DE102008063416A1

DE102008063416A1 - Wärmeableitung in temperaturkritischen Bauteilbereichen von Halbleiterbauelementen durch Wärmeleitungen, die mit der Substratrückseite verbunden sind

Info

Publication number: DE102008063416A1
Application number: DE102008063416A
Authority: DE
Inventors: Anthony Buda Mowry; David Austin Farber; Fred Austin Hause; Markus Lenski
Original assignee: AMD Fab 36 LLC and Co KG; Advanced Micro Devices Inc; AMD Fab 36 LLC
Current assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2029-01-01
Also published as: US20100164093A1; DE102008063416B4; US8564120B2

Abstract

Durch Vorsehen von Wärmeableitelementen oder Wärmeleitungen in temperaturkritischen Bereichen eines Halbleiterbauelements können eine bessere Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Packungsdichte erreicht werden. Die Wärmeableitelemente können auf der Grundlage von standardmäßigen Fertigungstechniken hergestellt werden und können in unmittelbarer Nähe zu den einzelnen Transistorelementen angeordnet werden und/oder können zum Abschirmen spezieller Schaltungsbereiche verwendet werden.

Description

Gebiet der vorliegenden Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der integrierten Schaltungen und betrifft insbesondere die Wärmeableitung und die Temperatursteuerung von Halbleiterbauelementen.
Beschreibung des Stands der Technik
In modernen integrierten Schaltungen wird eine sehr große Anzahl einzelner Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren in Form von CMOS-, NMOS-, PMOS-Elementen, Widerständen, Kondensatoren und dergleichen auf einer einzelnen Chipfläche hergestellt. Typischerweise werden die Strukturgrößen dieser Schaltungselemente kontinuierlich mit der Einfuhr jeder neuen Schaltungsgeneration verringert, um aktuell verfügbare integrierte Schaltungen bereitzustellen, die durch Massenproduktionstechniken mit kritischen Abmessungen von 50 nm und weniger hergestellt sind und die einen verbesserten Grad an Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme besitzen. Die Verringerung der Größe von Transistoren ist ein wichtiger Aspekt beim stetigen Verbessern des Leistungsverhaltens komplexer integrierter Schaltungen, etwa von CPU's. Die Verringerung der Größe ist üblicherweise mit einer erhöhten Schaltgeschwindigkeit verknüpft, wodurch das Signalverarbeitungsvermögen auf Transistorebene verbessert wird.
Zusätzlich zu der großen Anzahl an Transistorelementen muss eine Vielzahl passiver Schaltungselemente, etwa Kondensatoren, Widerstände, Verbindungsstrukturen und dergleichen typischerweise in integrierten Schaltungen hergestellt werden, wie dies durch die grundlegende Schaltungskonfiguration erforderlich ist. Auf Grund der geringeren Abmessungen der aktiven Schaltungselemente wird nicht nur das Leistungsverhalten der einzelnen Transistorelemente verbessert, sondern es wird auch die Packungsdichte erhöht, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, immer mehr Funktionen in eine gegebene Chipfläche zu integrieren. Aus diesem Grunde wurde sehr komplexe Schaltungen entwickelt, die unterschiedlich Arten an Schaltungen, etwa analoge Schaltungen, Digitalschaltungen und dergleichen aufweisen, um damit vollständige Systeme auf einem einzelnen Chip (SoC) bereitzustellen.
Die größere Packungsdichte integrierter Schaltungen, die sich aus den geringeren Bauteilabmessungen ergibt, ist ggf. auch mit einer geringeren Schaltgeschwindigkeit der einzelnen Transistoren in komplexen Logikschaltungen verknüpft, wodurch zu einer größeren Leistungsaufnahme in MOS-Schaltungen beigetragen wird, da die geringeren Schaltgeschwindigkeiten den Betrieb der Transistoren bei höheren Schaltfrequenzen ermöglichen, was wiederum die Leistungsaufnahme des gesamten Bauelements erhöht. Daher kann in anspruchsvollen Anwendungen unter Anwendung dicht gepackter integrierter Schaltungen die Wärmeerzeugung extrem hohe Werte auf Grund der dynamischen Verluste, die durch die hohe Betriebsfrequenz hervorgerufen wird, in Verbindung mit einer merklichen staatlichen Leistungsaufnahme von kleinsten Transistorbauelementen auf Grund der erhöhten Leckströme erreicht werden, die sich aus den äußerst dünnen Gatedielektrika, den Kurzkanaleffekten und dergleichen ergeben. Daher werden große Anstrengungen unternommen, um die gesamte Leistungsaufnahme zu verringern, indem die Verwendung von sehr leistungsfähigen Transistoren, die eine höhere Wärmeerzeugung verursachen, geschwindigkeitskritische Signalpfade in dem Schaltungsaufbau zu beschränken, während weniger kritische Bauelemente in anderen Schaltungsbereichen eingesetzt werden. Ferner können geeignete Mechanismen eingerichtet werden, um gewisse Schaltungsbereiche „nach Bedarf” zu betreiben und lokal oder globale Betriebsbedingungen in Abhängigkeit von der thermischen Situation auf dem Halbleiterchip zu steuern.
Die während des Betriebs der internen Schaltungselemente erzeugte Wärme wird typischerweise über das Substratmaterial oder das komplexe Metallisierungssystem abgeleitet, das gut ätzende Metalle und aufwendige dielektrische Materialien abhängig von der Gesamtstruktur des Halbleiterbauelements aufweist, oder über das Gehäuse, das das Halbleiterbauelement aufnimmt und über das Kontaktschema zum Verbinden des Metallisierungssystems mit dem Verdrahtungssystem des Gehäuses. Schließlich muss die intern erzeugte Wärme auf das Gehäuse und zu einem externen Kühlsystem, das mit dem Gehäuse verbunden ist, übertragen werden. Daher wird eine Vielzahl von Kühlsystemen typischerweise eingesetzt mit komplexen passiven Architekturen, etwa speziell gestalteten Wärmesenken und Wärmeleitungen, wobei auch teuere aktive Kühleinrichtungen, beispielsweise in Form von Lüftern, Wasserkühlsystemen, Peltierelemente und dergleichen. Mit dem Fortschritt zu hoher Leistung von komplexen Halbleiterbauelementen hat auch die entsprechende Leistungsaufnahme der Halbleiterbauelemente, etwa von Mikroprozessoren, den Bereich von 100 Watt erreicht, während die reduzierten Bauteilflächen zu einer erhöhten thermischen Dichte dieser Halbleiterbauelemente führen, da immer mehr Transistoren in ein kleineres Chipgebiet integriert werden. Externe Wärmesteuerungssysteme, beispielsweise Systeme, die auf der Grundlage des internen thermischen Zustands des Halbleiterbauelements betrieben werden, ermöglichen ggf. keine zuverlässige Abschätzung der chipinternen Temperaturverteilung auf Grund der verzögerten thermischen Reaktion des Gehäuses des Halbleiterbauelements und der möglicherweise nicht ausreichenden räumlichen Temperaturauflösung der bauteilinternen Temperaturüberwachungssysteme. Folglich müssen externe Kühlsysteme so gestaltet sein, dass sie diese Beschränkungen berücksichtigen und ausreichende Betriebstoleranzen im Hinblick auf die Wärmesteuerung bereitstellen, sofern kein Risiko der Überhitzung und damit einer möglichen Schädigung spezieller Schaltungsbereiche riskiert werden soll.
1a zeigt schematisch eine Darstellung der Leistungsdichte moderner integrierter Bauelemente für diverse Technologiestandards, wobei ein entsprechendes gesamtes thermisches Leistungsfenster, d. h. zuverlässige Bereiche zum Betreiben des Bauelements, dargestellt ist. Z. B. zeigt die Kurve A in 1a eine überproportionale Zunahme der Leistungsdichte, d. h. der pro Einheitsfläche eines Halbleiterchips erzeigten Wärme, wobei die Steigung des Zuwachses deutlich steiler wird für einen Technologiestandard von 65 nm. Andererseits repräsentiert die Kurve B den entsprechenden Verlauf der zulässigen gesamten thermischen Leistung, die beim Betrieb entsprechender Bauelemente einzuhalten ist, und die im Wesentlichen durch die gesamten Wärmeabfuhreigenschaften der betrachteten Halbleiterbauelemente bestimmt ist. Da ein im Wesentlichen linearer Anstieg der thermischen Gesamtleistung bei der Reduzierung der Größenabmessungen der Halbleiterbauelemente beobachtet werden kann, während andererseits die Leistungsdichte überproportional zunimmt, ist folglich eine entsprechende Anpassung von Wärmeabfuhrsystemen erforderlich, woraus sehr komplexe externe Kühlsysteme ergeben. D. h., konventionelle verfügbare Lösungen beruhen auf passiven Kühleinrichtungen, etwa Metallwärmesenken um Wärme von der Oberfläche des Bauelements abzuführen, d. h. dem Gehäuse, und die Wärme auf die Umgebungsatmosphäre mittels Konvektion zu übertragen. Häufig wird ein aktives Bauelement, etwa ein Lüfter dem passiven thermischen Kühlsystem hinzugefügt, um die Rate der Ableitung thermischer Energie in Anwendungen zu erhöhen, in denen eine passive Kühlung nicht ausreichend ist, um thermische Energie abzuführen derart, dass ein physikalischer Schaden an dem System während des Betriebs bei voller Leistung vermieden wird.
