АКТИВНОЕ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
ACTIVE THERMAL REGULATION OF MULTILAYER INTEGRAL CIRCUITS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее описание изобретения относится к интегральным схемам (Integrated Circuits - IC). Более точно, описание относится к многоуровневым интегральным схемам, а еще более точно, к системам и методам активного терморегулирования в многоуровневых интегральных схемах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В технологии интегральных схем существует необходимость послойного складирования кристаллов для формирования многоуровневых (3-D) интегральных схем (также именуемых многослойными интегральными схемами или многоярусными интегральными схемами). При послойном складировании кристаллов возникла проблема снижения теплопроводности. Так, могли существовать области локального перегрева с недостаточной способностью отводить тепло от источника тепла. Из-за уменьшенного размера многоуровневых интегральных схем (толщина подложки упала со 100 мкм до 6-50 мкм) удельная мощность увеличивается, в то время как поперечная теплопроводность снижается.
Методом увеличения поперечной теплопроводности является увеличение толщины подложки. Это, в свою очередь, оказывает негативное воздействие на выбранный форм-фактор многоуровневой интегральной схемы и ухудшает производительность.
Дополнительная проблема возникает при формировании более двух уровней. В такой ситуации многоуровневая интегральная схема может содержать множество слоев оксида, располагаемых между каждой парой накладываемых друг на друга слоев схемы. Оксид, являясь плохим проводником тепла, усугубляет проблему отвода тепла.
Существует несколько подходов к решению вопроса отвода тепла. Один подход - расположить между слоями схемы теплопроводящий слой. Обычно теплопроводящие слои являются металлическими и могут навредить межслойным электрическим соединениям. Другой подход предполагает использование технологии «связь через кремний» (Trough Silicon Vias - ТSVc) для отвода тепла от внутреннего яруса к внешнему ярусу многоуровневой интегральной схемы, а затем отвода тепла с поверхностного яруса традиционными методами, такими как установка материалов с высокой теплопроводностью на поверхностном уровне. С таким решением возникают проблемы. Например, не всегда возможно расположить TSV в определенном месте из-за требований к разводке схемы в различных ярусах.
Другой подход предполагает циркуляцию охлаждающего материала через многоуровневую интегральную схему для охлаждения областей локального перегрева. Решение с охлаждающей циркуляцией является затратным для производителя и, из-за наличия движущейся жидкости, требует использования механизма накачки и допуска в узких пределах для каналов протекания жидкости. Также, из-за требований к разводке схемы, может быть невозможным вертикально установить устройство для образования канала между охлаждающим материалом и необходимым местом на схеме. Проблему «вертикальной установки» можно в некоторой степени преодолеть нагнетанием охлаждающей жидкости через саму подложку, но этот метод приведет к дополнительным проблемам и затратам.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теплопроводность в многоуровневых интегральных схемах может быть улучшена посредством конструирования одного или более активных температурных контроллеров в многоуровневой интегральной схеме. В одной реализации изобретения контроллерами являются термоэлектрические контроллеры (Thermal electric - TE), такие как элементы Пельтье. Термоэлектрические контроллеры могут затем селективно контролироваться для отвода или подвода тепла, т.к. необходимо поддерживать многоуровневую интегральную схему в определенном температурном диапазоне или, наоборот, приводить многоуровневую интегральную схему к нужной температуре. Активные элементы терморегулирования могут быть p-n-переходами, сформированными в многоуровневой IC, и могут служить для продольного и/или поперечного отвода/подвода тепла, как требуется.
