TW456010B - Embedded thermal conductors for semiconductor chips - Google Patents
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:J D U i U 五、發明說明(I) 發明背景 1. 發明領域: 本發明係有關減少半導體中之熱能,尤係有關嵌入半導 體内以自其中除熱之熱導體。 2. 相關技術說明 · 現代的V L SI晶片需要冷卻’以便提南晶片電路及接缘的 可靠性·並提高晶片電路的切換效能,且控制晶片電路中 因熱而產生的雜訊=冷卻減少了金屬接線形成空洞或造成 接點斷路之可能性。冷卻也減少了雖著時間而變化的電晶 體載子移動率及臨界電壓之惡化程度,而上述各因素的惡 化將對電路的效能及作業有不利的影響。此外,在典型的 CMOS微處理器中,每降低攝氏10度的溫度時,將可使工作 頻率提升2 %。對於C Μ 0 S電晶體而言,高溫將產生大許多的 漏電流1這是由於因熱而產生的載子。每提高攝氏11度將 使此種有損效能的電流加倍,而且我們知道此種大的渴電 流將對動態及類比電路之機能運作有不利的影響。 當場效電晶體(Field Effect Transistor ;簡稱FET)的 通道長度減少時,漏電流將呈指數地增加。除非可利同冷 卻來樣低電路的工作溫度,否則漏電流將是電路雜訊的主 要來源。在取理想的狀況下’應將晶片冷卻到絕對零度。 在現實下,冷卻系統受限於經濟上及技術上的考量:現 有的冷卻系統在複雜度及成本上有極大的不同。個人電腦 使用小型風扇自電路板排出熱空氣,而高成本的大型電腦 則使用波導管〔ρ 1 u οι b i n g)將液態冷卻劑循環於每一晶片。
第6頁 ^ ^ β Ο 1 Ο 五、發明說明 〔2) 過去 已 is 高 了 工程 設計 的投 資 以便自連接到一電路扳或 導熱 棋 组 的 一 ?且晶 片排 出熱 声_ 0 可 將 冷 卻 擇性 地施 加到 一 電 路板内的個別晶片。一個 此類 例 子 係 述 於授 與W. L. Schm i dt等人的美國專利4, 9 3 5, 864 0 Sc hm i d t說明了 - -種利用, -熱電式急冷器優先冷卻 一電 路 板 上 的 個別 晶片 之裝 置 0 當積體電路的集積密度呈 指數 式 的 增 加 時, 一晶 片内 個 別 的高熱點(hot spot)將需 要利 用 —1 種 晶 片内 建裝 置來 散 逸 熱量。 從 現 灯 世 代 的南 速記 憶體 晶 片 的熱分佈圖,即可明瞭要 將散 执 f 置 整 合到 半導 體晶 片 内 的動機。請參閱圖I,一 S己憶 體 晶 片 (10)上 的斷 靣線 區 (1 2)近似於可能發生高熱點 的區 域 0 :^3 /12. 區對 應於 在執 行 記 憶體晶片功能時經常進行 切換 的 位 元 解 碼、 字組 解碼 及 讀出放大電路之實體位 置。 因 為 係 由 小型 的電 晶體 組 成 記憶單元,且並不頻繁地 使用 記 憶 30 早 元 ,所 以在 各記 憶 早 元象限(1 4 )中只產生小量 的熱 〇 當 電 路 有變 化時 ,即 會 發 生溫度差異,且此種變化 存在 於 自 記 憶 體到 微處 理器 的 每 一種V L S I晶片。 若 旦 能 以 更 大的 功率 密度 在 整 個晶片令更均勻地散逸熱 量 , 對 積 體 雪 路技 術將 是有 利 的 。在授與A. Η. 0 w e n s (後 文簡 稱0 w 0 η s ) 的美 國專 利5, 62 1, 616中,提供了一種熱散 術 ° D w en S說明了- -種高導熱度的熱傳遞路徑,此種 熱傳 遞 路 徑 經 由各 金屬 層及 通 孔 ϋ經由銲料顆拉(s ◦ 1 d e r bump )而i 半導體基底排熱 ° 熱被吸入晶片載體,此s亏可 經甴 對 流 而 將 熱排 到周 圍的 空 氣 中。Owens建議將若干金
