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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Temperaturverwaltung in dreidimensionalen Bauelementen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In modernen integrierten Schaltungen wird eine sehr große Anzahl an individuellen Schaltungselementen, etwa Feldeffekttransistoren in Form von CMOS, NMOS, PMOS-Elementen, Widerständen, Kondensatoren und dergleichen auf einem einzelnen Chip hergestellt. Typischerweise werden die Strukturgrößen dieser Schaltungselemente ständig mit der Einführung einer jeden neuen Schaltungsgeneration verringert, was aktuell zu verfügbaren integrierten Schaltungen führt, die zu Massenproduktionsverfahren hergestellt werden und kritische Abmessungen von 50 nm oder weniger aufweisen und ein erhöhtes Leistungsvermögen im Hinblick auf Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme besitzen. Somit ist die Verringerung der Größe der Transistoren ein wichtiger Aspekt, um das Bauteilleistungsverhalten komplexer integrierter Schaltungen, etwa CPU's, ständig zu verbessern. Die Verringerung der Größe ist typischerweise mit einer erhöhten Schaltgeschwindigkeit verknüpft, wodurch das Signalverarbeitungsleistungsverhalten auf Transistorebene verbessert wird.
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Zusätzlich zu der großen Anzahl an Transistorelementen muss typischerweise eine Vielzahl passiver Schaltungselemente, etwa Kondensatoren, Widerstände, Verbindungsstrukturen und dergleichen in integrierten Schaltungen hergestellt werden, wie dies durch den grundlegenden Schaltungsaufbau erforderlich ist Auf Grund der geringeren Abmessungen der aktiven Schaltungselemente wird nicht nur das Leistungsverhalten der einzelnen Transistorelemente erhöht, sondern es wird auch die Packungsdichte verbessert, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, immer mehr Funktionen in eine gegeben Chipfläche zu integrieren. Zu diesem Zweck wurden sehr komplexe Schaltungen entwickelt, die unterschiedliche Arten an Schaltungen beinhalten können, etwa Analogschaltungen, Digitalschaltungen und dergleichen, wodurch gesamte Systeme auf einem gesamten Chip (SOC) bereitgestellt werden. Obwohl Transistorelemente die wesentlichen Schaltungselemente in sehr komplexen integrierten Schaltungen sind, die somit im Wesentlichen das gesamte Leistungsverhalten dieser Bauelemente bestimmen, sind auch andere Komponenten, etwa Kondensatoren und Widerstände und insbesondere ein komplexes Verbindungssystem oder Metallisierungssystem erforderlich, wobei die Größe dieser passiven Schaltungselemente ebenfalls auf den Maßstab der Transistorelemente anzupassen ist, um nicht in unnötiger Weise wertvolle Chipfläche zu vergeuden.
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Wenn die Anzahl der Schaltungselemente, etwa der Transistoren und dergleichen, pro Einheitsfläche in der Bauteilebene eines entsprechenden Halbleiterbauelements ansteigt, ist typischerweise auch die Anzahl elektrischer Verbindungen, die den Schaltungselementen in der Bauteilebene zugeordnet sind, zu erhöhen, sogar in einer überproportionalen Weise, wodurch komplexe Verbindungsstrukturen erforderlich sind, die in Form von Metallisierungssystemen mit einer Vielzahl gestapelter Metallisierungsschichten vorgesehen werden. In diesen Metallisierungsschichten sind Metallleitungen, die für die ebene elektrische Verbindung sorgen, und Kontaktdurchführungen, die für die Verbindungen zwischen den Ebenen sorgen, auf der Grundlage gut leitender Metalle, etwa Kupfer, und dergleichen in Verbindung mit geeigneten dielektrischen Materialien hergestellt, um die parasitären RC (Widerstand/Kapazität) Zeitkonstanten zu verringern, da in modernsten Halbleiterbauelementen typischerweise die Signalausbreitungsverzögerung im Wesentlichen durch das Metallisierungssystem und nicht mehr durch die Transistorelemente in der Bauteilebene beschränkt ist. Jedoch ist das Erweitern des Metallisierungssystems in der Höhe, um damit die gewünschte Dichte an Verbindungsstrukturen zu schaffen, wodurch die parasitären RC-Zeitkonstanten und Rahmenbedingungen beschränkt, die durch die Materialeigenschaften aufwendiger Dielektrika mit kleinem ε auferlegt werden, d. h., typischerweise ist eine geringere dielektrische Konstante mit einer geringen mechanischen Stabilität dieser dielektrischen Materialien verknüpft, wodurch ebenfalls die Anzahl an Metallisierungsschichten im Hinblick auf Ausbeuteverluste während der diversen Fertigungsschritte und im Hinblick auf eine geringere Zuverlässigkeit während des Betriebs des Halbleiterbauelements beschränkt ist. Somit ist die Komplexität von Halbleiterbauelementen, die auf einem einzelnen Halbleiterchip vorgesehen sind, durch die Eigenschaften des entsprechenden Metallisierungssystems und insbesondere durch die Eigenschaften modernster dielektrischer Materialien mit kleinem ε, da die Anzahl an Metallisierungsschichten nicht in beliebiger Weise erhöht werden kann.
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Aus diesem Grunde wurde auch vorgeschlagen, die Gesamtdichte von Schaltungselementen für eine vorgegebene Größe oder eine Fläche eines entsprechenden Chipgehäuses zu erhöhen, indem zwei oder mehr einzelne Halbleiterchips, die in unabhängiger Weise jedoch mit einem in Beziehung stehenden Aufbau hergestellt werden, gestapelt werden, um ein gesamtes komplexes System zu schaffen, während viele der Probleme vermieden werden, die während der Herstellung für äußerst komplexe Halbleiterbauelemente auf einem einzelnen Chip auftreten. Beispielsweise können geeignet ausgewählte Funktionseinheiten, etwa Speicherbereiche und dergleichen, auf einem einzelnen Chip gemäß gut etablierter Fertigungstechniken hergestellt werden, wozu die Herstellung eines entsprechenden Metallisierungssystems gehört, während andere Funktionseinheiten, etwa schnelle und leistungsfähige Logikschaltungen, unabhängig als separate Chip ausgebaut werden, wodurch durch entsprechende Verbindungssysteme ein nachfolgendes Stapeln und aneinander Befestigen der einzelnen Chips ermöglichen, so dass eine gesamte Funktionsschaltung gebildet wird, die dann als einzelne Einheit in ein Gehäuse eingebracht wird. In anderen Fällen können Leistungsschaltungen, die bei moderat hohen Spannungen betrieben Werden und eine hohe Leistungsaufnahme besitzen, mit empfindlichen Steuerschaltungen kombiniert werden, wobei beide Funktionseinheiten in separaten Chips vorgesehen werden. Somit kann eine entsprechende dreidimensionale Konfiguration für eine größere Volumendichte an Schaltungselementen und Metallisierungsstrukturelementen sorgen bei einer vorgegeben Fläche eines Gehäuses, da ein deutlich größerer Anteil des verfügbaren Volumens in einem Gehäuse durch das Stapeln individueller Halbleiterchips ausgenutzt werden kann. Obwohl diese Technik einen vielversprechenden Ansatz für die Erhöhung der Volumenpackungsdichte und die Funktionsvielfalt bei einer vorgegebenen Gehäusegröße und für einen vorgegebenen Technologiestandard repräsentiert, werden gleichzeitig äußerst kritische Fertigungstechniken, beispielsweise im Hinblick auf das Stapeln einer großen Anzahl sehr kritischer Metallisierungsschichten vermieden werden, kann die Wärmesteuerung in diesen dreidimensionalen Chipanordnungen schwierig sein, insbesondere wenn Chips mit hoher Leistungsaufnahme enthalten sind, wie dies mit Bezug zu 1 erläutert ist.
