BR112016018572B1 - Circuito integrado e método para dissipação de calor de um resistor em um circuito integrado - Google Patents

Circuito integrado e método para dissipação de calor de um resistor em um circuito integrado Download PDF

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Abstract

ATERRAMENTO DE METAL TÉRMICO PARA RESISTORES DE CIRCUITO INTEGRADO. Aterramentos térmicos de metal são usados para dissipar o calor de resistores de circuitos integrados. Os resistores podem ser formados utilizando uma extremidade dianteira da camada de linha, por exemplo, uma camada de nitreto de titânio. Uma região de metal (por exemplo, em uma primeira camada de metal) está localizada ao longo dos resistores para formar um dissipador de calor. Uma área de colunas térmicas ligadas à região de metal também está localizada ao longo do resistor. A região de metal pode ser ligada ao substrato do circuito integrado para fornecer uma via térmica de baixa impedância do circuito integrado.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[0001] A presente invenção se refere a circuitos integrados e, mais particularmente, a um aterramento de metal térmico para arrefecer os resistores de circuito integrado.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[0002] Alguns resistores de circuito integrado operam com alta dissipação de energia. Isto conduz a um aquecimento na área do resistor. O aumento da temperatura resultante pode prejudicar a confiabilidade dos elementos de circuito nessa área. Por exemplo, as linhas de interligação de metal que são encaminhadas ao longo dos resistores poderiam sofrer de aumento de eletromigração. Além disso, processos de fabricação de circuitos integrados têm sido dimensionados para tamanhos de recursos cada vez menores. Isto leva à possibilidade de densidade de energia aumentada e aumentos da temperatura em áreas localizadas.
[0003] Resistores usados para terminação de sinal de memória integrada ao chip (ODT) de entradas e saídas de um circuito integrado são um exemplo de resistores que podem ter uma alta dissipação de energia. Alguns projetos anteriores têm diminuído o aumento da temperatura, tornando os resistores fisicamente maiores (aumentando tanto a largura quanto o comprimento do resistor, de modo que a resistência elétrica seja inalterada). Alguns projetos anteriores não utilizaram a área perto dos resistores para o encaminhamento de interconexões metálicas. Ambas estas abordagens são indesejáveis, uma vez que resultaria em um circuito integrado maior.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0004] São fornecidos resistores de circuito integrado com aterramentos de metal térmico. Os resistores podem ser formados utilizando uma extremidade dianteira da camada de linha (FEOL), por exemplo, uma camada de nitreto de titânio. Uma região de metal (por exemplo, em uma primeira camada de metal) está localizada ao longo dos resistores para formar um dissipador de calor. Uma área de colunas térmicas ligadas à região de metal também está localizada ao longo do resistor. A região de metal pode ser ligada ao substrato do circuito integrado para fornecer uma via térmica de baixa impedância do circuito integrado.
[0005] Em um aspecto, é fornecido um circuito integrado que inclui: um resistor; uma região de metal disposta em paralelo a e sobrepondo pelo menos parte do resistor; e uma ou mais colunas térmicas eletricamente conectadas à região de metal e dispostas entre a região do metal e o resistor, as colunas térmicas eletricamente isoladas do resistor.
[0006] Em um aspecto, é proporcionado um método para a dissipação de calor a partir de um resistor em um circuito integrado. O método inclui: condução de calor a partir do resistor a um aterramento de metal térmico utilizando uma ou mais colunas térmicas dispostas entre o aterramento de metal térmico e o resistor; e condução de calor a partir do aterramento de metal térmico a um substrato do circuito integrado.
[0007] Em um aspecto, é fornecido um circuito integrado que inclui: um resistor; uma região de metal disposta em paralelo a e sobrepondo pelo menos parte do resistor; e meio para a condução de calor a partir do resistor à região de metal.
