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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungen und
insbesondere auf den Wärmetransport
von einer elektrischen Widerstandsbahn der integrierten Schaltung
zum Substrat.
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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.
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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.
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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.
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Es
besteht folglich der Bedarf nach einem Wärmeableitungskonzept für Widerstandsbahnen
in integrierten Schaltungen, das den hohen Anforderungen an die
Präzision,
Miniaturisierung und Temperatur genügt.
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Die
DE 4301552 A1 zeigt
eine integrierte Leistungswiederstandsanordnung bestehend aus parallelen
Widerstandsbahnen, die auf einem isolierenden Substrat angeordnet
sind, wobei zur Verteilung der in den Widerstandsbahnen entstehenden Verlustwärme auf
eine größere Fläche eine
die Widerstandbahnen überdeckende
Wärmeleitschicht vorgesehen
ist.
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Die
US 5,955,781 A beschreibt
Halbleiterstrukturen, bei denen ein Halbleiterbauelement benachbart
zu thermischen Leitern aus Diamant ist, die auf einem Siliziumsubstrat
gebildet sind, so daß Überschußwärme von
dem Halbleiterbauelement an das Substrat und dann nach außen abgeführt wird. Ferner
ist eine Verbundkühlungsstruktur
in der Struktur vorgesehen, die existierende Metallschichten verwendet
und in Serie mit den thermischen Leitern verbunden ist, um Hitze
weg von den aktiven Regionen der Struktur bis zu Oberflächen-Anschlußflecken
zu ziehen. Es wird insbesondere ausgeführt, daß diese Kühlungsstruktur ferner bewirkt,
daß Wärme in das Substrat
abgeführt
wird, wo dieselben Bereiche niedrigerer Temperatur an entweder einer
Rückseite
der Struktur aufsucht oder durch einen weiteren diamantenen Leiter
und dann durch eine weitere Verbundkühlungsstruktur nach außen tritt.
Die Verbundkühlungsstruktur
umfaßt
Teile der Metallschichten, lokale Verbindungen und ist mit Anschlüssen, Source
und Drain, des Bauelementes elektrisch verbunden. Die Kontakte überlappen
zudem mit den thermischen Wärmeleitern,
um einen Wärmeleitungspfad
durch die Kontakte, die lokale Verbindung und die Zwischenverbindungen
zu liefern.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine integrierte
Schaltung mit einer elektrischen Widerstandsbahn zu schaffen, so
daß deren thermische
Belastung verbessert werden kann. Dadurch kann eine reduzierte Chipfläche und
eine höhere
Widerstandspräzision
erzielt werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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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 – in
thermischer Hinsicht Einfluß auf
die Widerstandsbahn nehmen zu können.
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Insbesondere
liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß, obwohl
durch Einführung
einer zusätzlichen,
thermisch leitfähigen Struktur
zum Abführen
von Wärme
von der Widerstandsbahn zu dem Substrat, die oberhalb oder unterhalb
der Widerstandsbahn angeordnet ist, zunächst Platz für diese
Struktur benötigt
wird, aufgrund der deutlich gesteigerten Wärmeleitfähigkeit zum Substrat eine insgesamt
kleinere Chipfläche
zur Im plementierung von integrierten Widerständen erzielt werden kann.
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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 ansonsten gleichem Widerstandswert die benötigte laterale
Chipfläche
deutlich reduziert werden.
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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 dazwi schen angeordneten, elektrisch isolierenden
Siliziumdioxidschicht definiert ist.
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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.
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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.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel
einer metallischen Struktur zur Wärmeabführung von einer Widerstandsbahn
zu einem Substrat gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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2 einen Ausschnitt einer
metallischen Struktur zur Wärmeabführung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
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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.
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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.
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Das
Substrat ist in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellt und befindet sich direkt unterhalb der dargestellten
Strukturen. 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 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 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 1 nicht gezeigt
sind, die somit lediglich einen Ausschnitt der integrierten Schaltung
darstellt.
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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
umgekehrt proportional von der Dicke d der Widerstandsbahn abhängt.
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Wie
es in 1 deutlich zu
sehen ist, sind die Widerstandsbahnen 10a – 10c,
die in 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,
im Gegensatz z.B. zur Anschlußleiterbahn 12 und
zur 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.
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Die
der Wärmeabfuhr
an das Substrat dienenden metallischen Strukturen von 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.
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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 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.
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Die
der thermischen Abschirmung bzw. Wärmeabführung an das Substrat dienenden
metallischen Strukturen von 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 sich in der Metallisierungsschicht A unterhalb der Widerstandsbahnen 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
zwecks Wärmekopplung über metallische
Stege 20a, 20b, 20c und 20d,
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, mit
dem Substrat verbunden. 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 1 dargestellt ist. Alternativ
könnte
die Wärmeableitung
von den Bal ken 16a – 16f hin
zum Substrat an den Widerstandsleitungen vorbei auch durch einzelne
Durchkontaktierungen bzw. Einzelkontakte (Vias) realisiert sein,
wie z.B. durch eine Durchkontaktierung pro Balken oder eine einzige
Durchkontaktierung für
alle Balken, die über
einen gemeinsamen Balken mit den Balken 16a – 16f verbunden
ist.
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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.
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Während des
Betriebs erwärmen
die Widerstandsbahnen 10a–10c sich selbst und
die Umgebung. Die von den oberhalb der Widerstandsbahnen 10a – 10c 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 wieder um, 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.
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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.
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Die
unterhalb der Widerstandsbahnen 10a – 10c angeordneten
Balken 18a – 18i erhöhen den
effektiven Wärmeleitfähigkeitswert
zwischen den Widerstandsbahnen 10a – 10c und dem Substrat.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß in 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.
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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.
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Bezugnehmend
auf 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. Die streifenförmige Anordnung
der Balken 16a – 16f und 18a – 18i ist
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.
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Bezugnehmend
auf 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben, das sich von demjenigen
von 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.
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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.
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Bezugnehmend
auf 2 wird darauf hingewiesen,
daß, obwohl
der Kühlungseffekt
um so größer ist,
je näher
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.
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Abschließend wird
bezugnehmend auf 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.
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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.
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Hierzu
sind die metallischen Strukturen von 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
bzw. 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 Widerstandsbahn beispielsweise
in einer Aufwärmphase
vorab auf die Betriebstemperatur eingestellt wird. Auch Adaption
auf unterschiedliche Umgebungstemperaturen sind machbar.
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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.
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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 Mikrofluidkana labschnitt, der mit der metallischen
Struktur thermisch gekoppelt ist, in einen der beiden Kreisläufe zu schalten.
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Abschließend, in
anderen Worten ausgedrückt,
schafft die vorliegende Erfindung in der Mikroelektronik auf dem
Chip integrierte Kühlkörper zur Stabilisierung
des Temperaturbudgets von Bauelementen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen
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.
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- 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