DE10218530A1 - Integrierte Schaltung mit thermisch abgeschirmter elektrischer Widerstandsbahn - Google Patents

Abstract

Eine integrierte Schaltung umfaßt eine elektrische Widerstandsbahn (10a, 10b, 10c), ein Substrat sowie eine thermisch leitfähige Struktur (16, 18, 20), die oberhalb oder unterhalb der elektrischen Widerstandsbahn (10) angeordnet ist, zum Abführen von Wärme von der elektrischen Widerstandsbahn (10) zu dem Substrat. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch Einführung der zusätzlichen thermisch leitfähigen Struktur (16, 18) trotz der Einführung dieser zusätzlichen, zunächst Platz benötigenden thermisch leitfähigen Struktur aufgrund der deutlich gesteigerten Wärmeleitfähigkeit zum Substrat eine insgesamt kleinere Chipfläche zur Implementierung von integrierten Widerständen erzielt werden kann.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungen und insbesondere auf den Wärmetransport von einer elektrischen Widerstandsbahn der integrierten Schaltung zum Substrat.
• In der Halbleiterindustrie werden bei integrierten Schaltkreisen vermehrt auch Widerstände als passive Bauelemente integriert. Von diesen Widerständen wird gefordert, daß sie erstens sehr präzise sein sollen, zweitens möglichst klein sein sollen und drittens sich und die umgebenden Leiterbahnen und Systeme nicht über einen spezifizierten Temperaturbereich hinaus erwärmen sollen.
• Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind derzeit verwendete Widerstände in integrierten Schaltungen sehr großflächig dimensioniert bzw. nehmen eine große Chipfläche ein, so daß die Wärme gut nach unten zum Substrat, das zumeist aus Silizium besteht, abgeführt werden kann. Durch die zunehmende Miniaturisierung auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen ist es nötig, diesen Platzbedarf zu verringern.
• Das Problem der Wärmeabfuhr wird dadurch verschärft, daß man in der Industrie aufgrund der hohen Anforderung an die Präzision der integrierten Widerstände mehr und mehr von der Integration dieser Widerstände in Polysilizium, welches durch seine Nähe zu dem Substratmaterial Silizium eine gute Wärmeableitung an das Substrat besitzt, abgeht und z. B. zu den präziseren TaN-Metallwiderständen übergeht, die eine größere räumliche Distanz zum Silizium aufweisen, so daß die Wärmeableitung zum Substrat wesentlich schlechter ist.
• Es besteht folglich der Bedarf nach einem Wärmeableitungskonzept für Widerstandsbahnen in integrierten Schaltungen, das den hohen Anforderungen an die Präzision, Miniaturisierung und Temperatur genügt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, eine integrierte Schaltung mit einer elektrischen Widerstandsbahn zu schaffen, mit der eine reduzierte Chipfläche und eine höhere Widerstandspräzision erzielt werden kann bei gleichzeitiger Kontrolle oder Verbesserung der thermischen Belastungen.
• Diese Aufgabe wird durch die integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß von dem bisherigen "passiven" Wärmeabführungskonzept, bei dem die Wärmeabfuhr im wesentlichen über die Fläche der elektrischen Widerstandsbahn eingestellt wird, abgegangen werden muß, um eine Reduzierung der Chipfläche und/oder eine höhere Widerstandspräzision bei gleichzeitiger Kontrolle oder Verbesserung der Thermischen Belastungen zu ermöglichen. Nach der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch ermöglicht, daß eine thermisch leitfähige Struktur oberhalb und/oder unterhalb der Widerstandsbahn angeordnet wird, um effektiv - "passiv" zum Kühlen oder "aktiv" zum Einstellen des Widerstandswertes über die Temperatur - Einfluß in thermischer Hinsicht auf die Widerstandsbahn nehmen zu können.
• Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß durch Einführung einer zusätzlichen thermisch leitfähigen Struktur, die oberhalb oder unterhalb der Widerstandsbahn angeordnet ist, zum Abführen von Wärme von der Widerstandsbahn zu dem Substrat trotz der Einführung dieser zusätzlichen, zunächst Platz benötigenden thermisch leitfähigen Struktur aufgrund der deutlich gesteigerten Wärmeleitfähigkeit zum Substrat eine insgesamt kleinere Chipfläche zur Implementierung von integrierten Widerständen erzielt werden kann.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt eine integrierte Schaltung aus einer Mehrschichtstruktur eine elektrische Widerstandsbahn, die oberhalb des Substrats der integrierten Schaltung angeordnet ist und durch einen strukturierten Bereich in einer oberen Metallisierungsschicht oberhalb der Widerstandsbahn überlappt wird, der wiederum mit einem in Richtung der Mehrschichtstruktur zum Substrat hin gebildeten metallischen Steg verbunden und hierdurch mit dem Substrat wärmeleitfähig gekoppelt ist, um die von der Widerstandsbahn an den strukturierten Bereich abgegebene Wärme effektiv an das Substrat abzuführen. Auf diese Weise wird die Temperatur der Widerstandsbahn zwecks Erhöhung der Zuverlässigkeit reduziert und der Bereich oberhalb des strukturierten Bereichs der oberen Metallisierungsschicht ist gegen die von der Widerstandsbahn abgegebene Wärme abgeschirmt und kann beim Layout der integrierten Schaltung zur Leitbahnführung oder Anordnung anderer Bauelemente verwendet werden. Anders ausgedrückt wird aufgrund der thermischen Abschirmung bei eventuell die Widerstandsbahn überquerenden Leiterbahnen in beispielsweise einer höheren Metallisierungsebene keine unzulässige Temperaturbelastung, die zu Zuverlässigkeitsproblemen oder Leitfähigkeitänderungen führen kann, hervorgerufen. Aufgrund der effektiveren Abschirmung kann also bei ansonst gleichem Widerstandswert die benötigte laterale Chipfläche deutlich reduziert werden.
• Auf ähnliche Weise wird eine Metallisierungsschicht unterhalb der Widerstandsbahn bzw. ein strukturierter Bereich derselben verwendet, um die thermische Leitfähigkeit von der Widerstandsbahn zu dem Substrat zu verbessern. Gemäß eines speziellen Ausführungsbeispiels ist diese untere Metallisierungsschicht über einen dünnen Spalt von der Unterseite der Widerstandsbahn getrennt, beispielsweise einem Abstand von weniger als 200 nm, der beispielsweise über die Dicke einer dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Siliziumdioxidschicht definiert ist.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die metallische Struktur mit einer Einrichtung zum Einstellen der Temperatur der metallischen Struktur, um eine Betriebstemperatur für die Widerstandsbahn einzustellen, koppelbar sein. Auf diese Weise ist ein definierter und konstanter Widerstandswert einstellbar, wodurch die Genauigkeit der integrierten Schaltung erhöht werden kann. Durch gesteuerte Erhöhung oder Verringerung der Temperatur des Kühlkörpers bzw. der metallischen Struktur ist es darüber hinaus möglich, unter Ausnutzung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandsbahnmaterials beispielsweise den Widerstandswert des Widerstands, der durch die Widerstandsbahn implementiert ist, in einem gewissen Wertebereich einzustellen oder zu regeln.
• Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß basierend auf derselben metallischen Struktur gleichzeitig zu der thermischen Abschirmung eine Abschirmung gegenüber hochfrequenten elektrischen Feldern erzielt werden kann. Diese Hochfrequenzstrahlungsabschirmung gilt sowohl für von außen einwirkende elektrische Felder durch umliegende elektrische Bauelemente oder externe Strahlungsquellen außerhalb der integrierten Schaltung als auch für gegebenenfalls vom Widerstand erzeugte elektrische Felder, die nicht nach außen abgestrahlt werden sollen, um eine Beeinflussung anderer Teile der integrierten Schaltung zu verhindern.
• Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer metallischen Struktur zur Wärmeabführung von einer Widerstandsbahn zu einem Substrat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
• Fig. 2 einen Ausschnitt einer metallischen Struktur zur Wärmeabführung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
• Bevor im folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, daß bei Bezugnahme auf die verschiedenen Zeichnungen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, und daß eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente im folgenden weggelassen wird.
