KR20160122177A - 집적 회로 레지스터들을 위한 열 금속 접지 - Google Patents

집적 회로 레지스터들을 위한 열 금속 접지 Download PDF

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Abstract

집적 회로 저항기들로부터 열을 방열시키기 위해서 금속 열 접지들이 사용된다. 저항기들은, 라인 층의 프런트 엔드, 예를 들어, 티타늄-질화물 층을 이용하여 형성될 수 있다. (예를 들어, 제 1 금속 층 내의) 금속 영역은 방열판을 형성하기 위해 저항기들 위에 위치된다. 금속 영역에 연결되는 열 기둥들의 영역이 또한 저항기 위에 위치된다. 금속 영역은, 집적 회로로부터 낮은 임피던스 열 경로를 제공하기 위해서 집적 회로의 기판에 연결될 수 있다.

Description

집적 회로 레지스터들을 위한 열 금속 접지{THERMAL METAL GROUND FOR INTEGRATED CIRCUIT RESISTORS}
[0001] 본 발명은 집적 회로들에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 집적 회로 레지스터들을 냉각시키기 위한 열 금속 접지에 관한 것이다.
[0002] 일부 집적 회로 레지스터들은 높은 전력 손실과 함께 동작한다. 이는 저항기의 영역을 가열하게 된다. 결과적으로 증가된 온도는 그 영역 내 회로 엘리먼트들의 신뢰도를 손상시킬 수 있다. 예를 들어, 저항기를 거쳐 라우팅되는 금속 인터커넥트 라인들은, 전자이동의 증가로 인해 어려움을 겪는다. 또한, 집적 회로 제조 프로세스들은 점점 더 작은 피처 크기들로 축소되고 있다. 이는, 국지적인 영역들에서 전력 밀도를 증가시키고 온도를 상승시킬 수 있다.
[0003] 집적 회로의 입력들 및 출력들의 ODT(on-die termination) 용으로 사용되는 저항기들은 높은 전력 손실을 가질 수 있는 저항기들의 일례이다. 일부 이전 설계들은, 저항기들을 물리적으로 더 크게 제조함으로써 (전기 저항이 변경되지 않도록 저항기의 폭과 길이 둘 모두를 증가시킴으로써) 온도 증가를 줄였다. 일부 이전 설계들은 금속 인터커넥트들을 라우팅하기 위해 저항기 근처의 영역을 사용하지 않았다. 이러한 접근법들 둘 모두는, 집적 회로가 더 커지게 하기 때문에 바람직하지 않다.
[0004] 금속 열 접지들을 갖는 통합-회로 저항기들이 제공된다. 저항기들은, FEOL(front end of line) 층, 예를 들어, 티타늄-질화물 층을 이용하여 형성될 수 있다. (예를 들어, 제 1 금속 층 내의) 금속 영역이 방열판을 형성하기 위해 저항기들 위에 위치된다. 금속 영역에 연결되는 열 기둥들의 영역이 또한 저항기 위에 위치된다. 금속 영역은, 집적 회로로부터 낮은 임피던스 열 경로를 제공하기 위해서 집적 회로의 기판에 연결될 수 있다.
[0005] 일 양상에서, 저항기; 저항기의 적어도 일부에 평행하고 중첩하게 배치되는 금속 영역; 및 금속 영역에 전기적으로 연결되고 그리고 저항기의 적어도 일부와 중첩되는 중첩부와 금속 영역 사이에 배치되는 하나 또는 그 초과의 열 기둥들을 포함하는 집적 회로가 제공되며, 열 기둥들은 저항기로부터 전기적으로 분리된다.
[0006] 일 양상에서, 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열시키기 위한 방법이 제공된다. 방법은 열 금속 접지와 저항기 사이에 배치되는 하나 또는 그 초과의 열 기둥들을 이용하여 저항기로부터 열 금속 접지로 열을 전도하는 단계; 및 열 금속 접지로부터 직접 회로의 기판으로 열을 전도하는 단계를 포함한다.
[0007] 일 양상에서, 저항기; 저항기의 적어도 일부에 평행하고 중첩되도록 배치되는 금속 영역; 및 저항기로부터 금속 영역으로 열을 전도하기 위한 수단을 포함하는 집적 회로가 제공된다.
