专利名称：降低热传递的驱动激光二极管的集成电路设备及其制造方法
技术领域：
本发明一般地涉及集成电路设备，更具体而言，本发明涉及用于驱动激光二极管的集成电路设备。
背景技术：
激光二极管因为其令人满意的特性而被广泛用在光通信系统中以传输光信号，所述特性例如是输出功率高、光谱宽度窄以及开关速度快。遗憾的是，激光二极管不耐高温。现在，当工作温度升到大约80摄氏度时，激光二极管的性能一般就急剧劣化。从而，应将激光二极管的工作温度保持在80摄氏度以下的温度，以确保激光二极管的性能处于令人满意的水平。
一种用于将激光二极管的工作温度保持在预定温度(例如80摄氏度)以下的传统技术是将诸如散热器或热电致冷器之类的冷却设备连接于激光二极管。冷却设备工作以从激光二极管散热，从而降低激光二极管的工作温度，使得可以将激光二极管保持在预定温度以下。然而，激光二极管的工作温度不仅取决于激光二极管自身所产生的热，还取决于靠近激光二极管的电子元件所产生的热。具体而言，用于驱动激光二极管的集成电路(IC)设备的输出晶体管所产生的热向激光二极管贡献了大量的热，增加了激光二极管的工作温度。由于所述IC设备的输出晶体管对激光二极管工作温度的热贡献，冷却设备可能无法将激光二极管的工作温度保持在预定温度以下。或者，当考虑到来自输出晶体管的热贡献时，将激光二极管的工作温度保持在预定温度以下所需的冷却设备尺寸可能会超过实际极限。因此，希望降低IC设备的输出晶体管对激光二极管工作温度的热贡献。
降低IC设备的输出晶体管对激光二极管工作温度的热贡献的一个解决方案是增加输出晶体管和激光二极管之间的距离。然而，由于感应作用，对于高速应用，必须将输出晶体管放置得非常靠近激光二极管。此外，对减小产品整体尺寸和增加端口密度的需求日益增加。从而，一般而言，增加输出晶体管和激光二极管之间的距离不是实用的解决方案。
另一种解决方案是降低输出晶体管的功耗，以相应地降低输出晶体管所产生的热。然而，激光二极管一般需要高驱动电流，因此，该高驱动电流必须通过IC设备的输出晶体管以驱动耦合的激光二极管。
考虑到这些约束，所需要的是一种用于驱动激光二极管的IC设备，其降低从该IC设备的输出晶体管传递到激光二极管的热量，而不降低提供给激光二极管的驱动电流。
发明内容
本发明提供了一种用于驱动诸如激光二极管之类的发光器件的集成电路(IC)设备，其包括制造在衬底上、电子元件之上的吸热结构，以降低电子元件和发光器件间的热传递。所述吸热结构被设计为吸收电子元件所产生的一部分热，使得从电子元件传递到发光器件的热更少，这降低了发光器件的工作温度。使用所述吸热结构允许发光器件保持在较低的温度，而不用降低由该IC设备供应到发光器件的驱动电流。
根据本发明，所述IC设备的吸热结构可以由包围所述电子元件的多层面图案化金属层形成。例如，形成所述吸热结构的金属层可以由铝和/或钛制成。所述IC设备还可以包括一个或多个位于所述电子元件和所述发光器件之间的绝热沟槽。所述绝热沟槽起到所述电子元件和所述发光器件之间的热屏障的作用。
根据本发明的IC设备制造方法包括提供衬底，在该衬底上形成电子元件，以及在所述衬底上、所述电子元件之上形成导热结构，所述衬底可以是硅衬底。所述导热结构可以通过依次沉积和图案化合适的金属材料来形成。所述方法还可以包括在所述衬底中、所述电子元件和所述发光器件之间形成一个或多个绝热沟槽。
结合附图，根据以下详细描述，本发明的其它方面将会变得清楚，在附图中示例性地图示了本发明的原理。
图1是根据本发明一个实施例的集成电路(IC)设备图。
图2和图3是图1的IC设备的不同的截面侧视图。
图4-图8是图1的IC设备的不同的截面俯视图。
图9是根据本发明一个实施例的IC设备制造方法的流程图。
图10-图23示出了IC设备制造期间的各个阶段。
具体实施例方式
参照图1，示出了根据本发明一个实施例，用于驱动激光二极管102或其它任意设备的集成电路(IC)设备100的图。IC设备100包括至少一个电子元件104，所述电子元件在工作期间产生热。将电子元件104构造为向激光二极管102提供驱动电流，以选择性地激活激光二极管，用于产生光信号。将IC设备100设计为降低电子元件104和激光二极管102之间的热传递，以降低该电子元件所产生的、对激光二极管的工作温度作贡献的热量。从而，通过使用IC设备100，可以将激光二极管102保持在更低的工作温度以确保激光二极管的正常性能，而无需降低驱动电流或增加IC设备与激光二极管之间的距离。
如图1所示，IC设备100包括诸如硅衬底之类的衬底106，在该衬底上制造电子元件104。在此所图示和描述的电子元件104是制造在衬底106上的驱动电路(未示出)的输出双极型晶体管。然而，电子元件104可以是制造在衬底106上的任意类型的晶体管。或者，电子元件104可以是制造在衬底106上的、在工作期间产生过多的热的任意电子元件，其可以增加激光二极管102的工作温度。