Вышеприведенное описание подчеркивает достаточно широко особенности и технические преимущества настоящего изобретения для лучшего понимания последующего подробного описания изобретения. Дополнительные особенности и преимущества изобретения будут описаны ниже и сформируют предмет формулы изобретения. Специалистам в области техники следует понимать, что концепция и определенные реализации, раскрываемые здесь, могут без труда использоваться в качестве основы для изменения или проектирования других структур для выполнения тех же целей, что настоящее изобретение. Специалистам в области техники также необходимо понимать, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы существа и объема изобретения, как изложено в приложенной формуле изобретения. Элементы новизны, которые предполагаются особенностями настоящего изобретения как по их организации, так и по их методам функционирования, наряду с дополнительными целями и преимуществами, будут лучше понятны из последующих описаний при рассмотрении в связи с сопроводительными чертежами. Однако недвусмысленно понятно, что каждая из фигур приведена только с иллюстративной и демонстративной целью и не предполагает определение границ применения настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания настоящего изобретения сошлемся на следующие описания, рассмотренные совместно с прилагаемыми чертежами, в которых:
на Фиг.1 представлен схематический чертеж многоуровневой интегральной схемы с областью локального перегрева;
на Фиг.2 представлен пример решения из существующей области техники для отвода тепла от области локального перегрева;
на Фиг.3 представлена реализация многоуровневой интегральной схемы с активным терморегулированием в соответствии с идеей изобретения; и
на Фиг. 4А-4G представлен способ изготовления многоуровневых интегральных схем с активной охлаждающей способностью, в соответствии с идеей изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлен схематический чертеж многоуровневой интегральной схемы 10 с верхним уровнем 11 и нижним уровнем 12. На лицевой поверхности верхнего уровня 11 располагается активная схема 102, в нижней части уровня находится подложка 101. Поверхности 102/103 содержат соединения 108, которые служат для связи компонентов (или выводов), таких как компоненты 109 на соответствующих уровнях. Эти соединения выполнены с использованием соединительных каналов, таких как каналы 109, и сквозных соединений, таких как 106.
С иллюстративной целью, область 110 представляет собой проблемное место с точки зрения перегрева, в данной реализации. Т.е. область 110 представляет собой «место перегрева», которое существует или может существовать время от времени в многоуровневой интегральной схеме 10. Место перегрева в данном контексте означает, что при функционировании многоуровневой интегральной схемы 10 температура этой области и вокруг нее 110 может стать нежелательно выше, чем в других частях уровня 12. Из-за последовательного наложения уровня 11 на уровень 12 и, предпочтительно, сниженной толщины каждого уровня, распространение тепла вдоль уровня 12 снижается. Кроме того, между уровнями 11 и 12 может формироваться воздушный зазор 111, снижая тем самым восходящий поток тепла от области локального перегрева.
Как описано выше, существует несколько причин для включения в многоуровневую интегральную схему функциональности или структуры для охлаждения. Но есть также причины для нагревания многоуровневой интегральной схемы или их частей. Например, когда при разработке счетчика адаптивного напряжения, желательно иметь однородную температуру по всей многоуровневой интегральной схеме. Таким образом, в уровне многоуровневой IC существует несколько локализованных областей, которые нагреваются при работе (т.е. являются не областями локального перегрева по существу, а локализованными областями, которые функционируют при более высоких температурах, чем остальные зоны уровня), может быть желательно или необходимо нагреть или охладить области уровня таким образом, чтобы многоуровневая IC имела относительно постоянную или однородную температуру. В некоторых ситуациях желательна или важна установка многоуровневой IC в исходное состояние с требуемой температурой. Например, если датчики для работы необходимо нагреть, и для снижения времени нагрева можно использовать ТЕ.
Дополнительно может потребоваться или быть желательным селективный нагрев и/или охлаждение многоуровневой IC. Например, селективный нагрев или охлаждение или их комбинация могут использоваться для выравнивания градиента температуры в кремнии, чтобы смягчить напряжение, вызванное разницей температур в подложке. Также селективное терморегулирование может использоваться для того, чтобы дать многоуровневой IC функционировать, по крайней мере, временно при температурах, для работы в которых она не разрабатывалась.
На Фиг. 2 представлен пример традиционного решения для отвода тепла от областей локального перегрева 110. В данном решении массив TSV располагается над областью локального перегрева таким образом, что тепло от области локального перегрева 110 может проводиться через поверхность 103, зазор 111, поверхность 102 и выводиться через сквозные отверстия 201. В дополнение к проблеме теплопроводности, свойственной движению тепла через различные слои и зазоры, в некоторых ситуациях на пути прохождения теплового потока можно располагать электрические схемы или другие элементы, такие как элемент 202, тем самым снижая (и иногда устраняя) эффективность TSV массивов 200.
На Фиг. 3 представлена многоуровневая интегральная схема с активным терморегулированием, в соответствии с идеей настоящего изобретения. Термоэлемент 300 включает в себя два p-n-перехода. Каждый p-n-переход включает элемент p-типа 301, элемент n-типа 302, а также нижний проводник 303. В зависимости от того, в какую сторону протекает ток p-n-перехода, нижний проводник может как притягивать тепло, так и обеспечивать нагрев. В одной реализации в качестве термоэлемента 300 используется термоэлемент Пельтье. Несмотря на то что показана только пара p-n-переходов, изобретение не ограничивается такой конфигурацией. Может обеспечиваться как меньшее, так и большее количество p-n-переходов.
