例中所述介質(zhì)層11為疊層結(jié)構(gòu)，分別包括第一介質(zhì)層111，位于第一介質(zhì)層111之上的第二介質(zhì)層112和位于第二介質(zhì)層112之上的第三介質(zhì)層113，其中每一層中都形成有互連結(jié)構(gòu)110，各層介質(zhì)層之間的材料也可以不完全相同。所述互連結(jié)構(gòu)110可以為金屬互連結(jié)構(gòu)，如銅互連結(jié)構(gòu)、鋁互連結(jié)構(gòu)、鎢互連結(jié)構(gòu)等，其中第一介質(zhì)層111作為底層互連層，第三介質(zhì)層113作為頂層互連層。當(dāng)然，在其他具體實施例中，所述介質(zhì)層11還可以是其他數(shù)量的介質(zhì)薄膜形成的疊層結(jié)構(gòu)，如5層、6層、10層等，其中，位于頂層的介質(zhì)層中還可以形成有焊墊(pad)。以銅互連工藝為例，所述介質(zhì)層11及其中的互連結(jié)構(gòu)110的形成方法可以包括使用化學(xué)氣相沉積(CVD)等方法在所述半導(dǎo)體襯底10上形成第一介質(zhì)層111 ;對所述第一介質(zhì)層111進(jìn)行刻蝕，形成溝槽和/或通孔；在所述溝槽和/或通孔的底部和側(cè)壁依次形成阻擋層、籽晶層，并使用電鍍等方法在所述溝槽和/或通孔中填充金屬銅；之后對填充的金屬銅進(jìn)行平坦化，形成互連結(jié)構(gòu)110 ;之后重復(fù)前述步驟，依次形成第二介質(zhì)層112及其中的互連結(jié)構(gòu)110、第三介質(zhì)層113及其中的互連結(jié)構(gòu)110。結(jié)合圖I和圖4至圖5，執(zhí)行步驟S13，對所述互連結(jié)構(gòu)110之間的介質(zhì)層11進(jìn)行刻蝕，形成散熱通路，以供液體或氣體在其中流通。其中圖5為俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為圖5沿A-A'方向的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。所述刻蝕過程包括各向異性刻蝕和各向同性刻蝕，具體的，首先對所述介質(zhì)層11在豎直方向上進(jìn)行各向異性刻蝕，如干法刻蝕，在所述互連結(jié)構(gòu)110之間的介質(zhì)層11中形成溝槽121和122，刻蝕過程中，需要避開各個互連結(jié)構(gòu)110，僅對互連結(jié)構(gòu)110之間的介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕；之后對所述豎直溝槽121和122的底部進(jìn)行各向同性刻蝕，如濕法刻蝕，在溝槽121和溝槽122的底部形成橫向的連通溝槽(圖中未標(biāo)示)，使得溝槽121和122連通。當(dāng)然，在其他具體實施例中，可以先通過各向異性刻蝕形成溝槽的上半部分，再使用各向同性刻蝕使得溝槽的上半部分相連通，之后再通過各向異性刻蝕形成溝槽的下半部分，也即形成的豎直的溝槽之間是通過中部的連通溝槽相連通。相互連通的溝槽121和122組成了供液體或氣體流通的散熱通路，通入的液體可以是去離子水等雜質(zhì)離子含量較低的液體，通入的氣體可以是氮氣、氦氣等非活潑的氣體。整個半導(dǎo)體器件在工作時，流通的液體或氣體可以帶走其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，有利于散熱。當(dāng)然，所述溝槽121和溝槽122之間也可以不連通，只要液體或氣體能夠在其中形成散熱循環(huán)即可。參考圖6，作為一個優(yōu)選的實施例，本實施例還在所述溝槽121和122中設(shè)置散熱微管(micro heat pipe) 13,所述散熱微管13的材料為高分子聚合物、絕緣材料或金屬材料納米管。本實施例中，所述散熱微管13的材料為高分子聚合物，其形成方法可以是自組裝(self-assembly)。液體或氣體在散熱微管13中流通,可以避免直接與所述溝槽121和122側(cè)壁的介質(zhì)層11直接接觸，從而避免對整個半導(dǎo)體器件的潛在的影響。參考圖7，在所述溝槽的開口處，散熱微管13的外側(cè)填充介質(zhì)材料14，填充后所述溝槽的底部、散熱微管13的外側(cè)具有空隙15。所述介質(zhì)材料14可以是氧化硅、摻雜的硅玻璃、低介電常數(shù)材料等，所述介質(zhì)材料14的形成方法可以是非共型(non-conformal)沉積。所述空隙15中填充有空氣，其介電常數(shù)較小，有利于減小整個半導(dǎo)體器件的電阻電容延遲，所述介質(zhì)材料14優(yōu)選為低介電常數(shù)材料，有利于進(jìn)一步減小電阻電容延遲。在其他具體實施例中，也可以使用共型沉積對所述散熱微管13外側(cè)的溝槽進(jìn)行完全填充，即散熱微管13外側(cè)并不具有空隙。至此，本實施例形成的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)如圖、7所示，包括半導(dǎo)體襯底10 ;介質(zhì)層11，位于所述半導(dǎo)體襯底10上，所述介質(zhì)層11中形成有多個互連結(jié)構(gòu)110 ;散熱通路，嵌于所述互連結(jié)構(gòu)Iio之間的介質(zhì)層11中，供液體或氣體在其中流通，所述介質(zhì)層11的表面暴露所述散熱通路的開口。作為一個優(yōu)選的實施例，所述散熱通路包括多個相互連通的溝槽和設(shè)置于所述溝槽中的散熱微管13，散熱微管13外側(cè)的溝槽中填充有介質(zhì)材料14，介質(zhì)材料14可以僅填充溝槽的開口部分，也可以全部填充。液體或氣體在所述散熱微管13中流通，吸收半導(dǎo)體器件在工作時其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。
