专利名称：半导体器件和用于在其表面上提供冷却装置的方法
技术领域：
本发明的领域包括包含在半导体器件中的纳米管冷却组件，该半
导体器件诸如具有高温区域或"热点"的超大规模集成("VLSI")半 导体器件。该冷却组件以及其他导热材料的布置使得在该器件上的 热点和较冷区域之间的热梯度或温度梯度最小化或者基本上消除。
背景技术：
半导体行业在20世纪70年代经历了在电路设计、芯片架构、设 计辅助、工艺、工具、测试、制造架构和制造规则领域革新非常快 的时期。在1970年开始每片仅有1000个晶体管的大规模集成
("LSI")时代之后，这些规则的结合使得该行业在20世纪80年代 末进入VLSI时代，其具有每片上有100000个晶体管的大量生产芯 片的能力。 (Carre, H.等人的"Semiconductor Manufacturing Technology at IBM", IBM J. RES. DEVELOP., VOL. 26, no. 5， 1982 年9月)。Mescia等人也描述了这些VLSI器件的工业规模制造。
(Mescia， N.C.等人的 "Plant Automation in a Structured Distributed System Environment", IBM J. RES. DEVELOP. VOL. 26， no. 4， 1982年 7月)。
缩微到90nm及90nm以下的技术带来了优势也带来了新的挑战。 虽然较小的芯片几何尺寸带来更高水平的片上集成以及性能，但是 更高的电流和功率密度、增加的泄漏电流以及具有更差导热性的低k 电介质导致了封装和热设计上的挑战。
Chen的美国专利No. 6,951,001注意到互补金属氧化物半导体 ("CMOS")制造工艺的持续缩微增加了 VLSI芯片上的器件的数量， 但是造成"管芯内"变化，其可能变成严重问题，诸如U(有效沟道长度)和Vt(阈值电压)以及供应电压和温度的变化。管芯内变化 也可能导致片上信号时序的不确定性。VLSI芯片的常规时序分析使 用工艺、电压和温度拐点的不同值(这些值的最大允许组合)用于 最大和最小信号延迟分析。该方法通常导致"过度设计"，其可能造 成持续增加的高功率要求以及可靠性问题。高功率要求可能导致过 热。
在2007年中的IBM的Power6TM芯片的介绍中，注意到"小型化 使得芯片制造者通过在单个硅片上挤满更多的晶体管来使得芯片速 度更快，以致高端处理器具有几亿个晶体管。但是该工艺也倾向于 使芯片运行更热，而工程师们试图解决如何在持续缩小芯片的同时 避免 它 们 灼 伤 它 们 自 己 的 电 路 " (http:〃www.nytimes.com/reuters/technology/tech誦ibm-power.html pag ewanted=print (2/7/2006))。
在亚90nm技术中管芯上温度变化在金属层中可能改变多达 50。C甚至更高。这样严重的温度梯度能够影响芯片的性能和可靠性， 因为它们影响信号时序、时钟偏斜、串扰噪声、电压降以及制造部 ^牛的平均失岁文时间 (Chandra， Rajit, "Automotive electronics need thermal-aware IC design" Automotive Design Line.(06/13/2005》 http:〃www.automotivedesignline.com/GLOBAL/electronics/designline/ shared/article/showArticle.jhtml articled=164302553&pgno=l )。
解决片上热点的一个方法是利用用于识别潜在问题区域的温度 感知设计方法学，并且在向管芯上放置元件的物理设计阶段期间使 用该输入，如Chandra在上述文献中提倡的。虽然该方法可能减少 一些热点和温度梯度，但不可能消除该问题，因为例如CPU核将比 DRAM存储器组引出更多的电流。另外，该方法对于芯片设计能力 造成限制。
2006年3月29日提交的美国专利申请No. 11/397,033描述了用 于减小热点的另 一 种方法，其包括在热点区域上生长碳纳米管以有 效地防止过热并因此提供了解决陡哨的片上温度梯度的均衡机制。纳米管均匀地生长在热点区域上，提供冷却阶梯函数，但是热点周 围仍存在一些温度差，这是因为相对于阶梯函数，温度曲线更接近 于线性函数，这将在后面进行讨论。希望能进一步地消除这些温度 差，其允许更大的芯片设计灵活性以及性能调整。
发明内容
上文指示了对于以下半导体器件的需求，该器件诸如VLSI器件， 其使器件中的热梯度最小化或者基本上消除，以避免与这些梯度相 关联的各种问题，以及指示了对于制造这种器件的工艺的需求。因 此本发明针对这些需求提供了这样的器件和工艺，其不仅提供相对 于相关现有技术的优势而且还基本上消除了半导体器件特别是VLSI 器件的一个或多个这些或其他限制和缺点。本发明还包括由这样的 工艺生产的产品以及用于使这样的器件上的温度梯度最小化的工
艺
以下描述说明了本发明的特征和优势，这些特征和优势不仅通过 该描述而且通过实施本发明而显而易见。递交的或可能后来修改的 任何以前版本的包括公开的摘要和权利要求书以及附图的书面描述 将阐述本发明的其他特征和优势，并且特别地指出本发明的目的和 其他优势，示出如何来实现和获得它们。
为了获得这些以及其他优势，并且根据所实现的以及在这里广义 地描述的本发明的目的，本发明包括诸如VLSI器件的半导体器件， 其通过使用包括位于该器件上的多阵列或者束的纳米管装置的热导 体装置以将热量从热点传导出去，使器件中的这样的热点和/或温度 梯度最小化或者消除。在一个实施例中，将多阵列或者束的纳米管 装置定位在VLSI器件的管芯表面上。至少一个阵列或者束包括的纳 米管装置具有比至少一个其他纳米管阵列或者束的导热特性更好的 导热特性。将按如下方式定位该纳米管装置使具有最高热导率的 纳米管阵列或者束与具有高温度的热点区域操作性地关联并与其有 导热关系，而具有相对较低导热特性的纳米管阵列或者束与中温区域(即温度在热点区域和相对较低温度区域之间的区域)操作性地 关联并与其有导热关系。该相对较低温度区域包括在器件操作时处
于其最小温度范围的管芯区域。
术语"温度梯度"和"热梯度"是指在热点和具有较低温度的半导 体器件上的另外区域之间的温度差。使用这样的纳米管利用了其沿 其长轴与当前用来从这些器件散热的材料相比极高的导热能力的优 势，并且以前述方式定位该阵列或者束使得片上温度梯度最小化或 者消除。通过选择性地在热点区域上生长这样的纳米管阵列或者束
在器件上的非选择性地生长，例如用纳米管阵列或者束覆盖该器 件的整个表面，对于消除或者最小化器件上的热点或热梯度而言将 有很小的效果或者没有效果，因为整个表面的冷却速率和冷却程度 将基本上是相同的，因此较热的区域仍然保持相对较热而其他区域 也仍然相对较冷，尽管两者的温度都被降低。选择性地在器件上放 置纳米管阵列或者束并结合在该器件的互补区域中放置常规热导 体，这包括了获得本发明的优势的关键因素。