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1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer dreidimensionalen Halbleiterkonfiguration 100 gemäß einer typischen konventionellen Architektur. In dem gezeigten Beispiel umfasst das dreidimensionale Bauelement 100 einen ersten Halbleiterchip 110, der als ein Chip zu verstehen ist, der Schaltungselemente auf der Grundlage eines Halbleitermaterials, etwa Silizium, und dergleichen enthält. Der erste Halbleiterchip 110 umfasst ein Substrat 111, beispielsweise ein Halbleitermaterial, etwa in Form von Siliziummaterial, oder in Form eines anderen geeigneten Trägermaterials, etwa Glas, und dergleichen. Eine Bauteilschicht 112 ist über dem Substrat 111 vorgesehen und enthält eine Vielzahl von halbleiterbasierten Schaltungselementen, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und dergleichen, wie dies zum Erreichen des gewünschten elektrischen Funktionsverhaltens des Chips 110 erforderlich ist. Der Einfachheit halber sind derartige Schaltungselemente in 1 nicht gezeigt. Des weiteren zeigt der Chip 110 ein Metallisierungssystem 113 auf, das eine oder mehrere Metallisierungsschichten aufweisen kann, um damit die elektrischen Verbindungen zwischen den Schaltungselementen in der Bauteilebene 112 herzustellen. Das Metallisierungssystem 113 stellt eine geeignete Verbindungsstruktur dar, um eine elektrische Verbindung zu einem zweiten Chip 120 zu ermöglichen, der an dem ersten Chip so angebracht ist, dass eine dreidimensionale Chipkonfiguration geschaffen wird, wodurch die Volumenpackungsdichte an Schaltungselementen für ein vorgegebenes Gehäusevolumen deutlich erhöht wird, wie dies zuvor erläutert ist. Z. B. wird die entsprechende Verbindungsstruktur in Form von Kontaktdurchführungen 113a bereitgestellt, die sich durch das Metallisierungssystem 113 erstrecken und direkt mit der Bauteilebene 112 bei Bedarf verbunden sind. In ähnlicher Weise kann der zweite Chip 120 ein Substrat 121 aufweisen, etwa ein Siliziummaterial oder ein anderes geeignetes Trägermaterial, um darüber ein geeignetes Halbleitermaterial zu bilden, beispielsweise in Form von Silizium, so dass eine Bauteilebene 122 gebildet wird, in und über welcher entsprechende Schaltungselemente vorgesehen sind. Des weiteren ist ein Metallisierungssystem 123 „über” der Bauteilebene 122 vorgesehen und enthält eine oder mehrere Metallisierungsschichten, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen der Schaltungselemente in der Bauteilebene 122 zu schaffen und um eine geeignete Kontaktstruktur zur Verbindung mit dem ersten Chip 110 bereitzustellen. Beispielsweise weisen die Chips 110 und 120 geeignete Höckerstrukturen auf, auf deren Grundlage eine elektrische Verbindung eingerichtet wird, wodurch ebenfalls der Chip 120 mit dem Chip 110 in mechanisch zuverlässiger Weise gekoppelt wird. Zu diesem Zweck kann das Metallisierungssystem 123 auch geeignete Höcker oder andere Kontaktelemente (nicht gezeigt) in Verbindung mit entsprechenden Kontaktdurchführungen 123a aufweisen, um die Chip-zu-Chip-Verbindungen einzurichten. Es sollte beachtet werden, dass das Fixieren der Chips 110 und 120 aneinander mittels der entsprechenden Metallisierungssysteme 113, 123 eine von vielen Möglichkeiten ist Wenn beispielsweise die Anzahl der Chip-zu-Chip-Verbindungen relativ klein ist, kann der Chip 120 an dem Chip 110 mittels des Substrat 121 befestigt werden, wobei entsprechende Durchgangslöcher die elektrische Verbindung von dem Metallisierungssystem 113 zu der Bauteilebene 122 des Chips 120 herstellen. Andererseits ist dann das Metallisierungssystem 123 verfügbar, um eine Verbindung zu einem Trägersubstrat 130 herzustellen, das an dem Chip 120 angebracht ist, wodurch ein moderat komplexes elektrisches Verbindungssystem von dem Chip 120 zu dem Trägersubstrat 130 möglich ist, das wiederum für die elektrische Anbindung zur Peripherie (nicht gezeigt) sorgt. In noch anderen Fällen können die Substrate 111 und 121 auf der Grundlage entsprechender Durchgangslöcher aneinander befestigt werden, um die erforderlichen Chip-zu-Chip-Verbindungen zu schaffen, während die entsprechende Metallisierungssysteme 113 und 123 für Verbindung mit weiteren Chips, Trägersubstraten und dergleichen verfügbar sind, wenn eine dreidimensionale Konfiguration mit größerer Komplexität erforderlich ist. Wie ferner in 1 gezeigt ist, umfasst das Bauelement 100 eine Wärmesenke 140, die an dem Trägersubstrat 130 angebracht ist und einen größeren Oberflächenbereich für eine natürliche Konfektion oder Zwangsbelüftung mit Luft bietet. In anderen Fällen beinhaltet die Wärmesenke anspruchsvolle Kühlsysteme auf Flüssigkeitsbasis oder diese enthält elektrisch aktive Kühlsysteme, etwa Peltier-Elemente und dergleichen.
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Typischerweise kann das in 1 gezeigte Halbleiterbauelement 100 auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, wozu die Herstellung der Chips 110 und 120 unter Anwendung typischer Fertigungsverfahren für Halbleiterbauelemente gehört. D. h., die Chips 110 und 120 werden auf entsprechenden Scheiben hergestellt, indem eine Vielzahl von Fertigungsschritten zur Herstellung von Schaltungselementen in den entsprechenden Bauteilebenen 112, 122 ausgeführt werden, woran sich Fertigungsverfahren zur Herstellung der entsprechenden Metallisierungssysteme 113 und 123 anschließen, wobei auch geeignete Prozessschritte enthalten sind, um die Kontaktdurchführungen 113a, 123a zum Einrichten der Chip-zu-Chip-Verbindung in einer späteren Fertigungsphase bereitzustellen. Nach der Fertigstellung der Halbleiterbasischips werden die entsprechenden Trägerscheiben in einzelne Chips separiert, wodurch eine Vielzahl an Chips 110 und eine Vielzahl an Chips 120 bereitgestellt werden. Danach werden die Chips 110, 120 zueinander ausgerichtet und verbunden, beispielsweise unter Anwendung eines Klebers, einer entsprechenden Höckerstruktur mit beispielsweise Lotmaterial, das aufgeschmolzen wird, um damit eine elektrische Verbindung zu schaffen und auch um den Chip 110 mechanisch an dem Chip 120 festzumachen. In ähnlicher Weise kann das Trägersubstrat 130 an der resultierenden gestapelten Chipkonfiguration angebracht werden und schließlich wird die Wärmesenke 140 montiert. Es sollte beachtet werden, dass der Prozess eine Vielzahl gut etablierter Techniken zum Einbringen in ein Gehäuse umfassen kann, beispielsweise das Einkapseln der Chips 110, 120 nach dem Anbringen an dem Trägersubstrat 130.
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Während des Betriebs des Bauelements 100 in der gestapelten Konfiguration wird Wärme erzeugt, beispielsweise im Wesentlichen innerhalb der entsprechenden Bauteilebenen 112 und 122 auf Grund des Betriebs der entsprechenden Schaltungselemente, die etwa in Form von Transistoren, Widerständen und dergleichen vorgesehen sind. Abhängig von der speziellen Konfiguration wird häufig ein Chip mit moderat hoher Leistungsaufnahme innerhalb des Bauelements 100 vorgesehen, wobei eine entsprechende bessere thermische Anbindung an die Wärmesenke 140 erforderlich ist, so dass die zulässige Betriebstemperatur in den Bauteilebenen 112 und 122 nicht überschritten wird. Somit ist es konventioneller Weise schwierig, eine effiziente Wärmeabfuhr für dazwischenliegende Chips zu verwirklichen, insbesondere wenn mehr als zwei einzelne Chips in dem Bauelement 100 vorgesehen sind, so dass die Erhöhung der Volumenpackungsdichte häufig nicht mit einer verfügbaren Wärmeabfuhreigenschaften konventioneller gestapelter Chipkonfigurationen kompatibel ist. Auf Grund der geringeren Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Chips in der Konfiguration 100 liegen daher markante Beschränkungen im Hinblick auf die Gesamtkomplexität und damit die Leistungsaufnahme der entsprechenden individuellen Chips sowie für ihre räumliche Anordnung innerhalb der dreidimensionalen Konfiguration vor, wodurch das Gesamtleistungsverhalten und die Effizienz der konventionellen dreidimensionalen Chipstrukturen verringert werden.
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In der
JP 2003-017638 A wird ein Mehrfachchiphalbleiterbauteil, das ein elektronisches Kühlungselement in Form einer Peltier-Einrichtung aufweist, beschrieben.
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In der
US 6 563 227 B1 wird eine Temperatursteuerungsmethode für eine integrierte Schaltung basierend auf dem Peltier-Effekt, wobei das Anlegen eines Spannungspotentials über Metallkontakte einen Temperaturgradienten erzeugt, beschrieben, wobei sowohl Kühlen als auch Heizen durch die Peltier-Elemente vorgesehen ist.
