[发明专利]用于堆叠式集成电路装置的主动热控制

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路(IC)。更具体地说，本发明涉及多层(multi-tiered)IC装置，且甚至更具体地说，涉及用于所述多层IC装置内的主动热控制的系统和方法。

背景技术

在IC技术中，存在将芯片堆叠在一起以形成多层(3-D)IC装置(也称为多层IC装置或堆叠式IC装置)的需要。堆叠芯片时所产生的一个挑战是热导率减小。因此，可能存在热点，其中将热量从热源移开的能力很小。由于堆叠式IC的大小减小(衬底厚度从100微米到约6-50微米)，功率密度上升而横向热导率减小。

一种用于增加横向热导率的方法是增加衬底厚度。这又会消极地影响堆叠式IC装置的所要形状因子，且使性能降级。

当堆叠两个以上层时，存在另外的挑战。在此些情形中，堆叠式IC装置可含有多个氧化物层，每对堆叠层之间一个氧化物层。氧化物(其为不良热导体)增加了散热问题。

存在若干种用于处理热导率问题的方法。一种方法将导热层定位于所述层之间。通常，导热层为金属的，且因此可能会干扰层间电连接。另一种方法使用穿硅通孔(TSV)将热量从堆叠式IC装置的内部层移到表面层，且接着使用传统方法(例如将高热导率材料定位于所述表面层上)将热量从所述表面层移除。挑战伴随此解决方案而产生。举例来说，由于各层中的电路布局要求，并非总是有可能将TSV定位于必要位置。

另一种方法是使冷却材料循环穿过堆叠式IC装置以使热点冷却。冷却循环解决方案造价昂贵，且由于移动液体的缘故而需要抽汲机制和针对液体流道的精密公差。此外，由于电路布局要求，可能无法使装置“垂直”以将冷却材料引导到必要位置。通过迫使冷却液体穿过衬底本身可在某种程度上克服垂直化问题，但此方法并非没有一系列另外的问题和成本。

发明内容

可通过在堆叠式IC装置中构造一个或一个以上主动温度控制装置来改进堆叠式IC装置中的热导率。在一个实施例中，所述控制装置为热电(TE)装置，例如珀耳帖(Peltier)装置。TE装置可接着被选择性地控制以按需移除或添加热量以便使堆叠式IC装置维持在界定的温度范围内，或以其它方式使所述堆叠式IC装置达到所要温度。主动温度控制元件可为堆叠式IC装置中产生的P-N结，且可用以按需要使热量横向和/或垂直移动。

前文已颇为广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可更好地理解随后对本发明的详细描述。下文中将描述本发明的额外特征和优点，其形成本发明的权利要求书的标的物。所属领域的技术人员应了解，所揭示的概念和特定实施例可易于用作修改或设计其它结构以用于进行本发明的相同目的的基础。所属领域的技术人员还应认识到，此些等效构造并不脱离如所附权利要求书中所陈述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，从以下描述将更好地理解据信为本发明所特有的新颖特征(关于其组织和操作方法)以及其它目标和优点。然而，将明确理解，所述图中的每一者仅出于说明和描述的目的而提供，且无意作为对本发明的限制的界定。

附图说明

为更完整地理解本发明，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：

图1是多层IC装置的示意图，所述IC装置中具有热点；

图2展示用于将热量从热点消除的现有技术解决方案的一个实例；

图3展示根据本发明教示的具有主动温度控制的堆叠式IC装置的一个实施例；以及

图4A到图4G展示一种制造根据本发明教示的具有主动冷却能力的多层IC装置的方法。

具体实施方式

图1是具有顶部层11和底部层12的多层IC装置10的示意图。顶部层11具有有源电路(面部)102和衬底(背部)101。底部层12具有有源电路(面部)103和衬底(背部)104。面部102/103含有用以连接若干组件(或端子)(例如相应层上的组件109)的连接108。使用连接器路径(例如路径107)和通孔(例如通孔106)来形成这些连接。

为实现说明性目的，在此实施例中，位置110受到热困扰。即，位置110为堆叠式IC装置10中时常存在或可能存在的“热点”。在此情况下，热点表示：当堆叠式IC装置10正在操作时，在位置110中或在位置110周围的区域的温度可变得不合意地高于层12的其它部分。由于层11堆叠于层12上，且由于每一层的优选减小的厚度，层12中的横向热散播减小。另外，气隙111可形成于层11与12之间，从而减少从所述热点向上的热流。