因此，本发明一般涉及旨在于以高的拓朴分辨率在VLSI芯片上 提供选择性冷却的技术，其用于消除片上热点和严重的温度梯度并 且提高芯片的电性能和可靠性。没有了热点和温度梯度将可以在芯 片设计中实现更高的特性(例如，较高的时钟速率、阈值电压等)。 2006年3月29日递交的美国专利申请No. 11/397,033 "VLSI Hot-Spot Minimization Using Nanotubes，H兌明了戈口4可在热点区:fe戈上方 使用纳米管和在较冷区域上方使用Cu或其他热导体以基本上消除 或基本上最小化芯片上的温度梯度。然而，在纳米管覆盖的区域和 其他热导体覆盖的区域之间的突变的边界以及所产生的这两个区域 的热导率的突然改变与通常在Si芯片上出现的更加平緩的T-梯度 ("温度梯度")曲线不匹配。在本发明中，提出了通过将那些温度 梯度与热导率的合适梯度更好地匹配来消除通常在Si芯片上出现的 T-梯度曲线的方法。制造复杂度和处理成本将决定温度和导热梯度匹配的精确度。这里提出了制造通过调节参数而在Si管芯或同等的
半导体器件上的不同区域上方具有可变冷却能力的碳纳米管冷却结 构的方法，这些参数比如纳米管直径、间隔或封装密度(即，器件
表面上纳米管之间的距离，也称之为空间密度(arial density))以 及确定以石墨烯片填充纳米管阵列或者束的填充因子的其他参数。 随后来限定填充因子。
本发明提出了 一种通过使用具有变化的热能力的纳米管阵列或 者束来平滑由诸如VLSI管芯的半导体器件上的热点造成的陡峭的 温度梯度轮廓的方法，例如使用不同直径的纳米管或者彼此之间纳 米管具有不同的间隔或者封装的纳米管阵列或者束(即，间隔或者 封装密度或者是器件的每单位面积的纳米管结构的数目的"密度" (这也描述为空间密度))，其匹配于该器件的温度曲线。本发明 基于纳米管沿其长轴的极高的导热能力，其比当前使用的材料的导 热能力高很多。
本发明的其他目的和优势一部分将在以下说明书中阐述， 一部分 将由该说明书而显而易见或者可以从本发明的实践中得以理解。通 过在所附权利要求书中指出的元素及其组合将能够实现并获得本发 明的目的和优势。
包括在说明书中并构成说明书一部分的附示了本发明的一 个和多个实施例，其与说明书的其他部分一起用于解释本发明的目
的、优点和原理。
图1包括器件1000并且图示了由IR成像展示的管芯上的热点。 阴影较浅的区域对应于较高的温度。处理器特征的精细图案是明显 的(Hamann， H.F.等人的"Power Distribution Measurements of the Dual Core PowerPCTM970MP Microprocessor", ISSCC Dig. Tech Papers, p. 534， 2006年2月)。
图2包括光刻掩模2000的图示，其黑色区域2001对应于图1的芯片管芯上的较冷区域，其区域2002、 2003和2004是具有增加 的冷却需求的热产生增加的区域。
图3包括图示了诸如硅管芯或者VLSI芯片的材料中关于其导热 能力的数学关系的三维图，并且用来图示该器件的热特性的数学计算。
图4包括以下半导体器件的横截面的侧视图，该半导体器件包括 Si晶片，其一部分表面背衬有Cu层(未示出)而一些其他区域背衬 有与Cu层同样厚度的CNT层(未示出)。也将该图用于该器件的 热特性的数学计算。
图5包括半导体器件的横截面的侧视图，并且示出了按由催化剂 层图案施加的预定图案排列的碳纳米管束。也将该图用于该器件的 热特性的数学计算。
图6包括半导体器件的横截面的侧视图，该半导体器件包括按由 催化剂层图案施加的预定图案排列的碳纳米管束(Fan, S. S.等人的 "Self Oriented Regular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field Emission Properties", Science, Vol. 283, pp.512-14, (1999年))。CNT 的取向基本上垂直于衬底。CNT阵列或者束按照这种图案生长在芯 片上的潜在热点区域上方，该图案是通过对芯片表面的热分析来确 定的。使用该分析以将该图案形成为光刻掩模(如图2所示)。芯 片区域由铜覆盖，将该铜化学机械抛光(CMP)至CNT顶的高度。 也将该图用于该器件的热特性的数学计算。
图7包括在N+型多孔硅衬底上合成的自取向纳米管的电子显微 图。其示出按照由催化剂层图案施加的预定图案来排列的碳纳米管 束。CNT取向为垂直于该衬底(来自Fan,S. S.等人的上述文献的图)。
图8包括一个曲线图，将温度绘制为一个纵坐标而将填充因子绘 制为第二纵坐标，并将距离绘制为横坐标，以指示本发明的半导体 器件上从热点到最冷区域的路径。在这一点上，图8示出了温度阶 梯式的降低，每个阶梯对应于纳米管冷却装置的又一区域，其热导 率不同于前一区域。图9图示了本发明的一个方面，包括将CNT放置在表面上以制 造本发明的半导体器件的方法，其中用于生长CNT的NNN(次邻近) 催化剂粒子之间的距离是可变的以获得CNT束的不同填充因子。对 于NNN催化剂纳米粒子之间的距离的控制将控制同样尺寸的CNT 的密度。图9示出了在催化剂纳米粒子上添加自组装单分子层 (SAM)盖的结果，其中SAM分子具有不同的烃基链长度。这提供 了对NNN催化剂纳米粒子距离的控制。在CNT生长之前去除(burn off)这些SAM盖。
图IOA和图10B包括压缩膜的TEM图像，该压缩膜包括Ag粒 子，其中图示了相关技术领域的方法的结果，该方法用于在使用由 具有不同的烃基链长度的分子构成的S A M来覆盖纳米粒子时控制 用于产生CNT的覆盖有Ag纳米粒子催化剂的密闭封装的膜中的粒 子间距离。
具体实施例方式
本发明包括诸如如下半导体器件的电子器件，该半导体器件包 括管芯，其中该管芯包括
(a)位于管芯上平面中的至少一个限定的热点区域； (b )包括位于管芯上平面中的温度比热点区域温度低的区域的 至少 一个限定的最低温度区域，其中该最低温度区域包括管芯的最 低温度；
(c )包括位于管芯上平面中的温度比热点区域温度低的区域的 至少一个限定的中温区域；
(d) 包括至少一束第一纳米管装置的冷却装置，该第一纳米管 装置由导热材料制成并且从热点区域的平面沿向外的方向延伸，该 第一纳米管装置操作性地与热点区域相关联并且与其具有导热关
系，并且该第 一纳米管装置具有足以减小在热点区域和管芯上的任 何其他温度区域之间的任何温度梯度的热导率；
(e) 包括至少一束附加纳米管装置的冷却装置，该附加纳米管装置由导热材料制成并且从中温区域的平面沿向外的方向延伸，该 附加纳米管装置操作性地与中温区域相关联并且与其具有导热关 系，并且该附加纳米管装置具有足以减小在中温区域和管芯上的任
何其他温度区域之间的任何温度梯度的热导率；
(f) 该第一纳米管装置束的热导率大于该附加纳米管装置的热
导率；
(g) 该第一纳米管装置束和该附加纳米管装置束基本上由基体
(matrix )材料包围，该基体材料由导热材料构成，操作性地与最低 温度区域相关联并与其具有导热关系；
(h) 该第一纳米管装置束和该附加纳米管装置束的热导率大于 该基体材料的热导率；
(i) 该第一纳米管装置束和该附加纳米管装置束的末端被定位 用于与包括热交换介质的介质直接接触。
