使用自组装纳米线从集成电路除去热量的方法及设备技术

本发明专利技术涉及集成电路结构内的热传导。本发明专利技术公开了热传导装置及其制造方法，该方法使用热传导通路从衬底的局部发热区取出热量到集成电路管芯的顶面或底面。传导通路包含用于促进从集成电路进行热传导的自组装碳纳米管。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及集成电路结构内的热和电信号的传输。更具体地，本专利技术公开了自组装纳米线的应用，其中自组装纳米线用于促进从集成电路进行热传导，以及用于提高在集成电路内传播的电信号的速度。
技术介绍
用于冷却半导体IC的现有技术整合大而昂贵的芯片封装的使用，该芯片封装具有连接至陶瓷或塑料封装IC芯片的外部安装的翅式散热片。随着现代集成电路的速度和密度的增加，由这些芯片产生的功率也增大，常常与增加的密度和功能性成等比。在视频处理和CPU应用范围中，在技术的发展中消散目前的IC产生的热的能力变成严重的限制。尽管问题的一些方面可通过例如风扇等强制对流装置(甚至是液体冷却)减轻，但是问题核心现在转移到芯片自身内的热阻。由于在半导体结处产生的热通量很高，结和外封装表面之间的物质的导热性较差，所以减少外封装表面温度正在产生逐渐减弱的效果。此问题产生了直接影响芯片可靠性的高结温。与用于使芯片功率产生最小的可用芯片设计技术(降低电压、在无源时关闭晶体管的时钟控制方案、减少不重要的晶体管的尺寸等)不同，目前的技术不能在芯片内提供任何特定结构来执行散热和减少结温。在硅有源器件(半导体结)处或附近产生的热通过两条路径消散a)通过金属间电介质和金属层到顶部粘合层，或b)通过体硅向晶片底部，其中在晶片底部，使得芯片背面与封装散热片接触。这两条路径热阻很高。在目前的技术中，限制因素是电介质和体硅材料的“绝缘体”热特征。更有限制性的是，热传导路径常常通过体硅衬底到芯片底部或背面。随着金属和绝缘体层的数量增加来容纳芯片互联，预料它们的温度将增加。由于仅在芯片一侧散热，所以变得更难以“冷却”芯片。结果，大而快速切换的晶体管使其自身的结温升高到某些最大值之上。对于具有高电流和切换活动的金属线来说也是如此。所需要的是一种靠近功率产生半导体结的结构，它专门设计为传导热量到芯片外表面。这样的结构应与目前的半导体制造技术兼容，提供显著降低的热阻，并且成本较低。除了考虑热以外，相关问题涉及用于电互联硅/CMOS IC内的大量器件的技术。目前的技术使用多个金属层，这些金属层通过电介质绝缘，且通过通路层层相连。互连导体由例如钨、铝、和/或铜制成。绝缘电介质由很多材料制成，并且可以是基于有机或无机的。互连导体用于既提供信号连接又提供电力连接至CMOS芯片内的多个半导体器件。由于半导体IC中的水平尺寸不断减小，互连RC延迟器对于某些长的全程互连导线(其长度可接近芯片周长的一半)来说可以是非常大的。IC互连延迟器和不想要的寄生耦合效应是控制芯片和电子系统速度性能改进的唯一最重要的因素。尽管收缩设计规则提高了晶体管工作速度，提高了功能密度，但是通过限制芯片工作速度和信息传送给内部器件的速度，电路互连路径可能控制整个系统性能。为了减少电阻和保持导体横截面面积，目前的技术使得线导体高而细，这进一步提高了相邻导体之间的横向电容。此横向电容对整个速度影响减小，但是导致相邻信号线之间的“串扰”增加。同样，随着开关电路的频率增加到接近千兆赫水平，金属导体的“集肤效应”进一步提高其电阻值。连续的向下特征缩小的一个结果已经增加了设计今天的IC所需要的时间。用于IC产品的适当设计的当前技术已经造成一个难处理的问题，要求对每个互连导线和其寄生交互效应进行数学建模，并且模拟大量群集有源器件及其功能块的相互作用。在当前的芯片设计技术中，最困难的设计目标之一是使每根导线的长度最短和使RC延迟器最小，特别是对于长导线来说更是如此。这种复杂的设计过程已经延长了将新产品投放市场所需要的时间，从而显著提高了研发成本。所需要的是这样一种互连系统，具有改进的高速度、高传导率，能够提高信号速度，降低相邻导体的串扰，和减少功耗。