JP2017506433A - 集積回路抵抗器のための熱金属グラウンド - Google Patents

Abstract

金属熱グラウンドが、集積回路抵抗器からの熱を散逸させるために使用される。抵抗器は、フロントエンドオブライン層、例えば、窒化チタン層を使用して形成され得る。金属領域（例えば、第１の金属層における）は、ヒートシンクを形成するために抵抗器の上部に位置する。金属領域に接続される熱ポストのエリアもまた、抵抗器の上部に位置する。金属領域は、集積回路の基板に接続され、集積回路からの低インピーダンス熱経路を提供することができる。

Description

[0001] 本発明は、集積回路（integrated circuit）に関し、より具体的には、集積回路抵抗器（integrated circuit resistor）を冷却するための熱金属グラウンド（thermal metal ground）に関する。

[0002] いくつかの集積回路抵抗器は、高い電力散逸（power dissipation）で動作する。これは、抵抗器（resistor）のエリアを熱することになる。その結果生じる増加した温度は、そのエリアの回路要素の信頼性を損なわせる可能性がある。例えば、それら抵抗器上にルーティングされる（routed over）金属相互接続線（metal interconnect lines）は、増加したエレクトロマイグレーション（electromigration）を被る可能性がある。加えて、集積回路製造処理は、より一層小さな最小寸法（feature size）へとスケーリングされるようになった。これは増加した電力密度の可能性をもたらし、局所化されたエリア（localized areas）において温度が上昇する。

[0003] 集積回路の入力および出力のオンダイ終端（ＯＤＴ：on-die termination）のために使用される抵抗器は、高い電力散逸を有し得る抵抗器の例である。いくつかの従前の設計は、抵抗器を物理的により大きくする（電気抵抗が変わらないように抵抗器の幅および長さの両方を増加させる）ことによって、温度増加を低めてきた。いくつかの従前の設計は、金属相互接続をルーティング（routing）するために抵抗器の近くのエリアを使用していなかった。これらのアプローチの両方は、結果的により大きな集積回路をもたらすので、望ましくない。

[0004] 金属熱グラウンド（metal thermal ground）を用いた集積回路抵抗器が提供される。抵抗器は、フロントエンドオブライン（ＦＥＯＬ：front end of line）層、例えば、窒化チタン層（titanium-nitride layer）を使用して形成（form）され得る。金属領域（metal region）（例えば、第１の金属層（metal layer）における）は、抵抗器の上部に位置し（located over）、ヒートシンク（heat sink）を形成する。その金属領域に接続される熱ポスト（thermal posts）のエリアもまた、抵抗器の上部に位置する。金属領域は、集積回路の基板（substrate）に接続され、集積回路からの低インピーダンス熱経路（low impedance thermal path）を提供することができる。

[0005] １つの態様では、以下を含む集積回路が提供される：抵抗器と；その抵抗器の少なくとも一部にオーバーラップ（overlap）し、およびそれと並行に配置（dispose）された金属領域と；金属領域に電気的に（electrically）接続され、その金属領域と抵抗器との間に配置される１つ以上の熱ポストであって、それら熱ポストは、抵抗器とは電気的に絶縁（isolate）される、１つ以上の熱ポスト。

[0006] １つの態様では、集積回路中の抵抗器から熱（heat）を散逸させる（dissipating）ための方法が提供される。この方法は、以下を含む：熱金属グラウンドと抵抗器との間に配置された１つ以上の熱ポストを使用して、抵抗器から熱金属グラウンドへ熱を伝導（conduct）することと；熱金属グラウンドから集積回路の基板へ熱を伝導すること。

[0007] １つの態様では、以下を含む集積回路が提供される：抵抗器と；抵抗器の少なくとも一部にオーバーラップし、およびそれと並行に配置された金属領域と；抵抗器から金属領域へ熱を伝導するための手段。

[0008] 本発明の他の特徴および利点は、例として本発明の態様を例示する、以下の説明から明らかになるはずである。

[0009] 本発明の詳細は、それの構造および動作の両方に関して、同様の参照符号は同様の部分を指している添付の図面を検討することによって部分において見つけられ得る。

[0010] 図１は、ここに開示された実施形態による、金属熱グラウンドを用いた抵抗器を例示する。 [0011] 図２は、図１の抵抗器および熱金属グラウンドに関する熱伝達経路（heat transfer paths）を例示する。 [0012] 図３は、熱金属グラウンドを用いない抵抗器に関する熱伝達経路を例示する。 [0013] 図４は、集積回路抵抗器から熱を散逸させる（dissipating）ための処理のフローチャートである。