该第一纳米管装置束和该附加纳米管装置束在器件上具有不同 的空间密度，其中在器件上具有较高空间密度的纳米管装置以高于 在器件上具有较低空间密度的纳米管装置的速率对该器件进行冷 却。
本发明还包括用于在具有管芯的半导体器件的表面上提供冷却 装置的工艺，该工艺包括
(a)通过热分析限定位于该管芯上平面中的至少 一 个热点区域 (a);
(b )通过热分析限定包括位于管芯上平面中的温度比所限定的 热点区域的温度低的限定区域的至少一个最低温度区域(b)，其中 该最低温度区域包括管芯的最低温度；
(c) 通过热分析限定包括位于管芯上平面中的温度比所限定的 热点区域的温度^[氐的区域的至少一个中温区域(c);
(d) 制作对应于热点区域(a)的掩模(d);
(e )借助于掩模(d )选择性地将用于限定对应于热点区域(a) 的催化剂区域(e)的催化剂施加到管芯表面并且由此产生以下半导200810213766.2
说明书第9/25页
体器件，该半导体器件的管芯具有对应于热点区域(a)的选择性地 催化的表面(e);该催化剂选择为促进一束导热的第一纳米管装置 的生长；
(f) 制作对应于中温区域(c)的掩模(f);
(g) 借助于掩模(f)选择性地将用于限定对应于中温区域(c) 的催化剂区域(g)的第二催化剂施加到管芯表面并且由此产生以下 半导体器件，该半导体器件的管芯具有对应于中温区域(c)的选择 性地催化的表面(g);该第二催化剂选择为促进一束导热的附加纳 米管装置的生长；
(h) 由导热材料在对应于热点区域(a)的选择性地催化的表 面(e)上生长第一纳米管装置(h)，以从热点区域(a)的平面沿 向外的方向延伸，该第一纳米管装置(h)操作性地与热点区域(a) 相关联并且与其具有导热关系，以减小在热点区域(a)和器件上的 其他区域之间的任何温度梯度；
(i) 由导热材料在对应于中温区域(c)的选择性地催化的表面 区域(g)上生长附加纳米管装置(i)，以从中温区域(c)的平面 向外延伸，该附加纳米管装置(i)操作性地与中温区域(c)相关联 并且与其具有导热关系，以减小在中温区域(c)和器件上的其他区
域之间的任何温度梯度；
(j)在最低温度区域(b)上沉积导热基体材料(j)以形成包 围第一纳米管装置和附加纳米管装置的基体，该导热基体材料(j) 延伸到区域(b)并操作性地与区域(b)相关联以将热量从区域(b) 传导出去；
(k)第一纳米管装置(h)和附加纳米管装置(i)由热导率大 于导热基体材料的热导率的导热材料制成，第一纳米管装置(h)的 热导率大于附加纳米管装置(i)的热导率；
(1)使第一纳米管装置和附加纳米管装置的末端充分暴露于导 热基体材料(j)之上，以使该末端可用于与包括热交换介质的介质 直冲妾4妻触。本发明还包括前述半导体工艺和包括由管芯上一个或更多个中 温区域以及一个或更多个最低温度范围区域包围的两个或更多个热 点的制造产品。
纳米管的"方向"可以基本上垂直于热点平面或者中温区域平
面，即与热点平面或者中温区域平面基本上成90。角，或者与热点平 面或者中温区域平面成例如约70°到约90。的角度，或者与热点平面 或者中温区域平面成约80°到约90。的角度。相关现有技术在该方面 显示纳米管的主要取向可以不只是直立壁的，还可以包括壁在其上 游处弯曲或者可以分支的配置，也可以采取其他配置。纳米管还包 括自取向(直上直下)结构，其各个纳米管基本上相互平行。
在一个实施例中，纳米管装置包括由Fan, S. S.等人，在"Self Oriented Regular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field Emission Properties", Science, Vol. 283, pp.512-14， (1999年)中所描述的碳纳 米管(CNT)，该文章描述了各个纳米管基本上互相平行的配置。 纳米管也可以包括不垂直阵列或束，或者枝状或森林状阵列或束 (Fan等人，图6),以及鳍突起或者多孔二维阵列或者束，或者如 Mo， J.等人的 "Integrated Nanotube Cooler for Microelectronic Applications", Proceedings of the IEEE CPMT Conference on Electronics Components Technology (ECTC55), 2005年5月30曰-6 月3日美国奥兰多，pp. 51-54的图2、图4和图6公开的多孔结构， 并且可以包括如Arik等人的美国专利No. 6，864，57中描述的由大体 对准并且直的纳米管进行弯曲和/或缠绕偏离。本发明包括前述所有 配置。
本发明包括多个这样的纳米管，即大约从基本上几十束到几百 束、到几千束、到几万束、或者几十万束或者更多，与Dai等人的 美国专利No. 6，346，189或者Den等人的美国专利No. 6,979,244中公 开的仅有1个、2个或者3个从表面延伸的结构不同。
Bethume等人的美国专利No. 5,424,054描述了具有包括单层碳 原子的圓柱壁的中空碳纤维或者纳米管以及制造这种纤维的工艺。其他参考文献公开了纳米管的生产，包括Geohegan等人的美国专利 No. 6,923,946; Ma等人的美国专利No. 6,936,565; Arik等人的美国 专利No. 6，864，571; Dai等人的美国专利No. 6，346，189; Keesman等 人的美国专利No. RE38,223;Brorson等人的美国专利No. 6,887,453; Mo， J.等人的"Integrated Nanotube Cooler for Microelectronic Applications", Proceedings of the IEEE CPMT Conference on Electronics Components Technology (ECTC55), 2005年5月30曰-6 月3日美国奥兰多，pp.51-54; Berber, S.等人的"Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes", Physical Review Letter, vol. 84， No. 20， pp.4613-16， 2000年；Fan, S. S.等人的"Self Oriented Regular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field Emission Properties", Science, Vol.283, pp,512-14， (1999年)；Ma等人的美国 专利No. 6，936，565; Den等人的美国专利No. 6,979,244; Brave New Nanoworld, p.3,