4 5 6 0 1 0 五、發明說明(3) 屬塞喪入晶片基底中’以便收集各電晶體產生的煞,然後 經由業已存在於VLS I晶片的金屬接線而排熱。 現在有人將極大型積體電路(Very Large Scaie Integrated circuit ;簡稱VLSI)的尺寸縮小,以便提昇 效能,並因而增加工作頻率。由於這些裝置繼續不斷地切 換,而產生了熱。排熱變成提高這些裝置的效能之一大障 礙。因此,現在需要一種用於半導體的熱導體。該熱導體 的材料應提供高導熱度及低電導率。因此,最好是將鑽石 熱導體整合到一半導體晶片内,以便在整個該晶片内更均 勻地散熱,並將熱自該晶片的各高熱區導出,且將熱傳導 到該晶片的外部。 發明概述 一半導體晶片結構包含:一基底;嵌入該半導體晶片結 構内的至少一個熱導體,而該等熱導體提供了電氣絕緣; 以及在該結構内鄰近該等至少一個熱導體處形成的複數個 裝置,因而在作業中將該等裝置產生的熱傳遞到且經過該 等至少一個熱導體,,以便降低該等裝置之工作溫度。 在其他實施例中,可利用鑽石製造該等熱導體》可以一 氮化物層覆蓋該等熱導體,以避免氧化=亦可包含一背表 面及複數個熱"導體,其中該等複數個熱導體係經由該背表 面而橫向鼓入該基底,而增加流經的熱流=亦可鞋刻該背 表面,以便露出一較大面積的該等熱導體,而增加經過該 背表面的熱流。亦可包含沈積在該背表面上的一熱滑脂、 及一冷卻塔,其中該冷卻塔係鄰接該熱清腊,以便增加來
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五、瞀明贺^7- 目該基底之熱流。可將各接點連接到各金屬接線,其中該 等熱導體接觸該等接,,以便提供一條經過該等接點而進 入該等金屬接線之熱流路徑。可將具有高導熱度的一種金 屬用於該等接線及接點。此種金屬可包括銅或鋁。 在其他實施例中,係在橫向鄰近該等裝置處形成該等至 少一個熱導體。可在該基底上形成該等呈少一個熱導體。 可在,該基底上形成一氧化物層,其中穿過該氧化物層形成 若該開口’且可在該氧化物層中的該等開〇内形成每一熱 導體,因而每一熱導體係鄰近該等裝置,並與該基底接 觸。該等至少一個熱導體亦可接觸該等至少一個接點。 一矽覆蓋絕緣體式(Silic〇n-0n-Insula1;or ;簡稱 SOI) 半導體晶片結構包含:一基底;在該基底上形成的一氧化 物層;以及嵌入該S(H半導體晶片結構内的至少一個熱導 體。該熱導體提供了電氣絕緣。此外’亦包含在該結構内 鄰近該等至少一個熱導體處形成的複數個裝置,因而Λ作 業中將該等裝置產生的熱傳遞到且經過該等至少一個熱導 體,以便降低該等裝置之工作溫度。 在其他實施例中’可利吊鑽石製造該S0 I結構之該等至 少一個熱導體。可以一氬化物層覆蓋該等至少一個/熱 體,以避免氧化。該1半導體晶月結構又可包含若…干""^接 點,用以連接到各金屬接線’其中該等至少—個^熱"導體^接 觸該等接點,以便提供一條經過該等接點而進入^等=屬 接線之熱流路徑。該等金屬接線可包括一種具有高度 之金屬’例如銅或鋁。可在撗向鄰近該等裝置處=成^二
3 9頁 ^^^010 五、發明說明(5) 熱導體。 一種在一半導體晶 >;中形成内嵌式熱導體之方法包含下 列步騍:提供一基底,在該基底上形成有一氧化物層;蝕 刻若干進入該氧化物層之溝渠;沈積鑽石以填滿該等溝 渠,而形成若干與該基底接觸之熱導體;以及在鄰近該等 熱導體處形成若干裝置及若干接點,以便提供熱流路徑, 而降低該等裝置之工作溫度。 在其他方法中,沈積鑽石以填滿溝渠而形成熱導體之該 步驟又可包含下列步驟:在一高熱燈絲系統中混合甲烷氣 及氫氣,以便產生複晶鑽石。在鄰近熱導體導體處形成裝 置及接點以便提供熱流路徑之該步驟可包含下列步騍:在 該等熱導體上沈積一氮化物層,使鑽石不會氧化;以及在 該氮化物層中形成若干開口 ,以便將該等接點連接到該等 熱導體。