本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)，可用于對(duì)三維集成電路的散熱。

技術(shù)背景

在過去的幾十年中，微電子器件的尺寸按照摩爾定律不斷縮小,電子產(chǎn)品的性能不斷提高。集成度密度越來越大，芯片上集成的晶體管的數(shù)目成倍的增加；隨著電子產(chǎn)品多功能化、小型化，使得單位芯片功耗迅速增加，單位體積內(nèi)的熱流量增大，芯片溫度迅速提高。由于溫度對(duì)芯片的影響，使得芯片的壽命降低；不同區(qū)域的溫度不同，過高的溫度還可能導(dǎo)致芯片發(fā)生形變。

由于半導(dǎo)體制作工藝尺寸縮小到深亞微米量級(jí)后，工藝技術(shù)逐漸達(dá)到物理極限，量子效應(yīng)、短溝道效應(yīng)等小尺寸效應(yīng)越來越凸顯，使得二維集成電路的發(fā)展遇到瓶頸問題。此外，隨著二維集成電路的集成度不斷提高，每片芯片上的器件單元數(shù)量急劇增加，芯片面積增大，單元間連線的增長(zhǎng)既影響電路工作速度又占用很多面積，嚴(yán)重影響集成度和工作速度的進(jìn)一步提高。

為解決上述問題產(chǎn)生了三維集成電路，它通過在“z軸”方向垂直集成多個(gè)芯片達(dá)到延伸摩爾定律的目的。三維集成電路能夠大幅度得降低全局互連線的長(zhǎng)度；提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬；減小芯片面積，提高集成度；實(shí)現(xiàn)異質(zhì)芯片集成。但是三維芯片堆疊包含多個(gè)高性能處理器，它的功率密度超過了傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的能力。當(dāng)這些芯片堆疊時(shí)，電源分配和冷卻變得更加嚴(yán)峻；多層芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量必須通過相鄰芯片層和鍵合層才能到達(dá)散熱器，因而一層的溫度增加將影響其他層。芯片溫度是決定半導(dǎo)體器件可靠性的主要因素，超過50％的集成電路失效是由于熱問題。因此三維集成電路的散熱問題變的異常嚴(yán)峻，需要新型的熱管理策略解決散熱問題。

1981年，美國的tuckerman和pease開創(chuàng)性的提出了一種微流道散熱器并研究了這種應(yīng)用在超大規(guī)模集成電路的情況。這種散熱器采用的是用硅制造而成的水冷矩形微流道結(jié)構(gòu)。流道間隔100μm、通道寬50μm、深300μm，可以在1cm²芯片上散去790w的熱量，使芯片表面溫度保持低于71℃。所以微流道是特別有效的冷卻方式，這種散熱方式使冷卻液通過遍布熱源區(qū)域的微流道進(jìn)行熱交換，能夠滿足三維集成電路高性能微處理器的要求。

與傳統(tǒng)的空氣冷卻方式相比，由于液體的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)高于空氣冷卻，所以微流道冷卻可以有效散熱并解決熱點(diǎn)分布不均勻的問題。芯片采用倒裝芯片封裝，微流道集成在每層芯片的背面，每層芯片都能得到充分的冷卻。

在現(xiàn)有的三維集成電路中，微流道結(jié)構(gòu)主要采用硅材料，流道截面為矩形；由于液體與流道壁的接觸面積小，硅的熱導(dǎo)率低，導(dǎo)致散熱能力低。要通過增大微流道的高度達(dá)到散熱能力，這樣勢(shì)必增大了芯片的厚度，由于在三維集成電路中，垂直硅通孔tsv的縱深比要在一定的范圍內(nèi)，為滿足縱深比的要求，由于微流道的存在使得芯片厚度增加，垂直硅通孔tsv的直徑增大，使得垂直硅通孔tsv占據(jù)較大的硅面積，影響芯片的電學(xué)性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)及其制造方法，提高微流道的散熱能力，同時(shí)減小芯片厚度的增加。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)，包括上層芯片和下層芯片，每層芯片包括電路層、硅襯底、流道壁、微流道和硅流道帽，其特征在于：

所述流道壁，其包括硅流道壁和碳化硅流道壁，且碳化硅流道壁外延生長(zhǎng)在硅流道壁的下方；

所述微流道，其橫截面采用上部為半橢圓形下部為矩形的一體結(jié)構(gòu)，位于硅流道壁的下方，且上部的半橢圓形與硅流道壁相鄰，下部的矩形與碳化硅流道壁相鄰。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明制備三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)的方法，包括：