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In der
DE 101 32 763 B4 wird eine integrierte Schaltung zum Kühlen einer Mikrowellenschaltung beschrieben.
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In der
JP 01-245549 A wie auch der
US 2006/0012033 A1 wird ein Kühlelement zum Kühlen aufgrund des Peltier-Effektes beschrieben.
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In der
US 6 230 497 B1 wird ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur eines Halbleiterschaltkreises beschrieben, in dem eine Wärmesenke und ein Temperaturfühlelement sowie thermoelektrische Kühleinrichtungen vorgesehen sind, wobei die Temperaturmessung über eine Spannung erfolgt, die über einen n-p-Übergang erzeugt wird.
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In der
DE 11 2004 002 121 T5 wird ein Halbleiterbauteil beschrieben, das eine Überwachungs- und Feedbackschaltung, die mit Temperatursensoren verbunden ist, umfasst, wobei Wärme von einem Hotspot durch elektrisch betriebene thermoelektrische Elemente abgeführt wird.
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In der
US 7 301 233 B2 wird eine Leiterchippackung, die drei Chips umfasst, die zwei thermoelektrische Kühleinrichtungen umgeben, beschrieben.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung Bauelemente und Verfahren zur Verbesserung der Temperatursteuerung in dreidimensionalen Chipkonfigurationen, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Offenbarung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Halbleiterbauelemente und Techniken, in denen die Wärmeabfuhreigenschaften in Halbleiterchips und insbesondere in dreidimensionalen gestapelten Chipkonfigurationen verbessert wird, indem chipinterne aktive Wärmeübertragungseigenschaften bereitgestellt werden, so dass ein stromgespeister Wärmeaustausch innerhalb eines Chips und auch innerhalb einer gestapelten Chipkonfiguration eingerichtet wird. Somit kann die gesamte Volumenpackungsdichte dreidimensionale Halbleiterbauelemente für ein vorgegebenes Gehäusevolumen erhöht werden, da bei Bedarf die entsprechenden aktiven Wärmeübertragungs- bzw. Austauschsysteme zusammen mit funktionalen Schaltungen auf einem oder mehreren Halbleiterchips integriert werden können. In anderen hierin offenbarten anschaulichen Aspekten wird der chipinterne Wärmeaustausch durch die stromgespeisten Wärmeübertragungssysteme verbessert, die auch für ein besseres Leistungsverhalten sorgen, da entsprechende Wärmeaustauschsysteme strategisch in der Nähe „heißer” Bereiche angeordnet werden können, wodurch lokal die Anforderungen im Hinblick auf die Packungsdichte und/oder die Arbeitsgeschwindigkeit in temperaturkritischen Schaltungsbereichen entschärft werden. Durch Vorsehen aktiver Wärmeübertragungs- bzw. Austauschsysteme kann eine Heizfunktion oder Kühlfunktion effizient für temperaturkritische Bereiche vorgesehen werden, beispielsweise kann ein verbessertes Kalttemperaturverhalten erreicht werden, etwa beim Einschalten eines Systems, wobei die Aktivierung temperaturkritischer Schaltungsbereiche verzögert wird, bis eine geeignete Betriebstemperatur erreicht ist. In anderen anschaulichen Aspekten kann das stromgespeiste Wärmeübertragungssystem auch für Temperaturüberwachungsaufgaben eingesetzt werden, in denen eine temperaturabhängige Spannung, die von dem Strom gespeisten Wärmeübertragungssystem erzeugt wird, eine Temperaturdifferenz entsprechender Temperaturreservoire angibt, die thermisch mit dem Wärmeübertragungssystem gekoppelt sind. Beispielsweise kann eine effiziente Temperaturüberwachung innerhalb einer gestapelten Chipkonfiguration auf der Grundlage des Wärmeübertragungssystems eingerichtet werden.
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Eine anschauliche hierin offenbarte gestapelte Chipkonfiguration umfasst eine gestapelte Chipkonfiguration mit:
einem ersten Chip mit einem temperatur- und geschwindigkeitskritischen Bauteilgebiet und einem ersten Substrat, und ersten Bauteilstrukturelementen, die über dem ersten Substrat ausgebildet sind;
einem zweiten Chip, der über dem ersten Chip angeordnet ist und ein zweites Substrat und zweite Bauteilstrukturelemente aufweist, die über dem zweiten Substrat gebildet sind, wobei zumindest einige der zweiten Bauteilstrukturelemente ein stromgespeistes Wärmeübertragungssystem bilden; und
einer Wärmesenke, die über dem zweiten Chip angeordnet und thermisch mit dem Strom gespeisten Wärmeübertragungssystem gekoppelt ist, und wobei das stromgespeiste Wärmeübertragungssystem so positioniert ist, dass es zu dem temperatur- und geschwindigkeitskritischen Bauteilgebiet des ersten Chips ausgerichtet ist;
und weiterhin umfassend
mindestens einen weiteren Chip, der über dem zweiten Chip angeordnet ist, wobei der mindestens eine weitere Chip ein weiteres stromgespeistes Wärmeübertragungssystem, das durch Bauteilstrukturelemente des mindestens einen weiteren Chips gebildet ist, aufweist, wobei das weitere stromgespeiste Wärmeübertragungssystem zu dem stromgespeisten Übertragungssystem, das in dem zweiten Chip gebildet ist, ausgerichtet ist;
und weiterhin umfassend
eine Steuerschaltung, die funktionsmäßig mit den Strom gespeisten Wärmeübertragungssystemen verbunden ist, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, einen thermischen Zustand eines Teils des ersten Chips über die stromgespeisten Wärmeübertragungssysteme zu bestimmen und einen Stromfluss in den Wärmeübertragungssystemen zu erzeugen, so dass ein Heizen und/oder Kühlen des temperatur- und geschwindigkeitskritischen Bauteilgebiet des ersten Chips erfolgt.
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Zudem wird bereitgestellt ein Verfahren zum Steuern der Temperatur in einem Halbleiterbauelement, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen eines stromgespeisten Wärmeübertragungssystems in einem Chip, wobei das stromgespeiste Wärmeübertragungssystem thermisch mit einem ersten Temperaturreservoir und einem zweiten Temperaturreservoir, das in dem Chip angeordnet ist, verbunden ist; wobei das erste Temperaturreservoir thermisch mit einem temperatur- und geschwindigkeitskritischen Schaltungsbereich des Halbleiterbauelements gekoppelt ist; und
Betreiben des stromgespeisten Wärmeübertragungssystems, um das erste Temperaturreservoir zu kühlen, wenn eine Temperatur des temperatur- und geschwindigkeitskritischen Schaltungsbereichs über einer spezifizierten Temperatur liegt, und das erste Temperaturreservoir zu heizen, wenn eine Temperatur des temperatur- und geschwindigkeitskritischen Schaltungsbereichs unterhalb einer anderen spezifizierten Temperatur liegt; und weiterhin umfassend
Bestimmen einer Temperatur des ersten oder des zweiten Temperaturreservoirs durch Erhalten eines Spannungssignals aus dem stromgespeisten Wärmeübertragungssystem; und
Erhalten einer temperaturinduzierten Spannung aus dem stromgespeisten Wärmeübertragungssystem und Verwenden der temperaturinduzierten Spannung, um einen Funktionsschaltungsbereich des Halbleiterbauelements zu speisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1 schematisch eine Querschnittsansicht einer konventionellen dreidimensionalen Chipkonfiguration mit beschränkten Wärmeabfuhrmöglichkeiten zeigt;
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2a schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements zeigt, in welchem ein chipinternes aktives, d. h. stromgespeistes, Wärmeübertragungs- bzw. Wärmeaustauschsystem in dem Substrat und/oder der Bauteilebene des Halbleiterbauelements gemäß anschaulicher Ausführungsformen gesehen ist;
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2b schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements zeigt, in welchem in chipinternes aktives Wärmeübertragungssystem zumindest teilweise in dem Metallisierungssystem des Halbleiterbauelements gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen vorgesehen ist;
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2c schematisch eine Querschnittsansicht einer gestapelten Chipkonfiguration zeigt, die mehrere individuelle Chips enthält, wovon zumindest einige ein aktives Wärmeübertragungssystem aufweisen, um damit den gesamten vertikalen Wärmeaustausch in der dreidimensionalen Chipkonfiguration gemäß anschaulicher Ausführungsformen zu verbessern;
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2d schematisch eine gestapelte Chipkonfiguration zeigt mit einem chipinternen stromgespeisten Wärmeübertragungssystem, das zusätzlich mit einem Steuersystem zur verbesserten Temperaturüberwachung und/oder mit einem Spannungswandler verbunden ist, der ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung zu einer Versorgungsspannungsquelle auf der Grundlage einer thermisch hervorgerufenen Spannung gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zuzuführen.