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种用于制造集成电路内的热传导装置的方法，包括以下步骤(1)在硅衬底中制造至少一个晶体管；(2)在晶体管的顶面上沉积第一介电层；(3)在第一介电层的顶面上沉积金属催化剂层；(4)在金属催化剂层的顶面上沉积第二介电层；(5)穿过所述第二介电层到所述金属催化剂层的顶面蚀刻至少一个空腔，其中空腔位于晶体管上方。在步骤(6)中，在空腔内产生至少一个碳纳米管，其中碳纳米管从金属催化剂层的顶面延伸到第二介电层的至少顶部水平面。在步骤(7)中，在第二介电层的顶面上沉积金属热传导层，使得晶体管产生的热从晶体管顶面通过碳纳米管传导到金属热传导层。本专利技术的另一目的是提供一种用于制造集成电路管芯内的热传导装置的方法，包括以下步骤(1)在硅衬底的顶面中制造至少一个晶体管；(2)在硅衬底内切割至少一个空腔，该空腔通过硅衬底的背面在晶体管下方延伸；(3)在空腔内沉积催化剂层；以及(4)在空腔内产生多个碳纳米管，其中碳纳米管从空腔底面延伸到硅衬底的背面。本专利技术的再一目的是提供一种集成电路结构内的热传导装置，包括热传导网络，从有源器件层顶面延伸，通过多个互连级到集成电路结构的顶面。该热传导网络包括横跨所述多个互连级的多个热传导通路。热传导通路与多个互连级的金属导体电绝缘。有源器件层内的有源器件产生的热通过热传导网络传导到集成电路结构的顶面。本专利技术的又一目的是提供一种功耗提高的集成电路管芯，包括衬底，在衬底顶面上制造集成电路的功率产生装置，其中衬底具有基本上平行于所述顶面的背面。本专利技术的集成电路管芯进一步包括至少一个空腔，其中空腔从背面向顶面延伸预定距离，此预定距离小于顶面和背面之间的距离；以及包含在空腔内的热传导介质，该介质的导热率比衬底的体导热率大，使得功率产生装置产生的热经由热传导介质传递到背面。附图说明在考虑以下对本专利技术的详细描述后将更好地理解本专利技术。这些描述参考附图，其中在附图中 图1是根据本专利技术的一个实施例的集成电路机构的部分横截面图，该集成电路机构具有热传导的碳纳米管填充的通路，其中通路位于晶体管结上方；图2是根据本专利技术的一个实施例的集成电路晶体管的示意性顶视图，表示出热传导通路的可能位置；图3是根据本专利技术的一个实施例的集成电路结构的部分横截面图，该集成电路结构具有通过多个金属互连层延伸的多个热传导通路314；图4是根据本专利技术的一个实施例的集成电路结构的部分横截面图，该集成电路结构具有整合到硅衬底背面的碳纳米管填充的热传导结构；图5是图4的标号404的详细图示；图6是根据本专利技术的一个实施例的集成电路结构的部分横截面图，该集成电路结构既具有热传导通路，又具有背面热传导结构；图7a-e(现有技术)是在填充通路的镶嵌工艺期间集成电路结构的部分横截面图；图8a-e是根据本专利技术的一个实施例，在填充包含碳纳米管的热传导通路的工艺期间集成电路结构的部分横截面图；图8f-i是根据本专利技术的一个实施例，在填充包含碳纳米管的热传导通路的流水线过程期间集成电路结构的部分横截面图；图9是根据本专利技术的一个实施例的集成电路结构的部分横截面图，该集成电路结构具有安装在部分完全集成电路上方的高速互连结构，该部分完全集成电路利用标准技术产生；图10a是根据本专利技术的一个实施例的图9的高速互连结构904的示意性顶视图；图10b是图10a的详细的示意性顶视图；以及图11是用于产生根据本专利技术的一个实施例的具有高速互连结构的集成电路的流程图。具体实施例方式本专利技术的一个目的是提供一种靠近集成电路芯片的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造集成电路内的热传导装置的方法，包括以下步骤：（１）在硅衬底中制造至少一个晶体管；（２）在所述至少一个晶体管的顶面上沉积第一介电层；（３）在所述第一介电层的顶面上沉积金属催化剂层；（４）在所述金属催 化剂层的顶面上沉积第二介电层；（５）穿过所述第二介电层到所述金属催化剂层的顶面蚀刻至少一个空腔，所述至少一个空腔位于所述至少一个晶体管上方；（６）在所述至少一个空腔内生成至少一个碳纳米管，所述至少一个碳纳米管从所述金属催化剂 层的顶面延伸到所述第二介电层的至少顶面；以及（７）在所述第二介电层的顶面上沉积金属热传导层，使得所述晶体管产生的热从所述晶体管顶面通过所述至少一个碳纳米管传导到所述金属热传导层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-1-24 60/442,4501.