亦可包含形成接線以連接到接點之步驟,使該等 接線提供一條來自該等熱導體之熱流路徑。 一種在一SOI半導體晶片中形成内嵌式熱導體之方法包 含下列步驟:提供一SOI基底,在該SOI基底上形成有一氧 化物層;蝕刻若干進入該氧化物層之溝渠;沈積鑽石以填 滿該等溝渠,而形成若干與該氧化物層接觸之煞導體;以 及在鄰近該等熱導體處形成若干裝置及若干接點,以便提 供熱流路徑,而降低該等裝置之工作溫度。 在其他方法中,沈積鑽石以填滿溝渠而形成熱導體之該 步驟又可包含下列步驟:在一高熱燈絲系統中混合曱烷氣 及氫氣,以便產生複晶鑽石。在鄰近熱導體導體處形成裝
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+ U U I \J 五、發明說明(6) 置及接點以便提烘熱流路徑之該步騍可包含下列步驟:在 該等熱導體上沈積一氮化物層,使鑽石不會氧化;以及在 該氮化物層中形成若干開口,以便將該等接點連接到該等 熱導體。亦可包含形成接線以連接到接點之步驟,使該等 接線提供一條來自該等熱導體之熱流路徑。 附圖簡述 下文中將參照一些圖示而詳細說明本發明,這些圖示 有: 圖1是一典型習用技術記憶體晶片之熱分佈圖,其中該 斷面線標示指示了高溫區; 圖2A-C是鑽石生長在不同放大率下之電子掃描式顯微鏡 (Scanning Electron Microscope ;簡稱3£^)影像; 圖3是一半導體晶片結構之橫斷面圖,其中係將若干鑽 石熱導體嵌入一晶片的背面中; 圖4是圖3所示一半導體晶片結構之橫斷靣圖,其中各鑽 石熱導體因蝕刻進晶片的背面而有更大的外露面積; 圖5是一個具有若干内嵌式熱導體的一半導體晶片結構 之橫斷面圖,其中係利用熱滑脂將該等熱導體固定到一冷 卻塔; 圖6是具有若干無侵入式内嵌熱導體的一半導體結構實 施例之橫斷面圖; 圖7是具有若干部分侵入式内嵌熱導體的另一半導體結 構實施例之橫斷靣圖;以及 圖8是具有若干與一氧化物層接獨的内喪熱導體的另一
第1L頁 五、發明說明(7) ----- 半導體結構實施例之横斷面圖。 較佳免施例之詳細 本發明提供了 一種整合式熱導體,鸬以散逸半導體裝置 中產生的熱。係在—矽基底上形成該熱導體,使自半導體 裝置排出的熱可傳遞到該基底,然後傳遮到半導體裝置的 外°卩。該熱導體自該裝置上的各高熱點導離熱量,以便增 強該裝置之效能。最好是使用具有高導熱度及低電導率之 熱導體’因為i|_些材料可對各半導體裝置提供電氣絕緣, 並同時減輕因電子活動性而產生的不利熱效應。 鑽石或類似鑽石的材質(例如類似鑽石的碳結晶)適於作 為VLSI晶片内的熱導體。於各製程步驟中’可將鑽石嵌入 晶片内,而形成導熱元件《鑽石具有高導熱度,為矽的14 倍以上(取決於鑽石晶體的品質),但為電氣絕緣體。鑽石 的黏著性也優於矽。這些材料特性顯然使鑽石成為導熱元 件的理想候選元件,因為鑽石不會破壞敏感的電氣環境,也 不會損及矽晶體。以化學汽相沈積(C h e m i c a 1 V a ρ ο Γ D e p o s i t ;簡稱C V D)製程製造的鑽石之特性如表1所示: 表1 技料 特性 鑽石 矽 二氧化矽 鹤 銅 導熱度 (W/cm-K) i8 至 20 1.4 0.014 1.7 4 介質常數 (CTE) 5.7 - 3.9 一 - 熱膨脹係數 (xlO-6c[fl/°C) 2.8 3.5 0. 55 4.5 14.2