http:〃www.ornl.gov/info/ornlreview/rev32_3/brave.htm (Oak Ridge National Laboratory); 而Den等人；以及Brave New Nanoworld (上述 文献)描述了用于制造多壁碳纳米管的方法。Lijima, S., Nature 1991, 354， 56; Ajayan， P. M.等人Nature 1992, 358， 23; Ebbesen, T.W.， Nature 1992, 358， 20; Gao等人，J. Phys. Chem. B 2000年，104， 1227-1234还描述了用于制造纳米管的方法，以及Margulis， L.等人， Journal of Microscopy 1996年,181,68-71标示了螺旋状的纳米管。前
述所有参考文献教导了落入本发明范围内的纳米管。
纳米管也可以包括螺旋状结构，有时称为纳米弹簧或Z字形结 构，其特别有利，这是因为无论延伸还是不延伸，与基本上以非螺 旋或非z字形的方式延伸的纳米管相比，它们都具有每单位长度的 更大的表面面积。不只是纳米弹簧具有每单位长度的特大表面面积， 枝状或森林状阵列或束，鳍突起以及多孔二维阵列或者束，或者多 孔结构都可以具有每单位长度的特大表面面积，所有这些结构都落 入本发明的范围，该每单位长度的特大表面面积给出了将影响纳米管的对流或传导冷却特性的配置。
Den等人的美国专利No. 6,979,244描述了电弧放电工艺用于制 造这些螺旋状碳纳米管，其具有大约4nm到大约34nm的内径和大 约l(im的长度，以及由电弧放电工艺产生的内径大约为0.34nm的多 层螺旋。激光蒸发产生"绳索，，形碳纳米管。Gao等人的J. Phys. Chem. B 2000年，104, 1227-1234也描述了这些所谓的纳米管z字形以及螺 旋状结构并且给出了用于制造它们的方法。Arik等人的美国专利No. 6,864,571公开了这些螺旋状结构，将其称为"纳米弹簧"。Ma等人的 美国专利No. 6，936,565描述了用于制造这些纳米弹簧以及纳米管的 工艺，包括诸如倾斜角沉积或者"GLAD"的物理气相沉积。
这些纳米管包括如Brorson等人的美国专利No. 6,887,453描述 的长达几厘米的单壁或者多壁结构，并且可以具有多达大约8个到 大约IO个或者更多的碳层。Den等人的美国专利No. 6，979，244还描 述了这些长达大约l(im的多壁碳纳米管结构，单壁或者多壁，并 且在一些情况下包围有无定形碳；以及制造它们的方法，例如通过 电弧放电、激光蒸发、高温分解以及等离子体。
Keesman等人的美国专利No. RE38，223; Ajayan和lijima， Nature, 361, p.333; Geohegan的美国专利No. 6,923，946; Arik等人的美国专利 No. 6,864,571; Lieber等人的美国专利No. 5,897,945; Ma等人的美国 专利No. 6,936,565;以及Margulis， L.等人的Journal of Microscopy 1996年，181， 68-71描述了落入本发明的范围内的这些纳米管结构的 各种变型。
生产这些纳米管装置利用了本领域已知的工艺，诸如前述以及 以下参考文献中描述的并且进入本发明的范围内的工艺。碳纳米管 装置的制造利用催化剂来对含碳材料进行高温分解，诸如在存在如 Ni或Co的催化剂的情况下对例如乙烯或其他有机化合物进行高温 分解。引用WO 89/07163的Den等人的美国专利No. 6,979,244提到 Fe任选地与Mo, Cr, Ce或Mn作为合适的催化剂，而Dai等人的美 国专利No. 6,346,189公开了使用Fe， Mo， Ru Mo, Co, Ni, Zn或Ru并且优选地使用Fe， Mo， Ru和Zn的氧化物例如Fe203作为催化剂，具 有从大约lpm到大约5pm的粒子大小。Geohegan等人的美国专利 No. 6,923,946描述了 Fe， Ni， Co， Rh, Pd或其合金作为催化剂，并且 Mo， J.等人的"Integrated Nanotube Cooler for Microelectronic Applications", Proceedings of the IEEE CPMT Conference on Electronics Components Technology (ECTC55), 2005年5月30曰-6 月3日美国奥兰多，pp.51-54利用Fe，Ni和Co来将碳材料催化转化 到这些纳米管中。
包括纳米管装置的冷却装置操作性地与热点区域相关联以降低 在热点区域和在该管芯上的由比热点区域低的温度来限定的至少一 个其他区域之间的任何温度梯度，该至少 一个其他区域是由热分析 测定的，其温度比热点区域低。这些梯度可以包括从大约19。C到大 约45°C,或者大约50。C到大约80°C，或者大约25。C到大约100°C 之间的温度差。
"操作性地相关联"还包括以下情况，其中热点位于管芯的另一 层或几层之下或者被封装材料包封以使来自热点的热量表现在其他 层或封装材料的外部表面。在这种情况下冷却装置将以基本上与其 放置在管芯区域的热点上的相同方式置于该被加热的外部。
在一个实施例中，粘附层固定住用于形成纳米管的催化剂，并 且结果也将纳米管固定于管芯表面。该粘附层还帮助将基体材料连 接到管芯。粘附层包括硼材料或者硅材料或者金属材料，硼材料和 硅材料分别包括元素硼和硅或者硼和硅的化合物，而金属材料包括 元素金属以及金属化合物和合金以及硼材料或硅材料或金属材料的 组合。
粘附层的例子包括Cr或Ta或Ti层。然而Fan, S. S.等人的"Self Oriented Regular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field Emission Properties", Science, Vol. 283, pp.512-14, (1999年)描述了直接在硅 表面上生长这些纳米管而不利用粘附层，该工艺也落入本发明一方 面的范围。本发明的这些纳米管冷却装置基本上由器件表面(诸如管芯表 面)上的基体材料围绕，在一个实施例中，基本上与器件表面(诸 如管芯表面)上的基体材料邻接。在该上下文中"基本上邻接"意指 在任何一点与基体接触或者在多个点或者沿着纳米管装置的整个长 度与基体接触。基体包括第二导热材料并且与管芯上由比热点区域 低的温度限定的其他区域操作性地相关联并与其具有导热关系。
在该上下文中"操作性地相关联"意指基体材料在几个点或者通 过由比热点区域低的温度限定的诸如管芯的器件的其他区域上的基 体的整个区域，直接或者通过粘附层或者在器件上这样其他区域上 的这样的层，与该区域之上的器件层或者包封该器件的封装材料是 邻接的，其中粘附层包括金属材料或者硼材料或者硅材料或者包封
管芯的器件组件或封装材料。在该上下文中"金属材料"包括一种或 多种元素金属、金属合金或者金属化合物诸如氧化物、氮化物、碳 化物等，而"硅材料"和"硼材料"具有与先前给出的相同的含义。
基体材料包括 一 层导热材料，其在某些情况下包括相当厚的材
料，例如从大约lpm到大约20pm,或者从大约20lam到大约200jxm， 或者从大约100(im到大约10000|im的任何厚度，并且不仅包括Cu, 还包括Zr, Nb, Ta, Mo， Zn或Al以及其组合，即它们彼此的合金 或者其与其他元素的合金。Den等人的美国专利No. 6，979，244也描 述了这些元素作为半导体器件中的传导层。热导率比铜低的其他材 料也可以用在以下情形温度梯度太大以致于基体/碳纳米管组合不 能如上所述消除或者最小化温度梯度。这些材料可以包括但是不限 于金属氧化物或者氮化物、氮化硅或氮化硼以及有机硅酸盐玻璃。