1)在厚度hsi為70～250μm的硅襯底樣品正面進(jìn)行外延生長(zhǎng)厚度hb為2～10μm的外延層，用于制作芯片電路；

2)對(duì)完成外延層生長(zhǎng)的樣品背面依次進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光、涂光刻膠、烘干、曝光和顯影光刻，形成光刻膠掩膜，再采用等離子體刻蝕工藝對(duì)硅襯底進(jìn)行刻蝕，形成多個(gè)硅基矩形溝道，其中，中間溝道的寬度ws為30～200μm，高度hc為50～200μm，邊緣兩側(cè)的溝道寬度為中間的溝道寬度的一半，高度相同；溝道壁的寬度wc為30～200μm；

3)在溝道刻蝕完成后的樣品背面外延生長(zhǎng)碳化硅，使碳化硅填充滿全部溝道；

4)對(duì)外延生長(zhǎng)碳化硅后的樣品背面進(jìn)行拋光，直至背面能夠觀測(cè)到規(guī)律交替分布的硅材料和碳化硅材料；

5)在拋光后的樣品背面邊緣兩側(cè)的硅流道壁底面上涂光刻膠，對(duì)邊緣兩側(cè)的硅進(jìn)行保護(hù)；對(duì)中間裸露的硅進(jìn)行刻蝕，并使硅刻蝕的深度超過碳化硅材料的厚度，形成新型微流道和碳化硅流道壁；

6)將刻蝕完成的樣品底部與硅流道帽粘合，并在樣品正面外延層制作電路，形成電路層，完成第一層芯片的制作；

7)重復(fù)步驟1)-6)得到第二層芯片；

8)將兩層芯片在垂直方向根據(jù)電學(xué)連接特性連接到一起，形成三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明引入碳化硅材料作為流道壁，由于碳化硅的熱導(dǎo)率高，所以提升了微流道散熱結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率，增強(qiáng)了流道壁與流道內(nèi)液體的熱交換能力，使得液體可以帶走更多的熱量；同時(shí)增強(qiáng)了相鄰微流道間的輔助散熱能力，從而大大提升了微流道散熱結(jié)構(gòu)的散熱性能。

2、本發(fā)明由于引入了新型微流道形狀，增加了微流道與流道壁的散熱接觸面積，縮短了與電路層的距離，使得液體可以帶走更多的熱量，增強(qiáng)了微流道的散熱能力。

3、本發(fā)明由于引入碳化硅材料作為流道壁和新型微流道形狀，提高了散熱能力，減小了微流道的高度和芯片的厚度，使得三維集成電路中的垂直硅通孔tsv性能得到改善，同時(shí)，提高了集成電路的電學(xué)性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)的制作流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1，本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)包括上層芯片1，下層芯片2，每層芯片包括電路層3、硅襯底4、硅流道壁5、碳化硅流道壁6、微流道7和硅微流道帽8，其中，

所述電路層3位于芯片正面的頂部，厚度hb為2～10μm；

所述硅襯底4緊鄰電路層并位于其下方，厚度為20～50μm；

所述硅流道壁5，緊鄰硅襯底4并位于其下方，形狀為半橢圓形；

所述碳化硅流道壁6，其外延生長(zhǎng)在硅流道壁5的下方，形狀為矩形，寬度ws為30～200μm，高度hc為50～200μm；

所述微流道7，其橫截面采用上部為半橢圓形下部為矩形的一體結(jié)構(gòu)，位于硅流道壁5的下方，其下部的矩形截面寬度wc為30～200μm，高度hc為50～200μm，并與碳化硅流道壁6相鄰；其上部的半橢圓形截面長(zhǎng)直徑wt為(wc+0.2ws)～(wc+0.4ws)，高度ht為20～50μm，且上部的半橢圓形與硅流道壁5相鄰；

所述硅流道帽8緊鄰微流道7且位于其下方，并與芯片底部粘合，厚度hm為20～100μm。

參照?qǐng)D2，本發(fā)明的制作流程給出如下三種實(shí)施例：

實(shí)施例一，制作硅襯底樣品厚度hsi為70μm；碳化硅流道壁的寬度ws為30μm，高度hc為50μm；硅流道壁的長(zhǎng)直徑wt為36μm，高度ht為20μm的三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)。

步驟1，生長(zhǎng)外延層，如圖2(a)。

在厚度hsi為70μm的硅襯底樣品正面進(jìn)行外延生長(zhǎng)厚度hb為2μm的外延層，用于制作芯片電路。

步驟2，刻蝕硅基矩形溝道，如圖2(b)。

(2.1)對(duì)完成外延層生長(zhǎng)的樣品背面依次進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光、涂光刻膠、烘干、曝光和顯影光刻，形成光刻膠掩膜；