[0014] 添付図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、様々な構成の１つの説明として意図されており、ここに説明される概念が実現され得る唯一の構成を表すようには意図されていない。詳細な説明は、様々な概念の徹底した理解を提供することを目的として特定の詳細を含む。しかしながら、これらの概念がこれらの特定の詳細なしに実施され得ることは、当業者に明らかであるだろう。いくつかの例では、そのような概念をあいまいにすることを避けるために、周知の構造およびコンポーネントが、簡略化された形態で示される。

[0015] 図１は、金属熱グラウンドを用いる抵抗器の例示的なレイアウトを例示する。図１Ａは、上面図（top view）である。これは、一般に集積回路のレイアウトを設計するために使用される図である。図１Ｂは、線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。図１Ｃは、線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。同様の領域および層は、図において同様の参照記号（reference）を用いて示される。すべての層が示されるわけではない。加えて、製造された集積回路において形は変わり得るが、領域は、一般に、長方形で例示される。この例は、ＣＭＯＳ技術に関して説明されるが、他の技術を用いても使用され得る。特定の層の配列は変わることができ、そして使用される層も変わることができ、それは例えばその集積回路に異なる製造処理が使用されるときである。

[0016] 図１の例は、２つの抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）を含む。それら抵抗器は、窒化チタン層で形成され得る。それら抵抗器は、例えば、それら抵抗器の反対端（opposite ends）に位置する金属およびコンタクト（１２５ａ、１２５ｂ）を介して他の電気回路に接続される。これら抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）は、誘電体（dielectric）１３０ａで囲まれる。電気絶縁体であることに加えて、誘電体１３０ａは、不良熱導体（poor thermal conductor）である。

[0017] 熱金属領域（thermal metal region）１２０は、抵抗器の上部に位置する。熱金属領域１２０は、抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）にヒートシンクを提供する。熱金属領域１２０は電流を搬送しないので、熱金属領域１２０の局部加熱（Local heating）は、信頼性問題（reliability issue）を引き起こすことはなく、したがって、エレクトロマイグレーションの影響を受けにくい（not susceptible to）。熱金属領域１２０は、第１の金属層（集積回路の基板に最も近い金属層）に形成され得る。第１の金属層は、「Ｍ１」と称されることが多く、また集積回路上のコンポーネント間の信号相互接続（signal interconnects）をルーティングするために使用される。信号相互接続は、他の金属層も使用し得る：例えば、集積回路の１つのエリアにおけるトランジスタは、第１の金属層に接続され、次いで複数のより上位の金属層に接続され、そして集積回路の第２のエリアにルーティングされ得、そこは、該より上位の金属層が、再び集積回路の該第２のエリアにおけるトランジスタに接続された第１の金属層に、接続される所である。熱金属領域１２０は、例えば、銅および他の金属で形成され得る。

[0018] 図１の実施形態においては、熱金属領域１２０は、集積回路の基板１４０に接続される。熱金属領域１２０は、基板１４０中の複数の絶縁領域（isolation regions）（１４５ａ、１４５ｂ）の間の複数の位置で、基板１４０に接続される。それら接続は、例えば、基板がｐ型の時、ｐ−拡散領域（p-diffusion region）へのものであり得る。それら接続は、誘電体層（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ）におけるコンタクト開口（contact opening）に位置するコンタクト（１５０ａ、１５２ａ、１５０ｂ、１５２ｂ、１５０ｃ、１５２ｃ）を通じたものである。それらコンタクトは、タングステン等の導電体（electrical conductor）で形成され、それはまた良好な熱導体（good thermal conductor）である。図１の実施形態において、熱金属領域１２０は、ｐ−拡散領域およびコンタクトを介して基板１４０にオーミックに（ohmically）接続される。熱金属領域１２０は、代替的に、例えば、ダイオードコンタクト（diode contact）を形成するｐ型基板におけるｎ−拡散領域（n-diffusion regions）を使用して、オーミックコンタクト（ohmic contact）なしに基板に接続され得る。熱金属領域１２０は、代替的に、例えば、それ、高い熱伝導率（thermal conductivity）を有する電気絶縁体であるベリリア（beryllia）のような介在材料（intervening material）を使用して、熱金属領域１２０と基板１４０との間の電気的接続を用いずに、基板に熱的に（thermally）接続され得る。コンタクトおよび誘電体層の特定の配列は、異なるプロセスノードについて異なり得る。熱金属領域１２０と基板１４０との間の接続は、例えば集積回路上の他の場所でソース−ドレイン領域と第１の金属層領域との間で使用される接続のタイプと、同じであることができる。熱金属領域１２０は、誘電体層（図１に示されていない）で囲まれる。