• Fig. 1 zeigt ein Raumbild, das drei zu einem elektrischen Widerstand parallel geschaltete Widerstandsbahnen 10a, 10b und 10c sowie deren zugehörige metallische Struktur zu deren thermischen Abschirmung und Abführung der von ihnen erzeugten Wärme an ein Substrat einer integrierten Schaltung, in die dieselben integriert sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
• Das Substrat ist in Fig. 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt und befindet sich direkt unterhalb der dargestellten Strukturen. Fig. 1 stellt lediglich ein Ende der Widerstandsbahnen 10a, 10b und 10c und folglich auch nur eine Anschlußleiterbahn 12 dar, die über eine Durchkontaktierung 14 mit dem in Fig. 1 dargestellten Ende jeder der Widerstandsbahnen 10a-10c verbunden ist, die sich quer über alle Widerstandsbahnen 10a-10c erstreckt. Es wird darauf hingewiesen, daß in Fig. 1 lediglich die metallischen Strukturen und die Widerstandsbahnen 10a-10c dargestellt sind, und daß zu Darstellungszwecken ein sich zwischen diesen Strukturen befindliches Isolationsmaterial der integrierten Schaltung, wie z. B. Siliziumdioxid, nicht gezeigt ist. Außerdem kann die integrierte Schaltung weitere Bauelemente und Leiterbahnen umfassen, die in Fig. 1 nicht gezeigt sind, die somit lediglich einen Ausschnitt der integrierten Schaltung darstellt.
• Die Widerstandsbahnen 10a-10c bestehen vorzugsweise aus TaN, können aber auch jedes andere Material aufweisen, wie z. B. Polysilizium. Die Widerstandsbahnen 10a-10c sind streifenförmig aus einer Schicht des Widerstandsmaterials strukturiert. Der Widerstand einer einzelnen Widerstandsbahn 10a-10c bestimmt sich in Abhängigkeit vom Flächenwiderstandswert ρ des Widerstandsmaterials, der Widerstandsbahnbreite b und der Widerstandsbahnlänge l zu R = ρ.l/b, wobei R den Widerstandswert der Widerstandsbahn bezeichnet und der Flächenwiderstandswert ρ wiederum im wesentlichen umgekehrt proportional von der Dicke d der Widerstandsbahn abhängt.
• Wie es in Fig. 1 deutlich zu sehen ist, sind die Widerstandsbahnen 10a-10c, die in Fig. 1 zur Unterscheidung von den metallischen Strukturen schraffiert dargestellt sind, im Unterschied zu herkömmlichen, integrierten Widerstandsbahnen von metallischen Strukturen umgeben, die jedoch nicht der elektrischen Funktion der integrierten Schaltung dienen, wie z. B. die Anschlußleiterbahn 12 und die Durchkontaktierung 14. Herkömmlicherweise wurde die Führung von Leiterbahnen unter- oder oberhalb einer Widerstandsbahn aufgrund des durch die dort entstehende Wärme bewirkten Einflusses auf die elektrischen Eigenschaften dieser Leiterbahnen entweder vermieden, oder die Widerstandsbahn wurde flächenmäßig lateral derart ausgebreitet, daß die Wärmeabfuhr über das Siliziumdioxid zu dem Substrat ausreichend hoch war, um die entstehende Temperaturerhöhung in erträglichem Maße zu halten und die entstehende thermische Energie schnell genug an das Substrat abzuführen.
• Die der Wärmeabfuhr an das Substrat dienenden metallischen Strukturen von Fig. 1 umfassen mehrere strukturierte Bereiche in Metallisierungsebenen, die in der Mehrschichtstruktur der integrierten Schaltung ansonsten für Leiterbahnverbindungen verwendet werden. Die Reihenfolge der Schichten sowie insbesondere die relative Anordnung des Substrats, der Widerstandsbahnschicht und der Metallisierungsschichten hängt von dem gewählten Herstellungsprozeß der integrierten Schaltung ab.
• In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Metallisierungsebenen gezeigt, von denen die eine die Metallisierungsebene ist, in der die Anschlußleiterbahn 12 gebildet ist, und sich oberhalb der Widerstandsbahnen 10a-10c bzw. weiter entfernt von dem Substrat befindet. Diese Metallisierungsebene ist in Fig. 1 allgemein mit einem Pfeil C dargestellt. Eine weitere Metallisierungsebene, die mit einem Pfeil A dargestellt ist, befindet sich zwischen dem Substrat und der Widerstandsbahnschicht.
