CN101123249A - 半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体装置及其制造方法。该装置包括内插板；多个器件，堆叠于该内插板之上；冷却器，设置在至少一个器件内，该冷却器包括冷却材料通道；以及，连接电极，设置在这些器件之间，用于将上层器件内的信号电极与下层器件内的信号电极连接起来。根据本发明的半导体装置及其制造方法，热量可以很容易地从SiP半导体装置散发出来。

Description

半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体装置及制造该半导体装置的方法。
背景技术
图1示出一种根据现有的半导体装置制造方法获得的“系统级封装”(System in a package，简称SiP)的半导体装置。
参见图1，现有技术中SiP半导体装置包括内插板11、第一器件13、第二器件15以及第三器件17。
第一器件13、第二器件15或者第三器件17中可包括下述任何一个：中央处理单元(CPU)，静态随机访问存储器(SRAM)，动态随机访问存储器(DRAM)，闪存(Flash)，大规模逻辑集成电路(Logic LSI)，功率集成电路(Power IC)，控制集成电路(Control IC)，模拟大规模集成电路(Analog LSI)，微波单片集成电路(MM IC)，互补型金属氧化物半导体射频集成电路(CMOS RF-IC)，传感器芯片，微机电系统(MEMS)芯片，等等。
在第一器件13和第二器件15之间以及第二器件15和第三器件17之间可以形成连接单元，以给每一器件传递信号。
但是，具有上述结构的SiP半导体装置如果要获得广泛的应用，就必须对其散热问题加以解决。特别是对于这种情况，比如半导体装置的第二器件15被设置在中间层时，必须解决其散热问题才能对SiP半导体装置加以推广应用。
发明内容
本发明的实施例提供了一种半导体装置及其制造方法，旨在使SiP半导体装置易于散热。
根据本发明的实施例，提供一种半导体装置，包括内插板；多个器件，堆叠于该内插板之上；冷却器，设置在至少一个器件内，该冷却器包括冷却材料通道；以及，连接电极，设置在各该多个器件之间，用于将上层器件内的信号电极与下层器件内的信号电极连接起来。
根据本发明的实施例，提供一种制造半导体装置的方法，该方法包括以下步骤：形成多个器件，其中至少一个器件包括具有冷却材料通道的冷却器；以及将这些器件堆叠于内插板上。
根据本发明的半导体装置及其制造方法，热量可以很容易地从SiP半导体装置散发出来。
附图说明
图1示出根据现有半导体装置制造方法获得的半导体装置的截面图；
图2示出根据本发明实施例的半导体装置制造方法获得的SiP半导体装置的截面图；
图3示出根据本发明实施例的半导体装置中设有冷却材料通道的器件结构的截面图；
图4示出根据本发明实施例的半导体装置中设有冷却材料通道的保护层的截面图；
图5示出根据本发明实施例的半导体装置制造方法获得的SiP半导体装置的截面图。
具体实施方式
参考图2到图4，根据本发明的实施例，半导体装置可以包括内插板200、第一器件210、第二器件230、第三器件250以及第四器件270。第一器件210、第二器件230和第三器件250可以设置用来传输冷却材料的第一通道211、第二通道231和第三通道251。
根据本发明的实施例，该半导体装置可以包括第一连接层220，用于连接形成于第一器件210的信号电极和形成于第二器件230的信号电极。另外，该半导体装置可以包括第二连接层240，用于连接形成于第二器件230的信号电极和形成于第三器件250的信号电极。该半导体装置可以包括第三连接层260，用于连接形成于第三器件250的信号电极和形成于第四器件270的信号电极。
第一电极210可以包括具有第一通道211的冷却器。该冷却器设置在保护层213内，该保护层213形成于第一器件210的上部。一般来说，保护层213可以形成于器件的顶部，由此通过对保护层213的蚀刻和清洗工艺，很容易形成用于传输冷却材料的第一通道211。另外，该冷却器可以被设置在顶不同位置以代替第一器件210的顶部位置。
图2示出了设于第二器件230和第三器件250的第二通道231和第三通道251，用于传输冷却材料。但是，即使冷却材料的通道仅形成于一个器件上，半导体装置的全部热量仍然可以散发。在本发明的实施例中，尽管图中未示出，位于图2所示半导体装置的顶部的第四器件270也可形成冷却材料的通道。
根据本发明的实施例，该半导体装置可以进一步包括冷却材料供应器，其连接到冷却器，用于提供冷却材料。冷却材料供应器提供的冷却材料流经形成于第一到第三器件210、230和250的通道211、231和251。在本发明的实施例中，尽管图中未示出，冷却材料供应器提供的冷却材料也可以流经形成于第四器件270的通道。该冷却材料可以包括低温气体和低温液体，比如液态氮。因此，根据本发明的实施例，该半导体装置可以很容易且有效地向外散热。
在本发明的实施例中，第一到第四器件210、230、250和270的每一个都可以包括贯通电极，该贯通电极分别穿过上述器件。该贯通电极用于在下层器件和上层器件之间传递信号。