[0019] 導電体であることに加えて、熱金属領域１２０は、良好な熱導体である。したがって、熱金属領域１２０は、抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）からの熱を散逸させるための低い熱抵抗を有する経路を提供することができる。基板１４０は、例えば集積回路パッケージにおける金属への接続を介して熱を散逸させるための低い熱抵抗経路を有することができるので、熱金属領域１２０を基板１４０に接続することによって、抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）から熱を散逸させることに関する熱抵抗をさらに低減することができる。

[0020] 熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）のアレイは、熱金属領域１２０と抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）との間の層に位置する。熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）は、例えば、タングステンまたは他の金属を含み得る。熱ポストおよび熱ポストのための開口（openings）は、集積回路の基板におけるソース／ドレイン領域と第１の金属層との間のコンタクトおよびコンタクト開口を形成するために使用される方法と、同様の方法によって形成され得る。熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）のための開口は、例えば、異なる誘電体材料（dielectric materials）間の選択エッチング（selective etching）によって、または時限エッチング（timed etch）によって、形成され得る。熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）は熱金属領域１２０に接続されており、抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）へ向かって伸びる。熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）は、抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）と接しない（do not contact）。誘電体１３０ａの一部が、熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）を抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）から分離する。

[0021] 熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）は、良好な熱導体である。具体的には、熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）は、誘電体層よりも格段に良好な熱導体である。したがって、抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）からの熱の散逸の熱抵抗（the thermal resistance of dissipating heat）は、抵抗器（１１０ａ、１１０ｂ）への熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）の近接（proximity）によって低減される。

[0022] 図２は、図１の抵抗器および熱金属グラウンドに関する熱伝達経路２００を例示する。図３は、熱金属グラウンドを用いない抵抗器２１０に関する熱伝達経路を例示する。熱金属領域１２０および熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）は、抵抗器が経験する熱インピーダンス（the thermal impedance seen by the resistors）を実質的に（例えば、２５％）に低めることができる。定性的に（Qualitatively）、これは、図２に例示される熱伝達経路２００を、図３に例示される熱伝達経路２２０と比較することによって、理解されることができる。熱金属グラウンドのない熱伝達経路２２０は、一般に、誘電体層（例えば、誘電体２３０および抵抗器の上方の他の誘電体層、あるいは、誘電体２３０および抵抗器の下方の他の誘電体層）を通したものである。熱金属グラウンドを有する熱伝達経路２００は、一般に、金属およびシリコン層（例えば、熱ポスト（１２２ａ、１２２ｂ）、熱金属領域１２０、コンタクト（１５０ａ、１５２ａ、１５０ｂ、１５２ｂ）、および基板１４０を通したものである。金属層およびシリコン基板は、良好な熱導体であり、誘電体層は不良熱導体であるので、よって金属および基板を通した熱経路は、誘電体を通した経路よりも抵抗が少ない（less resistive than）。

[0023] 図４は、ここに開示された実施形態による、集積回路中の抵抗器から熱を散逸させるための方法を例示するフローチャートである。図４の処理は、様々な集積回路を用いて実行され得るが、具体的な例を提供するために、この方法は、図１を参照して説明される。

[0024] ステップ４１０において、熱は、１つ以上の熱ポストを使用して、抵抗器から熱金属グラウンドへ伝導される。熱ポストは、熱金属グラウンドと抵抗器との間に配置される。例えば、熱は、熱ポスト１２２ａを使用して、抵抗器１１０ａから熱金属領域１２０へ伝導されることができる。

[0025] ステップ４１０において、熱は、熱金属グラウンドから集積回路の基板へ伝導される。例えば、熱は、コンタクト１５０ｂ、１５２を使用して、熱金属領域１２０から基板１４０へ伝導されることができる。

[0026] 図４の処理は、例えば、追加、省略、並べ替え、または変更（altering）ステップによって修正され得る。加えて、複数のステップが同時に実行され得る。