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Detaillierte Beschreibung
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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.
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Halbleiterbauelemente und Techniken, in denen chipinterne aktive oder stromgespeiste Wärmeübertragungssysteme verwendet werden, um damit die Wärmeabfuhreigenschaften komplexer Halbleiterbauelemente zu verbessern, wodurch in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Möglichkeit geschaffen wird, einen „aktiven” thermisch gut leitenden Pfad in einer gestapelten Chipkonfiguration einzurichten. Beispielsweise kann ein entsprechendes aktives Wärmeübertragungssystem effizient in der Nähe eines heißen Bereichs, d. h. eines Schaltungsbereichs mit hoher Leistung des Halbleiterbauelements, beispielsweise in Form einer Leistungsschaltung, eines geschwindigkeitskritischen Logikschaltungsbereichs, und dergleichen, angeordnet werden, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen das entsprechende Wärmeübertragungssystem in einem separaten Chip positioniert wird, so dass die besseren Wärmeabfuhrmöglichkeiten über oder unter dem temperaturkritischen Bereich angeordnet sind. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird eine „Reihe” aus Wärmeübertragungssystemen, die zueinander ausgerichtet sind, vorgesehen, um eine effiziente Wärmeabfuhr zu ermöglichen, wobei die Reihe schließlich in einer konventionellen Wärmesenke mündet, so dass ein insgesamt erhöhte thermische Leitfähigkeit von den temperaturkritischen Schaltungsbereich zu der Wärmesenke eingerichtet wird, obwohl ein oder mehrere separate Chips zwischen den betrachteten temperaturkritischen Schaltungsbereich und der abschließenden Wärmesenke positioniert sind. Ferner bietet das Vorsehen stromgespeister Wärmeübertragungssysteme auch eine erhöhte Flexibilität beim Betreiben komplexer integrierter Halbleiterbauelemente, da die thermische Leitfähigkeit, die durch die aktiven Wärmeübertragungssysteme erreicht wird, nach Bedarf aktiviert werden kann und ebenfalls die Umkehr der Wärmeströmungsrichtung ermöglicht, wodurch auch eine effiziente Kühlung und Heizung temperaturkritischer Schaltungsbereiche möglich ist, wobei die entsprechende Temperatursteuerungswirkung in Abhängigkeit von dem gesamten Betriebsstatus des Halbleiterbauelements aktiviert wird. Beispielsweise ist in vielen Anwendung nicht nur die erhöhte Wärmeerzeugung während des Betriebs für eine korrekte Funktion des Bauelements wesentlich, sondern es können auch Situationen bei tiefen Temperaturen zu einem nicht korrekten Verhalten oder einer nicht korrekten Initialisierung komplexer Halbleiterbauelemente führen. Somit kann in diesem Falle das aktive Wärmeübertragungssystem verwendet werden, um entsprechende Schaltungsbereiche aktiv zu heizen, so dass eine geeignete Betriebstemperatur vor dem eigentlichen Aktivieren des temperaturkritischen Schaltungsbereichs erreicht wird. Beispielsweise kann in komplexen CPU's die Initialisierung gewisser Schaltungsbereiche beim Einschalten verzögert werden, bis eine geeignete Betriebstemperatur erreicht ist, wodurch ein komplexes Neugestalten gut etablierter Schaltungsarchitekturen im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit der kalten Temperaturen vermieden wird, wobei in anderen Betriebsphasen das Wärmeübertragungssystem dann zur Überwachung und/oder zum aktiven Abführen von Wärme aus dem temperaturempfindlichen Schaltungsbereich verwendet werden kann. Folglich kann in einigen anschaulichen Ausführungsformen das aktive Wärmeübertragungssystem vorteilhaft in dreidimensionalen Chipkonfigurationen eingesetzt werden, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen temperaturkritische Schaltungsbereiche, etwa Schaltungsbereiche mit hohem Leistungsverhalten, Leistungselektroniken und dergleichen eingesetzt werden können, ohne dass wesentliche Gestaltungen im Hinblick auf die Wärmeabfuhreigenschaften erforderlich sind, oder entsprechende Schaltungsbereiche können mit einer erhöhten Packungsdichte bereitgestellt werden, da eine effizient steuerbare Wärmeabfuhr in unmittelbarer Nähe „vertikal” und/oder über dem temperaturkritischen Bereich positioniert werden kann, indem das aktive Wärmeübertragungssystem in der Schaltungsarchitektur weniger kritischer Schaltungsbereiche, etwa Speicherbereiche, Graphiksteuerungen und dergleichen integriert wird. In anderen Fällen werden die chipinternen Wärmeabfuhreigenschaften verbessert, indem das stromgespeiste Wärmeübertragungssystem in geeigneter Weise positioniert wird, beispielsweise in der Metallisierungsebene des entsprechenden Chips, während merkliche Umgestaltungen in der Bauteilebene nicht erforderlich sind, oder es wird eine sogar größere Packungsdichte in der Bauteilebene im Vergleich zu konventionellen Halbleiterbauelementen ermöglicht, da eine effizientere Umverteilung der in der Bauteilebene erzeugten Wärme in das Metallisierungssystem möglich ist. In ähnlicher Weise kann in anderen anschaulichen Ausführungsformen das stromgespeiste Wärmeübertragungssystem zusätzlich oder alternativ in den Substratbereich des entsprechenden Chips hergestellt sein, wenn dies als geeignet erachtet wird.
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In anderen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird die temperaturabhängige Spannung, die auf Grund des Wärmeübertragungssystems erhalten wird, verwendet, um die Temperatur spezieller Bereiche zu überwachen, die im Weiteren auch als Temperaturreservoire bezeichnet werden, die thermisch mit dem Wärmeübertragungssystem gekoppelt sind, wodurch eine bessere Gesamttemperatursteuerung in komplexen Halbleiterbauelementen möglich ist, etwa in gestapelten Chipkonfigurationen, da entsprechende temperaturabhängige Informationen von innerhalb der dreidimensionalen Bauelemente erhalten werden. Somit kann durch das Vorsehen einer gesteuerten Steuereinheit das Wärmeübertragungssystem als ein effizientes Sensorsystem verwendet werden, und kann bei Bedarf auch verwendet werden, um in effizienter Weise ein entsprechendes Temperaturreservoir effizient zu heizen oder zu kühlen. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird die temperaturabhängige Spannung verwendet, beispielsweise während einer mehr oder weniger stabilen Betriebsphase des Halbleiterbauelements, um zumindest einen Teil der erfolgten Wärme in elektrische Energie umzusetzen, die dann zum Versorgen eines oder mehrerer Schaltungsbereiche der Bauelemente verwendet werden kann. Beispielsweise können geeignete DC/DC bzw. Gleichsspannungs/Gleichsspannungswandler verwendet werden, um den Spannungspegel, der von dem Wärmeübertragungssystem erhalten wird und das als Spannungsquelle dient, an die erforderliche Versorgungsspannung anzupassen. Z. B. kann für einen entsprechenden Temperaturgradienten von ungefähr 100 Grad C oder mehr eine entsprechende Effizienz von 3 bis 4% durch einen entsprechenden thermoelektrischen Generator erreicht werden, so dass 3 bis 4% der Abwärme in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden, wobei dennoch die Möglichkeit des Heizen und Kühlens temperaturkritischer Bereiche beibehalten wird, falls dies erforderlich ist durch eine Änderung der Umgebungsbedingungen, durch eine erhöhte Leistungsaufnahme entsprechender Schaltungsbereiche, und dergleichen.
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Mit Bezug zu den 2a bis 2f werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf 1 verwiesen wird.