五、發明說明(8) 由於複晶CVD鑽石優異的導熱、機械、及電氣特性,所 以目前已完成了對複晶C V D鑽石在各種基底上的生長情形 及特徵之研究。然而,使用鑌石時的一大障礙即是在有圖 案的矽基底上生長鑽石之困難度。下文中之揭示事項說明 了一種方法及裝置,用以將鑽石整合到VLSI電路製程技術 中1因而使周鑽石作為散熱座,以排出熱量。下文中之揭 示事項包含用來將一鑽石熱導體嵌入一半導體晶片内的一 些製程步驟。 可使用高熱壁燈絲化學汽相沈積(CVD)系統咪處理鑽 石,以便產生薄膜。可利用曱烷氣(CH4)及氫氣(H2)的混合 氣體來沈積鑽石薄膜。該混合氣體可包含大約1 0 - 3 0%容量 的甲烷氣及大約70-90 %容量的氫氣,但是亦可包含其他 的氣體。係以流量錶量測並控制氣流。係依據在不同的沈 積溫度、壓力、及曱烷氣與氫氣濃度的比率對鑽石生長的 結果,而研究製程效果。對於物理沈積(P h y s i c a 1 Deposition ;簡稱PD)而言,可使兩有圖案的石夕基底。可 在石夕基底的上方以活性離子银刻(R e a c t i v e 1 y I ο η E t c h i n g ;簡稱R I E ) 1到2微米的電漿強化式带酸四乙酯 (TEOS),而彤成有圖案的基底。利罔(經過預先處理及未 經預先處理的)有圊案之晶圓,並調整沈積時間,即可得 到所需的沈積厚度。可在攝氏6 0 0至1丨0 0度之間變化溫 度,而獲致這些結果。利用橫斷面電子掃描式顯微鏡 (S E Μ)技術量測生長的厚度,即可得知平均生長速率之特 性。以SEM分析法評估表靣形態及填充特性。可進行拉曼
第13頁 五、發明說明(9) 光譜分析(Raman spectral analysis),以驗證鑽石薄旗 的純度。 現在請參閱圖2A-C,圖中示出在不同放大率下的鑽石生 長之SEM影像。如這些SEM影像所示,鑽石的生長取決於石夕 基底的缺陷區。破或二氧化碎中的形態或沈;殿是造成缺陷 的原因之一,並形成沈積鑽石的良好核心位置。具有缺陷 的表面係作為核心位置,因而係相對於無缺陷的區域而進 行選擇性的沈積。此種薄膜填充開始於底部或溝渠的角 落,這是因為這些區域將以較低的自由形成能量而形成核 心。所能獲致的沈積速率係在每小時2 - 3微米之間。亦可 考慮進行較袂的生長速率=可在一通孔或溝渠的底部上形 成鑽石。此外,由於CVD製程,所以可在半導體裝置的侵 入區或凹割區中沈積鑽石。 形成或沈積複晶鑽石的步驟如下: (1)在一碎基底上生長一層諸如TE0S等的氧化物; (2 )在該氧化物中飪刻若干孔洞或溝渠(通孔密度最好 是在約3 0 - 4 0 % )=視半導體裝置的應用而定,該蝕刻亦可 進入發基底中;以及 (3)在該等孔洞或溝渠中沈積鑽石、類似鑽石的碳晶 體、或類同的材料。 在諸如3 0 - 4 0托的高壓下,在一高熱燈絲系統中結合曱 烷氣及氫氣的混合氣體,即可在該等孔洞或溝渠内沈積鑽 石。可以選擇性或整體覆蓋之方式沈積鑽石=可利用R I E 去除各區域中不需要的鑽石。可利用本發明在整片矽或矽
第14頁 CM ο 五'發明說明〔1〇) 覆蓋絕緣體(SO I)基底上產生一鑽石沈積。 請參閱圖3,圖中示出一嵌入式熱導體結構(1〇〇)實施 例。熱導體無構(1〇〇)在基底的背面(1〇4)中設有欲 入式鎮石散熱片(1 〇 2)。以化學方式蝕刻該晶片,或以機 械方式切割該晶片’即可在背面(丨0 4)上形成若干溝渠 (108) = 14些溝渠(108)最好是下方較窄而上方較寬,因而 可在不產生空洞的情形下填充該等溝渠(〗0 8)。係利用前 文所迅之製程’以鑽石填充各溝渠(1 08)。視應用而定’ 可自背面(104)去除鑽石,亦可將鑽石保留在背表面作為 在生,錯f散煞片(1〇2)之後,在基底的背面(丨〇4)上沈 積一個最好是氮化矽或其他抗氧化材料的掩蔽層,使爐氧 化不會與鑽石起反應,並以氣體形式的二氧化碳(c〇J帶 走碳。如圖4所示,在完成熱氧化之後,可利用1氧化奸 (K〇H)溶液來钱刻基底(106)的石夕,以便露出更多的鑽石表 面區=。可=用氧氧化鉀溶液實施之方式去除矽,然而’ 必須·^某些却分的鑽石散熱月(1 0 2 )仍然保持埋入矽中, 以便固定散熱片。 请參^圖可將嵌入式熱導體(1 0 2 )連接到一冷卻塔 (1 2 0 ) 彳用〜層薄的熱滑脂(1 2 4 )將一半導體晶片 (I 2 2 ) <接1冷部塔(丨2 〇 )。在冷卻塔(1 2 〇 )内的空間(丨2 7 ) 中循%的二二去除熱量。各鑽石散熱片(丨〇 2 )自基底(丨〇 6 ) 排熱。‘二,過層熱滑脂(丨2 4 )導熱,並將熱傳遞到冷卻塔 (1 2 0 )’亚在此處將熱散逸到空氣中。利用C4銲墊(1 2 6 )在