1b zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement in Verbindung mit einem konventionellen Kühlsystem. Wie gezeigt, zeigt ein elektronisches System 150 ein Halbleiterbauelement 100, das eine beliebige komplexe integrierte Schaltung repräsentieren kann, etwa einen Mikroprozessor, ein Mischsignalsystem mit Leistungsbauelementen mit Kleinsignalschaltungsbereichen, komplexer Logikschaltungen und dergleichen, die Transistorelemente mit sehr kleinen kritischen Abmessungen beinhalten, beispielsweise im Bereich von 50 nm und weniger. Das Halbleiterbauelement 100 ist typischerweise an einem Gehäuse 160 angebracht, das einem Gehäusedeckel 162 und ein Gehäusesubstrat aufweist, das ein geeignetes Verdrahtungssystem enthält, um eine Verbindung mit dem Metallisierungssystems des Halbleiterbauelement 100 herzustellen. Beispielsweise sind entsprechende Bonddrähte (nicht gezeigt) mit komplementären Anschlussflächen, die auf einer letzten Metallisierungsschicht des Halbleiterbauelements 100 ausgebildet sind, verbunden, während in anderen Fällen ein direkter Kontakt des Gehäuses und des Halbleiterbauelements 100 auf der Grundlage einer geeigneten Höckerstruktur eingerichtet wird, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Des weiteren ist in anspruchsvollen Anwendungen ein geeignetes Material 13, das aus als thermisches Schnittstellenmaterial bezeichnet wird, häufig vorgesehen, um die thermische Leitfähigkeit zum Übertragen von Wärme in dem Halbleiterbauelement 100 zu dem Gehäusedeckel 162 über das gut leitende Material 162 zu bewerkstelligen. Der Gehäusedeckel 162 ist wiederum mit einem Kühlsystem 170 in Kontakt, das eine passive Komponente 171, beispielsweise in Form einer Metallabdeckung mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und einem größeren Oberflächenbereich zur Verbesserung des Wärmeübergangs an die Umgebung aufweist. In anspruchsvolleren Anwendungen können ein oder mehrere aktive Kühleinrichtungen 172, etwa ein Lüfter, und dergleichen vorgesehen sein, um die Wärmeableitung von der passiven Komponente 171 an die Umgebungsatmosphäre weiter zu verbessern. Es sollte beachtet werden, dass andere aufwendige und teuere Lösungen für das Kühlsystem 170 häufig eingesetzt werden, wobei zusätzlich oder alternativ flüssigkeitsgekühlte Strukturen und ein Kühlmittel vorgesehen werden, um die Rate der thermischen Energie zu verbessern, wodurch Halbleiterbauelemente mit noch höherer Leistungsaufnahme betrieben werden können, ohne thermisch hervorgerufene Schäden zu erleiden. Wenn die Komplexität des Kühlsystems 170 ansteigt, werden auch die entsprechenden Kosten höher und es wird eine höhere Ausfallrate beobachtet. Das Vergrößern der thermischen Kapazität des externen Kühlsystems 170 im Hinblick auf noch höhere Leistungsdichten in dem Halbleiterbauelement 100 erfordert typischerweise eine Zunahme der Größe, beispielsweise für die passive Komponente 171 und/oder das Vermögen der aktiven Komponenten, beispielsweise der Komponente 172, muss vergrößert werden, indem beispielsweise die Lüftergeschwindigkeit zur Erhöhung des Luftstromes und dergleichen erhöht wird. Für großräumige Systeme, etwa Gruppen aus Dienstleistungsrechnern erhöhen diese aktiven/passiven Kühlsysteme die Kosten und die Komplexität auf Grund des erforderlichen dichten Installationsgrades. Typischerweise wird die Möglichkeit zur Verringerung des Systemvolumens reduziert, da dies ansonsten die Fähigkeit beeinträchtigen könnte, größere Kühlsysteme zu installieren, die für einen sicheren Betrieb erforderlich sind. Die Verwendung aufwendiger aktiver Einrichtungen in dem Kühlsystem kann deutlich die Wahrscheinlichkeit zum Erzeugen von Schäden in der Anlage auf Grund des Ausfalls dieser komplexen aktiven Komponenten erhöhen, wodurch zu längeren Systemstillstandszeiten beigetragen wird, wobei auch die Leistungsaufnahme und damit die gesamten Betriebskosten im Vergleich zu einem insgesamt passiven System erhöht werden.
1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer Querschnittsansicht, wobei die gesamte Wärmeableitfähigkeit auf Grund des inneren Aufbaus des Bauelements 100 weiter eingeschränkt ist. Wie gezeigt, ist das Halbleiterbauelement 100 so ausgebildet, dass es mit einem Gehäuse durch direktes Anbringen eines Metallisierungssystems 120, das eine geeignet ausgestaltete Höckerstruktur aufweist, an einem entsprechenden Verdrahtungssystem des Gehäuses verbunden ist. Somit kann die Wärme über ein Substrat 101 abgeführt werden, das schließlich mit einer externen Schnittstelle bzw. Grenzfläche verbunden ist, etwa dem thermischen Schnittstellenmaterial 163. in konventionellen Strategien zur Erhöhung der Ableitfähigkeiten eines elektronischen Systems, etwa des in 1b gezeigten Systems 150, wird daher das thermische Schnittstellenmaterial 163 so modifiziert, dass die gesamte thermische Effizienz des Kühlsystems 170 erhöht wird (siehe 1b). Wie zuvor erläutert ist, werden in anderen Fällen die passiven und aktiven Komponenten des entsprechenden Kühlsystems vergrößert oder im Hinblick auf ihre Wärmeableitwirksamkeit verbessert wird. In dem in 1c gezeigten Bauelement 100 führt eine merkliche Verbesserung der Wärmeableitfähigkeit des Metalls 163, das mit dem Substrat 161 in Kontakt ist, zu einer nur sehr begrenzten gesamten Verbesserung der thermischen Bedingungen in dem Bauelement 100, da in anspruchsvollen Bauteilarchitekturen häufig eine vergrabene isolierende Schicht 102 vorgesehen ist, zumindest in leistungskritischen Bauteilbereichen, um damit das Substrat 101 von einer aktiven Siliziumschicht 103 elektrisch zu isolieren. Die Siliziumschicht 103 repräsentiert einen Teil einer Bauteilebene 110, in der Schaltungselemente 111, etwa Transistoren, Widerstände und dergleichen hergestellt sind. Diese Schaltungselemente 111 sind mit einem Metallisierungssystem 120 verbunden, das eine sehr komplexe Struktur aufweisen, wie dies zuvor erläutert ist. Beim Betreiben des Halbleiterbauelements 100 wird somit von den Schaltungselementen 111, etwa von schnell schaltenden Transistorelementen in komplexen Logikschaltungsbereichen, Wärme erzeugt und diese wird übertragen und schließlich über die Schnittstelle 163 abgeführt. Auf Grund des direkten Kontakt des Metallisierungssystems 130 mit einem entsprechenden Verdrahtungssystem des Gehäuses wird auch ein gewisser Anteil der Wärme über das Metallisierungssystem 120 abgeführt, wobei dies von dem Wärmeableitvermögen des entsprechenden Gehäusematerials in Verbindung mit dem Gehäusematerials in Verbindung mit dem Gehäuse internen Verdrahtungssystem abhängt. Jedoch ist typischerweise das Vorsehen aufwendiger Wärmeableitkomponenten nicht möglich, da typischerweise das Gehäuse mit einer Leiterplatte und dergleichen in Verbindung steht, wodurch die Möglichkeit des Vorsehens zusätzlicher Wärmeableitbereiche deutlich beschränkt ist, sofern nicht eine ausgeprägte Vergrößerung der Gesamtlänge der entsprechenden Leiter angewendet wird, was nachteilig ist im Hinblick auf das gesamte elektrische Leistungsverhalten. Andererseits kann der Wärmeübertrag auf die Schnittstelle 163 über das Substrat 101 deutlich auf Grund des Vorhandenseins der vergrabenen isolierenden Schicht 102 beschränkt sein, die eine geringere thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu dem Substrat 101 und der Halbleiterschicht 103 besitzt. Folglich können die Wärmeableiteigenschaften für sehr aufwendige Halbleiterbauelemente, die häufig eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Architektur enthalten, wesentlich die Packungsdichte in der Bauteilebene auf Grund der Beschränkungen im Hinblick auf die gesamte Leistungsdichte begrenzen, während in anderen Fällen aufwendige Umgestaltungen angewendet werden müssen, um die gesamte thermische Chipleistung bei Betrieb mit voller Leistung innerhalb der Spezifikationen zu halten.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Halbleiterbauelemente und Verfahren zu deren Herstellung, in denen Wärmesteuerungsmöglichkeiten vorgesehen sind, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
Überblick über die Offenbarung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen die bauteilinterne thermische Leitfähigkeit erhöht wird, um eine Zunahme des Wärmestromes zu einer entsprechenden thermischen Schnittstelle zu ermöglichen, um damit für vorgegebene Wärmeableitfähigkeiten die Anforderungen für ein externes Kühlsystem zu verringern, was wiederum nicht direkt in einer Verringerung der Kosten und/oder Erhöhung der Zuverlässigkeit ausdrückt. Andererseits kann vorgegebene Wärmeableitfähigkeiten eines externen Kühlsystems die erhöhte bauteilinterne thermische Leitfähigkeit eine höhere Nennleistung im Vergleich zu einem elektrisch äquivalenten Halbleiterbauelement ermöglichen, wodurch ein Betrieb bei höheren Taktfrequenzen und dergleichen möglich ist. Auf Grund der besseren bauteilinternen thermischen Leitfähigkeit kann auch eine noch höhere Packungsdichte auf der Grundlage eines gegebenen Technologiestandards erreicht werden, da die Gestaltung geschwindigkeitskritischer oder im Allgemeinen leistungskritischer Schaltungsbereiche auf einer größeren Leistungsdichte auf Grund der besseren Wärmeableitfähigkeiten beruhen kann.
Zu diesem Zweck werden Wärmeableitelemente oder „Wärmeleitungen” in dem Halbleiterbauelement so gebildet, dass diese sich von der Bauteilebene zu einer relevanten Schnittstelle bzw. Grenzfläche erstrecken, die mit einem externen Kühlsystem verbunden ist, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Wärmeableitelemente auf Transistorebene vorgesehen sind. D. h., ein oder mehrere Wärmeableitelemente werden in unmittelbarer Nähe von kritischen Transistorelementen vorgesehen, wodurch ein sehr effizienter Übertrag von Wärme von der unmittelbaren Nachbarschaft des transistoraktiven Bereichs zu der thermisch aktiven Grenzfläche bewerkstelligt wird. In anderen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten werden die Wärmeableitelemente in einer globaleren Weise vorgesehen, d. h. in kritischen Schaltungsbereichen, d. h. in mehreren temperaturkritischen Schaltungselementen, die thermisch mit dem externen Kühlsystem effizienter verbunden werden, wobei auch für ein gewisses Maß an thermischer Isolation zu benachbarten Wegen des temperaturkritischen Schaltungsbereichen gesorgt wird, so dass insgesamt eine weitergehende Erhöhung der Packungsdichte im Vergleich zu konventionellen Halbleiterbauelementen erreichbar ist.
Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst ein Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite. Des weiteren sind ein oder mehrere Transistorelemente in und über einer Halbleiterschicht gebildet, die über einer Vorderseite ausgebildet ist. Des weiteren ist ein Metallisierungssystem über der Halbleiterschicht ausgebildet. Schließlich umfasst das Halbleiterbauelement ein Wärmeableitelement, das benachbart zu dem einen oder mehreren Transistorelementen ausgebildet ist und sich in das Substrat erstreckt, wobei das Wärmeableitelement elektrisch von dem einen oder den mehreren Transistorelementen und dem Metallisierungssystem isoliert ist und ein Füllmaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit aufweist, die höher ist als eine thermische Leitfähigkeit der Halbleiterschicht.
Gemäß weiteren hierin offenbarten Aspekten wird ein Substrat vorgesehen, das für die Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden kann. Das Substrat umfasst eine Halbleiterschicht, die über einem Substratmaterial gebildet ist. Des weiteren ist eine Wärmeverteilschicht so vorgesehen, dass diese mit dem Substratmaterial in Kontakt ist, wobei die Wärmeverteilschicht eine thermische Leitfähigkeit besitzt, die größer ist als eine thermische Leitfähigkeit des Substratmaterials und des Halbleitermaterials.
Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer Öffnung benachbart zu einem aktiven Halbleitergebiet eins Halbleiterbauelements, wobei die Öffnung sich zumindest in ein Substratmaterial des Halbleiterbauelements erstreckt. Das Verfahren umfasst ferner das Füllen der Öffnung mit einem Füllmaterial, um ein Wärmeableitelement zu bilden, wobei das Füllmaterial eine thermische Leitfähigkeit besitzt, die größer ist als eine thermische Leitfähigkeit des Substratmaterials. Des weiteren umfasst das Verfahren das Verbinden des Wärmeableitelements mit einer Wärmeverteilschicht, die auf einer Rückseite des Substratmaterials gebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
1a schematisch einen Graphen darstellt, der die zulässige gesamte thermische Chipleistung und die Leistungsdichte modernster Halbleiterbauelemente in Abhängigkeit des entsprechenden Technologiestandards darstellt;
1b schematisch eine Querschnittsansicht eines konventionellen Halbleiterbauelements mit einem externen Kühlsystem zeigt;
1c schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einer SOI-Struktur und einer entsprechenden Wärmeableitung darin gemäß konventionellen Bauteilarchitekturen zeigt;
2a schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements während einer frühen Fertigungsphase bei der Herstellung eines Wärmeableitelements in der Nähe eines oder mehrerer Transistorelemente gemäß anschaulicher Ausführungsformen;
2b bis 2d schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer Öffnung für ein Wärmeableitelement gemäß unterschiedlicher Varianten zeigt, um durch die aktive Schicht und in das Substratmaterial gemäß anschaulicher Ausführungsformen zu ätzen;
2e schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit einem Wärmeableitelement mit einem Arbeitsfluid als Wärmeübertragungsmedium gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
2f schematisch das Halbleiterbauelement zeigt, in welchem das Wärmeableitelement mit einem Wärmeverteilungsmaterial, das auf der Rückseite des Substrats gemäß anschaulicher Ausführungsformen gebildet ist, in Kontakt ist;
2g schematisch eine Draufsicht eines komplexen Halbleiterbauelements zeigt, in welchem temperaturkritische Bauteilbereiche und weniger kritische Bereiche gezeigt sind;
2h schematisch eine Draufsicht einer geometrischen Gestaltung eines Halbleiterbauelements mit mehreren Wärmeableitelementen zeigt, die in unmittelbarer Nähre zu tempe raturkritischen Schaltungselementen gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen positioniert sind;
2i und 2j schematisch eine Gestaltungsform für die Implementierung eines temperaturkritischen Schaltungsbereichs und der entsprechenden Wärmeverteilung ohne (2i) und mit (2j) eine Gruppe aus Wärmeableitelementen zeigen, die lateral den temperaturkritischen Schaltungsbereich umgeben, um eine bessere thermische Isolation gemäß anschaulicher Ausführungsformen zu erreichen;
2k schematisch mehrere Wärmeableitelemente zeigt, die mit dem unteren Bereich des Substratmaterials in Kontakt sind, um die gesamte thermische Leitfähigkeit gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zu verbessern.
2l schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements zeigt, das an einem Gehäusesubstrat auf der Grundlage einer Flip-Chip-Technologie angebracht ist, wobei die thermischen Wärmeableitelemente eine bessere Wärmeübertragung durch die vergrabene isolierende Schicht gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen ergeben;
3a und 3b schematisch Querschnittsansichten eines Substrats in einem nicht bearbeiteten Zustand (3a) und in einem fortgeschrittenen Fertigungszustand (3b) zeigen, wobei eine Wärmeverteilschicht in dem Substrat so eingebaut ist, dass die Herstellung von Wärmeableitelementen gemäß anschaulicher Ausführungsformen verbessert wird; und
4 schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit Wärmeableitelementen zeigt, wovon zumindest einige in Form eines Thermoelements gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen vorgesehen sind.
Detaillierte Beschreibung
Obwohl die vorliegende Offenbarung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Offenbarung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Im Allgemeinen stellt die vorliegende Offenbarung Halbleiterbauelemente, Substrate und Fertigungstechniken bereit, in denen die Effizienz konventioneller externer Kühlsysteme deutlich verbessert wird, indem das bauteilinterne Wärmeübertragungsvermögen auf der Grundlage spezieller Wärmeableitelemente erhöht wird. Somit kann durch das Vorsehen eines Materials mit einer deutlich höheren thermischen Leitfähigkeit im Vergleich zu einem standardmäßigen Halbleitermaterial, etwa Silizium, und typischerweise verwendeten dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid, Dielektrika mit kleinem ε, und dergleichen, das Wärmeübertragungsvermögen lokal erhöht werden, wodurch auch der gesamte Energieaustausch mit einem externen Kühlsystem verbessert wird, dessen Effizienz somit ohne zusätzlichen Aufwand erhöht wird. Die Wärmeableitelemente, die auch als Wärmeleitungen im Weiteren bezeichnet werden, können in unmittelbarer Nähe der temperaturkritischen Bereiche vorgesehen werden, etwa des aktiven Gebiets von temperaturkritischen Transistorelementen, wodurch eine höhere Packungsdichte von temperaturkritischen Schaltungselementen ermöglicht wird. In anderen Fällen werden die Wärmeableitelemente effizient so positioniert, dass ein gewisser Grad an thermischer Isolation von temperaturkritischen Schaltungsbereichen in Bezug auf weniger kritischen Schaltungsbereiche, etwa anspruchsvolle Logikschaltungsbereiche und schnelle Speicherbereiche, erreicht wird, in denen eine hohe Packungsdichte weniger kritischer Transistoren typischerweise angewendet wird, ohne dass jedoch eine ausgeprägte Abwärme erzeugt wird. Folglich kann ein steilerer Temperaturgradient zwischen diesen Schaltungsbereichen erzielt werden, wodurch ein geringerer Abstand möglich ist, der insgesamt zu einer höheren Packungsdichte beiträgt, obwohl ein gewisser Anteil an Fläche für die Wärmeableitelemente vorzusehen ist. Beispielsweise können temperaturkritische Schaltungsbereiche, etwa Leistungstransistoren, schnell schaltende Transistorelemente und dergleichen lateral durch Wärmeableitelemente umgeben werden, wodurch ein „Ring” aus thermisch isolierenden Elementen geschaffen wird, der somit im Bereich des thermischen Einflusses auf andere Schaltungsbereiche deutlich verringert.
Folglich stellt die vorliegende Offenbarung ausreichend thermisch gut leitende Teile bereit, die der lokal vorgesehene temperaturkritische Schaltungselemente mit einem externen Wärmeableitsystem einer beliebigen Konfiguration verbinden, wodurch die gesamten War meableitfähigkeiten des Halbleiterbauelements deutlich verbessert werden. Auch kann eine bessere Wärmeableitung auf einem mehr globaleren Maßstab erreicht werden, indem eine entsprechende Anzahl an Wärmeableitelementen verteilt oder räumlich konzentriert vorgesehen wird und/oder indem deren Größe den globalen thermischen Bedingungen innerhalb eines speziellen Schaltungsbereichs angepasst wird. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen werden die Wärmeableitelemente so positioniert, dass diese nicht in unerwünschter Weise Halbleiterfläche verbrauchen, so dass insgesamt die Packungsdichte erhöht wird auf Grund eine besseren Entwurfsflexibilität im Hinblick auf die bauteilinterne Wärmeverteilung, d. h. der Abstand zwischen temperaturkritischen Bauelementen und temperaturempfindlichen Bauelementen kann verringert werden und es kann auch die Leistungsdichte erhöht werden. In anderen Fällen ergibt sich für eine vorgegebene Packungsdichte in temperaturkritischen Schaltungsbereichen weniger anspruchsvolle Bedingungen im Hinblick auf die Betriebsfrequenz und/oder die Versorgungsspannung, wodurch ein effizienter Mechanismus zum verbessern der Zuverlässigkeit und des Leistungsverhaltens über die gesamte Lebensdauer der Halbleiterbauelemente hinweg eingerichtet werden können. Beispielsweise kann durch Verbessern der Wärmeableitfähigkeiten kritischer Schaltungselemente die thermische Belastung und damit die Alterung dieser Schaltungselemente verringert werden, während gleichzeitig ein breiteres Fenster zum Betrieb der Halbleiterbauelemente bereitgestellt wird, wodurch ebenfalls die Effizienz von Kompensationsmechanismen für die Verringerung des Leistungsverlustes über die Funktionslebensdauer hinweg verbessert wird, was häufig in einer Zunahme der Versorgungsspannung und/oder der Arbeitsfrequenz verknüpft ist.
Mit Bezug zu den 2a bis 2l, 3a, 3b und 4 werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a bis 1c verwiesen sei.
2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 mit einem Substrat 201, über welchem eine Halbleiterschicht 203 gebildet ist, die ein beliebiges geeignetes Halbleitermaterial repräsentiert, um darin und darüber Schaltungselemente 211, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen nach Bedarf herzustellen. In ähnlicher Weise repräsentiert das Substrat 201 ein beliebiges geeignetes Material, um darüber die Halbleiterschicht 203 zu bilden. Beispielsweise wird das Substratmaterial 201 in Form eines Siliziummaterials, eines isolierenden Trägermaterials und dergleichen bereitge stellt. Wie zuvor erläutert ist, werden gegenwärtig und in der absehbaren Zukunft aufwendige Halbleiterbauelemente auf der Grundlage von Silizium auf Grund der gut etablierten Materialien und Prozesstechniken hergestellt, die in der Massenproduktion eingesetzt werden können. Des weiteren können die Halbleiterschicht 203 und das Substratmaterial 201 eine Vollsubstratkonfiguration repräsentieren, d. h. zumindest in einigen Bereichen des Halbleiterbauelements 200, in denen das Substratmaterial 201 ein im Wesentlichen kristallines Halbleitermaterial aufweist, das in direkten Kontakt mit der Halbleiterschicht 203 ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen, wie dies in 2a gezeigt ist, ist eine vergrabene isolierende Schicht 202 zwischen dem Substratmaterial 201 und der aktiven Halbleiterschicht 203 vorgesehen. Wie zuvor erläutert ist, kann die vergrabene isolierende Schicht 202 die gesamte „vertikale” Wärmeverteilungsfähigkeit des Bauelements 200 beeinträchtigen. Es sollte ferner beachtet werden, dass die in 2a gezeigten Abmessungen nicht maßstabsgetreu sind, da beispielsweise das Substratmaterial 201 eine deutlich größere Dicke im Vergleich zu der aktiven Halbleiterschicht 203 abhängig von der Art des herzustellenden Halbleiterbauelements aufweist. Z. B. beträgt in komplexen Logikschaltungen mit schnell schaltenden Transistorelementen 211 eine Dicke der Schicht 203 ungefähr 100 nm und weniger, während in anderen Anwendungen beispielsweise mit Leistungstransistoren und dergleichen, die Halbleiterschicht 203 eine Dicke von mehreren 100 nm oder sogar mehreren Mikrometern und mehr aufweisen kann, um damit die erforderliche Spannungsfestigkeit zu erreichen, die typischerweise für einen Leistungsschaltungsbereich erforderlich ist. In der gezeigten Ausführungsform sind ferner Leitungselemente in einem fortgeschrittenen Fertigungsstadium vorgesehen, d. h. Hochtemperaturprozesse sind bereits ausgeführt, beispielsweise zum Aktivieren von Dotierstoffsorten und zum Rekristallisieren von durch Implantation hervorgerufenen Schäden, und bei Bedarf ist zumindest ein Teil eines dielektrischen Materials über dem Schaltungselement 211 ausgebildet. In diesem Falle können auch entsprechende Metallsilizidgebiete (nicht gezeigt) in den Schaltungselementen 211 ausgebildet sein, während in anderen Fällen ein entsprechender Silizidprozess in einer späteren Fertigungsphase ausgeführt wird. Es sollte beachtet werden, dass Wärmeableitelemente während einer anderen geeigneten Fertigungsphase hergestellt werden können, beispielsweise vor dem eigentlichen Herstellen der Transistorelemente 211, wenn entsprechende verwendete Materialien mit der Hochtemperaturbearbeitung kompatibel sind, die typischerweise während der Herstellung der Transistorelemente 211 angewendet wird. In diesem Falle sorgen geeignete Materialien, etwa Kohlenstoff und dergleichen für hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, da Kohlenstoffmaterial eine erhöhte Temperatur stabilität selbst bei sehr hohen Temperaturen besitzt. In der gezeigten Fertigungsphase ist eine Ätzmaske 212 vorgesehen, die ein Photolackmaterial in Verbindung mit einem anderen geeigneten dielektrischen Material aufweisen kann, das als Hartmaskenmaterial während der weiteren Bearbeitung dienen kann. Beispielsweise umfasst die Ätzmaske 212 ein Lackmaterial in Verbindung mit einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial oder zumindest einen Teil davon, das auf der Grundlage des Lackmaterials strukturiert wird. Die Maskenschicht 212 umfasst somit eine entsprechende Öffnung 212a, die die laterale Position eines Wärmeableitelements definiert, das noch zu bilden ist, wobei auch eine laterale Größe des entsprechenden Ableitelements auf der Grundlage der Öffnung 212a und entsprechender Ätzparameter eingestellt wird, die während des nachfolgenden Ätzprozesses angewendet werden.