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2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200, in welchem eine verbesserte Temperatursteuerung erreicht wird, indem ein stromgespeistes Wärmeübertragungssystem 250 vorgesehen wird. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen einen oder mehrere Schaltungsbereiche 260, die auch als funktionale Schaltungen bezeichnet werden und die elektrische Funktion bereitstellen, wie sie für die betrachtete Schaltung erforderlich ist. Beispielsweise repräsentiert die funktionale Schaltung 260 eine Digitalschaltung, eine Analogschaltung, eine Leistungsschaltung und dergleichen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfasst der Schaltungsbereich 260 mehrere Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren und dergleichen, die eine Speicherschaltung, eine Graphikverarbeitungsschaltung und dergleichen bilden, die in Verbindung mit komplexer Logikschaltung, beispielsweise in Form eines CPU-Kerns, und dergleichen eingesetzt werden kann, wobei diese als eine separate Chipeinheit vorgesehen werden kann und mit dem Halbleiterbauelement 200 in Kombination als eine dreidimensionale Chipkonfiguration gebildet werden kann. In anderen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert das Halbleiterbauelement 200 einen „autarken” integrierten Schaltungschip, der alle erforderlichen Komponenten zum Erhalten der gewünschten Funktion beinhaltet Das Halbleiterbauelement 200 umfasst ein Substrat 201, das in Form eines beliebigen geeigneten Trägermaterials vorgesehen ist, um darüber das stromgespeiste Wärmeübertragungssystem 250 und den oder die funktionellen Schaltungsbereiche 260 zu bilden. Beispielsweise repräsentiert das Substrat 201 ein Halbleitermaterial, ein isolierendes Trägermaterial und dergleichen. Ferner ist eine Halbleiterschicht 202 über dem Substrat 201 ausgebildet und weist eine geeignete Zusammensetzung und Kristallkonfiguration auf, wie dies erforderlich ist, um darin und über das System 250 und den Schaltungsbereich 260 herzustellen. Beispielsweise repräsentiert die Halbleiterschicht 202 eine siliziumbasierte Schicht, wie sie typischerweise als Basismaterial für die Herstellung komplexer integrierter Schaltungen auf der Grundlage der CMOS-Technologie oder anderer Halbleiterherstellungstechnologien verwendet wird. In anderen Fällen wird ein anderes geeignetes Halbleitermaterial, etwa Germanium, entsprechende Halbleiterverbindungen und dergleichen, verwendet. Es sollte beachtet werden, dass andere Komponenten zusätzlich zu dem gut etablierten Halbleitermaterialien, etwa Silizium, verwendet werden können, beispielsweise kann die Halbleiterschicht 202, wenn diese im Wesentlichen aus Silizium aufgebaut ist, auch merkliche Anteile an Germanium, Kohlenstoff und dergleichen aufweisen, wie dies für die gesamte Konfiguration des Bauelements 200 erforderlich ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen bilden das Substrat 201 und die Halbleiterschicht 202 eine SOI(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration zumindest in speziellen Bauteilbereichen des Bauelements 200, wenn eine entsprechende vergrabene isolierende Schicht (nicht gezeigt) so positioniert ist, dass diese die Halbleiterschicht 202 elektrisch von dem Substrat 201 in vertikaler Richtung isoliert. In diesem Zusammenhang sollte beachtet werden, dass jegliche Positionsangaben, etwa „vertikal”, „horizontal”, „lateral”, „unter” und dergleichen so zu verstehen sind, dass diese sich auf eine Bezugsebene beziehen, etwa eine Grenzfläche 201s zwischen der Halbleiterschicht 202 und dem Substrat 201 oder eine entsprechende vergrabene isolierende Schicht, falls diese vorgesehen ist. In diesem Sinne ist die Halbleiterschicht 202 über dem Substrat 201 angeordnet.
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Ferner kann das Halbleiterbauelement 200 eine Kontaktebene 210 aufweisen, die eine Bauteilebene repräsentiert, in der ein dielektrisches Material so vorgesehen ist, dass Schaltungselemente des Schaltungsbereichs 260, etwa Transistoren, Kondensatoren, und dergleichen, passiviert sind, wobei auch eine elektrische Verbindung zu einem Metallisierungssystem 220 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck sind entsprechende Kontaktelemente 211 in der Kontaktebene 210 vorgesehen, die eine Verbindung zu entsprechenden Kontaktbereichen von Schaltungselementen des Schaltungsbereichs 260 und zu Kontaktbereichen entsprechender Bauteilstrukturelemente 251 des Wärmeübertragungssystems 250 herstellen. Das Metallisierungssystem 220 umfasst eine oder mehrere Metallisierungsschichten mit entsprechenden dielektrischen Materialien und Metallleitungen und Kontaktdurchführungen gemäß dem gesamten Schaltungsaufbau. Der Einfachheit halber ist eine einzelne Metallisierungsschicht dargestellt, wobei zu beachten ist, dass weitere Metallisierungsschichten typischerweise erforderlich sind, um Komponenten des Systems 250 und des Schaltungsbereichs 260 in geeigneter Weise zu verbanden und auch die elektrischen Verbindung zu peripheren Komponenten in Form von Anschlussflächen, Lothöckern und dergleichen herzustellen, wobei auch entsprechende Verbindungen zu anderen Chips vorgesehen werden können, wenn das Halbleiterbauelement 200 in einer dreidimensionalen Halbleiterkonfiguration zu verwenden ist, wie dies in ähnlicher Weise in Bezug zu 1 beschrieben ist.
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Das Halbleiterbauelement 200 mit dem stromgespeisten Wärmeübertragungssystem 250 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach dem Bereitstellen des Substrats 201 und der Halbleiterschicht 202 werden geeignete Isolationsstrukturen (nicht gezeigt) gebildet, um damit entsprechende aktive Gebiete in der Halbleiterschicht 202 zu bilden und um ferner entsprechende Gebiete zur Herstellung des Wärmeübertragungssystems 250 und des Schaltungsbereichs 260 zu definieren. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden Fertigungsprozesse, die zur Herstellung des Wärmeübertragungssystems 250 erforderlich sind, vor entsprechenden Fertigungsprozessen ausgeführt, um die Schaltungselemente des Schaltungsbereichs 260 zu bilden, während in anderen Fallen die Komponenten 251 des Systems 250 während und/oder nach der Herstellung der Schaltungselemente des Schaltungsbereichs 260 gebildet werden. Beispielsweise werden die Bauteilstrukturelemente 251 in Form unterschiedlicher Halbleiterelemente 251a, 251b bereitgestellt, die sich in ihrer Bandlückenenergie und dergleichen unterscheiden, um damit einen thermoelektrischen Effekt ähnlich zu einem Peltier-Element zu erhalten. Beispielsweise sind die Komponenten 251a, 251b aus Silizium und Germanium aufgebaut, wo thermoelektrische Zellen in Verbindung mit einem entsprechenden leitenden Verbindungselement 251c gebildet werden. Die Komponente 251c kann in Form eines dotierten Halbleitermaterials, in Form eines metallenthaltenden Materials, etwa als Metallsilizid und dergleichen, abhängig von der gesamten Prozessstrategie bereitgestellt werden. Wenn beispielsweise die Bauteilstrukturelemente 251 vor jeglichen Hochtemperaturprozessen, die zur Herstellung der Schaltungselemente des Schaltungsbereichs 260 erforderlich sind, hergestellt werden, werden entsprechende Materialien mit hoher Stabilität eingesetzt, beispielsweise in Form dotierter Halbleitermaterialien, in Form von Kohlenstoffmaterialien und dergleichen. In anderen Fallen werden andere Materialzusammensetzungen, etwa Wismut und Tellurid verwendet, abhängig von der gesamten Prozessstrategie. Die Bauteilstrukturelemente 251 können auf der Grundlage geeigneter Implantations-, Ätz-, Abscheidetechniken hergestellt werden, beispielsweise durch Bilden der Verbindungselemente 251c mittels Implantation mit anschließendem Ätzen entsprechender Gräben in die Halbleiterschicht 202, die nachfolgend mit einem isolierenden Material auf den Seitenwandbereichen beschichtet werden, woran sich das Abscheiden des gewünschten Füllmaterials anschließt. Während des Abscheideprozesses können andere Gräben, die ein anderes Füllmaterial erfordern, maskiert werden und