[0008] 본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 본 발명의 양상들을 예로서 예시하는 다음 설명으로부터 명확해질 것이다.
[0009] 본 발명의 상세들, 그의 구조 및 동작 둘 모두는, 동일한 참조 부호들이 동일한 부품들을 지칭하는 첨부 도면들의 연구에 의해 부분적으로 수집될 수 있다.
[0010] 도 1은 본원에 개시된 실시예에 따른 금속 열 접지를 갖는 저항기들을 도시한다.
[0011] 도 2는 도 1의 저항기들 및 열적 금속 접지를 위한 열 전달 경로들을 도시한다.
[0012] 도 3은 열 금속 접지를 갖지 않는 저항기들을 위한 열 전달 경로들을 도시한다.
[0013] 도 4는 집적 회로 저항기들로부터의 열을 방열시키기 위한 프로세스의 흐름도이다.
[0014] 첨부된 도면과 관련하여 후술되는 상세한 설명은 다양한 구성들의 설명을 위한 것이며, 본원에 설명된 개념들이 실시될 수 있는 유일한 구성들을 나타내기 위한 것은 아니다. 상세한 설명은 다양한 개념들의 완전한 이해를 제공하기 위해서 특정 세부사항들을 포함한다. 그러나 이러한 개념들은 이러한 특정 세부사항들없이 실시될 수도 있음이 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이다. 어떤 경우들에는, 이러한 개념들을 불명료하게 하는 것을 피하기 위해, 잘 알려진 구조들 및 컴포넌트들이 단순화된 형태로 도시된다.
[0015] 도 1은 금속 열 접지를 갖는 저항기들의 예시적인 레이아웃을 도시한다. 도 1a는 상면도이다. 이는 집적 회로의 레이아웃을 설계하기 위해 흔히 사용되는 도면이다. 도 1b는 라인 B-B에 따른 단면도이다. 도 1c는 라인 C-C에 따른 단면도이다. 동일한 영역들 및 계층들은 도면들에서 동일한 도면부호로 표시된다. 모든 계층들이 도시되는 것을 아니다. 추가적으로, 형상들은 제조된 집적 회로에서 변할 수 있지만, 영역들은 전반적으로 직사각형으로 도시된다. CMOS 기술에 대한 예가 설명되지만, 다른 기술들이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 상이한 제조 프로세스들이 집적 회로용으로 사용될 경우, 특정 계층들의 배열이 변할 수 있고 계층들이 변할 수 있다.
[0016] 도 1의 예는 2개의 저항기들(110a, 110b)을 포함한다. 저항기들은 티타늄-질화물 층에서 형성될 수 있다. 저항기는, 예를 들어, 저항기들의 반대쪽 단부들에 위치되는 금속 및 컨택트들(125a, 125b)을 통해 다른 회로에 연결된다. 저항기들(110a, 110b)이 유전체(130a)에 의해 둘러싸여 있다. 전기 절연체인 것 이외에도, 유전체(130a)는 불량한 열 전도체이다.
[0017] 열 금속 영역(120)이 저항기들 위에 위치된다. 열 금속 영역(120)은 저항기들(110a, 110b)을 위한 방열판을 제공한다. 열 금속 영역(120)이 전류를 반송하지 않기 때문에, 열 금속 영역(120)의 국지적인 가열은 신뢰도 문제를 제기하지 않으며, 따라서, 전자이동에 민감하지 않다. 열 금속 영역(120)이 제 1 금속층(집적 회로의 기판에 가장 가까운 금속층)에 형성될 수 있다. 제 1 금속층은 종종 "M1"로 지칭되고, "M1"은 또한 집적 회로 상의 컴포넌트들 사이에서 신호 인터커넥트들을 라우팅하기 위해 사용된다. 신호 인터커넥트들은 다른 금속층들을 마찬가지로 사용할 수 있다; 예를 들어, 집적 회로의 일 영역 내의 트랜지스터가 제 1 금속 층에 연결된 후, 더 높은 금속 층에 연결되고, 그리고 집적 회로의 제 2 영역으로 라우팅될 수 있으며, 더 높은 금속 층들은 다시, 집적 회로의 제 2 영역 내 트랜지스터에 연결되는 제 1 금속 층에 연결된다. 열 금속 영역(120)은, 예를 들어, 구리 및 다른 금속들로 형성될 수 있다.
