[发明专利]半导体晶片的均温及其制造方法

说明书

本发明涉及半导体晶片的均温及其制造方法。本发明是将晶片接近最热的区域披覆上一薄层超硬材料或极硬材料，这样晶片在运作时热点不能集中而散布在大面积上，避免了高温晶片原子在热点处振动频率太高而在晶格位移，因此可以更高功率驱动晶片而不致损坏。

技术领域

本发明为有关一种半导体晶片的均温及其制造方法，尤指一种能以均温散热降低半导体晶片内的温度梯度及其制造方法。

背景技术

集成电路(或称积体电路，Integrated Circuits，缩写IC)为计算机的主要元件，大量用于中央处理器(Central Processing Unit，缩写CPU)、图像处理器(GraphicsProcessing Unit，缩写GPU)、类神经处理器(Neural Processing Unit，缩写NPU)，各种记忆体(如DRAM，Flash Memories)，甚至储存体等电子元件。IC随摩尔定律的微小化走势，晶体管(电晶体) 已比病毒更小，线宽已小到7nm，如2018年由苹果公司(Apple Inc.)所提供的手机中所采用的A12处理器，即采用台湾积体电路公司(Taiwan SemiconductorManufacturing Company，缩写TSMC)制造生产的7nm的集成电路。

当IC微小化后，漏电比率趋于严重，晶体管的开(1)和关(0)难以辨识，半导体晶圆(如硅、砷化镓等)的能隙(Band Gap)不足，使得在线宽32nm时，漏电比率已达约1/4。为了堵住漏电，常在晶圆的上层接近(小于1微米)晶体管处埋入一层氧化膜，称为绝缘层上硅(Silicon on Insulator，缩写SOI)；另外，也有将晶体管的栅极下的半导体电流通路改为垂直的鳍片设计，称为鳍片场晶体管(Fin Field-Effect Transistor，缩写FinFET)。目前的先进处理器都采用SOI上的FinFET。

但随着晶体管的密集化，不到一平方公分的晶体管已埋设数十亿个晶体管，导电线(通常为铜)总长度可超过十公里，而逻辑晶片的层数可以高达近百层。根据热力学第二定律，运算时的电功率部分必须转化成熵 (Entropy)，即热。而高速运算的处理器的电功率的密度可能超过电热炉，即每平方公分的电功率大于10瓦特(Watt)。热点集中在晶体管密集处，其最热的晶体管下的温度可能比晶片的平均温度高十倍，而其内的部份原子更可能高十数倍，因而可移动或放大了晶格内的缺陷，甚至使得原子，尤其是介稳定的差排周边原子，渗杂的电洞硼原子(正)或电子磷原子 (负)，可能产生位移或扩散，损坏了晶体管的功能。同时，电路的分布不平均，其密集处，发生的热量远大于平均值，即晶片已经发烫，但热点的温度更会是平均温度数倍，而在快速运算的瞬间更可能达到十数倍。

尤其在晶体管的范围，其原子在高温的振动可能使得参杂原子(如正极的硼或负极的磷)发生扩散，甚至基材(如硅)本身的缺陷(如差排) 都会移动。为了避免晶体管失效，晶片大部分都会内建温度控制的二极体，当晶片的平均温度升高到一临界值时，降低运算速度(Clock Speed)。由于平均温度远低于热点温度，以致处理器的安全运算速度远低于可能的运算速度。因此，计算机要使用更多的处理器来做高速运算，例如进行比特币的挖矿工作，而其晶片的热点必须分散能量至均温层。

上面提到SOI乃用来减少漏电，但氧化膜(如氧化硅)的热阻远大于半导体(如硅)，所以热更难扩散。另一方面FinFET增加了热传递的距离，使热点更难消除。加上三维晶片(3D IC)的堆叠设计逐渐普及，晶片的热流管理遂成为运算速度的瓶颈。半导体业者只能从逻辑线路的分散、晶片的增加、封装的导热等方面加以改善，然而，晶片热点的产生，目前仍无法有效消除。

此外，不只是积体电路，几乎所有的光电晶片都有热点的问题，例如通讯用的高电子移动速度电晶体(High Electron Mobility Transistor，缩写 HEMT)，其二维电子云瞬间会有大电流通过，而在半导体晶格处产生热点，使原子位移，造成功能的降低。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决现有半导体晶片中，热点难以消除以致于运算功能受限的问题。