[0027] 本発明の実施形態は、特定の実施形態に関して上で説明されたが、例えば、異なる数の抵抗器、熱ポスト、および熱金属領域を用いる本発明の多くの変形が、可能性である。様々な要素の形および位置もまた変えられることができる。例示された実施形態では、熱金属領域が、抵抗器へ接続するためにも使用される第１の金属層に形成されるので、熱金属領域および抵抗器は部分的にのみオーバーラップする。他の実施形態は、異なる層を使用し得、熱金属領域と抵抗器との間の完全なオーバーラップを有し得る。

[0028] 上方、下方、左、右のような、方向を示す用語（terms）が、いくつかの特徴を説明するために使用されている。この専門用語（terminology）は、明確で簡潔な説明を提供するために使用されている。これら用語は、相対的なものであり、特定の絶対的な方向を暗示するものではない。加えて、様々な実施形態の特徴が、上述した組合せとは異なる組合せで組わせられ得る。

[0029] 開示された実施形態の上記説明は、当業者が本発明を製造または使用することができるように提供されている。これらの実施形態への様々な修正は、当業者には容易に明らかであるだろうし、ここに説明された一般的な原理は、本発明の精神または範囲から逸脱しない限り他の実施形態にも適用可能であることができる。したがって、ここに提示された説明および図面は、本発明の現在好ましい実施形態を表し、よって、本発明により広く熟慮される主題事項を代表するものであることは理解されるべきである。さらに、本発明の範囲は、当業者に自明になり得る他の実施形態を完全に包含すること、および、本発明の範囲はしたがって、添付の特許請求の範囲以外の何によっても限定されないことは理解されるべきである。

[0029] 開示された実施形態の上記説明は、当業者が本発明を製造または使用することができるように提供されている。これらの実施形態への様々な修正は、当業者には容易に明らかであるだろうし、ここに説明された一般的な原理は、本発明の精神または範囲から逸脱しない限り他の実施形態にも適用可能であることができる。したがって、ここに提示された説明および図面は、本発明の現在好ましい実施形態を表し、よって、本発明により広く熟慮される主題事項を代表するものであることは理解されるべきである。さらに、本発明の範囲は、当業者に自明になり得る他の実施形態を完全に包含すること、および、本発明の範囲はしたがって、添付の特許請求の範囲以外の何によっても限定されないことは理解されるべきである。
以下に本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[Ｃ１] 集積回路であって、
抵抗器と、
前記抵抗器の少なくとも一部に、オーバーラップし、かつ並行に配置された金属領域と、
前記金属領域に電気的に接続され、かつ前記金属領域と前記抵抗器との間に配置された１つ以上の熱ポストと、前記熱ポストは、前記抵抗器とは電気的に絶縁される、
を備える、集積回路。
[Ｃ２] 前記金属領域は、前記集積回路の基板に電気的に接続される、Ｃ１に記載の集積回路。
[Ｃ３] 前記抵抗器は、窒化チタンで形成される、Ｃ１に記載の集積回路。
[Ｃ４] 前記金属領域は、前記集積回路の第１の金属層に形成される、Ｃ１に記載の集積回路。
[Ｃ５] 前記金属領域は、前記抵抗器の上方に配置される、Ｃ１に記載の集積回路。
[Ｃ６] 前記抵抗器は、誘電体で囲まれる、Ｃ１に記載の集積回路。
[Ｃ７] 集積回路中の抵抗器から熱を散逸させるための方法であって、
熱金属グラウンドと前記抵抗器との間に配置された１つ以上の熱ポストを使用して、前記抵抗器から前記熱金属グラウンドへ熱を伝導することと、
前記熱金属グラウンドから前記集積回路の基板へ熱を伝導することと、
を備える、方法。
[Ｃ８] 前記熱金属グラウンドは、前記抵抗器の少なくとも一部にオーバーラップし、かつ並行に配置される、Ｃ７に記載の方法。
[Ｃ９] 前記熱ポストは、前記熱金属グラウンドに電気的に接続され、前記熱ポストは、前記抵抗器とは電気的に絶縁される、Ｃ７に記載の方法。
[Ｃ１０] 前記熱金属グラウンドは、前記集積回路の前記基板に電気的に接続される、Ｃ７に記載の方法。
[Ｃ１１] 前記抵抗器は、窒化チタンで形成される、Ｃ７に記載の方法。
[Ｃ１２] 前記熱金属グラウンドは、前記集積回路の第１の金属層に形成される、Ｃ７に記載の方法。
[Ｃ１３] 前記抵抗器は、誘電体で囲まれる、Ｃ７に記載の方法。
[Ｃ１４] 集積回路であって、
抵抗器と、
前記抵抗器の少なくとも一部に、オーバーラップし、かつ並行に配置された金属領域と、
前記抵抗器から前記金属領域へ熱を伝導するための手段と、
を備える集積回路。
[Ｃ１５] 前記熱を伝導するための手段は、前記金属領域に電気的に接続され、前記金属領域と前記抵抗器との間に配置された１つ以上の熱ポストを含み、前記熱ポストは、前記抵抗器とは電気的に絶縁される、Ｃ１４に記載の集積回路。
[Ｃ１６] 前記金属領域は、前記集積回路の基板に電気的に接続される、Ｃ１４に記載の集積回路。
[Ｃ１７] 前記抵抗器は、窒化チタンで形成される、Ｃ１４に記載の集積回路。
[Ｃ１８] 前記金属領域は、前記集積回路の第１の金属層に形成される、Ｃ１４に記載の集積回路。
[Ｃ１９] 前記金属領域は、前記抵抗器の上方に配置される、Ｃ１４に記載の集積回路。
[Ｃ２０] 前記抵抗器は、誘電体で囲まれる、Ｃ１４に記載の集積回路。