[0018] 도 1의 실시예에서, 열 금속 영역(120)이 집적 회로의 기판(140)에 연결된다. 열 금속 영역(120)은, 기판(140)의 분리 영역들(145a, 145b) 사이의 위치들에서 기판(140)에 연결된다. 이 연결들은, 예를 들어, 기판이 p-형인 경우 p-확산 영역들에 대한 연결일 수 있다. 연결들은 유전체 층들(130a, 130b, 130c)의 컨택트 개구들 내에 위치되는 컨택트들(150a, 152a, 150b, 152b, 150c, 152c)을 통과한다. 컨택트들은, 또한 양호한 열 전도체인 텅스텐과 같은 전기 전도체로 형성된다. 도 1의 실시예에서, 열 금속 영역(120)은, 컨택트들 및 p-확산 영역들을 통해 기판(140)에 저항으로(ohmically) 연결된다. 열 금속 영역(120)은 대안으로, 예를 들어, 다이오드 컨택트를 형성하는 p-타입 기판에서 n-확산 영역들 이용하여, 옴(ohmic) 컨택트없이 기판에 연결될 수 있다. 열 금속 영역(120)은 대안으로, 열 금속 영역(120)과 기판(140) 사이의 전기 연결 없이, 예를 들어, 높은 열 전도율을 갖는 전기 절연체인 베릴리아(beryllia)와 같은 개재 재료를 이용함으로써 기판에 열적으로 연결될 수 있다. 컨택트 및 유전체 층들의 특정 배열은 상이한 프로세스 노드들에 대해 상이할 수 있다. 열 금속 영역(120)과 기판(140) 사이의 연결은, 예를 들어, 집적 회로 상의 다른 곳 소스-드레인 영역과 제 1 금속 층 영역들 사이에 사용되는 연결의 타입과 동일할 수 있다. 열 금속 영역(120)은 유전체층(도 1에 도시되지 않음)에 의해 둘러싸여 있다.
[0019] 전기 전도체인 것 이외에도, 열 금속 영역(120)은 양호한 열 전도체이다. 따라서, 열 금속 영역(120)은 저항기들(110a, 110b)로부터 열을 방열시키기 위해 낮은 열 저항을 경로에 제공할 수 있다. 기판(140)이 예를 들어, 집적 회로 패키지 내의 금속에 대한 연결을 통해 열을 방열시키기 위한 낮은 열 저항 경로를 가질 수 있기 때문에, 열 금속 영역(120)을 기판(140)에 연결시키는 것은 저항기들(110a, 110b)로부터 열을 방열시키기 위해 열 저항을 추가로 감소시킬 수 있다.
[0020] 열 기둥들(122a, 122b)의 어레이가 열 금속 영역(120)과 저항기(110a, 110b) 사이의 층에 위치된다. 열 기둥들(122a, 122b)은, 예를 들어, 텅스텐 또는 다른 금속들을 포함할 수 있다. 열 기둥들 및 열 기둥들을 위한 개구들은, 집적 회로의 기판 내의 소스/드레인 영역들과 제 1 금속 층 사이에서 컨택트들 및 컨택트 개구들을 형성하기 위해 사용되는 방법들과 유사한 방법들에 의해 형성될 수 있다. 열 기둥들(122a, 122b)을 위한 개구들은, 예를 들어, 상이한 유전체 재료들 사이에서 선택적으로 에칭함으로써 또는 정해진 시간(timed)의 에칭에 의해 형성될 수 있다. 열 기둥들(122a, 122b)이 열 금속 영역(120)에 연결되고 저항기들(110a, 110b)을 향해 연장된다. 열 기둥들(122a, 122b)은 저항기(110a, 110b)에 접촉하지 않는다. 유전체(130a)의 부분들이 열 기둥들(122a, 122b)을 저항기들(110a, 110b)로부터 분리시킨다.
[0021] 열 기둥들(122a, 122b)은 양호한 열 전도체들이다. 특히, 열 기둥들(122a, 122b)은 유전체층들보다 훨씬 더 양호한 열 전도체들이다. 따라서, 저항기(110a, 110b)로부터 열을 방열시키는 열 저항은 저항기들(110a, 110b)에 대한 열 기둥들(122a, 122b)의 근접도만큼 감소된다.