Для организации направления протекания тока через p-n-переход используется схема управления 304. Схема управления 304 также управляет плотностью тока. Схема 304 обеспечивает селективное управление током к термоэлементу 300 через вывод, такой как вывод 321. В одной из реализаций термоэлемент 300 функционирует таким образом, что верхняя сторона (верх не обозначен справочным номером) нагревается, в то время как другая сторона, например нижняя, охлаждается в зависимости от направления тока.
Тепловая энергия от области локального перегрева 110 поступает вверх через поверхности 103 и 102 к устройству 300. Этот тепловой поток может при желании использоваться конструктивными каналами (сквозными соединениями) через поверхности. Путем выбора надлежащей плотности тока и направления протекания тока устройство 300 служит для отвода тепла, тем самым охлаждая многоуровневую IС 30. Устройство для поглощения тепла или другие виды теплообменников, не показаны, могут располагаться на поверхности уровня 11, смежной с термоэлементом 300 для содействия термоэлементу 300 в отводе тепла от многоуровневой IС 30. Нужно обратить внимание на то, что многоуровневая IС 30 может обеспечиваться термоэлементами 300 в стольких областях, в скольких потребуется, при этом некоторые термоэлементы 300 могут нагнетать тепло, а некоторые отводить.
Необходимо отметить, что в то время как материал р-n-перехода показан как проходящий через всю подложку уровня 11, в другой реализации материал p-n-перехода частично заполняет подложку, и переход формируется вблизи нижнего проводника 303. В данной реализации верхняя часть каждого сквозного соединения заполняется металлизацией, создавая контакт внутри сквозного соединения.
В некоторых реализациях место перегрева может располагаться в том же слое, что и охлаждающее устройство, тем самым приводя к горизонтальной тепловой деформации. В такой ситуации в подложке может быть выполнен горизонтальный паз для горизонтального теплопереноса внутри той же подложки. Первая часть паза будет включать материал р-типа, а вторая часть будет включать материал n-типа.
На Фиг.4A-4G представлены примерные способы изготовления многослойных интегральных схем с активным терморегулированием.
На Фиг.4А представлен уровень 11, который собран путем наложения на уровень 12, и некоторые области, такие как участки 401-405, в подложке уровня 11 заполнены сверху донизу легкоплавким наполнителем. Как будет видно, активный термоконтроллер будет сформирован в участке 400.
На Фиг.4В представлен защитный материал 410, покрывающий участки 401-404 для подготовки к следующему этапу обработки. По мере продолжения обработки непокрытые участки 405 становятся стандартными TSV.
На Фиг.4С представлена металлизация непокрытых участков 405А металлическим слоем 420 для создания стандартных структур TSV 405A. С целью согласования с другими элементами многоуровневой IС может использоваться медь или любой металлический материал по желанию. Таким образом, как показано на Фиг.4С, непокрытые участки теперь содержат металл, см. 405А, при этом элементы 401-404 остаются защищенными и наполненными легкоплавким наполнителем.
На Фиг.4D представлено удаление защитного материала 410 с участков 410-2 и 410-4, оставляя участки 410-1 и 401-3 на месте. Также показано, что легкоплавкий материал из сквозных соединений 402 и 404 удален.
На Фиг.4Е представлен термоэлектрический материал р-типа, осажденный на участки 402 и 404. Материал р-типа не осажден на участки 401 и 403, т.к. на них до сих пор находится защитный слой участков 410-1 и 410-3 и, таким образом, они до сих пор содержат легкоплавкий материал в сквозных соединениях.
На Фиг.4F представлено удаление участков 410-1 и 410-3 защитного материала 410 для раскрытия сквозных соединений 401 и 403. Затем легкоппавкий материал удалится из сквозных соединений 401 и 403.