苐15貝 45 60 1 〇 五、發明說明(11) 電氣上將晶片(1 2 2 )連接到一多晶片模組(圖中未示出)。 整合式熱導體尤係適用於矽覆蓋絕緣體(SOI)技術。一 埋入層的二氧化矽是—熱絕緣體。因此,該埋入層捕捉主 動電晶體所產生的入,因而將局部的溫度升高到一所需水 準之外3當此種自行發熱的SOI裝置引起廣大的注意時, 仍然必須解決排熱的問題。 請參閱圖6,圖中示出一結構(200),其中係在鄰近一電 晶體(204)處整合有若干鑽石熱導體(202),以便自該處排 出過量的熱。雖然圖中示出電晶體(2 0 4 ),但是亦可考慮 使闬其他的半導體裝置,例如二極體、電容、電阻等。可 配合鑽石熱導體( 2 02 )使用金屬層( 20 6 ),以便經由各C4銲 墊(208)導出熱量,並將熱導入模組(圖中未示出)中。金 屬層(206)包含在電氣上連接電晶體(204)之接點及接線, 這些接點及接線可包含鎢及鎢合金。可製造金屬層,以包 含高電導率的金屬,例如銅及銅合金或鋁及鋁合金。這些 金屬又增加了自電晶體(2 0 4 )排出的熱流。 熱導體(2 02 )亦沿著主動裝置區而橫向導熱,益垂直導 入在一埋入氧化物層(BOX )( 2 1 2 )之下的一蟇底(2 1 0 ) ^可 以各向同性钱刻或各向異性鞋刻之方式,執行對B 〇 X層 (2 1 2 )的蝕刻。由於利同諸如活性離子蝕刻(R I E )進行各向 異性蝕刻,所以各熱導體(2 2 0 )(圖6 )並不侵入電晶體 (2 0 4 )之下的區域=請務必注意,係將鑽石直接沈積到基 底(2 1 0 )上。 請參閱圖7,圖中示出一結構(2 0 0 ’)的另一實施例。以
第丨6頁 五、發明説明(12) 諸如氫氟酸而各向同性飪刻ΒΟχ層(2 1 2 ),即可形成可在其 中沈積鑽石的一通道’因而取代了一,部分的BOX層(2 1 2), 益與基底(210)保持接簡^各熱導體(2〇2,)之侵入區 (2 2 6 )因而係位於電晶體(2 0 4 )之下,以便增加自該電晶體 誹出的熱。可以各向同性蝕刻製程使侵入區(2 2 6 )進入電 晶體之下的區域。如熟悉本門技術者所習知的,可利用 C V D製程來執行各向同性钱刻。 請參閱圖8 ’ 一結構(2〇〇,,)的另—實施例包含與Β〇χ層 (212)接觸的若干熱導體(2 0 2 ”)。在該實施例中,只經由 複合冷卻結構(2 1 4 )而傳遞熱能。 請參閱圖6-8,可利用一額外的掩蔽層步驟而在所選擇 的各區域中生長熱導體(2〇2)、(2〇2’ )、及(202”)。在 某些情形中,最好是以有差異之方式將熱導體(2 〇 2 )、 (202 )、及(202 ”)置於鄰近需要額外散熱座的各裝置。 例如,在—混合類比_數位晶片中’可能需要使數位電路 與類比電路隔離。在此種情形中:可只在鄰近各類比電晶 體處形成熱導體( 20 2 )、(2〇2,)、及(2 0 2 ”)。將自各電 晶體傳遞出類比電路所散發的熱。 、請再參閱圖6,結構(2 〇 0 )内的複合冷卻結構(2丨4 )使用 與各熱導體(2 0 2 )串聯的各現有金屬層(2〇6),將熱自結構 (2〇〇)—的主動裝置區傳遞到表面的C4銲塾(2〇8)。該結構亦 將熱译入基底(2 1 〇 ),熱將傳遞到結構(2 〇 〇 )的一背面 (2 1 6 )上之低溫區,或傳遞到硬—鑽石熱導體’然後經由 —複合冷卻結構(2 14)而傳遞出,可利用氬化物形成一層