werden nach dem Entfernen von überschüssigem Material gefüllt, das während des vorhergehenden Füllprozesses abgeschieden wurde. In anderen Fällen werden entsprechende Graben für eine Art an Füllmaterial zuerst hergestellt und gefüllt, woran sich das Ätzen und Abscheiden für die andere Art an Füllmaterial anschließt. Zu beachten ist, dass die Bauteilstrukturelemente 251 auch so gebildet werden können, dass diese sich in das Substrat 201 erstrecken, selbst wenn der Schaltungsbereich 260 auf der Grundlage einer SOI-Architektur herzustellen ist. Auf diese Weise wird eine gute vertikale thermische Leitfähigkeit für das Wärmeübertragungssystem 250 erreicht, selbst wenn andere Bereiche des Halbleiterbauelements 200 auf der Grundlage einer vergrabenen isolierenden Schicht hergestellt werden, die typischerweise die Effizienz eines vertikalen thermisch leitenden Weges verringert. Während der entsprechenden Fertigungssequenz kann bei Bedarf das Bauteilgebiet entsprechend dem Schaltungsbereich 260 maskiert werden, wenn ein entsprechender Einfluss von Herstellungsprozessen als ungeeignet erachtet wird. In anderen Fallen werden zumindest einige Fertigungsschritte gleichzeitig mit den entsprechenden Fertigungsprozessen ausgeführt, die zur Herstellung der Schaltungselemente der Schaltung 260 angewendet werden. Anschließend werden entsprechende Fertigungsprozesse ausgeführt, um die Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen für den Schaltungsbereich 260 herzustellen, während das Bauteilgebiet, das dem System 250 entspricht, bei Bedarf maskiert wird. Die Schaltungselemente der Schaltung 260 können auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozessstrategie hergestellt werden, wobei dies von der Architektur der jeweiligen Schaltungselemente abhängt, etwa kann die CMOS-Technologie und dergleichen eingesetzt werden. Nach dem Fertigstellen der grundlegenden Konfiguration der Schaltungselemente wird die Kontaktebene 210 gemäß gut etablierter Techniken gebildet, d. h. durch Abscheiden beliebiger geeigneter dielektrischer Materialien und Bilden der Kontaktelemente 211 darin, wodurch die Bauteilstrukturelemente 251 ebenfalls angeschlossen werden, wie dies für das gesamte Funktionsverhalten des Systems 250 erforderlich ist. Als nächstes wird das Metallisierungssystem 220 durch gut etablierte Prozesstechniken hergestellt, wobei auch in dem Metallisierungssystem 220 entsprechende Verbindungsstrukturen vorgesehen werden, um die erforderliche Verdrahtungsanordnung für das geeignete Verbinden der Schaltungselemente des Bereichs 260 und der Bauteilstrukturelemente 251 des Wärmeübertragungssystems 250 zu erzeugen. Wie beispielsweise in 2a gezeigt ist, ergeben entsprechende Metallleitungen 221 eine Reihenverbindung individueller thermoelektrischer Zellen, wovon jede aus den Komponenten 251a, 251c, 251b aufgebaut ist, so dass mehrere dieser grundlegenden thermoelektrischen Zellen elektrisch in Reihe verbunden sind, während eine „thermisch parallele” Verbindung eingerichtet wird, in der zwei unterschiedliche Temperaturniveaus oder Reservoirs definiert sind. D. h., ein erstes Temperaturreservoir oder ein erstes Niveau 252 ist durch das Substrat 201 in Verbindung mit der Halbleiterschicht 202 definiert, da eine entsprechende im Wesentlichen gleichmäßige laterale Wärmeverteilung in diesem Bereich für im Wesentlichen die gleiche Temperatur an den Grenzflächen zwischen den verbindenden Elementen 251c und den entsprechenden Komponenten 251a, 251b sorgt Eine vertikal gegenüberliegend angeordnetes Temperaturreservoir 253 ist durch den entsprechenden Bereich des Metallisierungssystems 220 definiert, möglicherweise in Verbindung mit der Kontaktlänge 210, da auch in diesem Falle ein im Wesentlichen hohes Maß an Temperaturgleichmäßigkeit in lateraler Richtung auf Grund der Materialeigenschaften des Reservoirs 253 erreicht wird. Folglich kann beim Erzeugen eines Stromflusses in dem System 250, beispielsweise wie dies durch den Pfeil 254 angegeben ist, ein Temperaturgradient zwischen den Temperaturresarvoirs 252 und 253 erzeugt werden, wobei dies von der Gesamtkonfiguration des Systems 250 abhängt. D. h., in einer Stromflussrichtung wird Wärme von dem Reservoir 252 zu dem Reservoir 253 transportiert, während für die entgegengesetzte Stromflussrichtung Wärme von dem Reservoir 253 zum Reservoir 252 übertragen wird. Wenn somit eine Kühlwirkung im Reservoir 252 gewünscht ist, wird ein entsprechender Stromfluss erzeugt, so dass Wärme von der Halbleiterschicht 202 und/oder dem Substrat 201 in das Metallisierungssystem 220 abgeführt wird. Dies kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise eine ausgeprägte Menge an Wärme durch die Schaltung 260 hervorgerufen wird, die nicht in effizienter Weise in das Metallisierungssystem 220 geleitet werden könnte, wenn beispielsweise aufwendige dielektrische Materialien mit kleinem ε verwendet werden, die nicht die erforderlichen Wärmeabfuhreigenschaften besitzen. In anderen Fällen kann Wärme effizient von der Metallisierungsebene 220 und der Kontaktebene 210 in die Halbleiterschicht 202 und das Substrat 201 übertragen werden, was vorteilhaft sein kann, wenn der Schaltungsbereich 260 über einer vergrabenen isolierenden Schicht gebildet ist, während die Bauteilstrukturelemente 251 sich unter die entsprechende vergrabene isolierende Schicht hindurch und in tiefere Bereiche der Halbleiterschicht 202 und/oder des Substrats 201 erstrecken. Auch in diesem Falle wird eine bessere Temperatursteuerung der Schaltung 260 erreicht.
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In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das Wärmeübertragungssystem 250 zum Einrichten eines effizient vertikalen leitenden Weges in einer dreidimensionalen Chipkonfiguration verwendet, wobei das System 250 so positioniert ist, dass es lateral einem temperaturkritischen Schaltungsbereich entspricht, der in einem separaten Chip oder einer Schicht vorgesehen ist, wie dies nachfolgend detaillierter erläutert ist.
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2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen zusätzlich oder alternativ zu dem Wärmeübertragungssystem 250, das in 2a gezeigt ist, ein Wärmeübertragungssystem 270 in dem Metallisierungssystem 220 und möglicherweise in der Kontaktebene 210 abhängig von den gesamten Prozess- und Bauteilerfordernissen ausgebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform umfasst des System 270 ein oder mehrere thermoelektrische Elemente 275, wobei lediglich eines in 2b der Einfachheit halber gezeigt ist. Die grundlegende thermoelektrische Zelle 275 umfasst entsprechende Bauteilstrukturelemente 271a, 271b, die Materialien mit unterschiedlichen thermoelektrischen Verhalten repräsentieren, etwa unterschiedlichen Metalle, etwa Kupfer in Verbindung mit Konstanten, oder die unterschiedliche Halbleitermaterialien und dergleichen repräsentieren. Des weiteren ist ein Verbindungselement 271c so vorgesehen, dass es die Komponenten 271a, 271b elektrisch verbindet, wobei das Verbindungselement 271c aus dem gleichen Material wie eine der Komponenten 271a, 271b aufgebaut sein kann, oder dieses besitzt darin ausgebildet eine entsprechende Grenzfläche zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien, wie sie auch in den Komponenten 271a, 21b verwendet sind, oder das Verbindungselement 271c ist aus einem anderen Material aufgebaut, um damit die erforderliche elektrische Verbindung zu erzeugen. Somit kann in einigen Fallen die thermoelektrische Zelle 275 als ein Thermoelement betrachtet werden, das geeignete unterschiedliche Metallmaterialen aufweist, während in anderen Fällen typische Materialien, wie sie auch für Peltier-Elemente eingesetzt werden, vorgesehen sind, um damit die grundlegende thermoelektrische Zelle 274 zu bilden. Es sollte beachtet werden, dass das Metallisierungssystem 220 ferner geeignete zusätzliche Metallstrukturelemente 221 aufweisen kann, um damit eine Vielzahl von Zellen 275 zu verbinden, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Wärmeübertragungssystem 250 in der Bauteilebene erläutert ist.