纳米管材料(即，形成纳米管装置的材料)的热导率比制作基 体的材料的热导率高。在本发明的另一个方面，纳米管的末端基本 上没有基体材料或其他材料，即纳米管装置的末端具有一个表面， 其可用于与介质直接接触，该介质包括冷却介质，诸如冷却流体， 即，气体或者液体，或者其他冷却介质，诸如含铝粉和/或薄片的糊 剂。在一些实例中，基体材料可能在末端上方突出，需要利用一种 工艺来基本上去除该突出的基体以暴露该末端。在这一点上，可以
利用例如化学机械抛光(CMP)工艺。在另外的实例中，在制造器 件的过程中在末端上方提供掩模以基本上防止其他材料附着到末端 的表面，可以具有同样的效果。直到完成制造工艺后去除该掩模将 使末端表面可用于与介质直接接触，该介质包括诸如热交换流体的 热交换介质。这使得纳米管装置的末端可用于与包括热交换介质的 介质直接接触。
在另 一 实施例中，器件的特征可以不仅在于任何一个前述特征 而是还可以在于这些特征的任意组合。
因此，本发明的主要核心在于生成与芯片上的强调的热点图案 相对应的特定图案的纳米管，并且其中石墨烯片填充因子随着温度 梯度以不连续、阶梯式的方式变化。
根据沿着CNT轴的共同方向取向的碳纳米管束的热导率来限定 填充因子。其与石墨烯片所占的束的横截面积的百分比(定义为石 墨烯片填充因子)成正比，而与该束内的剩余的自由空间的百分比 成反比。CNT可以是单壁和多壁的。
如果跟随从热点到最冷区域的路径，阶梯因子就阶梯式地减少， 每个阶梯对应于纳米管冷却装置的一个附加区域，其具有与前一个 区域不同的热导率。在图8中示出了该情况。在一个实施例中，直 径大于另一纳米管束的纳米管(并且由此填充因子和热导率低于该 另一纳米管束的纳米管)的单壁纳米管束被用来匹配于从热点开始 到最低温度的管芯区域结束的温度梯度。
如本领域中已知的，CNT具有任何材料中的最高的热导率 (6000W/mK相对于铜的400W/mK ) ( Berber, S., Kwon， Y,K.和 Tomanek， D的"Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes"， Physical Review Letter, vol. 84, No. 20, pp. 4613-4616， 2000年；Srivastava， N.和Banerjee, K的Proceedings of the 21st年))。在衬底上放置CNT图案以后，在整个管芯区域上方沉积厚铜 层并且进行CMP以刚好抛光到CNT顶之上(图4)。通过纳米管束 来散热比通过仅由铜覆盖的区域来散热快得多，因此减少或者完全 消除了热点区域以及跨越芯片的温度梯度。在一个实施例中，这在 芯片的Si侧进行。但是本发明的工艺和所得的制造产品也包括从另 一侧(BEOL或者互连侧)冷却。
冷却将发生在芯片的Si侧。在处理开始之前，通过T〉 800。C的 普通CVD沉积CNT，但是采取一些步骤以保证与所有后续步骤的工 艺兼容性。可选地，通过稍后的或者在所有处理结束时的等离子体 增强化学气相沉积("PECVD")来生长CNT,但是不仅限于该工艺。 还通过使用CNT以及这里描述的发明的其他方法在器件的两侧来消 除或者基本上消除器件中的温度梯度。"两侧"意指BEOL侧以及晶 片的相对的一侧，即，硅管芯上没有电路元件的一侧。
然后在整个管芯区域上方沉积厚的铜层并且进行CMP以刚好 抛光到CNT顶之上(图4)。通过纳米管束来散热比通过仅由等同 厚度的铜覆盖的区域来散热要快，因此减少或者完全消除了热点区 域以及跨越芯片的温度梯度。
纳米管可以视为已无缝地巻成圆柱形的石墨烯片(包括以平面 六边形图案布置的C原子的一层片)。相关参考文献类似地将纳米 管看作巻成管的石墨片条，其直径为几纳米而长度长达几百微米 ((im),例如Den等人在美国专利No. 6,979,244中所公开的，该文 献将其描述为平行于垂直轴并且360。围绕该垂直轴延伸的产生具有 任何材料中最高热导率的六边形环石墨网的碳六边形网眼片。
平行于长圓柱轴，沿其碳基壁的热导率最高。如前所述，沿着 CNT轴的共同方向取向的碳纳米管束的热导率与石墨烯片所占的束 的横截面积的百分比(定义为石墨烯片填充因子)成正比，而与该 束内的剩余的自由空间的百分比成反比。CNT可以是单壁和多壁的。 石墨烯片填充因子包括具有从1到大约IO或更多个壁纳米管结构的 纳米管，例如由Brorson等人在上述文献中描述的。后者可以视为包括大量同轴的圓柱体，其具有共同的对称长轴以及稍有不同的直径。
多壁碳纳米管("MW-CNT")是使CNT束的填充因子最大化的有效 方式。通过将CNT密闭封装在六边形密闭封装("HCP")配置中也 可以最大化填充因子。包括同一直径的CNT的HCPCNT束的填充 因子与CNT直径成反比。因此热导率与填充因子成正比并且可以由 以上描述的几种方式来控制。
可以通过改变用于CNT生长的催化剂纳米粒子的直径来实现 CNT直径的受控改变。可以看出CNT直径与所使用的催化剂纳米粒 子的直径密切相关(Lieber等人的J. Phys. Chem. B 2002年，106, 2429-2433.) 。 Lieber等人说明了平均直径为3nm、 9nm和13nm的 催化剂纳米粒子被分别用来生长平均直径为3nm、7nm和12nm的碳 纳米管。在这些实验中，催化剂纳米粒子的直径尺寸分布非常窄， 这转换为CVD生长的CNT的尺寸分布，至少直到前两个直径尺寸 是被关注的。其他CVD生长参数(例如Lieber等人在上述文献中讨 论的CVD室中C的供应、所使用的含C分子的种类以及生长的T) 也会影响纳米管的直径。因此，本发明的纳米管的直径可以从大约 lnm到大约25nm或更多之间变化。
特定尺寸的催化剂纳米粒子可以被传送到特定区域上。特定尺 寸的催化剂纳米粒子可以从溶液中传送到衬底的特定区域上。进行 该才喿作的一个方法是使用如Kumar等人的美国专利No. 5，512，131中 所述的聚二曱基硅氧烷(PDMS)印章，其中构图的PDMS印章涂敷 有形成分子纟某介的自组装单分子层(SAM),该印章被压向SAM可 以粘合的衬底，然后被移除留下构图的表面，其仅在与构图的印章 的高的区域对应的区域上涂敷有SAM。在本发明中，形成分子媒介 的SAM将由具有SAM功能化的表面的催化剂粒子的溶液来代替。
镜像反映将要在衬底上生成的催化剂纳米粒子覆盖图案的 PDMS印章被浸入包含催化剂纳米粒子(在优选的实施例中，其表 面已利用合适的SAM功能化)的溶液中并且然后被压在所需衬底 上。具有互补图案并且涂有包含不同直径的催化剂纳米粒子的催化剂纳米粒子溶液的PDMS印章随后可以用来在需要不同冷却速率的 芯片区域处生成包括不同催化剂纳米粒子直径的图案。以该方式， 可以在芯片的不同区域实现可变的CNT束填充因子，由此保证实现 不同的冷却速率。可选地，可以使用包括几个标准光刻步骤的更加 精细的工艺方式以产生上述图案，然而对应于不同冷却要求的图案 的粗糙度使得更简单、更便宜、更迅速的PDMS印章构图更适合于 本发明的目的。