Das in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach dem Bereitstellen des Substrats 201 in Verbindung mit der Halbleiterschicht 203 werden geeignete aktive Gebiete in der Schicht 203 hergestellt, beispielsweise durch Bilden geeigneter Isolationsstrukturen (nicht gezeigt), was auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken bewerkstelligt werden kann. Zu beachten ist, dass der grundlegende Aufbau des Halbleiterbauelements 200 in geeigneter Weise so angepasst werden kann, das eine effiziente Positionierung der Öffnung 212a in einer späteren Fertigungsphase möglich ist, um damit eine gewünschte räumliche Abhängigkeit eines noch zu bildenden Wärmeableitelements zu temperaturkritischen Schaltungselementen zu schaffen. D. h., in einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Öffnung 212a benachbart zu Schaltungselementen und damit aktiven Gebieten innerhalb von Isolationsstrukturen positioniert, wobei diese in geeigneter Weise so gestaltet sind, um die Öffnung 212a aufzunehmen. In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden entsprechende Wärmeableitelemente „innerhalb” eines aktiven Gebietes positioniert, um damit eine bessere thermische Kopplung an das oder die betrachteten Schaltungselemente zu erreichen, wobei eine entsprechende elektrische Isolation erreicht wird, indem ein moderat dünnes dielektrisches Material vorgesehen wird oder indem das Material mit erhöhter thermischer Leitfähigkeit, das in einer späteren Fertigungsphase einzufüllen ist, für ein dielektrisches Verhalten sorgt. Nach der Herstellung entsprechender Isolationsstrukturen werden die Schaltungselemente 211 auf der Grundlage eines entsprechenden Technologiestandards und den entsprechenden Entwurfsregeln hergestellt, um damit den gewünschten gesamten Schaltungsaufbau zu erhalten. Beispielsweise enthalten die Transistoren 211, wenn diese in Form von Feldeffekttransistoren vorgesehen sind, komplexe Transistorarten mit kritischen Abmessungen von 50 nm und weniger, wobei typischerweise die Leistungsaufnahme pro Recheneinheit moderat hoch ist, wie dies beispielsweise zuvor mit Bezug zu 1a erläutert ist. Ferner können weniger kritische Transistorelemente, beispielsweise in Bauteilbereichen vorgesehen sein, die den schnellen Speicherbereichen von Mikroprozessoren und dergleichen entsprechen, wobei zugehörige Entwurfserfordernisse im Hinblick auf die thermische Steuerung in dem Bauelement 200 auf Grund des Vorsehens der Wärmeableitelemente, die auf der Grundlage der Öffnung 212a zu bilden sind, deutlich entschärft werden. Es sollte beachtet werden, dass temperaturkritische individuelle Transistorelemente während der Entwurfsphase des Bauelements 200 ermittelt werden können und eine entsprechende räumliche Anordnung der Öffnung 212a in Bezug auf den einen oder den mehreren temperaturkritischen Transistoren vorgenommen wird, so dass bessere Wärmeableitfähigkeiten direkt an der Quelle des Entstehens der Abwärme bereitgestellt werden. Folglich werden in diesem Falle die entsprechenden Wärmeableitelemente in sehr lokaler Weise vorgesehen, d. h. auf Transistorebene, während in anderen Fällen zusätzlich oder alternativ mehrere Wärmeableitelemente vorgesehen werden, dass die Wärmeableiteigenschaften ausgedehnter Schaltungsbereiche verbessert werden, wie dies auch nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Nach der Fertigstellung der grundlegenden Transistorkonfiguration in und über der Halbleiterschicht 203, wodurch eine Bauteilebene 210 geschaffen wird, wird ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial, etwa Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid, und dergleichen vorgesehen, etwa in einer beliebigen geeigneten Form, z. B. als ein stark verspanntes dielektrisches Material entsprechend den gesamten Erfordernissen der Transistoren 211 in der Bauteilebene 210. Als nächstes wird die Ätzmaske 212 gebildet, die einen Teil des dielektrischen Zwischenschichtmaterials und dergleichen repräsentieren kann, wie dies zuvor erläutert ist. Zu diesem Zweck werden gut etablierte Lithographietechniken eingesetzt, um eine Lackmaske herzustellen, die dann zum Bilden der Ätzmaske 212 mit der Öffnung 212a an einer gewünschten Position und mit einer gewünschten lateralen Größe verwendet wird. Es sollte beachtet werden, dass ein entsprechender Abstand 212b während des Lithographieprozesses so definiert wird, dass dieser innerhalb der Prozess würdigen Toleranzbereiche im Hinblick auf Prozessschwankungen des Lithographieprozesses und des nachfolgenden Ätzprozesses liegt. D. h., der Abstand 212b wird auf der Grundlage des Überlagerungsvermögens des entsprechenden Lithographieprozesses und den Eigenschaften des nachfolgenden Ätzprozesses ausgewählt.
2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem eine Öffnung in der Halbleiterschicht 203 oder innerhalb einer entsprechenden Isolationsstruktur, die in der Halbleiterschicht 203 gebildet ist, vorgesehen ist. Wie gezeigt, sind in 2b der Einfachheit halber drei typische allgemeine Formen entsprechender Öffnungen 203a, 203b und 203c dargestellt, die auf der Grundlage der gleichen lateralen Größe der Öffnung 212a jedoch mit unterschiedlichen Ätzstrategien erhalten werden können. Es sollte ferner beachtet werden, dass die entsprechenden Formen der Öffnungen 203a, 203b, 203c übertrieben sind, um deutlich das charakteristische Verhalten spezieller Ätzrezepte zu demonstrieren. Beispielsweise wird die Öffnung 203a auf der Grundlage eines plasmaunterstützten anisotropen Ätzrezepts erhalten, wobei im Allgemeinen im Wesentlichen „vertikale” Seitenwandwinkel mit entsprechenden Ätzunregelmäßigkeiten erhalten werden. Z. B. sind eine Vielzahl selektiver plasmaunterstützter anisotroper Ätzrezepte für eine Vielzahl von Halbleitermaterialien, etwa Silizium, Silizium/Germanium, und dergleichen verfügbar und können effizient zur Herstellung der Öffnung 212a eingesetzt werden. Andererseits können auch isotrope nasschemische Ätzchemien eingesetzt werden, die eine anisotrope Ätzrate im Hinblick auf unterschiedliche kristallographische Richtungen besitzen, so dass eine entsprechende Kristallebene als eine „Ätzstoppebene” dienen kann. Z. B. sind Kaliumhydroxid, TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) und dergleichen gut bekannte nasschemische Mittel zum Ätzen von Siliziummaterial mit einem hohen Grade an Selektivität zu anderen Materialien, etwa Siliziumndioxid, Siliziumnitrid und dergleichen, wodurch eine Form erhalten wird, wie sie durch die Öffnung 203b dargestellt ist. Ferner wird die Öffnung 203c durch geeignetes Einstellen von Prozessparametern eines isotropen Ätzprozesses erhalten, beispielsweise auf der Grundlage einer plasmaunterstützten Ätzumgebung, in der die laterale Abtragsrate mit zunehmender Tiefe der Öffnung 203c ansteigt. Auch in diesem Falle sind eine Vielzahl gut etablierter Ätzrezepte anwendbar. In der gezeigten Ausführungsform wird der entsprechende Ätzprozess auf oder innerhalb der vergrabenen isolierenden Schicht 202 angehalten, die als Ätzstoppmaterial dient. In anderen Fällen, wenn eine Vollsubstratkonfiguration vorgesehen ist, werden die Ätzrezepte in geeigneter Weise so angepasst, dass durch die Schicht 203 geätzt wird und schließlich in das Substratmaterial 201 bis zu einer geeigneten Tiefe geätzt wird.
2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Wiederum sind mehrere unterschiedliche Möglichkeiten für das Ätzen durch die Substratmaterialien 201 dargestellt. Wie gezeigt, erstreckt sich die Öffnung 203a durch die vergrabene isolierende Schicht 202, falls diese vorgesehen ist, und kann sich auch durch das Substratmaterial 201 erstrecken. Wiederum ist zu beachten, dass die Abmessungen nicht maßstabsgetreu sind. Beispielsweise ist das Substratmaterial so dargestellt, dass es eine vergleichbare Dicke in 2c bezüglich der Halbleiterschicht besitzt, wobei jedoch das Material 201 eine Dicke von ungefähr 100 μm und deutlich mehr abhängig von der anfänglichen Dicke eines entsprechenden Basissubstrats besitzen kann. Wie ferner in 2c gezeigt ist, können sich die Öffnungen 203a, 203b, 203c durch das gesamte Substratmaterial 201 erstrecken und an einer Rückseite davon 201b münden, während in anderen Fällen ein Teil des Materials 201 an der Rückseite 201b beibehalten wird, wie dies beispielsweise für die Öffnung 203b gezeigt ist. Es sollte beachtet werden, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen mehr als eine Art an Öffnungen vorgesehen wird, was bewerkstelligt werden kann, indem eine Art an Öffnungen zuerst hergestellt wird und indem anschließend eine weitere Ätzmaske bereitgestellt wird und eine weitere Art an Öffnungen gebildet wird, indem ein zusätzlicher Ätzprozess ausgeführt wird. Des weiteren können die unterschiedlichen Arten an Öffnungen „gemischt” werden, indem beispielsweise ein entsprechendes Ätzrezept geändert wird, um damit eine gewünschte endgültige Form einer entsprechenden Öffnung, etwa der Öffnungen 203a, 203b, 203c, zu erhalten. Z. B. kann für die Herstellung der Öffnung 203a die Ätzchemie in geeigneter Weise so angepasst werden, dass durch die vergrabene isolierende Schicht 202 geätzt wird, falls diese vorgesehen ist, und nachfolgend wird ein ähnliches Ätzprozess eingesetzt, wie es zuvor zum Ätzen durch die aktive Halbleiterschicht 203 verwendet wurde. In anderen Fällen kann nach dem Öffnungen der vergrabenen isolierenden Schicht 202 ein anderes Ätzrezept, etwa ein nasschemisches Ätzrezept, ein plasmaunterstütztes isotropes Ätzverhalten, und dergleichen, angewendet werden, um eine unterschiedliche Form innerhalb des Substratmaterials 201 zu erhalten. Folglich kann eine breite Fülle von Arten von Öffnungen vorgesehen werden, was vorteilhaft im Hinblick auf die gesamte thermische Leitfähigkeit und das Füllverhalten während der nachfolgenden Fertigungsschritte sein kann.
