説明

ICデバイスのエンハンストされた熱放散のための突出するTSV

集積回路デバイス(100)が、基板パッド(102)を含む上面を有する基板(110)、及び能動回路を含む上部半導体表面(107)と(底面)106とを含む半導体基板(105)を含む複数の基板貫通ビア(115)ダイを含む。上部半導体表面(107)は、基板の上面上の基板パッドに結合されるボンドコネクタ109を含む。複数の基板貫通ビア(TSV)が、底面から外に延びる突出するTSVティップ(121)に上側半導体表面から延びる内部金属コア(125)を含む。複数のTSVの少なくとも1つが、そこへの如何なる電気的接続もない、突出するTSVティップを有し、TSVダイの底面からの熱消散を可能にするための付加的な表面領域を提供するダミーTSV(120)である。


【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
開示される実施例は、シリコン貫通ビアなどの基板貫通ビアを含む集積回路(IC)に関連する。
【背景技術】
【0002】
電子的信号は、半導体ウエハ上に製造される大規模ICダイ内の導体及びトランジスタを介して電流により搬送される。電流によりICダイ内を搬送されるエネルギーは、熱の形式でICを介する電流フローの経路に沿って部分的に消散される。IC内で生成される熱Pは、ダイナミック電力Pとスタティック電力Pの合計である。
P=P+P=ACVf+VIleak
【0003】
ここで、Aはゲートアクティブティ係数であり、Cは全てのゲートの総容量性負荷であり、Vはピーク・トゥ・ピーク供給電圧スイングであり、fは周波数であり、Ileakは漏れ電流である。スタティック電力項P=VIleakは漏れ電流Ileakに起因して消散されるスタティック電力である。ダイナミック電力項P=ACVfはICの容量性負荷を充電及び放電することから消散されるダイナミック電力である。
【0004】
ICダイの別の特徴は、ダイ上の不均一な温度分布である。システム・オン・チップ(SOC)設計において単一ダイに益々多くの機能ブロックが集積される。一層高い電力密度ブロックは、不均一な温度分布をつくり、ダイ上の「ホットブロック」としても知られる「ホットスポット」につながる。ホットスポットは、一つのダイで約5℃からほぼ30℃の温度差につながり得る。キャリア移動度は温度に反比例するため、クロック速度は、典型的に、ダイ上の最も熱いスポットに対して設計される。従って、熱的設計は、これらのダイ上ホットスポットの温度により決まる。また、ダイでのオンチップ温度変動に起因してICにわたって均一なキャリア移動度が達成されない場合、これは、信号速度の変動及び回路タイミング制御の複雑化となる。
【0005】
ICパッケージの熱的性能をエンハンスさせるため、ドロップイン・ヒートスプレッダ、ヒートシンク、及びヒートパイプを含むヒートスプレッダが過去に用いられてきている。また、別の既知のアプローチは、熱拡散を改善させるためダイの裏側に直に高熱伝導率のリッドを取り付けることである。既知のやり方での大きな問題は、ホットスポットが位置する(例えば、トランジスタ・スイッチングが行われる近辺)であるダイの表側は配線に用いられる必要があり、オペレーションの間生成される熱は、熱放散手段に接続される前にICダイの基板の全厚みを介してその下側に伝搬される必要があり、そのため、熱放散に効率が悪いことである。
【発明の概要】
【0006】
開示される実施例は、基板パッドを含む上面を有する基板、及びその基板の上面上のTSVダイを含むICデバイスを説明する。TSVダイは、能動回路を含む上側半導体表面と底面とを含み、上側半導体表面が、基板の上面上の基板パッドに結合されるボンドコネクタを含む。複数のTSVがICダイ上にあり、このICダイは、底面から延びる突出するTSVティップに上側半導体表面から延びる内部金属コアを含む。
【0007】
複数のTSVの少なくとも1つは、本明細書において、ICデバイスのための電気的機能を全く有さないTSVとして定義される「ダミーTSV」である。ダミーTSVは、そこへの如何なる電気的接続もない、突出するTSVティップを有する。ダミーTSVは、従来の機能的TSVと対照的であり得、本明細書において「アクティブTSV」と称し、TSVダイからTSVダイの上又は下の他の回路(例えば、別のIC又はディスクリート部品)へVDD、VSS又は信号を結合するためなど、ICデバイスのための電気的機能を提供するためのTSVティップへの電気的接続を含む。
【0008】
開示される実施例は、ダイの上側からダイの下側への熱伝達を改善するTSVダイの基板(例えば、Si)を介する従来の熱的経路に比べて高い熱伝導経路を提供する。突出するTSVティップは、TSVダイの下側の表面領域を著しく増加させ、放射熱伝達及びそのため熱放散を著しく改善する。