通过控制次邻近(NNN)催化剂纳米粒子之间的距离(因而控 制同一尺寸的CNT的密度)，还可以实现改变CNT束的填充因子。 进行该操作的一种方式是在催化剂纳米粒子上添加自组装单分子层 (SAM)盖，其中该SAM分子具有不同的烃基链长度。这样可以控 制NNN催化剂纳米粒子的距离。这些SAM盖在CNT生长之前被去 除。图9图示了这一改变NNN催化剂粒子之间的距离的方法。在图 9的左图中，由具有烃基链长度为14个(该数字仅用于说明目的) 重复单元的分子构成的SAM被用来作为用于催化剂粒子的盖；在图 9的右图中，由具有烃基链长度为8个重复单元的分子构成的SAM 被用来作为催化剂粒子的盖。催化剂粒子尺寸在涂敷SAM之前是相 同的。在形成密闭封装的配置之后(通常处于能量方面有利的状态)， 在图9中左图和右图的催化剂粒子的中心之间的距离分别是山和d2。 3巨离d！大于d2。
C. P. Collier等人在Science, 277,1978， (1997年)中已经说明了 当使用包含不同烃基链长度的分子的SAM来覆盖纳米粒子时，该方 法对于覆盖有A g纳米粒子的密闭封装的膜中粒子间距离的控制的 效果。图IOA和图10B图示了该情况，通过元素1310和1320示出 了包含直径为27埃的Ag粒子的压缩膜的TEM图像，其被裁切为每 画面包含102个粒子。图示1310包括分隔大约6埃的己碌^醇覆盖的 粒子的视频捕获图像(曝光0.033s)。图示1320包括分隔大约12 埃的癸硫醇覆盖的粒子的膜图像。通过控制催化剂纳米粒子之间的 距离，可以控制NNNCNT之间的距离。可选地，在熔化薄催化剂层之后，使用初始连续的催化剂层可 以提供可变的粒子间距离。这是产生催化剂粒子的一种方法，在本 领域中非常普遍。通过改变后一层的厚度，平均而言，可以以非常 一致的方式改变催化剂粒子的尺寸和间隔，并且因此可以控制所得
的CNT束的填充因子，由此提供对于CNT束的热导率的控制。
使用这些本领域已知工艺，可以使在器件表面上的束密度("表 面密度")平均地在从大约每lnm2 1个纳米管到大约每100nm2 1个 纳米管之间任意改变。
在处理步骤结束时，包括在整个管芯区域上方(在覆盖有各种 CNT直径的CNT束的区域或者具有以变化的距离彼此隔开的CNT NNN的区域以及未覆盖区域两者的上方)沉积厚Cu或其他金属膜 时，利用CMP步骤来平坦化Cu表面以获得平坦表面。这有助于将 芯片附着到冷却结构。而且，热导率(也称为导热率)与填充因子 成正比并且可以以如上所述的几种方式来改变。
热导率k是材料的特性，其指示材料的导热能力。参考图3， k 被定义为在稳态条件下并且在热传送仅依赖于温度梯度时，由于温 度差」T而沿面积A的表面的法线方向，在时间t中穿过厚度L的 热量Q。热导率-热流动速率x距离/ (面积x温度差)
丄Ar
单位为瓦特每开尔文米(W'K"'m")。热导率k的倒数是热阻 率r,单位是开尔文米每瓦特(K'm'W_1)
当涉及已知量的材料时，可以描述其热导u及其倒数特性热阻
R。对于普通的科学使用，热导是指当板的相对的面温度相差一度时， 在单位时间中穿过特定面积和厚度的板的热量。对于热导率为k,面 积为A，厚度为L的板，U=kA/L,单位是W'K"。这类似于电导率(A'm"'V")和电导(A'V")之间的关系。由此，R=L/kA。
还有一个量度称为传热系数，其是指当板的相对的面温度相差 一度时，在单位时间中穿过单位面积的特定厚度的板的热量。其倒 数是传热阻。总之
总和，因为所有层的A和Q都是相同的。在这样的多层划分中，总 热阻为
R丁otal二Rl +R2+R3+-..
其中Rn (n= 1， 2, 3，...)是层1, 2, 3,...的热阻。 因此，总热导与各层的热导的关系是
、"，K K
其中Un (n= 1，2,3，…)是层1, 2, 3,…的热导。 在图4所示的例子中，包括厚度为山的Si晶片4004的器件4000 在其表面的一些部分背衬有厚度为cb的Cu层4005,而在一些其他 部分背衬有同样厚度的CNT束(未示出)。图4还图示了 BGA (球 栅阵列)4001、互连区域4002、器件组件或级4003,都作为器件4000 的结构的一部分。该计算中忽略了粘附层和催化剂层，这是因为它 们的厚度相对非常的小并且因此热阻非常小。Si在室温的热导率为 144 W.K"'m-1, [Microelectronics Packaging Handbook, R. R. Tummala, E. J. Rymaszewski, A. G. Klopfenstein, Chapman and Hall NewYork，NY(1997年)，partl，p. 323]Cu为398 W.K".m-1 ， [ibid], CNT具有任何已知材料的最高热导率k=6000 W'K"'m" (Berber, S.， Kwon， Y.-K.,和Tomanek， D的上述文献；Srivastava, N.和Banerjee, K 的上述文献.)。
热导 热阻
传热系数 传热阻
U=kA/L，单位是W'K-
R=l/U=L/kA，单位是K'W-1 U/A=k/L,单位是W'K"'m-2 A/U=L/k，单位是K'm2'W"。
位于热区域和》在图4中从A点到B点的总的传热阻A/UT。tal，即层4004 ( Si, 在以下计算中称为层l)和层4005 (Cu,在以下计算中称为层2) 的总传热阻为
<formula>formula see original document page 27</formula>
对于将要实施的本发明方法，不希望Si热导率成为将确定叠层 的总传热阻的控制参数。层1和层2 (分别为Si和Cu)的传热阻相 同的点为以下时候
<formula>formula see original document page 27</formula> 。
为了由Cu来控制叠层的总传热阻，Cu的厚度d2应当至少为Si 厚度的6 - 8倍。因此应该在不产生损坏其上的芯片结构的可能性并且 不会对其结构稳定性造成危害的情况下将Si晶片尽可能地减薄(例 如通过化学机械抛光)以减少山，并应将山的2-3倍厚的Cu层沉积 在Si晶片的背面上。
假设d产50pm而d2=300nm。 Si层的传热阻将为 (50E-5 m) / (144 W. K"1' m—') = 3.47E-7 W_1. K' m2,而Cu层的传热阻将 为(3C0E-6 m> / 〔398 W隱K—1' m-1) = 7.533E-7 W1' K' m2 ，其多于Si层传热 阻的二倍。在这种情况下，该叠层的总传热阻为1.1E-6W"、K'm2,其 75%来自Cu。因此Cu层主导了芯片的冷却工艺。
参考图5和图6，进一步进行该分析。图5图示了器件5000, 其包括BGA 5001、互连区域5002、器件级5003、 Si晶片5004和 CNT(碳纳米管)束5005。而图6图示了器件6000，其包括BGA 6001、 互连区域6002、器件级6003、 Si晶片6004、 Cu层6005和CNT束 6006。现在如果根据该公开在热点上方应用CNT束，其厚度与在较 冷区域中的Cu的厚度相同(在本例中d2=300pm)(图6)，则在 CNT覆盖的区域中叠层(图5从A，到B，)的传热阻将为3.WE-7