• Die der thermischen Abschirmung bzw. Wärmeabführung an das Substrat dienenden metallischen Strukturen von Fig. 1 umfassen in der Metallisierungsschicht C mehrere Balken 16a, 16b, 16c, 16d, 16e und 16f, die sich quer zur Längsrichtung der Widerstandsbahnen 10a-10c über die Widerstandsbahnen 10a-10c erstrecken, um dieselben zu überqueren, und in der Metallisierungsschicht A sich unterhalb der Metallbahnen 10a-10c parallel zur Längsrichtung derselben erstreckende Balken 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f, 18g, 18h und 18i. Die sich in der Metallisierungsschicht C befindlichen, metallischen Balken 16a-16f sind über metallische Stege 20a, 20b, 20c und 20d zwecks Wärmekopplung mit dem Substrat verbunden, die sich über im wesentlichen die gesamte Länge der Widerstandsbahnen 16a-16f seitlich an desselben vorbei von den Balken 16a-16f herab entlang der Richtung der Mehrschichtstruktur nach unten erstrecken. Die metallischen Stege 20a-20d werden bei der Herstellung beispielsweise aus gestapelten Durchkontaktierungs- und Metallisierungsschichtgräben erzeugt, die mit entsprechendem Metall gefüllt sind, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Alternativ könnte die Wärmeableitung von den Balken 16a-16f hin zum Substrat an den Widerstandsleitungen vorbei auch durch einzelne Durchkontaktierungen bzw. Einzelkontakte (Vias) realisiert sein, wie z. B. durch eine pro Balken oder eine einzige für alle Balken, die über einen gemeinsamen Balken mit den Balken 16a-16f verbunden ist.
• Nachdem im vorhergehenden die Anordnung der Strukturen beschrieben worden ist, wird im folgenden die Funktionsweise der der thermischen Abschirmung dienenden metallischen Strukturen sowie deren Vorteile beschrieben.
• Während des Betriebs erwärmen die Widerstandsbahnen 10a-10c sich und die Umgebung. Die von den oberhalb der Widerstandsbahnen 16a-16f angeordneten metallischen Balken 16a-16f aufgenommene thermische Energie bzw. Wärme wird aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Metalls über die metallischen Stege bzw. Wände 20a-20d an den Widerstandsbahnen 10a-10c vorbei in Richtung des Substrats nach unten geleitet, wo die thermische Energie nach unten zum Substrat hin abgeführt wird. Hierzu sind die metallischen Stege 20a-20d beispielsweise mit dem Substrat direkt verbunden oder enden knapp oberhalb des Substrats durch eine dünne Isolationsschicht von dem Substrat getrennt. Es hat sich gezeigt, daß aufgrund dieser thermischen Wärmeabführung an das Substrat der Bereich der integrierten Schaltung oberhalb der Balken 16a-16f deutlich weniger Temperaturerhöhung aufgrund der Widerstandsbahnen erfährt, da die von denselben erzeugte Wärme effektiv an das Substrat abgeführt wird. Aus diesem Grund können auch wärmeempfindliche Bauelemente und Strukturen oberhalb der Balken 16a-16f angeordnet werden. Umgekehrt können bei gleicher Temperaturerhöhung der umliegenden Umgebung in der integrierten Schaltung, die lateralen Abmessungen der einen Widerstandswert implementierenden Widerstandsbahnen geringer sein, obwohl hierbei die thermische Energiekonzentration höher ist, da die Wärmeabfuhr an der Substrat erhöht ist. Die an das Substrat abgegebene Wärmeenergie wird wiederum, wie es in der Technik üblich ist, durch geeignete Vorkehrungen an die Umgebung der integrierten Schaltung abgeführt, wie z. B. durch Kühlkörper, den Luftzug von Ventilatoren oder dergleichen.
• Untersuchungen haben gezeigt, daß bei Vorgabe einer maximal erlaubten Temperaturerhöhung der äußeren Umgebung eine Strukturflächenreduzierung typischerweise um den Faktor von 2. . .10 aufgrund der metallischen Balken 16a-16f erzielt werden kann, deren Anordnung im folgenden auch manchmal als "heat pipe" (Wärmeröhre) bezeichnet werden wird, wobei bei dem oben angegebenen Wert der für die metallischen Strukturen zur thermischen Abschirmung benötigte Fläche mitberücksichtigt wurde.
• Die unterhalb der Widerstandsbahnen 10a-10c angeordneten Balken 18a-18i erhöhen den effektiven Wärmeleitfähigkeitswert zwischen den Widerstandsbahnen 10a-10c und dem Substrat.
• Es wird darauf hingewiesen, daß in Fig. 1 angenommen wurde, daß sich die Metallisierungsschicht A über eine Isolationsschicht von dem Substrat getrennt direkt oberhalb des Substrats befindet. Andernfalls, d. h. wenn sich weitere Schichten zwischen der Metallisierungsschicht A und dem Substrat befinden und der Abstand zwischen den Balken 18a-18i somit größer ist, könnten mit den Balken 18a-18i verbundene Durchkontaktierungen hin zum Substrat vorgesehen sein, um die von den Balken 18a-18i aufgenommene Wärme zum Substrat hin abzuführen.