尽管在上述实施例中描述了堆叠有第一到第四器件210、230、250和270的SiP半导体装置，但该堆叠器件的数目是可变的。每一器件都可以包括下述结构之一：中央处理单元(CPU)，静态随机访问存储器(SRAM)，动态随机访问存储器(DRAM)，闪存(Flash)，大规模逻辑集成电路(Logic LSI)，功率集成电路(Power IC)，控制集成电路(Control IC)，模拟大规模集成电路(Analog LSI)，微波单片集成电路(MM IC)，互补型金属氧化物半导体射频集成电路(CMOS RF-IC)，传感器芯片，微机电系统(MEMS)芯片。
在根据本发明的实施例的制造半导体装置的方法中，包括形成多个器件，其中至少一个器件包括具有冷却材料通道的冷却器。在根据本发明的实施例的制造半导体装置的方法中，包括将该多个器件堆叠于内插板上。在该多个器件之间形成连接层。在上层器件和下层器件中形成的信号电极，通过形成于连接层的连接电极彼此连接。
根据本发明的实施例，当上述器件形成时，在位于设有冷却器的器件顶部的保护层内形成冷却器。
图4示出了根据本发明实施例的半导体装置中，形成有冷却材料通道的保护层。在本发明的实施例中，通道211可采用卷绕模式(windingpattern)形成，以覆盖更多的面积区域。
在本发明的实施例中，为了更加有效的从每一器件散热，可以制造如图5所示的半导体装置。图5示出根据本发明实施例的半导体装置制造方法所获得的SiP半导体装置。
参见图5，该SiP半导体装置包括内插板300、第一器件310、第二器件330、第三器件350以及第四器件370。该SiP半导体装置包括穿过第一器件310的第一贯通电极315、穿过第二器件330的第二贯通电极335、穿过第三器件350的第三贯通电极355以及穿过第四器件370的第四贯通电极375。第一到第三器件310、330和350包括被配置为用于传输冷却材料的通道311、331和351。
该SiP半导体装置可以包括第一连接层320，其将形成于第一器件310的信号电极和形成与第二器件330的信号电极连接起来。该SiP半导体装置可以包括第二连接层340，其将形成于第二器件330的信号电极和形成与第三器件350的信号电极连接起来。该SiP半导体装置可以包括第三连接层360，其将形成于第三器件350的信号电极和形成与第四器件370的信号电极连接起来。
第一器件310可以包括冷却器，该冷却器具有被配置为用于传输冷却材料的通道311。该冷却器可以设置在形成于第一器件310上部的保护层内。另外，由于保护层可以形成于器件的顶部，则通过对保护层的蚀刻和清洗加工工艺，很容易形成用于传输冷却材料的通道311。在本发明的实施例中，该冷却器可以被设置在不同位置以代替第一器件310的顶部位置。
图5示出了形成于第二和第三器件330和350的通道331和351，这些通道被配置为用于传输冷却材料。但是，即使冷却材料的通道仅形成于一个器件上，半导体装置的大部分或者全部热量仍然可以散发。在本发明的实施例中，冷却材料的通道也可以形成于位于图5所示半导体装置顶部的第四器件370中。
根据本发明实施例的SiP半导体装置可以进一步包括冷却材料供应器，其与冷却器连接并用于向其提供冷却材料。冷却材料供应器提供的冷却材料流经形成于相应器件的通道311、331和351，以传输冷却材料。该冷却材料可以包括低温气体和低温液体，比如液态氮。因此，根据本发明的实施例，该半导体装置能够很容易且有效地向外散热。
该SiP半导体装置可以包括第一连接层320，用于将第一器件310和第二器件330连接起来。该SiP半导体装置可以包括第二连接层340，用于将第二器件330和第三器件350连接起来。该SiP半导体装置可以包括第三连接层360，用于将第三器件350和第四器件370连接起来。在第一到第三连接层320、340和360内形成第一到第三连接电极325、345和365。
在本发明的实施例中，第一器件310可以通过第一连接电极325电连接到第二器件330。在本发明的实施例中，第二器件330可以通过第二连接电极345电连接到第三器件350。在本发明的实施例中，第三器件350可以通过第三连接电极365电连接到第四器件370。
在本发明的实施例中，第一连接电极325可以将第一贯通电极315和第二贯通电极335连接起来。在本发明的实施例中，第二连接电极345可以将第二贯通电极335和第三贯通电极355连接起来。在本发明的实施例中，第三连接电极365可以将第三贯通电极355和第四贯通电极375连接起来。
贯通电极315、335、355和375可以通过顺序执行下述加工工艺而形成：模式加工工艺，蚀刻工艺，半导体装置的金属成形工艺，以及化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)工艺。由于上述工艺为本领域普通技术人员的公知技术，因此不再赘述。
在本发明的实施例中，贯通电极315、335、355和375包括钨(W)，铜(Cu)，铝(Al)，银(Ag)以及金(Au)至少其中之一。该贯通电极可以通过物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)、原子层沉积(Atomic Layer Deposition，简称ALD)、化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition，简称CVD)、蒸发或者电化学镀膜(Electro-ChemicalPlating，简称ECP)进行沉积。贯通电极的势垒可以在下述组中择一并通过CVD、PVD或者ALD形成，该组包括氮化钽(TaN)，钽(Ta)，氮化钛(TiN)，钛(Ti)以及氮化钛硅(TiSiN)。