[0008] Outras características e vantagens da presente invenção devem ser evidentes a partir da descrição a seguir, que ilustra, a título de exemplo, os aspectos da invenção.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0009] Os detalhes da presente invenção, tanto quanto à sua estrutura quanto operação, podem ser adquiridos, em parte, pelo estudo dos desenhos anexos, nos quais números de referência iguais se referem a partes semelhantes, e nos quais:
[0010] A FIG. 1 ilustra resistores térmicos com um aterramento de metal térmico de acordo com uma concretização presentemente divulgada;
[0011] A FIG. 2 ilustra vias de transferência térmica para os resistores e o aterramento de metal térmico da FIG. 1;
[0012] A FIG. 3 ilustra vias de transferência térmica para resistores sem um aterramento de metal térmico; e
[0013] A FIG. 4 é um fluxograma de um processo para a dissipação de calor a partir de resistores de circuito integrado.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0014] A descrição detalhada que segue, em ligação com os desenhos que acompanham, é concebida como uma descrição de várias configurações e não se destina a representar as únicas configurações em que os conceitos aqui descritos podem ser praticados. A descrição detalhada inclui detalhes específicos para a finalidade de fornecer uma compreensão completa dos vários conceitos. No entanto, será evidente para os peritos na arte que estes conceitos podem ser praticados sem estes detalhes específicos. Em alguns casos, estruturas e componentes bem conhecidos são mostrados na forma simplificada, de modo a evitar obscurecer tais conceitos.
[0015] A FIG. 1 ilustra um layout exemplificativo de resistores com um aterramento de metal térmico. A FIG. 1A é uma vista de topo. Esta é a visão comumente usada para projetar o layout de um circuito integrado. A FIG. 1B é uma vista em corte transversal ao longo da linha B-B. A FIG. 1C é uma vista em corte transversal ao longo da linha C-C. Regiões e camadas semelhantes são indicadas com referências iguais nas figuras. Nem todas as camadas são mostradas. Além disso, as regiões são geralmente ilustradas como retangulares, embora as formas possam variar em um circuito integrado fabricado. O exemplo é descrito para a tecnologia CMOS, mas pode ser utilizado com outras tecnologias. A disposição das camadas particulares pode variar e as camadas utilizadas podem variar, por exemplo, quando diferentes processos de fabricação são utilizados para o circuito integrado.
[0016] O exemplo da FIG. 1 inclui dois resistores (110a, 110b). Os resistores podem ser formados em uma camada de nitreto de titânio. Os resistores estão ligados a outros circuitos, por exemplo, através de metal e contatos (125a, 125b), localizados em extremidades opostas das resistências. Os resistores (110a, 110b) estão cercados por um dielétrico 130a. Além de ser um isolador elétrico, o dielétrico 130a é um condutor térmico pobre.
[0017] Uma região de metal térmico 120 está localizada ao longo dos resistores. A região de metal térmico 120 fornece um dissipador de calor para os resistores (110a, 110b). O aquecimento local da região de metal térmico 120 não representa um problema de confiabilidade, já que a região de metal térmico 120 não carrega corrente elétrica e, assim, não é suscetível à eletromigração. A região de metal térmico 120 pode ser formada na primeira camada de metal (a camada de metal mais próxima ao substrato do circuito integrado). A primeira camada de metal é muitas vezes referida como “M1” e é também utilizada para encaminhar interligações de sinal entre os componentes no circuito integrado. As interligações de sinal podem também usar outras camadas de metal, por exemplo, um transistor em uma área do circuito integrado pode ser ligado à primeira camada de metal e, em seguida, ligado a camadas de metal mais elevadas e encaminhado para uma segunda área do circuito integrado, em que as camadas de metal mais elevadas são de novo ligadas à primeira camada de metal que está ligada a um transistor na segunda zona do circuito integrado. A região de metal térmico 120 pode ser, por exemplo, formada de cobre e de outros metais.
[0018] A região de metal térmico 120, na concretização da FIG. 1, é ligada ao substrato 140 do circuito integrado. A região de metal térmico 120 é ligada ao substrato 140 em locais entre as regiões de isolamento (145a, 145b) no substrato 140. As ligações podem ser, por exemplo, a regiões de difusão p quando o substrato é do tipo P. As conexões são através de contatos (150a, 152a, 150b, 152b, 150c, 152c) localizados em aberturas de contato em camadas dielétricas (130a, 130b, 130c). Os contatos são formados de um condutor elétrico, tal como o tungstênio, o qual também é um bom condutor térmico. A região de metal térmico 120, na concretização da FIG. 1, é ligada ohmicamente ao substrato 140 através dos contatos e as regiões de difusão p. A região de metal térmico 120 pode ser alternativamente ligada ao substrato sem um contato ôhmico, por exemplo, usando as regiões de difusão n no substrato do tipo p que formam um contato de diodo. A região de metal térmico 120 pode ser alternativamente termicamente ligada ao substrato, sem uma ligação elétrica entre a região de metal térmico 120 e o substrato 140, por exemplo, usando-se um material interveniente, tal como óxido de berílio, que é um isolador elétrico com alta condutividade térmica. O arranjo particular de contatos e camadas dielétricas pode ser diferente para diferentes nós de processo. A ligação entre a região de metal térmico 120 e o substrato 140 pode ser do mesmo de ligação, por exemplo, utilizado entre regiões de uma primeira camada de metal e uma região de fonte-dreno em outro lugar no circuito integrado. A região de metal térmico 120 é cercada por camadas dielétricas (não mostradas na FIG. 1).