IC设备100还包括吸热结构108，其形成在衬底106上、输出晶体管104之上。吸热结构108由导热材料制成，用于吸收输出晶体管104所产生的热量的一部分。例如，吸热结构108可以由高导热性的金属材料组成。由于吸热结构108，从输出晶体管104传递到激光二极管102的热减少了，这使得激光二极管104可以在更低的温度工作。如图1所示，吸热结构108的形状可以类似于无底的矩形盒。从而，位于输出晶体管之上的吸热结构108将输出晶体管104包围或密封。在其它实施例中，可以将吸热结构108构造成诸如六边形盒之类的其它包围几何形状。此外，在其它实施例中，吸热结构108的一侧或多侧可以是开放的，包括该结构的上表面。此外，吸热结构108的一侧或多侧可以不是实心的，包括该结构的上表面。如下面更详细地描述的那样，吸热结构108的各侧可以由通过插栓(plug)互连的多层面金属层形成。从而，吸热结构108的各侧可以包括开口，这些开口由互连的插栓之间的间隔产生。因为吸热结构108可以具有一个或多个开放侧、一个或多个带开口侧和/或开放或包括开口的上表面，所以吸热结构可以基本上包围输出晶体管104，而不是完全包围输出晶体管。
IC设备100还包括绝热沟槽112。尽管在图1中示出了三个绝热沟槽112，但IC设备100可以包括任意数量的绝热沟槽112。绝热沟槽112是以绝热材料填充的沟槽，用于降低从输出晶体管104向激光二极管102的热传递。从而，绝热沟槽112作为输出晶体管104和激光二极管102之间的热屏障而起作用。虽然可以用任意绝热材料来填充绝热沟槽112，但优选地用具有良好绝热性的氧化物来填充绝热沟槽。此外，通常用氧化物填充的沟槽作为诸如输出晶体管104之类的晶体管的沟槽隔离。因此，可以用成熟的制造工艺来制造以氧化物填充的绝热沟槽112。包括在IC设备100中的绝热沟槽112的数量可以按需要来改变。
现在参照图2-图8，对IC设备100的输出晶体管104、吸热结构108和绝热沟槽112进行更详细的描述。图2和3分别是IC设备100沿图1所示的线2--2和3--3的截面侧视图。线2--2沿吸热结构108的中心将结构剖开。线3--3沿吸热结构108的一个侧壁将结构剖开。图4-图8分别是IC设备100沿图2所示的线4--4、5--5、6--6、7--7和8--8的截面俯视图。如图2所示，输出双极型晶体管104包括n型集电区202、p型基区204、n型发射区206和氧化物填充的深沟槽隔离208。虽然将输出晶体管104示出为包括五个n型发射区206，但是输出晶体管可以包括更少或更多个n型发射区。集电区202首先形成于衬底106中。然后在集电区202中形成基区204，并类似地在基区中形成发射区206。发射区206形成于基区204中，使得发射区在衬底106的表面上限定出细长区域。结果，基区204包括衬底106表面上相应的细长部分，其由发射区206和集电区202限定。集电区、基区和发射区202、204和206分别电连接到图4、5和6中所示的互连410、420和430。互连410、420和430中的每一个都由一个或多个金属层面上的金属化(metallization)形成。例如，用于集电区202的互连410由金属层面2上的金属化形成，如图5所示。用于基区204的互连420由金属层面3上的金属化形成，如图6所示。最后，用于发射区206的互连430由金属层面1和金属层面2上的金属化形成，如图4和5所示。如图5和6所示，互连410、420和430穿过吸热结构108而到达输出晶体管104的集电区、基区和发射区202、204和206。
如图2和3所示，吸热结构108由五个金属层面上的图案化金属层220、222、224、226和228组成。金属层220、222、224、226和228可以由与互连410、420和430相同的金属材料制成。或者，金属层220、222、224、226和228可以由与互连410、420和430不同的金属材料制成。金属层面1-4上的金属层220、222、224和226，以及插栓230形成吸热结构108的各侧。从而，从上方看去，如图4-图7所示，金属层220、222、224和226中的每一个都呈矩形，而输出晶体管104包含在该矩形中。然而，沿一个或多个金属层220、222、224和226有中断，以允许互连410、420和430穿过吸热结构108的各侧，如图3、5和6所示。图3和5示出了金属层222中容纳互连410的中断。图5还示出了金属层222中容纳互连430的第二个中断。图6示出了金属层224中容纳互连420的中断。金属层面5上的金属层228形成了吸热结构108的上表面，其在图8中示出。可将金属层220、222、224、226和228电连接到接地或电源电压，以降低由互连410、420和430以及邻接金属层220、222、224和226产生的寄生电容。