[0022] 도 2는 도 1의 저항기들 및 열적 금속 접지를 위한 열 전달 경로들(200)을 도시한다. 도 3은 열 금속 접지를 갖지 않는 저항기(210)에 대한 열 전달 경로들을 도시한다. 열 금속 영역(120) 및 열 기둥들(122a, 122b)은 저항기들에 의해 보여지는 열 임피던스를 실질적으로 (예를 들어, 25 %) 더 낮출 수 있다. 질적으로, 이는, 도 2에 도시된 열 전달 경로들(200)을 도 3에 도시된 열 전달 경로들(220)과 비교함으로써 이해될 수 있다. 열 금속 접지를 갖지 않는 열 전달 경로들(220)은 전반적으로 유전체 층들(예를 들어, 저항기 위의 유전체(230) 및 다른 유전체 층들 또는 저항기 아래의 유전체(230) 및 다른 유전체 층들)을 통과한다. 열 금속 접지를 갖는 열 전달 경로들(200)은 전반적으로, 금속 및 실리콘 층들(예를 들어, 열 기둥들(122a, 122b), 열 금속 영역(120), 컨택트들(150a, 152a, 150b, 152b), 및 기판(140))을 통과한다. 금속층들과 실리콘 기판은 우수한 열 전도체들이고 유전체 층들은 불량한 열 전도체들이므로, 금속 및 기판을 통과하는 열 경로는 유전체들을 통과하는 경로보다 저항이 낮다.
[0023] 도 4는 본원에 개시되는 실시예에 따른 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 4의 프로세스는 다양한 집적 회로들로 수행될 수 있다; 그러나, 특정 예를 제공하기 위해서, 방법은 도 1을 참고로 하여 설명될 것이다.
[0024] 단계(410)에서, 하나 또는 그 초과의 열 기둥들을 이용하여 저항기로부터 열 금속 접지로 열이 전도된다. 열 기둥들이, 열 금속 접지와 저항기 사이에 배치된다. 예를 들어, 열이 열 기둥들(122a)을 이용하여 저항기(110a)로부터 열 금속 영역(120)으로 전도된다.
[0025] 단계(410)에서, 열이 열 금속 접지로부터 집적 회로의 기판으로 전도된다. 예를 들어, 열이 컨택트들(150b, 152)을 이용하여 열 금속 영역(120)으로부터 기판(140)으로 전도될 수 있다.
[0026] 도 4의 프로세스는, 예를 들어, 단계들을 추가, 생략, 재정렬 또는 변경함으로써 변경될 수 있다. 추가로, 단계들은 동시에 수행될 수 있다.
[0027] 본 발명의 실시예들이 특정 실시예들에 대해 상술되었지만, 예를 들어, 상이한 수의 저항기들, 열 기둥들, 및 열 금속 영역들을 갖는 것들을 포함하여 본 발명의 많은 변화들이 가능하다. 다양한 엘리먼트들의 형상들 및 위치들이 또한 변할 수 있다. 예시된 실시예에서, 저항기들에 연결하는 데에도 사용되는 제 1 금속층에서 열 금속 영역이 형성되기 때문에 열 금속 영역 및 저항기들은 부분적으로만 중첩될 수 있다. 다른 실시예들은, 상이한 층들을 사용할 수 있고 열 금속 영역과 저항기들 사이에 완전한 중첩을 가질 수 있다.
[0028] 방향 용어들, 이를 테면, 위, 아래, 왼쪽, 및 오른쪽은 일부 특징들을 설명하는 데 사용된다. 이 용어는 명확하고 간결한 설명들을 제공하는 데 사용된다. 용어들은 상대적이며, 특정한 절대적인 배향이 추론되지 않아야 한다. 추가로, 다양한 실시예들의 특징들이 상술된 것들과는 상이한 조합들로 결합될 수 있다.