2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium, in welchem Material in die Öffnungen der diversen Arten, etwa die Öffnungen 203a, 203b, 203c, wie sie in 2c gezeigt sind, eingefüllt wird. Zu diesem Zweck wird das Bauelement 200 einer Sequenz aus Prozessen 204 unterzogen, in denen zumindest ein thermisch leitendes Material 232 in die jeweiligen Öffnungen eingefüllt wird.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird zusätzlich eine isolierende Beschichtung, etwa ein Siliziumdioxidmaterial, ein Siliziumnitridmaterial oder ein anderes dielektrisches Material vorgesehen, wenn das Füllmaterial 232 ein elektrisch leitendes Material repräsentiert und ein direkter Kontakt des Füllmaterials 232 mit der umgebenden aktiven Halbleiterschicht 203 als ungeeignet erachtet wird. In anderen Fällen werden die entsprechenden Öffnungen in Isolationsstrukturen hergestellt, wodurch für eine gewünschte elektrische Isolierung des Füllmaterials 232 in Bezug auf das aktive Halbleitermaterial 203 gesorgt wird. Das Füllmaterial 232 in Verbindung mit dem optionalen Beschichtungsmaterial 231 bildet somit ein Wärmeableitelement 230, das sich von der aktiven Halbleiterschicht 203 in das Substratmaterial 201 erstreckt und mit der Rückseite verbunden sein kann oder in der Nähe der Rückseite mündet, beispielsweise mehrere 100 nm bis mehrere Mikrometer, wie dies beispielsweise für das Wärmeableitelement 230d in 2d gezeigt ist. Die Prozesssequenz 204 kann auf der Grundlage gut etablierter Abscheidetechniken ausgeführt werden, beispielsweise unter Anwendung elektrochemischer Abscheideprozesse, um Kupfermaterial einzufüllen, wobei zusätzlich zu den isolierenden Beschichtungsmaterial 231 bei Bedarf eine geeignete Barrierenschicht vorgesehen werden kann, etwa Tantal, Tantalnitrid und dergleichen, um damit einen gewünschten Grad an Kupfereinschluss zu erreichen. In anderen Fällen wird Aluminium abgeschieden, beispielsweise auf der Grundlage von Sputter-Abscheidung und dergleichen, unter Anwendung gut etablierter Prozessrezepte. Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine Vielzahl von Metallmaterialien typischerweise während der Herstellung komplexer Halbleiterbauelemente verwendet wird und jedes dieser Materialien zur Herstellung der Wärmeableitelemente 230 eingesetzt werden kann. Z. B. repräsentieren Wolfram, Kobalt, Titan und dergleichen ebenfalls Materialien, die eine bessere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Silizium und Siliziumdioxid besitzen. In anderen Fällen werden andere Materialien, etwa speziell gestaltete Halbleitermaterialien mit einem besseren thermischen Leitvermögen im Vergleich zu dem Substratmaterial 201, der vergrabenen isolierenden Schicht 202 und der aktiven Schicht 203 eingesetzt, wobei diese Materialien auf der Grundlage epitaktischer Wachstumstechniken und dergleichen aufgebracht werden können. Z. B. kann, wie zuvor erläutet ist, Kohlenstoffmaterial abgeschieden werden, das für eine bessere thermische Leitfähigkeit sorgt, wobei auch ein gewisses Maß an Stabilität bei Hochtemperaturprozessen erreicht wird. In diesem Falle kann das Wärmeableitelement 230 auch vor dem Ausführen von Hochtemperaturprozessen gebildet werden, wie sie typischerweise zur Herstellung der Schaltungselemente 211 (siehe 1a) angewendet werden. Folglich kann in diesem Falle die Sequenz zur Herstellung der Öffnungen 203a ... und schließlich zum Füllen der Öffnungen, um die Wärmeableitelemente 230 zu erhalten, einer beliebigen geeigneten Fertigungsphase abhängig von den gesamten Prozesserfordernissen eingerichtet werden.
In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen werden andere Materialien, beispielsweise in Form eines Arbeitsfluids in der Weise von Wärmeleitungen von Makrosystemen, eingefüllt, etwa Methylanglykol und dergleichen, was auf der Grundlage nasschemischer Behandlungen und dergleichen während des Sequenz 204 erreicht werden kann. In diesem Falle kann ein geeigneter Einschluss des Arbeitsfluids in dem Wärmeableitelement 230 bewerkstelligt werden, indem der Abscheideprozess für ein weiteres Material in entsprechender Weise gestaltet wird und/oder indem ein Materialpfropfen, beispielsweise ein Metallpfropfen, an der Rückseite 201b vor dem Einfüllen des Arbeitsfluids hergestellt wird und indem ein weiterer Pfropfen für das Verschließen eines entsprechenden Wärmeableitelements 230 gebildet wird oder ein beliebiges anderes Material gebildet wird, indem beispielsweise ein weiteres Material abgeschieden wird, wie dies nachfolgend mit Bezug zu 2e detaillierter erläutert ist.
Somit sind eine Vielzahl gut etablierter Abscheidetechniken verfügbar, die auch Abscheide/Ätzzyklen zur Verbesserung des Füllverhaltens der entsprechenden Sequenz beinhalten können, wobei dies von der Konfiguration der entsprechenden Öffnungen abhängt. Des weiteren können auch rückseitige Abscheidetechniken angewendet werden, um das Füllverhalten bei Bedarf weiter zu verbessern. Nach dem Einfüllen des Füllmaterials 232 möglicherweise in Verbindung mit dem Beschichtungsmaterial 231 kann die weitere Bearbeitung fortgesetzt werden, indem beispielsweise überschüssiges Material entfernt wird, etwa unter Anwendung von CMP-(chemisch-mechanisches Polier-)Techniken und dergleichen. Daraufhin wird das Metallisierungssystem des Halbleiterbauelements 200 gemäß gut etablierter Prozessstrategien hergestellt, wozu das Herstellen einer geeigneten Rückseitenmetallisierung sein kann, die abhängig von den gesamten Aufbau des Wärmeableitelements 230 direkt oder zumindest thermisch mit dem Element 230 gekoppelt ist, um damit eine effiziente thermische Ankopplung an ein Gehäuse und schließlich an ein externes Kühlsystem zu ermöglichen, wie es zuvor mit Bezug zu den 1b und 1c erläutert ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Ätzmaske 212 entfernt und die weitere Bearbeitung wird fortgesetzt, indem eine geeignete Kontaktstruktur hergestellt wird, etwa durch Bilden von Metallsilizid in freiliegenden Halbleitergebieten auf der Grundlage gut etablierter Fertigungstechniken, und danach wird ein geeignetes dielektrisches Zwischenschichtmaterial etwa teilweise in Form eines stark verspannten Materials gemäß gut etablierter Techniken aufgebracht, wodurch ebenfalls eine Plattform geschaffen wird, um weitere Metallisierungsebenen gemäß den Prozess- und Bauteilerfordernissen zu bilden. Folglich kann auch in diesem Falle eine effiziente Entkopplung des Wärmeableitelements 230 von dem Metallisierungssystem des Bauelements 200 erreicht werden, wobei auch für ein hohes Maß an Kompatibilität mit konventionellen Prozessstrategien gesorgt ist.
2e zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 200, in welchem das Wärmeableitelement 230 ein Arbeitsfluid als das Füllmaterial 232 in Verbindung mit geeigneten Materialpfropfen 233 und 234 zum Einschluss des Arbeitsfluids 232 aufweist. in diesem Falle kann der Pfropfen 232 entsprechend gut etablierter Techniken hergestellt werden, beispielsweise sind Rezepte zur Herstellung von Wolframpfropfen gut etabliert, um damit entsprechende Pfropfen vorzusehen, die mit Kontaktbereichen von Schaltungselementen verbunden sind und dergleichen. In diesem Falle kann der Pfropfen 234 auf der Grundlage geeigneter Fertigungstechniken von der Rückseite 201b aus hergestellt werden und daraufhin wird das Material 232 eingefüllt und wird durch das Bilden des Pfropfens 232 eingeschlossen. In anderen Fällen wird der Pfropfen 233 gebildet, woraufhin ein Arbeitsfluid 232 von der Rückseite aus eingefüllt wird und nachfolgend wird ein Abscheideprozess von der Rückseite aus durchgeführt, um einen zuverlässigen Einschluss des Arbeitsfluids 232 zu erreichen. Es sollte beachtet werden, dass die Pfropfen 233, 234 auch auf der Grundlage geeignet ausgewählter Prozessparameter eines Abscheideprozesses hergestellt werden können, so dass ein „Verschließen” der entsprechenden Öffnung erreicht wird, ohne dass größere Mengen an Materialien in tiefere Bereiche der entsprechenden Öffnung abgeschieden werden. Auf diese Weise kann einer der Pfropfen 233, 234 vorgesehen werden und nachfolgend kann das Arbeitsfluid 232 eingefüllt werden, woran sich ein nachfolgender Abscheideschritt zum Einschluss des Arbeitsfluids 232 anschließt.
2f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement 200 die Bauteilebene 210, die thermisch mit dem Wärmeableitelement 230 gekoppelt ist, wie dies zuvor erläutert ist, und ein Metallisierungssystem 220 ist über der Bauteilebene 210 ausgebildet, das elektrisch von dem Wärmeableitelement 230 entkoppelt ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Metallisierungssystem 220 so gestaltet, dass ein direkter Kontakt mit einem Verdrahtungs system eines Gehäusesubstrats möglich ist, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 der 1c erläutert ist. Daher werden in diesem Falle verbesserte Ableitfähigkeiten auf der Grundlage des Elements 230 bereitgestellt, indem die Bauteilebene 210 mit der Rückseite des Substrats 201b gekoppelt wird, die als eine Wärmeableitschnittstelle dient. In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist eine Wärmeverteilschicht 210s an der Rückseite des Substratmaterials 201 gebildet, wodurch eine verbesserte Wärmeübertragung von dem Ableitelement 230 zu der gesamten Rückseite 201b erreicht wird, die eine Grenzfläche bzw. Schnittstelle für den Wärmeaustausch mit einem Substratgehäuse bildet, wie dies zuvor erläutert ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Wärmeverteilschicht 201s in Form einer Metallschicht vorgesehen, wobei eine entsprechende elektrische Isolierung von empfindlichen Bauteilbereichen in der Bauteilebene 210 auf der Grundlage einer inneren isolierenden Schicht des Elements 230 vorgesehen wird, wie dies zuvor erläutert ist, während in anderen Fällen das Element 230 in einem Isolationsbereich ausgebildet ist, wodurch ebenfalls für eine entsprechende Isolation gesorgt wird, selbst wenn das Wärmeverteilmaterial 201s in Form eines elektrisch leitenden Materials vorgesehen ist. In anderen Fällen wird die Wärmeverteilschicht 201s in Form eines beliebigen thermisch leitenden Materials vorgesehen, das bessere Grenzflächeneigenschaften bietet, etwa in Form von Indium, das häufig als thermisches Schnittstellenmaterial in vielen Fällen eingesetzt wird. Folglich wird das Wärmeableitelement 230 so vorgesehen, dass eine Störung in einer beliebigen Art an Grenzfläche an der Rückseite 201b des Substratmaterials 201 im Wesentlichen vermieden wird. Nach dem Verbinden des Halbleiterbauelements 200 mit einem geeigneten Gehäusesubstrat und dem Anbringen des Kühlsystems, wie es beispielsweise mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben ist, wird somit ein thermisch leitender Pfad mit deutlich besseren Wärmeübertragungseigenschaften zwischen dem externen Kühlsystem und der Bauteilebene 210 über das Element 230 geschaffen.