• Ein weiterer vorteilhafter Effekt der metallischen Strukturen, bestehend aus den Balken 16a-16f, den metallischen Stegen 20a-20d und den Balken 18a-18i, besteht in einer Abschirmung hochfrequenter elektrischer Felder bis beispielsweise in den GHz-Bereich, und zwar sowohl solcher, die von außen auf die Widerstandsbahnen 10a-10c einwirken, als auch solcher, die von den Widerstandsbahnen 10a-10c nach außen hin abgestrahlt werden. Auf diese Weise wird eine elektromagnetische Entkopplung der Widerstandsbahnen 10a-10c von dem Rest der integrierten Schaltung erzielt. Trotz der Balkenstrukturen-Zwischenräume im Mikrometerbreich stellt die Heat Pipe gleichzeitig eine perfekte Abschirmung gegen dagegen langwellige elektromagnetische Felder dar.
• Bezugnehmend auf Fig. 1 wird darauf hingewiesen, daß die dargestellte metallische Struktur zur thermischen Abschirmung lediglich eine spezielle Ausführungsform darstellt, und daß deren Gestalt und Anordnung auch anders gewählt werden kann. Insbesondere ist das Vorliegen einer Mehrschichtstruktur mit dem damit verbundenen Vorhandensein von Metallisierungsschichten nicht zwingend notwendig. Vorliegend ist jedoch die streifenförmige Anordnung der Balken 16a-16f und 18a-18i insbesondere in Hinblick auf die Herstellung der Metallisierungsschichten vorteilhaft, da aufgrund dieser Anordnung das Auftreten von Erhöhungen bzw. Vertiefungen, dem sogenannten Dishing, beim abschließenden Polieren, während der Herstellung der einzelnen Metallisierungsschichten vermieden wird, wodurch nach dem Polieren eine ebene Oberfläche zur weiteren Herstellung der weiteren Schichten der integrierten Schaltung gewährleistet wird. Natürlich können die als Balken dargestellten Strukturen 16a-16f und 18a-18i, beispielsweise in dem Fall nicht zu breiter Strukturen oder unempfindlicher Prozesse, durchaus auch ganz- bzw. vollflächig, beispielweise als ein vollflächiges, durchgehendes Vieleck, ausgeführt sein, was die Effizienz der angestrebten Verbesserungen noch erhöht.
• Bezugnehmend auf Fig. 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, das sich von demjenigen von Fig. 1 lediglich dadurch unterscheidet, daß in einer weiteren Metallisierungsschicht B, die zwischen der Metallisierungsschicht A und der Widerstandsbahnschicht angeordnet ist, ein sich mit der Widerstandsbahn lateral deckungsgleicher, strukturierter, metallischer Bereich vorgesehen ist, der über Durchkontaktierungsgräben mit den metallischen Balken in der Metallisierungsschicht A verbunden ist, um zusammen eine metallische Struktur 22 zu ergeben. Die Metallisierungsschicht B ist hierbei über einen geringen Abstand g von der Widerstandsbahnschicht entfernt, wobei g beispielsweise weniger als 200 nm beträgt.
• Aufgrund dieses geringen Abstands wird der Effekt der Wärmeabfuhr an das Substrat durch diese Strukturen unterhalb der Widerstandsleiterbahnen 10 deutlich erhöht. Die im vorhergehenden erwähnte Flächenreduzierung des ersten Ausführungsbeispiels kann unter Verwendung des zweiten Ausführungsbeispiels beispielsweise um einen weiteren Faktor 4 verbessert werden, wenn ein Abstand g von 100 nm verwendet wird statt des sonst üblichen Abstandes zwischen Metallisierungsebenen.
• Bezugnehmend auf Fig. 2 wird darauf hingewiesen, daß, obwohl der Kühlungseffekt um so größer ist, je mehr sich die metallische Struktur 22 an der wärmeerzeugenden Widerstandsbahn 10 befindet, da der Wärmewiderstandswert zwischen denselben hierdurch kleiner wird, der Abstand g nicht unbegrenzt minimiert werden kann. Der Abstand g ist nach unten hin durch die zunehmende Durchschlagsgefahr zwischen Widerstandsbahn und metallischer Struktur begrenzt.
• Abschließend wird bezugnehmend auf Fig. 2 darauf hingewiesen, daß die metallische Struktur 22 unabhängig von den oberen metallischen Strukturen 16a-16f auch für sich allein zur Kühlung verwendet werden kann.