可将吸热结构108的金属层220、222、224、226和228构造为具有任意厚度。例如，金属层220、222、224和226的厚度可以是每个约0.5μm，而金属层228的厚度可以是约2.5μm。金属层220、222、224、226和228还可以由诸如钛、金、铝或铜之类的任意金属材料制成。例如，金属层面1上的金属层220可以由钛制成，而金属层面2-5上的金属层222、224、226和228由铝制成。虽然未示出，但吸热结构108可以包括形成在金属层228上保护金属层228的屏障层。例如，该屏障层可以由金制成。此外，吸热结构108可以包括形成在插栓230与金属层222、224、226和228之间的过渡层。例如，所述过渡层可以由氮化钛制成。
如图3所示，可将吸热结构108附接于散热器310，以耗散吸热结构所吸收的热。图1和2中未示出散热器310。例如，可以使用加在吸热结构108的金属层228上的焊料突起(solder bump)，将IC设备100倒装(flip chip)附接于散热器310。
IC设备100的绝热沟槽112制造在衬底106中，使得这些绝热沟槽位于输出晶体管104和激光二极管102之间。如图1所示，绝热沟槽112基本呈直线，并邻近吸热结构108。绝热沟槽112的长度可以比吸热结构108的邻近侧更短或更长。绝热沟槽112的深度和宽度可以变化，以使输出晶体管104和激光二极管102之间的热传递最小。例如，绝热沟槽112的深度可以是约100μm，而这些绝热沟槽的宽度可以是约10μm。如上所述，绝热沟槽112用氧化物或其它绝热材料填充。可以使用与输出晶体管104的沟槽隔离208相同的制造工艺来形成绝热沟槽112。虽然在图2中，将绝热沟槽112示出为与输出晶体管104的沟槽隔离208相比尺寸不同，但可以将绝热沟槽和沟槽隔离制造成同样尺寸。
在其它实施例中，可将IC设备100的吸热结构108设计为包围多于一个电子元件。例如，可将吸热结构108扩大到包围两个双极型晶体管或互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管。此外，在其它实施例中，IC结构100可以包括具有或不具有另外的绝热沟槽的另外的吸热结构。
现在参照图9的流程图和图10-图23的图示，对根据一个实施例的IC设备100的制造方法进行描述。图10-图23是对应于图1所示的剖开吸热结构108一个侧壁的线3--3的截面图。在方框902，在衬底106中形成绝热沟槽112。可以通过在衬底106中建立沟槽1002来形成绝热沟槽112，如图10所示。例如，可以通过使用光刻胶掩模蚀刻衬底106，来建立沟槽1002。接下来，用于绝热沟槽112的沟槽1002被填充以绝热材料1006，然后平面化，如图11所示。例如，可以使用化学气相沉积(CVD)来用氧化物填充沟槽1002。在方框904，在衬底106上形成输出晶体管104，如图12所示。用于在衬底上形成双极型晶体管的处理步骤是公知的，从而，在此不对在衬底106上形成输出晶体管104的处理步骤进行描述。
接下来，在方框906，在衬底106上、输出晶体管104之上形成吸热结构108。通过依次沉积合适的金属材料以构成金属层220、222、224、226和228以及插栓230，来形成吸热结构108。金属层面1上的金属层220是通过沉积一层诸如钛之类的金属材料1310，然后将所沉积的层图案化成所需构造来构成的，该构造在图4中示出。所产生的金属层220在图13中示出。此外，还可以在同一金属层面上类似地构成互连430的一部分。接下来，在与金属层220相同的层面上沉积介电材料1412，然后将其平坦化以形成介电层，如图14所示。在构成金属层220之后，在金属层220之上形成介电层1514，并产生穿过介电层1514的过孔1516，如图15所示。然后用诸如钨之类的金属材料1618填充过孔1516，并将其平坦化以构成将连接金属层220和222的插栓230，如图16所示。然后，以与金属层面1上的金属层220类似的方式构成金属层面2上的金属层222，如图17所示。通过沉积一层诸如铝之类的金属材料1720，然后将所沉积的层图案化为所需构造，来构成金属层222，所述的构造在图5中示出。此外，可以在同一金属层面上类似地构成互连410，以及互连430的一部分。然后，以与介电材料层1412类似的方式，在与金属层222相同的金属层面上形成介电材料层1722。
在构成了金属层222之后，以与金属层220和222之间的插栓230相同的方式构成将连接金属层222和224的插栓230，如图18所示。接下来，以与其它金属层220和222类似的方式构成金属层面3上的金属层224。通过沉积一层诸如铝之类的金属材料1924，然后将所沉积的层图案化为所需构造，来构成金属层224，所述的构造在图6中示出。此外，可以在同一金属层面上类似地构成互连420。然后，以与介电材料层1412类似的方式，在与金属层224相同的金属层面上形成介电材料层1926。