2g zeigt schematisch eine Draufsicht des Halbleiterbauelements 200, d. h. von dessen Bauteilebene oder einer geometrischen Anordnung der Bauteilebene, wenn dieses einen komplexen Logikschaltungsbereich, etwa eine CPU oder eine andere Logikschaltung repräsentiert, die geschwindigkeitskritische Transistorelemente in Verbindung mit dicht gepackten Bauteilbereichen erfordert, wobei jedoch Transistorelemente mit weniger geschwindigkeitskritischen Verhalten vorgesehen sind, beispielsweise wie dies in einem Speicherbereich und dergleichen erforderlich sein kann. Wie gezeigt, entspricht somit ein erstes Bauteilgebiet 210a einem Bauteilgebiet mit hoher Leistungsdichte, da eine Vielzahl ge schwindigkeitskritischer Transistorelemente, die mit hohen Traktfrequenzen betrieben werden, und einen hohen Durchlassstrom besitzen, der in dem Gebiet 210a vorgesehen sind. Andererseits repräsentiert ein Bauteilgebiet 210b einen Bereich mit geringerer Leistungsdichte, wobei jedoch die tatsächliche Packungsdichte, d. h. die Anzahl der Transistorelemente pro Einheitsfläche, moderat hoch sein kann. Somit muss in konventionellen Gestaltungen und Strategien die Packungsdichte in dem temperaturkritischen Bauteilgebiet 210a an ein gewünschtes Leistungsverhalten angepasst werden, indem etwa in geeigneter Weise die Taktfrequenz angepasst wird und/oder indem eine gewisse optimale Packungsdichte beibehalten wird und indem ein entsprechender Abstand zwischen den Gebieten 210a, 210b eingehalten wird, um damit innerhalb spezifizierter Temperaturbedingungen selbst unter Volllastbetrieb zu bleiben. Auf Grund der geeigneten Positionierung der Wärmeableitelemente, wie dies zuvor erläutert ist, kann das Leistungsverhalten des Bauelements 200 für einen vorgegebenen allgemeinen Schaltungsaufbau beispielsweise im Hinblick auf eine hohe Pckungsdichte in dem Bauteilgebiet 210b erweitert werden, oder für eine gegebene Leistungsstufe kann die Gesamtpackungsdichte erhöht werden, beispielsweise indem die kritischen Transistorelemente in dem Bereich 210a dichter angeordnet werden und ferner indem ein gewisser Abstand zwischen dem Bauteilgebieten 210a, 210b verringert wird. Zu diesem Zweck kann die laterale Position des entsprechenden Wärmeableitelements in geeigneter Weise so gewählt werden, dass ein besseres Leistungsverhalten und/oder eine bessere Leistungsdichte erreicht wird.
2h zeigt schematisch eine Draufsicht eines Bereichs des Halbleiterbauelements 200 innerhalb des temperaturkritischen Bauteilgebiets 210 (siehe 2g). Wie gezeigt sind mehrere Transistoren 211 lateral in einer Isolationsstruktur 203i eingebettet, die in Form einer flachen Grabenisolation vorgesehen ist. Somit sind mehrere aktive Gebiete 203r, in denen ein oder mehrere Transistorelemente vorgesehen sind, in geeigneter Weise elektrisch durch die Isolationsstruktur 203i getrennt. Die Transistoren 211 können entsprechende Gateelektrodenstrukturen 211g aufweisen, etwa in Form eines Polysiliziummaterials, möglicherweise in Verbindung mit anderen metallenthaltenden Materialien, etwa Metallsilizid und dergleichen. Typischerweise können Platzhalterstrukturen 211d, etwa Platzhaltergateelektrodenstrukturen vorgesehen sein, um Prozessbedingungen während kritischer Prozessschritte zu verbessern, etwa für die Lithographie, CMP und dergleichen. D. h., durch Vorsehen der Platzhalterstrukturen 211d kann die Prozessgleichmäßigkeit verbessert werden, indem eine gleichmäßigere Gesamtbauteiltopographie und ergleichen vorgesehen wird. In der gezeigten Ausführungsform ist das Leistungsverhalten des Halbleiterbauelements 200, d. h. des dargestellten temperaturkritischen Schaltungsbereichs, auf der Grundlage einer gegebenen Struktur der Transistorelemente 211 verbessert, indem ein oder mehrere Wärmeableitelemente 230 geeignet positioniert werden, ohne dass zusätzliche Chipfläche erforderlich ist. Wie zuvor erläutert ist, wird für einen gegebenen grundlegenden Schaltungsaufbau ein besseres Leistungsverhalten und eine höhere Zuverlässigkeit erreicht auf Grund der besseren Wärmeableitfähigkeiten, die durch die Elemente 230 bereitgestellt werden. Beispielsweise werden mehrere der Elemente 230 innerhalb der Isolationsstruktur 203i angeordnet, wodurch eine gewünschte elektrische Isolierung der Elemente 230 erreicht wird, selbst wenn diese auf der Grundlage eines Metallmaterials ohne ein isolierendes Beschichtungsmaterial hergestellt werden, wie dies zuvor erläutert ist. Obwohl in diesem Falle die thermische Kopplung zu den entsprechenden aktiven Gebieten 203r geringfügig geringer ist auf Grund der geringeren thermischen Leitfähigkeit des isolierenden Materials der Struktur 2031, wird dennoch ein ausgeprägtes Wärmeableitvermögen erreicht. In anderen Fällen werden, wie zuvor erläutert ist, ein oder mehrere der aktiven Gebiete 203r entsprechend vergrößert, ohne dass jedoch die Gesamtfläche erhöht wird, indem beispielsweise eine oder mehrere der Platzhalterstrukturen 211d „geopfert” werden, um damit eine oder mehrere der Isolationsstrukturen 203i innerhalb eines entsprechenden aktiven Gebiets 203r vorzusehen, wodurch eine sehr thermische Ankopplung erreicht wird, während die elektrische Isolierung durch Vorsehen eines nicht-leitenden Füllmaterials oder durch Vorsehen eines dünnen isolierenden Beschichtungsmaterials erreicht wird, wie dies zuvor erläutert ist. Ferner kann die bessere thermische Kopplung an die aktiven Gebiete 203r auch bewerkstelligt werden, indem die laterale Größe und die Form der Wärmeableitelemente 230 an die lateralen Abmessungen der jeweiligen Transistorelemente 211 angepasst werden. Beispielsweise können, wie gezeigt ist, einige der Wärmeableitelemente 230 in einer im Wesentlichen rechteckigen Form vorgesehen werden, wie dies durch die gestrichelten Linien 230r angegeben ist, wodurch die thermische Kopplung an das komplementäre aktive Gebiet 203r mittels des Materials der Isolationsstruktur 203i erhöht wird. Des weiteren führt die größere Querschnittsfläche ebenfalls zu einer besseren „vertikalen” Wärmeübertragungskapazität. Somit kann durch das geeignete Einrichten der Wärmeableitelemente 230 eine deutliche Zunahme der Wärmeableitfähigkeit in lokaler Weise erreicht werden, d. h. für einzelne Transistorelemente, während keine wesentlichen Modifizierungen der grundlegenden Schaltungsstruktur erforderlich sind. Anderseits wird der thermische Einfluss des temperaturkritischen Transistors auf andere Bauteilbereiche, etwa dem dicht ge packten Bereich 210b (siehe 2g) verringert, wodurch ebenfalls zu einer höheren Leistung und Zuverlässigkeit dieser Schaltungsbereiche beigetragen wird.
Mit Bezug zu den 2i und 2j werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen geeignet positionierte Wärmeableitelemente eine bessere Wärmesteuerung in einem globaleren Maßstabe ermöglichen, indem der Einfluss des temperaturkritischen Bereichs auf der Grundlage einer gewissen thermischen Isolation verringert wird.
2i zeigt schematisch mehrere Schaltungsbereiche 210a...210n gemäß einem konventionellen Schaltungsaufbau, wobei zumindest einige der Bauteilbereiche 210a...210n einen „heißen Punkt” repräsentieren, d. h. einen Schaltungsbereich, der zumindest während spezieller Betriebsmodi einen ausgeprägten Anteil an Abwärme erzeugt. Beispielsweise repräsentiert das Bauteilgebiet 210a einen Schaltungsbereich mit mehreren Transistorelementen mit hohem Leistungsvermögen, wenn diese mit voller Geschwindigkeit betrieben werden, so dass diese dann zu einer erhöhten Leistungsaufnahme und damit einer höheren Wärmeerzeugung beitragen. Während eines entsprechenden Betriebsmodus wird somit Wärme über die verbleibenden Schaltungsbereiche verteilt, wodurch ebenfalls deren thermischer Status in einem mehr oder weniger ausgeprägten Weise beeinflusst wird. Z. B. müssen, wie zuvor erläutert ist, temperaturempfindliche Bauelemente unter einem gewissen Abstand in Bezug auf den heißen Punkt 210a angeordnet werden. Wenn entsprechende Ableitelemente nicht in der gewünschten Anzahl im gesamten Schaltungsaufbau eingerichtet werden, ohne dass ausgeprägte Umgestaltungen und dergleichen vorzuführen sind, wird in anderen anschaulichen Ausführungsformen ein entsprechendes Gebiet mit heißen Punkten, etwa der Schaltungsbereich 210a, während der Entwurfsphase ermittelt und wird in geeigneter Weise thermisch von der Nachbarschaft isoliert, indem mehrere Wärmeableitelemente so vorgesehen sind, dass diese dem Bereich 210a lateral einschließen.