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Das in dem Metallisierungssystem 220 angeordnete Wärmeübertragungssystem 270 kann auf der Grundlage von Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie auch für andere Bauteilstrukturelemente in dem Metallisierungssystem 220 angewendet werden. Beispielsweise werden entsprechende Gräben in die jeweiligen dielektrischen Materialien der entsprechenden Metallisierungsschichten geätzt und werden mit einem geeigneten Material, etwa Kupfer, möglicherweise mit einem Barrierenmaterial, und mit Konstanten, d. h. einer Kupfer/Zinn-Legierung, gefüllt, wobei gut etablierte Prozesstechniken, etwa elektrochemisches Abscheiden in Verbindung mit Sputter-Abscheidung und dergleichen, eingesetzt werden können. In anderen Fällen werden separate Abscheideprozesse ausgeführt, um ein geeignetes Material einzufüllen, etwa unterschiedliche Halbleitermaterialien und dergleichen, wie dies auch zuvor beschrieben ist, wobei andere Bauteilbereiche des Metallisierungssystems 220 auf der Grundlage eines geeigneten Maskierungsschemas geschützt werden können. Es sollte beachtet werden, dass das Wärmeübertragungssystem 270 so positioniert werden kann, dass es verbesserte Wärmeübertragungseigenschften im Hinblick auf die Schaltung 260 zeigte oder im Hinblick auf externe Schaltungsbereiche, die in separaten Halbleiterchips vorgesehen werden, und die in einer dreidimensionalen gestapelten Chipkonfiguration zu verwenden sind, wie dies nachfolgend beschrieben ist. Somit kann ähnlich wie dies mit Bezug zu dem System 250 beschrieben ist, beim Erzeugen eines Stromflusses durch die Zelle 275 und andere Zellen, die elektrisch in Reihe oder parallel dazu gestaltet sind, ein Temperaturgradient zwischen einer ersten Temperaturzone oder einem Reservoir 272 und einer zweiten Temperaturzone oder Reservoir 273 abhängig von der Stromflussrichtung erzeugt werden.
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2c zeigt schematisch eine gestapelte Chipkonfiguration 280, die mehrere Chips oder Halbleiterbauelemente 200, 200a, 200b aufweist, die an einem Gehäusesubstrat 232 befestigt sind, das ein beliebiges geeignetes Trägematerial repräsentiert, um mehrere Halbleiterchips aufzunehmen und für entsprechende Kontaktstifte und dergleichen zu sorgen, um damit eine Verbindung zu peripheren Komponenten, etwa einer Leiterplatte, und dergleichen herzustellen. Beispielsweise repräsentiert das Halbleiterbauelement oder der Chip 200b einen ersten Chip der gestapelten Konfiguration 280 und kann an dem Trägermaterial 232 auf der Grundlage eines geeigneten Kontaktschemas, etwa geeignete Haftmittel, Höckerstrukturen und dergleichen, abhängig von den gesamten Bauteilerfordernissen angebracht sein. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauelement 200b einen temperaturkritischen Schaltungsbereich 260b, der beispielsweise in Form einer komplexen geschwindigkeitskritischen Logikschaltung bereitgestellt ist, etwa einem Bereich eines CPU-Kerns und dergleichen. Somit kann der Schaltungsbereich 260b ein Bauteilgebiet repräsentieren, das anspruchsvolle Transistorelemente beinhaltet, die mit einer moderat großen Packungsdichte vorgesehen sind und die während des Betriebs eine große Wärme erzeugen. Bekanntlich können in aufwendigen Schaltungsbauten sogenannte heiße Bereiche auftreten und repräsentieren temperaturkritische Bauteilgebiete, in denen die gesamte Leistungsaufnahme zu einer deutlichen Erwärmung führt, wodurch lokal die Temperatur über das Temperaturniveau angehoben wird, wie es in benachbarten Bauteilgebieten auftritt. Folglich müssen entsprechende temperaturkritische Bauteilbereiche umgestaltet werden, um die Temperaturbedingungen zu entschärfen und/oder die entsprechenden Schaltungsbereiche müssen bei einer geringeren Taktfrequenz betrieben werden, um damit die Gesamtleistungsaufnahme zu verringern, was jedoch insgesamt zu einem geringeren Leistungsverhalten führt. Somit wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein entsprechendes Wärmeübertragungssystem, etwa die Systeme 250 und/oder 270 des Bauelements 200, in geeigneter Weise vertikal über dem temperaturkritischen Schaltungsbereich 260b positioniert, um damit einen thermisch leitenden Weg zwischen dem temperaturkritischen Schaltungsbereich 260b und einer Wärmesenke 240 zu erzeugen, die auf einer Abdeckung 230 eines entsprechenden Gehäuses vorgesehen ist, wobei die Abdeckung 230 mit dem letzten Chip 200a des Stapels mittels eines geeigneten zwischenliegenden Wärmeübertragungsmaterials verbunden ist. In einer anschaulichen Ausführungsform besitzt jeder der mehreren Chips 200, 200a, der über dem ersten Chip 200b angeordnet ist, darin ausgebildet ein geeignet positioniertes Wärmeübertragungssystem, etwa ein System 250a, 270a, das eine geeignete Struktur aufweist, wie dies beispielsweise zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 200 beschrieben ist, um damit aktiv den Wärmeübertragungsweg zwischen dem Chip 200b und der Wärmesenke 240 einzurichten. In anderen anschaulichen Ausführungsformen ist eine vertikale Ausrichtung der entsprechenden Wärmeübertragungssystem 250, 270, 250a, 270a für jeden der Chips 200, 200a nicht erforderlich, wenn eine entsprechende laterale Wärmeverteilungsfähigkeit innerhalb eines dieser Chips als ausreichend erachtet wird, um damit eine Verbindung zu einem darüber liegenden Wärmeübertragungssystem herzustellen, das lateral in Bezug auf ein darunter liegendes Wärmeübertragssystem versetzt ist. Abhängig von der gesamten Komplexität der Chips 200, 200a können somit die entsprechenden Wärmeübertragungssysteme so positioniert werden, dass diese im Wesentlichen nicht einen funktionalen Schaltungsbereich stören, der in den jeweiligen Chips 200, 200a vorgesehen ist. In einer anderen Falle werden die entsprechenden funktionalen Schaltungsbereiche, etwa der Schaltungsbereich 260 (siehe 2a und 2b) in geeigneter Weise umgestaltet oder neu positioniert, um in geeigneter Weise das entsprechende Wärmeübertragungssystem 250 und/oder 270 in Bezug auf den temperaturkritischen Bereich 260b auszurichten. Es sollte beachtet werden, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen auch der Chip 200b ein stromgespeistes Wärmeübertragungssystem bei Bedarf aufweisen kann. In ähnlicher Weise ist der Chip 200b mit dem temperaturempfindlichen Schaltungsbereich 260 an einer anderen kritischen Position innerhalb des Stapels 280 positionierbar, wobei dies von den gesamten Bauteilerfordermissen abhängt. In anderen Fällen sind temperaturkritische Schaltungsbereiche auch in einem oder mehreren der weiteren Halbleiterchips 200, 200a, abhängig von der Komplexität des Bauelements 280 vorgesehen. Beispielsweise entspricht die geschwindigkeitskritische Schaltung 260b einer komplexen Logikschaltung, während der Halbleiterchip 200 weitere funktionale Komponenten aufweist, die die Funktionsfähigkeit der Schaltung 260b erweitern, beispielsweise repräsentiert die Schaltung 260 einen Graphik verarbeitenden Schaltungsbereich und/oder einen Speicherschaltungsbereich, der mit der Schaltung 260b über geeignete elektrische Verbindungsstrukturen verbunden ist, wie dies auch zuvor beschrieben ist, als auf das Bauelement 100 verwiesen würde. Des weiteren kann die gestapelte Chipkonfiguration 280 auf der Grundlage ähnlicher Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie zuvor im Zusammenhang mit dem konventionellen dreidimensionalen Halbleiterbauelement 100 beschrieben sind, wobei jedoch auf Grund der zusätzlichen aktiven Wärmeübertragungssysteme 250, 270, 250a, 270a eine erhöhte Flexibilität im Hinblick auf das Neugestalten und Anordnen der Konfiguration 280 erreicht wird, da im Allgemeinen eine bessere Wärmeabfuhrfähigkeit bereitgestellt wird. Auf Grund der „aktiven” Natur der Wärmeübertragungssystem, die in dem Stapel 280 vorgesehen sind, kann der Wärmestrom umgekehrt werden, beispielsweise von der Wärmesenke 240 zu dem temperaturkritischen Schaltungsbereich 260b, so dass der Schaltungsbereich 260b in aktiver Weise erwärmt werden kann, was vorteilhaft sein kann in einer Betriebsphase, in der eine geeignete Betriebstemperatur in den Schaltungsbereich 260b abgegeben ist. Wenn beispielsweise das Bauelement 280 in einer kalten Umgebung gelagert wird und dann zu betreiben ist, funktionieren unter Umständen viele der konventionell gestalteten komplexen Schaltungsbereiche nicht korrekt, da die jeweiligen Schaltungen typischerweise für einen spezifizierten Temperaturbereich ausgelegt sind. Beim Einschalten des Geräts 280 in einer Umgebung mit niedriger Temperatur und zumindest temperaturempfindliche kritische Bauteilgebiete unter Umständen nicht korrekt arbeiten, wodurch ein entsprechender Fehler des gesamten Bauelements 280 hervorgerufen wird. In diesem Falle können die nicht-kritischen Strukturelemente der entsprechenden Wärmeübertragungssysteme aktiviert werden, um damit Wärme in der Nahe der temperaturkritischen Bauteilbereiche vor dem eigentlichen Aktivieren dieser Schaltungsbereiche zu erzeugen. Beispielsweise kann während einer Initialisierungsphase eine entsprechende Verzögerung für die Initialisierung temperaturkritischer Schaltungsbereiche eingerichtet werden, wodurch sichergestellt wird, dass eine geeignete Betriebstemperatur vor dem eigentlichen Aktivieren dieser Schaltungsbereiche erreicht wird. In anderen Fällen können aufwendigere Steuerungsschemata eingerichtet werden, um sicherzustellen, dass temperaturkritische Schaltungsbereiche innerhalb eines spezifizierten Temperaturbereichs bleiben, ohne dass aufwendige Umgestaltungen bestehender Schaltungsentwürfe erforderlich sind.