• Es wird noch darauf hingewiesen, daß gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die erfindungsgemäßen metallischen Strukturen, wie z. B. die oben gezeigten, auch dazu verwendet werden können, den Wert des Widerstands, der durch die Widerstandsbahnen 10a-10c definiert wird, unter Verwendung bzw. Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands des Leiterbahnmaterials einzustellen oder zu regeln.
• Hierzu sind die metallischen Strukturen von Fig. 1 und 2 zur thermischen Abschirmung beispielsweise mit einem externen Wärmereservoir koppelbar bzw. verbunden, das die Temperatur dieser metallischen Kühlstrukturen auf eine erwünschte Betriebstemperatur fest einstellt, wodurch ein konstanterer Betrieb der Schaltung realisiert werden kann, was wiederum zu einer Steigerung der Genauigkeit und gegebenenfalls der Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung in Hinblick auf der Funktionsweise führen kann. Alternativ kann eine auf konstante Temperatur geregelte elektrische Heizstruktur bze. Ein integrierter Heizer integriert bzw. eingearbeitet werden, z. B. unter oder oberhalb der Widerstandsbahn 10a-10c. Bei einem Hochfahrvorgang, bei dem die integrierte Schaltung noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht hat, können auf diese Weise gegebenenfalls unerwünschte Effekte während der Aufwärmphase der Widerstandsbahnen vermieden werden, indem die Widerstandbahn beispielsweise in einer Aufwärmphase vorab auf die Betriebstemperatur eingestellt wird. Auch Adaption auf unterschiedliche Umgebungstemperaturen sind machbar.
• Durch Erhöhen und Verringern dieser erwünschten Temperatur, wie z. B. durch Koppeln der metallischen Struktur mit jeweils einem Wärmereservoir unter Wärmereservoirs unterschiedlicher Temperatur, kann der durch die Widerstandsbahnen 10a-10c gebildete Widerstandswert verändert werden, was wiederum beispielsweise zur Kalibrierung einer analogen Schaltung verwendet werden könnte. Diese Implementierung eines variablen integrierten Widerstandwerts benötigt wiederum eine reduzierte Chipfläche.
• Als Temperaturreservoir kann jede temperaturgesteuerte Vorrichtung verwendet werden, wie z. B. ein mikrofluidisches System mit einem Kondensations- und Rekondensationskühlkreis, einem Heizkreis, wie z. B. mit einer Heizspule, einer Mikropumpe und einem Ventil, das zwischen den beiden Kreisen hin- und herschaltet, um einen gemeinsamen Mikrofluidkanalabschnitt, der mit der metallischen Struktur thermisch gekoppelt ist, in einen der beiden Kreisläufe zu schalten.
• Abschließend in anderen Worten ausgedrückt schafft die vorliegende Erfindung erstmals in der Mikroelektronik auf Chip integrierte Kühlkörper zur Stabilisierung des Temperaturbudgets von Bauelementen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen flächenminimierte Hochlast-Präzisions-TaN-Widerstände, deren eigene Temperaturen sowie die thermischen Auswirkungen auf die Umgebungsstrukturen durch geeignete metallische Hüllstrukturen kontrolliert sind. Die in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschriebene vollständige Ummantelung durch die heat pipes sorgt für eine hervorragende Abführung der oberhalb der Widerstandsbahnen aufgenommenen thermischen Energie herab zum Substrat, was wiederum eine erhebliche Reduzierung der Widerstandsgröße bedeutet. Die seitlichen metallischen Stege, die beispielsweise eine Dicke von 0,6 µm aufweisen, sowie die metallischen Balken können bei weniger als 5 Grad Kelvin Temperaturerhöhung gehalten werden, wodurch folglich Leiterbahnen über den TaN-Widerstand geführt werden können, ohne daß eine übermäßige thermische Beeinträchtigung mit Auswirkungen auf Stressmigrationen, Elektromigration und Widerstandsänderungen stattfindet. Aufgrund der Kühlung der Widerstandsbahnen kann auch das Ende der Widerstandsbahnen bei weniger als 5 Grad Kelvin Temperaturerhöhung gehalten werden, was aus Gründen der Elektromigration insbesondere für die Durchkontaktierungen zu den Anschlußleiterbahnen wichtig ist. Bezugszeichenliste 10a-10c Widerstandsbahn
  12 Anschlußleiterbahn
  14 Durchkontaktierungsgraben
  16a-16f metallische Balken
  18a-18i metallische Balken
  20a-20d metallische Stege
  22 metallische Struktur
  A, B, C Metallisierungsschichten
  