2j zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200, in welchem mehrere Ableitelemente 230 um den Schaltungsbereich 210a herum angeordnet sind, so dass ein „Wärmesenkenring” um den Bereich 210a herum ausgebildet ist. Wie gezeigt ist, kann somit die thermische Beeinflussung der benachbarten Schaltungsbereiche deutlich verringert werden, wodurch ein höheres Maß einer Entwurfsflexibilität geschaffen wird, da selbst temperaturkritische Bauelemente näher an dem Gebiet 210 positioniert werden können. Es sollte beachtet werden, dass die Wärmeableitelemente 230 in einer beliebigen geeigneten Weise angeordnet sein können und auch eine geeignete laterale Größe und Form besitzen, um damit die gewünschte Abschirmwirkung zu entwickeln, ohne den Gesamtaufbau wesentlich zu beeinflussen, beispielsweise im Hinblick auf das Vorsehen von Signalleitungen und dergleichen. Da typischerweise der Schaltungsbereich 210a einen Funktionsblock repräsentiert, werden die Wärmeableitelemente 230 an dessen Peripherie angeordnet, ohne dass zusätzliche Fläche erforderlich ist, so dass die allgemeine Packungsdichte nicht verringert wird, wobei jedoch Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Entwurfsflexibilität verbessert werden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen kann auf Grund der platzsparenden Weise, mit der die Ableitelemente 230 in der Nähe von temperaturkritischen Bauelementen oder Bauteilbereichen angeordnet sind, eine weitere Zunahme der Packungsdichte von Schaltungselementen erreicht werden, wodurch die Skalierbarkeit der betrachteten Technologie weiter verbessert wird, und wobei auch die Beschränkungen im Hinblick auf die Weiche für die gesamte thermische Leistung gelockert werden, wie dies zuvor mit Bezug zu 1a erläutert ist.
2k zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen die gesamten Wärmeableitfähigkeiten mehrerer Elemente 230 erhöht werden, ohne dass eine merkliche Zunahme des Flächenbedarfs innerhalb des Bauelements 200 erforderlich ist. Wie gezeigt, nimmt die laterale Abmessung der Ableitelemente 230 mit zunehmender Tiefe zu, wobei in der gezeigten Ausführungsform selbst ein Kontakt der Elemente 230 innerhalb des Substratmaterials 201 erreicht werden kann. In diesem Falle kann somit ein ausgeprägter Oberflächenbereich der Rückseite 201b effizient mit der Bauteilebene 210 gekoppelt werden, selbst wenn die verfügbare Fläche darin beschränkt ist. Beispielsweise kann für die in 2a gezeigten Konfigurationen eine große Rückseitenkontaktfläche für die Elemente 230 vorgesehen werden, ohne dass jedoch wertvolle Chipfläche der Bauteilebene 210 verbraucht wird. In ähnlicher Weise wird in der in 2j gezeigten Ausführungsform eine sehr effiziente thermische Ankopplung an die Rückseite für eine Vielzahl von Elementen 230 erreicht, ohne dass Chipfläche in der Bauteilebene verbraucht wird.
2l zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während des Betriebs gemäß anschaulicher Ausführungsformen. Wie gezeigt ist, ist das Metallisierungssystem 220 mit einem entsprechenden Verdrahtungssystem eines Gehäuses (nicht gezeigt) etwa mittels einer geeigneten Höckerstruktur oder einem anderen Kontaktschema, etwa Drahtbonding und dergleichen verbunden. In anderen Fällen ist das Metallisierungssystem 220 mit einer entsprechenden Kontaktstruktur eines weiteren Halbleiterchips verbunden, wenn eine entsprechende dreidimensionale Chipkonfiguration betrachtet wird. Es sind eine oder mehrere temperaturkritische Transistoren 211 in der Bauteilebene 210 vorgesehen und diese sind thermisch mit den Wärmeableitelementen 230 gekoppelt, die beispielsweise direkt mit dem aktiven Gebiet verbunden sind, möglicherweise über ein dünnes isolierendes Material, wie dies zuvor erläutert ist, oder die Elemente 230 sind in unmittelbarer Nähe innerhalb einer Isolationsstruktur angeordnet, wie dies auch zuvor erläutert ist. Während des Betriebs der Transistoren 211 wird somit Abwärme in der Bauteilebene 210 erzeugt und wird effizient der Wärmeverteilschicht 201s über die Ableitelemente 230 geleitet, wie dies auch zuvor erläutert ist. Wiederum sollte beachtet werden, dass eine Dicke des Substratmaterials 201 in Bezug auf die Bauteilebene 210 nicht maßstabsgetreu gezeigt ist. Die Wärmeverteilschicht 201s kann mit einem entsprechenden Gehäuse oder einem anderen Material verbunden sein, was schließlich mit einem geeigneten Kühlsystem in thermischen Kontakt ist, das im Vergleich zu konventionellen Strategien in Form von lediglich passiven Elementen auf Grund der besseren thermischen Anbindung an die Bauteilebene 210 vorgesehen werden kann, wodurch eine höhere Zuverlässigkeit geschaffen wird und auch die Gesamtsystemkosten verringert werden. In anderen Fällen kann ein beliebiges anderes geeignetes Kühlsystem verwendet werden, wobei jedoch eine geringere Komplexität für eine vorgegebene Konfiguration und einem Betriebsmodus des Halbleiterbauelements 200 ausreichend ist.
Mit Bezug zu den 3a und 3b werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen ein Substratbasismaterial mit besseren thermischen Eigenschaften bereitgestellt wird, wodurch die Herstellung von Wärmeableitelementen erleichtert wird.
3a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Substrats 230, das ein beliebiges geeignetes Basismaterial zur Herstellung komplexer Halbleiterbauelemente repräsentiert. Das Substrat 330 umfasst eine Vorderseite 210f, in und über welcher Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen hergestellt werden, und es ist ferner eine Rückseite 301b vorgesehen, die als eine thermische Grenzfläche bzw. Schnittstelle für das schließlich Anbinden an ein externes Kühlsystem dient, wie dies auch zuvor erläutert ist. Das Substrat 330 umfasst ferner eine aktive Halbleiterschicht 303, etwa eine Siliziumschicht, eine Silizi um/Germaniumschicht, und dergleichen, wie dies zur Herstellung von Schaltungselementen darauf und darin erforderlich ist. In der gezeigten Ausführungsform repräsentiert das Substrat 330 ein SOI-Substrat mit einer vergrabenen isolierenden Schicht 302. In anderen Fällen ist die vergrabene isolierende Schicht 302 nicht vorgesehen, wenn Schaltungselemente auf der Grundlage einer Vollsubstratarchitektur zu bilden sind. Des weiteren ist ein Substratmaterial 301, etwa Silizium und dergleichen unter der aktiven Schicht 303 angeordnet. Wiederum ist zu beachten, dass die Dicke des Substratmaterials 301 deutlich größer sein kann als die Dicke der aktiven Schicht 303 und der vergrabenen isolierenden Schicht 302. In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist zumindest eine Wärmeverteilschicht 331 in Kontakt mit dem Substratmaterial 301 vorgesehen, beispielsweise ist die Schicht 331 in dem Material 301 eingebettet, so dass eine letzte Schicht 301a vorgesehen ist, um die Rückseite 301b zu repräsentieren. Die Schicht 331 enthält ein beliebiges thermisch gut leitendes Material, etwa Kohlenstoff, spezielle Halbleitermaterialien mit verbesserter thermischer Leitfähigkeit, Metalle, und dergleichen. Folglich kann durch das Vorsehen der Schicht 331 in einer sehr frühen Fertigungsphase, d. h. vor dem eigentlichen Bilden von Schaltungselementen, der Prozess des Vorsehens des Substrats 330 mit den besseren Wärmeableitfähigkeiten vollständig von dem Fertigungsprozess zur Herstellung von Halbleiterbauelementen entkoppelt werden. Beispielsweise wird das Substrat 330 als ein Basismaterial bereitgestellt und den Halbleiterfertigungsstätten zugeführt.
Das Substrat 330n kann beispielsweise auf der Grundlage von Scheibenverbundtechniken, Abscheideprozessen und dergleichen hergestellt werden. Z. B. kann das Substratmaterial 303, möglicherweise mit der vergrabenen isolierenden Schicht 302, und der aktiven Halbleiterschicht 303 auf der Grundlage gut etablierter Techniken hergestellt werden, woran sich das Abscheiden eines geeigneten Metalls oder eines anderen Materials mit verbesserter thermischer Leitfähigkeit auf der Rückseite des Substratmaterials 301 anschließt. Bei Bedarf kann danach die Schicht 301a gebildet werden, beispielsweise durch Abscheidung, Scheibenverdunsttechniken und dergleichen. Somit kann in diesem Zustand die Herstellung von Wärmeableitelementen auf Grund der Anwesenheit der Wärmeverteilschicht 331 vereinfacht werden.
3b zeigt schematisch das Substrat 330 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Wie gezeigt, sind mehrere Wärmeableitelemente 330a so vorgesehen, dass diese sich von der aktiven Halbleiterschicht 303 durch das Substratmaterial 301 durch oder in die Wärmeverteilschicht 331 erstrecken. Die Wärmeableitelemente 330 können auf der Grundlage von Fertigungstechniken hergestellt werden, wie sie zuvor beschrieben sind, wenn diese vom Hersteller der Schaltungselemente gemäß einem gewünschten Schaltungsaufbau vorgesehen werden. Auf Grund der Anwesenheit der Wärmeverteilschicht 331 kann jedoch der gesamte Fertigungsprozess vereinfacht werden, da die Schicht 331 als eine Ätzstoppschicht zur Herstellung entsprechender Öffnungen verwendet werden kann, wodurch insgesamt bessere Strukturierungsbedingungen geschaffen werden. Auch das Einfüllen eines geeigneten Materials kann beispielsweise im Hinblick auf das Einfüllen eines Arbeitsfluides und dergleichen erleichtert werden, wie dies zuvor erläutert ist. Folglich kann ein gewünschtes dichtes „Gitter” an Ableitelementen 330a während einer beliebigen geeigneten Fertigungsphase auf der Grundlage besserer Prozessbedingungen hergestellt werden. Wie auf der linken Seite der 3b angegeben ist, kann die Schicht 301a während der gesamten Bearbeitung beibehalten werden, oder wie auf der rechten Seite gezeigt ist, die Schicht 331 kann gemäß einer gewünschten Rückseitenbearbeitung freigelegt werden. Beispielsweise wird die Schicht 301a durch CMP entfernt, wenn eine entsprechende Rückseitenkonfiguration aus geeignet erachtet wird. Andererseits kann bei Bedarf die Schicht 301a während der gesamten Prozesstechniken beibehalten werden, wodurch ein hohes Maß an Kompatibilität zur Bearbeitung konventioneller Substrate beibehalten wird. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen werden zumindest einige der Wärmeableitelemente 330a vor der Herstellung von Schaltungselementen geschaffen, wenn die Hochtemperaturstabilität der Elemente 330a ausreichend ist. Beispielsweise kann ein Substrathersteller oder ein anderer Verwender des Substrats 330 einige der Ableitelemente 330a auf der Grundlage von Kohlenstoffmaterial und dergleichen bereitstellen, wodurch ein hohes Maß an Kompatibilität zu nachfolgenden Fertigungsprozessen für die Herstellung von Transistorelementen erreicht wird. In diesem Falle können die Elemente 330a so positioniert werden, dass eine entsprechende Flexibilität bei der Neugestaltung des gesamten Schaltungsaufbaus spezieller Halbleiterbauelemente möglich ist. In anderen Fällen können mehrere oder die meisten der Wärmeabscheideelemente 330a in bauteilspezifischer Weise vorgesehen werden, wie dies zuvor beschrieben ist.