第丨7頁 456〇1 Ο 五、發明說明(13) (220),使結構(200)的建構過程中各熱導體(202)中之鑽 石不會氧化。可利用—種諸如鎢或矽化鎢的金屬填充一區 域( 22 2 ),以便提高自各裝置排出的熱流。此外,可利闬 二氧化矽填充區域(2 2 2 )。 可將鑽石熱導韹(202)的生長製程併入一 SOI製程中= SOI結構( 20 0 )具有一埋入氧化物層(212),且係將氧植入 最好是以矽構成的基底(210)的深處之方式產生該埋入氧 化物層(212)。在大約攝氏800-1200度的溫度下退火,而 形成埋入氧化物層(2 1 2 )。形成一掩蔽層,並以活性離子 蝕刻製程在低至埋入氧化物層(2 1 2 )處將形成的各淺溝渠 中產生若干開口。以上述的製程在與基底(210)接觸的該 等淺溝渠中生長複晶鑽石。因此’係在與產生熱能的源極 (2 30)及汲極(23 2 )接近的凹下區中沈積鑽石D在鑽石的上 面沈積一掩蔽層(2 2 0 )(最好是氮化矽(S i3 N4)),然後沈積 氧化物或金屬沈積區(2 2 2 ),以便填滿淺溝渠。掩蔽層 (2 2 0 )覆蓋鑽石,使後續的熱氧化不會與鑽石起反應。後 後研磨整個確疊(氧化物/ II化物/鑽石)。為後,進彳于彳吏表 ®暴露於氧氣及後R I E製程’以便去除梦表面上的鑽石。 以一離子植入夕驟.調整臨界電壓。首先在薄閘極氧化物 (2 3 4 )中生农’熬後沈積多晶石夕(2 3 6 )>益利用裝置層级的 掩蔽層(圖中未示ά)蝕刻一閘極(238),而形成各裝置。 利闬具有適當能量的#雜劑(砷或堋)植入一源極(2 3 〇 )及 ;及極(232)。在大約攝氏600到900度的运度下驅動該挣雜 劑,而形成各接靣(2 4 0 )。然後使各接靣(2 4 〇 )及間極
第18頁 H〇^'〇1〇 五、發明說明(14) (2 3 8 )石夕化。一旦形成各裝置之後,即打閧該等裝置之各 接點(206)及區域接線(242),而進入一個在源極(2 30)及 '及極(232)的上衣面上沈積的一氧化物層(244)。如本門 技術中所習知的,最好是利兩諸如鈦/氮化鈦、鈦/鎢等耐 火填料(在諸如金屬鑲嵌器的雙金屬鑲嵌模式中)以鎢填充 接線( 24 2 )及接點〔 2 0 6 )。 仍然在區域接線(242)上表面上沈積一額外的氧化物層 (2 4 6 ),而氧化物層(2 4 6 )上設有若干線條及通孔,且在單 或雙金屬鑲嵌模式中以諸如鎢填充該等線條及通孔。然後 利罔RIE或化學機械式研磨,自氧化物層〔246)去掉過量的 鹤。可重複該製程,以便產生一個多層的結構。 如圖6所示,各接點(206)與各熱導體(20 2 )重疊。然後 以一擴散障璧(例如鈦/氮化鈦、钽、鈕化合物等)沈積諸 如铭或銘合金 '或者銅或銅合金等低電阻係數金屬,而形 成接線(2 4 8 )。然後研磨掉一些金屬,而產生線路及通 礼可重複該製私’以便產生一多層的結構各煞導體 (2 0 2)係作為可在極接近諸如電晶體等裝置處形成的散熱 沒。各接點(206)接觸諸主動裝置區,並重疊到各熱導體 ( 2 0 2 ) ’而提供一條經過各接點(2〇6)、區域接線(242 )、 及各接線( 2 4 8 )之導熱路徑。由於使用了高導熱度的金 屬’所以可提南排熱的效率。 在加上額外掩敝層步驟的情形下,我們可考慮在—半導 體裝置上的鄰近諸如電晶體或電阻等的所選擇裝置處形成 ‘寺懸。在此種方式下,係自所選擇的裝置排熱。我們又
