[发明专利]三维集成电路的碳化硅微流道散热结构及其制作方法

说明书

本发明涉及一种三维集成电路的碳化硅微流道散热结构及其制作方法，主要解决现有技术微流道壁材料热导率低和液体与微流道壁接触面积小的问题。其包括上层芯片(1)和下层芯片(2)，每层芯片自上而下包括电路层(3)、硅衬底(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，电路层位于芯片正面的顶部，硅衬底紧邻电路层并位于其下方；硅流道壁紧邻硅衬底并位于其下方；碳化硅流道壁其外延生长在硅流道壁的下方；微流道其横截面采用上部为半椭圆形下部为矩形的一体结构，位于硅流道壁的下方；本发明增加了电路层附近的散热接触面积，缩短了与电路层的距离，提升了微流道散热结构的散热性能。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种碳化硅微流道散热结构，可用于对三维集成电路的散热。

技术背景

在过去的几十年中，微电子器件的尺寸按照摩尔定律不断缩小,电子产品的性能不断提高。集成度密度越来越大，芯片上集成的晶体管的数目成倍的增加；随着电子产品多功能化、小型化，使得单位芯片功耗迅速增加，单位体积内的热流量增大，芯片温度迅速提高。由于温度对芯片的影响，使得芯片的寿命降低；不同区域的温度不同，过高的温度还可能导致芯片发生形变。

由于半导体制作工艺尺寸缩小到深亚微米量级后，工艺技术逐渐达到物理极限，量子效应、短沟道效应等小尺寸效应越来越凸显，使得二维集成电路的发展遇到瓶颈问题。此外，随着二维集成电路的集成度不断提高，每片芯片上的器件单元数量急剧增加，芯片面积增大，单元间连线的增长既影响电路工作速度又占用很多面积，严重影响集成度和工作速度的进一步提高。

为解决上述问题产生了三维集成电路，它通过在“Z轴”方向垂直集成多个芯片达到延伸摩尔定律的目的。三维集成电路能够大幅度得降低全局互连线的长度；提高数据传输带宽；减小芯片面积，提高集成度；实现异质芯片集成。但是三维芯片堆叠包含多个高性能处理器，它的功率密度超过了传统冷却技术的能力。当这些芯片堆叠时，电源分配和冷却变得更加严峻；多层芯片内部产生的热量必须通过相邻芯片层和键合层才能到达散热器，因而一层的温度增加将影响其他层。芯片温度是决定半导体器件可靠性的主要因素，超过50％的集成电路失效是由于热问题。因此三维集成电路的散热问题变的异常严峻，需要新型的热管理策略解决散热问题。

1981年，美国的Tuckerman和Pease开创性的提出了一种微流道散热器并研究了这种应用在超大规模集成电路的情况。这种散热器采用的是用硅制造而成的水冷矩形微流道结构。流道间隔100μm、通道宽50μm、深300μm，可以在1cm²芯片上散去790w的热量，使芯片表面温度保持低于71℃。所以微流道是特别有效的冷却方式，这种散热方式使冷却液通过遍布热源区域的微流道进行热交换，能够满足三维集成电路高性能微处理器的要求。

与传统的空气冷却方式相比，由于液体的热转移系数高于空气冷却，所以微流道冷却可以有效散热并解决热点分布不均匀的问题。芯片采用倒装芯片封装，微流道集成在每层芯片的背面，每层芯片都能得到充分的冷却。

在现有的三维集成电路中，微流道结构主要采用硅材料，流道截面为矩形；由于液体与流道壁的接触面积小，硅的热导率低，导致散热能力低。要通过增大微流道的高度达到散热能力，这样势必增大了芯片的厚度，由于在三维集成电路中，垂直硅通孔TSV的纵深比要在一定的范围内，为满足纵深比的要求，由于微流道的存在使得芯片厚度增加，垂直硅通孔TSV的直径增大，使得垂直硅通孔TSV占据较大的硅面积，影响芯片的电学性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种三维集成电路的碳化硅微流道散热结构及其制造方法，提高微流道的散热能力，同时减小芯片厚度的增加。

为实现上述目的，本发明的三维集成电路的碳化硅微流道散热结构，包括上层芯片和下层芯片，每层芯片包括电路层、硅衬底、流道壁、微流道和硅流道帽，其特征在于：