4 zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 400, in welchem zusätzlich zu den besseren Wärmeableitfähigkeiten auch eine bessere thermische Überwachung oder bessere thermische Steuerungsmöglichkeiten auf der Grundlage geeignet gestalteter Wärmeableitelemente erreicht werden. Wie gezeigt, umfasst das Halbleiterbauelement 400 eine Bau teilebene 410 mit Schaltungselementen 411, die in und über einer Halbleiterschicht 403 gebildet sind. Des weiteren kann eine vergrabene isolierende Schicht 402 mit der Schicht 403 in Kontakt sein, während in anderen Ausführungsformen die vergrabene isolierende Schicht 402 weggelassen wird. Ein Substratmaterial 401 ist ferner vorgesehen, etwa ein Siliziummaterial und dergleichen. Des weiteren ist ein Metallisierungssystem 420 vorgesehen und so ausgebildet, dass ein Kontakt zu einem Gehäusesubstrat oder zu einer entsprechenden Kontaktstruktur eines weiteren Halbleiterchips möglich ist, und dergleichen. Im Hinblick auf die bislang beschriebenen Komponenten gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 200 erläutert sind. Ferner ist ein erstes Wärmeableitelement 430a vorgesehen, so dass dieses in thermischen Kontakt mit der Bauteilebene 410 ist und sich durch das Substratmaterial 401 erstreckt. In ähnlicher Weise ist ein zweites Wärmeableitelement 430b vorgesehen, so dass dieses mit der Bauteilebene 410 in thermischen Kontakt ist und sich ebenfalls durch das Substratmaterial 401 erstreckt. Die Wärmeableitelemente 430a, 430b sind ferner in der Nähe der Bauteilebene 410 elektrisch in Kontakt, wodurch eine Grenzfläche 430c gebildet wird. Des weiteren enthält das Wärmeableitelement 430a ein elektrisch leitendes Material 432a, das zusammen mit einem elektrisch leitenden Füllmaterial 432b des Elements 430b ein thermoelektrisches Element bildet. Bekanntlich erzeugen unterschiedliche Leiter eine Spannung an einer Grenzfläche in Abhängigkeit von einem Temperaturgradienten zwischen der entsprechenden Grenzfläche und den jeweiligen Anschlüssen der unterschiedlichen Leiter. Da entsprechende Endbereiche 435a, 435b der Elemente 430a, 430b den engen thermischen Kontakt mit einem externen Kühlsystem sein können, während die Grenzfläche 430c im Wesentlichen auf der hohen Temperatur liegt, die in einer Kontaktebene 410 erzeugt wird, kann somit eine entsprechende Spannung über den Kontakten 435a, 435b erzeugt werden. Die entsprechende Spannung kann für Überwachungszwecke eingesetzt werden, beispielsweise zum tatsächlichen Bewerten der Temperatur direkt in der Nähe temperaturkritischer Schaltungselemente, etwa der Transistoren 411, wodurch ein sehr zuverlässiges temperaturabhängiges Signal erhalten wird, das auch effizient externen Temperatursteuerungssystemen zugeführt werden kann. Gleichzeitig können die Elemente 430a, 430b als effiziente Wärmeableitelemente dienen. In anderen anschaulichen Ausführungsformen die mehrere thermoelektrische Elemente, etwa die Kombination der Elemente 430a, 430b, vorgesehen und werden zum Umwandeln zumindest eines Teils der Abwärme in messbare elektrische Energie verwendet. Beispielsweise kann die thermisch elektrische Spannung einem internen Spannungswandler zugeführt werden, der wiederum mit einer Spannungsquelle des Halbleiter bauelements 400 verbunden ist. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen können die thermisch elektrischen Elemente mit den Komponenten 430a, 430b selbst als ein aktives Kühlsystem verwendet werden, indem ein Stromfluss eingeprägt wird, der zu einer Kühlung der Grenzfläche 430c führt, wodurch die gesamten Wärmeableitfähigkeiten noch weiter verbessert werden.
Es sollte beachtet werden, dass eine Vielzahl geeigneter Materialien verfügbar ist und als Komponenten für entsprechende thermoelektrische Paare aus Wärmeableitelementen verwendet werden kann. Z. B. Kupfer in Verbindung mit Konstantan, d. h. einer Kupfer/Zinn-Legierung, kann für eine ausgeprägte temperaturabhängige Spannung sorgen. Auch andere Materialien, einschließlich von Halbleitermaterialien und dergleichen, können eingesetzt werden. Wenn eine Zunahme einer entsprechenden temperaturabhängigen Spannung erforderlich ist, können mehrere derartige thermoelektrische Elemente elektrisch in Reihe geschaltet werden, während diese thermisch parallel geschaltet sind, wodurch die gewünschten Wärmeableiteigenschaften geschaffen werden, wobei auch eine Zunahme der Spannung erreicht wird.
Die Wärmeableitelemente 430a, 430b können auf der Grundlage von Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie zuvor beschrieben sind, wobei jedoch das Einfüllen der Materialien 432a, 432b in unterschiedlichen Schritten ausgeführt wird, um damit das Abscheiden unterschiedlicher Materialien zu ermöglichen.
Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Halbleiterbauelemente, Fertigungstechniken und Substrate bereit, in denen bessere Wärmeableitfähigkeiten auf der Grundlage von Wärmeableitelementen oder Wärmeleitungen erreicht werden, die den Austausch thermischer Energie mit einem externen Kühlsystem verbessern, wodurch höhere Bauteildichten, höhere Leistungen oder eine geringere Komplexität externer Kühlsysteme ermöglicht werden, während standardmäßige gut etablierte Fertigungstechniken einsetzbar sind. Folglich kann eine erhöhte Produktlebensdauer oder ein besseres Leistungsverhalten im Hinblick auf die Wärmesteuerung erreicht werden.
Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der Ausführungsformen zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

Halbleiterbauelement mit: einem Substrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite; einem oder mehreren Transistorelementen, die in und über einer Halbeiterschicht gebildet sind, die über der Vorderseite angeordnet ist; einem Metallisierungssystem, das über der Halbleiterschicht gebildet ist; und einem Wärmeableitelement, das benachbart zu dem einen oder den mehreren Transistorelementen ausgebildet ist und sich in das Substrat erstreckt, wobei das Wärmeableitelement elektrisch von dem einen oder den mehreren Transistorelementen und dem Metallisierungssystem isoliert ist und ein Füllmaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit aufweist, die höher ist als eine thermische Leitfähigkeit der Halbleiterschicht.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das ferner eine vergrabene isolierende Schicht, die an der Vorderseite des Substrats ausgebildet ist, aufweist, wobei das Wärmeableitelement sich durch die vergrabene isolierende Schicht erstreckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial ein Metall aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial ein Fluid aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, das ferner mindestens einen Pfropfen zum Einschluss des Fluids aufweist, wobei der Pfropfen aus einem Material aufgebaut ist, das eine höhere thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu der Halbleiterschicht besitzt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Wärmeableitelement sich bis zur Rückseite erstreckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Wärmeableitelement eine erste laterale Größe an der Halbleiterschicht und eine zweite laterale Größe innerhalb des Substrats aufweist und wobei die erste laterale Größe kleiner als die zweite laterale Größe ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Wärmeableitelement eine erste laterale Größe an der Halbleiterschicht und eine zweite laterale Größe innerhalb des Substrats aufweist und wobei die erste laterale Größe größer ist als die zweite laterale Größe.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, das ferner mindestens ein weiteres Wärmeableitelement, das benachbart zu dem einen oder den mehreren Transistorelementen ausgebildet ist, aufweist, wobei das mindestens eine weitere Wärmeableitelement von dem Wärmeableitelement an der Halbleiterschicht getrennt ist und mit dem Wärmeableitelement innerhalb des Substrats in Kontakt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das ferner eine Wärmeverteilschicht aufweist, die an der Rückseite gebildet ist, wobei das Wärmeableitelement mit der Wärmeverteilschicht in Kontakt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Transistorelemente Schaltungselemente eines geschwindigkeitskritischen Logikschaltungsbereichs repräsentieren.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, das ferner ein zweites Wärmeableitelement mit einem zweiten Füllmaterial aufweist, das mit dem Füllmaterial des Wärmeableitelements so in Kontakt ist, dass ein Thermoelement gebildet ist.
Substrat zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wobei das Substrat umfasst: eine über einem Substratmaterial angeordnete Halbleiterschicht; und eine Wärmeverteilschicht, die mit dem Substratmaterial in Kontakt ist, wobei die Wärmeverteilschicht eine thermische Leitfähigkeit besitzt, die größer ist als eine thermische Leitfähigkeit des Substratmaterials und des Halbleitermaterials.
Substrat nach Anspruch 13, wobei die Wärmeverteilschicht eine Metall aufweist.
Substrat nach Anspruch 13, das ferner eine vergrabene isolierende Schicht aufweist, die zwischen der Halbleiterschicht und dem Substratmaterial gebildet ist.
Substrat nach Anspruch 13, wobei die Wärmeverteilschicht in dem Substratmaterial eingebettet ist.
Substrat nach Anspruch 13, wobei die Halbleiterschicht und das Substratmaterial Silizium aufweisen.
Verfahren mit: Bilden einer Öffnung benachbart zu einem aktiven Halbleitergebiet eines Halbleiterbauelements, wobei die Öffnung sich zumindest in ein Substratmaterial des Halbleiterbauelements erstreckt; Füllen der Öffnung mit einem Füllmaterial, um ein Wärmeableitelement zu bilden, wobei das Füllmaterial eine thermische Leitfähigkeit besitzt, die größer ist als eine thermische Leitfähigkeit des Substratmaterials; und Verbinden des Wärmeableitelements mit einer Wärmeverteilschicht, die über einer Rückseite des Substratmaterial gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner umfasst: Bilden eines oder mehrerer Transistorelemente in dem aktiven Halbleitergebiet vor dem Bilden des Wärmeableitelements.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei Bilden der Öffnung umfasst: Ätzen durch einen Teil des aktiven Halbleitergebiets und Bilden einer isolierenden Materialschicht an Seitenwänden der Öffnung.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei Bilden der Öffnung umfasst: Bilden der Öffnung derart, dass diese sich durch eine Isolationsstruktur erstreckt, die lateral das aktive Halbleitergebiet umschließt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei Füllen der Öffnung umfasst: Einfüllen eines Arbeitsfluids und Abscheiden eines Materials, um das Arbeitsfluid einzuschließen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei Füllen der Öffnung umfasst: Einfüllen eines metallenthaltenden Materials durch Ausführen eines chemischen Dampfabscheideprozesses und/oder eines physikalischen Dampfabscheideprozesses und/oder eines elektrochemischen Abscheideprozesses.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner umfasst: Bilden eines zweiten Wärmeableitelements so, dass dieses ein anderes Füllmaterial im Vergleich zu dem Wärmeableitelement enthält und so, dass eine Grenzfläche zwischen den beiden unterschiedlichen Füllmaterialien benachbart zu dem aktiven Halbleitergebiet gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner umfasst: Erkennen einer Position mit erhöhter Wärmeerzeugung in dem aktiven Halbleitergebiet bei Betrieb des Halbleiterbauelements und Positionieren mehrerer der Wärmeableitelemente lateral um die Position herum.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner umfasst: Bilden eines Transistorelements in dem aktiven Gebiet und Bilden des Wärmeableitelements lateral benachbart zu dem Transistorelement mit einem Abstand von ungefähr 1 Mikrometer (μm) oder weniger.