圖8示出了本實施例的封裝結(jié)構(gòu)的示意圖，在上述半導(dǎo)體器件的外圍包裹有封裝外殼20，所述封裝外殼20具有第一開口 201和第二開口 202，第一開口 201和第二開口 202和散熱通路的開口相連，本實施例中具體和所述散熱微管13的開口相連，在所述封裝外殼20的外側(cè)具有循環(huán)泵21，所述循環(huán)泵21驅(qū)動液體或氣體通過第一開口 201、散熱微管13以及第二開口 202循環(huán)流通，有利于帶走所述半導(dǎo)體器件內(nèi)部的熱量。所述封裝外殼20的材料可以是陶瓷、塑料等，在將所述半導(dǎo)體器件封裝于封裝外殼20之后，在封裝外殼20上打孔，形成第一開口 201和第二開口 202，使得循環(huán)泵21能夠通過第一開口 201和第二開口 202與散熱通路相連，促進(jìn)芯片內(nèi)部的散熱。本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域 技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，包括 半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底中形成有MOS場效應(yīng)晶體管； 介質(zhì)層，位于所述半導(dǎo)體襯底上并覆蓋所述MOS場效應(yīng)晶體管，所述介質(zhì)層中形成有多個互連結(jié)構(gòu)； 散熱通路，嵌于所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層中，以供液體或氣體在其中流通，所述介質(zhì)層的表面暴露所述散熱通路的開口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述散熱通路包括嵌于所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層中的多個相互連通的溝槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述散熱通路還包括位于所述溝槽中的散熱微管，所述散熱微管供液體或氣體在其中流通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述散熱微管的材料為高分子聚合物、絕緣材料或金屬材料納米管。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述散熱微管外側(cè)的溝槽中填充有介質(zhì)材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述溝槽的開口處、散熱微管的外側(cè)填充有介質(zhì)材料，所述溝槽的底部、散熱微管的外側(cè)具有空隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述介質(zhì)層為疊層結(jié)構(gòu)，其中每一層內(nèi)都形成有互連結(jié)構(gòu)。
8.一種封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括權(quán)利要求I至7中任一項所述的半導(dǎo)體器件和包圍所述半導(dǎo)體器件的封裝外殼，還包括位于所述封裝外殼外側(cè)的循環(huán)泵，所述封裝外殼具有與所述散熱通路相通的第一開口和第二開口，所述循環(huán)泵驅(qū)動液體或氣體通過所述第一開口、散熱通路和第二開口循環(huán)流通。
9.一種半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，包括 提供半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成有MOS場效應(yīng)晶體管； 在所述半導(dǎo)體襯底上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層覆蓋所述MOS場效應(yīng)晶體管，所述介質(zhì)層中形成有多個互連結(jié)構(gòu)； 對所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，形成散熱通路，以供液體或氣體在其中流通。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，所述對所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，形成散熱通路包括對所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層進(jìn)行各向異性刻蝕及各向同性刻蝕，形成多個相互連通的溝槽。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，形成所述多個相互連通的溝槽后還包括在所述多個相互連通的溝槽中設(shè)置散熱微管，所述散熱微管供液體或氣體在其中流通。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，所述散熱微管的材料為高分子聚合物、絕緣材料或金屬材料納米管。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，設(shè)置所述散熱微管后還包括在所述散熱微管外側(cè)的溝槽中填充介質(zhì)材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，設(shè)置所述散熱微管后還包括在所述溝槽的開口處、散熱微管的外側(cè)填充介質(zhì)材料，填充后所述溝槽的底部、散熱微管的外側(cè)具有空隙。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項所述的半導(dǎo)體器件的形成方法，其特征在于，所述介質(zhì)層為疊層結(jié)構(gòu)，其中每一層內(nèi)都形成有互連結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件及其形成方法、封裝結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底中形成有MOS場效應(yīng)晶體管；介質(zhì)層，位于所述半導(dǎo)體襯底上并覆蓋所述MOS場效應(yīng)管晶體管，所述介質(zhì)層中形成有多個互連結(jié)構(gòu)；散熱通路，嵌于所述互連結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)層中，以供液體或氣體在其中流通，所述介質(zhì)層的表面暴露所述散熱通路的開口。本發(fā)明有利于提高散熱效率，避免芯片過熱。
文檔編號H01L29/78GK102769002SQ20111011256
公開日2012年11月7日 申請日期2011年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月30日
發(fā)明者梁擎擎, 趙超, 鐘匯才, 閆江 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所