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Mit Bezug zu 2d werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen eine bessere Temperatursteuerungsfunktion auf der Grundlage des stromgespeisten Wärmeübertragungssystems erreicht wird, indem die temperaturabhängige Spannung, die durch zumindest einige dieser Wärmeübertragungssysteme erzeugt wird, ausgenutzt wird.
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2d zeigt schematisch das Bauelement 280 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen zumindest ein Wärmeübertragungssystem, etwa das System 250, wie es zuvor erläutert ist, als ein „thermoelektrischer Generator” verwendet wird, der eine temperaturabhängige Spannung erzeugt. Bekanntlich erzeugen thermoelektrische Elemente oder Thermoelemente eine Spannung, die von dem Temperaturgradienten zwischen zwei unterschiedlichen Temperaturreservoirs oder Zonen abhängt, etwa dem Temperaturreservoir 252, 253 (siehe 2a). Folglich wird das Wärmeübertragungssystem 250 mit einer Steuereinheit 200 verbunden, die beispielsweise in Form eines entsprechenden Schaltungsbereichs in dem Chip 200 oder einem anderen Chip innerhalb der gestapelten Chipkonfiguration 280 vorgesehen wird, wobei dies von den Erfordernissen im Hinblick auf das Einrichten einer entsprechenden Steuerungseinheit in den gesamten Schaltungsaufbau abhängt. Die Steuereinheit 200 ist ferner ausgebildet, das Wärmeübertragungssystem 250 elektrisch mit einer entsprechenden Stromquelle zu verbinden, um einen Strom durch das System 250 zu erzeugen, wenn eine Kühlung oder Heizung erforderlich ist. Wenn beispielsweise der Chips 200b eine höhere Abwärme erzeugt, wird ein entsprechender Temperaturgradient über dem Wärmeübertragungssystem 250 erzeugt, was wiederum zu einer entsprechenden Spannung führt, die von der Steuereinheit 200 erkannt wird. Auf der Grundlage dieser erfassten Spannung kann die Steuereinheit 200 entscheiden, beispielsweise auf der Grundlage eines vorbestimmten Schwellwertes, ob ein Strom durch das System 250 fließen soll, um damit die „kalte Seite” des Systems 250 benachbart zu dem Chip 200b zu erzeugen. Danach kann der Stromfluss deaktiviert werden und eine entsprechende Messung kann wiederholt werden, um den aktuell bestehenden Temperaturgradienten am System 250 zu bestimmen. Folglich kann auf diese Weise eine Temperatursteuerung über den gesamten Stapel 280 hinweg verbessert werden, wobei beispielsweise entsprechende Wärmeübertragungssysteme in den individuellen Chips als separate Temperatursensoren verwendet werden können und auch individuell aktiviert werden können, um damit einen entsprechenden Wärmestrom innerhalb des Stapels 280 zu erhalten. Beispielsweise kann es in einigen Betriebsphasen nicht unbedingt notwendig sein, dass der entsprechenden gestapelten Wärmeübertragungssysteme übertreiben, beispielsweise wenn die Wärmeverteilungseigenschaften eines einzelnen dazwischen liegenden Chips ausreichend sind, um einen darunter liegenden temperaturkritischen Chip auf einer speziellen Betriebstemperatur zu halten, so dass weitere Wärmeübertragungssysteme über diesen spezifizierten Halbleiterchip nicht aktiviert werden. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird die von dem Wärmeübertragungssystem erzeugte thermoelektrische Spannung einem oder mehreren anderen Schaltungsbereichen zugeführt, wodurch zusätzliche Energie bereitgestellt wird, die aus der Abwärme, die durch das Wärmeübertragungssystem 250 „strömt”, gewonnen wird. Wenn beispielsweise eine im Wesentlichen stabile Betriebstemperatur ohne aktives Einprägen eine Stromes in das System 250 erreicht wird, kann der entsprechende Temperaturgradient damit ausgenutzt werden, um zumindest einen Teil der thermischen Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Zu diesem Zweck kann ein entsprechender Gleichspannungs/Gleichspannungs-Wandler 291 vorgesehen werden, der in geeigneter Weise die Ausgangsspannung des Wärmeübertragungssystems 250, das als ein thermoelektrischer Generator fungiert, an die Versorgungsspannung anzupassen, die zum Betreiben eines oder mehrerer entsprechender Schaltungsbereiche erforderlich ist Beispielsweise kann eine Ladungspumpe verwendet werden, um eine aufwärtsgewandelte Spannung bereitzustellen, wenn die Ausgangsspannung des Wärmeübertragungssystems 250 kleiner ist als die erforderliche Versorgungsspannung. In anderen Fällen kann ein Abwärtswandler eingesetzt werden, wenn die Ausgangsspannung höher ist als eine entsprechende Versorgungsspannung. Es sollte beachtet werden, dass die Steuereinheit 200 als eine übergeordnete Steuerungseinheit verwendet werden kann, um zu entscheiden, ob das Wärmeübertragungssystem 250 als eine thermische Fühlereinrichtung, ein Spannungsgenerator und/oder als eine Kühlung einzusetzen ist. Beispielsweise kann in einigen Fällen ein Temperaturgradient von ungefähr 100 Grad C und mehr über dem Wärmeübertragungssystem 250 auftreten, wobei dennoch eine Betriebstemperatur eines temperaturkritischen Schaltungsbereichs innerhalb der Spezifikationen liegt. In diesem Falle ist ggf. eine aktive Kühlung nicht erforderlich und das System 250 kann als ein thermoelektrischer Generator betrieben werden, wodurch eine Umwandlung von drei oder vier Prozent der Abwärme in elektrische Energie möglich ist.
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Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Halbleiterbauelemente und Verfahren bereit, um die Wärmeübertragungseigenschaften in Halbleiterbauelementen und in einigen anschaulichen Ausführungsformen in gestapelten Chipkonfigurationen zu verbessern, indem ein stromgespeistes Wärmeübertragungssystem bereitgestellt wird, das in der Bauteilebene und/oder in Metallisierungssystem eines oder mehrerer der Halbleiterchips vorgesehen ist. Zu diesem Zweck können gut etablierte Materialien, die in typischen konventionellen Fertigungstechniken für aufwendige Halbleiterbauelemente kompatibel sind, eingesetzt werden, um entsprechende thermoelektrische Einheiten zu bilden, die dann in geeigneter Weise betrieben werden, um die gewünschte Heizwirkung und/oder Kühlwirkung zu erzeugen. Das Vorsehen aktiver Kühl/Heizsysteme kann ebenfalls eine bessere Temperaturüberwachung und Temperaturverwaltung ermöglichen, indem die entsprechenden Wärmeübertragungssysteme temporär als temperaturempfindliche Einrichtungen verwendet werden. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird der thermoelektrische Effekt ausgenutzt, um einen Teil der Wärmeenergie in elektektrische Energie umzuwandeln, die dann zur Versorgung entsprechender Schaltungsbereiche verwendet werden kann.
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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 vorliegenden Lehre zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