[0019] Além de ser um condutor elétrico, a região de metal térmico 120 é um bom condutor térmico. Assim, a região de metal térmico 120 pode proporcionar uma via com baixa resistência térmica para a dissipação de calor a partir dos resistores (110a, 110b). Ligar a região de metal térmico 120 ao substrato 140 pode reduzir ainda mais a resistência térmica para a dissipação de calor a partir dos resistores (110a, 110b), visto que o substrato 140 pode ter uma via de baixa resistência térmica para dissipar o calor, por exemplo, através de ligação ao metal em um pacote de circuito integrado.
[0020] Uma matriz de colunas térmicas (122a, 122b) está localizada em uma camada entre a região de metal térmico 120 e os resistores (110a, 110b). As colunas térmicas (122a, 122b) podem incluir, por exemplo, tungstênio ou outros metais. As colunas térmicas e aberturas para as colunas térmicas podem ser formadas por métodos semelhantes aos utilizados para a formação de contatos e aberturas de contato entre a primeira camada de metal e as regiões de fonte / dreno no substrato do circuito integrado. As aberturas para as colunas térmicas (122a, 122b) podem ser formadas, por exemplo, por decapagem seletiva entre diferentes materiais dielétricos ou por uma erosão temporizada. As colunas térmicas (122a, 122b) são ligados à região de metal térmico 120 e se estendem para os resistores (110a, 110b). As colunas térmicas (122a, 122b) não fazem contato com os resistores (110a, 110b). Partes da dielétrica 130a separam as colunas térmicas (122a, 122b) dos resistores (110a, 110b).
[0021] As colunas térmicas (122a, 122b) são bons condutores térmicos. Em particular, as colunas térmicas (122a, 122b) são condutores térmicos muito melhores do que as camadas dielétricas. Assim, a resistência térmica de dissipação de calor dos resistores (110a, 110b) é reduzida pela proximidade das colunas térmicas (122a, 122b) aos resistores (110a, 110b).
[0022] A FIG. 2 ilustra vias de transferência de calor 200 para os resistores e o aterramento de metal térmico da FIG. 1. A FIG. 3 ilustra vias de transferência de calor para um resistor 210 sem um aterramento de metal térmico. A região de metal térmico 120 e colunas térmicas (122a, 122b) pode substancialmente (por exemplo, 25%) reduzir a impedância térmica vista pelos resistores. Qualitativamente, isto pode ser compreendido comparando as vias de transferência de calor 200 ilustradas na FIG. 2 com as vias de transferência de calor 220 ilustradas na FIG. 3. As vias de transferência de calor 220 sem um aterramento de metal térmico são geralmente através de camadas dielétricas (por exemplo, a camada dielétrica 230 e outras camadas dielétricas acima do resistor ou a camada dielétrica 230 e outras camadas dielétricas abaixo do resistor). As vias de transferência de calor 200 com o aterramento de metal térmico são geralmente através de camadas de metal e de silício (por exemplo, as colunas térmicas (122a, 122b), a região de metal térmico 120, os contatos (150a, 152a, 150b, 152b), e o substrato 140). As camadas de metal e o substrato de silício são bons condutores térmicos e as camadas dielétricas são condutores térmicos pobres, assim, a via térmica através do metal e do substrato é menos resistente do que a via através dos dielétricos.
[0023] A FIG. 4 é um fluxograma que ilustra um método para a dissipação de calor a partir de um resistor em um circuito integrado de acordo com uma concretização presentemente divulgada. O processo da FIG. 4 pode ser realizado com vários circuitos integrados; no entanto, para proporcionar um exemplo específico, o método será descrito com referência à FIG. 1.
[0024] Na etapa 410, o calor é conduzido a partir do resistor a um aterramento de metal térmico utilizando uma ou mais colunas térmicas. As colunas térmicas são dispostas entre o aterramento de metal térmico e o resistor. Por exemplo, o calor pode ser conduzido a partir do resistor 110a à região de metal térmico 120 usando as colunas térmicas 122a.