[0029] 개시된 실시예들의 상기의 설명은 어떠한 당업자라도 본 발명을 이용하거나 실시할 수 있게 하도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들이 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 쉽게 명백할 것이며, 본 명세서에 설명되는 일반 원리들은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 이와 같이, 본원에 제시되는 설명 및 도면들은 본 발명의 현재 바람직한 실시예들을 나타내고 따라서 본 발명에 의해 광범위하게 고려되는 대표적인 요지를 나타낸다는 것을 이해한다. 추가로, 본 발명의 범위는, 당업자에게 명백하게 되는 다른 실시예들을 전적으로 포함하며, 본 발명의 범위는 따라서 첨부된 청구범위 이외의 어떠한 것으로도 제한되지 않는다는 것을 이해한다.

Claims (22)

  1. 집적 회로로서,
    저항기;
    상기 저항기의 적어도 일부에 평행하게 그리고 중첩하게 배치되는 금속 영역; 및
    상기 금속 영역에 전기적으로 연결되고 그리고 상기 저항기의 적어도 일부와 중첩되는 중첩부와 상기 금속 영역 사이에 배치되는 하나 또는 그 초과의 열 기둥들을 포함하고,
    상기 하나 또는 그 초과의 열 기둥들은 상기 저항기로부터 전기적으로 분리되는, 집적 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 영역은 상기 집적 회로의 기판에 전기적으로 연결되는, 집적 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기는 티타늄 질화물로 이루어지는, 집적 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 영역은 상기 집적 회로의 제 1 금속 층에 형성되는, 집적 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 영역은 상기 저항기 위에 배치되는, 집적 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항기는 유전체로 둘러싸이는, 집적 회로.
  7. 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열시키기 위한 방법으로서,
    상기 저항기의 적어도 일부와 평행하게 그리고 중첩하게 배치되는 금속 영역을 제공하는 단계; 및
    상기 저항기의 적어도 일부와 중첩되는 중첩부와 상기 금속 영역 접지 사이에 배치되는 하나 또는 그 초과의 열 기둥들을 이용하여 상기 저항기로부터 열 금속 접지로 열을 전도하는 단계 ―상기 하나 또는 그 초과의 열 기둥들은 상기 저항기로부터 전기적으로 절연됨―; 및
    상기 열 금속 접지로부터 상기 집적 회로의 기판으로 열을 전도하는 단계를 포함하는, 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 열 기둥들은 상기 열 금속 접지에 전기적으로 연결되는, 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열시키기 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 열 금속 접지는 상기 집적 회로의 상기 기판에 전기적으로 연결되는, 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열시키기 위한 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 저항기는 티타늄 질화물로 이루어지는, 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열시키기 위한 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 열 금속 접지는 상기 집적 회로의 제 1 금속 층에 형성되는, 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열시키기 위한 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 저항기는 유전체에 의해 둘러싸이는, 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열시키기 위한 방법.
  13. 집적 회로로서,
    저항기;
    상기 저항기의 적어도 일부에 평행하게 그리고 중첩하도록 배치되는 금속 영역; 및
    상기 저항기로부터 상기 금속 영역으로 열을 전도하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 열을 전도하기 위한 수단은 상기 금속 영역과 상기 저항기의 적어도 일부와 중첩하는 중첩부 사이에 배치되는 하나 또는 그 초과의 열 기둥들을 포함하고, 상기 하나 또는 그 초과의 열 기둥들은 상기 저항기로부터 전기적으로 분리되는, 집적 회로.
  14. 제 13 항에 잇어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 열 기둥들은 상기 금속 영역에 전기적으로 연결되는, 집적 회로.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 영역은 상기 집적 회로의 기판에 전기적으로 연결되는, 집적 회로.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 저항기는 티타늄 질화물로 이루어지는, 집적 회로.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 영역은 상기 집적 회로의 제 1 금속 층에 형성되는, 집적 회로.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속 영역은 상기 저항기 위에 배치되는, 집적 회로.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 저항기는 유전체에 의해 둘러싸이는, 집적 회로.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 열 기둥들은, 열 기둥들의 2-차원 어레이를 포함하는, 집적 회로.
  21. 제 7 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 열 기둥들은, 열 기둥들의 2-차원 어레이를 포함하는, 집적 회로 내의 저항기로부터 열을 방열시키기 위한 방법.
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 열 기둥들은, 열 기둥들의 2-차원 어레이를 포함하는, 집적 회로.
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