(2.2)形成光刻膠掩膜后，對(duì)樣品背面沒有被光刻膠保護(hù)的硅采用等離子體刻蝕工藝進(jìn)行刻蝕，形成多個(gè)硅基矩形溝道，其中，中間溝道的寬度ws為30μm，高度hc為50μm，邊緣兩側(cè)的溝道寬度為中間的溝道寬度的一半，高度相同；溝道壁的寬度wc為30μm。

步驟3，外延生長(zhǎng)碳化硅，如圖2(c)。

在溝道刻蝕完成后的樣品背面外延生長(zhǎng)碳化硅，使碳化硅填充滿全部溝道。

步驟4，拋光，如圖2(d)。

由于外延生長(zhǎng)碳化硅后，樣品背面凹凸不平并且硅材料表面被碳化硅覆蓋，所以需要對(duì)樣品背面進(jìn)行物理拋光，直至背面能夠觀測(cè)到規(guī)律交替分布的硅材料和碳化硅材料。

步驟5，刻蝕新型微流道，如圖2(e)。

(5.1)在拋光后的樣品背面邊緣兩側(cè)的硅流道壁底面上涂光刻膠，用于對(duì)邊緣兩側(cè)的硅進(jìn)行保護(hù)；

(5.2)采用濕法刻蝕工藝刻蝕中間裸露的硅，由于只有硅被刻蝕掉，所以留下外延生長(zhǎng)的碳化硅作為流道壁，碳化硅流道壁的寬度ws為30μm，高度hc為50μm；當(dāng)硅刻蝕的深度與生長(zhǎng)的碳化硅深度相同時(shí)，得到矩形微流道，其寬度wc為30μm，高度hc為50μm；

(5.3)對(duì)矩形微流道繼續(xù)進(jìn)行刻蝕，使硅刻蝕的深度超過碳化硅材料的厚度。由于刻蝕會(huì)同時(shí)向豎直方向和水平方向進(jìn)行，會(huì)形成半橢圓形的微流道。其長(zhǎng)直徑wt為36μm，高度ht為20μm，頂部與電路層的距離為20μm，得到上部為半橢圓形下部為矩形的一體結(jié)構(gòu)的新型微流道。

步驟6，粘合硅流道帽并形成電路層，如圖2(f)。

選用厚度hm為20μm的硅流道帽，將刻蝕完成的樣品底部與硅流道帽粘合；再在樣品正面外延層制作電路，形成電路層，得到第一層完整的芯片結(jié)構(gòu)。

步驟7，得到兩層芯片。

重復(fù)步驟1-6，得到第二層芯片結(jié)構(gòu)。

步驟8，將兩層芯片在垂直方向根據(jù)電學(xué)連接特性連接到一起，形成三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)，如圖2(g)。

實(shí)施例二，制作硅襯底樣品厚度hsi為150μm；碳化硅流道壁的寬度ws為100μm，高度hc為120μm；硅流道壁的長(zhǎng)直徑wt為130μm，高度ht為35μm的三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)。

步驟一，生長(zhǎng)外延層，即在厚度hsi為150μm的硅襯底樣品正面外延生長(zhǎng)厚度hb為6μm的外延層，用于制作芯片電路，如圖2(a)。

步驟二，刻蝕硅基矩形溝道，如圖2(b)。

(2a)對(duì)完成外延層生長(zhǎng)的樣品背面依次進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光、涂光刻膠、烘干、曝光和顯影光刻，形成光刻膠掩膜；

(2b)形成光刻膠掩膜后，對(duì)樣品背面沒有被光刻膠保護(hù)的硅采用等離子體刻蝕工藝進(jìn)行刻蝕，形成多個(gè)硅基矩形溝道，其中，中間溝道的寬度ws為80μm，高度hc為120μm，邊緣兩側(cè)的溝道寬度為中間的溝道寬度的一半，高度相同；溝道壁的寬度wc為100μm。

步驟三，外延生長(zhǎng)碳化硅，如圖2(c)。

本步驟的具體實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例一的步驟3相同。

步驟四，拋光，如圖2(d)。

本步驟的具體實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例一的步驟4相同。

步驟五，刻蝕新型微流道，如圖2(e)。

(5a)在拋光后的樣品背面邊緣兩側(cè)的硅流道壁底面上涂光刻膠，用于對(duì)邊緣兩側(cè)的硅進(jìn)行保護(hù)；

(5b)采用濕法刻蝕工藝對(duì)沒有被光刻膠保護(hù)的硅進(jìn)行刻蝕，形成寬度ws為80μm，高度hc為120μm的碳化硅流道壁，并當(dāng)硅刻蝕的深度與生長(zhǎng)的碳化硅深度相同時(shí)，得到寬度wc為100μm，高度hc為120μm的矩形微流道；