Claims (20)

1. 集積回路であって、
   抵抗器と、
   前記抵抗器の少なくとも一部に、オーバーラップし、かつ並行に配置された金属領域と、
   前記金属領域に電気的に接続され、かつ前記金属領域と前記抵抗器との間に配置された１つ以上の熱ポストと、前記熱ポストは、前記抵抗器とは電気的に絶縁される、
   を備える、集積回路。
2. 前記金属領域は、前記集積回路の基板に電気的に接続される、請求項１に記載の集積回路。
3. 前記抵抗器は、窒化チタンで形成される、請求項１に記載の集積回路。
4. 前記金属領域は、前記集積回路の第１の金属層に形成される、請求項１に記載の集積回路。
5. 前記金属領域は、前記抵抗器の上方に配置される、請求項１に記載の集積回路。
6. 前記抵抗器は、誘電体で囲まれる、請求項１に記載の集積回路。
7. 集積回路中の抵抗器から熱を散逸させるための方法であって、
   熱金属グラウンドと前記抵抗器との間に配置された１つ以上の熱ポストを使用して、前記抵抗器から前記熱金属グラウンドへ熱を伝導することと、
   前記熱金属グラウンドから前記集積回路の基板へ熱を伝導することと、
   を備える、方法。
8. 前記熱金属グラウンドは、前記抵抗器の少なくとも一部にオーバーラップし、かつ並行に配置される、請求項７に記載の方法。
9. 前記熱ポストは、前記熱金属グラウンドに電気的に接続され、前記熱ポストは、前記抵抗器とは電気的に絶縁される、請求項７に記載の方法。
10. 前記熱金属グラウンドは、前記集積回路の前記基板に電気的に接続される、請求項７に記載の方法。
11. 前記抵抗器は、窒化チタンで形成される、請求項７に記載の方法。
12. 前記熱金属グラウンドは、前記集積回路の第１の金属層に形成される、請求項７に記載の方法。
13. 前記抵抗器は、誘電体で囲まれる、請求項７に記載の方法。
14. 集積回路であって、
    抵抗器と、
    前記抵抗器の少なくとも一部に、オーバーラップし、かつ並行に配置された金属領域と、
    前記抵抗器から前記金属領域へ熱を伝導するための手段と、
    を備える集積回路。
15. 前記熱を伝導するための手段は、前記金属領域に電気的に接続され、前記金属領域と前記抵抗器との間に配置された１つ以上の熱ポストを含み、前記熱ポストは、前記抵抗器とは電気的に絶縁される、請求項１４に記載の集積回路。
16. 前記金属領域は、前記集積回路の基板に電気的に接続される、請求項１４に記載の集積回路。
17. 前記抵抗器は、窒化チタンで形成される、請求項１４に記載の集積回路。
18. 前記金属領域は、前記集積回路の第１の金属層に形成される、請求項１４に記載の集積回路。
19. 前記金属領域は、前記抵抗器の上方に配置される、請求項１４に記載の集積回路。
20. 前記抵抗器は、誘電体で囲まれる、請求項１４に記載の集積回路。

Images