第19頁 45e〇 ? ο 五、發明說明(15) 考慮到,可配合嵌入式熱導體(圖6 - 8 )使周最好是以鑽石 或類似材料製造的散熱片(圖3 ),以進一步散逸熱量。我 們又考慮到,可在並未設有BOX層的晶片的"整片式"矽或 矽基底中傍著各電晶體或其他裝置而形成根據本發明所述 的熱導體。根據本發明,我們也考慮到,可將使周類似鑽 石材質的熱導體設於在主動矽裝置區之上的介質區,這是 因為在後續的晶片製程中,這些材料具有較低的熱處理臨 界必要餘件。 前文已說明了闬於半導體晶片的嵌入式熱導體之一些較 佳實施例及方法(其目的係用於舉例,並非對本發明加以 限制),請注意,熟悉本門技術者在參閱前文的揭示事項 之後可作出各種修改及變化。因此,我們當了解,在最後 的申請專利範圍所概述的本發明範圍及精神内,仍可對所 揭示的本發明各特定實施例作出各種改變。至此已按照專 利法的特定要求而詳述了本發明,我們所要求的權項及希 望得到專利權保護的部分係述於最後的專利範圍。
第20頁
Claims (1)
- 45S〇1〇 六、申請專利範® 1. 一種半導體晶月結構,包含: 一基底 ; 嵌入該半導體晶片結構内的至少一個熱導體,該熱 導Μ提供了電氣絕緣,以及 在該結構内鄰近該等至少一個熱導體處形成的複數 個裝置,因而在作業中將該等裝置產生的熱傳遞至且經過 該等至少一個熱導體,以便降低該等裝置之工作溫度。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體晶片结構•其中係 利用鑽石製造該等至少一個熱導體。 3. 如申請專利範圍第2項之半導體晶片結構,其中係 以一氮化物層覆蓋該等至少一個熱導體,以避免氧化。 4. 如申請專利範圍第1項之半導體晶片結構,其中該 基底又包含: 一背表面;以及 複數個熱導體,該等複數個熱導體係經由該背表靣 而橫向嵌入該基底,而增加流經的熱流。 5. 如申請專利範圍第4項之半導體晶片結構,其中係 鞋刻該背表面,以便露出一較大靣積的該等熱導U,而增 加經過該背表面的熱流。 6. 如申請專利範圍第4項之半導體晶片结構,又包 含: 一個沈積在該背表面上的一熱滑脂;以及 •-冷卻裝置,該冷卻裝置係鄰接該熱滑脂,以便增 加來自該基底之熱流。第21頁 ί 0 六、申請專利赶圍 Τ. 如申請專利範圍第1項之半導體晶片結構,又包 含: 連接到到各金屬接線之若干接點1其中該等至少一 個熱導體接觸一接點,以便提供一條經過該等接點而進入 該等金屬接線之熱流路徑。 8. 如申請專利範圍第7項之半導體晶月結構,其中該 等金屬接線包含一個具有高導熱度之金屬。 9. 如申請專利範圍第8項之半導體晶片結構,其中該 金層包含銅。 10. 如申請專利範圍第8項之半導體晶片結構,其中該 金屬包含鋁。 11. 如申請專利範圍第1項之半導體晶片結構,其中係 在橫向鄰近該等至少一個裝置處形成每一熱導體。 12. 如申請專利範圍第1項之半導體晶片結構,其中係 在該基底上形成該等至少一個熱導體。 13. 如申請專利範圍第1項之半導體晶片结構,又包 含: 在該基底上形成的一氧化物層,而穿過該氧化物層 带成有若干開口; 其中係在該氧化物層中的該等開口内形成每一熱導 體,使每一熱導體係鄰近該等複數個裝置中之至少一個裝 置,並與該該基底接觸。 14.如申請專利範圍第1 3項之半導體晶片結構,其中該第22頁 ο 六、申請專利範圍 等至少一個熱導體亦接觸至少一個接點。 15. 一種SOI半導體晶片結構,包含: 一基底 - 嵌入該SOI半導體晶片結構内的至少一個熱導體, 該等至少一個熱導體提供了電氣絕緣;以及 在該結構内鄰近該等至少一個熱導體處形成的複數 個裝置,其中至少一部分的該等至少一個熱導體係延伸到 該基底與該等裝置之間,因而在作業申將該等裝置產生的 熱傳遞到且經過該等至少一個熱導體,以便降低該等裝置 之工作溫度。 16. 如申請專利範圍第1 5項之SO I半導體晶片結構,其 中係利周鑽石製造該等至少一個熱導體。 17. 如申請專利範圍苐1 6項之半導體晶片結構,其中係 以一氮化物層覆蓋該等至少一個熱導體,以避免氧化。 18. 如申請專利範圍第1 5項之SO I半導體晶片結構,又 包含: 連接到到各金屬接線之若干接點,其中該等至少一 個熱導體接觸一接點,以便提供一條經過該等接點而進入 該等金屬接線之熱流路徑。 