(5c)在得到的矩形微流道內(nèi)繼續(xù)刻蝕，使硅刻蝕的深度超過碳化硅材料的厚度；由于刻蝕液體在碳化硅材料上方同時(shí)對(duì)水平方向和豎直方向上的硅進(jìn)行刻蝕，所以可以刻蝕形成半橢圓形的微流道，其長(zhǎng)直徑wt為130μm，高度ht為35μm，頂部與電路層的距離為35μm，得到上部為半橢圓形下部為矩形的一體結(jié)構(gòu)的新型微流道，能夠增大微流道的散熱面積，提高散熱能力。

步驟六，粘合硅流道帽并形成電路層，如圖2(f)。

將刻蝕完成的樣品底部與厚度hm為60μm的硅流道帽粘合；再在樣品正面外延層制作電路，形成電路層，得到第一層完整的芯片結(jié)構(gòu)。

步驟七，重復(fù)步驟一到步驟六，得到第二層芯片結(jié)構(gòu)。

步驟八，將兩層芯片在垂直方向根據(jù)電學(xué)連接特性連接到一起，形成三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)，如圖2(g)。

實(shí)施例三，制作硅襯底樣品厚度hsi為250μm；碳化硅流道壁的寬度ws為200μm，高度hc為200μm；硅流道壁的長(zhǎng)直徑wt為280μm，高度ht為200μm的三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)。

步驟a，生長(zhǎng)外延層，即在厚度hsi為250μm的硅襯底樣品正面外延生長(zhǎng)厚度hb為10μm的外延層，用于制作芯片電路，如圖2(a)。

步驟b，刻蝕硅基矩形溝道，如圖2(b)。

(b1)對(duì)完成外延層生長(zhǎng)的樣品背面依次進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光；

(b2)對(duì)拋光后的樣品涂光刻膠、烘干、曝光和顯影光刻，在樣品上形成光刻膠掩膜；

(b3)形成光刻膠掩膜后，對(duì)樣品背面沒有被光刻膠保護(hù)的硅采用等離子體刻蝕工藝進(jìn)行刻蝕，形成多個(gè)硅基矩形溝道，其中，中間溝道的寬度ws為200μm，高度hc為200μm，邊緣兩側(cè)的溝道寬度為中間的溝道寬度的一半，高度相同；溝道壁的寬度wc為200μm。

步驟c，外延生長(zhǎng)碳化硅，如圖2(c)。

本步驟的具體實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例一的步驟3相同。

步驟d，拋光，如圖2(d)。

本步驟的具體實(shí)現(xiàn)與實(shí)施例一的步驟4相同。

步驟e，刻蝕新型微流道，如圖2(e)。

(e1)在拋光后的樣品背面邊緣兩側(cè)的硅流道壁底面上涂光刻膠，用于對(duì)邊緣兩側(cè)的硅進(jìn)行保護(hù)；

(e2)在涂完光刻膠的樣品背面進(jìn)行濕法刻蝕工藝處理，刻蝕沒有光刻膠保護(hù)的硅，當(dāng)硅刻蝕的深度與生長(zhǎng)的碳化硅深度相同時(shí)，形成矩形微流道，其寬度wc為200μm，高度hc為200μm；同時(shí)形成碳化硅流道壁，其寬度ws為200μm，高度hc為200μm；

(e3)在得到的矩形微流道內(nèi)繼續(xù)刻蝕，使硅刻蝕的深度超過碳化硅材料的厚度，由于刻蝕會(huì)同時(shí)在豎直方向和水平方向進(jìn)行，所以可以刻蝕形成半橢圓形的微流道，得到上部為半橢圓形下部為矩形的一體結(jié)構(gòu)，該半橢圓形微流道長(zhǎng)的直徑wt為280μm，高度ht為50μm，頂部與電路層的距離為50μm。

步驟f，粘合硅流道帽并形成電路層，如圖2(f)。

選用厚度hm為100μm的硅流道帽，將刻蝕完成的樣品底部與硅流道帽粘合；再在樣品正面外延層制作電路，形成電路層，得到第一層完整的芯片結(jié)構(gòu)。

步驟g，重復(fù)步驟a-f，得到第二層芯片結(jié)構(gòu)。

步驟h，將兩層芯片在垂直方向根據(jù)電學(xué)連接特性連接到一起，形成三維集成電路的碳化硅微流道散熱結(jié)構(gòu)，如圖2(g)。

以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員來說，在了解發(fā)明原理和結(jié)構(gòu)后，都可能在不背離發(fā)明原理和結(jié)構(gòu)的情況下，根據(jù)上述說明形式、細(xì)節(jié)和參數(shù)等加以改進(jìn)和變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。