K ■ m2+ (300E-6 m) / ,0 W' K"1' m—)) = W-1 ' K ■ ms + 5E誦8 v\T1. K' m2 =
3-97E-7 W1 ■ K' m2,其基本上是Si的传热阻。明显地，能将Si层做得越薄，使用所公开的方法进行热点消除 就越有效。而且，能将Si层做得越薄，整个芯片的总冷却速率就越
有效，平均芯片温度就越低。
一4殳工艺方法
1. 通过管芯上电路的热分析识别热点区域。
la.绘制热点的轮廓和温度曲线。
2. 制作对应于热点图案的光刻掩模；保证热点内的较冷区域被 适当地绘制。
3. 根据使用的催化剂，沉积用于后续催化剂层的Cr或Ta或Ti 粘附层。该粘附层固定了用于在管芯表面生长纳米管的催化剂，并 且由此也将纳米管固定到管芯表面。该粘附层还帮助将基体材料连
材料，硼材料和硅材料分别包括元素硼和硅或者硼和硅的化合物， 而金属材料包括元素金属以及金属化合物和合金以及硼材料或石圭材 料或金属材料的组合。然而Fan, S. S.等人的"Self Oriented Regular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field Emission Properties", Science, Vol. 283， pp.512-14， (1999年)描述了直接在硅表面上生长这 些纳米管而不利用粘附层，该工艺也落入本发明一方面的范围。
4. 沉积镍或钴或铁或其他催化剂层用于纳米管的生长。
5. 使用步骤2的光刻掩模，利用标准光刻技术对催化剂层进行 构图。
6. 将衬底放入CNT生长室中并且使用促进竖直(竖直意味着垂
在CNT生长之前以及生长期间，由于所使用的衬底温度，催化剂层 分裂为纳米粒子。
7. 通过电沉积或者其他方法，在整个结构上方沉积一厚层铜。
8. 对铜进行CMP (化学机械抛光)刚好抛光到CNT束端部之 上(参见图6)。
基于图6,覆盖有催化剂/CNT层的热点上方的热导率比具有较低冷却要求的覆盖有Cu的区域高至少10倍。现在对该结构准备应 用标准冷却技术，例如流体冷却，包括水或水汽冷却、空气冷却、 包括其共沸物的有4几流体冷却；卣化冷却液冷却，包括本领域已知 的卣化冷却剂的共沸混合物；基本上惰性气体冷却，诸如氮气冷却； 稀有气体冷却等；其或者为一次通过的冷却流体工艺或者为重复循 环使用的冷却流体工艺。也可以使用冷却流体的混合物，其中混合 物中的每一成分在^f吏用混合物时都可以占重量的大约1%到大约99 %之间^壬意百分比。如所注意的，也可以l吏用其他冷却工艺。
图2包括光刻掩模的图示，其中黑色区域2001对应于图1的芯 片管芯上较冷的区域，而区域2002、 2003和2004包括具有增加的 冷却需求的热产生增加的区域。根据本发明，沉积长轴基本上垂直 于衬底并且具有变化的填充因子(如何获得这种变化参见上文)的 CNT束需要在区域2004 (热点)具有最高填充因子，在区域2003 具有较低填充因子，在区域2002具有更低填充因子。CNT阵列或者 束的变化越多，各种CNT束或者阵列区域的冷却能力就能更好的匹 配于温度梯度。图2中图示的每个区域对应于用于压印光刻的PDMS 印章或者光刻掩模。每个掩模或者印章用于构图催化剂层(催化剂 纳米粒子)，然后在该催化剂层上可以生长竖直对准的CNT束。
图7包括在n+型多孔硅衬底上合成的自取向纳米管的电子显微 图(来自Fan, S. S.等的上述文献的图)。画面A包括在逐个250pm 的催化剂图案上合成的纳米管块的SEM (扫描电子显微镜)图像。 纳米管长80jam并耳又向为垂直于衬底(参见画面F)。画面B包括在 逐个38(xm的催化剂图案上合成的纳米管塔的SEM图像。納米管长 130(im。画面C包括画面B所示的纳米管塔的侧视图。纳米管是自 组装的以使得塔的边缘完全垂直于衬底。画面D包括纳米管"双塔，， 的SEM图像，为画面C中所示配置的放大图。画面E包括纳米管塔 顶的锐利的边缘和转角的SEM图像。画面F包括表示块中的纳米管 很好地对准于与衬底表面垂直的方向的SEM图像。画面G包括在 n+型多孔硅衬底上生长的几个纳米管块中的单纯多壁纳米管的TEM(透射电子显微镜)图像。即使在1,2-二氯乙烷中超声15分钟后， 对准的且成束的纳米管配置仍然明显。画面G中的插图是高分辨率 TEM图像，其示出了束在一起的两个纳米管。可分辨出两个纳米管 的排列有序的石墨晶格条紋。
通过该说明书，阐述并且甚至各个阐述了等同物，例如等同元素、 材料、化合物、成分、条件、工艺、结构等，还包括这些等同物的 组合，诸如两个成分、三个成分或者四个成分的组合。在所有的实 例中，等同物和/或成组阐述的其他材料的组合以及加工处理的组合 包括但并不限于在每组内阐述的不同项目或元素的组合，还包括一 组的元素与所有或任一其他组的元素的组合。
另外，在整个说明书中阐明的描述本发明的各种数字范围还包括 范围的较低端与范围的较高端的组合，和范围内的任何单个数字值， 或将会减少该范围下限的余地或者该范围的上限的余地，或者该范 围的较低端和较高端两者的该范围内的任何单个数字值，以及落入 任何这些范围内的范围。用语"至少一个"意指一个以上或多个或很 大的数目，或从1到大约1000，或从1到大约500,或者从l到大 约100。
目前或者随后应用于这里的任何参数(诸如数字值，包括用于描 述数字范围的值)上的用语"大约"或者"基本"或者"基本上"意指该参 数的稍微变化，或者其是大体的或者代表全部指定的大部分情况。 还以本领域普通技术人员能够理解或使用的方式利用用语"大约"、 "基本"和"基本上"。在另一实施例中，当用语"大约"、"基本"或者"基 本上"用于限定数字参数时，包括了例如高达5个百分点、高达IO 个百分点或者高达15个百分点的变化，或者比上限高或者低5个百 分点、10个百分点或者15个百分点。限定数字参数的用语"高达" 意在包括零下限或者非常小的数字，例如0.001。
该书面陈述提及的所有的科学期刊文章和其他文章以及专利和 专利申请，以及这些科学期刊文章和其他文章以及这些专利和专利 申请所另外引用的参考文献，出于该书面陈述中提到的目的通过参考在这里合并其全部内容，并且这些科学期刊文章和其他文章以及 专利和专利申请中包含的所有其他公开作为整体或者其中任何一个 或者任何组合可以不仅与该书面陈述有关或应用于该书面陈述，而 且可以与整个说明书有关或应用于整个说明书。
虽然通过参考一些实施例描述了本发明，但是不旨在用这些实施 例限制本发明，而是旨在将等同原则所包含的其他实施例也落入前 述书面陈述、发明的摘要、附图和权利要求书的广泛范围和精神内。
权利要求