【0009】
本発明は、銅などの金属はたいていの基板材料に比べて一層高い熱伝導率を有するため、上側半導体表面及び底面からの熱伝達のためTSVの内部金属コアが、低減された熱的抵抗を提供することを認識している。例えば、例えば約168W/m・Kの熱伝導率を有するシリコンに比べ、銅は約398W/m・Kの熱伝導率を有する。基板の熱伝導率は、セミコンダクター・オン・インシュレータ(SOI)、GaAS、Ge、SiC、及びバルクSi以外の他の半導体などの基板では更に低くなり得る。
【0010】
添付の図面を参照して例示の実施例を説明する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】図1は、開示される例示の実施例に従った、基板上のTSVダイを含むICデバイスの側面図であり、TSVダイは、TSVダイからの熱伝達をエンハンストするための突出するティップを有する複数のダミーTSVを含む。
【0012】
【図2】図2は、開示される例示の実施例に従った、パッケージ基板上のTSVダイ上の上側デバイスを含むICデバイスの側面図であり、TSVダイは、エンハンストされた熱伝達のための突出するティップを有する複数のダミーTSVと複数の従来のアクティブTSVとを含み、上側デバイスは、アクティブTSVへの接続によりTSVダイに結合される。
【0013】
【図3】図3は、開示される例示の実施例に従ったTSVダイの図であり、TSVは、TSVダイにわたって実質的に均一に配列される複数のダミーTSVを含む。
【0014】
【図4】図4は、開示される例示の実施例に従ったICデバイスの一部の簡略化した断面図であり、ICデバイスは、アクティブTSV及び複数のダミーTSVを含むTSVアレイ、及びアクティブTSVへの接続によりTSVダイに結合される上側デバイスを含む、TSVダイを含む。
【0015】
【図5】図5は、開示される例示の実施例に従ったTSVダイの一部の簡略化した断面図であり、TSVダイは、上面オフセットTSVを含むTSVアレイを含む。
【発明を実施するための形態】
【0016】
図1は、開示される実施例に従った例示のICデバイス100を図示し、ICデバイス100は、基板110上のTSVダイ115を含み、TSVダイ115は、TSVダイからの熱伝達をエンハンストするためTSVダイ115の底面106上に付加的な表面領域を提供する突出するTSVティップ121を有する複数のダミーTSV120を含む。TSVダイは、上側半導体表面107及び底面106を含む半導体含有基板105を含む。上側半導体表面107は、ピラー(例えば、はんだキャップされ得る銅ピラー)として示すボンドコネクタ109を含むように示され、ピラーは、TSVダイ115上のボンドパッド(図示せず)に接続される。基板105は、シリコン含有基板(例えば、バルクシリコン基板)、シリコン・ゲルマニウム、シリコンカーバイド、GaN、又はSOI(silicon on insulator)基板など種々の基板を含み得る。
【0017】
上述したように、「ダミーTSV」は、それらの突出するTSVティップがそれらへの如何なる電気的接続もないため、ICデバイス100のための電気的機能を有さないTSVである。ダミーTSVは、典型的に、VSS、VDD又は信号をTSVダイの上又は下のデバイスへ送信する、ICデバイスのための電気的機能を提供するためTSVティップへの電気的接続を含む従来のアクティブTSVと対照的であり得る。図1に示すように、全てのTSVがダミーTSV120である。突出するTSVティップ121の長さ(又はティップ高さ)は典型的に5から50μmであり、TSV120の寸法(例えば、直径)を画定する断面領域は一般的に8から40μmである。TSVは本明細書では全般的に円形の断面を有するように記載しているが、TSVは、例えば、矩形又は正方形を含む他の断面形状を有し得る。
【0018】
基板110は、ボール・グリッド・アレイ(BGA)111を有する印刷回路基板(PCB)基板として示されている。基板110は、有機基板、セラミック基板、シリコン基板、又はシリコンインターポーザなど、種々のその他の基板を含み得る。基板110は、TSVダイ115上のピラーとして示すボンドコネクタ109に結合される基板パッド112を含む。
【0019】
複数のダミーTSV120は、上側半導体表面107から、底面106から外に延びる突出するTSVティップ121へ延びる内部金属コア125を含んで示されている。複数のダミーTSV120は、誘電体ライナー126も含んで示されている。誘電体ライナー126は、TSVティップ121にはないように見え、更に一般的にはTSVティップ121の長さの少なくとも50%はない。
【0020】