Claims (16)

1. Integrierte Schaltung mit folgenden Merkmalen:
einer elektrischen Widerstandsbahn (10a, 10b, 10c);
einem Substrat; und
einer thermisch leitfähigen Struktur (16, 18, 20; 22), die oberhalb oder unterhalb der elektrischen Widerstandsbahn (10) angeordnet ist, zum Steuern der Temperatur der elektrischen Widerstandsbahn.

2. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die thermisch leitfähige Struktur angepaßt ist, um Wärme von der elektrischen Widerstandsbahn (10) zu dem Substrat abzuführen.

3. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die thermisch leitfähige Struktur (16, 18, 20; 22) mit der elektrischen Widerstandsbahn (10) flächig überlappt.

4. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 3, bei der die thermisch leitfähige Struktur (16, 18, 20; 22) mit dem Substrat wärmeleitfähig gekoppelt ist.

5. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die thermisch leitfähige Struktur (16, 18, 20; 22) derart angeordnet ist, daß sie keine elektrische Funktion der integrierten Schaltung übernimmt.

6. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die thermisch leitfähige Struktur (16, 18, 20; 22) einen strukturierten, metallischen Bereich (16, 18) einer Metallisierungsschicht (A, C) einer Mehrschichtstruktur umfaßt.

7. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 6, bei der die thermisch leitfähige Struktur (16, 18, 20) ferner einen metallischen Steg (20) aufweist, der mit dem strukturierten Bereich (16) verbunden ist und von demselben in Richtung der Mehrschichtstruktur zum Substrat hin gebildet ist, um den strukturierten Bereich (16) mit dem Substrat wärmeleitfähig zu koppeln.

8. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 7, bei der der metallische Steg (20) eine Durchkontaktierung oder einen Stapel von Gräben, gefüllt mit Metall, aufweist.

9. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der der strukturierte Bereich (16) die elektrische Widerstandsbahn (10a-10c) quer zu einer Längsrichtung der elektrischen Widerstandsbahn (10a-10c) überquerende, in Längsrichtung beabstandete Balken (16a-16f) aufweist

10. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der der strukturierte Bereich 16 als vollflächiges Vieleck gebildet ist.

11. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, bei der die Metallisierungsschicht (B) in einem Abstand (g) unterhalb der elektrischen Widerstandsbahn (10c) angeordnet ist, der kleiner als 200 nm ist.

12. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der mehrere elektrische Widerstandsbahnen (10a, 10b, 10c) parallel geschaltet sind, um einen elektrischen Widerstand der integrierten Schaltung mit vorbestimmten Wiederstandswert zu bilden.

13. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Widerstandsbahn (10) aus TaN besteht.

14. Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die thermisch leitfähige Struktur (16, 18, 20; 22) mit einer Einrichtung zum Einstellen der Temperatur der thermisch leitfähigen Struktur (16, 18, 20; 22), um eine Betriebstemperatur für die elektrische Widerstandsbahn (10) einzustellen, thermisch koppelbar ist.

15. Integrierte Schaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die thermisch leitfähige Struktur eine metallische Struktur ist.

16. Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 15, bei der die metallische Struktur derart angeordnet ist, daß eine elektromagnetische Abschirmung der elektrischen Widerstandsbahn von außen und gegenüber außen geliefert wird.