一种用于制造集成电路内的热传导装置的方法，包括以下步骤(1)在硅衬底中制造至少一个晶体管；(2)在所述至少一个晶体管的顶面上沉积第一介电层；(3)在所述第一介电层的顶面上沉积金属催化剂层；(4)在所述金属催化剂层的顶面上沉积第二介电层；(5)穿过所述第二介电层到所述金属催化剂层的顶面蚀刻至少一个空腔，所述至少一个空腔位于所述至少一个晶体管上方；(6)在所述至少一个空腔内生成至少一个碳纳米管，所述至少一个碳纳米管从所述金属催化剂层的顶面延伸到所述第二介电层的至少顶面；以及(7)在所述第二介电层的顶面上沉积金属热传导层，使得所述晶体管产生的热从所述晶体管顶面通过所述至少一个碳纳米管传导到所述金属热传导层。2.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中第一和第二介电层包括氮化硅。3.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中所述金属催化剂层包括镍。4.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中所述金属催化剂层包括钴。5.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中所述金属热传导层包括铜。6.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中所述金属热传导层包括铝。7.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中所述金属热传导层沉积在与所述至少一个纳米管接触的所述至少一个空腔内。8.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中所述金属热传导层的顶面在沉积后平面化，使得所述至少一个纳米管不会在所述金属热传导层的所述顶面上方延伸。9.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中所述至少一个空腔位于所述至少一个晶体管的漏区上方。10.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中所述至少一个空腔位于所述至少一个晶体管的源区上方。11.一种如权利要求1中所述的用于制造集成电路内的热传导装置的方法，其中所述至少一个空腔位于所述至少一个晶体管的发热区上方。12.一种用于制造集成电路管芯内的热传导装置的方法，包括以下步骤(1)在硅衬底的顶面中制造至少一个晶体管；(2)在所述硅衬底内切割至少一个空腔，所述至少一个空腔通过所述硅衬底的背面在所述至少一个晶体管下方延伸；(3)在所述至少一个空腔内沉积催化剂层；以及(4)在所述至少一个空腔内生长多个碳纳米管，所述多个碳纳米管从所述至少一个空腔的底面延伸到硅衬底的背面。13.一种如权利要求12中所述的用于制造集成电路管芯内的热传导装置的方法，进一步包括以下步骤(5)在生长所述多个碳纳米管、与所述多个碳纳米管接触的所述金属热传导层后，在所述硅衬底背面上和所述至少一个空腔内沉积金属热传导层。14.一种如权利要求13中所述的用于制造集成电路管芯内的热传导装置的方法，进一步包括以下步骤(6)使所述硅衬底的背面平面化，使得所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：C丹格洛，
申请(专利权)人：纳米传导公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]