図2は、開示される実施例に従ったパッケージ基板110上のTSVダイ115上の上側デバイス230を含むICデバイス200を図示し、TSVダイ115は、突出するTSVティップ121を有する複数のダミーTSV120と複数の従来のアクティブTSV130とを含み、上側デバイス230は、アクティブTSV130への接続によりTSVダイ115に結合される。上側デバイス230は、複数のアクティブTSV130に結合される少なくとも一つのICを含み得る。上側デバイス230は、当業界で「集積混合チップインテグレーション」と呼ぶスタックを提供するため、コンデンサ、レジスタなどを含むIC以外のデバイスを更に含むこともできる。
【0021】
ICデバイス200及び他のICデバイスは、本明細書においてリッドなしで示されている。しかし、他の実施例においてリッドが含まれる。リッドは、熱的に導電性接着性ペースト、シート、グリース又は熱的導電性接着材を用いることを含む種々の方式で取り付けられてもよい。リフローを用いるはんだペーストは別の例示の取り付けオプションである。
【0022】
図3は、開示される実施例のように従ったTSVダイ300図示し、TSVは、TSVダイ300の領域全体に実質的に均一に(X方向及びY方向の両方向で)配列される複数のダミーTSV120を含む。例えば、1つの特定の実施例のTSVは、25μmの直径を有し得、50μmセンター・トゥー・センター・ピッチを提供するよう配置される。ダミーTSV120は、矩形の断面を有する形状の柱状であるよう示されている。1辺が5mmである矩形のダイの場合、このようなTSVダイは10,000個のTSVに対応することができる。円形の断面を有するTSVティップの場合、各TSVティップ121は、2πrh=924μm(ここで、rはTSVティップの半径である)に等しいTSVティップ121側壁表面領域(シリンダの側壁面領域)に等しい「成長領域」を提供する。
【0023】
TSVダイ300は、周期的なダミーTSVのアレイを含むが、ダミーTSVは、非周期的パターンに配置されてもよい。例えば、ダミーTSVは、回路ホットスポットに近接して配置され得、そこでは、ICモデリング又は経験則に従って、高周波数及びインテンス回路集積が、回路オペレーションの間異常な温度上昇を引き起こす。このようなダミーTSV配置は、回路からの熱放散のための直接の短絡経路を提供し、そのため、ダミーTSVは、安全な温度領域でICデバイス動作信頼性を保つことができる。
【0024】
図4は、開示される実施例に従ったICデバイス400の一部を図示し、ICデバイス400は、アクティブTSV130及び複数のダミーTSV120を含むTSVアレイ、及びアクティブTSV130への接続によりTSVダイ315に結合される上側デバイス230を含む、TSVダイ315を含む。TSVダイ315は、シリコン又はシリコン・ゲルマニウム表面などの上面107と、底面107とを有する半導体基板105を含む。TSVダイ315は、M1〜M7として示す第1から第7の金属相互接続レベルを含む一例のバックエンドオブライン(BEOL)スタックを含む、一般的に銅を含む、複数の金属相互接続レベルを含む。この例においてBEOL配置M1〜M7は、銅、及び頂部(第8の)金属レベル417を含み得、頂部金属レベル417はピラーパッド328も形成するように用いられて示されるアルミニウムを含み得、BEOLスタックが8レベル金属スタックと呼ばれ得るようになっている。しかし、開示される実施例は、全般的に任意の数の金属レベルを含むBEOLスタックに適用され得、これは頂部金属レベル417を有していても有していなくてもよい。
【0025】
PMD(pre-metal dielectric)239が、上面107とMlとの間に示されており、ILD1、ILD2、ILD3、ILD4、ILD5及びILD6を含むILD層が、M7とピラーパッド328を含む頂部金属レベル417との間のILD7との、複数の金属相互接続レベルMl〜M7それぞれの間に配置される誘電性材料を含んで示されている。ILD材料は、低k誘電体又は超低k誘電体層を含み得、ILD1、ILD2、ILD3、ILD4、ILD5、ILD6、及びILD7層の各々で異なる(又は同じ)材料であり得る。
【0026】
TSVダイ315は、TSV120、130が全て、それらのTSV終端金属相互接続レベルを画定するMlで終端することを示すが、他の実施例において、TSV終端金属相互接続レベルが、頂部金属相互接続レベル(図4に示すM7)を含むMlより上の金属レベルで終端することもできる。トランジスタ218として示す能動回路は、ダミーTSV120の一つに近接する上面107上に形成される。図示していないが、トランジスタ218は、Ml、M2、M3、及びM4などを含む多くの候補となる接続オプション、及び図4に示すような関連するビアの一つにより、TSV IC315上の他のデバイス又は構成要素に結合される。