1. 一种包括管芯的半导体器件，其中该管芯包括(a)位于该管芯上平面中的至少一个限定的热点区域；(b)包括位于该管芯上平面中的温度比该热点区域温度低的区域的至少一个限定的最低温度区域，其中该最低温度区域包括该管芯的最低温度；(c)包括位于该管芯上平面中的温度比该热点区域温度低的区域的至少一个限定的中温区域；(d)包括至少一束第一纳米管装置的冷却装置，该第一纳米管装置由导热材料制成并且从该热点区域的平面沿向外的方向延伸，该第一纳米管装置操作性地与该热点区域相关联并且与其具有导热关系，并且该第一纳米管装置具有足以减小在该热点区域和该管芯上的任何其他温度区域之间的任何温度梯度的热导率；(e)包括至少一束附加纳米管装置的冷却装置，该附加纳米管装置由导热材料制成并且从该中温区域的平面沿向外的方向延伸，该附加纳米管装置操作性地与该中温区域相关联并且与其具有导热关系，并且该附加纳米管装置具有足以减小在该中温区域和该管芯上的任何其他温度区域之间的任何温度梯度的热导率；(f)该第一纳米管装置束的热导率大于该附加纳米管装置的热导率；(g)该第一纳米管装置束和该附加纳米管装置束基本上由基体材料包围，该基体材料由导热材料构成，操作性地与该最低温度区域相关联并与其具有导热关系；(h)该第一纳米管装置束和该附加纳米管装置束的热导率大于该基体材料的热导率；(i)该第一纳米管装置束和该附加纳米管装置束的末端被定位用于与包括热交换介质的介质直接接触。
2. 根据权利要求1所述的器件，包括该第一纳米管装置束、该附加纳米管装置束和该基体材料，其中该第一纳米管装置束基本上彼此平行；该附加纳米管装置束基本上彼此平行；并且该第一纳米 管装置束和该附加纳米管装置束基本上(a) 是线形的或螺旋形的；(b) 垂直于该热点的平面；(c) 包括单壁或者多壁纳米管。
3. 根据权利要求2所述的器件，其中该第一纳米管装置束和该 附加纳米管装置束在该器件上具有不同的空间密度，其中在该器件 上空间密度较高的纳米管装置以比在该器件上空间密度较低的纳米 管装置更高的速率对该器件进行冷却。
4. 根据权利要求2所述的器件，其中该第一纳米管装置束中的 纳米管和该附加纳米管装置束的纳米管具有不同的直径，其中具有 较小直径纳米管的纳米管装置以比具有较大直径纳米管的纳米管装 置更高的速率对该器件进行冷却。
5. 根据权利要求2所述的器件，其中该基体材料包括金属材料， 并且该纳米管装置包括碳。
6. 根据权利要求2所述的器件，包括VLSI器件。
7. —种用于在具有管芯的半导体器件的表面上提供冷却装置的 方法，包括(a) 通过热分析限定位于该管芯上平面中的至少 一 个热点区域 (a);(b) 通过热分析限定包括位于该管芯上平面中的温度比所限定 的该热点区域温度低的限定区域的至少一个最低温度区域(b),其 中该最低温度区域包括该管芯的最低温度；(c) 通过热分析限定包括位于该管芯上平面中的温度比所限定 的该热点区域温度低的区域的至少一个中温区域(c);(d) 制作对应于该热点区域(a)的掩模(d);(e) 借助于该掩模(d)选择性地将用于限定对应于该热点区 域(a)的催化剂区域(e)的催化剂施加到该管芯表面并且由此产生以下半导体器件，该半导体器件的管芯具有对应于该热点区域(a ) 的选择性地催化的表面(e);该催化剂选择为促进导热的第一纳米 管装置束的生长；(f) 制作对应于该中温区域(c)的掩模(f);(g) 借助于该掩模(f)选择性地将用于限定对应于该中温区 域(c)的催化剂区域(g)的第二催化剂施加到该管芯表面并且由 此产生以下半导体器件，该半导体器件的管芯具有对应于中温区域(c)的选择性地催化的表面(g);该第二催化剂选择为促进导热 的附加纳米管装置束的生长；(h) 由导热材料在对应于该热点区域(a)的选择性地催化的 表面(e)上生长第一纳米管装置(h),以从该热点区域(a)的平 面沿向外的方向延伸，该第一纳米管装置(h)操作性地与该热点区 域(a)相关联并且与其具有导热关系，以减小在该热点区域(a) 和该器件上的其他区域之间的任何温度梯度；(i) 由导热材料在对应于该中温区域(c)的选择性地催化的表 面区域(g)上生长附加纳米管装置(i),以从该中温区域(c)的 平面向外延伸，该附加纳米管装置(i)操作性地与该中温区域(c) 相关联并且与其具有导热关系，以减小在该中温区域(c)和该器件 上的其他区域之间的任何温度梯度；(j)在该最低温度区域(b)上沉积导热的基体材料(j),以 形成包围该第一纳米管装置和该附加纳米管装置的基体，该导热的 基体材料(j)延伸到该区域(b)并操作性地与该区域(b)相关联， 以将热量从该区域(b)传导出去；(k)该第一纳米管装置(h)和该附加纳米管装置(i)由热导装置(h)的热导率大于该附加纳米管装置(i)的热导率；(1)使该第一纳米管装置和该附加纳米管装置的末端充分暴露 于该导热的基体材料(j)之上，以使该末端可用于与包括热交换介 质的介质直接接触。
8. 根据权利要求7所述的方法，包括该第一纳米管装置束、该 附加纳米管装置束和该基体材料，其中该第一纳米管装置束包括基本上彼此平行的纳米管； 该附加纳米管装置束包括基本上彼此平行的纳米管；并且 该第一纳米管装置束和该附加纳米管装置束基本上(a) 是线形的或螺旋形的；(b) 垂直于该热点的平面；(c) 包括单壁或者多壁纳米管。
9. 根据权利要求7所述的方法，包括形成该第一纳米管装置束 和该附加纳米管装置束以在该器件上具有不同的表面密度，其中在 该器件上空间密度较高的纳米管装置以比在该器件上空间密度较低 的纳米管装置更高的速率对该器件进行冷却。
10. 根据权利要求7所述的方法，包括通过将催化剂作为催化 剂粒子施加于该管芯上并且控制该催化剂的间隔，来形成该第 一 纳 米管装置束和该附加纳米管装置束，以在该器件上具有不同的空间 密度，其中在该器件上表面密度较高的纳米管装置以比在该器件上 表面密度较低的纳米管装置更高的速率对该器件进行冷却。
11. 根据权利要求IO所述的方法，其中不同尺寸的催化剂粒子 被放置在该管芯上的不同区域用于制造所述纳米管。
12. 根据权利要求10所述的方法，包括通过SAM方法来控制 该催化剂的间隔。
13. 根据权利要求7所述的方法，包括由金属材料形成该基体 材料以及由碳形成该纳米管装置。
14. 根据权利要求7所述的方法，其中该器件包括VLSI器件。
15. 根据权利要求7所述的方法，其中在向该管芯的表面选择性 地施加催化剂层之前，还包括向该管芯的表面施加金属粘附层的步 骤。
16. 根据权利要求7所述的方法，其中该催化剂区域由纳米印章 来构图。
17. 根据权利要求8所述的方法，其中该催化剂区域由纳米印章 来构图。
18. —种由权利要求7的方法生产的产品。
19. 一种由权利要求16的方法生产的产品。
20. —种由权利要求17的方法生产的产品。
全文摘要
本发明提供一种包括管芯的半导体器件和用于在其表面上提供冷却装置的方法，该管芯具有至少一个限定的热点区域；以及温度比热点区域的温度低的至少一个限定的中温区域。该器件还包括冷却结构，其包括用于冷却热点区域的至少一束第一纳米管以及用于冷却中温区域的并且热导率低于第一纳米管束的至少一束附加纳米管。两组纳米管的热导率足以减少在限定的热点区域、限定的中温区域和管芯上的至少一个较低温度区域之间的任何温度梯度。第一纳米管和附加纳米管的壁由与较低温度区域操作性地相关联的导热的基体材料包围。
文档编号H01L21/02GK101414587SQ20081021376
公开日2009年4月22日 申请日期2008年9月4日 优先权日2007年10月18日
发明者A·格里尔, B·E·罗戈维茨, C·D·迪米特拉科波洛斯, C·J·乔吉奥 申请人:国际商业机器公司