19. 如申請專利範圍第1 8項之SO I半導體晶片結構,其 中該等金屬接線包含一個具有高導熱度之金屬。 20. 如申請專利範圍第1 9項之SO ί半導體晶片結構,其 中該金屬包含銅= 21. 如申請專利範圍苐1 9項之SO I半導體晶片結構,其第23頁 0 β〇 1 Q 六、申請專利範圍 中該金屬包含鋁。 2 2.如申請專利範圍苐1 5項之SOI半導體晶片結構,其 中係在橫向鄰近該等至少一個裝置處形成該等至少一個熱 導體。 23. 如申請專利範圍第1 5項之SO I半導體晶片結構,其 中該基底又包含: 一背表面;以及 複數個熱導體,該等複數個熱導體係經由該背表面 而橫向丧入該基底,而增加流經的熱流。 24. 如申請專利範圍第23項之SO I半導體晶片結構,其 中係蝕刻該背表面,以便露出一較大面積的該等複數個熱 導體,而增加經過該背表面的熱流。 2 5 .如申請專利範圍第2 3項之SO I半導體晶片結構,又 包含: 一個沈積在該背表面上的一熱滑腊;以及 一冷卻裝置,該冷卻裝置係鄰接該熱滑脂,以便增 加來自該基底之熱流。 26. 一種在一半導體晶片中形成内嵌式熱導體之方法, 包含下列步驊: 提供一基底,在該基底上形成有一氧化物層; 银刻若干進入該氧化物層之溝渠; 沈積鑽石以填滿該等溝渠,而形成若干與該基底接 觸之熱導體;以及 在鄰近該等熱導體處形成若干裝置及若干接點,以第24頁 ^ ^°〇1 ο 六、 申請專利範圍 便 供 流 路 徑 5 而 降 低 該 等 晉 之 工 作 溫 度 0 27 • 如 中 請 專 利 ΑΛτ 靶 圍 苐 26 項 的 成 内 嵌 式 執 導 體 之方 , 法 j 其 中 沈 積 鑽 石 以 填 滿 溝 渠 而 形 成 孰 導 體 之 該 步 载又包 含 下 列 步 騍 ; 在 一 献 燈 絲 系 統 中 混 合 曱 烧 氣 及 氫 氣 J 以 便產生 複 a ea 鑽 石 0 28 如 中 請 專 利 耗 圍 第26 項 的 形 成 内 tk 式 鈦 ί Μ > 導 體 之方 法 > 其 中 在 鄰 近 f 1 « 1 導 體 導 體 處 形 成 裝 置 及 接 點 以 便 提供熱 流 路 徑 之 該 步 轉 又 包 含 下 列 步 驟 在 該 等 執 « t ' % 導 體 上 沈 積 一- 氮 化 物 層 ϊ 使 鑽 石 不 會氧 化 以 及 在 該 氮 化 物 層 中 形 成 若 干 開 σ 以 便 將 該 等 接點連 接 到 該 執 t »'N 導 體 0 29 如 中 專 利 範 圍 第26 項 的 形 成 内 喪 式 熟 導 體 之方 法 又 包 含 下 列 步 m 形 成 接 線 以 連 接 到 炷 點 使 該 等 接 線 仗 供 — 條來自 該 埶 /' *、 導 體 之 故 » 1» > 流 路 徑 0 30. —' 種 在 —- 導 體 a 33 片 中 形 咸 内 式 故 * » ' V 導 體 之 方法, 包 含 下 列 步 驟 2.^ 供 一 基 底 j 該 基 底 具 有 —- 背 面 部 分 J ik 刻 若 干 ' U- 入 該 背 靣 部 分 之 溝 渠 以 及 沈 積 鑽 石 以 填 該 望 溝 渠 而 形 成 若 干 與 該 基底接 觸 之 孰 ί 11、 導 體 ) 以 便 J.H 促 供 熱 '"U 路 徑 J 而 降 低 該 等 裝 置 之工作 溫 度 〇第25頁 45^〇l〇 六、申請專利範圍 31.如申請專利範圍第3 1項的形成内嵌式熱導體之方 法’其中沈積鑽石以填滿溝梁而形成熱導體之該岁·靜又包 含下列步驟: 银刻該背面部分,而露出一額外面積的該等熱導 體。第26頁
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