【0027】
アクティブTSV130は、TSVダイ315の上面106上の上側デバイス230への接続のため、基板105を介するフィードを提供し、ピラーパッド328上のピラー109に結合され、ピラー109は、図示するように基板110上のピラーパッド112に結合されることが分かる。ダミーTSV120のティップ121は、電気的に接続されないことが分かる。ダミーTSV120が埋め込まれMlで終端して示されているため、ダミーTSV120の上の容積は、相互接続金属ラインを配線するために用いることができるようになる。TSV IC315は、ダミーTSV120の上のM4配線ライン251及びM6配線ライン252を含むように示されている。図示していないが、配線ライン251及び252は、TSVダイ315上の種々の回路間の相互接続を提供する。TSV120及び130は、TSV内部金属コア125(例えば、銅)を含み、内部金属コア125は、底面107を通して下向きにTSV終端金属相互接続レベルとして機能するMlから延びることが分かる。内部金属コア125は、拡散障壁金属(例えば、Ta、TaN、Ti、TiN、Mn、又はRu、又はそれらの組み合わせ)129により、その後、アウター誘電体ライナー(例えば、SiO、PSG、又はSiN、又はそれらの組み合わせ)126により、囲まれて示されている。誘電体ライナー126上に形成される拡散障壁金属129は、TSV120、130を囲い、シリコン内の銅など少数キャリア寿命を著しく低減し、著しく増加した接合漏れやトランジスタ閾値電圧(Vt)におけるシフトなどの問題を引き起こすことが分かっている、高度に移動性の金属TSVコア材料の場合、TSV内部コア125材料を基板105内への漏れに対し保護する。
【0028】
ビア・ファースト、関連するビア・ミドル、及びビア・ラストプロセスを、開示されるTSV ICを形成するために用いることができる。ビア・ファースト方式は、基板(例えば、シリコン)貫通ビアがウエハ薄片化前にウエハの表側からエッチングされ、誘電性絶縁され、その後、BEOL相互接続配線レベルが構築される前にメタライズされるシーケンスを説明する。従来のビア・ファーストプロセスは、トランジスタの形成前にTSVを形成する。ビア・ファーストプロセスの変形は、ビア・ミドルプロセスであり、ここでは、トランジスタの形成後であるがBEOL配線レベルの完了前に、TSVがエッチングされ、電気的導電性内部金属コアで充填される。ビア・ラスト方式では、BEOL配線レベルがまず構築され、BEOL配線の後でウエハ薄片化の前の上側からの、或いは、BEOL配線及びウエハ薄片化の後のウエハの下側からの、エッチング及び内部金属コア充填処理のいずれかにより貫通ビア工程が完了する。
【0029】
ウエハ薄片化後のビア・ラスト形成の場合、一実施例におけるTSVは、本明細書において、半導体含有基板の厚みの85%以上まで延びるが、基板の上面から2.5〜8μm離れるなど基板の上面に到達しない、TSVダイの下側から突出するTSVティップを含むTSVとして定義される「上面オフセットTSV」である。ウエハの厚みは、例えば、ウエハ薄片化(例えば、バックグラインド)後で約30〜50μmであり得、これは、一般的にビア・ラストTSVエッチングの前に実行される。この実施例においてターゲットエッチング深さは、基板(例えば、シリコン)厚み、ウエハにわたるその厚み不均一性、及び用いられるエッチングツールの能力(エッチング均一性)に依存する。TSVから上面までの距離を低減することは、冷却効率を改善する。この実施例では、全てのTSVがダミーTSVである。上面オフセットTSVは、トランジスタ及び金属配線の任意の配置を可能にし、そのため、利用可能なダイ領域を失うことなくエンハンストされた冷却が可能となる。
【0030】
図5は、開示される実施例に従った、上面オフセットTSV520を含むTSVアレイを含むTSVダイ500の一部の簡略化した断面図である。TSV520は、TSVダイ500上のトランジスタ218及び他のデバイスに関連する拡散の垂直の範囲より下の上面107の下で終端することが分かる。トランジスタ218は、TSV520’として識別されるTSVの上に示されている。TSVダイ500は、どのようにして上面オフセットTSVが、回路(例えば、トランジスタ、ダイオードレジスタなど)がTSVの上面107内又は上に形成されることを可能し、そのため、TSVダイ500上の利用可能なダイ領域を失うことなく冷却エンハンストすることが可能とするかを示す。
【0031】