2
3
На Фиг.4G представлен термический материал n-типа, осажденный на участки 401 и 403, тем самым завершая формирование терморегулирующего устройства внутри слоя 11. Типичными материалами для формирования элементов Пельтье являются теллурид висмута, SbTe, PbTe и SiGe, но также могут использоваться другие материалы, такие как стекла из фононных кристаллов или наноматериалы. Также возможно использование двух металлов в переходе металл-металл, таких как медь-никель. В данной реализации никель заполняет структуры TSV 401-404, а медь используется для стандартной металлизации. Соответственно, каждая из TSV 401-404 будет потенциальным элементом Пельтье. Есть два преимущества такой Пельтье структуры. Первое преимущество, это то, что этапы маскирования для р- и n-типа заполнения удаляются. Вторым преимуществом является то, что плотность элементов Пельтье увеличивается, если одна сторона TSV 401-404 будет работать на охлаждение, в то время как другая сторона будет стороной нагрева. Конечно, теплоперенос в  направлении оси Z улучшен, в то время как в направлениях осей X и Y затрудняется.
Несмотря на то что в описании осаждается сначала материал p-типа, а потом последовательно материал n-типа, порядок осаждения не является критичным. Т.е., если это удобнее, материал n-типа может осаждаться в первую очередь.
Необходимо подчеркнуть, что разница температур, создаваемая элементами электрической схемы в подложке, может использоваться для управления напряжением. Созданное таким образом напряжение может быть выведено, например, для управления другими элементами электрической схемы, как представлено на соединении 320 схемы управления 304 на Фиг. 3. Это эффективно поменяет направление работы термоэлемента 300. Термоэлемент 300 будет охлаждать области с проблемой перегрева (на Фиг. 3 это области локального перегрева 110), т.к. тепловая энергия будет удаляться от области локального перегрева посредством преобразования в электрическую энергию. Совокупный эффект будет заключаться в том, что совокупного охлаждения всей многоуровневой интегральной схемы 30 (т.к. энергия будет возвращаться в другое место многоуровневой IC) не будет, а будет локализованное в области локального перегрева охлаждение. Последовательно получается вся сэкономленная энергия для многоуровневой IC 30.
Элемент Пельтье представляет собой тепловой насос, которому необходима энергия для того, чтобы переносить тепло из одной точки в другую. Так как раскрытые реализации имеют обе точки внутри системы, тепловая энергия переносится из точки высокого теплового сопротивления, из которой сложно ее отвести, в область, из которой будет проще ее отвести, таким образом, тепло более однородно распределено внутри системы. Таким образом, общие требования к энергии в системе повышаются, если для отвода тепла используется элемент Пельтье. Из-за того что термоэлемент может как отводить, так и добавлять тепло в зависимости от направления тока, устройство может быть использовано для селективного нагрева или охлаждения многоуровневой IC или его части.
В одной реализации элемент Пельтье является поглотителем энергии: некоторая часть тепла, сгенерированная посредством функционирования многоуровневой IC, может быть восстановлена. Система управления может переключать элемент Пельтье в режим отвода тепла из точки А в точку В (прямое напряжение) или из точки В в точку А (обратное напряжение) или в режим поглощения тепла, вызванного разницей температур в точках А и В для включения системы. Баланс энергии данной термоэлектрической системы будет зависеть от эффективности элемента Пельтье и рабочего цикла системы. Таким образом, элемент Пельтье может восстанавливать некоторую часть энергии всей системы на основе температурного градиента внутри системы. В реализациях, в которых есть более двух уровней, для повышения эффективности поглощения энергии могут быть обеспечены наложенные друг на друга элементы Пельтье. Например, охлаждающий элемент Пельтье может охлаждать один уровень схемы, нагнетая тепло на смежный уровень. Смежный уровень может использовать накачанное тепло для восстановления дополнительной энергии.
Несмотря на то что настоящее изобретение и его преимущества были подробно описаны, необходимо понимать, что могут выполняться различные изменения, замены и модификации без отклонения от объема и сущности изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Более того, объем настоящего изобретения не имеет своей целью ограничиваться определенными реализациями процесса, оборудования, производства, химическим составом, средствами, методами и этапами, описанными в спецификации. Из раскрытия настоящего изобретения среднему специалисту будет понятно, что процессы, оборудование, производства, химический состав, средства, методы и этапы, существующие в настоящее время или планируемые к разработке в будущем, которые выполняют, по существу, те же функции или достигают, по существу, тех же результатов, как соответствующие реализации, описанные здесь, могут использоваться в соответствии с настоящим изобретением. Соответственно, прилагаемая формула изобретения предназначена для включения в объем изобретения таких процессов, оборудования, производителей, химического состава, средств, методов или этапов.