[0025] Na etapa 410, o calor é conduzido a partir do aterramento de metal térmico a um substrato do circuito integrado. Por exemplo, o calor pode ser conduzido a partir da região de metal térmico 120 para o substrato 140 utilizando os contatos 150b, 152.
[0026] O processo da FIG. 4 pode ser modificado, por exemplo, pelas etapas de adição, omissão, reordenação, ou alteração. Adicionalmente, as etapas podem ser executadas simultaneamente.
[0027] Embora concretizações da invenção sejam descritas acima para concretizações particulares, muitas variações da invenção são possíveis, incluindo, por exemplo, aquelas com números diferentes de resistores, colunas térmicas e regiões de metal térmico. As formas e as localizações dos vários elementos também podem ser variadas. Na concretização ilustrada, a região de metal térmico e os resistores sobrepõem-se apenas parcialmente, uma vez que a região de metal térmico é formada na primeira camada de metal que também é utilizada para ligação aos resistores. Outras concretizações podem usar camadas diferentes e ter uma sobreposição completa entre a região de metal térmico e os resistores.
[0028] Termos direcionais, como acima, abaixo, esquerda e direita, são usados para descrever algumas características. Esta terminologia é usada para fornecer descrições claras e concisas. Os termos são relativos e nenhuma orientação absoluta particular deve ser inferida. Além disso, características das várias concretizações podem ser combinadas em combinações diferentes daquelas descritas acima.
[0029] A descrição anterior das concretizações descritas é fornecida para permitir que qualquer pessoa perita na arte possa fazer ou utilizar a presente invenção. Várias modificações a estas concretizações serão prontamente aparentes para aqueles peritos na arte, e os princípios genéricos aqui descritos podem ser aplicados a outras concretizações sem afastamento do espírito ou âmbito da invenção. Assim, deve ser entendido que a descrição e os desenhos aqui apresentados representam concretizações presentemente preferidas da invenção e são, por conseguinte, representativos da matéria que é amplamente contemplada pela presente invenção. É ainda entendido que o âmbito da presente invenção abrange totalmente outras concretizações que podem se tornar óbvias para os peritos na arte e que o âmbito da presente invenção é, portanto, limitado por nada mais do que as reivindicações anexas.

Claims (11)

1. Circuito integrado, caracterizado pelo fato de que compreende: um primeiro resistor (110a); um segundo resistor (110b); uma região de metal (120) disposta em paralelo a e sobrepondo pelo menos partes do primeiro e segundo resistores (110a, 110b), em que a região de metal (120) é termicamente conectada a um substrato (140) do circuito integrado via primeiro, segundo e terceiro conjuntos de contatos, em que o segundo conjunto de contatos está situado entre o primeiro e segundo resistores (110a, 110b), em que o primeiro resistor (110a) está situado entre o primeiro e segundo conjuntos de contatos, e em que o segundo resistor (110b) está situado entre o segundo e terceiro conjuntos de contatos; uma primeira matriz bidimensional de colunas térmicas (122a) eletricamente ligadas à região de metal (120) e dispostas entre a região de metal (120) e sobrepondo o primeiro resistor (110a), a primeira matriz bidimensional de colunas térmicas (122a) sendo isoladas eletricamente do primeiro resistor (110a); uma segunda matriz bidimensional de colunas térmicas (122b) eletricamente ligadas à região de metal (120) e dispostas entre a região de metal (120) e sobrepondo o segundo resistor (110b), a segunda matriz bidimensional de colunas térmicas (122b) isoladas eletricamente do segundo resistor (110b), em que as fileiras da primeira matriz bidimensional de colunas térmicas (122a) estão alinhadas com as fileiras da segunda matriz bidimensional de colunas térmicas (122b), e em que o primeiro, segundo, e terceiros conjuntos de contatos compreendem primeiro, segundo e terceiro arranjos unidimensionais de contatos, em que o arranjo unidimensional de contatos está alinhado com as fileiras da primeira e segunda matrizes bidimensionais de colunas térmicas (122a, 122b); um primeiro e segundo conjuntos de contatos de resistor (125a) eletricamente acoplados ao primeiro resistor (110a); e um terceiro e quarto conjuntos de contatos de resistor (125b) eletricamente acoplados ao segundo resistor (110b), em que o primeiro e segundo conjuntos de contatos de resistor (125a) compreendem primeiro e segundo arranjos unidimensionais de contatos de resistor, em que os contatos de resistor do primeiro e segundo arranjos unidimensionais estão alinhados com colunas da primeira matriz bidimensional de colunas térmicas (122a), em que o terceiro e quarto conjuntos de contatos de resistor (125b) compreendem terceiro e quarto arranjos unidimensionais de contatos de resistor, em que os contatos de resistor do terceiro e quarto arranjos unidimensionais estão alinhados com colunas da segunda matriz bidimensional de colunas térmicas (122b).