在构成了金属层224之后，以与金属层220、222和224之间的插栓230相同的方式构成将连接金属层224和226的插栓230，如图20所示。接下来，以与其它金属层220、222和224类似的方式构成金属层面4上的金属层226。通过沉积一层诸如铝之类的金属材料2128，然后将所沉积的层图案化为所需构造，来构成金属层226，所述的构造在图7中示出。然后，以与介电材料层1412类似的方式，在与金属层226相同的金属层面上形成介电材料层2130。
在构成了金属层226之后，以与金属层220、222和224之间的插栓230相同的方式构成将连接金属层226和228的插栓230，如图22所示。接下来，以与其它金属层220、222、224和226类似的方式构成金属层面5上的金属层228。通过沉积一层诸如铝之类的金属材料2332，然后将所沉积的层图案化为所需构造，来构成金属层228，所述的构造在图8中示出。然后，以与介电材料层1412类似的方式，在与金属层228相同的金属层面上形成介电材料层2334。
为了提供对所述制造方法的更清楚描述，省略了一些处理步骤。例如，省略了形成吸热结构108的过渡层和屏障层的处理步骤。此外，还省略了形成用于使互连410、420和430与输出晶体管104的集电区、基区和发射区电接触的插栓的处理步骤。所省略的处理步骤是在半导体处理领域中公知的处理步骤，因而在此就不重复了。
虽然已描述和图示了本发明的具体实施例，但本发明不应被限制于所描述和图示的具体形式或部件排列。本发明的范围应由所附权利要求及其等同物来限定。
权利要求
1.一种集成电路设备(100)，包括衬底(106)；形成于所述衬底上的电子元件(104)，所述电子元件在工作期间产生热；以及形成于所述衬底上、所述电子元件之上的导热结构(108)，所述导热结构被设计为吸收所述电子元件所产生的所述热的一部分，以降低来自所述电子元件的热传递。
2.如权利要求1所述的集成电路设备(100)，其中，所述导热结构(108)被配置为基本包围所述电子元件(104)。
3.如权利要求2所述的集成电路设备(100)，其中，所述导热结构(108)由金属材料制成。
4.如权利要求3所述的集成电路设备(100)，其中，所述导热结构(108)包括由插栓(230)互连起来的多层面图案化金属层(220、222、224、226、228)。
5.如权利要求1或2或3或4所述的集成电路设备(100)，还包括形成于所述衬底(106)中、邻近所述导热结构(108)的沟槽(112)，所述沟槽被填充以绝热材料(1006)。
6.一种制造集成电路设备(100)的方法，包括提供衬底(106)；在所述衬底上形成电子元件(104)的步骤(904)；并且在所述衬底上、所述电子元件之上形成导热结构(108)的步骤(906)，所述导热结构允许吸收所述电子元件所产生的热，以降低来自所述电子元件的热传递。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述形成所述电子元件(104)的步骤(904)包括在所述衬底(106)上形成电路的输出晶体管，所述输出晶体管被连接以向外部设备(102)提供信号。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中，所述形成所述导热结构(108)的步骤(906)包括用所述导热结构来基本包围所述电子元件(104)。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述形成所述导热结构(108)的步骤(906)包括构成由插栓(230)互连起来的多层面图案化金属层(220、222、224、226、228)。
10.如权利要求6或7或8或9所述的方法，还包括在所述衬底(106)中、邻近所述导热结构(108)形成沟槽(112)的步骤(902)，包括用绝热材料(1006)来填充所述沟槽。
全文摘要
本发明提供了一种用于驱动诸如激光二极管之类的发光器件(102)的集成电路(IC)设备(100)，其包括制造在衬底(106)上、电子元件(104)之上的吸热结构(108)，以降低电子元件和发光器件间的热传递，所述电子元件例如是输出晶体管。所述吸热结构被设计为吸收电子元件所产生的一部分热，使得从电子元件传递到发光器件的热更少，这降低了发光器件的工作温度。本发明的IC设备制造方法包括在衬底上形成电子元件，并在所述衬底上、所述电子元件之上形成吸热结构。可将所述吸热结构配置为基本包围所述电子元件。
文档编号H01L23/367GK1574314SQ200410031018
公开日2005年2月2日 申请日期2004年4月5日 优先权日2003年6月3日
发明者格雷厄姆·麦克雷·弗劳尔 申请人:安捷伦科技有限公司