在本发明的实施例中，散热器380可以形成于第一器件310的底面之下。通过贯通电极，散热器380可以被连接到这些器件，以更加有效的散发这些器件的热量。散热器380可以包括散热片或者散热管。
根据本发明实施例的半导体装置及其制造方法，热量可以很容易地从SiP半导体装置散发出来。
对于本领域技术人员来说，显然可以对本发明的实施例进行各种改进或者修改。因此，涵盖了各种改进和修改的实施例应该落入所附权利要求的范围内。本领域技术人员也可以理解，当提及一层位于另一层或者基底“之上”或“上面”时，可以是直接位于另一层或者基底之上，或者也可以在中间插入其他层。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
内插板；
多个器件，所述多个器件堆叠于所述内插板之上；
冷却器，在所述多个器件中的至少一个器件内设有所述冷却器，所述冷却器包括冷却材料通道；以及
连接电极，设置在各所述多个器件之间，用于将上层器件内的信号电极与下层器件内的信号电极连接起来。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个器件中的每个器件包括穿过相应器件的贯通电极。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述贯通电极包括钨，铜，铝，银以及金至少其中之一。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，设有所述冷却器的所述至少一个器件包括保护层，该保护层位于所述至少一个器件的顶部，以及所述冷却器位于所述保护层之中。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括：散热器，所述散热器设置在所述内插板与堆叠而成的所述多个器件之间。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述散热器包括散热片和散热管其中之一。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述冷却材料包括低温气体和低温液体至少其中之一。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述低温材料包括液态氮。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：冷却材料供应器，其配置为用于向所述冷却器提供冷却材料。
10.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，每一器件包括下述之一：中央处理单元、静态随机访问存储器、动态随机访问存储器、闪存、大规模逻辑集成电路、功率集成电路、控制集成电路、模拟大规模集成电路、微波单片集成电路、互补型金属氧化物半导体射频集成电路、传感器芯片，以及微机电系统芯片。
11.一种方法，包括以下步骤：
形成多个器件，至少一个器件包括具有冷却材料通道的冷却器；以及
将所述多个器件堆叠于内插板之上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述内插板上堆叠所述多个器件包括：
在所述多个器件中的每个器件内形成信号电极；
在各器件之间形成连接层；
在每一连接层内形成连接电极；以及
通过设置在上层器件和下层器件之间的连接层内的连接电极，将形成于所述上层器件和下层器件内的信号电极彼此连接。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，形成具有所述冷却器的所述至少一个器件包括：
在设有所述冷却器的所述至少一个器件的顶部形成保护层；
在所述保护层内形成所述冷却器。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，形成所述多个器件包括在所述多个器件中的每个器件内形成贯通电极，所述贯通电极穿过相应的器件。
15.根据权利要求1 4所述的方法，其中，每一贯通电极包括钨、铜、铝、银以及金至少其中之一。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：在堆叠于所述内插板上的所述多个器件中的最下层器件的底面之下形成散热器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述散热器包括散热片和散热管其中之一。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述冷却材料包括低温气体和低温液体至少其中之一。
19.根据权利要求11所述的方法，进一步：包括将冷却材料供应器连接到所述冷却器，该冷却材料供应器用以提供冷却材料。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，每一器件包括下述之一：中央处理单元、静态随机访问存储器、动态随机访问存储器、闪存、大规模逻辑集成电路、功率集成电路、控制集成电路、模拟大规模集成电路、微波单片集成电路、互补型金属氧化物半导体射频集成电路、传感器芯片，以及微机电系统芯片。
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