上面オフセットTSV520を有するTSVダイ500を形成するための1つの例示の方法が提供され、銅内部金属コアプロセスのために説明される。TSVのためのビア・ラストビアが、適切なエッチングプロセスにより形成され、その後、任意の誘電性ライナー堆積、その後、障壁層及びシード堆積、及びその後、電気化学的銅が堆積されて比較的薄いフィールド(TSVビアに対する横)堆積となる方法でのビアの充填が続く。フィールド領域上の銅及び障壁層がその後取り除かれ得(例えば、ウェットストリップ又はCMP)、その後、基板の底面から外に延びる突出するTSVティップをつくるため、従来の基板(例えば、シリコン)ドライエッチバック続く。ドライエッチバックは、誘電体ライナー(存在する場合)を窪ませるために用いることもできる。
【0032】
開示される実施例の例示のアプリケーションは、アナログ、電力管理、及びアプリケーションプロセッサを含む、高電力消散アプリケーションを含む。しかし、種々のその他のアプリケーションが、開示される実施例から利点を得ることができる。上側半導体表面上に形成される能動回路が、一般的に、トランジスタ、ダイオード、コンデンサ、及びレジスタだけでなく、信号ライン及びこれらの種々の回路要素を相互接続する他の電気的導体を含む回路要素を含む。
【0033】
開示される実施例は、種々のデバイス及び関連する製品を形成するための種々のプロセス・フローに統合することができる。半導体基板は、その中の種々の要素及び/又はその上の層を含み得る。これらは、障壁層、他の誘電体層、デバイス構造、或いは、ソース領域、ドレイン領域、ビットライン、ベース、エミッタ、コレクタ、導電性ライン、導電性ビアなどを含む能動要素及び受動要素を含み得る。また、バイポーラ、CMOS、BiCMOS及びMEMSを含む種々のプロセスにおいて開示される実施例を用いることができる。
【0034】
例示の実施例の文脈で説明したような特徴又は工程のすべて又はその幾つかを有する例示の実施例の文脈で説明した1つ又はそれ以上の特徴又は工程の異なる組み合わせを有する実施例も、本明細書に包含されることも意図している。当業者であれば、他の多くの実施例及び変形も特許請求の範囲に包含されることが理解されるであろう。


【特許請求の範囲】
【請求項1】
集積回路デバイスであって、
基板パッドを含む上面を有する第1の基板、
回路を含む第1及び第2の表面を備えた第2の基板、
前記第1の表面上の、前記基板パッドに結合されるボンドコネクタ、及び、
複数の基板貫通ビア、
を含み、
各ビアが、前記第1の表面から前記第2の表面へ前記第2の基板を介して延び、前記第2の表面から外に突出するティップを有する、金属コアを含み、
前記複数のビアが、それぞれのパッドと前記回路との間の電気的接続経路を提供する能動ビアと、熱放散経路を提供するダミービアとの両方を含む、
デバイス。
【請求項2】
請求項1に記載のデバイスであって、前記金属コアが銅を含み、各ビアが、障壁層の上の誘電体ライナーを更に含み、前記誘電体ライナーが前記突出するティップの長さの50%未満を覆う、デバイス。
【請求項3】
請求項2に記載のデバイスであって、前記突出するティップの長さが少なくとも5μmである、デバイス。
【請求項4】
請求項3に記載のデバイスであって、前記ダミービアが均一なアレイ状に配列される、デバイス。
【請求項5】
請求項2に記載のデバイスであって、前記回路が、複数の金属相互接続レベルを更に含み、前記ビアが、前記複数の金属相互接続レベルの第1のレベルに接続される、デバイス。
【請求項6】
請求項1に記載のデバイスであって、前記複数の基板貫通ビアが、前記回路に関連する拡散の垂直の範囲より下で終端する複数の上面オフセットビアを含む、デバイス。


【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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【公表番号】特表2013−518433(P2013−518433A)
【公表日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−551157(P2012−551157)
【出願日】平成22年12月17日(2010.12.17)
【国際出願番号】PCT/US2010/061033
【国際公開番号】WO2011/093956
【国際公開日】平成23年8月4日(2011.8.4)
【出願人】(390020248)日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 (219)
【出願人】(507107291)テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド (50)
【上記1名の代理人】
【識別番号】100098497
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
【Fターム(参考)】