2. Circuito integrado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo resistores (110a, 110b) são formados de nitreto de titânio.
3. Circuito integrado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a região de metal (120) é formada em uma camada de metal mais inferior do circuito integrado.
4. Circuito integrado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a região de metal (120) é disposta acima dos primeiro e segundo resistores (110a, 110b).
5. Circuito integrado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo resistores (110a, 110b) são cercados por um dielétrico (130a).
6. Método para dissipação de calor de um primeiro e segundo resistores (110a, 110b) em um circuito integrado conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, o método caracterizado pelo fato de que compreende: proporcionar uma região de metal (120) disposta em paralelo a e sobrepondo pelo menos parte dos primeiro e segundo resistores (110a, 110b); conduzir (410) calor a partir do primeiro resistor (110a) para a região de metal (120) utilizando uma primeira matriz bidimensional de colunas térmicas (122a) dispostas entre a região de metal (120) e o primeiro resistor (110a), em que a primeira matriz bidimensional de colunas térmicas (122a) são eletricamente isoladas do primeiro resistor (110a); conduzir calor a partir do segundo resistor (110b) para a região de metal (120) usando uma segunda matriz bidimensional de colunas térmicas (122b) dispostas entre a região de metal (120) e o segundo resistor (110b), em que a segunda matriz bidimensional de colunas térmicas (122b) são eletricamente isoladas do segundo resistor (110b), em que as fileiras da primeira matriz bidimensional de colunas térmicas (122a) estão alinhadas com as fileiras da segunda matriz bidimensional de colunas térmicas (122b); conduzir (420) calor a partir da região de metal (120) para um substrato (140) do circuito integrado via primeiro, segundo e terceiro conjuntos de contatos, em que o segundo conjunto de contatos está situado entre os primeiro e segundo resistores, em que o primeiro resistor (110a) está situado entre o primeiro e segundo conjuntos de contatos, e em que o segundo resistor (110b) está situado entre o segundo e terceiro conjuntos de contatos, em que o primeiro, segundo, e terceiros conjuntos de contatos compreendem primeiro, segundo e terceiro arranjos unidimensionais de contatos, em que o arranjo unidimensional de contatos está alinhado com as fileiras da primeira e segunda matrizes bidimensionais de térmicas (122a, 122b); colunas conectar o primeiro resistor (110a) ao conjunto de circuitos via primeiro e segundo conjuntos de contatos de resistor (125a) eletricamente acoplados ao primeiro resistor (110a); e conectar o segundo resistor (110b) ao conjunto de circuitos via terceiro e quarto conjuntos de contatos de resistor (125b) eletricamente acoplados ao segundo resistor (110b), em que o primeiro e segundo conjuntos de contatos de resistor (125a) compreendem primeiro e segundo arranjos unidimensionais de contatos de resistor, em que os contatos de resistor do primeiro e segundo arranjos unidimensionais são alinhados com colunas da primeira matriz bidimensional de colunas térmicas (122a), em que o terceiro e quarto conjuntos de contatos de resistor (125b) compreendem terceiro e quarto arranjos unidimensionais de contatos de resistor, em que os contatos de resistor do terceiro e quarto arranjos unidimensionais são alinhados com colunas da segunda matriz bidimensional de colunas térmicas (122b).
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que as primeira e segunda matrizes bidimensionais de colunas térmicas (122a, 122b) são eletricamente ligadas à região de metal (120).
8. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a região de metal (120) é eletricamente ligada ao substrato (140) do circuito integrado.
9. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo resistores (110a, 110b) são formados de nitreto de titânio.
10. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a região de metal (120) é formada em uma camada de metal mais próxima ao substrato (140) do circuito integrado.
11. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo resistores (110a, 110b) são cercados por um dielétrico (130a).
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